空间信息系统原理02-课件

第二讲空间数据1、地理空间与空间信息2、空间参照系和地图投影3、空间数据模型与结构4、空间数据质量5、空间元数据7/26/20231第二讲空间数据1、地理空间与空间信息 ——空间信息P3C5N1C1P4P1P2C2C7C6C4C3N2N3N4①三条不同分布状态的交通线，描述三条交通线在平面上的位置（位置信息）。②三条具有关联关系的交通线，说明三条交通线如何连接（拓扑信息）③三条分别具有不同等级的交通线，说明交通线的等级状况（属性信息）。7/26/20232第二讲空间数据1、地理空间与空间信息 ——空间信息

空间信息是有关地理空间中的物质的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。而地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时域特征三部分。空间信息具有以下几个独特特性：区域分布性：空间位置数据量大：包括空间、属性、时间三个层面；尤其是卫星技术的发展，每天都可以获得大量空间信息。

信息载体的多样性：物质本身；文字、数字、地图、影像等符号载体；纸质、磁带、光盘等物理介质载体。7/26/20233第二讲空间数据地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围。但一般地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。在空间信息系统中，地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，是由不同实体之间的空间关系构成。1、地理空间与空间信息 ——地理空间的定义7/26/20234第二讲空间数据1、地理空间与空间信息 ——地理空间的数学建构

为了深入研究地理空间，需要建立地球表面的几何模型，这是进行大地测量的前提。根据大地测量学的成果，地球表面模型可以分为四类：最自然的面：包括海洋底部、高山、高原等在内的固体地球表面。——太复杂，难以建模，各种量算也非常困难。相对抽象的面：也称为大地水准面，是静止海平面的延伸。以它为基准，可以用水准仪测量地球自然表面上任意点的高程。——海平面的起伏将导致测量的不确定。模型：以大地水准面为基准建立的地球椭球体模型。其他数学模型：为了解决特定的大地测量问题而提出的。如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。7/26/20235第二讲空间数据1、地理空间与空间信息 ——地理空间的数学建构地球椭球体模型bca三轴椭球体模型双轴椭球体模型（旋转椭球体）其他椭球体模型：根据a、b、c的不同x2a2y2b2z2c2++=1x2a2y2a2z2c2++=1克拉索夫斯基椭球体7/26/20236第二讲空间数据1、地理空间与空间信息 ——地理空间坐标系的建立地球表面特征的度量，最直接的方法就是利用经纬度来表示。这种方法对于表示空间位置是很好的，但却难以进行距离、方位、面积等计算。可以将经纬度坐标转换成平面直角坐标，这样就可以方便地进行距离、方位、面积的计算：F:(φ,λ)(x,y)，φ为经度，λ为纬度这个过程就是地图投影。虽然由于地球表面形态发生了变化，但在一定的空间范围内却提供了很好的近似，可以帮助人们对地理空间建立一个良好的视觉感，进行各种量算以及进一步的空间数据处理和分析。7/26/20237第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影地理空间中的要素要进行定位，必须要嵌入到一个空间参照系中，即在进行位置描述时，需要有一个参照。根据地球椭球体模型建立的地理坐标——经纬度坐标可以作为所有空间要素的参照系统。投影指的是在两个点集之间建立一一映射关系。因为地球是一个不规则的球体，将地球表面的地理坐标转换为平面坐标的过程称为地图投影。空间信息系统不能仅依靠地理坐标，必须要有平面坐标，地图投影对空间信息系统来说是不可缺少的。地图投影的使用保证了空间信息从地理坐标变换为平面坐标后能够保持在地域上的联系和完整性。地图投影之后的结果的记录是以地图作为保存介质的。7/26/20238第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——地图地图是以平面的方式记录地理空间中的要素信息，包括位置及其上的特征。由于地图本身的尺寸与其描述的地理空间范围之间是不同的，因此，通常说地图具有某种比例尺。所谓地图比例尺，指的是地图上的距离于地面上相应距离之比，一般可以以下几种表示方法：数字比例尺：1：100000

文字比例尺：地图上1mm等于实地1km

图解比例尺或直线比例尺：面积比例尺：图上面积与实际面积之比比例尺表明了地图数据的详细（精确）程度，因此不同比例尺地图往往需要采用不同的地图投影方式。7/26/20239第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——地图投影的变形用地图投影的方法将球面展开为平面，虽然可以保持地域上的联系和完整性，但它们与球面上的经纬度网线形状并不一致。即投影后，地图上的经纬度网线发生了变形，同样根据地理坐标展绘在地图上的各种要素，也必然随着变形。这种变形使得地理要素的几何特性受到破坏：长度变形：地球仪上，纬线长度不等；同一纬线上，经差相同，纬线长度相同；同一经线上，纬差相同而经线长度不同；所有经线长度相等。面积变形：地球仪上，同一纬度带内，经差相同的网格面积相等；同一经度带内，纬度越高，面积越小。角度变形：地球仪上，经线与纬线处处呈直角相交。7/26/202310第二讲空间数据地图投影的变形示意2、空间参照系和地图投影 ——地图投影的变形7/26/202311第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——地图投影的分类按变形性质分类：等角投影：角度变形为零。同一方向长度比相同。等积投影：面积变形为零。任意投影：长度、角度和面积都存在变形。其中有一种等距投影，在某一方向上长度变形为零，这种投影面积变形小于等角投影，角度变形小于等积投影。经投影后地图上所产生的长度变形、角度变形和面积变形是相互联系相互影响的：等积与等角互斥；任意投影不能等角和等积；等积投影角度变形大，等角投影面积变形大。7/26/202312第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——地图投影的分类按构成方法分类：1、几何投影：把经纬度网格投影到几何面上，再展开。圆柱投影：投影面为圆柱面。方位投影：投影面为平面。圆锥投影：投影面为圆锥面。2、非几何投影：不借助几何面，根据某些条件用数学解析法确定球面与平面之间点与点的函数关系。伪圆柱投影伪方位投影伪圆锥投影多圆锥投影7/26/202313第二讲空间数据圆柱投影方位投影圆锥投影2、空间参照系和地图投影 ——地图投影的分类7/26/202314第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——地图投影的分类按投影面与地球相割和相切分类：割投影：投影面与地球相割。切投影：投影面与地球相切。7/26/202315第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——高斯－克吕格投影高斯－克吕格投影是由高斯于19世纪20年代拟定，后经克吕格补充而形成的一种地图投影方式，其特征包括：

中央经线和地球赤道投影成为直线，且为投影的对称轴；等角投影；中央经线上没有长度变形；同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；同一条经线上，纬度越低，变形越大，赤道处最大；在6°带范围内，长度变形线最大不超过0.14%。7/26/202316第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——高斯－克吕格投影XS’YN’7/26/202317第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——高斯－克吕格投影我国1:1万至1:50万的地形图全部采用高斯－克吕格投影。1:2.5万至1:50万的地形图，采用6°分带方案，全球共分为60个投影带；我国位于东经72°到136°间，共含11个投影带；1:1万比例尺图采用3°分带方案，全球共120个带。从0度开始，自西向东每6度分为一个投影带。从东经1度开始，自西向东每3度分为一个投影带。7/26/202318第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——地图投影的选择地图投影将直接影响地图的精度和使用价值。通常地图投影对中小比例尺地图影响很大，对于大比例尺地图，则影响很小。一般国家基本比例尺地形图的地图投影选择是由国家测绘部门制订，不允许随便更改。地图投影的选择主要考虑以下因素：制图区域的范围、形状和地理位置；地图的用途、出版方式及其他要求等。一般遵循以下原则：

使制图区域与投影平面上变形小的地方匹配；编制系列图时，经线与纬线正交较好；许多地图对投影的要求，不仅是一个或一些专门特征，如等积、正形和方位，其他一些投影特性如平行纬线、局部面积变形和直角坐标，也很重要。7/26/202319第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——常用的地图投影

世界地图的投影：保证全球整体变形不大，主要有：等差份纬线多圆锥投影，任意伪圆柱投影等。半球地图的投影：东西半球有横轴等面积（等角）方位投影；南北半球有正轴等面积（等角、等距离）方位投影。各大洲地图的投影：各洲都选用了斜轴等面积方位投影，此外，亚洲和北美洲（彭纳投影）、欧洲和大洋州（正轴等圆锥投影）、南美洲（桑逊投影）。我国各种地图投影：全国地图（各种投影）、分省区地图（各种投影，高斯－克吕格投影最多）、大比例尺地形图（北洋：多面体投影；解放前：兰勃特投影；解放后：高斯－克吕格投影）。7/26/202320第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——地图的分幅和编号我国基本比例尺地形图有1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:20万、1:50万和1:100万七种。大于等于1:10万的称为大比例尺地图；1:10万至1:100万地称为中比例尺地图；小于1:10万的称为小比例尺地图。由于一个国家范围很大，因此不可能用一幅地图来描述，因此地图的分幅和编号就非常重要。目前，我国采用的地形图分幅方案是以1:100万地形图为基准的，按照相同的经差和纬差定义其他更大比例尺地形图的分幅。7/26/202321第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——地图的分幅和编号1:100万地形图分幅：纬度在0°～60°之间，经差6°，纬差4°

纬度在60°～76°之间，经差12°，纬差4°

纬度在76°～80°之间，经差24°，纬差4°

分幅是根据不同比例尺对每一分幅图编号，每一分幅图给一个固定的号码，相互不能重复，以便确认。分幅编号需要有一定的系统性，不能太任意。不同比例尺有不同的编号方法，请大家在课后参照参考书学习。7/26/202322第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——空间信息系统与地图投影空间信息系统的处理对象——空间信息需要有共同的地理坐标和平面系统；对于不同来源的地理信息，需要统一在同一个地理定位框架内。要确定真实的地理坐标、面积、周长等空间特征，需要进行投影。7/26/202323第二讲空间数据2、空间参照系和地图投影 ——空间信息系统与地图投影空间信息系统中投影系统配置的一般特征各国家的地理信息系统投影——与该国基本地图系列所用的投影系统一致；各比例尺GIS投影——与相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；各地区GIS投影——与所在区域适用的投影一致；各种地理信息系统一般以一种或两种（至多三种）投影系统为其投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一；7/26/202324第二讲空间数据空间信息系统中地图投影配置的一般原则所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图、基本省区图或国家大地图集）投影系统一致；系统一般只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺；所用投影以等角投影为宜；所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统(特别是一级网格)在投影带中应保持完整。2、空间参照系和地图投影 ——空间信息系统与地图投影7/26/202325第二讲空间数据3、空间数据模型与结构现实空间世界空间数据模型空间数据结构空间数据库组织与管理计算机存储认知与抽象空间数据模型：不同的模型下有不同的空间要素认知、抽象和表达方式以及不同的空间关系定义。空间数据结构：不同空间数据模型在计算机内的存储和表达方式。空间数据组织：大量计算机化的空间数据的统一管理方式。7/26/202326第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型现有的空间数据模型主要有三个：场模型：强调空间要素的连续性基于对象的模型：强调空间要素的离散性网络模型：强调空间要素的交互上述三种模型主要是针对二维平面进行建模的，已经很成熟。但随着应用需求的变化，空间数据模型要求能够反映三维立体和时间维特征：三维空间数据模型时空数据模型7/26/202327第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：场模型在空间信息系统中，场模型一般指的是栅格模型，其主要特点就是用二维划分覆盖整个连续空间。划分可以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六边形等。7/26/202328第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：场模型栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录了所在位置的某种现象，用像元值表示。该值可以表示一个确定的现象，也可以是一种模糊的现象。但一个像元应该只赋一个单一的值。栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的，因此描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行重迭运算。7/26/202329第二讲空间数据7/26/202330第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型对象模型的基础就是将空间要素嵌入在一个坐标空间之中，一般是欧氏空间，在该空间中可以利用公式进行距离、方位和面积的测量。空间要素在欧氏空间中主要形成三类空间实体：点实体线实体多边形实体7/26/202331第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型点实体：有特定的位置，维数为0的实体点(Point)：有特定位置，维数为0的物体；实体点(Entitypoint)：用来代表一个实体；注记点(Textpoint)：用于定位注记；内点(Labelpoint)：用于记录多边形的属性，存在于多边形内；结点(Node)：表示线的终点和起点；角点(Vertex)：表示线段和弧段的内部点。7/26/202332第二讲空间数据线实体：维数为1的实体，由一系列坐标点表示，有以下特征：实体长度：从起点到终点的总长；弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度；方向性：如水流从上游到下游，公路则有单双向之分；线实体包括：线段、边界、链、网络、多边线等。3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型7/26/202333第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型多边形实体：维数为2的实体，由一个封闭的坐标点序列外加内点表示，是对湖泊、岛屿、地块等现象的描述，有以下特征：面积范围；周长；独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市；内岛或锯齿状外形：岛屿及海岸线；重叠性与非重叠性。内部区域简单多边形复杂多边形格网/像素阵列7/26/202334第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型对象模型强调的是空间要素的个体现象，研究的是个体现象本身或与其他个体现象的关系。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个实体。如人为现象：建筑物、道路、管理区域等；自然现象：河流、湖泊、森林等。空间实体必须符合三个条件：可被识别重要（与问题相关）可被描述：位置、属性等7/26/202335第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型对象模型和场模型的比较现实世界选择实体它在哪里数据选择一个位置那里怎么样对象模型场模型两种模型相互之间并不排斥，各有特点，各有应用长处。通常需要有机地综合应用这两种方法来建模。7/26/202336第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型矢量数据模型是对象模型的一种具体化建模方法，它以坐标的方式来表达空间实体。对于一个空间现象而言，观察的尺度和概括的程度将决定它的类型：城市（点多边形更多的空间实体）。(3,10)(6,9)(7,10)(10,7)(9,5)(4,6)3,8(1,7)(3,5)(5,5)(5,3)(6,1)(3,3)7/26/202337第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型在对象模型中，空间实体的空间位置、关系和度量的描述是非常重要的。空间实体见的空间关系可以抽象为点、线、多边形之间的六种关系：点—点：重合；分离；一点为其他诸点的集合中心；—点为其他诸点的地理中心，等等。点—线：点在线上；线的端点（起点或终点）；线的交点；点与线的分离（可计算点到线的距离），等等。点—多边形：点在多边形内（可计数和统计）；点为多边形的几何（地理）中心；点在多边形边界上；点在多边形外部，等等。7/26/202338第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型线—线：重合；相接（首尾相接和顺序相接）；相交；相切；并行，等等。线—多边形：多边形包含线（可计算多边形内线的密度）；线穿过多边形；线环绕多边形；线与多边形分离，等等。多边形—多边形：包含；重合；相交（可以划分子多边形，进行逻辑与、或、非和异或等计算）；相邻；分离（计算距离、引力等），等等。7/26/202339第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型上述空间关系又可以分成三类：拓扑空间关系；方位空间关系；度量空间关系7/26/202340第二讲空间数据拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有岛）一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性两点之间的距离一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型拓扑空间关系7/26/202341第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型拓扑空间关系描述——9交模型现实世界中的两个实体A和B：用B(X)表示实体X的边界，I(X)表示实体X的内部，用E(X)表示实体X的外部。基于上述概念，Egenhofer在1993年为空间实体间的拓扑关系描述构造了“9交空间关系模型”（9-IntersectionModel，9-IM）：B(A)ПB(B)B(A)ПI(B)B(A)ПE(B)I(A)ПB(B)I(A)ПI(B)I(A)ПE(B)E(A)ПB(B)E(A)ПI(B)E(A)ПE(B)矩阵中每个元素的取值可为“空”和“非空”，9个元素共可以产生29＝512种情形，即可描述512种空间关系。7/26/202342第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型方位空间关系方位空间关系指的是空间实体之间的上下、前后、左右、东西南北等顺序关系。可以根据实体类型分为：多边形－多边形、多边形－线、多边形－点、线－线、线－点、点－点之间的方位空间关系。点－点方位空间关系最好确定，只需计算两点连线与某一基准方向的夹角即可。多边形－点、线－点方位空间关系也可以在一定程度上简化为点－点方位空间关系。其余方位空间关系的计算就相对复杂得多了，目前尚未有很好的解决办法。7/26/202343第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型度量空间关系基本度量空间关系指的是空间实体之间的距离，在此基础上，还可以构造出实体群之间的度量关系。距离度量有不同的计算方式：大地测量距离、曼哈顿距离（经度差加上纬度差）、时间距离等。此外，还有其他的一些空间量算的指标：几何指标：位置、距离、面积、体积形状、方位等自然地理参数：坡度、坡向、地表辐射度、地形起伏度、通达度等人文地理指标：交通便利程度、吸引范围、人口密度等7/26/202344第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型空间关系的应用点—点点—线点—面住宅学校海岸线码头肺癌病例区域学校和住宅接近吗？码头在海岸线上吗？肺癌病在区内分布7/26/202345第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型空间关系的应用线—点线—线线—面镇乘车线路河流小路这条线路过镇上吗？小路穿过河流吗？河流在区域内吗？7/26/202346第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：对象模型空间关系的应用面—点面—线面—面该邮政区包括学校吗？该区域包括铁路吗？区域彼此影响吗？区域重叠吗？7/26/202347第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：网络模型网络模型是从图论中发展而来。在网络模型中，空间要素被抽象为链、节点等对象，同时还要关注其间的连通关系。这种模型适合用于对相互连接的线状现象进行建模，如交通线路、电力网线等。网络模型可以形式化定义为：网络图＝（节点，{节点间的关系，即链}）网络图由于其复杂性，使得它不易在空间数据库中表达，一般是在进行网络分析时基于对象模型数据（矢量数据）进行重构。7/26/202348第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：三维模型目前，空间信息系统表现的更多的是二维平面效果。事实上，随着计算机图形学的发展，人们希望空间信息系统能够反映真实的三维空间现象。虽然目前的空间信息系统能够在二维模型的基础上通过高程信息来模拟三维效果（如利用DEM数据），但这种模拟并不能真正反映现实现象。三维模型在建模方法上与二维的场模型和对象模型相似，但在数据采集、系统维护和界面设计等方面却复杂得多。7/26/202349第二讲空间数据3DGIS数据模型

7/26/202350第二讲空间数据一、3DGIS定义将3D空间坐标（x，y，z）作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模：

F=f（x，y，z）7/26/202351第二讲空间数据二、3DGIS的研究内容和功能数据编码：是采集三维数据和对其进行有效性检查的工具，有效性检查将随着数据的自然属性、表示方法和精度水平的不同而不同。数据的组织和重构：这包括对三维数据的拓扑描述以及一种表示法到另一种表示法的转换（如从矢量的边界表示转换为栅格的八叉树表示）。

7/26/202352第二讲空间数据二、3DGIS的研究内容和功能变换：既能对所有物体或某一类物体，又能对某个物体进行平移、旋转、剪裁、比例缩放等变换。另外还可以将一个物体分解成几个以及将几个物体组合成一个。查询：此功能依赖于单个物体的内在性质（如位置、形状、组成）和不同物体间的关系（如连接、相交、形状相似或构成相似）。7/26/202353第二讲空间数据二、3DGIS的研究内容和功能逻辑运算：通过与、或、非及异或运算符对物体进行组合运算。计算：计算物体的体积、表面积、中心、物体之间的距离及交角等。分析：如计算某一类地物的分布趋势，或其它指标，以及进行模型的比较。建立模型。7/26/202354第二讲空间数据二、3DGIS的研究内容和功能视觉变换：在用户选择的任何视点，以用户确定的视角、比例因子、符号来表示所有地物或某些指定物体。系统维护：包括数据的自动备份、安全性措施、以及网络工作管理。三维拓扑描述7/26/202355第二讲空间数据三、3DGIS研究现状研究意义GIS处理的与地球有关的数据，即通常所说的空间数据，从本质上说是三维连续分布的。从事关于地质、地球物理、气象、水文、采矿、地下水、灾害、污染等方面的自然现象是三维的，当这些领域的科学家或工程技术人员试图以二维系统来描述它们时，就不能够精确地反映、分析或显示有关信息。7/26/202356第二讲空间数据三、3DGIS研究现状发展历史2.5D（2.75D）Pseudo-3DQuasi-3DReal-3D7/26/202357第二讲空间数据三、3DGIS研究现状发展背景计算机硬件技术的发展计算机软件技术的发展需求推动科学家的好奇心7/26/202358第二讲空间数据三、3DGIS研究现状不同维数GIS的比较类别比较2D2.5DPseudo-3DReal-3D数学模型F=f(x，y)F=f(x，y)Z=f(x，y)F=(x，y，zi)F=(x，y，zi)高程特征无高程信息高程作为点的属性一对(x，y)的z有多值一对(x，y)的z有多值属性特征平面抽象表面抽象无体内属性有体内属性构模模式2D矢量或栅格2D矢量或栅格面元构模3D矢量、体元构模典型实例电子地图DEM，DTM3D城市模型地下TEN、GTP模型7/26/202359第二讲空间数据三、3DGIS研究现状发展现状

在地学领域（Geography，Geology，Geophysics，Geodesy）形成两大并行发展的支流：3DGIS3DGMS（GeosciencesModelingSystem）7/26/202360第二讲空间数据ComparisonProjectDifferenceIdentity3DGIS3DGMSResearchObjectGeographicalSpaceGeologicalSpaceGeo-informaticsDataSourceGeodesy，RSGeologicalExploreMiningSurveyingPlanning,DesigndataSpatialReferenceGreatScaleinSphericalsurfaceCoordinateGreatScaleinSphericalVolumeCoordinate(x，y，z)SpatialModelingFacialmodelVolumetricmodelMixedModelTopologicalDescriptionindispensableBeginningresearchBasedonfeaturesorobjectsSpatialSurveying&CalculationNon-VolumeVolumeOrientation,areaSpatialAnalysisVisualizationInclusion,ProximityOtherAnalysisApplicationareaCityScene,militaryGeology,oceanearth7/26/202361第二讲空间数据四、空间构模技术进展3D空间构模方法研究是目前研究的热点问题。过去十多年中，国内外专家提出了20余种空间构模方法。若不区分真三维和准三维则可以将现有空间构模方法对内为三类：FacialModelVolumetricModelMixedModel7/26/202362第二讲空间数据四、空间构模技术进展FacialmodelVolumetricmodelMixedmodelregularirregularTINCSGTENTIN-CSGGridVoxelPyramidTIN-OctreeB-repOctreeTPWireframe-BlockWireframeNeedleGeo-cellularOctree-TENSeriessectionsBlockBlockSectionTINmixedSolidDEMs3DVoronoiGTP7/26/202363第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模TIN模型离散点数据等高线数据三角剖分（Delaunay）7/26/202364第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模TIN模型7/26/202365第二讲空间数据在所有的三角网自动联结算法中，主要遵循以下两条准则：1.在形成的三角形网格中，扩展点与扩展边两点连线的夹角最大（一般通过余弦定理进行判断）；2.所形成的三角形的全部边长之和最小。基于面模型的准3D空间构模7/26/202366第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模"fat"triangleswithanglescloseto60degreesarepreferredsincethisensuresthatanypointonthesurfaceisascloseaspossibletoavertexthisisimportantbecausethesurfacerepresentationislikelymostaccurateatthevertices7/26/202367第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模Procedurecomputethedistancebetweenallpairsofpoints,andsortfromlowesttohighestconnecttheclosestpairofpointsconnectthenextclosestpairiftheresultinglinedoesnotcrossearlierlinesrepeatuntilnofurtherlinescanbeselectedthepointswillnowbeconnectedwithtrianglesthistendstoproducemanyskinnytrianglesinsteadofthepreferred"fat"triangle7/26/202368第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模bydefinition,3pointsformaDelaunaytriangleifandonlyifthecirclewhichpassesthroughthemcontainsnootherpointdiagramanotherwaytodefinetheDelaunaytriangulationisasfollows:partitionthemapbyassigningalllocationstothenearestvertextheboundariescreatedinthisprocessformasetofpolygonscalledThiessenpolygonsorVoronoiorDirichletregionsoverhead-DelaunaytrianglesfromThiessenpolygonstwoverticesareconnectedintheDelaunaytriangulationiftheirThiessenpolygonsshareanedgethismethodproducesthepreferredfattrianglestheboundaryedgesontheDelaunaynetworkformtheConvexHull,whichisthesmallestpolygontocontainalloftheverticesProcedure7/26/202369第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模thereareseveraltechniquesforbuildingthetriangles:1.sincetheconvexhullwillalwaysbepartoftheDelaunaynetworkstartwiththeseedgesandworkinwardsuntilthenetworkiscomplete2.connecttheclosestpairwhichbydefinitionmustbeaDelaunayedgesearchforathirdpointsuchthatnootherpointfallsinthecirclethroughthemcontinueworkingoutwardfromtheseedgesforthenextclosestpointProblemsDelaunaytrianglesarenothierarchicaltheycannotbeaggregatedtoformbiggertrianglesiftheyaredividedintosmallertriangles,theresultstendtobepoorlyshaped(not"fat")7/26/202370第二讲空间数据Delaunay三角剖分的基本概念和性质如下：设二维平面上的随机点集为:点集中数据点满足以下条件：1.N≥32.数据点面状分布，不都在同一条直线上；3.没有四或四个以上的点共圆。基于面模型的准3D空间构模7/26/202371第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模7/26/202372第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模TIN模型7/26/202373第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模TIN模型7/26/202374第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模7/26/202375第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模正负区判别模型（毛善君，测绘学报，博士论文2019年）7/26/202376第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模Grid模型离散数据插值7/26/202377第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模Grid模型7/26/202378第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模B-rep模型面、环、边、点详细记录实体所有几何元素的几何信息及相互连接关系适于规则3D实体7/26/202379第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模7/26/202380第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模WireFrame将实体轮廓两两相邻的采样点或特征点用直线连接形成的面可以用TIN来充填7/26/202381第二讲空间数据7/26/202382第二讲空间数据7/26/202383第二讲空间数据7/26/202384第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模SeriesSections通过实体的平面图或剖面图来描述将3D问题2D化7/26/202385第二讲空间数据7/26/202386第二讲空间数据7/26/202387第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模Section-TINmixedmodel剖面界线赋值二维剖面编辑相邻剖面连接3D场景重建7/26/202388第二讲空间数据7/26/202389第二讲空间数据7/26/202390第二讲空间数据7/26/202391第二讲空间数据基于面模型的准3D空间构模DEMs7/26/202392第二讲空间数据基于体模型的真3D空间构模CSG预先定义一些形状规则的体元通过并、交、差操作形成CSG物体CSG物体Oper1Oper2Obj1Obj2Obj3Obj47/26/202393第二讲空间数据基于体模型的真3D空间构模Voxel以一组规则的3D体素（a=b=c）来剖分所要模拟的空间，是2Dgrid的扩展。

7/26/202394第二讲空间数据基于体模型的真3D空间构模Octree实质是对Octree的压缩改进，类似于2DQuadtree和2DGrid的关系7/26/202395第二讲空间数据基于体模型的真3D空间构模Needle

界面相同，高度可变的柱状体7/26/202396第二讲空间数据基于体模型的真3D空间构模RegularBlock把建模空间划分成规则的3D立方体每个块体被视为均质同性体7/26/202397第二讲空间数据基于体模型的真3D空间构模TEN（TEtrahedralNetwork）类似于2DTIN先在3D空间连接离散点，形成三角面片四面体有4个三角面片组成不能表示3D连续曲面算法复杂7/26/202398第二讲空间数据基于体模型的真3D空间构模Pyramid类似于TENTri-Prism(TP)Geo-cellularIrregularBlockSolid3DVoronoiGTP7/26/202399第二讲空间数据基于面-体混合的3D空间构模TIN-CSGTIN-OctreeWireFrame-BlockOctree-TEN7/26/2023100第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据模型：时空模型时空数据模型主要关注的是空间要素随时间变化时的建模。空间要素随时间的变化包含两个方面：属性数据的变化和空间位置的变化，前者如一个村镇的人口随时间的变化，后者如海岸线随时间的变化。最简单的时空数据建模就是将不同时期的测量结果存储起来，在使用时基于时间关系将它们串起来。当然还有其他更加复杂的建模方法，如增量修正模型等。时空数据模型的特点是语义更加丰富，对现实世界的描述更加准确，但它必然带来数据量的激增，因此，在这里，海量数据的组织和存取是非常关键的。7/26/2023101第二讲空间数据3、空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型SGISTGIS7/26/2023102第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型具有时间维度的数据可以分为两类，一类是可以称为结构化的数据，如一个测站历史数据的积累，它可以通过在属性数据表记录中简单地增加一个时间戳（TimeStamp）实现其管理；另一类是非结构化的，最典型的例子是土地利用状况的变化（图），描述这种数据，是TGIS数据模型的重点要解决的问题。7/26/2023103第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型1、原图2、行政范围变化3、界线变化4、内容变化5、范围变化6、行政范围变化7/26/2023104第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型TGIS数据模型特点是语义更丰富、对现实世界的描述更准确，其物理实现的最大困难在于海量数据的组织和存取。TGIS技术的本质特点是“时空效率”。当前主要的TGIS模型包括：空间时间立方体模型（Space-timeCube）；序列快照模型（SequentSnapshots）；基态修正模型（BaseStatewithAmendments）；空间时间组合体模型（Space-timeComposite）。其中序列快照模型和GIS分类中的模拟GIS（AnalogGIS）一样，只是一种概念上的模型，不具备实用的开发价值，而其它几种模型都有自己的特点和适用范围，如基图修正模型比较适合于栅格模型的TGIS开发。7/26/2023105第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型TGIS的研究思路TGIS海量数据的处理必然导致数学模型的根本变化。TGIS问题的最终解决在于“可与拓扑论相类比的”全新数学思路的出现。目前可以研究TGIS技术，以便在SGIS的框架中用TGIS技术实现TGIS功能。对TGIS模型的研究可以本着两种思路进行平行探索：综合模型和分解模型。先用分解模型思路针对典型应用领域（如土地利用动态监测工作）进行全面研究，同时不断丰富、充实综合模型，最后得到一个比较完善的综合模型7/26/2023106第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型地籍变更、海岸线变化、土地城市化、道路改线、环境变化等应用领域，需要保存并有效地管理历史变化数据，以便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来。这就要求有一个组织、管理、操作时空数据的高效时空数据模型。时空数据模型是一种有效组织和管理时态地理数据，属性、空间和时间语义更完整的地理数据模型。7/26/2023107第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型一个合理的时空数据模型必须考虑以下几方面的因素：节省存储空间、加快存取速度、表现时空语义。时空语义包括地理实体的空间结构、有效时间结构、空间关系、时态关系、地理事件、时空关系。时空数据模型设计的基本指导思想：7/26/2023108第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型根据应用领域的特点（如宏观变化观测与微观变化观测）和客观现实变化规律（同步变化与异步变化、频繁变化与缓慢变化），折中考虑时空数据的空间/属性内聚性和时态内聚性的强度，选择时间标记的对象。对于属性，有属性数据项时间标记、实体时间标记、数据库时间标记；对于空间，有坐标点时间标记、弧段时间标记、实体时间标记、数据库时间标记。7/26/2023109第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型同时提供静态（变化不活跃）、动态（变化活跃）数据建模手段（静态、动态数据类型和操作）。当前、历史等不同使用频率的数据分别组织存放，以便存取。一般地，将当前数据存放在本地机磁盘上，而将历史数据存放在远程服务器大容量光盘上。7/26/2023110第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型数据结构里显式表达两种地理事件：地理实体进化事件和地理实体存亡事件。地理事件以事件发生的相关源状态和终止状态表达。构成地理实体存亡事件的源状态有参加事件的实体标识集合表示。时间的本质为事件发生的序列，地理事件序列直接表明地理时间语义。常见的状态变化查询即地理事件查询7/26/2023111第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型时空拓扑关系一般指地理实体空间拓扑关系的拓扑事件间的时态关系。时空拓扑关系揭示了地理实体在时间和空间上的相关性。为了有效地表达时空拓扑关系，需要存储空间拓扑关系的时变序列。7/26/2023112第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型时空数据库(STDB)记录时空目标的历史数据的数据库成为时空数据库。时空数据库中有两个重要概念：其一为事件时间（eventtime），指某一事件在现实时间中发生变化的时间；其二为系统时间(systemtime)，指数据库中跟踪记录事件发生的时间。一般的非时态GIS中仅考虑事件时间，为了表达时空目标在数据库中的变化，通常采用三种方式：7/26/2023113第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型关系表重建，对所有发生变化的对象及所涉及到的关系重新建一个版本；对象重建，仅对变化的对象建新版本；属性重建，仅对变化了的对象所涉及到的属性字段增加一个新值。7/26/2023114第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型从数据冗余角度考虑，第三种方式最为理想，但是它违背传统关系型数据库的1NF，要求。但随着OO技术的推广应用，这种方式有发展前途，因为OO模式打破了关系模型的范式要求，直接支持变长记录、多元组合对象的嵌套。事件版本、系统版本、对象版本7/26/2023115第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型时间附加型(1)1NF模型一个对象必须有几个具有时间标记的元组来表达。(2)N1NF型将同时的变化记录在不同层次的节点上，这是优点也是缺点。(3)时空复合型(space-timecomposite)其基础是时空单元。所谓时空单元，是指相同时空变化过程的最大单元。在存储上，每个时空单元被看成一个静态对象，其时空过程则作为属性用关系来表达。若时空单元发生分裂，则用新增加的元组来反映新增的空间单元；时空过程每变化一次，即在关系表中新增加一列时间段来表达。实际使用静态的属性表来表达动态的时空变化过程，缺点是数据库中的对象标识符的修改比较复杂（层次较多时更复杂）。7/26/2023116第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型时间新维型(1)Space-timeCube该模型是以时间周围发展变化方向，表达现实世界平面位置（二维）随时间的变化。给定一个时间位置，既可以从三维立方体中截取一个断面来得到该时刻的状态。同理可表达三维空间。但该模型导致数据量无限增长，且随着数据量的增大，对立方体的操作越来越复杂。(2)SequentSnapshots该模型是将一系列事件片段的快照存储起来，以记录系统空间状态的变化过程。需要时可根据指定的时间段进行快照回放。由于快照是对整个系统状态的不加取舍的全部记录，因此会产生大量的数据冗余，也难以处理时空对象之间的时态关系。(3)BaseStatewithAmendments基态修正模型是对序列快照模型的改进。选择某个时态的数据作为基态作完整记录，然后按预先设定的采样间隔记录其它时刻对于基态的变化量，以此来减少数据的冗余量。7/26/2023117第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型面向对象型<OBJ:{O-ID,Attr(t),Spatial(t),Temporal(Tv,Td),Actions}>OBJ：时空对象可以是各种类；O-ID：：对象的唯一标识符；Attr(t)：对象随时间t变化的非空间属性描述；Spatial(t)：对象随时间t变化的空间特性描述；Temporal(Tv,Td)：对象的时态性描述，反映对象的产生、演变和消亡的生命历程，其中有效时间Tv和数据库时间Td是正交的；Actions：对象的行为操作描述，其中定义对象的时间、空间及属性的各种运算，实现对象之间的相互联系，通过OO的多态性和继承性，实现运算符和拓扑集合关系的重栽。每个对象具有唯一的有效时间链表和数据库时间链表。7/26/2023118第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型基于状态和变化的统一模型面向对象的模型没有按语义来进行结构化的数据组织，对象的时空属性与其它属性没有区别，也缺乏时空变化的语义，不能表达空间拓扑关系的变化。Stateandchangebasedunifieddatamodel对时空元素、空间实体、时空对象、时空数据库状态、时空数据库变化作如下定义：7/26/2023119第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型定义1：时空元素是时空立方体范围内的最大的共同时空单元。定义2：空间实体是在时空立方体范围内一定时间段上不变的空间状态。定义3：时空对象是时空数据库中的的语义对象，他有语义上的特征标识自己，而与特定的时间和空间状态无关，即时空对象与具体的时间和空间相分离。定义4：时空数据库的状态是一个三元组state:=(o,s,t)，OBJ,Space,Time定义5：时空数据库的变化是关于数据库状态的变化，是一个数据库状态到另一个数据库状态的函数fOST：state→state7/26/2023120第二讲空间数据空间数据模型与结构

——空间数据模型：时空模型由于状态的变化可能会很复杂，即状态三元组中的对象变量、空间变量和时间变量均可能发生变化，因此对分别降到两个域上处理，两两组合，这样有三组。Object-ds-layerTime-ds-layerSpace-ds-layer深入的研究还有元胞自动机(cellularautomation)，时态拓扑关系的研究。7/26/2023121第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构这里我们主要介绍针对场模型和对象模型的空间数据结构，它们是矢量数据结构和栅格数据结构。矢量结构用点、线、面表现地理实体，其空间位置由所在的坐标参考系中的坐标定义；栅格结构空间被规则地划分为栅格（通常为正方形）；地理实体的位置用它们占据的栅格行、列号来定义；栅格的值代表该位置的状态；栅格的大小代表空间分解能力。7/26/2023122第二讲空间数据7/26/2023123第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构：栅格结构表达方式规则的正方形或矩形栅格；其它规则的栅格图形单元，如三角形或多边形；在栅格文件中，每个栅格只能赋予唯一的值；若某一栅格有多个不同的属性，则分别存贮于不同文件，如图；在栅格数据模型中，总的属性个数可以通过计算得到；7/26/2023124第二讲空间数据返回7/26/2023125第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构：栅格结构组织方法以像元为记录的序列，可节省存贮空间，如图；以层为基础，每层以像元为记录序列，形式简单，如图；以层为主，每层以多边形为序列，可节省用于存贮属性的空间，如图；7/26/2023126第二讲空间数据返回7/26/2023127第二讲空间数据数据压缩——变长编码定义：按行的顺序存贮多边形内的各像元，通常用于对专题数据的处理；优点：对于“多对一”的数据库结构，可有效减少输入量和存贮量；缺点：计算期间的数据处理和制图输出的工作量有所增加；3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构：栅格结构7/26/2023128第二讲空间数据7/26/2023129第二讲空间数据数据压缩——四叉树编码定义：将22像元阵列连续地进行4等分，一直分到正方形的大小正好与像元的大小相等为止；优点：

容易而有效地计算多边形的数量特征；阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树分级较多，分辨率也高；栅格四叉树的转换比其它压缩方法容易；多变形中嵌套异类小多边形的表示较方便；缺点：转换的不定性3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构：栅格结构7/26/2023130第二讲空间数据7/26/2023131第二讲空间数据7/26/2023132第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构：矢量结构点实体由单独一对坐标定位的一切地理或制图实体，及属性，显示符号。线实体直线：起、止点坐标，属性，显示符号。弧、链：n个坐标对的集合，属性，指针系统，显示符号。面实体无拓扑结构的点、线、面的矢量结构数据组织，如图；具有拓扑结构的矢量结构，如图；

TIN（TriangleIrregularNetwork）结构的拓扑表达，如图；7/26/2023133第二讲空间数据返回7/26/2023134第二讲空间数据返回7/26/2023135第二讲空间数据7/26/2023136第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构：矢、栅结构的比较栅格结构优点数据结构简单；叠加操作易实现，更有效；能有效表达空间可变性；便于做图象的有效增加；缺点数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决；难以表达拓扑关系；图形输出不美观，线条有锯齿；矢量结构优点提供更严密的数据结构；提供更有效的拓扑编码，因而对需要拓扑信息的操作更有效，如网络分析；图形输出美观，接近于手绘；缺点比栅格数据结构复杂；叠加操作没有栅格有效；表达空间变化能力差；不能像数字图象那样做增强处理7/26/2023137第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构：矢、栅结构的转换矢量到栅格数据的转换选择单元的大小和形状；将点和线实体角点的笛卡尔坐标转换到预定分辨率和已知位置的矩阵中；利用单根根扫描线（沿行或列）或一组相连接的扫描线去测试线性要素与单元边界的交叉点，并记录穿过交叉点的栅格单元个数；测试多边形时，先测试角点，再对剩下线段进行二次扫描，到达边界位置时，记录其位置与属性值。7/26/2023138第二讲空间数据栅格到矢量的转换拓扑转换保持栅格表达的连通性与邻接性；转换物体正确的外形点：某个单元的值与周围不同，代表点；线：具有相同属性值的连续的单元格，将其搜索出来并细化处理，成为一条线；面：将所有单元编码，将具有同一属性的单元归为一类，再检测两类不同属性的边界作为多边形的一条边。3、空间数据模型与结构 ——空间数据结构：矢、栅结构的转换7/26/2023139第二讲空间数据3、空间数据模型与结构 ——空间数据组织与管理空间数据分层的方法按专题分层；