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1、第四章 城市地理信息系统的空间分析（5）,BEA Confidential. | 2,第四章 城市地理信息系统的空间数学模型（第4讲）,4.10 三维分析 三维地理空间数据分析是UGIS空间分析的一个重要组成部分，是当前UGIS技术与应用的热点研究领域，也是数字地球和数字城市建设的重要技术基础。,BEA Confidential. | 3,三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：,BEA Confidential. | 4,4.10.1 三维景观建模,三维UGIS数据模型,面模型,混合模型,体模型,BEA Confidential. | 5,4.10.1.1 体模型,1 三维栅格结构三维栅格
2、结构是一种基于体元表示的数据结构，它将地理实体的三维空间分成细小的体元，以体元的三维行、列、深度号表示地理实体的空间位置，并建立与属性的实时关联。三维栅格结构中最简单并经常使用的是等边长的正方体体元（如同二维中的等边长正方形像元），它是二维中的栅格结构在三维中的推广，亦称为晶胞结构，如图4.10.1.,图4.10.1 晶胞结构,BEA Confidential. | 6,4.10.1.1 体模型,2 八叉树结构八叉树结构是由四叉树结构推广到三维空间形成的一种三维栅格数据结构。该结构将一个立方体的三维空间等分为八个卦限，如果某一个卦限内的物体属于同一属性就不再细分，否则，将该卦限再细分为八个卦限
3、，直到每个体元内都属于同一属性或达到规定的限差为止。其结构表示如图4.10.2所示。,图4.10.2 八叉树数据结构表示,BEA Confidential. | 7,4.10.1.1 体模型,3. 结构实体几何模型结构实体几何模型是将简单的几何形体通过集合运算和刚体几何变换形成一棵有序的二叉树，以此表示复杂形体。树的叶结点为几何形体或刚体运动的变换参数，分叉结点则是集合操作或是刚体的几何变换。这种操作或变换只对紧接着的子结点（子形体）起作用，每棵子树（非变换叶子结点）表示它下面两个结点的组合及变换结果，树根表示整个形体。,BEA Confidential. | 8,4.10.1.1 体模型,4
4、. 四面体格网模型四面体格网模型是用紧密排列但不重叠的不规则四面体格网来表示空间目标，其实质是二维TIN结构的三维扩展。四面体格网既具有体结构的优点（如快速几何变换和显示），也具有一些边界表示的优点（如拓扑关系的快速处理等）。四面体格网的两种类型：普通四面体格网、约束四面体格网。四面体格网常用栅格算法自动生成，四面体格网及其数据结构如图4.10.3所示。,BEA Confidential. | 9,四面体,4 四面体格网模型,图4.10.3 四面体格网及其数据结构,三角形,线,节点,四面体,BEA Confidential. | 10,1 Grid Grid是用一组大小相同的网格描述地形表面。
5、,占用的存储空间较大； 地面特征与数据表示 存在不协调; 在地形平坦的地方 存在大量的数据冗余。,BEA Confidential. | 11,Delta P,点插值法,区域插值法,1 根据已知点计算新的 2 算法简单，精度较好，适用面广。,4.10.1.2 面模型 1. Grid生成算法：,分片插值法,1 把区域划分成许多小片，用几个多项式曲面进行加权平均，作为该区域的拟合曲面片 2 精度高，适合于大中比例尺且地形复杂的数字地面模型,图4.10.4 Grid生成算法,1 用多元曲面函数拟合某一区域的地形表面。 2 已知点处的精度高，其他点处精度低，只适合于小比例尺且地形简单的数字地面模型。,
6、BEA Confidential. | 12,4.10.1.2 面模型,1. Grid,图4.10.5 两种Grid的计算方法,BEA Confidential. | 13,4.10.1.2 面模型,2. TIN不规则三角网（TIN）是由分散的地形点按照一定的规则（如Delaunay规则）构成的一系列不相交的三角形，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。在不同分辨率情况下，可以采用不同的分解内插方法进行TIN的动态生成，如图4.10.6所示。,a 三分三角形法 b 四分三角形法 图4.10.6 两种动态生成TIN的方法,BEA Confidential. | 14,4.10.
7、1.2 面模型,2 TINTIN的优点是存储高效，数据结构简单，与不规则的地面特征和谐一致，可以表示细微特征或叠加任意形状的区域边界。缺点是数据量大，不便于规范化管理与动态显示，难以与矢量和栅格数据结构进行联合分析。,a TIN b 具有surface data 的TIN 图4.10.7 TIN,BEA Confidential. | 15,4.10.1.2 面模型,除上述两种常见的面模型外，还有边界表示法、参数函数法。,BEA Confidential. | 16,TIN-CSG 混合构模,TIN-Octree混合构模,Octree-TEN混合构模,TIN-CSG混合构模是当前城市三维GIS
8、构模的主要方式，以TIN模型表示地形表面，以CSG模型(结构实体几何模型)表示城市建筑物，两种模型的数据分开存储。,多边形矢量编码,BEA Confidential. | 17,TIN-CSG 混合构模,TIN-Octree混合构模,Octree-TEN混合构模,多边形矢量编码,TIN-Octree混合构模是以TIN表达三维空间物体的表面和拓扑关系，以Octree表达内部结构，用指针建立TIN和Octree之间的联系。如图4.10.8.,BEA Confidential. | 18,4.10.1.3 混合模型,2. TIN-Octree混合构模,三角形邻接表,三角形节点表,节点坐标表,指针文件
9、结构表,图4.10.8 TIN-Octree混合模型及其数据结构,八叉树文件存储结构,BEA Confidential. | 19,TIN-CSG 混合构模,TIN-Octree混合构模,Octree-TEN混合构模,4.10.1.3 混合模型,为充分发挥八叉树结构和四面体格网两种数据结构的优点，李德仁院士提出了Octree-TEN混合模型，如图4.10.9所示。 Octree-TEN混合数据结构的数据组织如图4.10.10所示。,BEA Confidential. | 20,4.10.1.3 混合模型,3. Octree-TEN混合构模,BEA Confidential. | 21,4.10
10、.1.3 混合模型,3 Octree-TEN混合构模,图4.10.10 Octree与TEN混合数据结构的数据组织,BEA Confidential. | 22,4.10.1.3 混合模型,综上所述，基于混合结构的数据模型充分利用了不同数据模型在表示不同空间实体时所具有的优点，实现了对三维地理空间现象有效、完整的描述。但也存在数据量大，必须在两种表示方法间不断转换以保持表示一致性的问题，而且不同模型之间的转换有时只能是近似的甚至是不成立的等缺点。由于三维几何与拓扑方面的复杂性，难以有一个完善的三维数据模型来描述所有的三维空间目标，因此，采用混合结构的数据模型是现阶段三维UGIS理论和应用发展的
11、重要方向。,BEA Confidential. | 23,4.10.1 三维景观建模,体模型、面模型和混合模型各自的优缺点见下表 ：,BEA Confidential. | 24,4.10.1.4 DTM与DEM,图4.10.11 DTM与DEM之间的关系,2.5维的数字高程模型（Digital Elevation Models，DEM）和数字地面模型（Digital Terrain Models，DTM）是目前UGIS进行三维分析的主要手段。两者都是描述地面特性空间分布的有序数值阵列。与DTM不同的是，DEM的地面特征是高程值Z。两者的关系如图。,Z=植被类型,Z=土地利用情况,Z=其它,Z
12、=土壤类型,DTM,DEM (Z=高程),BEA Confidential. | 25,4.10.1.4 DTM与DEM DEM的应用,图4.10.12 DEM的应用,BEA Confidential. | 26,4.10.1.4 DTM与DEM,1. DEM的构建格网DEM的数据组织类似于图像栅格数据，每个像元的值为高程值。在原始数据呈离散分布，或原有格网DEM密度不够时，一般运用离散点构建格网DEM。其基本思路是选择一个合理的数学模型，利用巳知点的信息求出函数的待定系数，再求算格网点上的高程值。,BEA Confidential. | 27,4.10.1.4 DTM与DEM,图4.10.1
13、3 各种DEM数据,BEA Confidential. | 28,4.10.1.4 DTM与DEM,2. DEM模型之间的转化 （1）格网DEM转成TIN 格网DEM转成TIN可以看作是一种由规则分布的采样点生成TIN的特例，目的是尽量减少TIN的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突变处。代表性算法有：保留重要点法、启发丢弃法。,图4.10.14 格网DEM转化成TIN,BEA Confidential. | 29,4.10.1.4 DTM与DEM,2. DEM模型之间的转化 （2）等高线转成格网DEM虽然现有地图中的等高线经过数字化后可以自动获取DEM数据。但数字
14、化的等高线不适合于计算坡度或制作地貌渲染图等地形分析，因此，必须把数字化等高线转为格网高程矩阵。,图7.15 等高线转化成格网DEM,BEA Confidential. | 30,4.10.1.4 DTM与DEM,2. DEM模型之间的转化 （3）TIN转成格网DEM TIN转成格网DEM可以看作普通的不规则点生成格网DEM的过程。具体方法是按要求的分辨率大小和方向生成规则格网，对每一个格网搜索最近的TIN数据点，由线性或非线性插值函数计算格网点高程。,图4.10.16 TIN转化成格网DEM,BEA Confidential. | 31,4.10.2 三维数据可视化表达,三维数据模型构建完成
15、之后，需要在三维场景中将其显示出来，实现三维数据的可视化表达。对一个三维数据进行可视化表达包括： 三维场景的显示； 多角度观察、放大、漫游、旋转； 任意选定路线的飞行； 可见点的判别。,BEA Confidential. | 32,4.10.2.1 创建三维可视化场景的工具,创建三维可视化场景的工具一般有以下两种：,BEA Confidential. | 33,OpenGL,OpenGL是Open Graphics Lib的缩写。它是一套三维图形处理库，也是该领域的工业标准，是绘制高真实感三维图形，实现交互式视景仿真和虚拟显示的高性能开发软件包。OpenGL是一种与硬件、操作系统和网络环境无关的编程界面，可以建立活动的三维几何对象的交互式程序。其执行模式是客户机/服务器模式。,BEA Confidential. | 34,OpenGL,（1）主要技术 变换操作。通过变换矩阵的存储状态实现取景，如模型变换、投影变换、视口变换及视图裁剪等操作，实际上相当于一系列矩阵顺序相乘的运算。 双缓存技术。双缓存技术是用OpenGL实现动画的关键技术。其原理类似于电影放映，在屏幕上实现绘制图形以前，分配两个颜色缓存，在显示连续的动画时，在一个缓存区中执行绘制命令，另外一个缓存区中进行图像显示。 库函数。如图4.10.17所示。,
