空间信息系统原理课件

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1、第二讲第二讲 空间数据空间数据1、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构4、空间数据质量、空间数据质量5、空间元数据、空间元数据7/31/20241空间信息系统原理课件1、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息空间信息空间信息P3C5N1C1P4P1P2C2C7C6C4C3N2N3N4三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）。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）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）。7/31/20242空间信息系统原

2、理课件1、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息空间信息空间信息 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：q 区域分布性：空间位置q 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。q 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。7/31/20243空间信息系统原理

3、课件 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、地理空间与空间信息地理空间的定义地理空间的定义7/31/20244空间信息系统原理课件1、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息地理空间的数学建构地理空间的数学建构 为了深入研究地理空间

4、，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：q 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。q 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。q 模型：以大地水准面为基准建立的地球椭球体模型地球椭球体模型。q 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。7/31/20245空间信息系统原理课件1、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息地理空间

5、的数学建构地理空间的数学建构地球椭球体模型地球椭球体模型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7/31/20246空间信息系统原理课件1、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息地理空间坐标系的建立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:(,)(x,y)， 为经度， 为纬度这

6、个过程就是地图投影地图投影。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。7/31/20247空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、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地理坐标经纬度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地图投影。空间

7、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地图作为保存介质的。7/31/20248空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图地图 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：q 数字比例尺：1：100000q

8、文字比例尺：地图上1mm等于实地1kmq 图解比例尺或直线比例尺：q 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。7/31/20249空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的变形地图投影的变形 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：q 长度变形：地球仪上，纬线长度不等；同一纬

9、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。q 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。q 角度变形：地球仪上，经线与纬线处处呈直角相交。7/31/202410空间信息系统原理课件地图投影的变形示意地图投影的变形示意2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的变形地图投影的变形7/31/202411空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的分类地图投影的分类按变形性质分类：q 等角投影：角度变形为零。同一方向长度比相同。q 等积投影：面积变形为零。q 任意投

10、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。7/31/202412空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的分类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。q 圆柱投影：投影面为圆柱面。q 方位投影：投影面为平面。q 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

11、学解析法确定球面与平面之间点与点的函数关系。q 伪圆柱投影q 伪方位投影q 伪圆锥投影q 多圆锥投影7/31/202413空间信息系统原理课件圆柱投影方位投影圆锥投影2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的分类地图投影的分类7/31/202414空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的分类地图投影的分类按投影面与地球相割和相切分类：q 割投影：投影面与地球相割。q 切投影：投影面与地球相切。7/31/202415空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影高斯克吕格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

12、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：q 中央经线和地球赤道投影成为直线，且为投影的对称轴；q 等角投影；q 中央经线上没有长度变形；q 同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；q 同一条经线上，纬度越低，变形越大，赤道处最大；q 在6带范围内，长度变形线最大不超过0.14%。7/31/202416空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影高斯克吕格投影高斯克吕格投影XSYN7/31/202417空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影高斯克吕格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。

13、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。7/31/202418空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的选择地图投影的选择 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

14、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：q 使制图区域与投影平面上变形小的地方匹配；q 编制系列图时，经线与纬线正交较好；q 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。7/31/202419空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影常用的地图投影常用的地图投影q 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。q 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

15、影。q 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）。q 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）。7/31/202420空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图的分幅和编号地图的分幅和编号 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； 1:1

16、0万至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。7/31/202421空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图的分幅和编号地图的分幅和编号 1:100万地形图分幅：q 纬度在060之间，经差6，纬差4q 纬度在6076之间，经差12，纬差4q 纬度在7680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

17、，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。7/31/202422空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、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。7/31/202423空间信息系统原理课件2、空间参照系和地图投影、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与地图投影空间信息系统中投影系统配置的一般

18、特征空间信息系统中投影系统配置的一般特征q 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；q 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；q 各地区GIS投影与所在区域适用的投影一致；q 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；7/31/202424空间信息系统原理课件空间信息系统中空间信息系统中地图投影配置的一般原则地图投影配置的一般原则q 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；q 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

19、据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺；q 所用投影以等角投影为宜；q 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与地图投影7/31/202425空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、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。空间数据组织空间

20、数据组织：大量计算机化的空间数据的统一管理方式。7/31/202426空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型空间数据模型 现有的空间数据模型主要有三个：q 场模型：强调空间要素的连续性q 基于对象的模型：强调空间要素的离散性q 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：q 三维空间数据模型q 时空数据模型7/31/202427空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：场模型空间数据模型：场模型 在空间信息系统中，场模

21、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。7/31/202428空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：场模型空间数据模型：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。7/31/202429空间信息系统

22、原理课件7/31/202430空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：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：q 点实体q 线实体q 多边形实体7/31/202431空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型点实体：点实体：有特定的位置，维数为0的实体q 点(Point)：有特定位置，维数为0的物体；q 实体点(Entity point)：用来代

23、表一个实体；q 注记点(Text point)：用于定位注记；q 内点(Label point)：用于记录多边形的属性，存在于多边形内；q 结点(Node)：表示线的终点和起点；q 角点(Vertex)：表示线段和弧段的内部点。7/31/202432空间信息系统原理课件线实体：线实体：维数为1的实体，由一系列坐标点表示，有以 下特征：q 实体长度：从起点到终点的总长；q 弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度；q 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、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型7/

24、31/202433空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型多边形实体：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：q 面积范围；q 周长；q 独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市；q 内岛或锯齿状外形：岛屿及海岸线；q 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7/31/202434空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：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

25、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：q可被识别q重要（与问题相关）q可被描述：位置、属性等7/31/202435空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型对象模型和场模型的比较对象模型和场模型的比较现实世界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。7/31/202436空间信息系统原理课件3

26、、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：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)7/31/202437空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：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

27、以抽象为点、线、多边形之间的六种关系：q 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。q 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。q 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。7/31/202438空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型q 线线：重合；相接（首尾相接和顺序相接）；相交；相切；并行，等等。q 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

28、形；线与多边形分离，等等。q 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。7/31/202439空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型上述空间关系又可以分成三类：q 拓扑空间关系；q 方位空间关系；q 度量空间关系7/31/202440空间信息系统原理课件拓扑属性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

29、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、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型拓扑空间关系拓扑空间关系7/31/202441空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型拓扑空间关系描述拓扑空间关系描述9交模型交模型 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

30、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-Intersection Model，9-IM）：B(A)B(B)B(A)I(B)B(A)E(B)I(A)B(B)I(A)I(B)I(A)E(B)E(A)B(B)E(A)I(B)E(A)E(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，即可描述即可描述512种空间关系种空间关系。7/31/202442空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型方位空间关系方位空间关系 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

31、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。7/31/202443空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型度量空间关系度量空间关系 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

32、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：q几何指标：位置、距离、面积、体积形状、方位等q自然地理参数：坡度、坡向、地表辐射度、地形起伏度、通达度等q人文地理指标：交通便利程度、吸引范围、人口密度等7/31/202444空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型空间关系的应用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7/31/202445空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型

33、：对象模型空间关系的应用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？7/31/202446空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型空间关系的应用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？7/31/202447空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：网络模型空间数据模型：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

34、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。7/31/202448空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：三维模型空间数据模型：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

35、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。7/31/202449空间信息系统原理课件3D GIS3D GIS数据模型数据模型 7/31/202450空间信息系统原理课件一、3D GIS 定义n将将3D3D空间坐标（空间坐标（x x，y y，z z）作为独立）作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模：参数来进行空间实体对象的几何建模： F=f（x，y，z）7/31/202451空间信息系统原理课件二、3D GIS的研究内容和功能n数数据据编编码码：是是采采集集三三维维数数据据和和对对其其进进行行有有效效性性检检查查的的工工具

36、具，有有效效性性检检查查将将随随着着数数据据的的自自然然属属性性、表表示示方方法法和和精精度度水水平平的不同而不同。的不同而不同。 n数数据据的的组组织织和和重重构构：这这包包括括对对三三维维数数据据的的拓拓扑扑描描述述以以及及一一种种表表示示法法到到另另一一种种表表示示法法的的转转换换（如如从从矢矢量量的的边边界界表表示示转转换换为栅格的八叉树表示）。为栅格的八叉树表示）。 7/31/202452空间信息系统原理课件二、3D GIS的研究内容和功能n变变换换：既既能能对对所所有有物物体体或或某某一一类类物物体体，又又能能对对某某个个物物体体进进行行平平移移、旋旋转转、剪剪裁裁、比比例例缩缩放

37、放等等变变换换。另另外外还还可可以以将将一一个个物物体体分分解解成成几几个个以以及及将将几几个个物物体体组组合合成成一一个。个。 n查查询询：此此功功能能依依赖赖于于单单个个物物体体的的内内在在性性质质（如如位位置置、形形状状、组组成成）和和不不同同物物体体间间的的关关系系（如如连连接接、相相交交、形形状状相相似似或或构成相似）。构成相似）。 7/31/202453空间信息系统原理课件二、3D GIS的研究内容和功能n逻逻辑辑运运算算：通通过过与与、或或、非非及及异异或或运运算算符对物体进行组合运算。符对物体进行组合运算。n计计算算：计计算算物物体体的的体体积积、表表面面积积、中中心心、物体之

38、间的距离及交角等。物体之间的距离及交角等。n分分析析：如如计计算算某某一一类类地地物物的的分分布布趋趋势势，或其它指标，以及进行模型的比较。或其它指标，以及进行模型的比较。n建立模型。建立模型。7/31/202454空间信息系统原理课件二、3D GIS的研究内容和功能n视视觉觉变变换换：在在用用户户选选择择的的任任何何视视点点，以以用用户户确确定定的的视视角角、比比例例因因子子、符符号号来来表表示所有地物或某些指定物体。示所有地物或某些指定物体。n系系统统维维护护：包包括括数数据据的的自自动动备备份份、安安全全性措施、以及网络工作管理性措施、以及网络工作管理。n三维拓扑描述7/31/20245

39、5空间信息系统原理课件三、3D GIS研究现状n研究意义研究意义 GISGIS处处理理的的与与地地球球有有关关的的数数据据，即即通通常常所所说说的的空空间间数数据据，从从本本质质上上说说是是三三维维连连续续分分布布的的。从从事事关关于于地地质质、地地球球物物理理、气气象象、水水文文、采采矿矿、地地下下水水、灾灾害害、污污染染等等方方面面的的自自然然现现象象是是三三维维的的，当当这这些些领领域域的的科科学学家家或或工工程程技技术术人人员员试试图图以以二二维维系系统统来来描描述述它它们们时时，就就不不能能够够精确地反映、分析或显示有关信息。精确地反映、分析或显示有关信息。 7/31/202456空

40、间信息系统原理课件三、3D GIS研究现状n发展历史发展历史n2.5D2.5D（2.75D2.75D）nPseudo-3DPseudo-3DnQuasi-3DQuasi-3DnReal-3DReal-3D7/31/202457空间信息系统原理课件三、3D GIS研究现状n发展背景发展背景n计算机硬件技术的发展计算机硬件技术的发展n计算机软件技术的发展计算机软件技术的发展n需求推动需求推动n科学家的好奇心科学家的好奇心7/31/202458空间信息系统原理课件三、3D GIS研究现状n不同维数不同维数GIS的比较的比较 类别类别比较比较2D2.5DPseudo-3DReal-3D数学模型数学模型

41、F=f(x，y)F=f(x，y)Z=f(x，y)F=(x，y，zi)F=(x，y，zi)高程特征高程特征无高程信息无高程信息高程作为点高程作为点的属性的属性一对一对(x，y)的的z有多值有多值一对一对(x，y)的的z有多值有多值属性特征属性特征平面抽象平面抽象表面抽象表面抽象无体内属性无体内属性有体内属性有体内属性构模模式构模模式2D矢量或栅格矢量或栅格2D矢量或栅矢量或栅格格面元构模面元构模3D矢量、体矢量、体元构模元构模典型实例典型实例电子地图电子地图DEM，DTM 3D城市模型城市模型地下地下TEN、GTP模型模型7/31/202459空间信息系统原理课件三、3D GIS研究现状n发展现

42、状发展现状 在在地地学学领领域域（GeoGeographygraphy，GeoGeologylogy，GeoGeophysicsphysics，GeoGeodesydesy）形形成成两两大大并并行行发发展的支流：展的支流：n3D GIS3D GISn3D GMS3D GMS（Geosciences Modeling SystemGeosciences Modeling System）7/31/202460空间信息系统原理课件 ComparisonProjectDifferenceIdentity3D GIS3D GMSResearch ObjectGeographical SpaceGeolo

43、gical SpaceGeo-informaticsData SourceGeodesy，RSGeological Explore Mining SurveyingPlanning, Design dataSpatial ReferenceGreat Scale in Spherical surface CoordinateGreat Scale in Spherical Volume Coordinate(x，y，z)Spatial ModelingFacial modelVolumetric modelMixed ModelTopological Descriptionindispensa

44、ble Beginning researchBased on features or objectsSpatial Surveying & CalculationNon-VolumeVolumeOrientation, areaSpatial AnalysisVisualizationInclusion, ProximityOther AnalysisApplication areaCity Scene, military Geology, oceanearth7/31/202461空间信息系统原理课件四、空间构模技术进展四、空间构模技术进展n3D3D空空间间构构模模方方法法研研究究是是目目前

45、前研研究究的的热热点点问问题题。过过去去十十多多年年中中，国国内内外外专专家家提提出出了了2020余余种种空空间间构构模模方方法法。若若不不区区分分真真三三维维和和准准三三维维则则可可以以将将现现有有空空间间构构模模方方法法对内为三类：对内为三类：nFacial ModelnVolumetric ModelnMixed Model7/31/202462空间信息系统原理课件四、空间构模技术进展四、空间构模技术进展Facial modelVolumetric modelMixed modelregularirregularTINCSGTENTIN-CSGGridVoxelPyramidTIN-Oc

46、treeB-repOctreeTPWire frame-BlockWire frameNeedleGeo-cellularOctree-TENSeries sectionsBlockBlockSection TIN mixedSolidDEMs3D VoronoiGTP7/31/202463空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nTINTIN模型模型n离散点数据离散点数据n等高线数据等高线数据n三角剖分（三角剖分（DelaunayDelaunay）7/31/202464空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nTINTIN模型模

47、型7/31/202465空间信息系统原理课件n在所有的三角网自动联结算法中，主要遵循以下两条准则：n 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）；n 2.所形成的三角形的全部边长之和最小。 基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模7/31/202466空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模nfat triangles with angles close to 60 degrees are preferred since this ensures that any point on the surface is a

48、s close as possible to a vertex nthis is important because the surface representation is likely most accurate at the vertices 7/31/202467空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模nProcedure ncompute the distance between all pairs of points, and sort from lowest to highest nconnect the closest pair of points

49、 nconnect the next closest pair if the resulting line does not cross earlier lines nrepeat until no further lines can be selected nthe points will now be connected with triangles nthis tends to produce many skinny triangles instead of the preferred fat triangle7/31/202468空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D空间

50、构模空间构模nby definition, 3 points form a Delaunay triangle if and only if the circle which passes through them contains no other point diagram nanother way to define the Delaunay triangulation is as follows: npartition the map by assigning all locations to the nearest vertex nthe boundaries created in

51、this process form a set of polygons called Thiessen polygons or Voronoi or Dirichlet regions overhead - Delaunay triangles from Thiessen polygons ntwo vertices are connected in the Delaunay triangulation if their Thiessen polygons share an edge nthis method produces the preferred fat triangles nthe

52、boundary edges on the Delaunay network form the Convex Hull, which is the smallest polygon to contain all of the vertices Procedure 7/31/202469空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模nthere are several techniques for building the triangles: 1. since the convex hull will always be part of the Delaunay netw

53、ork nstart with these edges and work inwards until the network is complete 2. connect the closest pair which by definition must be a Delaunay edge nsearch for a third point such that no other point falls in the circle through them ncontinue working outward from these edges for the next closest point

54、 nProblems nDelaunay triangles are not hierarchical nthey cannot be aggregated to form bigger triangles nif they are divided into smaller triangles, the results tend to be poorly shaped (not fat) 7/31/202470空间信息系统原理课件nDelaunay三角剖分的基本概念和性质如下：n 设二维平面上的随机点集为:n点集中数据点满足以下条件：n 1.N3n 2.数据点面状分布，不都在同一条直线上；n

55、3.没有四或四个以上的点共圆。 基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模7/31/202471空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模7/31/202472空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nTINTIN模型模型7/31/202473空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nTINTIN模型模型7/31/202474空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模7/31/202475空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模n正负区判

56、别模型（毛善君，测绘学报，博士论文1997年）7/31/202476空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nGridGrid模型模型n离散数据离散数据n插值插值7/31/202477空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nGridGrid模型模型7/31/202478空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nB-repB-rep模型模型n面、环、边、点面、环、边、点n详细记录实体所有几何元详细记录实体所有几何元素的几何信息及相互连接素的几何信息及相互连接关系关系n适于规则适于规则3D3D实体实体

57、7/31/202479空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模7/31/202480空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nWire FrameWire Framen将实体将实体轮廓轮廓两两相邻的采两两相邻的采样点或特征点用直线连接样点或特征点用直线连接n形成的面可以用形成的面可以用TINTIN来充填来充填7/31/202481空间信息系统原理课件7/31/202482空间信息系统原理课件7/31/202483空间信息系统原理课件7/31/202484空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nSe

58、ries SectionsSeries Sectionsn通过实体的平面图或剖面图来描述通过实体的平面图或剖面图来描述n将将3D3D问题问题2D2D化化7/31/202485空间信息系统原理课件7/31/202486空间信息系统原理课件7/31/202487空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nSection-TIN mixed modeln剖面界线赋值剖面界线赋值n二维剖面编辑二维剖面编辑n相邻剖面连接相邻剖面连接n3D3D场景重建场景重建7/31/202488空间信息系统原理课件7/31/202489空间信息系统原理课件7/31/202490空间信息系统

59、原理课件7/31/202491空间信息系统原理课件基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nDEMs7/31/202492空间信息系统原理课件基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nCSGn预先定义一些形状规则的体元预先定义一些形状规则的体元n通过并、交、差操作形成通过并、交、差操作形成CSGCSG物体物体CSG物体Oper1Oper2Obj1Obj2Obj3Obj47/31/202493空间信息系统原理课件基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nVoxeln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。 7/31/202

60、494空间信息系统原理课件基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nOctreen实实质质是是对对OctreeOctree的的压压缩缩改改进进，类类似似于于2D 2D QuadtreeQuadtree和和2D Grid2D Grid的关系的关系7/31/202495空间信息系统原理课件基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nNeedle n界面相同，高度可变的柱状体7/31/202496空间信息系统原理课件基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nRegular Blockn把建模空间划分成规则的3D立方体n每个块体被视为均质同性体7/31/202497空

61、间信息系统原理课件基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nTEN（TEtrahedral Network）n类似于类似于2D TIN2D TINn先在先在3D3D空间连接离散点，形成三角面片空间连接离散点，形成三角面片n四面体有四面体有4 4个三角面片组成个三角面片组成n不能表示不能表示3D3D连续曲面连续曲面n算法复杂算法复杂7/31/202498空间信息系统原理课件基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nPyramidn类似于TENnTri-Prism(TP)nGeo-cellularnIrregular BlocknSolidn3D VoronoinGTP7/

62、31/202499空间信息系统原理课件基于面基于面- -体混合的体混合的3D3D空间构模空间构模nTIN-CSGnTIN-OctreenWire Frame-BlocknOctree-TEN7/31/2024100空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：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

63、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。7/31/2024101空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型nSGISnTGIS7/31/2024102空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n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（Time S

64、tamp）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。7/31/2024103空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：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7/31/2024104空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型nTGIS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”

65、。当前主要的TGIS模型包括：空间时间立方体模型（Space-time Cube）；序列快照模型（Sequent Snapshots）；基态修正模型（Base State with Amendments）；空间时间组合体模型（Space-time Composite）。其中序列快照模型和GIS分类中的模拟GIS（Analog GIS）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。 7/31/2024105空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型

66、nTGIS的研究思路的研究思路nTGIS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 7/31/2024106空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n地籍变更、海岸线变化、土地城市化、道路改线

67、、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。 7/31/2024107空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n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： 7/31/2024

68、108空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n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。 7/31/2024109空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n同时提供静态（变化不活跃）、动态（变化活跃）

69、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。 7/31/2024110空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n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 7/31/2024111空间

70、信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n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。 7/31/2024112空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n时空数据库(STDB) n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：n其一为事件时间（event time），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(sys

71、tem time)，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： 7/31/2024113空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n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；n对象重建，仅对变化的对象建新版本；n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。 7/31/2024114空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n从数据冗余角度考虑，第三种方式最为理想，但

72、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。n事件版本、系统版本、对象版本 7/31/2024115空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n时间附加型时间附加型n(1)1NF模型模型n一个对象必须有几个具有时间标记的元组来表达。一个对象必须有几个具有时间标记的元组来表达。n(2)N1NF型型n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。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。n(3)时空复合型

73、时空复合型(space-time composite)n其基础是时空单元。所谓时空单元，是指其基础是时空单元。所谓时空单元，是指相同时空变化相同时空变化过程的最过程的最大单元。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系表中新增加一列时间段来表达。实际使用静

74、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）。复杂（层次较多时更复杂）。 7/31/2024116空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n时间新维型时间新维型n(1) Space-time Cuben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时间的变化。给定一个时间位置，既可以从三维立

75、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。增长，且随着数据量的增大，对立方体的操作越来越复杂。n(2) Sequent Snapshotsn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

76、以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。处理时空对象之间的时态关系。n(3) Base State with Amendmentsn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。量，以此来减少数据的冗余量。 7/31/2024117空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据

77、模型：时空模型n面向对象型面向对象型nnOBJ：时空对象可以是各种类；：时空对象可以是各种类；nO-ID：对象的唯一标识符；：对象的唯一标识符；nAttr(t)：对象随时间：对象随时间t变化的非空间属性描述；变化的非空间属性描述；nSpatial(t)：对象随时间：对象随时间t变化的空间特性描述；变化的空间特性描述；nTemporal(Tv,Td)：对象的时态性描述，反映对象的产生、演变：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，其中有效时间和消亡的生命历程，其中有效时间Tv和数据库时间和数据库时间Td是正交的；是正交的；nActions：对象的行为操作描述，其中定义对象的时间、

78、空间及：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的多态性和的多态性和继承性，实现运算符和拓扑集合关系的重栽。继承性，实现运算符和拓扑集合关系的重栽。n每个对象具有唯一的有效时间链表和数据库时间链表。每个对象具有唯一的有效时间链表和数据库时间链表。 7/31/2024118空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n基于状态和变化的统一模型基于状态和变化的统一模型n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

79、别，也缺乏时空变化的语义，不能表达空间拓扑关系的变化。nState and change based unified data model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： 7/31/2024119空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n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。n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。n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。

80、n定义4：时空数据库的状态是一个三元组n state:=(o,s,t)，OBJ,Space,Timen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nfOST：statestate7/31/2024120空间信息系统原理课件空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型空间数据模型：时空模型n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。nObject-ds-layernTime-ds-layernSpace-ds-layern深入的研究还有元胞自动

81、机(cellular automation)，时态拓扑关系的研究。 7/31/2024121空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据结构空间数据结构 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。q 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；q 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。7/31/2024122空间信息系统原理课件7/31/2024123空间信息系统原理课件3、空间数

82、据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据结构：栅格结构空间数据结构：栅格结构表达方式表达方式q 规则的正方形或矩形栅格；q 其它规则的栅格图形单元，如三角形或多边形；q 在栅格文件中，每个栅格只能赋予唯一的值；q 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；q 在栅格数据模型中，总的属性个数可以通过计算得到；7/31/2024124空间信息系统原理课件返回7/31/2024125空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据结构：栅格结构空间数据结构：栅格结构组织方法组织方法q 以像元为记录的序列，可节省存贮空间，如图；q 以层为基础，每层以像元为记录序列，

83、形式简单，如图；q 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；7/31/2024126空间信息系统原理课件返回7/31/2024127空间信息系统原理课件数据压缩数据压缩 变长编码变长编码q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；q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；q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、空间数据模型与结构空间数据结构：栅格结构空间数据结构：栅格结构7/31/2024128空间信息系统原理课件7/31/2024129空间信息系统原理课件数据压缩数据压缩四叉树编码四叉树编码

84、q 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；q 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；q 缺点： 转换的不定性3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据结构：栅格结构空间数据结构：栅格结构7/31/2024130空间信息系统原理课件7/31/2024131空间信息系统原理课件7/31/2024132空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据结构：矢量结构空间数据结

85、构：矢量结构q 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，显示显示符号符号。q 线实体 直线：起、止点坐标，属性，显示符号显示符号。 弧、链：n个坐标对的集合，属性，指针系统，显示符号显示符号。q 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（Triangle Irregular Network）结构的拓扑表达，如图；7/31/2024133空间信息系统原理课件返回7/31/2024134空间信息系统原理课件返回7/31/2024135空间信息系统原理课件7/31/2024136空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数

86、据模型与结构空间数据结构：矢、栅结构的比较空间数据结构：矢、栅结构的比较栅格结构栅格结构n优点n数据结构简单；n叠加操作易实现，更有效；n能有效表达空间可变性；n便于做图象的有效增加；n缺点n数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决；n难以表达拓扑关系；n图形输出不美观，线条有锯齿；矢量结构矢量结构n优点n提供更严密的数据结构；n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；n图形输出美观，接近于手绘；n缺点n比栅格数据结构复杂；n叠加操作没有栅格有效；n表达空间变化能力差；n不能像数字图象那样做增强处理7/31/2024137空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间

87、数据模型与结构空间数据结构：矢、栅结构的转换空间数据结构：矢、栅结构的转换矢量到栅格数据的转换n选择单元的大小和形状；n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；n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；n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。7/31/2024138空间信息系统原理课件栅格到矢量的转换n拓扑转换n保持栅格表达的连通性与邻接性；n转换物体正确的外形n点：某个单元的值与周围不同，代表点；n线：具有相同属性值的连续的单元格，将其搜索出来并

88、细化处理，成为一条线；n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、空间数据模型与结构空间数据结构：矢、栅结构的转换空间数据结构：矢、栅结构的转换7/31/2024139空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据组织与管理空间数据组织与管理q 空间数据分层的方法 按专题分层； 按时间序列分层； 按地面垂直高度，如图；q 空间数据的组织 由专题和分幅组成，如图； 面向对象的组织，如图；7/31/2024140空间信息系统原理课件返回7/31/2024141空间信息系统原理课件返回7/31/202

89、4142空间信息系统原理课件7/31/2024143空间信息系统原理课件 空间数据的管理：为了使空间数据的空间特征和属性特征统一而采取的管理手段（如图）。q 文件模式q 混合模式q 关系数据库模式q 对象关系数据库模式q 面向对象数据库模式 3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据组织与管理空间数据组织与管理7/31/2024144空间信息系统原理课件3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据组织与管理空间数据组织与管理123456空空间间数数据据的的空空间间特特征征和和属属性性特特征征的的关关联联返回7/31/2024145空间信息系统原理课件4、空间数据质量、空间数据质量

90、基本概念基本概念 空间数据是对现实世界中空间特征和过程的抽象表达。由于现实世界的复杂性和模糊性，以及人类认识和表达能力的局限性，这种抽象只能在一定程度上接近真实值。此外，空间数据在其处理过程中由于各种认为因素，也会使空间数据产生变化。这些因素使得空间数据面临质量问题。数据质量的基本概念包括：q 误差（Error）：与真实的差异值q 准确性（Accuracy）：与真实的接近程度q 精度（Precision）：数据的精密程度（数值有效位数）q 空间分辨率（Spatial Resolution）：数值之间的最小可辨识差异q 比例尺（Scale）：q 不确定性（Uncertainty）：空间现象本身不

91、能准确确定的程度7/31/2024146空间信息系统原理课件4、空间数据质量、空间数据质量数据质量内容数据质量内容微观内容微观内容q 定位精度 物体的地理位置与其真实地面位置之间的差别 偏差 精度q 属性精度：空间实体属性值与真实值相符合的程度q 逻辑一致性：数据关系上的可靠性，包括数据结构、内容和拓扑关系的一致性7/31/2024147空间信息系统原理课件4、空间数据质量、空间数据质量数据质量内容数据质量内容宏观内容宏观内容q 完整性数据范围的完整性数据层的完整性数据分类的完整性数据检验的完整性q 时间性：数据的现势性q 数据档案：数据来源、内容以及处理这些数据所使用的处理步骤等q 表达形式

92、的合理性：数据抽象和表达与空间现象的吻合性7/31/2024148空间信息系统原理课件4、空间数据质量、空间数据质量数据质量内容数据质量内容适用性适用性q 费用方面的适用性q 可获得性：表现在使用和获取数据的难易程度7/31/2024149空间信息系统原理课件阶段阶段误差来源误差来源数据采集数据采集实地测量误差；地图的误差；航测遥感数据分析误差实地测量误差；地图的误差；航测遥感数据分析误差数据输入数据输入在数字化过程中由操作员和设备造成的误差；在数字化过程中由操作员和设备造成的误差；某些地理属性没有明显边界某些地理属性没有明显边界 (如地类界如地类界)引起的误差；引起的误差；数据存贮数据存贮数

93、字存贮有效位不能满足；空间精度不能满足数字存贮有效位不能满足；空间精度不能满足数据操作数据操作类别间的不明确；边界误差；多层数据叠加误差；类别间的不明确；边界误差；多层数据叠加误差；多层数据叠加所产生的裂缝多层数据叠加所产生的裂缝数据输出数据输出比例尺误差；输出设备误差；比例尺误差；输出设备误差；媒质不稳定误差媒质不稳定误差(如图纸的伸缩如图纸的伸缩)成果使用成果使用用户错误理解信息造成的误差；用户错误理解信息造成的误差；不正确地使用信息造成的误差；不正确地使用信息造成的误差；4、空间数据质量、空间数据质量数据质量问题的来源数据质量问题的来源 空间现象本身在空间、专题和时间等方面存在着不稳定性

94、，在空间现象表达上（如地图投影）也会形成误差。除此之外，在各种空间数据处理上，由于各种原因也会产误差：7/31/2024150空间信息系统原理课件4、空间数据质量、空间数据质量常见数据源误差分析常见数据源误差分析q 地图数据（已存在纸质地图）地图固有误差图纸变形数字化（跟踪数字化、扫描数字化）q 遥感数据遥感仪器观测过程（分辨率、几何畸变、辐射）图象处理和解译q 测量数据（大地测量、GPS、摄影）环境影响、仪器结构与性能、操纵人员技能操作人员操作失误其他不可预知、不可控因素7/31/2024151空间信息系统原理课件4、空间数据质量、空间数据质量数据质量控制数据质量控制 空间数据质量控制是一个

95、复杂的过程，需要从质量问题产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差。常见的空间数据质量控制手段有：q 手工方法：将数字化数据与数据源进行逐一比较q 元数据方法：在元数据中描述数据的质量信息（原始质量、处理质量），以供使用过程中掌握。q 地理相关法：用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。如山区的河流在局部范围内（微地形）应处于最低点；建筑物一般不会建筑在水面上；等等。7/31/2024152空间信息系统原理课件5、空间元数据、空间元数据 元数据（Metadata），是关于数据的数据（Data About Data），是关于数据和信息资源的描述性信息。空间元数据（S

96、patial Metadata），是关于地理空间数据和相关信息资源的描述性信息。它通过对地理空间数据的内容、质量、条件、位置和其他特征进行描述与说明，帮助和促进人们有效地定位、评价、比较、获取和使用地理相关数据。 由于网络的发展，元数据已经由一种数据描述与索引的方法扩展到包括数据发现、数据转换、数据管理和数据使用的整个网络信息过程中不可缺少强有力的工具和方法之一 。7/31/2024153空间信息系统原理课件5、空间元数据、空间元数据 空间元数据的主要作用有：q 确定一套地理空间数据的存在性及其位置q 确定一套地理空间数据对某种应用的适宜性q 确定获取一套地理空间数据的手段q 确定成功地转换一套地理空间数据的方法和途径q 确定一套地理空间数据的存储与表达方法q 确定一套地理空间数据的使用方法q 关于空间元数据的详细情况，我们将在第八讲的讨论中进一步了解。7/31/2024154空间信息系统原理课件课后阅读材料课后阅读材料1、各种GIS参考书2、地图投影3、任留成，空间投影理论及其应用研究，博士学位论文，郑州测绘学院，1999。4、OpenGIS文档5、空间数据模型6、史文中，空间数据误差处理的理论与方法，科学出版社，1998。7、刘大杰等，GIS空间数据的精度分析与质量控制，上海科学技术文献出版社，1999。8、其他7/31/2024155空间信息系统原理课件