1、 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院1、基于要素的空間關系描述與表達 空間關系是對現實世界抽象過程中，用來描述和表示對象間相互關系的數學或邏輯學語言形式。它是人們認識空間形態的重要途徑，能夠反映人的空間形態推理過程，與空間對象的維數、形態、大小及空間本身的維數等相關，且各類空間關系間又可相互轉化。人們對空間對象間關系認識復雜多樣，通常將空間關系分為三類。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院1、基于要素的空間關系描述與表達 拓撲空間關系指拓撲變換下保持不變的空間關系，如空間對象間的相鄰、相

2、等等。 方位空間關系指以矢量地理空間為基礎，在旋轉變換下會產生變化，但平移和比例變換下不會變性的空間關系，如東南西北等排列關系。 度量空間關系指某種度量空間中度量表達的空間關系，如距離、面積、體積等。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院1、基于要素的空間關系描述與表達 應當明確，隨著空間維數增加，空間關系迅速復雜化，如二維GIS數據拓展到三維空間中數據量至少增加100倍等。GIS拓撲空間中，基本實體劃分為點、線、面三類，點狀目標具有固定位置和方向，將其定義為零維目標；線狀目標都有一條有形或無形定位線，將其定義為一維目標；面狀目標都有一個有形或無形輪廓線，將其定義為二維目

3、標。運用維數擴展法，可以得到多維空間關系描述框架。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院2、數字地球的二維描述與表達現實世界認知模型數據模型數據結構數字世界。 為方便描述和表達多維空間，傳統GIS將空間實體地上下空間屬性信息壓縮到水平面上，與認知模型相對應得到兩種基本數據模型，即矢量數據模型和柵格數據模型。基于柵格的描述與表達、基于矢量的描述與表達以及矢柵一體化描述與表達都屬傳統地理信息系統概論重要教學內容。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院2、數字地球的二維描述與表達 數字地球研究對象即為地球系統。人類賴以生存發展的地球系統，本身是個客觀三維空

4、間實體（舉例說明）。 傳統二維GIS鑒于認知能力、理論基礎和技術方法等局限，往往將地上下三維空間實體抽象簡化和投影變換到二維平面上進行描述和表達。二維GIS如同傳統地圖描述和表達客觀世界。一方面，客觀世界用抽象符號描述和表達，缺乏真實感；另一方面，接受者需要通過譯碼過程獲取信息，增加認知難度。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院現實世界制圖者對現實世界的認 識地圖符號化譯出符號接收者對現實世界的認 識二維空間信息傳輸模式如下圖示： 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 隨著人類認識水平提高和各種需求拓展，城市、地質、石油

5、等領域越來越急切需要發展三維GIS技術（舉例說明）； 特別是計算機技術、科學計算可視化、二維GIS等快速發展（舉例說明），已為三維GIS研究提供重要保障。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 三維GIS是指布滿整個三維空間的GIS。套用GIS工具箱角度定義，三維GIS是從現實世界中采集、存儲、處理、管理、分析和顯示三維空間數據的工具集合。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 三維GIS與二維或2.5維GIS相比有著本質區別。二維GIS將平面坐標（x，y）作為獨立變量表達地物屬性，數學關系用V

6、=f（x，y）表示，當V為高程值時，得到DEM，即為2.5維GIS；三維GIS將空間坐標（x，y，z）作為獨立變量表達地物屬性，數學關系用V=f（x，y，z）表示；前者一對（x，y）坐標僅對一個高程，后者一對（x，y）坐標可對多個高程，三維GIS對于地質斷層等空間實體表達更為準確，能夠給人以更加真實的感受。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院三維空間信息傳輸模式如下圖示現實世界設計者對現實世界的認 識三維模型接收者對現實世界的認 識三維場景 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 近幾年來，三維GIS已成為學界重要研究熱點

7、，特別是數字地球提出之后，甚至有人提出要將三維GIS當作其神經中樞來重視。 當前三維GIS研究和開發思路可歸納為兩類： 從三維可視化領域向三維GIS系統擴展，就像早期二維GIS來源于計算機輔助制圖一樣； 從數據庫角度出發向三維GIS發展，如將三維空間信息管理融入到RDBMS中，或是從底層開發全新的面向空間的OODBMS。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 現實世界是三維GIS認知對象。二維GIS認知模型擴展和三維地理空間抽象是三維GIS數據獲取、數據模型、數據結構和空間分析重要基礎。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學

8、院 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 數據獲取方面，與二維GIS數據相對過剩很不一樣，由于理論和技術限制，三維空間數據短缺似乎已是三維GIS發展瓶頸。 目前，三維GIS數據來源主要有： 地形圖和建筑圖主要用于城市三維空間建模，以地形圖獲取房屋、交通等要素平面坐標，以建筑圖獲取建筑物高度信息，通過人工判讀和手工輸入大量數據，實地采集三維紋理信息，工作量較大，僅適用于小范圍三維信息獲取。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 航空和航天

9、遙感利用航空航天遙感影像獲取高程信息、紋理數據和拓撲信息等，高分辨率、高精度、多光譜、低費用航天遙感影像成為生產DOM和DEM主要數據源。 激光掃描儀應用激光掃描儀獲取物體表面解析高度數字影像，從中提取目標高精度幾何與紋理數據，但因價格昂貴及某些地物沒有漫反射，短時間內較難普及使用。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 車載動態集成系統使用多傳感器集成（包括絕對定位傳感器、相對定位傳感器和屬性采集傳感器），主動或被動實時獲取三維空間信息。 混合集成法以上方法各有優缺點，不同方法間存在互補性，運用混合手段獲取三維信息成為人們重要研究熱點。 第5

10、章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 數據模型方面，三維空間數據模型是人們對客觀世界的理解和抽象，是三維空間數據庫建設基礎；而三維空間數據結構是三維空間數據模型的具體實現，是客觀世界在計算機中的底層表達，是對客觀對象進行三維可視化表達的重要基礎。 定義或開發新的三維空間數據模型，需要考慮三個方面問題： 確定需要表達對象；三維數據存儲及邏輯關系表達；如何顯示模型。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 合理的時空數據模型，必須考慮三個問題： 節省存儲空間；加快存取速度；表現時空語義。 由于三維空間中復

11、雜性、模糊性和不確定性等客觀存在，三維空間數據模型始終是三維GIS研究焦點問題，而且至今沒有得到成功完美地解決。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院幾種典型三維空間數據模型3、數字地球的三維描述與表達 （1）基于面的三維空間表達 利用微小的面元素來逼近空間地物幾何形態，主要有格網結構、形狀結構、面片結構、邊界表示法和非均勻B樣條函數法。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院A、格網結構 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院B、形狀結構 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院 C、面片結構 第5章 數字地球信

12、息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院D、三維邊界表示法 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 （2）基于體的三維空間表達 根據三維物體的幾何形態或內部結構表達空間物體幾何形態，主要有三維柵格結構、針狀結構、八叉樹、結構實體幾何和不規則四面體結構。 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院A、三維柵格結構 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院B、針狀結構 C、八叉樹結構 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院D、結構實體幾何

13、 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院 E、不規則四面體 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達 （3）三維空間混合數據結構 A、基于TIN和CSG的混合結構 主要用于城市、旅游地等領域 B、基于OCTREE和TEN的混合結構 主要用于地質和海洋等領域 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院C、矢量與柵格集成三維空間數據結構a、李清泉矢柵混合三維空間數據結構 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院C、矢量與柵格集成三維空間數據結構b、龔健雅矢柵混合三維空間數據結構 第5章 數字地球信息的描述與表達 西華師范大學國土資源學院3、數字地球的三維描述與表達（4）各種三維空間數據結構比較 A、基于面的三維空間數據結構 容易為地層及其構造提供精確空間描述，便于數據顯示和更新，但難以進行空間分析。 B、基于面的三維空