GIS原理课件5.9三维空间数据处理
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地理与地理信息系统(GIS)培训ppt
通过GIS技术对污染源进 行实时监测，追踪污染源 的扩散趋势，为污染治理 提供依据。
自然保护区管理
基于GIS技术对自然保护 区进行空间规划和管理， 提高保护区的管理效率和 保护效果。
灾害应急响应案例
地震灾害应急响应
利用GIS技术快速获取灾区 地理信息，为救援队伍的 调度、物资分配等提供决 策支持。
对处理后的数据进行质量检查和评估，确保数据 满足项目要求。
GIS项目管理与维护
项目管理
制定项目计划、分配资源 、监控进度，确保项目按 时完成。
团队协作
建立有效的沟通机制，促 进团队成员之间的协作， 提高工作效率。
培训与支持
提供必要的培训和技术支 持，帮助团队成员掌握 GIS技能和知识。
项目Baidu Nhomakorabea护与更新
根据项目需求和资源限制，选择合适的GIS软件、 硬件和网络技术，确保项目的可行性和效率。
GIS数据质量控制
01 数据采集与输入
确保数据的准确性和完整性，采用合适的地图数 字化或数据转换方法，降低误差。
02 数据处理与编辑
通过GIS软件对数据进行编辑、处理和校正，提高 数据质量。
03 数据验证与评估
环境监测与保护
GIS可以用于环境监测、生态保护、自然 灾害预警等方面。
城市规划与管理
GIS可以用于城市规划设计、城市管理、 城市应急等方面。
自然保护区管理
基于GIS技术对自然保护 区进行空间规划和管理， 提高保护区的管理效率和 保护效果。
灾害应急响应案例
地震灾害应急响应
利用GIS技术快速获取灾区 地理信息，为救援队伍的 调度、物资分配等提供决 策支持。
对处理后的数据进行质量检查和评估，确保数据 满足项目要求。
GIS项目管理与维护
项目管理
制定项目计划、分配资源 、监控进度，确保项目按 时完成。
团队协作
建立有效的沟通机制，促 进团队成员之间的协作， 提高工作效率。
培训与支持
提供必要的培训和技术支 持，帮助团队成员掌握 GIS技能和知识。
项目Baidu Nhomakorabea护与更新
根据项目需求和资源限制，选择合适的GIS软件、 硬件和网络技术，确保项目的可行性和效率。
GIS数据质量控制
01 数据采集与输入
确保数据的准确性和完整性，采用合适的地图数 字化或数据转换方法，降低误差。
02 数据处理与编辑
通过GIS软件对数据进行编辑、处理和校正，提高 数据质量。
03 数据验证与评估
环境监测与保护
GIS可以用于环境监测、生态保护、自然 灾害预警等方面。
城市规划与管理
GIS可以用于城市规划设计、城市管理、 城市应急等方面。
(GIS)第五章-空间分析原理与方法
z 4 i1 zk
• 以格网的平均高程与研究区域某一最低点高程之差定义为该单元的
相对高程 2. 高程变异
1 4
Ds 4 i1 zk zmin
高程变异是反映地表单元格网各顶点高程变化的指标，它以格网单
元顶点的标准差与平均高程的比值来表示。 V s z
（五）谷脊特征分析
• ArcGIS软件中，通常把坡向综合成九种坡向：平缓坡 （－1）、北坡（0° - 22.5°, 337.5° - 360°）、 东北坡（22.5° - 67.5°）、东坡（67.5° - 112.5°
）、东南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡。
N
NW
NE
EW
O
E
SW
SE
E
（二）曲面面积计算
地表单元曲面面积（S I,j）可以用 该单元边的中点所建立的矢量及由它 们所确定的法矢量的模来定义。
y
x
i, j
i, j1
x
• 计算地表单元法矢量
i jk nij a b xa ya za
xb yb zb ( ya zb yb za )i ( xb za xa zb ) j ( xa yb xb ya )k
写成坐标表示法为：
n ij y( zi1, j zi , j1 zi1, j1 zi , j ),x( zi1, j1 zi, j zi1, j zi , j1 ),2xy
• 以格网的平均高程与研究区域某一最低点高程之差定义为该单元的
相对高程 2. 高程变异
1 4
Ds 4 i1 zk zmin
高程变异是反映地表单元格网各顶点高程变化的指标，它以格网单
元顶点的标准差与平均高程的比值来表示。 V s z
（五）谷脊特征分析
• ArcGIS软件中，通常把坡向综合成九种坡向：平缓坡 （－1）、北坡（0° - 22.5°, 337.5° - 360°）、 东北坡（22.5° - 67.5°）、东坡（67.5° - 112.5°
）、东南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡。
N
NW
NE
EW
O
E
SW
SE
E
（二）曲面面积计算
地表单元曲面面积（S I,j）可以用 该单元边的中点所建立的矢量及由它 们所确定的法矢量的模来定义。
y
x
i, j
i, j1
x
• 计算地表单元法矢量
i jk nij a b xa ya za
xb yb zb ( ya zb yb za )i ( xb za xa zb ) j ( xa yb xb ya )k
写成坐标表示法为：
n ij y( zi1, j zi , j1 zi1, j1 zi , j ),x( zi1, j1 zi, j zi1, j zi , j1 ),2xy
GIS数据处理与空间分析教程
GIS数据处理与空间分析教程引言：
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是
一种将地理空间数据与属性数据进行捆绑组织、存储、查询、分析、可视化并生成可输出图形报告的系统。在各个领域，如城市
规划、环境管理、资源分配、农业发展等都有广泛的应用。本教
程将就GIS数据处理与空间分析的相关内容进行深入的介绍和讲解。
第一章：GIS数据处理的基础知识
GIS数据由地理空间数据和属性数据组成，地理空间数据包括点、线、面等地理要素。在这一章节，我们将学习地图投影的基
本知识，了解常见的地理坐标系和地图投影方式，并介绍GIS数
据的各种数据格式，如Shapefile、GeoJSON等。
第二章：GIS数据获取与预处理
本章节将介绍如何获取地理空间数据，包括地理信息系统数据
和其他来源的数据。我们将探讨如何使用GPS设备采集地理数据，并学习如何使用影像处理软件提取图像中的地理信息。另外，还
将涉及数据预处理的工作，如数据清洗、数据转换和数据拓扑校
正等。
第三章：GIS数据管理与存储
GIS数据管理与存储是GIS应用中关键的一环，本章节将重点
介绍如何进行数据管理和数据存储。我们将学习如何使用数据库
管理系统（DBMS）对GIS数据进行组织和存储，并了解属性数
据表的设计和建立。此外，还将介绍如何维护和更新数据，以及
数据备份和恢复的相关策略。
第四章：GIS空间分析基础
在进行GIS空间分析之前，我们需要了解一些基础概念和方法。本章节将介绍GIS空间分析的基本概念，如空间关系、空间查询
和空间操作等。我们还将学习常见的空间分析方法，如缓冲区分析、叠加分析和网格分析等，并通过具体案例来加深理解。
三维GIS空间数据模型及可视化技术研究
三维GIS可视化技术是将空间数据转换成图形或图像的过程，以便于人们理 解和分析。可视化表达主要包括场景建立、符号化、渲染三个步骤。场景建立是 根据实际需求构建三维场景，包括地形、建筑物、植被等。符号化是将空间数据 转换成图形或图像，可以使用点、线、面等方式表达。渲染是对图形或图像进行 着色和光照处理，以增强视觉效果。同时，可视化分析也是非常重要的一部分， 它可以帮助用户从多角度、多层次观察和分析地理信息。
三维GIS空间数据模型及可视化技术在各个领域都有广泛的应用。在地理信 息查询方面，用户可以通过可视化界面快速查找所需的地理信息，如地点、道路、 公共设施等。在交通物流管理方面，三维GIS可以实时展示交通状况、车辆位置 和货物运输进度等信息，帮助管理者做出高效决策。在生态环境分析方面，三维 GIS可以模拟生态系统的变化过程，帮助研究者深入了解生态环境的演变规律和 保护措施的效果。
参考内容
基本内容
随着社会的发展和科技的进步，交通网络的三维GIS数据模型与可视化已经 成为现代社会的重要工具和应用领域。本次演示将介绍交通网络的三维GIS数据 模型与可视化的重要性及其应用领域，同时阐述如何建立交通网络的三维GIS数 据模型，如何进行模型验证，如何进行可视化设计以及可视化结果的分析方法。
与三维GIS空间数据模型及可视化技术相关的关键技术包括地理编码、实时 地图绘制和数据压缩等。地理编码是将地理坐标（经纬度、高程等）转换成计算 机可处理的数字格式，以便于存储和传输。实时地图绘制是将空间数据和属性信 息转换成动态的地图画面，可以实时更新和展示地理信息的变化。数据压缩是在 保证数据质量的前提下，对数据进行压缩处理，以减小存储和传输的成本。
GIS原理课件3空间数据获取
应关系
X i =a0+a1xi + a2 yi
xYi =b0 +Ob1xi + b2 yi
Y
o❑数字数化字化仪坐的标工系作方式有：点方大地式坐、标流系 方式两种
连接计数算字✓机化入点仪与计方算式机：；按一图下纸键定向，就将十字建丝立交数点字化的菜坐单标送
✓流方式：按特定的时间间隔或距离间隔，连续
向计算机发送十字丝交点的坐图标形与属性数据 ❑手扶跟踪数字图化幅缺接点边：几何精度较低采、集速度较慢，
东华理工大学 吴静
扫描数字化过程
扫描数字化界面(1)
东华理工大学 吴静
扫描数字化界面(2)
东华理工大学 吴静
➢ 定量描述
❑包括空间对象的图形、属性两个方面 ❑图形：指空间坐标
✓测量的尺度取决于采样点的取舍和测量坐标的精度 ✓比例尺决定空间数据的密度、坐标精度或影像数据
的分辨率，例如 公路在大比例尺中看成是面状地物、坐标精确 到厘米 在小比例中视为线，坐标精确到分米或米
❑属性：指属性项的量化值，如 ✓土壤的酸碱度、某职工的工资，统计调查数据
✓是什么？即它属于那一类地物
✓实体特征的详细描述信息，如：公路的描述信息 包括公路名称、等级、宽度、路面材料、车道数、 建设年代、路面状况等
❑属性数据往往以表格的形式存在，但可以以可视化 方式描述属性数据，如道路宽度、颜色可以反映道 路的不同等级、饼图反映不同属性值之间的比例
GIS分析 第7章 三维分析
DEM的应用—坡向提取
3.1.2坡向（Aspect）
❖地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之 间的夹角；
❖
在计算出每个地表单元的坡向后可制作坡向图，通常把 z
坡向分为东、南、西、
北、东北、西北、东南、西
-n Slope
南8类，再加上平地，共9类，
用不同的色彩显示，即可得
P
y
到坡向图；
Direction x
DEM的应用—信息提取
3.1基于DEM的信息提取
❖高程数据 ❖地形因子：坡度、坡向、平面曲率、剖面曲
率、地形起伏度、地表粗糙度、沟壑密度等；
DEM的应用—信息提取
3.1.1坡度（slope）
❖ 定义：地表单元的法向量与Z 轴的夹角，即切平面 与水平面的夹角;
❖ 在计算出各地表单元的坡度后， 可对不同的坡度设定不同的灰 度级，可得到坡度图;
❖ 阴影
❖计算表面面积和体积
❖可视性分析 ❖三维景观显示
❖ 模拟飞行
DEM的应用—可视化分析
3.3.1阴影——渲染
❖ 给定太阳高度角、太阳方位角、光强度、光照时间，可
增强地面起伏感，进行逼真的立体显示;
光源来自西北产生正立体
光源来自东南产生反立体
DEM的应用:可视化分析
3.3.2计算表面面积和体积
Aspect
DEM的应用—坡向提取
三维GIS空间数据模型(课堂PPT)
立体实体的特例：表面Surface
表面Surface：每个点都 有值的连续变化的地理现象 ，如降水量、地形。
5、实体类型组合
空间实体实际上是点、线、面、体多种要素的复杂组合，即空 间实体常常被认为由一些基本的空间单元（指那些基本的、实 际存在的、不可再分的元素）组合生成；这种组合既表示了不 同类型的空间关系，也同时组合成不同的实体类型：
① 复杂实体有可能由不同延展度和类型的空间单元组合而 成；
② 某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一个复合 实例；
③ 某一类型的空间实体可以转换为另一类型；
④ 某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的维数组 合而成。
实体类型组合图例
三、空间实体在地理信息系统中的表示
1、单一实体 2、多种特征的实体 3、带有属性的空间实体的表示 4、多层属性信息的表示
③ 连通性(Connectivity)：表示两条线段是否相连。
拓扑数据举例
弧段号
C1 C2 C3 C4 C5 C6
起结点
N1 N3 N1 N1 N2 N4
C4
N4 N1
C1 P2 C6
C8
P1 C3
P3 N2 C5 N5
C2
C9 N3
N7 C7
P5 P4 N6
C10
终结点ห้องสมุดไป่ตู้
N2 N2 N3 N4 N5 N5
《地理信息系统》第五章空间数据处理
地图纠正需要使用专业的地理信息系统软件和技术，对技术要求较高，需要专业人 员进行操作和监管。
地图投影
地图投影是将地球表面信息转换为平面地图的过程，是地理信息系统中的重要技术之一。
地图投影有多种类型，包括等角投影、等面积投影、任意投影等，选择合适的投影方式对于 地图的准确性和可视化效果至关重要。
地图投影需要注意保持地理信息的完整性和准确性，避免因投影转换造成信息损失或失真。
编码参数设置
根据实际情况调整编码参数，以获得最佳的 压缩效果和精度。
编码方式选择
根据数据的性质和应用需求选择合适的编码 方式，如矢量编码、栅格编码等。
解压缩与解码
对压缩后的数据进行解压缩和解码，以恢复 原始数据。
03
空间数据基本处理
地图数字化
地图数字化是将纸质或实物地 图转换为数字格式的过程，便 于计算机处理和地理信息系统
将不同时间点的数据进行融合，以获得时 间序列数据或动态数据。
空间数据融合
特征提取与融合
将不同空间范围或不同分辨率的数据进行 融合，以提高空间数据的覆盖范围和精度 。
从多源数据中提取共同特征并进行融合， 以实现特征匹配和识别。
数据压缩与编码
数据压缩
通过算法减少数据的大小，以节省存储空间 和提高传输效率。
城市绿地规划
通过空间数据处理，分析城市绿 地分布、植被覆盖等信息，为城 市绿地规划和生态保护提供科学 依据。
地图投影
地图投影是将地球表面信息转换为平面地图的过程，是地理信息系统中的重要技术之一。
地图投影有多种类型，包括等角投影、等面积投影、任意投影等，选择合适的投影方式对于 地图的准确性和可视化效果至关重要。
地图投影需要注意保持地理信息的完整性和准确性，避免因投影转换造成信息损失或失真。
编码参数设置
根据实际情况调整编码参数，以获得最佳的 压缩效果和精度。
编码方式选择
根据数据的性质和应用需求选择合适的编码 方式，如矢量编码、栅格编码等。
解压缩与解码
对压缩后的数据进行解压缩和解码，以恢复 原始数据。
03
空间数据基本处理
地图数字化
地图数字化是将纸质或实物地 图转换为数字格式的过程，便 于计算机处理和地理信息系统
将不同时间点的数据进行融合，以获得时 间序列数据或动态数据。
空间数据融合
特征提取与融合
将不同空间范围或不同分辨率的数据进行 融合，以提高空间数据的覆盖范围和精度 。
从多源数据中提取共同特征并进行融合， 以实现特征匹配和识别。
数据压缩与编码
数据压缩
通过算法减少数据的大小，以节省存储空间 和提高传输效率。
城市绿地规划
通过空间数据处理，分析城市绿 地分布、植被覆盖等信息，为城 市绿地规划和生态保护提供科学 依据。
三维GISppt课件
A a,c,f
a 23
1 43 0
B a,b,e
b 34
2 24 0
C b,d,f
c 12
3 10 3 0
D c,d,e
d 14
4 11 5 5
三角形
线
节点
图7.3 四面体格网及其数据结构
•BEA Confidential. | 9
1 Grid
Grid是用一组大小相同的网格描述地形表面。
Grid
Advantage
点插值法
图7.4 Grid生成算法 •BEA Confidential. | 11
1 根据已知点计算新的 2 算法简单，精度较好，
适用面广。
7.1.2 面模型
• 1. Grid
图7.5 两种Grid的计算方法 •BEA Confidential. | 12
7.1.2 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7.6所示。
Ⅴ
1 151238
Ⅴ
2 373516
八叉树文件存储结构
地址 键值
级
1
1
地理信息系统与空间分析技术培训ppt
空间优化
基于地理信息进行资源分配、路 径规划等优化问题求解。
空间预测
利用历史数据和趋势分析预测未 来地理现象，如城市发展、灾害
风险等。
05
实际应用案例分析
城市规划与土地利用分析
城市扩张与蔓延分析
利用地理信息系统技术，对城市扩张和蔓延进行监测，为城市规 划提供决策依据。
土地利用变化检测
通过对比不同时期的卫星遥感数据，检测土地利用变化情况，评估 土地利用政策实施效果。
特点
GIS具有强大的空间数据处理能力 ，能够整合不同来源和类型的地 理数据，提供直观的地图展示和 丰富的空间分析功能。
Biblioteka Baidu
GIS的应用领域
01
02
03
04
自然资源管理
包括土地资源、森林资源、水 资源等的管理和规划。
城市规划与建设
GIS用于城市空间布局、交通 规划、环境监测等方面。
灾害应急响应
GIS用于灾害预警、应急响应 、灾后评估等，提高救援效率
城市空间布局优化
基于空间分析技术，对城市空间布局进行优化，提高城市功能区的 合理性和可持续性。
环境保护与生态监测
生态保护区划定
01
利用地理信息系统技术，划定生态保护区域，制定相应的保护
措施和管理政策。
环境污染监测
02
通过地理信息系统和遥感技术，实时监测环境污染状况，为环
gis课件
污染治理
通过GIS技术对环境污染源 进行定位和监测，为污染 治理提供科学依据和支持 。
自然资源管理
利用GIS技术对自然资源进 行调查、评估和规划，实 现自然资源的有效管理和 可持续利用。
交通出行领域应用案例
交通规划
利用GIS技术对城市交通网络进 行规划，提高交通运行效率和安
全性。
公共交通管理
通过GIS技术对公共交通线路、 站点等进行优化和管理，提高公
3
社会治理领域
利用GIS技术对社会治理数据进行采集、分析和 可视化，提高社会治理的效率和精细化程度。
06
GIS发展趋势与挑战应对 策略
GIS技术发展趋势预测
GIS将与物联网、大数据、人工智能等更 多先进技术融合，形成更加综合、智能 的空间信息管理系统。
3D和4D可视化技术将更加成熟，GIS的 视觉表现将更加丰富和立体。
空间关系
空间关系是GIS中的重要概念，包括拓扑关系、方向关系、距离关系等。拓扑关 系是指空间对象之间的连接和邻接关系，方向关系则是指空间对象之间的方向 性，距离关系则是指空间对象之间的距离。
空间分析方法及应用
空间分析方法
空间分析是GIS的核心功能之一，包括空间 查询、空间统计、空间模拟等。空间查询能 够根据属性数据和空间数据进行查询和检索 ；空间统计能够对空间数据进行统计分析； 空间模拟则能够对地理现象进行模拟和分析 。
三维GIS课件-三维城市模型数据的生产工艺与质量控制
地 质
7
中国地质大学（武汉）信息工程学院
三维城市模型数据生产的内容包括数字地面模型 （Digital Elevation Model，简称DEM）、数字正射 影像（Digital Orthoimage Map，简称DOM）、城市 固定地物的三维模型数据（3D City Model Data，简 称CMD）、材质、纹理和相关的多媒体属性数据。
多 媒 体 属 性 数 据
三维城市景观模型
三维城市建模流程图
三维城市模型数据生产计划
中国地质大学（武汉）信息工程学院
确定数据内容及其细节程度 通过集体研究，确定对总的目标真正最重要的有限事物， 进而对需要三维建模的地物进行分类并设计每类地物应 具有的属性数据项内容和结构；
任务分解 对工作区进行分区，并对分区进行命名和编号，便于全 面准确把握、管理整个工作任务。
中国地质大学（武汉）信息工程学院
• 3DMAX目前的主要用途在 制作动画方面，由于它的 交换格式3ds文件能有效 的描述大多数三维模型， 所以已经很多软件都支持 这种格式，有的还把 3DMAX模型作为自己的主 要数据源。但3DMAX模型 没有属性信息，也不支持 自动建模。
中国地质大学（武汉）信息工程学院
36
地物类创建与多媒体属性数据生产
中国地质大学（武汉）信息工程学院
•逼真三维几何模型不是真正意义上的地物实体对象 •需要进一步根据实地调绘资料确定各个几何对象之 间的关系，将属于一个特定实体对象的所有几何对 象组合成一个特征地物。 •一般地物直接根据实际情况进行组合即可，对一些 不需要严格区分的地物，可将多个明显不同的几何 对象组合成一个特征地物，其整体属性以适当信息 说明。
arcgis3D模型数据获取与处理
2.6.3D模型数据获取与处理
2.6.1.概述
3D模型数据（主要是城市建筑物）是建立数字城市主要的组成部分。目前最常用
三维建筑物模型的建模方法可以分为以下三类：
（1）基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及高度
辅助数据经济快速建立盒状模型；
（2）基于图像的方法，利用近景、航空与遥感图像建立包括顶部细节在内的逼真
表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高；
（3）基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数
据建立几何表面模型。
基于已有二维GIS数据的简单建模方法具有成本低、自动化程度高的优点，在某些需要快速建立三维模型的领域也有着广泛的应用，这也是现有大多数二维GIS提供三维能力的最主要方式；基于CAD的人机交互式建模方法将继续被用于一些复杂人工目标的全三维逼真重建；基于遥感影像和机载激光扫描的方法适用于大范围三维模型数据获取、车载数字摄影测量方法适用于走廊地带建模、地面摄影测量方法和近距离激光扫描方法则适用于复杂地物精细建模等等。其中，基于影像和机载激光扫描系统的三维模型获取方法能够适用于在大范围地区快速获取地面与建筑物的几何模型和纹理细节，虽然现有技术在很大程度上还依赖人工辅助，但这无疑是最有潜力的三维模型数据自动获取技术之一。
建筑物数据获取
城市建筑物建立三维模型需要三种基础数据：建筑物平面数据、建筑物高度数据、建筑物表面纹理数据。
2.6.2.1.建筑物平面数据的获取
建筑物的平面数据主要指的是建筑物在俯视图中投影到地平面的轮廓数据（如图2.5.2-1）
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东华理工大学 吴静
◼ 原理容易理解，算法的实现也比较简单， 但大部分时间都是在大量离散数据点中 搜寻给定基线符合要求的邻域点，而且 每次找点都要遍历整个离散数据点，极 大地降低了构网速度。
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递归生长算法的扩展：角度判别法建立TIN 1、将原始数据分块，以便检索所处理三角形 邻近的点，而不必检索全部数据。 数据分块方法：将整个区域分成等间隔的格 网，然后将数据点按格网存贮 。
❖ 作业
❑1、简述点在多边形内的判断方法。 ❑2、简述多边形拓扑关系的自动建立。 ❑3、面矢量数据向栅格数据转换方法有几种，以边
界代数法进行简述。
东华理工大学 吴静
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◼ ( 2)定位三角形:从点集中取出一点,在己 建立的三角网中找到包含该点的三角形， 如图1 ( a) 。
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◼ ( 3)确定影响域:从包含该点的三角形开始， 依据三角形记录的拓扑信息利用空外接 圆检测，找出外接圆包含当前插入点的 三角形集，三角形集的外边界即是要寻 找的影响域，如图1 (b)。
◼ ( 6)返回第二步，直至所有的节点都加入 为止。
东华理工大学 吴静
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本章重点与作业
❖ 重点
❑掌握空间数据处理的方法,重点包括:曲线简化、点 在多边形内判断、数据检查与清理的概念、多边形 拓扑关系的自动建立、图幅接边的内容、矢量数据 与栅格数据相互转换方法
❑了解曲线拟合、图形裁剪、空间内插的概念与分类
◼ 一点到基边的张角最大
东华理工大学 吴静
3. 最大最小角准则 在两相邻三角形形成的凸四边形中，这两三角 形中的最小内角一定大于交换凸四边形对角线 后所形成的两三角形的最小内角。
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一般而言，应尽量保持三角网的唯一性，即在 同一准则下，由不同的位置开始建立三角形网 络，其最终的形状和结构应该是相同的。
B
C
F ( X ,Y ) F ( X 3,Y3 ) 0
备选扩展点
在这些可能被扩展的点中，找出对扩展边张角最 大的点，就是要扩展的点。
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• 重复与交叉的检测。任意一边最多只能是两个 三角形的公共边。 记下每一边扩展的次数，若有一条边用过两次， 则此次扩展无效。
东华理工大学 吴静
形成第一个三角形
三角化
附加高程
不规则分布数据点 东华理工大学 吴静
TIN的特点
具有可变分辨率，也就是说在地形变化复 杂的地方，数据点分布比较密，三角形形 状较小且密集，而在地形变化平缓的地方， 数据点稀疏，三角形大且稀疏。
东华理工大学 吴静
二、TIN的三角剖分准则
对于平面上n个离散点，其平面坐标为(xi，yi)， i＝1，2，…，n，将其中的三点构成最佳三角形， 使每个离散点都成为三角形的顶点。
东华理工大学 吴静
在TIN中，对三角形的几何形状有严格的要求： ⚫ 尽量接近正三角形； ⚫ 保证最近的点形成三角形； ⚫ 三角形网络是唯一的；
东华理工大学 吴静
1. 空外接圆准则 在TIN中，过每个三角形的外接圆均不包 含点集中的其余任何点。
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◼ 2. 张角最大准则(最小距离和准则)即顶点 到基边两端点的距离和为最小。这样产 生的三角形具有严格的空椭圆特点，即 在以基边的两个端点为节点，以顶点到 节点的距离和为限制的椭圆范围内不存 在其他数据点。
东华理工大学 吴静
逐点插入算法的基本步骤可归纳为：
◼ ( 1)建立初始三角网 ◼ ( 2)定位三角形 ◼ ( 3)确定影响域 ◼ ( 4)影响域内的三角网重构 ◼ ( 5)调整数据结构 ◼ ( 6)返回第二步，直至所有的节点都加入
为止。
东华理工大学 吴静
◼ (1)建立初始三角网:求出给定点集的包容 盒BOX (Xmin, Ymin, Xmax, Ymax)， 将包容盒沿对角线剖分为两个初始三角 形，然后按以下步骤迭代，直到所有的 数据点被处理。
数学形态算法
VIPs算法 循环迭代算法 层次三角形算法
特征线算法 探测优化算法
东华理工大学 吴静
一、三角网生长算法
三角网生成算法就是从一个“源”开始，逐步 形成覆盖整个数据区域的三角网。
从生长过程角度看，可以分为： ⚫ 收缩生长算法
先形成整个数据域的数据边界（凸壳），并 以此为源头，逐步缩小以形成整个三角形。 ⚫ 扩张（递归）生长算法 从一个三角形开始向外层层扩展，最终形成 覆盖整个区域的三角网。
第五章 空间数据处理
东华理工大学 吴静
本章内容：
1. 空间数据处理的基本算法 2. 图形编辑的主要内容 3. 拓扑关系的建立 4. 图形裁剪与合并 5. 图幅接边 6. 坐标变换 7. 地图投影 8. 矢量栅格数据的转换 9. 三维空间数据的处理 本章重点与作业
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9. 三维空间数据处理
边的另外两个Delaunay三角形的第3 端点 ❑依次循环处理所有的新边，直到所 有离散点均成为D-TIN的端点
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二、逐点插入法
是一种动态构网过程，新的插入点会导致 已有三角网的改变。
其基本思想为:先在包含所有数据点的一个 多边形中建立初始三角网，然后将余下的点逐 一插入，采用LOP算法或Watson的空外接圆算 法优化确保其成为D-三角网。
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三角网生长算法的基本步骤: ◼ 首先从所采集的离散点集V中选择任意点P1
作为起始点，查找距离此点最近的点P2， 然后连接P1P2作为基线; ◼ 在基线的右边应用Delaunay法则（空外接 圆准则或张角最大准则）搜寻第三点生成 Delaunay三角形; ◼ 以三角形的两条新边(从基线起始点到第三 点及第三点到基线终点)作为新的基线; ◼ 重复该过程直至所有的基线处理完毕。
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一、基本概念 不规则三角网（Triangulated Irregular Network ），简称TIN，是将离散采样点按 一定的规则连接成覆盖整个研究区域的互不 交叉、互不重叠的三角形网来表示地形表面 。
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TIN形成的基本思路
考虑到各种测量手段所获取的数据一般具有单 值性的特点或者可以分片处理，所以将三维数据点 投影至平面上构建三角剖分，然后在三角形的顶点 叠加上所对应的高程值，从而形成空间三角形平面。
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C3
cos Ci
=
ai2
+ bi2 − c2 2ai bi
A
C = maxCi
C2 C1
与A点距 离最近的
点
B
则C为该三角形
第三顶点
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3.扩展形成三角网
由第一个三角形向外扩展，将全部离散点构 成三角网，并保证三角网中没有重复和交叉 的三角形。
方法：对每一个已生成的三角形的新增加的 两边，按角度最大的原则向外进行扩展，并 进行是否重复的检测。
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◼ ( 4)影响域内的三角网重构:删除影响域内 的三角形，依据Delaunay准则，在影响 域内重新联网。方法很简单，只需将影 响域的各边界与当前插入点顺次连接(如 图1c)，所得三角化结果即为D-三角网。
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◼ ( 5)调整数据结构，新生成三角形的数据 先填充被删除三角形的数据，余者添加 在数组尾部；
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扩展生成第二个三角形
直接建立狄洛尼三角网
❑首先找出离散点集中相距最短的两 点，连接两点成为D-TIN的初始基线
❑然后按D-TIN的判断法则找出包含此 基线的Delaunay三角形的第3端点， 该端点位于基线右测
❑连接新点与原来两点形成两条新边 ❑再按D-TIN的判断法则找出包含此两
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2. 生成初始三角形。 在数据中任取一点A，该点一般位于数据点的 几何中心附近，寻找距离此点最近的点B，两者 相连构成初始基线AB。利用空外接圆准则或张 角最大准则，在数据中寻找第三个点C，从而 形成第一个Delaunay三角形ABC。
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如，采用张角最大准则
( ) cos C = a2 + b2 − c2 2ab
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• 向外扩展的处理。若从顶点为A(X1,Y1), B(X2,Y2), C(X3,Y3)的三角形之AB边向外扩展， 应取位于直线AB与C异侧的点
AB直线方程为
A
F(X ,Y) = (Y2 −Y1)(X − X1) − (X2 − X1)(Y −Y1) = 0
若备选点C之坐标为（X，Y）
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三、Delaunay三角剖分 在空外接圆准则、最大最小角准则下进行
的三角剖分，简称为DT。
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DT三角剖分的特性： ⚫ 最接近：以最近邻的三点形成三角形，且各
线段(三角形的边)皆不相交。 ⚫ 可最大限度避免狭长三角形的出现； ⚫ 不管从何处开始构成，都能保持三角网络的
唯一性。 ⚫ 具有凸多边形的外壳：三角网最外层的边界形
成一个凸多边形的外壳。
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四、局部优化处理（ LOP ）
在任何三角剖分准则下得到的TIN，只要用 LOP（Local optimal procedure，局部优化过程） 法则进行优化处理，就能得到唯一的DT三角网 络。
基本思路:运用DT三角网的空外接圆性质对两个 有公共边的三角形组成的四边形进行判断，如果 其中一个三角形的外接圆中含有第四个顶点，则 交换四边形的对角线。
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不需要交换 需要交换
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❖9.2 TIN的建立
数据分布 不 规 则 分 布 数 据
规则分布数 据
沿等高线分 布数据
表 TIN三角化算法分类
算法
DT
三 角
直接DT
剖
分
间接DT
三角网生长法 空外接圆法 逐点插入算法 分割合并算法
辐射扫描法
源自文库
模拟退火算法
➢ 三维空间数据模型应用于地表的高程值、降雨量、土 壤的酸碱度等
➢ 三维空间数据模型可用规则和不规则三角网表达 ➢ 规则格网涉及到格网点属性值的内插 ➢ 不规则三角网涉及到构网
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❖9.1 不规则三角构网 ❖9.2 TIN的建立
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❖9.1 不规则三角构网
一、基本概念 二、TIN的三角剖分准则 三、Delaunay三角剖分 四、局部优化处理（ LOP ）
◼ 原理容易理解，算法的实现也比较简单， 但大部分时间都是在大量离散数据点中 搜寻给定基线符合要求的邻域点，而且 每次找点都要遍历整个离散数据点，极 大地降低了构网速度。
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递归生长算法的扩展：角度判别法建立TIN 1、将原始数据分块，以便检索所处理三角形 邻近的点，而不必检索全部数据。 数据分块方法：将整个区域分成等间隔的格 网，然后将数据点按格网存贮 。
❖ 作业
❑1、简述点在多边形内的判断方法。 ❑2、简述多边形拓扑关系的自动建立。 ❑3、面矢量数据向栅格数据转换方法有几种，以边
界代数法进行简述。
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◼ ( 2)定位三角形:从点集中取出一点,在己 建立的三角网中找到包含该点的三角形， 如图1 ( a) 。
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◼ ( 3)确定影响域:从包含该点的三角形开始， 依据三角形记录的拓扑信息利用空外接 圆检测，找出外接圆包含当前插入点的 三角形集，三角形集的外边界即是要寻 找的影响域，如图1 (b)。
◼ ( 6)返回第二步，直至所有的节点都加入 为止。
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本章重点与作业
❖ 重点
❑掌握空间数据处理的方法,重点包括:曲线简化、点 在多边形内判断、数据检查与清理的概念、多边形 拓扑关系的自动建立、图幅接边的内容、矢量数据 与栅格数据相互转换方法
❑了解曲线拟合、图形裁剪、空间内插的概念与分类
◼ 一点到基边的张角最大
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3. 最大最小角准则 在两相邻三角形形成的凸四边形中，这两三角 形中的最小内角一定大于交换凸四边形对角线 后所形成的两三角形的最小内角。
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一般而言，应尽量保持三角网的唯一性，即在 同一准则下，由不同的位置开始建立三角形网 络，其最终的形状和结构应该是相同的。
B
C
F ( X ,Y ) F ( X 3,Y3 ) 0
备选扩展点
在这些可能被扩展的点中，找出对扩展边张角最 大的点，就是要扩展的点。
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• 重复与交叉的检测。任意一边最多只能是两个 三角形的公共边。 记下每一边扩展的次数，若有一条边用过两次， 则此次扩展无效。
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形成第一个三角形
三角化
附加高程
不规则分布数据点 东华理工大学 吴静
TIN的特点
具有可变分辨率，也就是说在地形变化复 杂的地方，数据点分布比较密，三角形形 状较小且密集，而在地形变化平缓的地方， 数据点稀疏，三角形大且稀疏。
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二、TIN的三角剖分准则
对于平面上n个离散点，其平面坐标为(xi，yi)， i＝1，2，…，n，将其中的三点构成最佳三角形， 使每个离散点都成为三角形的顶点。
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在TIN中，对三角形的几何形状有严格的要求： ⚫ 尽量接近正三角形； ⚫ 保证最近的点形成三角形； ⚫ 三角形网络是唯一的；
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1. 空外接圆准则 在TIN中，过每个三角形的外接圆均不包 含点集中的其余任何点。
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◼ 2. 张角最大准则(最小距离和准则)即顶点 到基边两端点的距离和为最小。这样产 生的三角形具有严格的空椭圆特点，即 在以基边的两个端点为节点，以顶点到 节点的距离和为限制的椭圆范围内不存 在其他数据点。
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逐点插入算法的基本步骤可归纳为：
◼ ( 1)建立初始三角网 ◼ ( 2)定位三角形 ◼ ( 3)确定影响域 ◼ ( 4)影响域内的三角网重构 ◼ ( 5)调整数据结构 ◼ ( 6)返回第二步，直至所有的节点都加入
为止。
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◼ (1)建立初始三角网:求出给定点集的包容 盒BOX (Xmin, Ymin, Xmax, Ymax)， 将包容盒沿对角线剖分为两个初始三角 形，然后按以下步骤迭代，直到所有的 数据点被处理。
数学形态算法
VIPs算法 循环迭代算法 层次三角形算法
特征线算法 探测优化算法
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一、三角网生长算法
三角网生成算法就是从一个“源”开始，逐步 形成覆盖整个数据区域的三角网。
从生长过程角度看，可以分为： ⚫ 收缩生长算法
先形成整个数据域的数据边界（凸壳），并 以此为源头，逐步缩小以形成整个三角形。 ⚫ 扩张（递归）生长算法 从一个三角形开始向外层层扩展，最终形成 覆盖整个区域的三角网。
第五章 空间数据处理
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本章内容：
1. 空间数据处理的基本算法 2. 图形编辑的主要内容 3. 拓扑关系的建立 4. 图形裁剪与合并 5. 图幅接边 6. 坐标变换 7. 地图投影 8. 矢量栅格数据的转换 9. 三维空间数据的处理 本章重点与作业
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9. 三维空间数据处理
边的另外两个Delaunay三角形的第3 端点 ❑依次循环处理所有的新边，直到所 有离散点均成为D-TIN的端点
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二、逐点插入法
是一种动态构网过程，新的插入点会导致 已有三角网的改变。
其基本思想为:先在包含所有数据点的一个 多边形中建立初始三角网，然后将余下的点逐 一插入，采用LOP算法或Watson的空外接圆算 法优化确保其成为D-三角网。
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三角网生长算法的基本步骤: ◼ 首先从所采集的离散点集V中选择任意点P1
作为起始点，查找距离此点最近的点P2， 然后连接P1P2作为基线; ◼ 在基线的右边应用Delaunay法则（空外接 圆准则或张角最大准则）搜寻第三点生成 Delaunay三角形; ◼ 以三角形的两条新边(从基线起始点到第三 点及第三点到基线终点)作为新的基线; ◼ 重复该过程直至所有的基线处理完毕。
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一、基本概念 不规则三角网（Triangulated Irregular Network ），简称TIN，是将离散采样点按 一定的规则连接成覆盖整个研究区域的互不 交叉、互不重叠的三角形网来表示地形表面 。
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TIN形成的基本思路
考虑到各种测量手段所获取的数据一般具有单 值性的特点或者可以分片处理，所以将三维数据点 投影至平面上构建三角剖分，然后在三角形的顶点 叠加上所对应的高程值，从而形成空间三角形平面。
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C3
cos Ci
=
ai2
+ bi2 − c2 2ai bi
A
C = maxCi
C2 C1
与A点距 离最近的
点
B
则C为该三角形
第三顶点
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3.扩展形成三角网
由第一个三角形向外扩展，将全部离散点构 成三角网，并保证三角网中没有重复和交叉 的三角形。
方法：对每一个已生成的三角形的新增加的 两边，按角度最大的原则向外进行扩展，并 进行是否重复的检测。
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◼ ( 4)影响域内的三角网重构:删除影响域内 的三角形，依据Delaunay准则，在影响 域内重新联网。方法很简单，只需将影 响域的各边界与当前插入点顺次连接(如 图1c)，所得三角化结果即为D-三角网。
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◼ ( 5)调整数据结构，新生成三角形的数据 先填充被删除三角形的数据，余者添加 在数组尾部；
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扩展生成第二个三角形
直接建立狄洛尼三角网
❑首先找出离散点集中相距最短的两 点，连接两点成为D-TIN的初始基线
❑然后按D-TIN的判断法则找出包含此 基线的Delaunay三角形的第3端点， 该端点位于基线右测
❑连接新点与原来两点形成两条新边 ❑再按D-TIN的判断法则找出包含此两
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2. 生成初始三角形。 在数据中任取一点A，该点一般位于数据点的 几何中心附近，寻找距离此点最近的点B，两者 相连构成初始基线AB。利用空外接圆准则或张 角最大准则，在数据中寻找第三个点C，从而 形成第一个Delaunay三角形ABC。
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如，采用张角最大准则
( ) cos C = a2 + b2 − c2 2ab
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• 向外扩展的处理。若从顶点为A(X1,Y1), B(X2,Y2), C(X3,Y3)的三角形之AB边向外扩展， 应取位于直线AB与C异侧的点
AB直线方程为
A
F(X ,Y) = (Y2 −Y1)(X − X1) − (X2 − X1)(Y −Y1) = 0
若备选点C之坐标为（X，Y）
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三、Delaunay三角剖分 在空外接圆准则、最大最小角准则下进行
的三角剖分，简称为DT。
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DT三角剖分的特性： ⚫ 最接近：以最近邻的三点形成三角形，且各
线段(三角形的边)皆不相交。 ⚫ 可最大限度避免狭长三角形的出现； ⚫ 不管从何处开始构成，都能保持三角网络的
唯一性。 ⚫ 具有凸多边形的外壳：三角网最外层的边界形
成一个凸多边形的外壳。
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四、局部优化处理（ LOP ）
在任何三角剖分准则下得到的TIN，只要用 LOP（Local optimal procedure，局部优化过程） 法则进行优化处理，就能得到唯一的DT三角网 络。
基本思路:运用DT三角网的空外接圆性质对两个 有公共边的三角形组成的四边形进行判断，如果 其中一个三角形的外接圆中含有第四个顶点，则 交换四边形的对角线。
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不需要交换 需要交换
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❖9.2 TIN的建立
数据分布 不 规 则 分 布 数 据
规则分布数 据
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算法
DT
三 角
直接DT
剖
分
间接DT
三角网生长法 空外接圆法 逐点插入算法 分割合并算法
辐射扫描法
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➢ 三维空间数据模型应用于地表的高程值、降雨量、土 壤的酸碱度等
➢ 三维空间数据模型可用规则和不规则三角网表达 ➢ 规则格网涉及到格网点属性值的内插 ➢ 不规则三角网涉及到构网
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❖9.1 不规则三角构网 ❖9.2 TIN的建立
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❖9.1 不规则三角构网
一、基本概念 二、TIN的三角剖分准则 三、Delaunay三角剖分 四、局部优化处理（ LOP ）