三维GIS-三维GIS空间模型
SuperMap GIS 9D
SuperMap GIS 9D(2019)新特性速览，精彩不容错过——三维篇三维数据模型及三维空间运算●三维数据模型新一代三维GIS技术拓展了二三维一体化数据模型，融合了倾斜摄影、BIM、激光点云等多源异构数据，如图1展示了倾斜摄影模型与道路数据融合匹配的效果。
图1：倾斜摄影模型与道路数据融合匹配新增了不规则四面体网格和体元栅格。
用户可使用三维点集快速构建不规则四面体网格，不规则四面体网格支持插值得到体元栅格。
不规则四面体网格和体元栅格通常用于表达矿床和各种三维场（后者如无线通讯场、温度场、风场等）。
比如空气污染，可根据污染程度进行动态过滤，如图2所示；同时体元栅格支持从不同方向进行动态剖切，如图3所示。
图2：体元栅格按值范围动态过滤（空气污染）图3：体元栅格动态剖切（空气污染）●三维空间运算无论是空间查询、空间运算还是空间分析功能，我们往往需要同时考虑在二维和三维层面上的支持，可以说基于二三维一体化的数据模型，是SuperMap新一代三维GIS技术的坚固基石。
SuperMap GIS 9D(2019)系列产品全面支持三维空间查询、空间运算和空间分析。
云GIS 应用服务器SuperMap iServer 9D(2019)中新增了对三维模型数据集的空间关系查询功能、基于几何对象的三维布尔运算功能、对三维模型数据集的降维计算等等；同时，三维客户端也同步提供了对接服务端三维空间查询、运算、分析功能的接口。
轻量级全功能的“零客户端”三维产品SuperMap GIS 9D(2019)全面丰富了轻量级全功能的“零客户端”三维产品SuperMap iClient3D for WebGL的性能和功能，主要包括：降低了内存和显存占用，支持基于三维实体对象的三维空间查询、三维运算及分析功能；支持对接NetCDF数据格式，以粒子特效方式显示风场运动。
图4：NetCDF数据表达风场运动支持体元栅格附着到建筑物表面，用来模拟表达通讯信号强度等三维场效果。
1三维GIS整体介绍
1三维GIS整体介绍三维地理信息系统（3DGIS）是一种能够以三维形式呈现地理信息的技术和工具。
它借助计算机技术和地理信息系统的理论与方法，将地球表面上的地理现象以立体形式进行模拟和展示，从而提供全新的视觉化和交互式的空间分析和决策支持。
三维GIS具有以下几个特点：1.空间数据模拟：三维GIS能够以高精度和高真实感的方式模拟地球表面上的地理现象。
它可以将地形、地下管网、建筑物、植被等各种空间要素以三维模型的方式进行展示，使用户能够更好地理解和认知地理空间关系。
2.空间分析功能：三维GIS提供一系列的空间分析功能，如可视域分析、遮挡分析、剖面分析等。
这些功能可以帮助用户从多个角度和维度对地理现象进行研究和分析，发现潜在的规律和问题。
4.可视化展示和表达：三维GIS通过丰富多样的可视化方式，将地理信息以直观生动的形式进行展示。
用户可以通过漫游、放大、缩小等操作，探索和感知地理空间的特征和细节，提高对空间信息的理解和认知。
三维GIS在许多领域都有广泛的应用，如城市规划、环境保护、交通管理、灾害预防等。
在城市规划中，三维GIS可以帮助规划师更好地理解城市的空间布局和形态，评估规划方案的可行性和影响。
在环境保护方面，三维GIS可以监测和分析环境污染源的分布和扩散情况，优化环境管理和治理措施。
在交通管理中，三维GIS可以模拟和分析交通流量，提供实时交通信息和路线规划服务。
在灾害预防中，三维GIS可以模拟和预测灾害风险，指导灾害应对和减灾工作。
总之，三维GIS是一种强大的技术和工具，可以帮助我们更好地理解和管理地理空间。
它能够以真实感和可视化的方式展示地理信息，提供丰富多样的空间分析和决策支持功能。
随着技术的不断发展，三维GIS将在更多领域发挥重要作用，为我们的生活和工作带来更多的便利和效益。
三维GIS数据模型及应用研究
体模 型建立和 分析功 能上存在 不足 。建立 怎样的实体 模型
来描 述不 规则的三 维地质 实体， 是三维Ｇ Ｓ 论本身及 其在 Ｉ理 地学 中应用研究中亟待解决的 问题。 模 型 是对 现 实 世 界 中事 物 或现 象 的 简化 、抽象 和 模 拟， 它建立 在人们对 事物 或现象认 识 的基 础之上 ， 同时又是 进一 步获取客 观规律 的方法和 手段 。不 同的模型反 映了人 们不 同的认识 观念 、应用 目的和 分析方法 。Ｇ Ｓ Ｉ 数据模型是 对地球表层 中空间信息的简化 、抽象 和模拟 。在二维Ｇ Ｓ Ｉ 建
据 模 型 （ｙｒ ｄ ｏ ｅ ） 分 析 型 数 据 模 型 （ｎ ｌ ｔｃ ｌ ｈ ｂ ｉ ｍ ｄ １和 ａ ａ ｙ ｉａ ｍ ｄ １４ 类 型 。 ｏｅ）种
地 学信息进 行集成 管理 、综 合分析 解释 以及 快速建 立与实 现模 型的有 力工具 ， 但它 的主要应 用还停 留在二 维阶段 ， 即 处理 的对 象是地球表面 的数据， 或者先将地 表以下的信息投 影 到地表 ， 然后 再进行 处理 。当前， 无论 空间实体 由有 限个面 组成 ，每 个面
由有 限条边 围成 ，每条边 由起点和 终点定 义。该方法 直接 给 出了空间实体 的边界描述 ，有利 于 图形 生成和几何特 性 的计算 ，但 难 以精 确表达 带有 曲面 的空 间实体 ，缺乏对 三 维 实体 内部信 息 的描述 。３ Ｆ Ｓ Ｄ Ｄ 模型 基于 二维 拓 扑数据 结 构 ，定义 了结 点 （ ｏ ｅ Ｎ ｄ ）、弧段 （ ｒ ）、边 （ ｄ ｅ Ａｃ Ｅ ｇ ）、面
模 中 ， 间信 息 按 照 分 层 聚 类 的思 想 进 行 组 织 ， 一 层 中 是 空 同
一
３ＦＳ Ｄ Ｄ 模型 （ Ｄ Ｆ ｒ ａ ａ ａ Ｓｒ ｃｕ ｅ ３ ｏ ｍ ｌ Ｄ ｔ ｔ ｕ ｔ ｒ ）和基于表 面三角 形 剖分 的模 型等 。边 界表 示法基于 空 间实 体的有 限组成 来
GIS名词解释
GIS名词解释GIS（地理信息系统）名词解释地理信息系统（Geographic Information System），简称GIS，是一种集成了空间数据获取、存储、管理、分析和可视化等功能的计算机系统。
它旨在帮助人们更好地理解和利用地理信息，包括地理位置、地形、地势、气候、人口、资源等各种地理现象和现实问题。
GIS的核心概念是“地理”。
地理信息系统将地理信息与空间位置相关联，通过电子化的方式进行存储、处理和展示。
利用GIS，人们可以通过空间分析和地理建模来解决空间问题、制定规划、辅助决策、优化资源利用、提升生活质量等。
在GIS中，有许多重要的名词需要解释和理解。
1. 空间数据（Spatial Data）：指以空间位置为基础的数据，可以表示为二维或三维的矢量数据或栅格数据。
空间数据是GIS的基本组成部分，包括点、线、面等几何要素及其属性信息。
2. 数据采集（Data Collection）：是指获取和收集地理信息数据的过程。
常见的数据采集方法包括GPS定位、数字化、遥感技术等。
数据采集的质量、准确性和全面性直接影响到GIS分析和决策的结果。
3. 数据存储（Data Storage）：是指将采集到的地理信息数据存储在计算机系统中的过程。
常见的数据存储形式包括数据库、文件系统和云存储等。
4. 数据管理（Data Management）：是指对地理信息数据进行组织、分类、存储、更新、查询和维护等操作的过程。
数据管理旨在提高数据的可访问性、有效性和一致性，确保数据的完整性和安全性。
5. 空间分析（Spatial Analysis）：是指对空间数据进行操作、计算和分析，以发现地理模式、相互关系和隐含规律。
常见的空间分析方法包括缓冲区分析、叠置分析、网络分析、地形分析等。
6. 地理可视化（Geovisualization）：是指通过图形化的方式将地理信息呈现给使用者。
地理可视化可以是简单的静态地图，也可以是交互式的动态地图、三维场景或虚拟现实等形式。
GIS三维分析
要素的立体显示
要素数据与表面数据的不同之处在于，要素数据描 述的是离散的对象如点对象、线对象、面对象（多 边形）等
在三维场景中显示要素的先决条件是要素必须被以 某种方式赋予高程值或其本身具有高程信息。
要素的三维显示主要有两种方式：
1）具有三维几何的要素，在其属性中存储有高程值，可 以直接使用其要素几何中或属性中的高程值，实现三维 显示；
4
1.创建表面
表面模型：
规则空间格网模型（栅格模型） 不规则三角网模型（TIN模型）
创建表面的主要方法：
插值法 三角测量法
栅格表面和TIN表面的相互转换
5
规则空间格网模型
通常用正方形，或矩形、三角 91 78 63 50 53 63 44 55
形等规则格网将区域空间切分 为规则的格网单元，每个格网 94 81 64 51 57 62 50 60
离散点转换成TIN 格网转换成TIN 等高线转换成格网 DEM空间内插
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不规则点集生成TIN
最常用的是Delaunay 三角剖分方法 (Delaunay,1934)。
对于给定点集P， Delaunay三角网具有如 下特性：
(1)Delaunay网是唯一的； (2)任何三角形外接圆都
DTM的数据采集 数据源决定采集方法： （1）航空或航天遥感图像为数据源 （2）以地形图为数据源 （3）以地面实测记录为数据源 （4）其它数据源
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利用航片建立DEM
左航片
全数字摄影测量
右航片
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DEM
数字高程模型——表示方法
规则格网（GRID）表示法 等高线模型 不规则三角网(TIN)表示法 离散点表示法 数学分块曲面表示法
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三维GIS系统框架模型
看 ， 量 数 据 主 要 是 一 种 边 界 表 选方 式 ， 通 过较 低 维 的 边 界 矢 即 来描 述 高 维 的数 据 ｝ 而栅 格 数 据 则是 基 于 几何 空 间的 规 则 分 割 和规 则体 的堆 积 来 表 示物 体 。栅 格 数 据 结 构 主 要有 几 叉 树 ， 而 矢量 数 据结 构 主 要 有单 纯 复型 。 由于 栅 格 数 据 结构 相对 简单 ．
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ３ Ｓ． ｏ ｌｘ ｓｍｐ ｉ ｓ Ｏ ｙ ｒｓ Ｄ ＧＩ ｃ ｍｐ ｅ ｉ ｌ ， ＯＤＢ ｃ ＭＳ． ｐ ｔ ｎ ｅ ［ ｅ ｆ Ｄｅａ ｌ Ｓ ａ ａ Ｉ ｄ ｘ，ｅｃ ｌｏ ｔｉ ｉ ｌ
ｌ 概论
近年 来 ， 理 信 息 系 统 （ Ｉ ） 到 ｒ眭足 的 发 展 ， 内在 二 地 ＧＳ得 国 维 Ｇ Ｓ理 论 、 术及 工程 应 用 等 各 方 面 部取 得 了很 多成 果 。在 Ｉ 技 一维 ＧＳ方 面 ． Ｉ 由于 存 在 诸 多 应 用 可 能及 要求 ． 日前 也 进 行 了
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ： Ｔ ｏ ｓｒ ｃ ｐ ｈ ａ ￣ ３ ＧＩ ｙ ｅ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｍａ ｅ ｅａ ｌｄ ｒ ｖｅ ｏ ｈ ｅ ｅ ｔ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｏ ｏ ｃ ｎ ｔ ｔａ ａ ｐ ｃ ｂ ｕ Ｄ Ｓ ｓ ｓ ｍ ｈｓ ａ ｅ ｋ ｓ ａ ｄ ｔ ｉ ｅ ｉｗ ｆ ｔｅ ｒ ｃ ｎ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆ ｔ ｅ
Ａ ｎ ｒ ｌ Ｍ ｏ ｅ ｆ ３ ＧＩ Ｇｅ ｅ ａ ｄ ｌ ｏ Ｄ Ｓ
Ｌｎ ｏ ｇ ｎ Ｘｉ ｏ ｇ ｏ Ｚｈ ｎ ｗｅ ｅ Ｚｈ ｎ
（ ａｕ ｙ ｏ Ｉｆｒ ｔ ｎ Ｅ ｇｎｅｉｇ Ｃ ｉａ Ｕ ｉｅｓ ｙｏ ｅ ｓｉｎｅ Ｗ ｕ ａ ３ ０ ４ Ｆ ｃ ｈ ｆ ｎｏ ｍａｉ ｎ ｉｅｒ ， ｈｎ ｎｖｒｉ ｆＧ ｏｃｅ ｃ ， ｈｎ ４ ０ ７ ） ｏ ｎ ｔ
超图三维GIS平台介绍ppt课件
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能否支持平面坐标系
• 三维应用中没有真正的平面坐标系 • 所谓平面坐标系都是地方局部坐标系 • 可以请用户协作把数据转换为经纬坐标或投影坐
标（再动态投影到三维球上）
• 类似于ArcScene直接支持“平面坐标”
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能否做类似E都市的2.5D应用
• 好处：有三维的样子，且无需客户端插件，对客户端 机器配置要求低
net6rironpython全新office2007界面22supermapiserver6r二三维一体化的服务式gissupermapiserver6r二维gis全功能服务器发布三维数据与分析功三维web客户端servicegis中首款supermapiclientrealspacesupermapmobileiosipadiphone三维数据发布流程三维模型数三维模型数三维模型数三维模型数据库中统一据库中统一管理管理三维模型三维模型快速导入快速导入三维模型在三维模型在端快速发布端快速发布三维模型在三维模型在webweb端和移动端和移动端快速发布端快速发布三维模型三维模型直接导出直接导出服务器真三维gis平台全系列产品形态与已有二维gis从内核层面的融合支持已有二维gis的各项功能具备gis的思想和功能特性可计算与决策空间分析三维效果和三维体验三维支持已有二维数据支持各类二维空间数据通过sdx直接访问同时访问同步修改二维图形效果在三维上展现支持二维地图直接在三维上显示二维数据三维展现二维编辑三维展现二维地图三维展现三维支持已有二维分析功能空间分析交并差网络分析服务区栅格分析水文分析二维分析三维展现真三维gis平台全系列产品形态与已有二维gis从内核层面的融合支持已有二维gis的各项功能具备gis的思想和功能特性可计算与决策空间分析三维效果和三维体验gis的价值在于使得业务系统gis的价值在于使得业务系统可以为业务人员所使用模型数据入库管理35可加入自定义属性字段可加入自定义属性字段可做复杂的sql查询可做关联查询全部三维数据可全部三维数据可存储于数据库数据更新维护简单36三维模型符号三维线型符号39三维符号综合应用地下管点管三维符号综合应用地下管点管线符号系统一体化填充符号42直观的三维专题图三维空间分析量算分析三维空间分析缓冲区分析三维空间分析剖面分析三维空间分析通视性可视域分析三维空间分析地质分析模型三维空间分析专业模型分析真三维gis平台全系列产品形态与已有二维gis从内核层面的融合支持已有二维gis的各项功能具备gis的思想和功能特性可计算与决策空间分析三维效果和三维体验三维效果粒子系统动画模型模型效果水面效果绚丽的三维效果综合效果绚丽的三维效果粒子系统53动画模型特效真实的模型效果真实的城市夜景三维体验平面小场三维立体显示三维多点三维体感三维性能平面小场景浏览三维立体显示三维立体显示三维多点触控三维
地理信息系统知识：GIS在三维建模中的应用
地理信息系统知识：GIS在三维建模中的应用随着城市规划和建筑业的迅速发展，三维建模已成为一种重要的技术手段。
三维建模对于规划和建筑设计的可视化、仿真和分析具有重要作用，而地理信息系统（GIS）则为三维建模提供了丰富的空间数据资源。
本文将探讨GIS在三维建模中的应用，包括三维场景建模、三维可视化、仿真分析和精细化建模等方面。
一、三维场景建模三维场景建模是通过现有的地理信息、道路、地形地貌数据等信息，构建城市三维场景模型，使得在可视化场景中建筑、道路、人行道等都能够呈现出真实且立体的景象。
GIS技术可以通过制作高-低建筑、路网、绿化带和功能区等各类数据图层，进行3D场景的构建和绘制。
组织不同的组件相互联系，可以生成各种建筑、机场、城市公共场所等场景模型。
它能够满足多维数据、多变量数据和高层建筑的数据需求，能够展现三维空间问题，满足决策需求。
二、三维可视化三维可视化是GIS在三维建模中的一项重要应用，它可以合理地展现三维场景模型，使得使用者能够更直观地了解和分析场景的结构和特征，也为决策提供了更为直观和准确的基础。
此外，三维可视化能够通过虚拟现实技术，使使用者在场景模型中更真实地体验和探索。
三、仿真分析仿真分析在三维建模中具有重要的应用价值。
GIS可以通过三维建模技术，将地图、地形、建筑等融合到三维环境中，实现城市规划、工程设计、应急管理等方面的仿真分析。
如城市洪水、灾害应急等情况就可以由此得到贴切生动的模拟。
而仿真分析技术使因素看似不可预测的场景中，我们能够对场景的发展方向做出预判，在实际应对时更加从容。
四、精细化建模精细化建模是三维建模中的重要内容，用于建立高度真实和准确的三维场景模型。
GIS利用各种高清的航空、卫星影像、地面测量、激光雷达和GPS技术，可以获取到非常详细的地理空间信息，建立起高精度的三维模型。
同时，精细化建模可以在三维可视化的基础上，进一步对3D模型进行分析、改进、扩展，使得3D模型更加符合实际情况。
三维GIS效果演示
三维GIS涉及到的数据
影像
卫星影像 、航拍影像等 格式：Tiff，img，GRID等
地形
数字高程模型（DEM） 格式：Tiff，img，GRID等
矢量
点、线、面 格式：kml，shapefile等
模型
3DMax三维模型 格式：3ds，gcm，skp，obj等
电力线
编辑杆塔的连接节点，自动生成杆塔间电力线 编辑杆塔上金具间节点，自动生成金具连接线
C/S架构
B/S架构 B/S架构
数字矿山
矿山的地下矿体、巷道
矿山地下空间浏览
钻井数据
岩层信息查询
地形支持(DOM+DEM)
综合管线
管网自动建模，属性数据自动关联
仪表参数实时展示(气泡控件支持)
矢量数据编辑
绘制点、线、面
在地表绘制 在模型表面绘制
编辑几何体的节点坐标
水平移动节点（x，y），修改节点的高程坐标（z）
整体移动几何体
整体移动几何体的所有节点坐标 水平方向及竖直方向
高程模式
贴地模式，绝对高度模式，相对地表模式。
矢量数据符号化
点
支持各种图形化的符号
线
支持设置线的风格、粗细、颜色等
图片标注
在任意位置添加图片标注 支持引线注脚
地下空间
地下空间格网
灵活设置格网高度，大小
地下导航
灵活自如的浏览地下管线、巷道、钻孔等模型
控件的界面接口
OpenGL绘制的滑动条控件
提供了内部封装，直接二次开发调用
OpenGL绘制的按钮、面板控件
完全融合三维渲染视口 方便添加图片，logo等
矢量数据符号化?点?支持各种图形化的符号?线?支持设置线的风格粗细颜色等?面?支持设置面的填充颜色?边界线的风格粗细颜色等三维体编辑?立方体?编辑节点?设置填充颜色?设置边框线风格颜色粗细?球椭球柱圆台?编辑长宽高直径等参数飞行?沿线飞行?定制飞行路线?设置飞行高度速度等?贴地飞行悬空飞行?绕目标点旋转?绕眼睛旋转运动物体?平台底层支持封装友好?选择运动物体的三维模型?设置运动路线?贴地运动悬空运动虚拟现实粒子效果?动态水面?设置水面的波纹宽度水面颜色?水面运动方向运动速度?喷泉?设置喷泉的高度?水滴数量等?动态图标?gif动态图标灵活的相机控制?地上导航?鼠标左键操作场景移动?鼠标右键操作场景旋转?鼠标右键上下拖动控制场景水平视角?地下导航?灵活的浏览地下空间?第一人称视角?模拟行走模式测量分析?距离测量?地表距离测量?任意空间点之间的距离测量?高度测量?地表起算的高度测量?空中两点间高差测量?面积测量?地表面积测量?三维空间内的面积测量标注?文字标注?设置文字字体大小颜色?支持三维透视效果?远距离自动消隐?支持海量文字标注?图片标注?在任意位置添加图片标注?支持引线注脚地下空间?地下空间格网?灵活设置格网高度大小?地下导航?灵活自如的浏览地下管线巷道钻孔等模型控件的界面接口?opengl绘制的滑动条控件?提供了内部封装直接二次开发调用?opengl绘制的按钮面板控件?完全融合三维渲染视口?方便添加图片logo等?控件特效?原生支持淡入淡出效果三维分析?剖面分析?填挖方分析?可视域分析?可视包络分析?无源淹没分析?空间两点通视分析?地面开挖分析自动化三维建模?建筑物?根据建筑物的边界高度自动拉伸为三维模型?添加纹理?管线?根据管线的二维坐标和埋深自动生成管线模型?灵活编辑管线的节点坐标?电力线?编辑杆塔的连接节点自动生成杆塔间电力线?编辑杆塔上金具间节点自动生成金具连接线cs架构bs架构bs架构数字矿山矿山的地下矿体巷道矿山地下空间浏览钻井数据岩层信息查询地形支持domdem综合管线管网自动建模属性数据自动关联仪表参数实时展示气泡控件支持环境参数实时监测变电三维管理变电设备统计数据查询消防设施信息查询矢量数据支持室内模型测量距离测量高度测量面积空间距离量算管线自动建模移动物体及标注移动物体及图片标注可视域分析飞机追踪模拟locaspace淹没分析动态水面模拟可视包络分析剖面分析填挖方分析空间两点通视分析全球地形
三维gis简述
五、三维GIS缺点
– 大部应用以影像和地形为名注记显示效率不高
– 大规模的城市模型显示效率不高
– 缺乏高端的三维分析功能
一、三维GIS特点：
1. 空间信息的展示更为直观。与二维GIS相比，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；
2. 多维度空间分析功能更加强大。对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。
EV-Globe的地图服务器不但兼容了二维GIS绝大部分的功能，如点选查询、框选查询、圆选查询等基本功能，而且可以提供一般三维GIS平台不具备的缓冲区分析、最优路径分析等强大功能，同时，还提供距离测量、线段剖面、折线剖面、区域淹没、通视分析等三维GIS特色的空间分析功能。此外，用户还可以在EV-Globe中看到烟雾、尘暴、火焰以及下雨、下雪等特殊效果。EV-Globe在空间分析上的优势，可以说是集二维GIS与三维GIS之长，受到国内市场的青睐。
二、三维GIS问题和技术瓶颈。
1. 昂贵的数据投入。
2. 海量数据处理的技术瓶颈。
3. 三维GIS还要跨越一些技术难点，如海量存储、网络传输、数据发布、数据共享等
三、GIS的三维时代已经来临
Skyline具有强大空间信息展示功能，支持交互式绘图工具，提供三维测量及地形分析工具，提供数据库接口支持如Oracle，ArcSDE，拥有强大数据处理能力。Skyline在专业的空间分析尚有不足，如缺少淹没分析。由于Skyline是外国三维平台，最新版本都无汉化版本，本地化的速度也比较慢。
VRMap采用J2EE体系架构，可快速、灵活构建基于Web的三维业务应用系统；同时VRMap提供城市级别的基于网络的海量精细场景，可以快速建立三维应用。
三维GIS空间数据模型
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
第三章 空间数据模型
空间数据模型：指利用特定的数据 结构来表达空间对象的空间位置、 空间关系和属性信息；是对空间对 象的数据描述。
内容
第一节 空间实体的描述和分类和数据组织 第二节 矢量数据模型 第三节 栅格数据模型 第四节 三角网数据模型(TIN) 第五节 属性信息 第八节 面向对象的空间数据模型
左多边形
P2 P1 P1 Ø P2 P3
右多边形
P1 P4 Ø P2 P4 P2
二、空间实体的几何分类
根据（1）实体本身的特征、（2）所用地图的比例尺
（3）项目中使用这类实体空间数据的目的，将地理
形象抽象为：
1. 点(Point) 2. 线(Line)
空间现象 • 离散
3. 面(Area) 4. 体(Volume)
4、பைடு நூலகம்类信息的表示
空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性 或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信 息层(见下图)；
用于表示地理实体的数据模型
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。
.
Spatial data model
第二节 矢量数据模型
① 长度：从起点到终点的总长；
GIS空间数据模型
找离火车站 最近的汽车
站？
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距离最近 的汽车站
GIS分析
属性为火 车站的点
检索
空
间
计
算
所有属性为 汽车站的点
检索
空间 数据库
10
2.5 GIS空间数据模型
二、传统数据模型存储空间数据的局限性
3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性
对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限， 表现为： 1）无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作
三、面向对象模型
2.基本概念
地理 对象
属性 — 数据 行为—方法
对象：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。 对于一个对象，应具有如下特征：
A. 具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性； B. 具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态 (静态属性—数据)
C. 具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态(作用,功能—函数,方
数据
方法
以使对数据的操作只可通过该对象本身的方法来进行。
一对象不能直接作用于另一对象的数据，对象间的通信只能通过消
息来进行。
封装是一种信息隐蔽技术，封装的目的 在于将对象的使用者和对象的设计者分开， 用户只能见到对象封装界面上的信息， 对象内部对用户是隐蔽的。
2021/3/10
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2.5 GIS空间数据模型
子类与超类是“即是”的关系(is-a)
概括可能有任意多层次 概括技术避免了说明和存储上的大量冗余。
如住宅地址、门牌号、电话号码等是“住宅”类的实例(属性)， 同时也是它的超类“建筑物”的实例(属性)。
三维GIS的定义
1 三维GIS的定义从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义，认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；②数据库定义，认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义，认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。
基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。
TURNER认为“Geographical Information System”主要用来区分纯粹的二维GIS 与三维GIS[2]，为强调在三维任务如地质或地貌应用上的扩展，人们创造了术语“Geoscientific Information System”(GSIS)[28]。
后来这个词被修改为一个缩写形式“Geo-Information System”(GIS)[24][28]。
为区分三维GIS与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业GIS，这里倾向于BREUNIG的观点[28]，用GIS指代“Geo-Information System”，认为三维GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。
三维GIS加上时间维方面的处理即为四维GIS。
2三维GIS的特点在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。
在目前二维GIS中已存在的0，1，2维空间要素必须进行三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素来表示体目标[9]。
空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS，其复杂程度更高。
三维GIS
三维GIS世界的本原是处在三维空间中的, 二维GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力, 克服这一缺陷迫切需要真正的基于三维空间的GIS的问世。
因此，在过去的一段时间里，人们很早就开始了三维GIS理论和实际系统方面的探索。
01三维GI S：是布满整个三维空间的GIS，其空间目标通过X，Y，Z三个坐标轴来定义，它与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。
三维GIS的可视表现也比二维GIS 复杂得多，以至于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。
优点：三维GIS模仿人类从某点观察的视觉，是空间对象看起来更像是真正的三维对象一样。
缺点：三维GIS中的面三维技术所表达的空间对象内部是空的，不具备应有的信息。
其次，它虽然能表达邻近的多个表面，但对于表面交叉的情况，则难以进行交叉表达和管理。
功能：三维GIS应该至少包括以下11种功能：三维数据获取；数据质量评估和控制；数据存储；三维空间模型建立、编辑和修改；三维空间关系描述和表达；不同类型和不同比例尺的数据结构转换；空间变换；三维可视化；时态数据处理；三维空间分析；系统管理。
02三维数据获取方法：1、地形图和建筑图纸相结合的城市三维信息获取空间要素的平面坐标可以由现有纸质或数字化地形图得到，建筑物的高度信息可从设计图纸中获取。
这种方法实现简单，但由于要进行图纸人工判读、手工输入大量数据和实地纹理采集，工作量较大。
因此只适合小范围地区及少数建筑物的三维信息获取。
2、航空航天遥感利用航空摄影测量影像能够得到地面高程信息、纹理数据以及拓扑信息，它是目前三维信息获取最主要的手段之一。
众多专家学者对基于航空影像的三维信息自动、半自动提取方法进行了研究。
3、激光扫描仪激光扫描仪能够获取物体表面高解析度的数字影像，从中可以提取高精度的目标几何数据和纹理数据。
针对激光扫描影像的信息提取近年来也取得了很大进展。
《GIS三维建模与可视化》本科课程教学大纲
1《GIS 三维建模与可视化》本科课程教学大纲一、《GIS 三维建模与可视化》课程说明（一）课程代码：Q1320280（二）课程英文名称：GIS 3D modeling and visualization （三）开课对象：地理信息科学专业 （四）课程性质和地位：《GIS 三维建模与可视化》是地理信息科学专业的专业选修课。
空间信息的存储与管理一直是地理信息系统（一直是地理信息系统（GIS GIS GIS）的核心问题，而地理数据模型则是这个核心中的核心，本课程）的核心问题，而地理数据模型则是这个核心中的核心，本课程的教学就是以空间数据的模型与空间分析方法为基础，重点讲述基于空间数据结构的三维建模方法与实际应用。
模方法与实际应用。
（五）课程教学基本要求：本课程阐述了三维地理数据建模的理论、技术与实现方法，涉及三维数据结构、数据获取、空间建模、空间分析和可视化表达等多个方面，并以geodatabase 为例介绍地理数据库的设计与实现。
要课程主要集中表达以下几个问题：如何进行三维数据管理、三维空间数据的制作、三维空间表面表面的显示、对三维表面的坡度、坡向、可视域分析、三维可视化表达。
坡向、可视域分析、三维可视化表达。
（六）教学内容、学时数、学分数及学时数具体分配学时数：学时数：3232学时 学分数：学分数：22学分 学时数具体分配： 序号序号 教学内容教学内容 讲授讲授 实验/实践实践 合计 1 绪论绪论4 4 2 三维GIS 数据管理数据管理 2 2 4 3 三维GIS 模型构建模型构建 2 16 18 4 三维GIS 可视化可视化4 45 复习复习 2 2 合计合计102232（七）教学方式课堂讲授式、上机软件操作、案例演示与讨论。
课堂讲授式、上机软件操作、案例演示与讨论。
（八）教学方法以多媒体理论讲授式、软件操作并部分案例讨论结合为主要形式的课堂教学。
（九）考核方式和成绩记载说明1.1.考核要求：考试课考核要求：考试课2.2.考核方式：卷面考试考核方式：卷面考试考核方式：卷面考试++软件操作相结合软件操作相结合3.3.考试成绩：严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。
基于网络环境的3D GIS空间数据模型研究
带 币 蒂 蒂 蒂
基于 网络环境 的 ３ Ｓ空间数据模 型研究 Ｄ ＧＩ
于 文洋 杨崇俊 陈飞 翔 乐 小虬 （ 中国科 学院遥 感应 用研 究所遥 感科 学 国 家重 点 实验 室 ， 北京 １０ ０ ） ０ １ １
Ｅ— ｉ： ｒ ｃ ａ ｆ ｈ ６ ．ｏ ｍａｌ ａ ｔ ｅ ｎ ｓ ＠１ ３ ｃ ｍ ｏ ｉ
摘 要
三维地理 信息 系统应该充分利 用第三维， 提供 有效空间分析功能。 文提 出了一种面向分析的空间三维数 据模 论
型， 在这个模 型上基 于几何拓扑关 系的空间分析得 以方便 的 实现 。 每种模 型有 不同种表现形式。 Ｏ Ｌ Ｄ算法、 空间索引和渐
ｐｅｅｔｄ ｉ ｔｉ ３ － Ｉ．ｈｓｄ ｔ ｍ ｄ ｌｉｃ ｄ ｓｄｆｒｎ ｅｒｓｎ ｔ ｎ ｏ ｈ ａ ｂｅｔ ｏ ａ ｅｕｅ ｎ ｔｅ ｒｓｎｅ ｎ ｈｓ Ｄ Ｇ Ｓ ｉ ａ ｏ ｅ ｎ ｌ ｅ ｉｅｅ ｔｒｐｅｅｔ ｉ ｓｆｒｔｅ ｓｍｅｏｊｃ． ｄ ｃｎｂ ｓｄ ｉ ｈ Ｔ ａ ｕ ａｏ Ｌ
ｌ 引 言
地 理 信 息 系统 （ Ｉ ） 为 支 持 空 间 定 位 信 息 数 字 化 获 取 、 ＧＳ 作 管 理 和应 用 的技 术 体 系 ． 着 计 算 机 技 术 、 间技 术 和 现 代 信 随 空 息 基 础 设 施 的 飞速 发 展 ， 在全 国经 济 信 息 化 进 程 中 的 重 要性 与 日俱 增 ． 别 是 当今 “ 字 地球 ” 念 的 提 出 ． 得 人们 对 Ｇ Ｓ 特 数 概 使 Ｉ
（ｈ ｔｅＫｅ ａｏａ ｒ ｆＲ ｍ ｔ Ｓｎｉｇ Ｉｆｒ ｔ ｎＳｉ ｃｓＩ Ｓ Ｃ Ｓ Ｂ ｉｎ ０ １１ Ｔ ｅＳａ ｙＬｂｒｔ ｙｏ ｅ ｏ ｅｓ ｎｏｍａｉ ｃｅ ｅ ， Ａ，Ａ ，ｅ ｉｇ１００ ） ｔ ｏ ｅ ｎ ｏ ｎ Ｒ ｊ
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•自从 1978 年八叉树(Octree) 概念被提出后相当长 的一段时间, 研究工作主要以八叉树为代表的三维栅 格数据模型为主。
•近年来, 部分研究工作集中在矢量数据模型和多种 数据模型的集成和混和以及基于这些模型的处理和 分析算法。
•根据三维空间数据模型的特点，将其分为基于体 元、基于矢量或边界面、混合或集成、基于点集拓 扑学的单纯形数据模型：
从三维地质模拟的角度来说主要使用的是地质空间 数据，也就是地质体信息。地质空间数据主要有地 质体的地质年代、岩性空间位置、空间关系及空间 属性等
面向地矿的三维空间模型
中国地质大学（武汉）信息工程学院
三维地质建模当中最重要的一类地质数 据就是通过勘探工程获得的探井、钻 孔、坑道数据。空间数据主要有： ①钻孔或坑道开孔（坑）坐标、方位、 倾角（或坡角）等工程空间位置数据； ②钻孔或坑道所揭露的岩层的岩性、产 状，构造的性质、产状，矿化带或矿体 性质、产状； ③样品分析数据； ④各种图件（钻孔柱状图、坑道编录 图、采样位置图、工程布置图等）。
快
的属性描述
B-Rep +CSG
node,edge,face ,body
point,line,surface, volume
城市可视化
适合简单目标的快 速表示
难以适应复杂目标建模需要
TIN+CS G
node,edge,trian point,line,surface,
gle
volume
城市可视化
两种模型集成于同 一界面，便于简单 对象的快速建模与
面向地矿的三维空间模型
中国地质大学（武汉）信息工程学院
1、面元模型
① 表面模型：TIN、Grid：最常用的表面构模技术是 基于实际采样点构造TIN。TIN方法将无重复点的 散乱数据点集按某种规则(如Delaunay规则)进行三 角剖分，形成连续但不重叠的不规则三角网，并 以此来描述三维物体的表面；而Grid模型则是考 虑到采样密度和分布的非均匀性，经内插处理后 形成规则的平面分割网格。这两种表面模型一般 用于地形表面构模，也可用于层状矿床构模。
拓扑关系易于维护， 可视化速度快
难以表达复杂对象，选择操 作速度慢，需要附加记录来
维持“序”
SSM
node,face(plan point,line,surface, 面向网络的 易于提出对象几何， 动态更新困难，构造元素存
ar,convex)
body
可视化查询 数据转换迅速
在多值性
OO-3D
node,segment( arc,edge),face(
OO3D模型
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抽象特征 几何 属性
抽象几何
空间目标
点 抽象属性
线面体
结点 线段 三角形
颜色 纹理…Βιβλιοθήκη ->1:m继承 关系
图6. OO3D模型的3D空间目标抽象描述
图7. OO3D数据模型结构图（史文中，2000）
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➢OO3D模型中组成3D目标的基本元素是结点、线 段和三角形。任意复杂的空间对象都是由这3类基 本对象按照上述的规则构造而成的，因而组成体对 象的最小空间单元是三角形。
TEN模型
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➢TEN模型主要有四个基元构成：四面体、三角形 、边和 节点 。
➢一个空间实体由四面体组成，面由三角形组成，线由小 三角形的边组成，点由节点组成。 ➢总之，在TEN模型当中，每个节点必须属于某一条边， 每条边属于某一三角形，每个三角形属于某一个四面体。 由于TEN模型采用的是simplex-complex思想，因此它可 以完全描述三维空间中的各种拓扑关系
➢缺点： （1）用所定义的几种基本几何单元(cell)尚难以表 达复杂多样的空间对象；
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（2）未给出空间对象及其几何单元的形式化描述 方法，从而给空间关系的表达及数据结构的设计 带来一系列的困难；
（3）缺乏与之相关的实验指导及空间数据模型的 实现方法；
（4）对空间对象的拓扑性质及对象间的关系缺乏 完备说明、严格推导以及证明和表达机制。
图8. 边界表示的数据结构
②构造实体几何(CSG)构模：首先预定义一些形状规 则的基本体元，如立方体、圆柱体、球体、圆锥及 封闭样条曲面等，这些体元之间可以进行几何变换 和正则布尔操作(并、交、差)，由这些规则的基本 体元通过正则操作组合成复杂形体。
CSG构模在描述结构简单的三维物体时十分有效，但 对于复杂不规则的三维物体，尤其是地质体则很不 方便，且效率低下。
7、 TIN+CSG集成模型
以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示建筑物， 在TIN形成过程中将建筑物的地面轮廓多边形作为内 部约束，通过公共边界进行连接，其操作和显示都 是分别进行的。是当前三维城市构模的主要方式。
8、矢栅集成3D模型
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VR集成模型实质是多个模型的集成。其栅格模 型中包括四叉树和八叉树，其矢量模型中包括了 TIN、TEN、Grid、CSG和边界表示。实际应用 时可根据不同需要选择一个或多个合适的模型对 目标进行描述，从而实现对目标的几何与拓扑的 完整表示。
（4）基本元素是点、线、三角形，减少了数据存储。
6、B-Rep+CSG混合模型
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① 边界表示(B一Rep)模型：通过面、环、边、点来定 义形体的位置和形状。
其特点是详细记录了构成形体的所有几何元素的几何 信息及其相互连接关系，有利于以面、边、点为基础 的各种几何运算和操作。边界表示构模在描述结构简 单的二维物体时十分有效，但对于不规则三维对象则 很不方便，且效率低下。边界线可以是平面曲线，也 可以是空间曲线。
n-cells模型
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➢每个空间对象均通过对应的k-cell complex加以表 达。 k-cell complex包括边界操作和协边界操作。边 界操作提供了组成k-cell的一系列(k-1)-cell；协边界 操作提供了组成k-cell的一系列(k+1)-cell；
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➢优点：该模型去掉了3D FDS中的弧段元素，结构更简 单，遍历快速、存储空间少，有利于三维对象的可视化; 利用9交模型可推导任意两个空间对象间的拓扑关系；
➢缺点：不利于复杂对象的构造。基于表面三角形剖分 的模型引入单纯形作为构建各种空间实体及描述拓扑关 系的基本要素，对地物模型进行表面剖分，将面分为曲 面和折面两类，通过对曲面和折面进行三角形剖分实现 对表面的表达和近似表达。剖分操作较为复杂，且难以 控制剖分精度。动态更新和修复需要大量的查询，构造 元素面和结点元素存在多值性。
triangle)
point,line,surface, volume
城市可视化
可处理复杂对象， 支持LOD模型，快
速可视化
不显示存储拓扑关系，3D 空间分析能力较弱
3D-TIN
node,edge,poly point,line,surface,
gon,solid
volume
地质体
表面可视化速度较 属表面建模，缺乏对象内部
图9. CSG结构
③B-Rep+CSG混合模型
CSG界面
CSG树
分解模型
CSG界面 局部修改
CSG树 B-Rep模型
图形界面
B-Rep模型
图形界面
分解模型
(a) 以CSG为主
(b) 以B-Rep为主
图10. B-Rep+CSG混合模型的两种混合方式
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该模型利用CSG模型的优点，克服了B-Rep对目标的 几何特征整体描述能力弱、不能反映目标构造过程、 不能记录目标的组成元素的原始特征等缺点。
TEN模型
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➢建模过程：基于采样点对所有的2.5D的空间对象的 约束三角形剖分，以及对所有3D空间对象的约束四 面体剖分。将3D对象进行四面体剖分后，也就将3D 空间对象间的操作转为四面体集合间的操作。
➢四面体格网既具有体结构的优点，如：快速几何变 换，快速显示，又可以看成是一种特殊的边界表示 ，具有一些边界表示的优点，如：拓扑关系的快速 处理。但目前根据空间采样数据直接对模型进行四 面体化尤其是约束四面体化算法编制复杂，开发难 度较大，限制了这种数据模型的发展。 。
➢3D FDS模型支持多种空间数据描述，且容易实 现几何特征与专题特征的关联。
图3. 3D FDS模型结构图（Molenaar,1990）
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➢其建模原理上的不足在于：只考虑了空间对象表 面的划分和边界表达，没有考虑空间对象的内部结 构。
因此，仅适合表达形状规则的简单空间对象，难以 表达地质及环境领域中不规则的复杂3D空间对象。
柱状图
工程布置图
面向地矿的三维空间模型
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物探数据包括重、磁、电以及地震数据，这些数据
是地下地质体对重、磁、电等这些物理性质的综合
反映，这些数据一个共同特点是存在多解性，即具
有相同物理属性的地质体，可引起多种物探异常，
从而形成多解性。
华池－环河顶
洛河顶
白垩底 地震资料解释结果
难以表达复杂对象
TEN
node,arc,triang point,line,surface, 矿体、水体、 便于进行表面可视 数据量大，复杂对象可视化
le,tetrahedron
body
云体
化和不规则建模
较困难
n-cells
0-3 cell
0-3-tuple cell complex