4-2三维GIS空间数据模型-示例分析
第二章 GIS空间分析的数据模型
:
规划期人口预测数
年份
1985
1986
1987
1988
1989
1990
增长 速度
人口数/ 万人
612.7 621.4
630.1
638.9
647.7
656.6 1.43‰
解释为什么GIS要模型化？
2.2 GIS模型化
GIS模型化的一般方法：
X O Y ＝ M
X：某个体系，看作地理系统中被主观选取的一个局 部
1
发表 收录
m
索 引 名 索 引 简 介
“银行客户存款”E-R模型
生 日 性 别 客户 客户身 份 住址 存取时 间 1
身份证 号
姓 名
联系电 话
存 取
m
开户行 名
存取金 额
银行卡
卡 号
2.2 GIS模型化
2）物理模型
物理模拟过程的表达。 是对现实世界在尺寸上的缩小或放大构成的一些相 似体。其基础是相似理论，特点是相似性。（几何、 时间、运动、动力上的相似等等）
（人口）发展预测模型（一种定量预测模型）（一种数学模型）
人口预测模型：Pt=P0e（λ-u）
式中：Pt 表示第t年的人口数
P0 表示基年的人口数
λ u 表示人口出生率 表示人口死亡率
t
表示年份
设根据研究地区一组人口统计数据分析， λ=12.5‰， u=6.5 ‰， 1985年为基年，且1985年的 P0 =612.7万人，每年净迁到该地区的 人口数W=5万人 则P1=P0e（λ-u）+W
西气东输选线——局部观察
2.2
GIS模型化
按建立的方法，地理分析模型类型
（1）概念模型
三维GIS三维分析
第七章 三维分析
•
三维地理空间数据分析是GIS空间分析的一个重要组成部分，是当前GIS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. | 2
三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：
1
三维景观建模
2
三维数据可视化表达
3
三维景观分析与计算
7.1.4 DTM与DEM
图7.13 各种DEM数据
•BEA Confidential. | 27
7.1.4 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。
c （4，3，2） （2，0，2）
d （4，4，2） （3，4，2）
…
属性
点号 201 202 203 204
XY
Z
x201 y201 z201
x202 y202 z202
x203 y203 z203
x204 y204 z204
…
图7.10 Octree与TEN混合数据结构的数据组织
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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。
a 三分三角形法
b 四分三角形法
图7.6 两种动态生成TIN的方法
•BEA Confidential. | 13
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
三维地理信息系统的构建方法和应用案例
三维地理信息系统的构建方法和应用案例引言：在当今科技高速发展的时代，地理信息系统（GIS）已经成为管理和分析地理数据的重要工具。
然而，传统的二维GIS无法全面展现地球表面的特征，为了更好地还原真实世界，三维地理信息系统（3D-GIS）逐渐兴起。
本文将探讨三维地理信息系统的构建方法以及一些应用案例。
一、三维地理信息系统的构建方法1. 数据采集与处理构建一个鲁棒且精确的3D-GIS系统的第一步就是数据的采集与处理。
首先，通过航空摄影、卫星遥感、激光雷达扫描等技术手段获得原始数据。
然后，对原始数据进行预处理，包括数据切割、去噪、配准等一系列操作。
最后，将预处理后的数据导入到3D-GIS平台中进行后续的建模和分析工作。
2. 建模与可视化3D-GIS的核心就是将地理数据在三维空间中进行建模与可视化。
建模可以采用多种方法，例如点云建模、三角网格建模、体素化建模等。
通过这些方法可以将地球表面的特征以三维模型的形式展现出来。
在建模的过程中，需要考虑地理数据的精确性、分辨率以及建模算法的效率等方面的问题。
建模完成后，可以通过可视化技术将模型呈现给用户，提供更直观的数据展示和分析界面。
3. 数据集成与分析3D-GIS系统不仅要能够处理地理数据，还要具备数据集成和分析的功能。
数据集成是指将多个数据源的信息整合到一个平台中，使用户可以在一个系统中获取到多种数据。
数据分析是指基于集成后的数据进行空间分析、网络分析、图表分析等操作，从中提取有用的信息。
为了使数据集成和分析变得更加高效，可以采用数据仓库和数据挖掘的技术手段。
二、三维地理信息系统的应用案例1. 城市规划与建设三维地理信息系统可以为城市规划和建设提供重要的支持。
通过三维模型的建立和可视化展示，规划者可以更全面地了解城市的地形、建筑分布、道路网格等信息，从而更好地制定规划方案。
同时，三维模型还可以进行仿真模拟，评估不同规划方案的可行性和影响，为决策者提供科学的依据。
实验4-1 GIS空间分析(空间分析基本操作)
实验4-1、空间分析基本操作一、实验目的1. 了解基于矢量数据和栅格数据基本空间分析的原理和操作。
2. 掌握矢量数据与栅格数据间的相互转换、 栅格重分类(Raster Reclassify)、 栅格计算－查询符合条件的栅格(Raster Calculator)、 面积制表（Tabulate Area）、 分区统计(Zonal Statistic)、 缓冲区分析(Buffer) 、采样数据的空间内插(Interpolate)、 栅格单元统计（Cell Statistic）、 邻域统计（Neighborhood）等空间分析基本操作和用途。
3. 为选择合适的空间分析工具求解复杂的实际问题打下基础。
二、实验准备预备知识：空间数据及其表达空间数据（也称地理数据）是地理信息系统的一个主要组成部分 。
空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。
它是GIS 所表达的现实世界经过模型抽象后的内容，一般通过扫描仪、键盘、光盘或其它通讯系统输入GIS。
在某一尺度下，可以用点、线、面、体来表示各类地理空间要素。
有两种基本方法来表示空间数据：一是栅格表达; 一是矢量表达。
两种数据格式间可以进行转换。
空间分析空间分析是基于地理对象的位置和形态的空间数据的分析技术，其目的在于提取空间信息或者从现有的数据派生出新的数据，是将空间数据转变为信息的过程。
空间分析是地理信息系统的主要特征。
空间分析能力（特别是对空间隐含信息的提取和传输能力）是地理信息系统区别与一般信息系统的主要方面，也是评价一个地理信息系统的主要指标。
空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库。
空间分析运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段。
空间分析可以基于矢量数据或栅格数据进行，具体是情况要根据实际需要确定。
空间分析步骤根据要进行的空间分析类型的不同，空间分析的步骤会有所不同。
通常，所有的空间分析都涉及以下的基本步骤，具体在某个分析中，可以作相应的变化。
ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程 三维分析 ppt课件
二、表面分析
1. 计算表面积与体积
（１）表面积的概念
与平面面积不同，表面 积是沿表面的斜坡计算的，考 虑到了表面高度的变化情况。 除非表面是平坦的，通常表面 积总是大于其二维底面积。
图9.20 表面积计算各参数示意图
ห้องสมุดไป่ตู้26
二、表面分析
（２）体积的概念
体积指表面与某指定高 度的平面（参考平面）之间的 空间大小，按照参考平面的上 下关系分为两部分，分别是平 面之上的体积或平面之下的体 积。
18
一、表面创建
（2） TIN表面的创建
通常TIN是从多种矢量数据源中创建的。可以用点、线与多 边形要素作为创建TIN的数据源。 1）点集：它是TIN的基本输入要素，决定了TIN表面的基本形 状。
图9.15 点集图
19
一、表面创建
2）隔断线
它可以是具有高度的线，也可以是没有高度的线。 在TIN中构成一条或多条三角形的边序列。隔断线即可 用来表示自然要素，如山脊线、溪流，也可以用来创建 要素如道路。
图9.43 表面长度示意图
41
二、表面分析
ArcGIS中表面长度的计算：
图9.44 表面长度计算对话框
42
三、ArcScene三维可视化
1. 要素的立体显示
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。
两种方式：
➢具有三维几何的要素，使用其自身高程属性进行三维可 视化；
第九章 三维分析
1
主要内容
• 表面创建 • 表面分析 • ArcScene三维可视化 • 数据转换
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
三维GIS空间数据模型及可视化技术研究
此外，随着人们对地理信息需求的不断增长，三维GIS的应用范围也将不断 扩大，涉及到城市规划、资源管理、灾害预警等多个领域。因此，我们需要进一 步加强三维GIS空间数据模型和可视化技术的研究，以满足不断增长的实际需求， 推动地理信息科学的持续发展。
总之，三维GIS空间数据模型和可视化技术是地理信息科学的重要组成部分， 具有广泛的应用前景和发展潜力。未来需要进一步加强技术研究和应用实践，以 推动其向更高水平发展，更好地服务于社会各个领域。
谢谢观看
该技术可以构建逼真的战场环境，提高军事行动的效率和准确性。然而，现 有的技术仍存在一些不足，如建模精度、实时性和可视化效果等方面的问题，需 要进一步研究和优化。
从研究的实际情况来看，三维GIS建模及可视化技术的应用研究具有重要的 理论和实践意义。在理论上，该技术可以提高地理信息的获取、处理和分析能力， 有助于深入探究地理现象的时空变化规律；在实践上，该技术可以为城市管理、 环境保护、军事仿真等领域的决策提供更加科学、精确的支持，提高相关领域的 工作效率和准确性。
三维GIS空间数据模型是由空间对象、空间关系和属性信息三部分组成的。 空间对象表示地理实体，如点、线、面等，它们具有相应的几何特征和属性信息。 空间关系包括拓扑关系、方向关系、距离关系等，用于描述空间对象的相互关系。 属性信息包括文本、数字、图片等，用于描述空间对象的特征和属性。构建三维 GIS空间数据模型的关键在于正确表达空间对象及其关系，同时保证数据结构的 合理性和数据操作的有效性。
基本内容
随着城市化进程的加速，城市规划和管理的需求日益增长。为了更加直观地 了解城市空间信息和现象，城市三维可视化GIS技术应运而生。本次演示将围绕 城市三维可视化GIS的研究展开，旨在为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。
三维GIS空间数据模型(理论实操)
为了区别不同实体，每个 实体都赋予一个唯一的标 识符。
第三章 空间数据模型
行业进步
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。
1
内容
行业进步
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
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。
13
实体类型组合图例
行业进步
14
行业进步
三、空间实体在地理信息系统中的表示
Record header（8字节，存储记 Record contents 录数和记录内容的长度）
Record header
Record contents
Rec…ord…header
Record contents
28
shapefiles 头文件表
起始位置
名称
数值
0
File Code
9994
4
Unused
21
行业进步
Spatial data model
ArcGIS空间分析和三维分析
实验三利用ArcGIS进行空间分析与三维处理一、实验目的和要求1、了解基于矢量数据和栅格数据基本空间分析的原理和操作。
2、熟练掌握 ArcGIS 下进行道路网络分析的技术方法。
3、熟练掌握 ArcGIS 中建立 DEM、TIN 的技术方法。
4、掌握根据 DEM 或 TIN 计算坡度、坡向的方法。
5、熟悉ArcScene用户界面，了解制作飞行动画基本操作。
二、实验主要内容（1）如图1所示，给出一组离散点及对应的高程，请用SuperMap, ArcGIS建立TIN模型，绘制等值线图，并进行坡度、坡向分析，沿AB两点作三维剖面图。
图1 离散点数据（2）基于所提供的TIN数据，采用两种方法实现模拟场景飞行。
1、抓取一系列场景图片，然后向其中插入平滑帧形成动画。
打开实验场景->抓取景区场景->调节动画参数->生成动画->动画导出为AVI 文件格式。
2、通过记录实时飞行场景生成动画。
在场景中选取合适位置->设置合适的动画时长->沿路径录制飞行场景->浏览播放动画->动画导出为AVI文件格式。
三、实验主要步骤及数据处理结果1、矢量化离散点数据2、用ArcGIS建立TIN模型A：用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建TNT数据模型分析设置如下：B:生成的TNT数据如下：3、绘制等值线图A：用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建等值线分析设置如下：B：生成的等值线图如下所示：4、TNT转换成栅格A：用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建栅格分析设置如下：B：生成的栅格图如下所示：5、坡度分析A: 用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建坡度分析设置如下：B:坡度分析图如下：6、坡向分析A: 用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建坡向分析设置如下：B:坡向分析如下所示：7、沿AB两点作三维剖面图A：打开3DAnalyst工具条:B:点击插入线工具，跟踪一条线段并获得相应的高程值C:设置相应的参数点击创建剖面图生成剖面图：8、基于所提供的TIN数据，采用两种方法实现模拟场景飞行A:、抓取一系列场景图片，然后向其中插入平滑帧形成动画。
Arcgis空间分析【范本模板】
ArcGIS的网络分析http：//blog。
sina。
com。
cn 2007年09月11日23:08 Geoinformatics标签：校园生活ArcGIS的网络分析分为两类：传输网络（Network Analyst)和效用网络(Utility Network Ana lyst).一、从应用上来考虑：1。
传输网络常用于道路、地铁等交通网络分析。
特点：在传输网络中，汽车和火车都是可以自由移动的物体，具有主观选择方向的能力。
传输网络解决的问题有：A。
计算点与点之间的最佳距离，时间最短或者距离最短，最佳路径能够绕开事先设置的障碍物B。
可以进行多点的物流派送,能够按照规定时间规划送货路径，也能够自由调整各点的顺序,也会绕开障碍物C。
寻找最近的一个或者多个设施点D.确定一个或者多个设施点的服务区,绘制服务区范围的条件可以是多个，例如,同时列出3分钟、6分钟、9分钟的服务区E。
绘制起点－终点距离矩阵2.效用网络常用于水、电、气等管网的连通性分析。
特点：在效用网络中，水、电、气通过管道和线路输送给消费者，水、电、气被动地由高压向低压输送,不能主观选择方向.效用网络解决的问题有：A.寻找连通的/不连通的管线B。
上/下游追踪C.寻找环路D。
寻找通路E。
爆管分析二、从技术上来考虑：传输网络(Network Analyst）基于Network Dataset效用网络（Utility Network Analyst)基于Geometric Network 它们的区别可以参考下面的表格:ArcGIS网络分析［转］—-一、目的网络分析是GIS空间分析的重要组成部分，它的主要内容包括：l 寻找最佳行进路线，如：找出两地通达的最佳路径。
l 确定最近的公共设施，如：引导最近的救护车到事故地点。
l 创建服务区域,如:确定某零售店的服务区域，从而查明区域内的顾客数等等.通过对本实习的学习，应达到以下几个目的:1、加深对网络分析基本原理、方法的认识;2、熟练掌握ARCGIS网络分析的技术方法.3、结合实际、掌握利用网络分析方法解决地学空间分析问题的能力。
GIS空间分析的数据模型
基态修正模型
基态修正模型按事先设定的时间间隔进行采样，它 只存储某个时间数据状态(基态)和相对于基态的变 化量。
33
时空立方体模型( Space-time Cube)
由空间两个维度和一个时间维组成，描述了二维 空间沿着第三个时间维演变的过程。任何一个空 间实体的演变历史都是空间-时间立方体中的一 个实体。
➢ 拐点(Turn)：从一个链到另一个链的过渡。拐点在 网络模型中不用于模拟现实世界中的实体，而是 代表链与链之间的过渡关系。
21
常用的网络模型：
网络跟踪(Trace)
➢用于研究网络中资源和信息的流向； ➢在水文应用中，网络跟踪可用于： • 计算河流中水流的体积， • 跟踪污染物从污染源开始，沿溪流向下游扩散的
28
3.7 时空数据模型
➢ 静态GIS（SGIS）：
传统的地理信息系统应用只涉及地理信息的 两个方面：空间维度和属性维度。
➢时态GIS （TGIS）:
能够同时处理时间维度。 解决历史数据的丢失问题。 实现数据的历史状态重建、时空变化跟踪、
发展势态的预测等功能。
29
数据的时间维度：
➢结构化数据：如一个测站历史数据的积累，可以 通过在属性数据表记录中简单地增加一个时间戳 (Time Stamp)实现管理；
➢ 结点(Node)：链的终止点。 链总是在结点处相交。结点可以用来表示道路 网络中道路交叉点、河网中的河流交汇点等。
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➢ 站点(Stops)：在某个流路上经过的位置。代表现 实世界中邮路系统中的邮件接收点、或高速公路 网中经过的城市等。
➢ 中心(Center)：网络中的一些离散位置，可以提供 资源。如现实世界中的资源分发中心、购物中心、 学校、机场等。其状态属性包括资源容量，如总 的资源量；阻力限额，如中心与链之间的最大距 离或时间限制。
Arcgis空间分析具体实例说明
空间分析具体案例应用专业：资源环境与城乡规划管理学号：姓名：王秀君实验类型：综合性实验实验目的：进一步掌握常用工具应用所学的ArcGIS技术，掌握空间分析能力的运用，解决实际工作中遇到的问题。
实验内容：1、琅岐岛3D视图显示2、超市商业区位选址3、土地规划利用（一）琅岐岛3D视图显示实验类型：综合性实验实验目的：进一步掌握常用工具所学的ARCGIS技术，掌握空间分析能力的应用，解决实际工作中遇到的问题实验内容：琅岐岛3D视图显示四、实验步骤1.将TAB格式转为SHP格式打开Mapinfo，选择“表”下的“转出”，弹出窗口，指定要转换格式的文件及输出路径，将马尾岛屿.tab、马尾等高线.TAB、马尾等深线.TAB转为、、。
然后，打开Arc Catalog，将、、转换为shape格式。
点击ok，完成转换。
2.定义投影右击,指定其投影为Projected Coordinate Systems—Gauss Kruger—Beijing 1954—Beijing 1954 GK Zone 20投影，利用Import将投影导入其他图层。
如图所示：3.卫片配准在ArcMap中，先将Island、Contour、isolate图层调入，然后在将卫片LQ调入。
调用Georeferencing工具，选择Fit to Display命令，使卫片处于屏幕正中央，然后进行配准，如图所示。
然后用Rectify命令，将定义好的投影保存。
配准后注意保存好，如图所示：4.合并等高线、等深线两个图层建立Contour和isolate的公共字段，在ArcMap中，选择图层，Open Attribute Table，建立公共字段Height，并赋值，删除多余字段，然后打开ArcToolBox利用Append工具合并Contour与isolate图层。
合并Contour与isolate图层：5.空间插值，建立琅岐岛DEM打开3D分析工具，并调入3D分析模块。
第二章GIS空间分析的数据模型
第二章GIS空间分析的数据模型GIS（地理信息系统）空间分析的数据模型是指在GIS中用于描述和组织地理空间数据的结构和规则。
它主要包括向量数据模型和栅格数据模型两种形式。
以下将详细介绍这两种数据模型。
1.向量数据模型：向量数据模型是一种将地理现象表示为点、线、面等几何要素的数据模型。
它基于几何对象的坐标表示来描述地理空间位置和形状。
向量数据模型的核心要素包括点、线、面。
-点：表示地理要素的离散点，可以是一个地址、一座建筑物、一个村庄等。
-线：表示由多个点连接而成的可视化路径，可以是道路、河流、铁路等。
-面：由若干个线构成的闭合区域，通常表示土地利用类型、行政区域等。
向量数据模型具有描述空间位置精确、几何操作方便等优势，适合表示细节较为复杂的地理现象。
同时，向量数据模型也具备多种关联属性的能力，可以与属性数据进行链接，实现空间与属性信息的关联分析。
2.栅格数据模型：栅格数据模型是一种将地理现象表示为规则的网格单元的数据模型。
它将地理空间划分为规则的网格单元，将每个单元的值表示为一个矩阵中的元素。
栅格数据模型的主要特点是离散、均等和连续。
-离散：地理现象被离散的网格单元坐标所描述，且每个单元代表的是一个相同大小的空间区域。
-均等：每个单元的尺寸相等，表示的面积是均等的。
-连续：栅格中的每个单元都有一个与之对应的属性值，通过单元的连接和相邻单元的信息可以推断出地理现象的空间连续性。
栅格数据模型主要用于描述表面高程、者大气温度等连续变量，适合进行空间分布模拟、插值分析等。
总结来说，向量数据模型适用于描述细粒度且结构复杂的地理现象，同时具备几何对象的精确性和关联属性的优势。
而栅格数据模型则适用于描述连续变量的空间分布，可以进行均等离散和连续性推断。
在GIS空间分析中，根据不同的需求和数据特点，可以选择合适的数据模型来进行分析和建模。
GIS空间数据模型全解
空
间
计
算
所有属性为
汽车站的点
检索
空间 数据库
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
一、数据模型概述
数据模型是对现实世界部分现象的抽象，它描述了数据的基本结构及其相互之间 的关系和在数据上的各种操作。 是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式表示， 以抽象的形式描述和反映地理实体构成及其相互关系。
选择与建立数据模型的目的是用最佳的方式表达实体对象及其相互关系，并能以 最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口
在面向对象的数据库中，只需对每个类定义一组操作，供该类中的每个对象使用， 而类中每一个对象的属性值要分别存储，因为每个对象的属性值是不完全相同的。
2.5 GIS 空间数据模型
三、面向对象模型
4.四种核心技术
?概括：将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的 超类的过程。子类是超类的一个特例。(继承机制)
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：
4）一般RDBMS难于存储和维护变长的空间数据及其拓扑关系 5）一般RDBMS难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加基本操作。 6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能 7）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息 8）一般RDBMS难以维护系统数据的完整性。
2.5 GIS 空间数据模型
三维GIS-三维GIS空间模型
6、B-Rep+CSG混合模型
中国地质大学（武汉）信息工程学院
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。
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。
•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：
图2. 目前较典型的混合三维数据模型
•本章根据模型的特点及在不同领域的应用特征，按 照面向地理、面向地矿、面向地学三个典型应用领 域，对三维空间数据模型进行分类介绍。
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。
GIS空间分析模型-朱洪成的日志-网易博客
GIS空间分析模型-朱洪成的日志-网易博客一、地学模型概述地理信息系统以数字世界表示自然世界，具有完备的空间特性，可以存储和处理不同地理发展时期的大量地理数据、并具有极强的空间系统综合分析能力，是地理分析的有力工具。
因此，地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展广泛的适用于地理信息系统的地理分析模型，这是地理信息系统走向实用的关键。
所谓模型，就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则所描写出来的简明映像。
模型通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。
地学模型是用来描述地理系统各地学要素之间的相互关系和客观规律信息的语言的或数学的或其他表达形式，通常反映了地学过程及其发展趋势或结果。
地学模型也称为专题分析模型。
对于地理信息系统来说，专题分析模型是根据关于目标的知识将系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序的新的数据集合的有关规则和公式。
这是应用地理信息系统进行生产和科研的重要手段。
模型化是将主观性的思考，以模型的形式反映出来，不同的理论观点，不同的体系可以产生不同的结果。
地学分析模型主要包含以下几种形式：1、逻辑模型：由地理名词和逻辑运算符组成的逻辑表达式表示；2、物理模型：由物理模拟过程表达；3、数学模型：由常数、参数、变量和函数关系等组成的数学表达式表示；4、图像模型：由某种图像或图像运算的集合表达，如各种专题地图。
专题分析模型在地理信息系统中的作用表现在以下几个方面：地理信息系统的设计任何地理信息系统都是为一定的应用目的而建立的，必须根据具体需要采用适用的分析模型指导地理信息系统总体设计。
主要包括：①数据项的选择，数据的范围、精度、量测方法等，如果毫无选择地录入数据，只会使系统增加负担，降低效率，无法突出主要因素，甚至因为数据采集周期过长而失去意义；数据结构应以最好地表示地理现象和易于模型实现为标准；②硬件环境的选择，根据模型的输入、输出和运算方法选择经济实用的硬件支持；③软件功能的选择，根据模型的管理和运行设计适用的软件功能。
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第三章
3D-GIS空间数据模型
——d 示例分析
《GIS原理与算法》
主要内容
数字城市 数字矿山 景观模型 对比分析
1、数字城市模型
1）
三维影像的方式
德国Koppers（1998）使用VRLM语言将空中影像叠加到DTM格网上，实现了城市与地形的三维景
观，这种景观仅具有浏览功能；
日本Tsuyshi Honjo（1998）借助CAD系统，不仅将影像纹理叠加到DEM上，而且添加了植物模型和
建筑物模型以及雾化效果，生成了十分逼真的地形
景观模型；
大多数2DGIS具有这种2.5维的城市显示、动画功能（如：MapGuide, ArcView, GeoStar, Ganemap.
等）；
Spatial Images
DTM
基于空中影像与DTM的城市模型构造[Koppers 1998]
2DGIS方式
•2DGIS作为主要数据源，采用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，采用模型方式。
•最大的缺陷是：真实感少，城市景观信息表达不足；
•2DGIS源数据与DEM结合构建3DCM的方法（Honjo, 1998；Schilcher,et al, 1998；Haala, et al. 1997）；•一些2DGIS系统扩展了构建3DCM的功能模块（如Arc/Info的3DX），并具有初步的量测功能，
•但对景观的真实度表达不够，同时也缺乏动态虚拟设计等其它功能；
2DGIS CAD
Additonal Infor.
基于2DGIS与CAD的模型构建[Ranzinger 1997]
Spatial Images
3DCG/CAD
TIN
基于TIN的城市模型构造[Koehl 1997]
2DGIS
Photo Images
CSG/OpenGL
基于3DCG，附加真实纹理的城市景观模型[朱英浩1998]
模型特点
纯三维的方式
利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建3DCM （Chen 1997）；这种方法是目前采集数据最快的
方法，但获取的DEM精度不够高；
在影像基础上，应用地面激光扫描仪和数码相机进行采集数据（Zhao & Shibasaki, 1998），
3DMAX精细制作（Skyline 2008）；需要大量的
后续工作进行影像匹配以及建筑物提取；
Xiaoyong Chen 1997
Huijing Zhao 1998基于激光扫描仪所获取数据的3D 对象重构DTM(by Laser
Scanner)
CCD Images
Vir. decoration
Spatial Images
3DCSG
基于影像的建筑物重构模型[Brenner 1997]
Xiaoyong Chen 1997Huijing Zhao 1998基于激光扫描仪所获取数据的3D 对象重构DTM(by Laser
Scanner)
CCD Images
上海金贸大厦LIDAR 点云(平均地面间隔0.3米)[张继贤2011]
纽约曼哈顿LIDAR 数据[2001.9.27]
模型特点
2)
城市3D空间实体
3D城市模型的表达
3D城市模型的表达
•线和面同样有其在三维空间的表现。
3D城市模型的表达
3D城市模型的表达
三维规则对象：采用CSG表达；
三维不规则对象：采用单纯形表达；
单纯形可以精确地表达各类三维空间实体
及其空间关系（陈军、郭薇，1997）；
3D城市模型的表达
3）应用实例
预
警
规划
房地产
交通
导航-救护
4）进一步的问题
“真三维”环境中的空间对象：现代城市本身是一个三维体系，其对应的理论模型必须能够体现这个体系。
传统的二维模型和数字地面模型已明显地显示了其在城市应用中的局限性。
在数字城市中，不仅要定义所以二维空间对象，更为重要的是抽象三维空间对象，如“真三维”空间中的点、线、面、体，及复杂面对象和体对象的解析。
三维空间对象的复杂的拓扑关系：这种关系除传统二维空间拓扑关系（如点-面、线-面、面-面关系等）外，还需体现空间对象在“真三维”空间中的特殊关系，如点-体、线-体、面-体、体-体关系等。
进一步的问题
动态变化：城市本身是一动态系统，作为现代城市在虚拟空间的表现，数字城市必须及时反映城市的动态变化，并对城市动态进行模拟。
实时服务：目前已有大量的实时监测系统，如遥感及实时的商业信息等。
这些形形色色的实时信息如何在数字城市实现信息管理的统一，以及针对不同应用的信息服务，是对数字城市理论模型的最根本的要求。
进一步的问题
因此，根据目前空间信息科学和技术的发展现
2、地学建模
李青元[1996]
侯恩科[2003]
齐安文[2002]
王彦兵[2005]
车德福[2008]
郭甲腾[2010]
3D地学模拟[吴立新]（研究生课程）
2、地学建模
基于四面体（或单纯形）的模型可以较好地用于表达地球科学领域的各类对象，适于矿山、地质、石油以及地震领域，
Lattuada等（2001）对这一方面的工作进行了探讨，发现四面体可以较好地解决地球科学领域的问题。
齐安文[2002]-三棱锥模型；
如下图：是用四面体模型基于模拟钻井数据重构的三维地质体，以及基于约束四面体模型重构的三维复杂地质体。
2、地学建模
a) 三维较规则地质体b)三维复杂地质体
基于四面体模型的三维复杂实体重构
2、地学建模
•由于四面体模型在涉及一些规则体，特别是一些具有弧形体如圆柱体、圆锥体外形的对象难
以较好地表达，
•同时四面体在表达一些比较规则对象时需引入多余的剖分计算，增加数据冗余，
•因此不适于城市环境。
2、地学建模
•八面体模型：
2、地学建模
•复合模型：
应用-规划设计
应用-储量计算
应用-开采模拟
应用-安全预警
问题？？
3、景观模型
平面视图（2D
）
模型视图（2.5D ）
模型视图（3D）
3-1、基于三维造型
优点：能构建逼真
的场景（如右
图），但这种以视
觉效果评价（VIA）
为目的的景观设
计，实用性问题是
影响其在工程设计
中应用的瓶甄。
（http://www.clr.utoronto.ca/）
利用目前市场上一些成熟的三维造型软件（如CAD 、3DMAX ，Alias 等）来构建高度真实感的景观模型和场景，追求的是对设计对象及主要景观要素的逼真表达，以进行视觉效果评价。
3-2、基于GIS软件
#）二维GIS工具通过现有的二维数据扩展的方式来创建三维景观时，在三维城市景观设计中应用较广。
#）一些二维GIS工具通过在TIN上添加二维对象（或符号）的方法来近似表达一种基于地形的景观设计效果（如下图示），无论在视觉效果还是实用性上都是很不理想。
#）利用GIS工具在DTM上加入影像进行地形的景观表达[孙敏2002；等] ；。