地理学视角的GIS
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5W1H: What、Who来自Why、Where、 When、How
汇报内容
存在的问题 问题的诊断 挑战的应对 几点认识
一、创新GIS数据模型
创新GIS数据模型
科学时空观能否为GIS数据模型提供基础理论支撑？
牛顿绝对时空观
爱因斯坦相对论时空观
时空分离数据模型
时空融合数据模型
创新GIS数据模型
对GIS的再认识
3、大众认为：
GIS就是地图、就是电子地图
4、行业应用者认为：
GIS好看，不好用
➢ GIS就是提供了一张背景图 ➢ 没有地理数据不行，有了也没有什么大用
对GIS的再认识
地理学对GIS发展的贡献在哪里? ——地图学理论与方法？
GIS对地理学发展的贡献有多大? ——空间分析与制图？
创新GIS数据模型
几何代数是描述几何问题的代数方法
几何系统 欧氏几何
几何 变换群
欧氏 变换群
基本 几何变换
平移、 旋转、 反射
基本几何关系
长度、角度、 全等...
相似几何
相似 变换群
平移、 旋转 、 反射、伸缩
角度 、相似...
仿射几何
仿射 变换群
平移、 线性变换
平行 、单比...
射影几何
射影 变换群
-108
6
26.56
26.5
-
P4
-144
P10
-36
6
26.56
26.5
P5
-72
P11
0
-90
6
层次递归剖分流程
剖分中心确定方法 多级多层剖分
外部菱形网格 层次递归剖分
投影
内切
剖分中心确定
(1)顶点位置关系确定
V7
(2)四叉数剖分
V6
(3)递归加密
V4 M
V5
第4剖分级别
创新GIS数据结构
网格与比例尺关系和特性统计
7
4
A
L
G
六边形的格边、三角形对偶格元的边界 六边形的对偶格元格边、三角形单元的格边
F
B
虚拟边界，六边形对偶格元的边界、三角形单元的格边
3
K
H
1
8
矢量在边界方向上的分量 法线方向，也是矢量在垂向上的分量
E
J
C I
6 D 5GIS数据结构既要表达像素、体素，还
要表达格点、格边和格面，通过格边和
格面表达单元、体元之间的相互作用
离连散续时与空离表散达的：统一将：时运间动利维表用嵌达Ve入成rso四Vr方e维rs程o时r方的空程解进，析行实性(x现与, y平可, z,移插t)整、值体旋性表转实达等现，表离其达散核的向心统连是一续高，的维微整代分合数后。空将间包 的含构速造度和、映加射速。度等信连息续A，=插x核ae值1心+：y是aRe2V=+ezrRase2o3/OrR+方=t1aT=e程R4e；S的-Ioϕ/S构2B；’R=造’微xTb与’e分1求+方y解b程e2。+：zbdes3/+dttb=e4RΩ
2
创新GIS数据结构
顶点编号
0
0
0
0
0
1
2
3
4
51
10 6
7
8
9 10
11 11 11 11 11
顶点在球面上的坐标
顶点
经度
纬度
顶点
经度
纬度
-
P0
0
90
P6
36
26.56
正二十面体与球面
26.5
-
P1
0
P7
108
6
26.56
的对应关系
26.5
-
P2
72
P8
180
6
26.56
26.5
-
P3
144
P9
对GIS的再认识
GIS数据结构为什么支撑不了全球模式? ——是数据模型有问题？全球模式太特殊？
GIS如何才能支撑地球系统科学的发展? ——发展GIS数据结构？还是全球模式数据 结构独立发展？
对GIS的再认识
问题三： 信息技术的发展决定了GIS发展？
对GIS的再认识
计算机技术发展与GIS开发模式的变化
对GIS的再认识
问题二： GIS难以支持地球系统科学研究？
对GIS的再认识
面向数据组织的全球空间离散格网
经纬网格
退化经纬网格
三角形网格
自适应网格
四边形网格
QTM网格
菱形网格
六边形网格
对GIS的再认识
面向模式计算的全球空间离散格网
经纬网格
变经纬网格
阴阳网格
矩形网格
三角形网格
六边形网格
正交网格
球面Delaunay 三角形网格
非均匀分布的地理空间与匀质的内外存空间 Rn地理随机访问与顺序内外存遍历
Rn地理数据与一维线性内、外存寻址方式 非结构化的地理数据与结构化的内外存单元 数据量的无限与内外存、I/0资源的有限
在时空模式提取的基础上设计半平衡索引树结构
设计基于“渐变与突变”检测的索引维护方法
nt
2
Et
hi ht ,1 i nt ,1 t k
i 1
k
E Et , t k i 1
采用神经网络方法，设计时空数据的降维算法
设计基于“位”的编码，基于字典的存储压缩 “对象-叶子节点-索引树”三级缓存机制
创新GIS数据结构
创新GIS数据结构
地球系统模式用偏微分方程表达 物质守恒、能量守恒和动量守恒
地理信息的解读
➢ 语义描述（是什么What、什么人Who、什么事 What 、为什么Why）
➢ 空间定位（在哪里Where） ➢ 几何形态（什么样子What） ➢ 演化过程（什么时间When、何种状态How） ➢ 要素关系（什么关系What） ➢ 属性特征（物理、化学、生物、人文、社会、经济
等的属性）（什么特征What ）
是按照地理数据的要求发展计算机的存储结构？ 还是按照计算机存储结构来存储地理数据？
创新GIS数据结构
地理的描述 数学的描述 机器的求解
地理现象在时空中存在渐变、突变与不变
空间分异：地理现象在空间上的分布及分布规律 演化过程：地理现象随时间的变化过程及演化特征 作用机制; 地理要素之间的相互作用，包括物理、化学、
剖分层次 对应比例尺 剖分层次 对应比例尺
剖分层级 格边长度m 格元数 剖分层级 格边长度m 格元数 剖分层级 格边长度m 格元数
剖分层级
格边长度m
格元数
11 1:1000万
18 1:5万
0 7971000 4 7 67459.30 65536 14 374.95
1.07E+09 21
12
13
14
15
组成部分
建议将地理信息的定义为：
描述与表达地理现象及其规律性的信息
地理信息的解读
地理信息的内涵（概念模型）：
➢ 语义描述（名词解释、分类体系、原理图）
➢ 空间定位（坐标、地标、地名地址） ➢ 几何形态（点、线、面、体、像素、体素） ➢ 演化过程（时刻点、时间片段、时间过程） ➢ 要素关系（空间关系、时间关系、时空关系、要素关系） ➢ 属性特征（物理、化学、生物、人文、社会、经济特征）
GPU： ???
GIS发展的光环曲线，从2009到2017
关注度
萌芽期 过热期 出现时间： 2年以内
低谷期
复苏期
成熟度
2~5年
5~10年
成熟期 10年以上
对GIS的再认识
GIS就跟着信息技术的发展爬行?
——融入信息技术主流而失去自我？
GIS立足于地理学，发展地理信息科技？
——地理学对GIS有何特殊意义？可否发展有 特色的GIS科学、技术与产业？
问题一：
地理信息系统（GIS）好像没有地理?
对GIS的再认识
不同领域的人对GIS有不同的认识
1、GIS专家认为：
GIS是测绘，不像地理
GIS是测绘信息系统 GIS是地图信息系统
2、地理学家认为：
GIS有点用，用处不像想象的大
➢ 用于制图，效果不如制图软件，美观不如手绘地图 ➢ 用于分析，提供了网络、叠置、缓冲区空间分析方法， 缺少地理系统分析、机理分析和规律分析方法
创新GIS数据结构
在空间的垂直方向上（单元内、区域内）是 否存在地理学第三定律？
➢地理学第三定律（地理景观定律）：地理
景观越相似，主导型地理环境因素越相似？
➢地理学第四定律（地理综合体定律）：地
理综合体是由物理、化学、生物、人文、社会、 经济等多要素相互作用形成的？
如何表征相互作用？其数学、物理、化学、 生物学等的表现形式是什么？
对GIS的再认识
我是谁？ 我怎么了？ 我能怎么样？
汇报内容
存在的问题 问题的诊断 挑战的应对 几点认识
问题的来源
GIS之父——Roger Tomlinson
Roger Tomlinson从地图学与 计算机制图学的视角定义了GIS
当前GIS数据模型 采用的地图数据模型
要把地图变成数 字形式的地图， 便于计算机处理 和分析
地理信息资源开发与利用 江苏省协同创新中心
地理学视角的 GIS进展
报告人：闾国年
南京师范大学地理科学学院 虚拟地理环境教育部重点实验室 地理信息科学江苏省重点实验室
重要的结论: GIS对美国地理 学的发展起到了 重要作用
重要的结论: GIS是支撑地球 系统科学研究主 要的技术与方法
汇报内容
存在的问题 问题的诊断 挑战的应对 几点认识
生物、人文、社会、经济作用
距离： 度量空间（欧式距离），非度量空间 （斜方差距离）、拓扑距离
距离的作用：反距离权函数、半变异函数、核函数…… 空间模式测度：异常值检测、G函数、F函数……
机器学习：神经网络、粒子群……
创新GIS数据结构
在空间的水平方向上（单元间、区域间）：
地理学第一定律:空间距离造成了相邻的事物相似，远离的事物 相异 ( W.R.Tobler)（数学表达？物理、化学、生物、人文、社 会、经济作用机制？）。 地理学第二定律:空间造成隔离，隔离促成个性的形成和发展， 由此繁衍出自然和人文景观的多样性和区域差异，也就是空间的 异质性(M.F.Goodchild) （数学表达？物理、化学、生物、人文 、社会、经济作用机制？ ） 。 地理学第一定律强调的是地理同一性，地理学第二定律强调的是 地理差异性。
15
16
17
18
187.48 93.74
46.87
23.43
4.29E+09 1.72E+10 6.87E+10 2.75E+11
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16 1:25万
23
1:1000 5
270712.1 4096 12 17498.16 67108864 19 11.72
能否找到合适的数学方法对GIS数据模型进行表达？
Clifford代数（几何代数）
平面几何—立体几何—解析几何 Clifford积
内积
外积
欧氏几何—非欧几何
几何—代数
y = a + bi
复数
实部
虚部
内积：距离、角度等几何及拓扑分析 外积：维度扩充和形体构建 几何积：标量与矢量运算、维度和几何运算的统一
射影变换
曲线次数 、交比...
共形 几何代数
共形 变换群
共形变换
交比 、张积...
创新GIS数据模型
地理时空的几何代数统一表达
将时间维嵌入 四维时空 (x, y, z, t) 传 统 时 空 表 达
将运动表达成 Versor方程
离 散 时 空 表 达
连z A
续
R1
时
空
表
Ri B
达x
C Rn y
连续与 离散的 整合
计算机硬软件技 术对GIS的支撑
Grid Service 封装组件 Web Service 封装组件
组件式GIS
模块式GIS
集成式GIS GIS 功能包
对GIS的再认识
GIS体系结构
C/S GIS、B/S GIS、Web GIS、Grid GIS、云GIS
单机、单核、集群、多核：
???
雾GIS 、霾GIS???
1:500万
无
1:100万
1:50万
19
20
21
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无
1:1万
1:5000
1:2500
1
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4164333 2128600
1075778 5405147
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1024
8
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33552.52 16497.07 7999.02 3749.63
262144 1048576
4194304 16777216
问题的来源
1、将地图（测绘）信息等同于地理信息 2、将地理空间信息等同于地理信息 3、将地理时空信息等同于地理信息 4、将对地理实体对象表达等同于对地理现象 及其规律的表达
地理信息的解读
地理信息的定义：
➢ 与地理空间位置相关的信息 ➢ 地理信息的主体是相关的信息 ➢ 空间位置信息是地理信息的重要特征与重要
创新GIS数据模型
高维度的地理要素的几何代数统一表达
创新GIS数据模型
几何代数 直接支撑地理分析模型
几何代数 直接支持并行计算
创新GIS数据模型
二、创新GIS数据结构
创新GIS数据结构
地理数据特征与计算机存储的矛盾
Rn地理数据与一维线性内、外存寻址和存储方式 非结构化的地理数据与结构化的内外存单元 Rn地理随机访问与顺序内外存遍历 非均匀分布、分异的地理空间与匀质的内外存空间 当前冯洛伊曼计算机处理器、内外存I/0性能差异巨大
创新GIS数据结构
GIS空间离散主要针对像 素、体素的管理
地球模式空间离散既要表 达空间单元，还要表达单 元间的相互作用
格元
空间数据表达
格点、格边、格元（体元） 地球系统模式计算
创新GIS数据结构
0 六边形的顶点、三角形的重心
六边形和三角形边界的中点
多层结构的复合菱形网格数据组织方法
六变形的重心、三角形的顶点
汇报内容
存在的问题 问题的诊断 挑战的应对 几点认识
一、创新GIS数据模型
创新GIS数据模型
科学时空观能否为GIS数据模型提供基础理论支撑？
牛顿绝对时空观
爱因斯坦相对论时空观
时空分离数据模型
时空融合数据模型
创新GIS数据模型
对GIS的再认识
3、大众认为：
GIS就是地图、就是电子地图
4、行业应用者认为：
GIS好看，不好用
➢ GIS就是提供了一张背景图 ➢ 没有地理数据不行，有了也没有什么大用
对GIS的再认识
地理学对GIS发展的贡献在哪里? ——地图学理论与方法？
GIS对地理学发展的贡献有多大? ——空间分析与制图？
创新GIS数据模型
几何代数是描述几何问题的代数方法
几何系统 欧氏几何
几何 变换群
欧氏 变换群
基本 几何变换
平移、 旋转、 反射
基本几何关系
长度、角度、 全等...
相似几何
相似 变换群
平移、 旋转 、 反射、伸缩
角度 、相似...
仿射几何
仿射 变换群
平移、 线性变换
平行 、单比...
射影几何
射影 变换群
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P5
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层次递归剖分流程
剖分中心确定方法 多级多层剖分
外部菱形网格 层次递归剖分
投影
内切
剖分中心确定
(1)顶点位置关系确定
V7
(2)四叉数剖分
V6
(3)递归加密
V4 M
V5
第4剖分级别
创新GIS数据结构
网格与比例尺关系和特性统计
7
4
A
L
G
六边形的格边、三角形对偶格元的边界 六边形的对偶格元格边、三角形单元的格边
F
B
虚拟边界，六边形对偶格元的边界、三角形单元的格边
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K
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矢量在边界方向上的分量 法线方向，也是矢量在垂向上的分量
E
J
C I
6 D 5GIS数据结构既要表达像素、体素，还
要表达格点、格边和格面，通过格边和
格面表达单元、体元之间的相互作用
离连散续时与空离表散达的：统一将：时运间动利维表用嵌达Ve入成rso四Vr方e维rs程o时r方的空程解进，析行实性(x现与, y平可, z,移插t)整、值体旋性表转实达等现，表离其达散核的向心统连是一续高，的维微整代分合数后。空将间包 的含构速造度和、映加射速。度等信连息续A，=插x核ae值1心+：y是aRe2V=+ezrRase2o3/OrR+方=t1aT=e程R4e；S的-Ioϕ/S构2B；’R=造’微xTb与’e分1求+方y解b程e2。+：zbdes3/+dttb=e4RΩ
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创新GIS数据结构
顶点编号
0
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10 6
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顶点在球面上的坐标
顶点
经度
纬度
顶点
经度
纬度
-
P0
0
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P6
36
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正二十面体与球面
26.5
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P7
108
6
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的对应关系
26.5
-
P2
72
P8
180
6
26.56
26.5
-
P3
144
P9
对GIS的再认识
GIS数据结构为什么支撑不了全球模式? ——是数据模型有问题？全球模式太特殊？
GIS如何才能支撑地球系统科学的发展? ——发展GIS数据结构？还是全球模式数据 结构独立发展？
对GIS的再认识
问题三： 信息技术的发展决定了GIS发展？
对GIS的再认识
计算机技术发展与GIS开发模式的变化
对GIS的再认识
问题二： GIS难以支持地球系统科学研究？
对GIS的再认识
面向数据组织的全球空间离散格网
经纬网格
退化经纬网格
三角形网格
自适应网格
四边形网格
QTM网格
菱形网格
六边形网格
对GIS的再认识
面向模式计算的全球空间离散格网
经纬网格
变经纬网格
阴阳网格
矩形网格
三角形网格
六边形网格
正交网格
球面Delaunay 三角形网格
非均匀分布的地理空间与匀质的内外存空间 Rn地理随机访问与顺序内外存遍历
Rn地理数据与一维线性内、外存寻址方式 非结构化的地理数据与结构化的内外存单元 数据量的无限与内外存、I/0资源的有限
在时空模式提取的基础上设计半平衡索引树结构
设计基于“渐变与突变”检测的索引维护方法
nt
2
Et
hi ht ,1 i nt ,1 t k
i 1
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E Et , t k i 1
采用神经网络方法，设计时空数据的降维算法
设计基于“位”的编码，基于字典的存储压缩 “对象-叶子节点-索引树”三级缓存机制
创新GIS数据结构
创新GIS数据结构
地球系统模式用偏微分方程表达 物质守恒、能量守恒和动量守恒
地理信息的解读
➢ 语义描述（是什么What、什么人Who、什么事 What 、为什么Why）
➢ 空间定位（在哪里Where） ➢ 几何形态（什么样子What） ➢ 演化过程（什么时间When、何种状态How） ➢ 要素关系（什么关系What） ➢ 属性特征（物理、化学、生物、人文、社会、经济
等的属性）（什么特征What ）
是按照地理数据的要求发展计算机的存储结构？ 还是按照计算机存储结构来存储地理数据？
创新GIS数据结构
地理的描述 数学的描述 机器的求解
地理现象在时空中存在渐变、突变与不变
空间分异：地理现象在空间上的分布及分布规律 演化过程：地理现象随时间的变化过程及演化特征 作用机制; 地理要素之间的相互作用，包括物理、化学、
剖分层次 对应比例尺 剖分层次 对应比例尺
剖分层级 格边长度m 格元数 剖分层级 格边长度m 格元数 剖分层级 格边长度m 格元数
剖分层级
格边长度m
格元数
11 1:1000万
18 1:5万
0 7971000 4 7 67459.30 65536 14 374.95
1.07E+09 21
12
13
14
15
组成部分
建议将地理信息的定义为：
描述与表达地理现象及其规律性的信息
地理信息的解读
地理信息的内涵（概念模型）：
➢ 语义描述（名词解释、分类体系、原理图）
➢ 空间定位（坐标、地标、地名地址） ➢ 几何形态（点、线、面、体、像素、体素） ➢ 演化过程（时刻点、时间片段、时间过程） ➢ 要素关系（空间关系、时间关系、时空关系、要素关系） ➢ 属性特征（物理、化学、生物、人文、社会、经济特征）
GPU： ???
GIS发展的光环曲线，从2009到2017
关注度
萌芽期 过热期 出现时间： 2年以内
低谷期
复苏期
成熟度
2~5年
5~10年
成熟期 10年以上
对GIS的再认识
GIS就跟着信息技术的发展爬行?
——融入信息技术主流而失去自我？
GIS立足于地理学，发展地理信息科技？
——地理学对GIS有何特殊意义？可否发展有 特色的GIS科学、技术与产业？
问题一：
地理信息系统（GIS）好像没有地理?
对GIS的再认识
不同领域的人对GIS有不同的认识
1、GIS专家认为：
GIS是测绘，不像地理
GIS是测绘信息系统 GIS是地图信息系统
2、地理学家认为：
GIS有点用，用处不像想象的大
➢ 用于制图，效果不如制图软件，美观不如手绘地图 ➢ 用于分析，提供了网络、叠置、缓冲区空间分析方法， 缺少地理系统分析、机理分析和规律分析方法
创新GIS数据结构
在空间的垂直方向上（单元内、区域内）是 否存在地理学第三定律？
➢地理学第三定律（地理景观定律）：地理
景观越相似，主导型地理环境因素越相似？
➢地理学第四定律（地理综合体定律）：地
理综合体是由物理、化学、生物、人文、社会、 经济等多要素相互作用形成的？
如何表征相互作用？其数学、物理、化学、 生物学等的表现形式是什么？
对GIS的再认识
我是谁？ 我怎么了？ 我能怎么样？
汇报内容
存在的问题 问题的诊断 挑战的应对 几点认识
问题的来源
GIS之父——Roger Tomlinson
Roger Tomlinson从地图学与 计算机制图学的视角定义了GIS
当前GIS数据模型 采用的地图数据模型
要把地图变成数 字形式的地图， 便于计算机处理 和分析
地理信息资源开发与利用 江苏省协同创新中心
地理学视角的 GIS进展
报告人：闾国年
南京师范大学地理科学学院 虚拟地理环境教育部重点实验室 地理信息科学江苏省重点实验室
重要的结论: GIS对美国地理 学的发展起到了 重要作用
重要的结论: GIS是支撑地球 系统科学研究主 要的技术与方法
汇报内容
存在的问题 问题的诊断 挑战的应对 几点认识
生物、人文、社会、经济作用
距离： 度量空间（欧式距离），非度量空间 （斜方差距离）、拓扑距离
距离的作用：反距离权函数、半变异函数、核函数…… 空间模式测度：异常值检测、G函数、F函数……
机器学习：神经网络、粒子群……
创新GIS数据结构
在空间的水平方向上（单元间、区域间）：
地理学第一定律:空间距离造成了相邻的事物相似，远离的事物 相异 ( W.R.Tobler)（数学表达？物理、化学、生物、人文、社 会、经济作用机制？）。 地理学第二定律:空间造成隔离，隔离促成个性的形成和发展， 由此繁衍出自然和人文景观的多样性和区域差异，也就是空间的 异质性(M.F.Goodchild) （数学表达？物理、化学、生物、人文 、社会、经济作用机制？ ） 。 地理学第一定律强调的是地理同一性，地理学第二定律强调的是 地理差异性。
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1:1000 5
270712.1 4096 12 17498.16 67108864 19 11.72
能否找到合适的数学方法对GIS数据模型进行表达？
Clifford代数（几何代数）
平面几何—立体几何—解析几何 Clifford积
内积
外积
欧氏几何—非欧几何
几何—代数
y = a + bi
复数
实部
虚部
内积：距离、角度等几何及拓扑分析 外积：维度扩充和形体构建 几何积：标量与矢量运算、维度和几何运算的统一
射影变换
曲线次数 、交比...
共形 几何代数
共形 变换群
共形变换
交比 、张积...
创新GIS数据模型
地理时空的几何代数统一表达
将时间维嵌入 四维时空 (x, y, z, t) 传 统 时 空 表 达
将运动表达成 Versor方程
离 散 时 空 表 达
连z A
续
R1
时
空
表
Ri B
达x
C Rn y
连续与 离散的 整合
计算机硬软件技 术对GIS的支撑
Grid Service 封装组件 Web Service 封装组件
组件式GIS
模块式GIS
集成式GIS GIS 功能包
对GIS的再认识
GIS体系结构
C/S GIS、B/S GIS、Web GIS、Grid GIS、云GIS
单机、单核、集群、多核：
???
雾GIS 、霾GIS???
1:500万
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1:50万
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1024
8
9
10
11
33552.52 16497.07 7999.02 3749.63
262144 1048576
4194304 16777216
问题的来源
1、将地图（测绘）信息等同于地理信息 2、将地理空间信息等同于地理信息 3、将地理时空信息等同于地理信息 4、将对地理实体对象表达等同于对地理现象 及其规律的表达
地理信息的解读
地理信息的定义：
➢ 与地理空间位置相关的信息 ➢ 地理信息的主体是相关的信息 ➢ 空间位置信息是地理信息的重要特征与重要
创新GIS数据模型
高维度的地理要素的几何代数统一表达
创新GIS数据模型
几何代数 直接支撑地理分析模型
几何代数 直接支持并行计算
创新GIS数据模型
二、创新GIS数据结构
创新GIS数据结构
地理数据特征与计算机存储的矛盾
Rn地理数据与一维线性内、外存寻址和存储方式 非结构化的地理数据与结构化的内外存单元 Rn地理随机访问与顺序内外存遍历 非均匀分布、分异的地理空间与匀质的内外存空间 当前冯洛伊曼计算机处理器、内外存I/0性能差异巨大
创新GIS数据结构
GIS空间离散主要针对像 素、体素的管理
地球模式空间离散既要表 达空间单元，还要表达单 元间的相互作用
格元
空间数据表达
格点、格边、格元（体元） 地球系统模式计算
创新GIS数据结构
0 六边形的顶点、三角形的重心
六边形和三角形边界的中点
多层结构的复合菱形网格数据组织方法
六变形的重心、三角形的顶点