4-1三维GIS空间数据模型-概念

第三章

3D-GIS空间数据模型

——c原理与分析？

遥感与地理信息系

2011.5

GIS原理与算法

主要内容

对3D-GIS的重新认识？

实际意义如何？

3D数据的建模分类

空间拓扑关系问题？

发展方向

1、对3D-GIS的重新认识

人类生存环境及几乎所有人造物体均具有三维尺寸。

1、对3D-GIS的重新认识

现有GIS通过投影方式在平面二维表达现实世界中的各类对象，可以解决很多实际应用问题，

1、对3D-GIS的重新认识

但在处理第三维空间信息时遇到了困难，如城市表达、地质、矿山、石油等典型应用领域；

需要建立三维模型来表达现实世界中的各类对象

。

城市立交桥地质钻空模拟

1、对3D-GIS的重新认识

复杂的三维空间（拓扑）关系；

三维对象的模型表达就是一个非常困难的问题；

在研究过程中发现：要建立一个具备现有GIS 各方面功能的3DGIS，在现有条件下几乎是不可能的。

1、对3D-GIS的重新认识

困难在于：

试图找到一个全新的3D数据模型替代现有GIS中点、线、面表达的二维模型，

将Z值从属性数据变为空间数据，即由表达（X, Y）；Z改为（X, Y, Z），

在现有点、线、面三要素的基础上增加体要素；

试图在一个模型中表达现实世界中的各类三维对象； 试图强调对复杂对象表达的精确性。

1、对3D-GIS的重新认识

试图建立一个三维通用模型，解决对现实世界各类复杂对象的三维建模问题，包括地质、矿山、石油、地震、海洋、大气、城市环境等等。

然而在长时间的探索中，这一问题基本没有得到实质性的进展。

2、

2-1、3D的应用

GIS的发展已有三十多年的历史，其应用已深入到很多领域，就中国的GIS应用现状来看：

GIS已在农、林、水、牧、渔、地质普查及勘探、交通运输、房地产管理、公用事业、居民服务及咨询、科学研究与综合技术服务等行业均有应用；

这些行业涉及的应用领域主要有：宏观决策、环境保护、基础数据库、资源管理、规划管理、综合性GIS、电力电信公路等事业、城市建设、公安消防、投资咨询、土地管理、制图等[陈常松，1996]； 80%和地理信息有关。

2-1、3D的应用

但这些应用中涉及对空间第三维信息的应用需求目前还较少。

虽然许多应用发展迫切需要GIS处理空间第三维信息，

但这种需求推动是否意味着必须将整个GIS系统向三维转变？

2-1、

2-2、概念的定义

国内外学者对GIS的认识：

Goodchild[1992]认为GIS主要研究应用计算机技术对地理信息进行处理、存贮、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本问题：

如数据的获取和集成、分布式计算、地理信息的认知和表

达、空间分析；

地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对于地理

信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等。

马蔼乃[2000]从地理学的发展角度认为：

GI系统主要是研究用计算机如何编制图形图像库与属性库的

软件，具有对这些数据进行采集、加工、处理和输出地理信

息的功能。

而GI科学除了研究地理图形图像与属性信息外，还要研究地

理知识信息、地理逻辑信息、地理模型信息等深层次问题。

2-2、概念的定义

从权威学者对地理信息科学的论述中，可以看出：

无论在哪种概念中，人们并没有指出地理信息的空间维度，即GIS中的空间数据既可以是二维的也可以是三维的，

“三维GIS”概念的提法应该强调的是系统对空间第三维信息的处理功能，

3DGIS研究者对“3DGIS”的理解：

2-2、概念的定义

Pigot[1998]指出3DGIS应具有量测、逻辑、归纳与合并操作以及缓冲、最短路径分析等功能，由于除量测功能外其它均与拓扑关系相关，3DGIS数据模型必须具备拓扑功能。

Pfund 和Carosio[1999]认为目前3DGIS为了便于应用和更好地操作，通常省略了拓扑信息，因此其功能通常限于可视化，支持少量分析功能。

2-2、概念的定义

Kofler(1998)在其博士论文中指出3DGIS与2DGIS的区别在于数据量与用户界面，在他研究的维也纳漫步系统中用到了CAD模型，同时维也纳漫步系统并不具备各种空间分析功能，但毫无疑问该系统仍然属于地理信息系统；

Lee等人（1998）研究开发了一个网上3DGIS，该系统数据由2D转换得到，使用VRML以点（nodes）为基本要素进行建模，尽管仅具有部分2D与3D的操作功能，但研究者仍将该系统称为3DGIS；

Deunis等（1989）指出将一个二维的工具应用到三维情形中会在许多方面限制人们的工作，必须专门研究用于地球科学的3DGIS；从这些观点来看，3DGIS并不具有与GIS一样的通用性。

2-2、

2-3、模型的构建

GIS应用于很多领域，基本上与空间数据有关的领域均可以找到GIS的应用；

GIS表达对象的空间比例尺度可以从1:500连续变化到1:1,000,000甚至更小，即在这样一个比例尺

度范围内均可以找到GIS数据模型所表达对象的实

际含义；

但对于3DGIS，情形则会有所不同：

2-3、模型的构建

现有GIS基本建立在点、线、面为主的矢量数据模型之上，其中点构成线，线构成面。

点要素P(x, y)可以表达任一具有空间点位置的个体对象，也可以表达占有二维空间位置的对象，如从街灯、路口、车站到整个城市；

线要素L(P1,P2,P3,…)可以表达任一占有一维或二维空间的对象，如从管线、道路、到河流；

面要素S(L1, L2, L3,…)可以表达任一占有二维空间的对象，从个体位置到小区域乃至于大范围，如从房屋、广场、城市、到整个国家地域；

因而，GIS的点线面模型可表达平面任意尺度的对象，能应用于很多空间领域。