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
•BEA Confidential. | 21
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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] ；。