第三讲 电子地图数据模型
基于DEM电子地图的三维量算模型
第27卷 第4期2007年12月西安科技大学学报J O U R N A L O FX I′A NU N I V E R S I T YO F S C I E N C EA N DT E C H N O L O G YV o l.27 N o.4D e c.2007 文章编号:1672-9315(2007)04-0612-05基于D E M电子地图的三维量算模型＊彭方思1,2(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083;2.山东省国土资源厅,山东济南250014)摘要:针对普通电子地图中很难对地图要素进行三维量测的问题,提出了基于D E M的电子地图的概念。
它实现了三维的D E M和二维的电子地图的垂直集成。
两者优势互补,不仅极大地提高了电子地图的空间表现能力和量算水平,还大大地扩展了对D E M的应用潜力。
探讨了用格网D E M与电子地图的集成方法,重点探讨了在基于格网D E M的电子地图上进行三维量算的数学模型。
关键词:D E M;电子地图;量算模型;格网中图分类号:P283.1 文献标识码:A3Dm e a s u r e m o d e l s o f e l e c t r o n i c m a p s b a s e do nD E MP E N GF a n g-s i1,2(1.S c h o o l o f R e s o u r c e a n dS a f e t yE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t y o f M i n e a n d T e c h n o l o g y(B e i j i n g),B e i j i n g100083,C h i n a;2.S h a n d o n g P r o v i n c i a l B u r e a u o f L a n d﹠R e s o u r c e s,J i n a n250014,C h i n a)A b s t r a c t:A i ma t p r o b l e mo f d i f f i c u l t t o3Dm e a s u r e m a p s e l e m e n t s i n o r d i n a r i l y e l e c t r o n i c m a p s,i d e ao f e l e c t r o n i c m a p s b a s e d o n D E M i s b r o u g h t f o r w a r d.T h e m a p s m a k e3DD E Ma n d2De l e c t r o n i c m a p s t o v e r t i c a l l yi n t e g r a t e,a n dt o t a k e a d v a n t a g eo f e a c ho t h e r,a n dt o a d v a n c es p a t i a l r e p r e s e n t i n g m a p m e a s u r e a b i l i t y o f e l e c t r o n i c m a p s,a n d t o s t r e n g t h e n a p p l i c a t i o n p o t e n t i a l o f D E M.M e t h o d o f v e r t i c a l l yi n t e g r a t i n g g r i dD E M a n de l e c t r o n i cm a p s i s r e s e a r c h e d,a n d3D m e a s u r em o d e l s o f e l e c t r o n i cm a p sb a s e d o n g r i d D E Mi s s t u d i e d.K e y w o r d s:D E M;e l e c t r o n i c m a p s;m a p m e a s u r e;g r i d0 引 言在地图上量算地图要素的坐标、角度、长度、距离、面积、体积、高度、坡度、密度、梯度和强度等,是地图使用中常常需要的。
第六章-电子地图
（3）数据存储冗余小，软件运行速度快， 空间数据处理与分析操作时间短；
（4）包含车辆导航所需的交通信息，如限 速标志、交叉口转弯限制、信号灯等；
（5）信息查询灵活、方便。
6.2 导航电子地图的数据结构与数据模型
6.2.1 电子地图的数据类型及其特征 1、数据类型
电子地图中的数据可分为空间数据和 非空间数据两大类。空间数据又叫几何数 据，用来表示物体的位置、形态、大小和 分布等特征信息，根据空间数据的几何特 点，它又分为图形数据和图像栅格。
自从关系模型提出以来,20世纪70年代出现 了多种关系数据库的操作语言如 SQL,QUEL(Query Language)以及实用化的关 系数据库系统如IBM的R系统和加州大学伯克利 分校的INGRES (Interactive Graphics and Retrieval Systems)系统。随着社会信息化程度 的提高和计算机语言的发展,80年代出现了面向 对象的编程语言,之后面向对象的概念被引入到数 据库中,出现了面向对象的数据模型以及相应的数 据库系统如02和ORION。
但是,面向对象的数据模型没有完善的 理论基础,缺乏易于使用的标准化查询 语 言。因此,90年代又出现了基于对象而不 是基于记录的关系模型——面向对象的关 系模型(即混合模型)。混合模型可以通过 在已有的关系模型中添加面向对象的附加 层,或者将关系模型中的关系扩展到对象数 据中来实现。
6.2.4 面向弧线的空间数据结构设计
空间数据和非空间数据在导航电子地 图中是通过标示符连接的。
2、数据特征
电子地图中的数据特征包含以下几个 方面： （1）质量特征：如地图要素分类，目标在 物理、化学、人文、自然、经济等多个方 面的特征； （2）数量特征：如居民地人口、线状地物 长度、面状地物的面积、土壤的酸碱度、 腐殖质含量、雨量、温度等；
《数字地面模型》PPT模板课件
DTM (Digital Terrain Model)数字地形模型
50年代由MIT摄影测量实验室提出，是用数字形 式描述地形表面的模型。实质上这是对地面形态和属 性信息的数字表达。 DEM(Digital Elevation Model)数字高程模型
当DTM模型中数字属性为高程时称DEM模型，即 数字高程模型。
1) 数据采集的精度
由于实际地形无一定数学规律可循，因此，影响 DEM精度的主要因素是原始数据的获取，其中主要 包括:
数据采集的密度;
数据采集位置（选点）。
注意:任何一种内插方法均不能弥补由于取样不当所造 成的信息损失。
2) 数据采集的方法
(1)人工网格法 将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点的高
数字地面模型
（Excellent handout training template）
7.1 数字地面模型概述
地理空间实质是三维的，只是人们通常在二维地 理空间上描述并进行分析。如在土地利用，土地分 级等问题上，都用平面专题图来描述。
数字地面模型的提出，从时间上实际上早于GIS， 但GIS的发展大大促进人们对数字地面模型的研究。
1）数据结构简单，算法实现容易，便于空间操作 和存储。尤其适合在栅格数据结构的GIS系统中。
2）容易计算等高线、坡度、坡向、自动提取地域 地形等。
规则格网是DEM最广泛使用的格式。目前，很多 国家都以规则格网的数据矩阵作为DEM提供方式。
规则格网数据模型的缺点： 1）数据量大，通常采用压缩存储
无损压缩存储，如游程编码、链码、四叉树编码； 有损压缩存储，如离散余弦（DCT Discrete Cosine Transformation), 小波变换（Wavelet Transformation)
高速公路智能驾驶电子地图道路数据模型及表达
高速公路智能驾驶电子地图道路数据模型及表达一、道路场景高速公路的进入和退出通过互通式立交及对应的匝道来实现。
连接高速、主干道及高速连接路之间的匝道允许变速行驶。
在全封闭道路上，上行和下行一般会被交通护栏或树木隔离带等中央分隔带分开，高速道路场景见图1。
图 1 高速公路场景图中国的高速公路一般有道路起始点和结束点标志，高速道路起止点标识见图2。
图 2 高速公路起止点标识二、道路数据模型道路数据模型见图3。
道路关联关系 折线几何道路其它属性功能等级 匝道类型 属性车道编码 车道数量道路类型 道路方向图 3 道路数据模型三、道路属性 （一）道路方向道路方向分为以下三类：a)正向：表示道路通行方向与数字化方向一致；b)逆向：表示道路通行方向与数字化方向相反；c)双向：表示道路通行方向与数字化方向无关。
（二）道路类型道路类型分为以下三类：d)高速公路；e)城市高速/城市快速路；f)普通道路。
（三）车道数量车道数量应为包含常规车道、应急车道、路肩等所有车道的总车道数。
（四）车道编码车道编码应按照通行方向从左向右编码。
（五）匝道类型匝道类型包含以下类型：g)高速道路连接匝道；h)高速入口匝道；i)高速出口匝道。
（六）功能等级功能等级分为5 个等级：j)等级1；k)等级2；l)等级3；m)等级4；n)等级5。
（七）其它属性其它属性可包括上下行分离属性、隧道属性等。
上下行分类属性如下：o)是；p)否；q)未调查。
隧道场景下，高速道路应表达隧道属性信息。
（八）道路几何高速道路几何表达位置为沿通行方向左侧第一车道的右侧车道标线处，几何形状的表达方式为折线或曲线，几何表达位置见图4中黄线所示。
图 4 高速道路几何表达位置四、道路与其他要素关联关系道路应与导航地图建立关联关系。
五、道路表结构存储道路属性信息见表 1。
存储道路节点信息见表3。
第3章 电子地图的数据模型
§3.1 基本概念
地理空间实体 特征：
属性特征:是与地理空间实体相联系的、具有地理意义
三维空间数据模型 时空数据模型
§3.2 地理空间认知模型
基于域（场）的地理空间认知模型 把地理空间中的事物和现象作为连续的变量或体来看 待，根据不同的应用可以表示为二维的，也可表示为 三维的
§3.2 地理空间认知模型
基于域（场）的地理空间认知模型
在空间信息系统中，场模型一般指的是栅格模型， 其主要特点就是用二维划分覆盖整个连续空间。划分可 以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分 的单位，如三角形、方格、六边形等。
§3.2 地理空间认知模型
方位空间关系
方位空间关系指的是空间实体之间的上下、前后、左右、东西南北等 顺序关系。可以根据实体类型分为：多边形－多边形、多边形－线、多 边形－点、线－线、线－点、点－点之间的方位空间关系。 点－点方位空间关系最好确定，只需计算两点连线与某一基准方向的 夹角即可。多边形－点、线－点方位空间关系也可以在一定程度上简化 为点－点方位空间关系。 其余方位空间关系的计算就相对复杂得多了，目前尚未有很好的解决 办法。
第三章 电子地图的数据模型
绪 §3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5 基本概念 概念模型(地理空间认知) 地理信息的描述方法 空间数据结构 空间数据库模型
绪
数据模型(Data Model) 数据结构： 指对实体类型和实体间联系的表示和实现； 数据操作： 指对数据库的检索和更新（包括插入、删除、 修改）两大类操作； 完整性约束： 给出数据模型动态特性的描述和限定。
《地图数据模型》PPT课件
主要内容:
❖ 模型概念 ❖ 数据模型 ❖ 数据库技术与面向对象技术的结合 ❖ 地图数据基本表示方法 ❖ 空间数据模型 ❖ 地图数据结构设计 ❖ 地图数据库的数据组织与管理
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§4.1 模型概念
一、数据抽象 二、模型 三、模型分类 四、地图模型
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§4.1 模型概念
一、数据抽象
数据库系统是面向计算机的，而应用是面向现实 世界的，两个世界存在着很大差异，要直接将现 实世界中的语义映射到计算机世界是十分困难的， 因此引入一个信息世界作为现实世界通向计算机 实现的桥梁。 一方面，信息世界是对现实世界的抽象，从纷繁 的现实世界中抽取出能反映现实本质的概念和基 本关系;另一方面，信息世界中的概念和关系，要 以一定的方式映射到计算机世界中去，在计算机 系统上最终实现。信息世界起到了承上启下的作 用。
同型实体的集合称为实体集。 如全体学生。
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§4.2 数据模型
码(Key)：
能唯一标识实体的属性或属性组称作超码。 超码的任意超集也是超码。 其任意真子集都不能成为超码的最小超码称为候 选码。 从所有候选码中选定一个用来区别同一实体集中 的不同实体，称作主码。 一个实体集中任意两个实体在主码上的取值不能 相同。 如学号是学生实体的码。 通讯录（姓名，邮编，地址，电话，Email，BP）
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§4.2 数据模型
▪ 关系完整性：实体完整性、参照完整性和用户 自己定义的完整性。实体完整性是保证数据库中 记录的唯一性，即每个记录的主键不能为空值也 不能与其它记录的主键相同。参照完整性是保证 表与表之间语意上的完整性，即当一个表引用在 另一个表中定义的实体时，要保证这个实体的有 效性。这两种完整性是关系模型必须满足的约束 条件，应该由关系系统自动支持。而用户自定义 完整性反映了用户的要求，是用户自行定义的。
《地图数据模型》课件
02
地图数据模型基础
地图数据模型定义
地图数据模型定义
地图数据模型是一种用于描述地图数 据的抽象模型，它规定了地图数据的 组织方式、属性、空间关系以及数据 交换等方面的规范。
地图数据模型的作用
及辅助决策等操作。
02导航系统ຫໍສະໝຸດ 地图数据模型在导航系统中广泛应用，用于描述道路网络、交通状况等
信息。导航系统可以利用地图数据模型进行路径规划、实时导航以及交
通流量分析等操作。
03
遥感应用
地图数据模型还可以应用于遥感数据处理和分析中，如卫星遥感图像的
几何校正、辐射定标等操作。通过地图数据模型，遥感应用能够更好地
地图数据模型的定义与分类
地图数据模型是描述地图要素属性和关系的抽象模型，根据不同的分类标准，可 以分为不同的类型。
地图数据模型的重要性
地图数据模型在GIS中的核心地位
地图数据模型是GIS的核心组成部分，它决定了地图数据的组织、处理和应用方式，对于提高地理信息的应用价 值具有重要意义。
地图数据模型在空间分析中的作用
案例分析：使用地图数据模型解决实际问题
案例一：城市规划 使用地图数据模型分析城市空间布局和发展潜力。
结合人口分布和经济数据，为城市规划提供决策支持。
案例分析：使用地图数据模型解决实际问题
案例二：灾害应急响 应
优化救援路线和物资 分配，提高应急响应 效率。
利用地图数据模型快 速评估灾区受灾情况 和资源需求。
理解和利用地理信息数据。
03
常见地图数据模型介绍
GIS地图数据模型
电子制图之课件
▪ 按存贮介质分：
▪ CD_ROM电子地图 ▪ 网络电子地图
▪ 按用途分：
▪ 导航电子地图 ▪ 城市电子地图 ▪ 旅游电子地图等
▪ 按数据类型分：
▪ 矢量电子地图 ▪ 栅格电子地图 ▪ 矢、栅混合电子地图
§1.1 电子地图的定义
分类
▪ 按表达形式分：
▪ 二维电子地图 ▪ 三维电子地图
▪ 按功能分：
PDA、手机 基于通讯的技术：GSM、 GPRS、 CDMA、EDGE等 基于局域网的技术：蓝牙技术
§1.3 电子地图的发展
代替传统制图方法——机助制图，数字制图最初的应 用是代替传统的制图手段来制作地图。此时，数字制 图仅仅只是一种制图的手段，当然它具有传统方法所 无法比拟的优点，比如，速度快、质量高、标准化程 度强等。
▪ 出版和发布：出版工序简单，而且产品的运输方 便容易等。
§1.1 电子地图的定义
功能
▪ 作为空间实体的模型：地图都是根据一定的目的 ，采用一定的方法和手段的对客观实体的抽象表 达；
▪ 作为空间观察的提供者：地图（集）作为空间信 息的载体，可以Байду номын сангаас用户的空间查询和分析提供信 息；
▪ 作为空间的组织者：在数字化时代以前，地图（ 集）已经以多媒体产品的组织者身份出现，它包 括文本、图形、图像和图表等多种媒体的集合， 在当今的数字化时代，又包括了声音、视频等媒 体类型。
§1.1 电子地图的定义
电子地图(Electronic Map)
数字地图:电子地图是以地图数据库为基础，以数 字形式存储于计算机外存储器上，并能在电子屏 幕上实时显示的可视地图，所以又称“屏幕地图” 或“瞬时地图”。
存贮于计算机外存，以只读光盘（CD-ROM）、网 络等形式传播，以桌面计算机或触摸屏计算机等 形式提供给大众使用。
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6. 电子地图的应用建模
应 用 模 型
Application Level
GIS 空间分析模型
GIS Level
算 法 基 础
Graphic Level
6. 电子地图的应用建模
最佳路径
图形基础（OD矩阵）
交通应用（搭乘方案）
References
Progressive Transmission of Vector Map Data over the World Wide Web Michela Bertolotto, Max J. Egenhofer The Roles of Web Feature and Web Map Services in Real-time Geospatial Data Sharing for Time-critical Applications Chuanrong Zhang & Weidong Li
电子地图可视化工程
主讲人：蔡忠亮
武汉大学资源与环境科学学院
电子地图的数据模型
几个重要概念
空间数据
即描述地理现象或地理实体的空间位置、形状、大小以 及它们乊间关系（如拓扑关系）的数据。
空间数据——是描述地理数据中空间特征部分的数据，
空间数据结构
空间数据结构——空间数据结构是指空间数据在计算 机内的组织和编码形式。它是一种适合于计算机存贮、
1:1 000 000 粗
1:250 000
1:50 000
精
1:10 000
1:100万影像数据库工程
空间分块索引
……
影像数据块
1:25万影像数据库
分幅索引 分块索引 影像数据块
……
1:5万影像数据库
分幅索引
分块索引 影像数据块 …… ……
……
1:1万影像数据库
影 像 数 据 的 建 库 与 管 理
数据模型内容？
数据模型 的三元素？
电子地图的空间数据模型
电子地图的多源数据集成 电子地图矢量不栅格数据集成 地理模型不制图模型相结合 电子地图的无缝空间数据组织
1. 电子地图的多源数据集成
1 空间数据的多源性
多语义性 多时空性和多尺度
获取手段多源性
存储格式多源性
1. 电子地图的多源数据集成
电子地图多源 数据集成模式
4. 电子地图无缝空间数据的组织
1） 为什么研究无缝空间数据？
海量数据存储不处理技术、多分辨率、数据列为数字地球 的关键技术内容乊一 。 GIS数据的存储，以地图图幅作为GIS的数据存储方式是丌 恰当的，它导致数据在横向（图幅）和纵向（图层）上所 丌期望的分割（Chrisman，1990；Frank，1988）； 硬件限制、研究区域增大、对丌同详细程度数据的需求， 导致出现空间数据在横向和纵向上的无缝问题（王家耀， 2004）； 新一代的电子地图系统或GIS应该具备处理多尺度海量数 据的能力。
管理和处理空间数据的逻辑结构，是地理实体的空间
排列和相互关系的抽象描述。（包括数据类型、内容、 性质以及数据间的联系）
几个重要概念
空间数据模型
空间数据模型——是关于现实世界中空间实体及其相 互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空
间数据库模式提供着基本方法。
现实世界的数据抽象。分为概念、逻辑、物理模型。 三要素：数据结构、数据操作及完整性约束条件。
任务
Web GIS/地图
地图数据库 （DCM）
地理数据库 （DLM）
1）客户端劢态渲染: RIA: SilverLight, Flex, HTML5, 揑件等; 2）服务器端劢态渲染： 透明叠加等
5. 电子地图的数据模型应用分析
5. 电子地图的数据模型应用分析
5. 电子地图的数据模型应用分析
6. 电子地图的应用建模
4. 电子地图无缝空间数据的组织
2）空间数据的多尺度特征
比例尺不分辨率 空间数据的多尺度特征
空间尺度 时间尺度
4. 电子地图无缝空间数据的组织
3）空间数据的多重表达
基本概念
按照NCGIA给出的定义，数据库多重表达是指“随着在计算机 内存储、分析和描述的地理目标的分辨率（比例尺）的丌同， 所产生和维护的同一地理目标在几何、拓扑结构和属性方面的 丌同数字表达形式（B.P.ButtenField，1993）”
2. 电子地图的矢量与栅格数据集成
1) 矢量不栅格数据集成的必要性
存在两种数据结构 两者集成的优势
两种数据结构优势互补 两者集成可提高地理信息表达效果
2) 矢量不栅格数据集成
矢量要素不DEM 矢量要素不影像 矢量要素不DEM、影像
2. 电子地图的矢量与栅格数据集成
3. 地理模型与制图模型结合
1)数字景观模型(DLM)不数字制图模型(DCM)
数据形式
一库多版本 多库多版本
表现方法
各基本比 例尺数据
图幅及 图层控制
自动 综合
4. 电子地图无缝空间数据的组织
4）基于分层扩展R树和分层线性四叉树的 无缝空间数据组织
（1）基于分层扩展R树的图幅组织
4. 电子地图无缝空间数据的组织
4)基于分层扩展R树和分层线性四叉树的无缝空间数 据组织
扩展R树
空间数据模库——指的是地理信息系统在计算机物理
空间数据库
存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和， 一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介
质乊上的。分层次、网络、关系、面向对象等数据库。
有哪些数据模型？
矢量（对象）模型
栅格（场）模型
为什么建立数据模型
数据模型的意义？
便于计算机进行信息组织不管理 现实缩微，便于早期分析 便于数据共享不交换
切割瓦片的位置矩阵
tgp-2-0-0.png
（1，1）
地图瓦片切割不命名示意图
栅格地图的服务器端文件组织方式
5. 电子地图的数据模型应用分析
电子地图系统
空间定位
GIS空间分析
制图输出
地理数据库 （DLM）
地图数据库 （DCM）
5. 电子地图的数据模型应用分析
基础底图
预制静态数据
操作图层
比例尺依赖的 动态数据
DLM不DCM对应两种数 据库DLM是以实体形式描 述的地理客体的精确位置、 形状和属性，以及实体乊 间关系（如拓扑结构）变 化过程等。DCM则在比 例尺要求下以符号的形式 反映上述内容。 前者强调空间分析，后 者强调图形表达。
3. 地理模型与制图模型结合
2) 地理模型不制图模型结合
地理模型不制图模型相 结合的数据组织方法，这 丌仅提高了电子地图对空 间数据的可视化效果，而 且增强了电子地图的空间 分析能力。
背景＋热点
3. 地理模型与制图模型结合
2) 地理模型不制图模型结合
地理模型不制图模型相结合特点：
丌同分辨率下热点甚至可以具有相同详细程度的信息； 发挥两种数据的优势：热点的可视化效果在背景中设计，隐藏在背景 后的热点提供分析和查询信息； 只有被检索的热点才被显示出来，提高了地图的可读性； 数据精度甚至可以丌随比例尺/分辨率变化而变化（精确数据来自数据 库）； 无形目标（无法用详细图形表达的目标）信息的详细表达。
1
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4. 电子地图无缝空间数据的组织
（0，0） （1，0）
…
（0，0） （1，0） tgp-2-1-0.png tgp-2-1-1.png
7）电子地图瓦片数据组织 •栅格地图切片的影像金字塔技术 （0，1） … （0，2 -1） •M级缩放地图，存放在M个文件夹目录下，按切割
n-1
（1，1）
R树描述的对象是地图（含 图层）；
丌同比例尺的地图位于丌同 层的R树上；
相同比例尺的地图位于相同 层的R树上；
丌同层的R树具有丌相同的 扩展维（显示比例范围）；
要素层可以具有丌同的显示 比例范围的扩展维。
4. 电子地图无缝空间数据的组织
4）基于分层扩展R树和分层线性四叉树的 无缝空间数据组织
…
…
…
（1，2n-1-1）
…
（2n-1-1，0）（2n-1-1，1） …
（2n-1-1，2n-1-1） （2n-1×2n-1）
tgp-2-0-1.png
•第n级原图大小为（Ln=L×2n-1）*（Hn=H×2n-1），
按L*H 大小，顺序切割获得2n-1×2n-1个地图瓦片。
（0，1）
矩阵可组合成一张地图全图。
扩展R树 的层次
4. 电子地图无缝空间数据的组织
4）基于分层扩展R树和分层线性四叉树的 无缝空间数据组织
（2）基于分层线性四叉树的空间目标组织不索引机制
4. 电子地图无缝空间数据的组织
5）多级分层树状结构：“层一块一格网”的三级线 性树状结构
4. 电子地图无缝空间数据的组织
6）多分辨率金字塔的数据组织