第三章 空间数据模型

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,RSGIS, WHU,RSGIS, WHU,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,RSGIS, WHU,RSGIS, WHU,第三章 空间数据模型,一、空间关系,二、面向对象空间数据模型,三、二维空间对象模型,四、数字表面模型,五、三维空间数据模型,六、网络结构模型,3.1,空间关系,空间关系是指空间目标之间在一定区域上构成的与空间特性有关的联系，这种联系可为以下三类,拓扑关系数据模型中建立拓扑数据结构的关键是对元素间拓扑关系的描述，最基本的拓扑关系包括以下几种：,(1),邻接：借助于不同类型拓扑元素描述相同拓扑元素之间的关系，如多边形和多边形的邻接关系。,(2),关联：不同拓扑元素之间的关系，如结点与链、链与多边形等。,(3),包含：面与其它拓扑元素之间的关系，如结点、线、面都位于某一个面内，则称该面包含这些拓扑元素。,(4),连通关系：拓扑元素之间的通达关系，如点连通度、面连通度的各种性质（如距离等）及相互关系。,(5),层次关系：相同拓扑元素之间的等级关系。如国家包含省、省包含市等,3.1.1,、空间拓扑关系,拓扑数据结构中弧段和链具有方向性，通常以顺、逆时针作为方向基准，或将坐标以顺序方式存储。拓扑元素之间的各种拓扑关系构成了对地理空间实体的拓扑数据结构表达，如图所示。,拓扑关系空间数据模型示例,四交模型、九交模型表达拓扑关系,4,交模型以点集拓扑学为基础，通过边界和内部两个点集的交进行定义，并根据其内容进行关系划分，由于它只通过点集交的“空”与“非空”来进行关系判别，方法简练，所以在一些商用数据库系统、,GIs,软件设计中应用广泛。设有空间实体,A,、,B,，,B(A),、,B(B),表示,A,、,B,的边界，,J(A),、,J(B),表示,A,、,B,的内部，二者之间的关系可用式来表示：,6,拓扑关系描述,九交模型,A,的边界和,B,的内部的交，记作,A,的边界和,B,的边界的交，记作,A,的边界和,B,的,外部,的交，记作,A,的外部和,B,的内部的交，记作,A,的外部和,B,的边界的交，记作,A,的外部和,B,的外部的交，记作,拓扑关系描述,面,/,面拓扑关系,Disjoint,Meet,Overlap,Contain,Equal,CoveredBy,Inside,Cover,拓扑,和非拓扑关系属性,空间关系总结,3.1.2,、空间度量关系,度量关系是在欧式空间和度量空间上进行的操作，是一切空间数据定量化的基础。包含长度、周长、面积、距离等定量的度量关系。定量描述，一般采用欧几里德距离和曼哈顿距离,：,3.1.3,、空间顺序关系,顺序关系是用来描述目标在空间中的某种排序关系。在,GIS,中应用最为广泛的是方位关系。,方位关系可分为三类：绝对的、相对目标的和基于观察者的。,绝对方位关系是在全球参照系统的背景下定义的，如东西、南、北、东北等,相对目标的方位关系是根据与所给目标的方向来定义，如左、右、前、后、上、下等,基于观察者的方位关系是按照专门指定的观察者作为参照对象定义的,3.2,、面向对象空间数据模型,1.,面向对象的基本思想,通过对问题领域进行,自然的分割,，,用,更接近人类通常思维的方式,建立问题领域的模型,，,并进行,结构模拟,和,行为模拟,，,从而使设计出的软件能尽可能地,直接表现出问题的求解过程,。,3.2.1,、面向对象模型基本概念,对象,：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。,对于一个对象，应具有如下特征：,A.,具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；,B.,具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态,(,静态属性,数据,),C.,具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态,(,作用,功能,函数,方法,),地理对象,属性,数据,行为,方法,划分原则：找共同点，所有具有共性的系统成份就可为一种对象。,类,：共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类。,从一组对象中抽象出公共的方法和属性，并将它们保存在一类中，是面向对象的核心内容。如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。,实例,：被抽象的对象，类的一个具体对象,类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下层关系。,类,申请实例,成为具体对象。,类,实例,A,实例,B,消息,：,对对象进行操作的请求，是连接对象与外部世界的,唯一,通道。,方法,：对对象的所有操作，如对对象的数据进行操作的函数、指令等。,对,象,A,对,象,B,请求和协作,消息,3.2.2,、面向对象数据模型核心技术,1,分类,：,把一组具有,相同,属性结构和操作方法的,对象,归纳或映射为,一个公共类,的过程。,对象和类的关系是,“实例”,(instance of ),如城镇建筑可分为行政区、商业区、住宅区、文化区等若干个类。以住宅区类而论，每栋住宅作为对象都有门牌号、地址、电话号码等相同的属性结构，但具体的门牌号、地址、电话号码等是各不相同的。当然，对它们的操作方法如查询等都是相同的。,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,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,),子类与超类是,“,即是,”,的关系,(is-a),概括可能有任意多层次概括技术避免了说明和存储上的大量冗余。如住宅地址、门牌号、电话号码等是,“,住宅,”,类的实例,(,属性,),，同时也是它的超类,“,建筑物,”,的实例,(,属性,),。,概括需要一种能,自动,地从超类的属性和操作中获取子类对象的属性操作的机制，即,继承机制,。,城市住宅,农村住宅,住 宅,建筑,城市住宅,农村住宅,住 宅,3,聚集,：,是把几个,不同性质类的对象,组合成一个更高级的,复合对象,的过程。,“成分”与“复合对象”的关系是“部分”,(,partsof,),的关系,如医院由医护人员、病人、门诊部、住院部、道路等聚集而成,每个不同属性的对象是复合对象的一个部分，有自己的属性数据和操作方法；复合对象也有自己的属性值和操作，,复合对象的操作与其成分的操作是不兼容的,4,联合,：,将,同一类对象,中的几个具有部分相同属性值的对象组合起来，形成一个更高水平的集合对象的过程。,“成员”与“集合对象”的关系是“成员”,(,memberof,),的关系。,在联合中，强调的是整个集合对象的特征，而忽略成员对象的具体细节。,集合对象通过其成员对象产生集合数据结构，,集合对象的操作由其成员对象的操作组成。,如一个农场主有三个水塘，它们使用同样的养殖方法，养殖同样的水产品，由于农场主、养殖方法和养殖水产品等三个属性都相同，故可以联合成一个包含这三个属性的集合对象。,5,继承,：,一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，继承不仅可以把父类的特征传给中间子类，还可以向下传给中间子类的子类。,继承服务于概括。继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。,A.,单重继承，,仅有一个直接父类的继承，要求每一个类最多只能有一个中间父类。,这种限制意味着一个子类只能属于一个层次，而不能同时属于几个不同的层次。形成明显的层次关系,B.,多重继承，,允许子类有多于一个的直接父类的继承。,多重继承允许几个父类的属性和操作传给一个子类，这就不是层次结构。,高速公路,运河,通航河流,不通航河流,交通运输,水 系,人工交通运输线,自然交通运输线,河流,池塘,城市住宅,农村住宅,住 宅,属性：住宅名,操作：进入住宅,6,传播,：,用于描述复合对象对成员对象的,依赖性,并,获得,成员对象的属性的过程。,它通过一种强制性的手段将成员对象的属性信息传播给复合对象。,传播是一种作用于聚集和联合的工具,复合对象的某些属性值不单独存于数据库中，而由子对象派生或提取，将子,(,成员,),对象的属性信息强制地传播给复合对象。这些操作包括,“,sum, average, min, max”,如一个国家最大城市的人口数是这个国家所有城市人口数的最大值，一个省的面积是这个省所有县的面积之和,继承与传播的区别,1,）继承服务于概括，传播作用于联合和聚集；,2,）继承是从上层到下层，应用于类，而传播是自下而上，直接作用于对象；,3,）继承包括属性和操作，而传播一般仅涉及属性；,4,）继承是一种信息隐含机制，而传播是一种强制性工具。,3.4.1,、,TIN,模型,TIN(,不规则三角网,),是,使用彼此相邻而不重叠的,三角形,组成的,三角网来模拟表面,，每个三角形顶点的,xyz,坐标已知，通过在一个三角形表面使用简单的线性插值和多项式插值，可以估计任何位置的表面值；,TIN,的基本组成是三角形（,Triangles,），而三角形由节点（,Nodes,）和边,(Edge),。,Nodes,是由,x,y,z,定义的坐标和变量值组成，边,Edges,即指三角形的边。三角形,Triangles,由节点按一定规则相连形成的,；,TIN,不但由连续点组成，也可包含突变或断线（表示为三角形的边）,。,TIN,模型,由两个坐标文件、结点文件、边文件组成,三角网数据的存储,三角网数据模型的生成,点（,Mass Point,）：形成三角形的节点；,线,(Breakline),：形成三角形的边，通常表示地理现象大的转折点；,多边形,(Clip Edge),：对多边形以外的区域不予考虑；,多边形（,fill Polygon,）：多边形内部统一的,Z,值。,TIN,模型生成图示,三角形的构造,Grid,模型又称规则网络模型,规则网络将区域空间切分为规则的网格单元，每个网格单元或数组的一个元素对应一个高程值,对于网格数值,网格栅格观点认为：为所有点高程值，即网格单元对应的地面面积内高程是均一的。,点栅,格观点：网络中心点高程或网络单元的平均高程值。通常采用距离加权平均、样条函数、趋势面拟合和克里金插值等方法进行计算,3.4.2,、,Grid,模型,网格可以从规则或不规则分布的数据点中生成,等高线数据：有等高线离散化法、等高线内插法、等高线构建,TIN,法；,TIN,数据：转换为栅格数据，由,TIN,进行内插生成网格。,2,、网格的创建,3.5,三维空间数据模型,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了基本的方法,；,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：,表,3,-,2,3D空间构模法分类,面模型（,facial model,）,体模型（,volumetric model,）,混合模型,(mixed model),规则体元,非规则体元,不规则三角网（,TIN,）,结构实体几何（,CSG,）,四面体格网,(TEN),TIN-CSG,混合,格网,(Grid),体素（,Voxel,）,金字塔,(Pyramid),TIN-Octree,混合或,Hybrid,模型,边界表示模型（,B-Rep,）,八叉树（,Octree,）,三棱柱（,TP,）,Wire Frame-Block,混合,线框,(Wire Frame),或相连切片（,Linked slices,针体（,Needle,）,地质细胞,(Geocellular),Octree-TEN,混合,断面序列,(Series Sections),规则块体,(Regular Block),非规则块体（,Irregular Block,）,断面,-,三角网混合,(Section-TIN mixed),实体,(Solid),多层,DEMs,3D Voronoi,图,广义三棱柱（,GTP,）,3.5.1,三维矢量模型,1,、,3D FDS,模型,3D FDS(formal data structure),是,Molenaar,在原,2D,拓扑数据结构的基础上定义的一种基于,3D,矢量图的形式化描述，是第一个将空间对象当做几何特征与专题特征集成的数据结构。,3D FDS,模型支持多种空间数据描述，且容易实现几何特征与专题特征的关联。,图,3.,3D FDS,模型结构图（,Molenaar,1990,）,其建模原理上的不足在于：,1,）只考虑了空间对象表面的划分和边界表达，没有考虑空间对象的内部结构。因此，仅适合表达形状规则的简单空间对象，难以表达地质及环境领域中不规则的复杂,3D,空间对象。,2,）没有对空间实体间的拓扑关系进行严格的定义和形式化描述,3,）显示地存储几何元素间的拓扑关系，使得操作不便,2,、三维边界表示法,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。,图例,.,边界表示的数据结构,3.5.2,三维体元模型,规则体元模型,：包括,CSG,、三维体素,(,Voxel,),、针体,(Needle),、八叉树,(,Octree,),和规则块体,(,Regular Block,),；,非规则体元模型,：包括,TEN,、金字塔,(,Pyramid,),、三棱柱,TP,、地质细胞,(,Geocellular,),、不规则块体,(,Irregular Block,),、实体,(,Solid,),、,3D Voronoi,图和广义三棱柱,(,GTP,),；,1,.,八叉树（,Octree,）数据结构,八,叉树数据结构可以看成是二维栅格数据中的四叉树在三维空间的推广。该数据结构是将所要表示的三维空间,V,按,X,、,Y,、,Z,三个方向从中间进行分割，把,V,分割成八个,立方体；,根据,每个立方体中所含的目标来决定是否对各立方体继续进行八等分的划分，一直划分到每个立方体被一个目标所充满，或没有目标，或其大小已成为预先定义的不可再分的体素为止。,八叉树的主要优点在于可以非常方便地实现有广泛用途的集合运算（例如，可以求两个物体的并、交、差等运算），而这些恰是其它表示方法比较难以处理或者需要耗费许多计算资源的地方。不仅如此，由于这种方法的有序性及分层性，因而对显示精度和速度的平衡、隐线和隐面的消除等，带来了很大的方便，特别有用。,2.,四面体网格,TEN,模型主要有四个基元构成：四面体、三角形,、边和节点,。,一个空间实体由四面体组成，面由三角形组成，线由小三角形的边组成，点由节点组成。,四面体格网（,Tetrahedral Network,TEN,）是将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四面体形成的格网来表示，其实质是,2D TIN,结构在,3D,空间上的扩展。在概念上首先将,2D Voronoi,格网扩展到,3D,，形成,3D Vornonoi,多面体，然后将,TIN,结构扩展到,3D,形成四面体格网,以,TIN,模型表示地形表面，以,CSG,模型表示建筑物，在,TIN,形成过程中将建筑物的地面轮廓多边形作为内部约束，通过公共边界进行连接，其操作和显示都是分别进行的。是当前三维城市构模的主要方式。,1,、,TIN+CSG,集成模型,3.5.3,三维混合数据模型,2,、,TIN-Octree,混合构模,三角网,-,八叉树集成模型：以,TIN,表达物体表面，以,Octree,体模型表达内部结构；,模型编辑和数据检索较为复杂,;,数据维护和拓扑关系维护困难,;,模型有缝,;,3Wire Frame-Block,混合构模,提高边界区域的模拟精度；,实用效率不高，每一次边界变化都需要修改模型,;,4,、,Octree,一,TEN,混合构模：,随着空间分辨率的提高，,Octree,模型的数据量将呈几何级数增加，且八叉树模型始终只是一个近似表示，原始采样数据一般也不保留。而,TEN,模型则可以保存原始观测数据，具有精确表示目标和表示较为复杂的空间拓扑关系的能力。因此，可以将两者结合起来，建立综合两者优点的,Octree,一,TEN,混合模型,图,13.,基于,Octree,和,TEN,的混合数据模型,VR,集成模型实质是多个模型的集成。其栅格模型中包括四叉树和八叉树，其矢量模型中包括了,TIN,、,TEN,、,Grid,、,CSG,和边界表示。实际应用时可根据不同需要选择一个或多个合适的模型对目标进行描述，从而实现对目标的几何与拓扑的完整表示。,5,、矢栅集成,3D,模型,目标,几何,属性,复杂目标,点,线,面,体,节点,弧段,面片,像素,体元,DSM,DVM,X,Y,Z,线段,三角形,四面体,属于,属于,属于,属于,属于,属于,属于,起终,部分,边界,左右,部分,部分,部分,左右,边界,矢栅集成的,3D,空间数据模型,3.6.1,网络空间,3.6.2,网络模型,