数字地球导论课程教学ppt课件数字地球信息的描述与表达.ppt

1、基于要素的空间关系描述与表达 空间关系是对现实世界抽象过程中，用来描述和表示对象间相互关系的数学或逻辑学语言形式。它是人们认识空间形态的重要途径，能够反映人的空间形态推理过程，与空间对象的维数、形态、大小及空间本身的维数等相关，且各类空间关系间又可相互转化。人们对空间对象间关系认识复杂多样，通常将空间关系分为三类。,1、基于要素的空间关系描述与表达 拓扑空间关系指拓扑变换下保持不变的空间关系，如空间对象间的相邻、相等等。 方位空间关系指以矢量地理空间为基础，在旋转变换下会产生变化，但平移和比例变换下不会变性的空间关系，如东南西北等排列关系。 度量空间关系指某种度量空间中度量表达的空间关系，如距离、面积、体积等。,1、基于要素的空间关系描述与表达 应当明确，随着空间维数增加，空间关系迅速复杂化，如二维GIS数据拓展到三维空间中数据量至少增加100倍等。GIS拓扑空间中，基本实体划分为点、线、面三类，点状目标具有固定位置和方向，将其定义为零维目标；线状目标都有一条有形或无形定位线，将其定义为一维目标；面状目标都有一个有形或无形轮廓线，将其定义为二维目标。运用维数扩展法，可以得到多维空间关系描述框架。,2、数字地球的二维描述与表达现实世界认知模型数据模型数据结构数字世界。 为方便描述和表达多维空间，传统GIS将空间实体地上下空间属性信息压缩到水平面上，与认知模型相对应得到两种基本数据模型，即矢量数据模型和栅格数据模型。基于栅格的描述与表达、基于矢量的描述与表达以及矢栅一体化描述与表达都属传统地理信息系统概论重要教学内容。,2、数字地球的二维描述与表达 数字地球研究对象即为地球系统。人类赖以生存发展的地球系统，本身是个客观三维空间实体（举例说明）。 传统二维GIS鉴于认知能力、理论基础和技术方法等局限，往往将地上下三维空间实体抽象简化和投影变换到二维平面上进行描述和表达。二维GIS如同传统地图描述和表达客观世界。一方面，客观世界用抽象符号描述和表达，缺乏真实感；另一方面，接受者需要通过译码过程获取信息，增加认知难度。,二维空间信息传输模式如下图示：,3、数字地球的三维描述与表达 随着人类认识水平提高和各种需求拓展，城市、地质、石油等领域越来越急切需要发展三维GIS技术（举例说明）； 特别是计算机技术、科学计算可视化、二维GIS等快速发展（举例说明），已为三维GIS研究提供重要保障。,3、数字地球的三维描述与表达 三维GIS是指布满整个三维空间的GIS。套用GIS工具箱角度定义，三维GIS是从现实世界中采集、存储、处理、管理、分析和显示三维空间数据的工具集合。,3、数字地球的三维描述与表达 三维GIS与二维或2.5维GIS相比有着本质区别。二维GIS将平面坐标（x，y）作为独立变量表达地物属性，数学关系用V=f（x，y）表示，当V为高程值时，得到DEM，即为2.5维GIS；三维GIS将空间坐标（x，y，z）作为独立变量表达地物属性，数学关系用V=f（x，y，z）表示；前者一对（x，y）坐标仅对一个高程，后者一对（x，y）坐标可对多个高程，三维GIS对于地质断层等空间实体表达更为准确，能够给人以更加真实的感受。,三维空间信息传输模式如下图示,3、数字地球的三维描述与表达 近几年来，三维GIS已成为学界重要研究热点，特别是数字地球提出之后，甚至有人提出要将三维GIS当作其神经中枢来重视。 当前三维GIS研究和开发思路可归纳为两类： 从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，就像早期二维GIS来源于计算机辅助制图一样； 从数据库角度出发向三维GIS发展，如将三维空间信息管理融入到RDBMS中，或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS。,3、数字地球的三维描述与表达 现实世界是三维GIS认知对象。二维GIS认知模型扩展和三维地理空间抽象是三维GIS数据获取、数据模型、数据结构和空间分析重要基础。,3、数字地球的三维描述与表达 数据获取方面，与二维GIS数据相对过剩很不一样，由于理论和技术限制，三维空间数据短缺似乎已是三维GIS发展瓶颈。 目前，三维GIS数据来源主要有： 地形图和建筑图主要用于城市三维空间建模，以地形图获取房屋、交通等要素平面坐标，以建筑图获取建筑物高度信息，通过人工判读和手工输入大量数据，实地采集三维纹理信息，工作量较大，仅适用于小范围三维信息获取。,3、数字地球的三维描述与表达 航空和航天遥感利用航空航天遥感影像获取高程信息、纹理数据和拓扑信息等，高分辨率、高精度、多光谱、低费用航天遥感影像成为生产DOM和DEM主要数据源。 激光扫描仪应用激光扫描仪获取物体表面解析高度数字影像，从中提取目标高精度几何与纹理数据，但因价格昂贵及某些地物没有漫反射，短时间内较难普及使用。,3、数字地球的三维描述与表达 车载动态集成系统使用多传感器集成（包括绝对定位传感器、相对定位传感器和属性采集传感器），主动或被动实时获取三维空间信息。 混合集成法以上方法各有优缺点，不同方法间存在互补性，运用混合手段获取三维信息成为人们重要研究热点。,3、数字地球的三维描述与表达 数据模型方面，三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是三维空间数据库建设基础；而三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观世界在计算机中的底层表达，是对客观对象进行三维可视化表达的重要基础。 定义或开发新的三维空间数据模型，需要考虑三个方面问题： 确定需要表达对象；三维数据存储及逻辑关系表达；如何显示模型。,3、数字地球的三维描述与表达 合理的时空数据模型，必须考虑三个问题： 节省存储空间；加快存取速度；表现时空语义。 由于三维空间中复杂性、模糊性和不确定性等客观存在，三维空间数据模型始终是三维GIS研究焦点问题，而且至今没有得到成功完美地解决。,几种典型三维空间数据模型,3、数字地球的三维描述与表达 （1）基于面的三维空间表达 利用微小的面元素来逼近空间地物几何形态，主要有格网结构、形状结构、面片结构、边界表示法和非均匀B样条函数法。,A、格网结构,B、形状结构,C、面片结构,D、三维边界表示法,3、数字地球的三维描述与表达 （2）基于体的三维空间表达 根据三维物体的几何形态或内部结构表达空间物体几何形态，主要有三维栅格结构、针状结构、八叉树、结构实体几何和不规则四面体结构。,A、三维栅格结构,B、针状结构,C、八叉树结构,D、结构实体几何,E、不规则四面体,3、数字地球的三维描述与表达 （3）三维空间混合数据结构 A、基于TIN和CSG的混合结构 主要用于城市、旅游地等领域 B、基于OCTREE和TEN的混合结构 主要用于地质和海洋等领域,C、矢量与栅格集成三维空间数据结构a、李清泉矢栅混合三维空间数据结构,C、矢量与栅格集成三维空间数据结构b、龚健雅矢栅混合三维空间数据结构,3、数字地球的三维描述与表达（4）各种三维空间数据结构比较 A、基于面的三维空间数据结构 容易为地层及其构造提供精确空间描述，便于数据显示和更新，但难以进行空间分析。 B、基于面的三维空间数据结构适于空间操作和分析，便于异质特征表示，但存储空间占用较大，计算速度较慢。,3、数字地球的三维描述与表达（4）各种三维空间数据结构比较 C、基于栅格的三维空间数据结构 空间分析效率较高，但图形输出精度很低。 D、基于面的三维空间数据结构 位置精度较高，但空间分析效率很低。,