数字城市空间目标的数据建模及可视化研究-王旭.docx

数字城市空间目标的数据建模及可视化研究作 者：王 旭开始时间：2009.3.28结束时间：2009.6.5目 录摘要IAbstractIII第1章 绪论1第1节 数字城市的概念1第2节 数字城市研究现状21.2.1 数字城市国际研究现状21.2.2 数字城市国内研究现状3第3节 数字城市实现的关键技术3第4节 本文研究的主要内容及技术路线5第2章 数字城市空间表达模型构建过程6第1节 城市空间概念数据模型62.1.1 传统的空间数据模型62.1.2 面向对象数据模型62.1.3 对象-关系型数据模型6第2节 城市空间对象数据结构定义6第3节 城市空间目标数据结构设计7第4节 城市空间目标可视化表达模型7第5节 城市空间目标数据组织与管理7第3章 数字城市三维建模的关键技术研究8第1节 城市空间地形建模技术及实现8第2节 城市空间地物建模技术及实现8第3节 城市空间地形与地物匹配技术8第4节 三维空间数据模型的建立与实现8第4章 数字城市3D可视化原型系统构建及实现9第1节 数字城市3D可视化原型系统框架9第2节 数字城市3D可视化原型系统实现9第5章 结论与展望10第1节 结论10第2节 展望10致谢11参考文献12附录13摘要地球是人类文明的摇篮，人类在这颗蓝色的星球上创造、生活，产生了只有人类独有的社会模式和高度发达的科技智能。人类从远古走到现代，逐步脱离了刀耕火种，茹毛饮血的生活方式，现在的生活是农业生产和工业生产互相分工的结果。在这种分工下，人类逐渐建立了只有人这种智能生物才能创造出来的精神和物质相结合的文明的容器城市。城市如每一颗文明之星散落在地球上的各个角落，从酷热难耐的非洲地区，到拥有冬日极夜的寒冷北极，从太平洋中心的一个小岛到有世界屋脊之称的喜马拉雅，可以说只要有人类居住的地方，就会有城市存在，就会有人建立城市。然而，人们总是在不断地思考、理解、重新定义着城市的概念。对于自己所创造的东西，人类会跟在没了解自然界的奥秘一样，相处许多办法来解释自己所创造的奇迹。人类建立城市多少年，对城市的理解也随着时间的流逝在不断增加。人类会将城市的每一户人家编辑成册，会将一个城市的地图画出来，用于各种生产、秩序的管理，所以城市地图始终是管理城市的一个有力手段。随着科技的不断进步，电脑成为连接城市另一种继交通网络之后又一种联系人们的方式，网络使地球缩水，变成了一个村落。在电脑上虚拟出城市模型，也是科技发展和人类不断探索出新的必然结果。世界上第一个研制出地理信息系统（GIS）的是加拿大，第一个提出建立数字地球的国家是美国，至此，人类开始充分的进入到了数字时代，通过对现实景物的虚拟建模，达到和现实真是场景的数字再现。本文的研究方向是将在空间采集到的数据进行组织，通过一定得算法将真是场景在电脑上进行虚拟再现。本文一共分为五个部分：第一部分绪论。阐述了数字城市的定义，进行一个国内国外的数字城市的一个综合性的研究，主要考虑到国内国外数字城市的起源、发展，其中主要是通过对国内和国外的数字城市的比较来说明数字城市在中国的发展现状，以及以后的发展方向第二部分数字城市空间数据模型的构建过程。本章介绍城市空间的数据模型，对这些数据进行定义，对城市空间数据模型进行组织，构建一个高效存储质量好的数据组织模型。在数据模型表达这块将进行自己的一些想法的提出。第三部分数字城市三维建模的关键技术研究。本部分针对可以应用于数字城市三维建模的常用方法来进行讨论，将各种方法进行对比，比较。在这些方法中，主要是地形和地物的建模方法的不同，两者分开建模，然后进行一个拼接，在两者的数据组织上要完成能够相互结合。第四部分数字城市3D可视化原型系统构建即实现。从这一部分，即是解决真正的可视化技术，也就根据以上的一些数据组织形式，空间数据模拟现实场景的一系列算法，利用编程开发平台，构建一个原型系统框架，并对每一部分进行详细的讨论和解释以做到数字城市的可视化软件的虚拟现实的功能的充分理解。第五部分结论与展望。处于文末，总结在对数字城市的可视化实现研究的经验和所要讨论的问题的方法。由于是第一次作论文，所以本人的某些方法也会有问题，也有自己不能解决的问题，所以，也要对这些问题进行提出和记录，以作以后分析研究。另外，对数字城市的研究的一个预想也将在本章得到一个粗浅的认识。关键词：数字城市，数据组织，模型建立技术，可视化IIIAbstract第1章 绪论第1节 数字城市的概念在过去的一个世纪中，GPS（全球卫星定位系统）的产生改变了人们以往的通信生活，由此在人们的日常生活和工作中都深深的受到了GPS的出现而带来的便。在测绘这个行业中，GPS的产生无疑带来了了一次前所未有，划时代的变革。GPS改变了人们通常对测绘行业的扛着三脚架，提着仪器箱，努力寻找通视点的刻板印象，也让测绘界从此有了新的发展方向。由于GPS给测绘带来了方便，而且卫星独有的空间位置高，视角广，覆盖面大的特点，用卫星来进行地形图数据采集大大的减小了人力外野采集数据的工作量，而另一方面，人们随着地形图的纸上表达方式已不满足，而且开始寻求另一种能实现地理空间模拟表达，数据管理，甚至可以进行空间查询等功能的管理系统。为了满足这些更先进的功能，GIS（地理信息系统）也应运而生。20世纪60年代，世界上的第一个GIS系统诞生于加拿大。GIS是以地理空间数据库为基础，在计算硬件、软件环境支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立的一类计算机应用系统。在国际上GIS一共经历了五个发展过程：（1）、 开拓阶段(20世纪60年代)（2）、巩固阶段(20世纪70年代)（3）、突破性阶段(20世纪80年代)（4）、社会化阶段(20世纪90年代)。传统GIS系统都是二维的，二维的信息系统虽然可以表达出比以前纸上表达更多的信息，而且能更为具有只能和更丰富的表达的逐渐的平面的GIS系统已经不能满足人们对于大信息量的描述。在现实世界中，人们看到的一切都是具有三维立体感的，且不说东西的巨大，甚者连细小的原子也有自身所有的立体模型。而人类一直在模仿和重建着他们所居住的地区，不断地改造着自然地理环境城市，就是人类群居，创造文明，社会延续的一个容器。在这个容器中，人们可以独立于自然界其他类别的动物，而人类才能成为地球上读一无二的智能型生物。因此，对于自己所居住的地方理所当然的要进行更深层次得了解，并不是一个2D GIS系统所能解决的。 为了能在数字时代更好的突出自己的优势，并且在国民经济，世界经济中占领新的制高点，1998年1月31日美国副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表的题为“数字地球：21世纪认识地球的方式”，首次提出了数字地球的概念：一种能嵌入巨量的地理信息、对我们星球所做的多分辨率、三维的描述方式。或者说数字地球是遥感、遥测、数据库与地理信息系统、全球定位系统、互联网络、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合集成和升华，是当今科技发展的制高点。在此背景下，提出了数字城市的概念。广义的数字城市是指综合运用GIS、遥感、遥测、宽带网络、多媒体及虚拟仿真等技术，对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统；它具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策支持和可视化表现等强大功能。狭义的数字城市是指利用“数字地球”理论，基于3S（GIS、GPS、RS）技术等关键技术，建设服务于城市规划、建设、管理；服务于政府、企业、公众；服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。这是目前城市地理信息系统（UGIS）研究的重点。数字城市是信息化、现代化城市，是从工业化时代向信息化时代转换的基本标志之一，是数字地球的重要组成部分，也是城市和社会信息化发展的必然趋势，它是一个非常庞大的、复杂的、长期的系统工程。在城市“自然、社会、经济”系统的范畴中，它能够有效获取、分类存储、自动处理和智能识别海量数据的、具有高分辨率和高度智能化的、既能虚拟现实又可直接参与城市管理和服务的一项综合工程。因此，无论从科学的概念上，还是从管理的意义上，数字城市均可视作是人类发展的台阶式进化，其中既包含着生产方式、生活方式、文化方式和人际关系的社会经济变革，也包含着政府决策、政府管理、政府服务和廉正建设的革命性进展。第2节 数字城市研究现状1.2.1 数字城市国际研究现状世界上的第一个提出将自然环境数字表达的国家是美国，1998年1月31日美国副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表的题为“数字地球：21世纪认识地球的方式”，首次提出了数字地球的概念：一种能嵌入巨量的地理信息、对球所做的多分辨率、三维的描述方式。因此，数字化概念最早出现在美国，美国也理所当然的成为世界上数字城市发展的大国。特别是在虚拟现实技术方面美国是水平最高的国家。在美国研究虚拟现实技术的主要有MIT,Stanford大学，Washington大学，North Carolia大学，NASA，NPS大学等著名的大学和研究机构，研究的方向几乎涵盖了虚拟现实技术的整个领域。虚拟现实技术。数字城市的虚拟技术，也就是应用现代计算机技术，对在现实世界中通过GPS,RS和人工野外采集的数据进行组织再用一定的算法在屏幕上显示出来。根据方面，也可以把数字城市虚拟技术叫虚拟可视化技术。这种技术最早可以追溯到二十世纪八十年代初，Skidmore Owens和Merrill(SOM)在三维城市模拟上有所表现。SOM的芝加哥电信结构模型激发了这个领域的早期工作。这家咨询公司使用虚拟技术建立了电信线框模型从而留给顾客很深的印象并赢得了更多的工程。另外一个典型的例子是利用建筑绘图和野外调查数据构建的几何模型更加精细的“数字墨尔本”，已用于墨尔本大学虚拟创作室的教学工作。1990年Bath大学的CASA研究组利用测量信息创建了细节更加丰富的英格兰Bath城市模型。多伦多城市规划部门将城市CAD组合模型用于决策也已经有了十几年的历史。Strathclyde大学的UCLA和ABACUS也在这方面做了研究。目前国外己经有比较成熟的数字城市三维可视化建模软件产品，如MultiGenCreator, Equipe等。ESRI公司的遥感图像处理软件ERDAS也扩展了这方面的功能。“数字城市”相关技术已经应用于很多领域，许多发达国家已经开始“数字社区”和“数字城市”的综合建设实验。在美国大约有50个城市正在建设“数字城市”。芬兰计算机工程师林都立试图应用信息技术展现生活和城市的未来，在网络上复制真实世界的赫尔辛基市，使之成为世界上第一个虚拟城市:日本已经建成一批“智能化生活小区”、“数字社区”的示范工程;新加坡提出“数字城市”的没想，准备环绕240平方英里的岛屿，铺设一条光缆，为国民提供一个综合业务数字网和异步数字用户专线。将新加坡90%的家庭连接在一起，使他们在网上可以随心所欲地购物、与政府机构联系、玩游戏、上剧院、上电影院、上学校、去图书馆、去医院等，实现“网上生存”的梦想。数字城市以北美、欧洲、日本等国的发展最为迅速。美国在线(AOL)公司启动了修正后的“数字城市2000”业务指南，推出了“无线数字城市”连接技术;欧洲国家也开始构建欧洲数字城市(Europe Digital City EDC );日本的京都数字城市也在公众的关注下建立和发展起来1.2.2 数字城市国内研究现状随着世界上数字城市的建设日益发展，中国想要紧跟世界科技发展的步伐，站在世界科技潮流之上就必须要进行数字城市的建设。国外数字城市的建设的提出并不是因为想只是在科技方面占有独特地位，而是为了更深层次的要求，就像陈述彭院士提出的那样："美国提出'数字地球'这一战略思想，决非偶然，有着深远的政治意义和经济背景"。西方国家希望通过"数字地球"长期占领信息技术和信息产业的制高点，持续地拉动本国的经济增长，继续加大发达国家和发展中国家的距离。西方国家发展"数字地球"，将为其占据主导地位的信息高速公路上提供重要的空间信息资源。"数字地球"的发展，将进一步增强西方对全球资源、经济、军事的快速反应和控制能力。也就是说，数字城市将是新一代的全球各个国家争相占领的科技高峰，在这个新的领域内，能在技术方面占领优势将会为本国的各方面的发展提供强大的动力。中国在这方面也应该加速研究，在信息发达的21世纪能在数字城市这个新的方向做出自己的一份贡献，不仅给本国带来科技，军事，经济方面的优势，而且也能为世界科技的发展做出自己的一份贡献。我国地域广大，各个省市都有很多的城市，但是现在这些城市都是完全靠的是传统的方法来进行的管理。在国外数字城市迅速发展的情况下，我国也继起而作，紧跟世界科技潮流。2005年5月13日，中国在北京举行了首次21世纪数字城市论坛，08年1月11日在全国测绘局长会议上报告称，全国已经有30个城市开始进行数字城市地理空间框架试点建设。在此机遇之下，国内各大数字城市为研究主要项目的公司如雨后春笋般出现，更是在努力学习国外先进技术的同时争取自主创新，努力研发出中国人自己的技术。中国关于数字城市建设的成果也有很多，比如成都市的数字城市建设，已经可以满足人们在网上查询交通，商业街，商业网点，旅游网点等信息，重庆市现在也在做着这方面的工作，预计在不久的将来能形成一个和成都市相连接的数字城市网络。武汉市更是在这方面有独到的优势，测绘专家云集，工具先进等优点都是武汉这座城市建立数字结构的有利因素。而除此之外，中国已经有30多个城市在积极进行数字城市的开发。中国的数字信息发展肯定能在世界科技发展中享有特殊地位。第3节 数字城市实现的关键技术1、计算机技术。自从第一台PC问世以来，计算机走入了大众之家，而由于计算机的小型化，高速化，可编程存储化，人们开始大范围的使用PC。PC的产生使得全世界人们的生活变得更为方便。由于计算机的快速计算的特点，使得现代科技发展迅猛，而大量复杂的计算也可以经由计算机计算而变得十分简单。在数字城市建设中这项优点是很重要的。特别是现代计算机技术，不仅能对大量的数据进行处理，而且远程操作与互运算技术、信息的挖掘技术、多种数据融化与立体表达技术等急需深入研究与提高，进一步开发研究与发展具有高度容错性、适应性与思维联想能力的神经网络计算机是计算科学今后发展的方向，这是数字城市向纵深发展的需要。2、网络技术。21世纪，信息成了在本世纪维持人们日常生活不可缺少的一种要素，为金融，经济发展提供强大的动力。自从网络技术的普及，以及万维网的全球化，世界正在成为一个小村落，在地球任何角落的人们都可以通过网络互相连接。数字城市也是一种信息技术，是将现实世界的城市虚拟到计算机上，然后进行信息交流，而数字城市的建立肯定能为人们的生活出行提供极大的方便。由于在普通计算机中进行数字城市的海量数据数据存储（比如：大量二维矢量数据、影像数据、数字高程模型数据、属性表格数据、城市三维图形与纹理数据等多媒体数据）是不可能的，所以在这种情况下，就可以寻求诸如网络计算机数据库的存储，因为网络宽带数据是分布式数据库存储，像这样的高速链接库才可能将数字城市信息存储起来。3、数据组织，存储技术。数字城市中的数据，包括矢量数据、栅格数据、表格、图像等数据，所需要的数据都是一个很大的集合，我们都俗称“海量数据”。当然若有足够大的数据存储器肯定是能够将数据存储下的，然而，这些数据如果能在很好的组织方法下，经过一定的压缩就能节省出很大一部分空间，这样就很好的解决了数据存储的问题。另外在使用数据时又要讲这些数据解压，复原，这也要求要有好的存储数据的方法，所以，在数据组织这块也是相当重要的。 4、三维GIS技术。数字城市是不同于二维GIS性质的，他是用X,Y,Z三个坐标值来对真实场景中的实体进行虚拟，达到真实反映物体的效果。由于在三维空间上要表达更重要的信息，所以其复杂程度比起2维GIS系统来说是更高了。 总体来说，与二维GIS相比，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的立体关系:另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。这样也就更为丰富了数字城市的信息表达，而三维表达正是数字城市建立的主要可视化方式之一。5、虚拟现实技术。数字城市的建立其最终的结果是实现空间模型的可视化技术，而虚拟现实技术就是将这样的效果实现，成为让人有沉浸感的一个系统。虚拟现实是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体讲，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然方式与虚拟环境中的对象交互作用、相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。这样能将模拟的给人一种更好的真实感，也就是说在表达城市信息和描绘城市的时候更具魅力。现在主要是根据这些主要的数字城市关键技术来讨论其中能实现的功能，以及如何将这些技术相互融合起来，达到一个统一完整的系统，这样的整体才能满足一个信息化发展的大方向。而一个综合性的可查询，满足三维视图的数字城市系统提供给人们一种全新的城市规划建设与管理和工作生活的理念与调控手段，能适应并预测城市的变化，尤其是GIS的空间信息综合处理能力与直观表现能力，在处理城市复杂系统问题时，能帮助人们更好地建立起全局观念与模拟直观感。第4节 本文研究的主要内容及技术路线本文以数字城市为研究主题，但主要研究的是在数字城市原型系统中数字城市数据建模和可视化的方法。全文将从空间数据的数据表达模型入手，讨论组成数字城市模型的数据结构模型，然后讨论数据模型的可视化方法，再通过比较几种不同的三维建模方式，对集中三维建模的算法要主要提出，然后能够选出一个能实现快速，精确的方法，最终能提出一个原型系统，其中在本文中将主要实现原型系统中的空间可视化的表达。最终，将要提出一个数字城市原型系统，其模型整体框架如下图：GPS、RS数据输入数字高程模型DEM三维工作模型三维城市模型3DS模型数字正射影像图二维工作区数据转换，模型转换属性修改，纹理映射二维分析，规划指标三维建模，可视化输出，信息查询图1.4.1 原型系统总规划图 而本文最主要的就是实现其中的三维建模方法和可视化输出的功能。然后会在一些实例中做出试验，以更好的将本文中所要讨论的数字城市的建立方法的进行更为完善的阐述。第 23 页 共 28 页第2章 数字城市空间表达模型构建过程第1节 城市空间概念数据模型数据模型（data model）是描述数据库的概念集合，包括精确描述数据、数据关系、数据语义级完整性约束条件的概念。GIS现有的空间数据模型有基于记录的3重传统的数据模型，即层次数据模型、网络数据模型和关系数据模型，以及面向对象的数据模型、对象-关系型数据模型。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机，是建立在对地理空间充分认识与完整抽象的地理空间认知模型（或概念模型）的基础上，并用计算机能够识别和处理的形式语言来定义和描述现实世界地理实体、地理现象及其相互关系，是现实世界到计算机世界的映射。看空间数据模型为描述空间数据组织和设计空间数据库提供方法，是GIS空间数据建模的基础。空间数据模型的发展和空间数据库技术的发展密切相关。第一代层次与网状数据库（以1969年IBM公司研制的IMS为标志）带动了GIS层次数据模型（hierarchical model）和网络数据模型（network data model）的发展；第二代关系数据库（以Oracle,SQL server,Sybase为代表）带动了GIS关系模型数据模型的发展和成熟。而面向对象的数据模型技术队数据库技术的发展产生了深远的影响，成为第三代数据库系统的主要标志，进而也促进了新的GIS面向对象数据模型（object-oriented data model）的发展。第三代数据库系统的另一个主要特征是数据库技术与其他技术的相互结合，表现为分布式数据库、工程数据、演绎数据库、多媒体数据库、地理数据库等新技术层出不穷，进而也带动了GIS超图数据模型的研究与发展。2.1.1 传统的空间数据模型在3种传统的数据模型中，层次数据模型和网络数据模型也成为结构化数据模型，关系数据模型也成为面向操作的逻辑数据模型。1）、层次数据模型层次数据模型的核心是记录和系。记录表示数据，一个记录表示多个数据，每个数据域表示一个数据项。数据之间的关系有由系来表示，系可以视为一个指针。数据库中的记录被组织为数的集合。如图2-1所示M L1 N2 N1 L5 L1 N5 N4 P1 L2 P2 L3 L6 N3图2-1-1 某区域的地狱表示左边是某个区域（M）的地理对象的地图表示，M包括两个面域（P1,P2）面域由边围成便有两个端点，其中L2为P1与P2的公共边。层次数据模型是一种描述该区域地理特征的倒挂树形结构（根在上，枝叶在下），如图2-2所示。MP1 P2L1 L2 L3 L4 L5 L6 L2N1 N2 N2 N3 N3 N4 N4 N5 N2 N5 N5 N3 N3 N2图2-1-2 层次模型树结构图2）、针对层次数据模型重复描述的特点，CODASYL设计提出了网络数据模型用于网络数据库。网络数据库模型类似于层次数据模型，也是用记录和系来表示数据与数据之间的关系。所不同的是数据库中的记录被阻止为任意图的组合，且公共边公共节点不必重复描述。P1P2L1L2L3L4L5L6N5N4N3N2N1M图2-1-3 网络数据模型的树结构网络数据模型的典型特征是不仅可以像层次模型一样表达一对一、一堆多的关系，而且可以表达层次模型不能表达的多对多的关系，即：一个上级节点可以对应多个下级节点（也称叶节点或子节点）；一个下级节点也可以对应多个上级节点。3）、关系数据模型关系数学模型是一种数学化的模型，他将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表或关系。一个实体有若干关系构成，而关系表的集合就是构成关系的模型。每一种关系都对应一个表；每个表有数个列；每个列举有唯一的名称，称为关系的属性；每一行数据成为一个圆柱，是关系表数据中的一条记录。关系模型具有以下基本特征：（1）、描述的一致性：目标之间既不用指针也不用ID码来联系，而是数据本身通过公共值的隐含来表达其间的关系；（2）、操作的简单性：用关系代数和关系运算来操作数据。（3）、结构简单灵活：可以根据目标的复杂程度，随时调整和修改表的结构，数据更新也非常容易。图2-1中的区域地理要素可以用以下4个关系表（表2-1表2-4）来表述表2-1-1 关系1：边界关系（）面域（多边形）边 界边界长/mP1L14123P1L24000P1L34123P1L42000P2L53041P2L64610P2L24000表2-1-2 关系2：边界-节点关系（）边 界起端点（）终端点（）L1N1N2L2N2N3L3N3N4L4N4N1L5N2N5L6N5N3表2-1-3 关系3：面域关系（）面域（）面积/P112.0耕地P26.0开发区表2-1-4 关系4：节点坐标关系（）端 点xyN11000.04000.0N25000.05000.0N35000.01000.0N41000.02000.0N58000.04500.0目前，大多数GIS均采用关系型数据并使用关系型数据库管理系统（DBMS）来管理属性数据，有些GIS（如System 9）还采用RDBMS来管理几何数据。2.1.2 面向对象数据模型面向对象（object-oriented）是一种方法学（paradigm），他比较自然的模拟了人类认识客观世界的方式，能够建立比较完整的、易于人们理解的软件系统的概念和机制。现实世界中无论多么复杂的实体或现象，采用面向思想发展起来的面向对象技术，是继高级语言结构化软件设计之后的软件生产新境界，已经成为一种重要的软件系统设计和实现的软件工程方法。面向对象技术的核心是对象（object）和类(class)。对象是指现实世界中的实体和现象，是系统构成的基本单位。一个对象由一组属性和对这组属性进行操作的一组服务组成。属性是一些数据项，用来描述对象的静态特征；服务是一个操作序列，用来描述对像的动态特征（行为），每个对象都有一个唯一的标志号（ID）作为识别标志。类是具有部分相同属性和服务的一组对象的集合，是这些对象的统抽象描述，其内部也包括属性和方法两个主要部分。类似对象的共性抽象，对象则是类的实例，表示为“is-intance-of”的关系；对象具有类之外的自身特有的属性和服务。类的共性抽象称为超类，类是超类的子类，表示为“is-a”的关系。一个类可能是某一类的超类，也可以是某一超类甚至是多个超类的子类。此外，面型对象技术还有5个基本概念，即封装（encapsulation）、继承（inheritance）、消息（message）、多态性（polymorphism）和永久对象（permanent object）.GIS的面向对象模型就是在上述概念的基础上，运用分类（classification）、概括（generalization）、联合（association）、聚集(aggregation)4种语义抽象技术和继承（inheritance）与传播（propagation）2种语义工具来完成对现实世界实体与现象的描述。近年来发展起来的面向对象数据库系统（如Jasmine），由于直接采用面向对象的技术，可以采用面向空间数据模型实现对空间数据进行管理，但其应用领域还不够广泛。2.1.3 对象-关系型数据模型由于传统的关系数据库管理系统（RDBMS）不支持变长记录和处理目标嵌套，因此在管理空间数据时存在明显不足，而基于面向对象技术发展起来的面向对象型数据库管理系统还不够完善。因此，人们努力的寻求对RDBMS进行扩展，引入面向对象的思想，使之能够有效地管理空间数据，进而发展了对象-关系型数据库，如Oracle 9i.第2节 城市空间对象数据结构定义在数字城市空间中，需要表达的无非就是人们都已经习惯的环境中熟悉的建筑物群，以及城市中各种设施和地形地貌。基于上节所描述的城市空间数据模型，在数字模型的数据组织上可以通过一系列的逻辑层次模型、网络数据模型或者关系数据模型的传统数据模型组织表达数据，还可以建立一种统一表达数据模型，即面向对象模型来将城市空间的数据进行表现。但在真实空间中，这样的数据结构还是不足以来将复杂的城市空间对象一一详细的表现出来，城市空间对象主要有地形地貌和城市设施建筑物对象（主要划分见表 2-1），基于这种划分，我们可以将这两种数据对象进行分开建模，分别进行数据结构构建。表 2-2-1 城市空间对象的主要划分城市空间对象人文要素建筑物公共设施交通网自然要素水系地形植物在描述三维城市空间数据的对象中，二维GIS系统的通用系统标准是用栅格数据结构和矢量数据结构来表达地图信息。当然在三维数据结构中这样的数据结构也是必须要用到的，也就是说，将矢量结构数据表现空间对象的形状特征，用于三维空间则是要用矢量数据形成一组或多组空间曲面所包围的空间对象，它具有体积、长度、宽度、高度、空间曲面的面积、空间曲面的周长等属性；山歌数据主要表达的是空间对象的级别分布特征及其位置；除了要表达一些单个或一片地物之外，还需要表达一些地物和地物之间的拓扑关系，也就是空间关系的表达，这样基本上就可以将空间实体数据定义为四个方面：1） 属性、类型说明数据；2） 空间对象的矢量数据；3） 空间对象的栅格数据；4） 空间对象间的拓扑关系数据。下面分别介绍这几种数据的定义方法：1） 属性、类型说明数据：这种数据是用来表达空间对象所对应的非空间信息，图道路的宽度、路面质量、车流量、交通规则等，同样，已经编码的数据还要表示说明对象数据的来源、质量等相关信息。2） 空间对象的矢量数据：（1） 0维矢量：0维矢量维空间中的一个点（point）。点在而为、三维欧式空间中分别用（x,y）和（x,y,z）来表示。在数学上点没有大小、方向。点实体包括以下积累实体：1 实体点（Entity point）:代表一个实体。如钻孔点、高程点、建筑物和公共设施。2 注记点（Text point）：用于定位注记。3 内点（Label point）：存在于多边形内，用于标识多边形的属性。4 节点（Node）：表示护短的起点和终点。5 角点（Vertex）或中间点：表示线段或弧段的内部点。（2） 一维矢量：一维矢量表现空间中的线划要素，他包括线段、边界、弧段、网络等。在二维（式2-2-1）和三维（式2-2-2）欧式空间中用有序坐标对表示，即： （2-2-1） （2-2-2）此外，一维矢量有折线和曲线之分。一维矢量具有如下特性。1 长度：从起点到终点的总长。2 弯曲度：表示像道路转弯弯时弯曲的程度。3 方向性：看食欲首节点，结束于末节点。如何六中的水流方向、高速公路允许的车流方向等。（3） 二维矢量：二维矢量表示空间的一个面要素，在二维欧式平面上是指由一组闭合弧段所包围的空间区域。所以，二维矢量在二维空间平面中又称为多边形，是对岛、湖泊、地块、行政区域等现象的描述（图 2-2-1（a）。在三维欧式空间中二维矢量为空间曲面。目前通过二维矢量对空间曲面的表达主要有等高线和剖面法两种（图 2-2-1（b）(c)）.前者通过设置等间距，把具有形同高程值的点连接起来形成等高线（一维矢量），这些等高线就可以完成对空间曲面的描述。后者是按一定的间距和剖面方向切割空间曲面，切割而成的多组剖面就完成了对空间曲面的描述。 地块 湖泊 行政区域界限（a）（b）等高线（c）剖面线图 2-2-1 二维矢量有关图形示意二维矢量的主要参数如下：1 面积：指封闭多边形的面积。翠玉三维欧式克难攻坚中的空间曲面而言，还包括其在水平面上的的投影面积。2 周长：如果形成多边形的弧段为折线，那么，周长为各折线段长度之和；多边形由曲线组成，则计算方法较复杂，像积分法。3 凹凸性：用于二维矢量的形态描述。凸多边形是指多边形内所有边之间的夹角小于180；反之，则为凹多边形。4 走向、倾角和倾向：在描述地形、地层的特征要素时常使用这些参数。（4） 三维矢量：三维矢量用于表达汕尾空间的现象和物体，是有一组或多组空间曲面所包围的空间对象。从这方面来考虑，可以将空间矢量又称为体，像建筑物、山体、独立地物等的描述（图 2-2-2）。 图 2-2-2 三维实体演示三维实体的主要参数如下：1 表面积：是指由一个或多个二维矢量构成的曲面的面积总和。由于是可以看做由二维矢量图形合并而成，所以这样的体也不是真正的实体。2 高程或高度：是指三维空间中的点实体或曲面实体到以另一个连续的具有高程适宜的平面的距离。3 体积：三维实体在三维欧式空间中所占的总的空间数。这里也可以理解为由二维平面实体堆积而成的总的容积量。4 空间拓扑关系：即是说对三维空间中的实体表达的相邻或相互之间的逻辑关系。3） 、空间对象的栅格数据：栅格表达法主要描述空间对象的级别分布特征及其位置。栅格类似于矩阵。在栅格表达中，对空间实体的最小表达单位为一个单位或像素（Cell或Pixel）,依行列构成的单元矩阵叫栅格（Grid）。每个单元通过一定的数值表达方式（如颜色、灰度级），表达诸如环境污染程度、制备覆盖类型等空间地理现象（图 2-2-3）。 （a） 点状（b） 线状（c） 面状图 2-2-3 栅格数据表达示意除了航空、航天技术获取的影像资料可以直接通过栅格加以表达外，通过矢量到栅格的转换算法，栅格表达同样可以表达0维、一维、二维等矢量图形或地理现象。此时，0维矢量就是表象为具有一定数值的栅格单元，一维矢量就是表现为按现行特征相连接的一组相邻单元，二维矢量则表现为按二维形状特征连续分布的一组单元。4）、空间对象关系数据：GIS中，为了真实的反应地理空间对象，不仅要包括空间对象的位置、形状、大小和属性，还必须反应空间对象之间的相互关系。这些关系就是指它们之间的邻接关系、关联关系和包含关系。拓扑关系在地图上市通过图形来识别和解释的，而在计算机中，则必须按照拓扑结构加以定义。如图 2-2-4所示：A,B,C,D为节点；a,b,c,d,e为线段（弧段）；，为面（多边形）。图 2-2-4 空间关系数据拓扑关系邻接关系：空间图形中同类元素之间的拓扑关系。例如多边形之间的邻接关系,，又如节点之间的邻接关系A与D、C与D等。关联关系：空间图形中不同元素之间的拓扑关系。例如节点与弧段的关联关系A与e、a、c；多边形与弧段的关联关系与e、c、f。包含关系：空间图形中同类但不同级元素之间的拓扑关系。例如多边形中包含有多边形。如果要将节点、弧段、面相互之间所有的拓扑关系表达出来，可以组成四个关系表，即表2-2-2，表2-2-3，表2-2-4和表2-2-5.表 2-2-2 面域与弧段的拓扑关系面域弧段表 2-2-3节点与弧段的拓扑关