三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件

三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

專業(yè)：地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)

姓名：張小強(qiáng)

三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

專1提綱1基本概念2三維空間數(shù)據(jù)模型3疑問(wèn)提綱1基本概念21基本概念1.1模型1.2數(shù)據(jù)模型1.3空間數(shù)據(jù)模型1.4三維空間數(shù)據(jù)模型1.5三維空間數(shù)據(jù)模型與三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的區(qū)別1基本概念1.1模型31.2數(shù)據(jù)模型（DataModel）數(shù)據(jù)模型是一種模型，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象。數(shù)據(jù)模型是嚴(yán)格定義的一組概念的集合，這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和完整性約束條件。數(shù)據(jù)模型的組成要素：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成。目前數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中最常用的數(shù)據(jù)模型有四種，它們是：層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ汀?.2數(shù)據(jù)模型（DataModel）數(shù)據(jù)模型是一種模型，是41.3空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型是一種具有特定性質(zhì)的數(shù)據(jù)模型,它是描述空間數(shù)據(jù)組織的概念集合,包括對(duì)大量空間實(shí)體和空間關(guān)系的歸納。不同的歸納方法導(dǎo)致不同的數(shù)據(jù)模型。1.3空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型是一種具有特定性質(zhì)的數(shù)據(jù)模型,51.4三維空間數(shù)據(jù)模型三維空間數(shù)據(jù)模型是研究三維空間的幾何對(duì)象的數(shù)據(jù)組織、操作方法以及規(guī)則約束條件等內(nèi)容的集合。1.4三維空間數(shù)據(jù)模型三維空間數(shù)據(jù)模型是研究三維空間的幾何對(duì)6

1.5三維空間數(shù)據(jù)模型與三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的區(qū)別

三維空間數(shù)據(jù)模型是人們對(duì)客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的理論基礎(chǔ)。三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維空間數(shù)據(jù)模型的具體實(shí)現(xiàn)，是客觀對(duì)象在計(jì)算機(jī)中的底層表達(dá)，是對(duì)客觀對(duì)象進(jìn)行可視表現(xiàn)的基礎(chǔ)。

1.5三維空間數(shù)據(jù)模型與三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的區(qū)別

三維空間數(shù)72.1三維空間數(shù)據(jù)模型的分類從總體分[1]面模型[2]體模型與二維空間數(shù)據(jù)模型類比分：[1]基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型[2]基于矢量的數(shù)據(jù)模型[3]分析型數(shù)據(jù)模型[4]混合數(shù)據(jù)模型2.1三維空間數(shù)據(jù)模型的分類從總體分8三維空間數(shù)據(jù)模型基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型基于矢量的數(shù)據(jù)模型分析型數(shù)據(jù)模型混合型數(shù)據(jù)模型單元分解法空間枚舉法單純形剖分模型四面體格網(wǎng)法(TEN)三維格網(wǎng)等平面八叉樹(shù)(Octree)線框表示法實(shí)體模型三維形式化數(shù)據(jù)模型Vector3D(V3D)數(shù)據(jù)模型基于表面剖分的空間數(shù)據(jù)模型構(gòu)造幾何體法(CSG)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型Qctree+TENOctree+CSGOctree+TIN...…...…非均勻有理B樣條函數(shù)表示(NURBS)...…G八叉樹(shù)Polytree...…三維空間數(shù)據(jù)模型基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型基于矢量的數(shù)據(jù)模型分析型數(shù)9面模型(SurfaceGraphics)

面模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)重于三維空間表面的表示,如:地形表面,地質(zhì)層面等,通過(guò)表面表示形成三維空間目標(biāo)表示,其優(yōu)點(diǎn)是便于顯示和數(shù)據(jù)更新,不足之處是空間分析難以進(jìn)行。面模型(SurfaceGraphics)

面模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)10體模型(VolumeGraphics)體模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)重于三維空間體的表示,如:水體,建筑物等,通過(guò)對(duì)體的描述實(shí)現(xiàn)三維空間目標(biāo)表示。其優(yōu)點(diǎn)是適于空間操作和分析,但存儲(chǔ)空間占用較大,計(jì)算速度也較慢。體模型(VolumeGraphics)體模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)重于11[1]基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型

基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型是將三維空間劃分成一系列連通但不重疊的幾何體素,它可以看成是二維柵格模型的擴(kuò)展。該模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于空間分析的特點(diǎn),但表達(dá)空間位置的幾何精度低,也不適合于表達(dá)和分析實(shí)體之間的空間關(guān)系,同時(shí),數(shù)據(jù)量較大、處理速度慢。[1]基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型

基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型是將三維空間劃分12(1)四面體格網(wǎng)模型(TEN)四面體格網(wǎng)（TetrahedralNetwork—TEN）是一種特殊形式的柵格模型，該模型以四面體作為描述空間實(shí)體的基本幾何元素，將任意一個(gè)三維空間實(shí)體劃分為一系列鄰接但不重疊的不規(guī)則四面體。四面體格網(wǎng)由點(diǎn)、線、面和體四類基本元素組合而成。每個(gè)四面體包含4個(gè)三角形，每個(gè)三角形包括3條邊，每條邊與兩個(gè)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。其實(shí)質(zhì)是2DTIN結(jié)構(gòu)在3D空間上的擴(kuò)展。

(1)四面體格網(wǎng)模型(TEN)四面體格網(wǎng)（Tetrahedr13用四面體格網(wǎng)表示三維空間物體的例子及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用四面體格網(wǎng)表示三維空間物體的例子及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)14(2)八叉樹(shù)模型八叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維柵格數(shù)據(jù)的壓縮形式，是二維柵格數(shù)據(jù)中的四叉樹(shù)在三維空間的推廣，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是將所要表示的三維空間V按X、Y、Z三個(gè)方向從中間進(jìn)行分割，把V分割成八個(gè)立方體，然后根據(jù)每個(gè)立方體中所含的目標(biāo)來(lái)決定是否對(duì)各立方體繼續(xù)進(jìn)行八等分的劃分，一直劃分到每個(gè)立方體被一個(gè)目標(biāo)所充滿，或沒(méi)有目標(biāo)，或其大小已成為預(yù)先定義的不可再分的體素為止。八叉樹(shù)可分為常規(guī)八叉樹(shù)、線性八叉樹(shù)和三維行程編碼八叉樹(shù)(3DRD)[按照存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分]。(2)八叉樹(shù)模型八叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維柵格數(shù)據(jù)的壓縮形式，是二15某個(gè)子立方體被八等分某個(gè)子立方體被八等分16

體元形式的三維數(shù)據(jù)八叉樹(shù)編碼

編碼如圖所示的空間物體，其八叉樹(shù)的邏輯結(jié)構(gòu)可按下圖表示。

小圓圈表示該立方體未被某目標(biāo)填滿，或者說(shuō)它含有多個(gè)目標(biāo)在其中，需要繼續(xù)劃分;

有陰影線的小矩形表示該立方體被某個(gè)目標(biāo)填滿;空白的小矩形表示該立方體中沒(méi)有目標(biāo)，這兩種情況都不需繼續(xù)劃分。

體元形式的三維數(shù)據(jù)八叉樹(shù)編碼編碼如圖所示的空間物體，其17[2]基于矢量的數(shù)據(jù)模型基于矢量的數(shù)據(jù)模型以物體邊界為基礎(chǔ)定義和描述幾何形體,并能給出完整和顯式界面描述的方法。[2]基于矢量的數(shù)據(jù)模型基于矢量的數(shù)據(jù)模型以物體邊界為基礎(chǔ)定18三維邊界表示法通過(guò)指定頂點(diǎn)位置、構(gòu)成邊的頂點(diǎn)以及構(gòu)成面的邊來(lái)表示三維物體的方法被稱為三維邊界表示法。比較常用的三維邊界表示法是采用三張表來(lái)提供點(diǎn)、邊、面的信息，這三張表就是：頂點(diǎn)表，用來(lái)表示多面體各頂點(diǎn)的坐標(biāo)；邊表，指出構(gòu)成多面體某邊的兩個(gè)頂點(diǎn)；面表，給出圍成多面體某個(gè)面的各條邊。對(duì)于后兩個(gè)表，一般使用指針的方法來(lái)指出有關(guān)的邊、點(diǎn)存放的位置。三維邊界表示法通過(guò)指定頂點(diǎn)位置、構(gòu)成邊的頂點(diǎn)以及構(gòu)成面的邊來(lái)19三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件20[3]分析型數(shù)據(jù)模型分析型數(shù)據(jù)模型又稱參數(shù)函數(shù)表示法，它可以描述三維空間中的線、面和體目標(biāo)，其指導(dǎo)思想就是利用有限的空間數(shù)據(jù)，來(lái)尋求一個(gè)函數(shù)的解析式，用這個(gè)解析式來(lái)生成新的空間點(diǎn)，用以逼近原有物體。[3]分析型數(shù)據(jù)模型分析型數(shù)據(jù)模型又稱參數(shù)函數(shù)表示法，它可以21三維空間的曲線

用參數(shù)函數(shù)來(lái)表示三維空間的曲線,其思想類似于“GIS數(shù)據(jù)處理”中的“曲線擬合”，只不過(guò)是將二維空間向三維空間進(jìn)行擴(kuò)展。

三維空間的曲線

用參數(shù)函數(shù)來(lái)表示三維空間的曲線,其思想類似22三維空間的曲面用參數(shù)函數(shù)來(lái)表示三維空間的曲面,其實(shí)質(zhì)就是“數(shù)字高程模型”中的數(shù)字方法，數(shù)字高程模型的解析式是V=f（x，y），其中V為在空間（x，y）點(diǎn)上的高程值或特征值，這個(gè)解析式只能表示或獲取地表信息。三維空間的曲面用參數(shù)函數(shù)來(lái)表示三維空間的曲面,其實(shí)質(zhì)就是“數(shù)23三維空間體

用三維（立體）數(shù)據(jù)模型V=f（x，y，z）可以描述地表內(nèi)部的信息（如礦體、水體、地質(zhì)狀況等），其中x，y，z是三維空間連續(xù)自由變化的點(diǎn)坐標(biāo)，V是對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)點(diǎn)的屬性值（特征值）。

三維空間體用三維（立體）數(shù)據(jù)模型V=f（x，y，z）可以描24[4]混合型數(shù)據(jù)模型基于混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是將兩種或兩種以上的數(shù)據(jù)模型加以綜合,形成一種具有一體化結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。以適應(yīng)不同分辨率、不同背景條件、不同應(yīng)用的要求。[4]混合型數(shù)據(jù)模型基于混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是將兩種或兩種以上25三維GIS三維空間數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論是三維GIS研究的首要問(wèn)題。二維GIS：即傳統(tǒng)意義上的GIS，只能處理平面X、Y軸上的信息，不能處理鉛垂方向Z軸上的信息。2.5維（假三維）GIS：在二維GIS的基礎(chǔ)上，考慮了Z軸上的信息，但并未處理，只將其作為附屬的屬性變量對(duì)待。如DEM，雖然賦予了Z軸高程信息，能夠表達(dá)出表面起伏的地形，但地形下面的信息卻不具有。三維GIS：表達(dá)考慮多個(gè)Z值的出現(xiàn)，能表示多層屬性。四維GIS：三維GIS加上時(shí)間維方面的處理即為四維GIS。

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