三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)29頁課件

1、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)提綱1基本概念2三維空間數(shù)據(jù)模型3疑問1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1.2數(shù)據(jù)模型（Data Model）數(shù)據(jù)模型是一種模型，是對現(xiàn)實世界數(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?.3空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型是一種具

2、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,包括對大量空間實體和空間關(guān)系的歸納。不同的歸納方法導(dǎo)致不同的數(shù)據(jù)模型。1.4三維空間數(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。1.5三維空間數(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)模型是人們對客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維空間數(shù)據(jù)模型的具體實現(xiàn)，是客觀對象在計算機(jī)中的底層表達(dá)，是對客觀對象進(jìn)行可視表現(xiàn)的基礎(chǔ)。2.1三維空間數(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)

3、模型 3 分析型數(shù)據(jù)模型 4 混合數(shù)據(jù)模型三維空間數(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(Octree)線框表示法 實體模型 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 + TEN Octree + CSG Octree + TIN .非均勻有理B 樣條函數(shù)表示(NURBS).G八叉樹Polytree.面模型(Surface Graphics)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

4、: 地形表面, 地質(zhì)層面等, 通過表面表示形成三維空間目標(biāo)表示, 其優(yōu)點是便于顯示和數(shù)據(jù)更新, 不足之處是空間分析難以進(jìn)行。體模型(Volume Graphics)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, 通過對體的描述實現(xiàn)三維空間目標(biāo)表示。其優(yōu)點是適于空間操作和分析, 但存儲空間占用較大, 計算速度也較慢。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)簡單、便于空間分析的特點, 但表達(dá)空間位置的幾何精度低, 也不適合于表達(dá)和分析實體之間的空間關(guān)系, 同時, 數(shù)據(jù)量較大、處理速度慢。

5、(1)四面體格網(wǎng)模型(TEN)四面體格網(wǎng)（Tetrahedral NetworkTEN）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體的基本幾何元素，將任意一個三維空間實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、線、面和體四類基本元素組合而成。每個四面體包含4個三角形，每個三角形包括3條邊，每條邊與兩個點相關(guān)聯(lián)。其實質(zhì)是2D TIN結(jié)構(gòu)在3D空間上的擴(kuò)展。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)(2)八叉樹模型八叉樹數(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三個方向從中間進(jìn)行分割，把

6、V分割成八個立方體，然后根據(jù)每個立方體中所含的目標(biāo)來決定是否對各立方體繼續(xù)進(jìn)行八等分的劃分，一直劃分到每個立方體被一個目標(biāo)所充滿，或沒有目標(biāo)，或其大小已成為預(yù)先定義的不可再分的體素為止。八叉樹可分為常規(guī)八叉樹、線性八叉樹和三維行程編碼八叉樹(3DRD)按照存儲結(jié)構(gòu)分。某個子立方體被八等分體元形式的三維數(shù)據(jù)八叉樹編碼 編碼 如圖所示的空間物體，其八叉樹的邏輯結(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，或者說它含有多個目標(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目標(biāo)填滿;空白的小矩形表示該立方體中沒有目標(biāo)，這兩種情況都不需繼續(xù)劃分。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

7、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。三維邊界表示法通過指定頂點位置、構(gòu)成邊的頂點以及構(gòu)成面的邊來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提供點、邊、面的信息，這三張表就是：頂點表，用來表示多面體各頂點的坐標(biāo)；邊表，指出構(gòu)成多面體某邊的兩個頂點；面表，給出圍成多面體某個面的各條邊。對于后兩個表，一般使用指針的方法來指出有關(guān)的邊、點存放的位置。 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)，來尋求一個函數(shù)的解析式，用這個解析式來生成新的空間點，用以逼近原

8、有物體。三維空間的曲線用參數(shù)函數(shù)來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”，只不過是將二維空間向三維空間進(jìn)行擴(kuò)展。 三維空間的曲面用參數(shù)函數(shù)來表示三維空間的曲面,其實質(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）點上的高程值或特征值，這個解析式只能表示或獲取地表信息。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)自由變化的點坐標(biāo)，V是對應(yīng)于坐標(biāo)點的屬性值（特征值）。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。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Z值的出現(xiàn) ，能表示多層屬性。四維GIS：三維GIS加上時間維方