三維空間數據模型與數據結構

專業：地圖學與地理信息系統

姓名：張小強

三維空間數據模型與數據結構

專1提綱1基本概念2三維空間數據模型3疑問提綱1基本概念21基本概念1.1模型1.2數據模型1.3空間數據模型1.4三維空間數據模型1.5三維空間數據模型與三維空間數據結構的區別1基本概念1.1模型31.2數據模型（DataModel）數據模型是一種模型，是對現實世界數據特征的抽象。數據模型是嚴格定義的一組概念的集合，這些概念精確地描述了系統的靜態特性、動態特性和完整性約束條件。數據模型的組成要素：數據結構、數據操作和完整性約束三部分組成。目前數據庫領域中最常用的數據模型有四種，它們是：層次模型、網狀模型、關系模型、面向對象模型。1.2數據模型（DataModel）數據模型是一種模型，是41.3空間數據模型空間數據模型是一種具有特定性質的數據模型,它是描述空間數據組織的概念集合,包括對大量空間實體和空間關系的歸納。不同的歸納方法導致不同的數據模型。1.3空間數據模型空間數據模型是一種具有特定性質的數據模型,51.4三維空間數據模型三維空間數據模型是研究三維空間的幾何對象的數據組織、操作方法以及規則約束條件等內容的集合。1.4三維空間數據模型三維空間數據模型是研究三維空間的幾何對6

1.5三維空間數據模型與三維空間數據結構的區別

三維空間數據模型是人們對客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數據庫的理論基礎。三維空間數據結構是三維空間數據模型的具體實現，是客觀對象在計算機中的底層表達，是對客觀對象進行可視表現的基礎。

1.5三維空間數據模型與三維空間數據結構的區別

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

面模型數據結構側重于三維空間表面的表示,如:地形表面,地質層面等,通過表面表示形成三維空間目標表示,其優點是便于顯示和數據更新,不足之處是空間分析難以進行。面模型(SurfaceGraphics)

面模型數據結構側10體模型(VolumeGraphics)體模型數據結構側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三維空間目標表示。其優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。體模型(VolumeGraphics)體模型數據結構側重于11[1]基于鑲嵌的數據模型

基于鑲嵌的數據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展。該模型具有結構簡單、便于空間分析的特點,但表達空間位置的幾何精度低,也不適合于表達和分析實體之間的空間關系,同時,數據量較大、處理速度慢。[1]基于鑲嵌的數據模型

基于鑲嵌的數據模型是將三維空間劃分12(1)四面體格網模型(TEN)四面體格網（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則四面體。四面體格網由點、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聯。其實質是2DTIN結構在3D空間上的擴展。

(1)四面體格網模型(TEN)四面體格網（Tetrahedr13用四面體格網表示三維空間物體的例子及其數據結構用四面體格網表示三維空間物體的例子及其數據結構14(2)八叉樹模型八叉樹數據結構是三維柵格數據的壓縮形式，是二維柵格數據中的四叉樹在三維空間的推廣，該數據結構是將所要表示的三維空間V按X、Y、Z三個方向從中間進行分割，把V分割成八個立方體，然后根據每個立方體中所含的目標來決定是否對各立方體繼續進行八等分的劃分，一直劃分到每個立方體被一個目標所充滿，或沒有目標，或其大小已成為預先定義的不可再分的體素為止。八叉樹可分為常規八叉樹、線性八叉樹和三維行程編碼八叉樹(3DRD)[按照存儲結構分]。(2)八叉樹模型八叉樹數據結構是三維柵格數據的壓縮形式，是二15某個子立方體被八等分某個子立方體被八等分16

體元形式的三維數據八叉樹編碼

編碼如圖所示的空間物體，其八叉樹的邏輯結構可按下圖表示。

小圓圈表示該立方體未被某目標填滿，或者說它含有多個目標在其中，需要繼續劃分;

有陰影線的小矩形表示該立方體被某個目標填滿;空白的小矩形表示該立方體中沒有目標，這兩種情況都不需繼續劃分。

體元形式的三維數據八叉樹編碼編碼如圖所示的空間物體，其17[2]基于矢量的數據模型基于矢量的數據模型以物體邊界為基礎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]基于矢量的數據模型基于矢量的數據模型以物體邊界為基礎定18三維邊界表示法通過指定頂點位置、構成邊的頂點以及構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；邊表，指出構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的邊、點存放的位置。三維邊界表示法通過指定頂點位置、構成邊的頂點以及構成面的邊來19三維空間數據模型與數據結構課件20[3]分析型數據模型分析型數據模型又稱參數函數表示法，它可以描述三維空間中的線、面和體目標，其指導思想就是利用有限的空間數據，來尋求一個函數的解析式，用這個解析式來生成新的空間點，用以逼近原有物體。[3]分析型數據模型分析型數據模型又稱參數函數表示法，它可以21三維空間的曲線

用參數函數來表示三維空間的曲線,其思想類似于“GIS數據處理”中的“曲線擬合”，只不過是將二維空間向三維空間進行擴展。

三維空間的曲線

用參數函數來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函數來表示三維空間的曲面,其實質就是“數字高程模型”中的數字方法，數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。三維空間的曲面用參數函數來表示三維空間的曲面,其實質就是“數23三維空間體

用三維（立體）數據模型V=f（x，y，z）可以描述地表內部的信息（如礦體、水體、地質狀況等），其中x，y，z是三維空間連續自由變化的點坐標，V是對應于坐標點的屬性值（特征值）。

三維空間體用三維（立體）數據模型V=f（x，y，z）可以描24[4]混合型數據模型基于混合結構的數據模型是將兩種或兩種以上的數據模型加以綜合,形成一種具有一體化結構的數據模型。以適應不同分辨率、不同背景條件、不同應用的要求。[4]混合型數據模型基于混合結構的數據模型是將兩種或兩種以上25三維GIS三維空間數據模型和數據結構理論是三維GIS研究的首要問題。二維GIS：即傳統意義上的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：表達考慮多個Z值的出現，能表示多層屬性。四維GIS：三維GIS加上時間維方面的處理即為四維GIS。

三維GIS三維空間數據模型和數據結構理論是三維GIS研究的首26比較二維GIS2.5維GIS三維GIS比較二維GIS2.5維GIS三維GIS273疑問GoogleEarth(Google)WorldWind(NASA)ERDASIMAGINE/ImagingVirtualGIS(ERDAS)它們的三維空間數據模型和數據結構究竟是如何構建的？3疑問28

三維空間數據模型與數據結構

專業：地圖學與地理信息系統

姓名：張小強

三維空間數據模型與數據結構

專29提綱1基本概念2三維空間數據模型3疑問提綱1基本概念301基本概念1.1模型1.2數據模型1.3空間數據模型1.4三維空間數據模型1.5三維空間數據模型與三維空間數據結構的區別1基本概念1.1模型311.2數據模型（DataModel）數據模型是一種模型，是對現實世界數據特征的抽象。數據模型是嚴格定義的一組概念的集合，這些概念精確地描述了系統的靜態特性、動態特性和完整性約束條件。數據模型的組成要素：數據結構、數據操作和完整性約束三部分組成。目前數據庫領域中最常用的數據模型有四種，它們是：層次模型、網狀模型、關系模型、面向對象模型。1.2數據模型（DataModel）數據模型是一種模型，是321.3空間數據模型空間數據模型是一種具有特定性質的數據模型,它是描述空間數據組織的概念集合,包括對大量空間實體和空間關系的歸納。不同的歸納方法導致不同的數據模型。1.3空間數據模型空間數據模型是一種具有特定性質的數據模型,331.4三維空間數據模型三維空間數據模型是研究三維空間的幾何對象的數據組織、操作方法以及規則約束條件等內容的集合。1.4三維空間數據模型三維空間數據模型是研究三維空間的幾何對34

1.5三維空間數據模型與三維空間數據結構的區別

三維空間數據模型是人們對客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數據庫的理論基礎。三維空間數據結構是三維空間數據模型的具體實現，是客觀對象在計算機中的底層表達，是對客觀對象進行可視表現的基礎。

1.5三維空間數據模型與三維空間數據結構的區別

三維空間數352.1三維空間數據模型的分類從總體分[1]面模型[2]體模型與二維空間數據模型類比分：[1]基于鑲嵌的數據模型[2]基于矢量的數據模型[3]分析型數據模型[4]混合數據模型2.1三維空間數據模型的分類從總體分36三維空間數據模型基于鑲嵌的數據模型基于矢量的數據模型分析型數據模型混合型數據模型單元分解法空間枚舉法單純形剖分模型四面體格網法(TEN)三維格網等平面八叉樹(Octree)線框表示法實體模型三維形式化數據模型Vector3D(V3D)數據模型基于表面剖分的空間數據模型構造幾何體法(CSG)面向對象的數據模型Qctree+TENOctree+CSGOctree+TIN...…...…非均勻有理B樣條函數表示(NURBS)...…G八叉樹Polytree...…三維空間數據模型基于鑲嵌的數據模型基于矢量的數據模型分析型數37面模型(SurfaceGraphics)

面模型數據結構側重于三維空間表面的表示,如:地形表面,地質層面等,通過表面表示形成三維空間目標表示,其優點是便于顯示和數據更新,不足之處是空間分析難以進行。面模型(SurfaceGraphics)

面模型數據結構側38體模型(VolumeGraphics)體模型數據結構側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三維空間目標表示。其優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。體模型(VolumeGraphics)體模型數據結構側重于39[1]基于鑲嵌的數據模型

基于鑲嵌的數據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展。該模型具有結構簡單、便于空間分析的特點,但表達空間位置的幾何精度低,也不適合于表達和分析實體之間的空間關系,同時,數據量較大、處理速度慢。[1]基于鑲嵌的數據模型

基于鑲嵌的數據模型是將三維空間劃分40(1)四面體格網模型(TEN)四面體格網（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則四面體。四面體格網由點、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聯。其實質是2DTIN結構在3D空間上的擴展。

(1)四面體格網模型(TEN)四面體格網（Tetrahedr41用四面體格網表示三維空間物體的例子及其數據結構用四面體格網表示三維空間物體的例子及其數據結構42(2)八叉樹模型八叉樹數據結構是三維柵格數據的壓縮形式，是二維柵格數據中的四叉樹在三維空間的推廣，該數據結構是將所要表示的三維空間V按X、Y、Z三個方向從中間進行分割，把V分割成八個立方體，然后根據每個立方體中所含的目標來決定是否對各立方體繼續進行八等分的劃分，一直劃分到每個立方體被一個目標所充滿，或沒有目標，或其大小已成為預先定義的不可再分的體素為止。八叉樹可分為常規八叉樹、線性八叉樹和三維行程編碼八叉樹(3DRD)[按照存儲結構分]。(2)八叉樹模型八叉樹數據結構是三維柵格數據的壓縮形式，是二43某個子立方體被八等分某個子立方體被八等分44

體元形式的三維數據八叉樹編碼

編碼如圖所示的空間物體，其八叉樹的邏輯結構可按下圖表示。

小圓圈表示該立方體未被某目標填滿，或者說它含有多個目標在其中，需要繼續劃分;

有陰影線的小矩形表示該立方體被某個目標填滿;空白的小矩形表示該立方體中沒有目標，這兩種情況都不需繼續劃分。

體元形式的三維數據八叉樹編碼編碼如圖所示的空間物體，其45[2]基于矢量的數據模型基于矢量的數據模型以物體邊界為基礎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]基于矢量的數據模型基于矢量的數據模型以物體邊界為基礎定46三維邊界表示法通過指定頂點位置、構成邊的頂點以及構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；邊表，指出構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的邊、點存放的位置。三維邊界表示法通過指定頂點位置、構成邊的頂點以及構成面的邊來47三維空間數據模型與數據結構課件48[3]分析型數據模型分析型數據模型又稱參數函數表示法，它可以描述三維空間中的線、面和體目標，其指導思想就是利用有限的空間數據，來尋求一個函數的解析式，用這個解析式來生成新的空間點，用以逼近原有物體。[3]分析型數據模型分析型數據模型又稱參數函數表示法，它可以49三維空間的曲線

用參數函數來表示三維空間的曲線,其思想類似于“GIS數據處理”中的“曲線擬合”，只不過是將二維空間向三維空間進行擴展。

三維空間的曲線

用參數函數來表示三維空間的曲線,其思想類似50三維空間的曲面用參數函數來表示三維空間的曲面,其實質就是“數字高程模型”中的數字方法，數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。