三维GIS期末考试重点解析

标黄考过1、GIS的发展第一代GIS第二代GIS第三代GIS第四代GIS主机时代个人机时代互联网时代大数据时代模块化GIS组件式GIS服务式GIS高性能GIS1990‘s2000’s2010’s2020’s2、GIS的挑战（1）大规模空间数据组织：数据来源广泛，数据实时接入、集中存储和处理困难；应用数据种类丰富，类型复杂；数据动态性高，空间索引维护代价高（2）复杂空间数据处理与分析：数据量更大，时空关联性强，实时性、动态性要求高（3）多源地理空间信息融合与快速可视化：适应多终端的高效绘制，面向用户的交互式，协同制图；海量多源、动态的地理空间数据关联分析和可视化（4）开放式空间信息处理服务：多用户、高并发访问；实时、动态要求高；用户生产内容。3、高性能GIS的定义及特点（1）定义：高性能GIS（HighPerformanceGIS），是基于集群、多核或众核并行处理的高性能计算架构的新型GIS平台，能高效实现复杂地理空间信息处理和应用。具有优越的性能、可获取性、可伸缩性、灵活性、互操作性和可扩展性。（2）特点：A.高性能地理空间数据访问于检索B.高性能地理计算C.地理计算算法的服务化插件式扩展D.高性能地理空间信息可视化E.Web脚本化在线动态交互制图F.流程化地理计算与专题地图生成G.三维、流数据管理与可视化H.基于Web浏览器应用4、三维GIS的定义、特点、常见功能、常用软件（1）三维：是指在平面二维体系中又加入了一个方向向量构成的空间系，一般指由长、宽、高三轴所构成的空间。（2）GIS:是在计算机软硬件支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。（3）三维GIS：利用3S技术、虚拟现实技术、计算机技术等对地球空间信息进行编码、存储、转入、分析和显示的信息系统，是三维描述、可视化和分析管理的地理信息系统。（4）三维GIS的特点：A.三维GIS包容以为和二维对象，而且可视化2.5维和三维对象，其空间信息的展现更为直观和逼真。B.三维GIS包容二维GIS的空间分析功能，而且多维度空间分析功能更加强大，如淹没分析、日照分析等。C.三维GIS比二维GIS更加直观、逼真地表达客观世界，能够以虚拟立体的方式展现地理空间对象。D.与CAD及各种科学计算可视化软件相比，三维GIS以三维空间数据库为核心，具有独特的管理复杂空间对象能力和空间分析能力。（5）常见功能：A.空间浏览功能B.空间查询与统计C.动态实时立体模拟D.三维空间分析与现实E.飞行浏览F.空间数据管理G.三维模型支持（6）常用软件：A.国际三维GIS软件：GoogleEarth、ArcGIS3D、Skyline、WorldWind、VirtualEarth；B.国内三维GIS软件：EV-Globe（国遥新天地）、GeoGlobe（武大吉奥）、VRmap（灵图）、SupermapRealspaceGIS（超图）、IMAGIS（适普）、EviaEarth（易伟航）、CityMaker（伟景行）、UGlobe（天下图）、Angeo（高德）、BrightEarth（晶众）、UniGlobe（中科宇图）、MapGISIGSS3D（中地数码）、CityEngine（ESRI）.当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:•三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息,因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展,这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样,是从可视化角度出发的。•另一方面,GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息,因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展,从商用数据库向非标准应用领域扩展,将三维空间信息的管理融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS,如GODO,GeoO2,GEO++,SmallWorldGIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统。当前三维GIS的发展呈现为两大趋势，即大众化和专业化。1.大众化：理论和技术的成熟使得三维GIS的门槛不断降低，这不但扩展了其应用领域，而且有更多人群从中受益。简单、易用的三维GIS正在逐渐走近老百姓的生活，例如正在举行的世博会、世界杯均大量使用了三维地理信息技术，三维GIS大众化的趋势显而易见。现在，人们使用电子地图方便出行已属家常便饭，国内外种类丰富的地理位置应用正如雨后春笋般涌现，期待着三维GIS更好地融入其中。2.专业化：与大众化趋势不同，专业化则需要三维GIS能够更加紧密地集成到各个行业应用中，充分发挥其强大的可视化功能和多维空间分析功能，从而为行业应用提供更科学、更强大的三维空间信息服务和决策支持，这不仅是三维GIS的重要作用，也是用户的强烈需求。三维GIS当前面临的困难（1）三维数据实时廉价获取主要有两个方面原因：一个重要的原因是地学三维数据采样率很低，难以准确地表达地学对象的真实状况。另一个原因是地学领域的研究者因为地学对象的复杂变化性不能准确地确定研究对象的各种属性。正因为地学对象在自然界的纷繁复杂，使得此一地的经验模型不能移植到另一地的地学研究对象中，因此三维数据实时获取在地学领域显得尤为重要。（2）大数据量的存储与快速处理在三维GIS中，无论是基于矢量结构还是基于栅格结构，对于不规则地学对象的表达都会遇到大数据量的存储与处理问题。除了在硬件上靠计算机厂商生产大容量存储设备和快速处理器外，还应该研究软件方面的算法以提高效率，例如针对不同条件的各种高效数据模型设计、并行处理算法、小波压缩算法及在压缩状态下的直接处理分析等。（3）完整的三维空间数据模型与数据结构三维空间数据库是三维GIS的核心，它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等GIS的各个环节，它的好坏直接影响着整个GIS的性能。而三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视表现的基础。虽然有很多人展开过相关方面的研究与开发（如前所述），但还没有形成能为大多数人所接受的统一理论与模式，有待于进一步研究与完善。（4）三维空间分析方法的开发空间分析能力在二维GIS中就比较薄弱，目前大多数的GIS都不能做到决策层次上来，只能作为一个大的空间数据库，满足简单的编辑、管理、查询和显示要求，不能为决策者直接提供决策方案。其中很大一个原因就是在现有的GIS中，空间分析的种类及数量都很少。在三维GIS中，同样面临着这个问题。因此，研究开发GIS的基本空间分析及将各领域的专家知识入嵌入GIS中，是三维GIS发展的一个重要方面。三维GIS当前面临的有利因素三维GIS现在正面临着有利的发展时机,这表现在如下几个方面：●在二维GIS领域已经具备比较成熟的理论和技术,例如在数据获取、处理、管理、输出，数据模型与数据结构等方面有很多较为成熟的理论和方法。在实践上已有几十年的发展经验，被广泛应用于各个部门和领域。这是众所周知的。二维GIS方面的很多理论、技术和经验都能为三维GIS借鉴。●三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域已有很多成功的应用。三维GIS与二维GIS的一个重要不同之处在于它有一个三维对象的视觉表现问题，这也是它的一个基本要求，现在成熟的科学计算可视化技术已经为这一要求打下了较为坚实的理论技术基础。三维GIS工作者要做的是对各种地学对象的本质特征进行分析，找出它们与其它领域对象的不同点，进行合适的概念建模和几何建模，利用相应的三维可视化技术对之进行视觉表现。●在数据存储工具方面，关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用，为支持空间数据管理的扩展关系数据库系统和面向对象的空间数据库系统已经研制出来并已商业化，目前还在进一步完善。例如，现在的流行关系数据库系统基本上都支持空间数据的存储，支持变长记录，因此它们也都是扩展的关系数据库系统。面向对象的数据库系统有：GEO++,SmallWorld,GeO2和GODOT等。5、地理空间地理空间是上至大气电离层，下至地幔莫霍面，生命过程活跃的场所，也是宇宙过程对地球影像最大的区域，包括地理空间定位框架（由平面控制网和高程控制网组成的大地测量控制）和所联结的特征实体。6、空间数据定义、来源和基本特征（1）定义：空间数据是指以点、线、面等形式，采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。是地理信息系统的操作对象，具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。（2）空间数据来源：地图数据、遥感影像数据、实地测量数据、文字和统计报告、元数据和其他数据来源。(1)地图数据。来源于各种类型的普通地图和专题地图,这些地图的内容丰富,图上实体间的空间关系直观,实体的类别或属性清晰,实测地形图还具有很高的精度。(2)影像数据。主要来源于卫星遥感和航空遥感,包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影像数据,构成多源海量数据,也是GIS的最有效的数据源之一。(3)地形数据。来源于地形等高线图的数字化,已建立的数字高程模型(DEM)和其他实测的地形数据等。(4)属性数据。来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。(5)元数据。来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据,例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。(6)其他：如全球卫星定位系统实时定位数据,也是重要的数据来源之一。（3）空间数据的基本特征：A.空间特征：空间物体的位置、形状和大小等几何特征B.专题（属性）特征：除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征C.时间特征：空间实体随着时间变化而变化的特征D.空间关系特征：拓扑关系、顺序关系和度量关系等。方向（顺序）关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。度量关系：（1）定位信息：点、线、面等用坐标对、坐标串、闭合坐标串描述；（2）无约束的几何距离（3）有约束的几何距离拓扑关系：网结构元素节点、弧段、面域之间的空间关系。包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含。九交模型设有现实世界的两个简单实体A、B，B(A)、B(B)表示A、B的边界，I(A)、I(B)表示A、B的内部，E(A)、E(B)表示A、B的余。Egenhofer[1993]构造出一个由边界、内部、余的点集组成的9交空间关系模型（9IntersectionModel,9-IM）.B(A)∩B(B)B(A)∩I(B)B(A)∩E(B)I(A)∩B(B)I(A)∩I(B)I(A)∩E(B)E(A)∩B(B)E(A)∩I(B)E(A)∩E(B)(矩阵中每个都有“空”与“非空”两个取值9个元素总共有29=512种可能)地理信息系统空间数据抽象类型•点（Point）：又称为元素（Element）或象元（Pixel），是一个数据点，具有一对（x、y）坐标和至少一个属性。•线（Line）：是具有相同属性的点的轨迹，由一个坐标对序列表示，坐标对顺序与线的开头有关，线上每个点有不多于二个邻点。•面（Area）：是具有相同属性的点的轨迹，以（x、y）坐标对的集合表示，坐标对的排列顺序不影响面的形态，其内部点可以有多于三个的邻点，面内点具有至少一个相同属性。•区域（Region）：空间上相邻或重叠的点、线、面要素可以按一定的地理意义组成区域。•体（Volume）:三维实体。•（有的GIS系统将空间特征实体称为feature）7、为什么说拓扑关系的表达和处理是GIS的关键？拓扑关系是指网结构元素节点、弧段、面域之间的空间关系。包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含。在地理信息系统中，拓扑关系不但用于空间数据的编码和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义：A.根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系B.利用拓扑数据有利于空间要素的查询C.可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。+三维模型三维空间建模法分类3D空间构模基