多分辨率空間數(shù)據(jù)模型理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

前言

隨著數(shù)字地球、數(shù)字省、區(qū)域和數(shù)字城市研究與應(yīng)用的深化，多分辨率空間數(shù)據(jù)庫模型理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究已成為GIS研究的熱點(diǎn)之一。多分辨率GⅡS要求以不同的分辨率水平瀏覽、管理或表現(xiàn)空間信息內(nèi)容，空間對象存在多個預(yù)定義分辨率水平的幾何表現(xiàn)，這些不同的分辨率水平表現(xiàn)或是存儲多個版本，或是應(yīng)用歸納綜合方法動態(tài)創(chuàng)建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造和多個綜合數(shù)據(jù)庫的派生視不同的情況，其難易、復(fù)雜程度存在很大差別，主要的挑戰(zhàn)是提出有效地存取和更新已有數(shù)據(jù)、集成新的數(shù)據(jù)和在同一時間、一致性地管理空間數(shù)據(jù)的多個綜合版本的模型和方法。多分辨率空間數(shù)據(jù)主要包括DLG、DEM和DOQ數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)的獲取方式、表現(xiàn)內(nèi)容存在很大差異，所以在建立多分辨率空間數(shù)據(jù)的組織模型時應(yīng)分別考慮。又由于相當(dāng)多的應(yīng)用需要將上述3D數(shù)據(jù)集成應(yīng)用，所以建立的多分辨率數(shù)據(jù)模型應(yīng)能提供集成數(shù)據(jù)的管理、計(jì)算與表現(xiàn)能力。本書是根據(jù)作者的博士論文修改而成，是作者近年來在多分辨率空間數(shù)據(jù)模型理論和實(shí)現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域研究成果的總結(jié)。全書共分九章，第一章緒論，主要介紹地理信息系統(tǒng)模型理論的研究現(xiàn)狀和本書的主要內(nèi)容。第二章首先對空間數(shù)據(jù)特性進(jìn)行了分析研究，重點(diǎn)分析研究了空間數(shù)據(jù)的尺度特性。本章的另一個研究內(nèi)容為UML統(tǒng)一建模語言在GIS中的應(yīng)用，利用UML可設(shè)計(jì)、表示出符合國際標(biāo)準(zhǔn)的面向?qū)ο笙到y(tǒng)模型。第三章分析研究了基于特征的空間數(shù)據(jù)模型理論，特征模型為客觀世界地理現(xiàn)象與實(shí)體表達(dá)提供了一個較完備的模型。第四章提出了一個實(shí)用、完整的超圖對象模型H00M，用于組織空間數(shù)據(jù)，并將圖論中的一些超圖算法應(yīng)用到H00M。第五章應(yīng)用單純復(fù)形、偏序關(guān)系和等價關(guān)系理論分析研究了形式化多分辨率空間數(shù)據(jù)模型的基本理論問題。第六章重點(diǎn)研究了規(guī)范化集成多分辨率空間數(shù)據(jù)組織和管理對象模型和路網(wǎng)綜合算法；第七章主要圍繞多分辨率地形表現(xiàn)模型和實(shí)時地形簡化應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題；自適應(yīng)規(guī)則三角形網(wǎng)多分辨率地形模型簡化算法；不規(guī)則三角網(wǎng)地形模型簡化算法等問題展開研究。是本書的研究重點(diǎn)之一。第八章是實(shí)現(xiàn)技術(shù)，重點(diǎn)是應(yīng)用OpenGL開發(fā)地形可視化軟件系統(tǒng)的原理和方法。在本書出版之際，首先感謝導(dǎo)師劉大杰教授和龔健雅教授對我的指導(dǎo)、培養(yǎng)和幫助，本書的研究工作是在二位導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、淵博的學(xué)識和對事業(yè)執(zhí)著的追求永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的榜樣。在本書的研究和寫作過程中，得到了中科院測地所許厚澤院士、朱耀仲所長，武漢大學(xué)李德仁院士、毋河海教授、杜道生教授、王偉教授，國家基礎(chǔ)地理信息中心陳軍教授，同濟(jì)大學(xué)劉妙龍教授，香港理工大學(xué)史文中博士、李志林博士，亞洲理工學(xué)院陳曉勇博士的指導(dǎo)和幫助，對能有機(jī)會與他們進(jìn)行討論感到非常榮幸。同時感謝Dr.Hugues Hoppe、Peter Lindstrom、Leila De Florani和Ben discoe提供的重要文獻(xiàn)資料和系統(tǒng)開發(fā)資源。在本書完成之際，作者對所有給予關(guān)心和幫助的單位和個人表示衷心的感謝，感謝武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山西省自然科學(xué)基金對本專著研究的資助和太原理工大學(xué)青年基金和礦業(yè)工程學(xué)院對本書出版的部分資助。由于時間較為倉促，加上筆者水平有限，書中錯誤在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地論述了多分辨率空間數(shù)據(jù)的模型理論、算法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。主要內(nèi)容包括：空 間數(shù)據(jù)特性和UML統(tǒng)一模型語言；特征模型理論；超圖對象模型和超圖算法；形式化多分辨 率空間數(shù)據(jù)模型理論；規(guī)范化集成多分辨率空間數(shù)據(jù)組織和管理對象模型；路網(wǎng)自動綜合算 法；自適應(yīng)規(guī)則三角形網(wǎng)多分辨率地形模型；不規(guī)則三角網(wǎng)多分辨率地形模型；分區(qū)計(jì)算 DEM時相鄰分區(qū)分辨率平滑過渡方法和多分辨率地形表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。    全書反映了地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域多分辨率空間數(shù)據(jù)模型理論的最新進(jìn)展和地形可視化實(shí) 現(xiàn)技術(shù)，可作為地理信息系統(tǒng)、測繪工程、地理、地質(zhì)和計(jì)算機(jī)軟件等專業(yè)的教師、科研人員、 研究生和高年級學(xué)生的參考書。

書籍目錄

第一章 緒論  §1.1 地理信息系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀分析  §1.2 GIS空間數(shù)據(jù)模型理論研究現(xiàn)狀和存在的問題  §1.3 多分辨率空間數(shù)據(jù)模型研究現(xiàn)狀和存在的問題  §1.4 制圖綜合理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀和存在的問題  §1.5 本書的主要研究內(nèi)容第二章 空間數(shù)據(jù)特性和UML對象建模理論  §2.1 空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品類別和數(shù)據(jù)特性  §2.2 GIS中的分辨率、尺度和精度  §2.3 統(tǒng)一模型語言UML  §2.4 本章小結(jié)第三章 基于特征的空間數(shù)據(jù)模型理論  §3.1 特征概念  §3.2 特征模型  §3.3 特征模型空間關(guān)系表達(dá)  §3.4 特征模型的應(yīng)用  §3.5 本章小結(jié)第四章 應(yīng)用超圖對象模型組織空間數(shù)據(jù)  §4.1 超圖概念  §4.2 超圖對象模型  §4.3 超圖理論應(yīng)用于超圖對象模型  §4.4 基于超圖對象模型組織特征空間數(shù)據(jù)的CIS開發(fā)技術(shù)  §4.5 本章小結(jié)第五章 形式化多分辨率空間數(shù)據(jù)模型理論  §5.1 預(yù)備知識  §5.2 單純形和單純復(fù)形  §5.3 單純復(fù)形用以表示離散空間  §5.4 形式化多分辨率空間數(shù)據(jù)模型表達(dá)  §5.5 本章小結(jié)第六章 多分辨率空間數(shù)據(jù)組織和計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)問題  §6.1 規(guī)范化多分辨率空間數(shù)據(jù)組織和管理對象模型  §6.2 不同投影下的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換  §6.3 自動綜合算子和路網(wǎng)自動綜合方法  §6.4 本章小結(jié)第七章 多分辨率地形表現(xiàn)模型  §7.1 研究現(xiàn)狀分析  §7.2 DEM算法基礎(chǔ)  §7.3 關(guān)鍵技術(shù)問題  §7.4 多分辨率地形模型  §7.5 分區(qū)計(jì)算DEM時邊緣分辨率平滑過渡的方法  §7.6 本章小結(jié)第八章 多分辨率地形表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)  §8.1 基于圖形渲染的算法基礎(chǔ)  §8.2 OpenGL概要  §8.3 利用OpenGL開發(fā)地形可視化軟件后記參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：IT和其它相關(guān)技術(shù)的高度發(fā)展和作為商品出現(xiàn)的空間數(shù)據(jù)的多樣性，一方面如上所述會激發(fā)GIS在更廣范圍的應(yīng)用，并提升GIS的服務(wù)能力；另一方面，起步于20世紀(jì)60年代的GIS技術(shù)和理論，在經(jīng)歷吐技術(shù)上強(qiáng)調(diào)圖形表達(dá)、幾何和屬性數(shù)據(jù)集成、空間關(guān)系和空間分析、多源數(shù)據(jù)集成或一體化和初步的分市式即WebGIS，應(yīng)用上著重于地圖制圖、桌面式空間數(shù)據(jù)基本信息服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)式空間數(shù)據(jù)集成信息服務(wù)、初步的分布式空間信息服務(wù)、數(shù)字地球及數(shù)字區(qū)域和數(shù)字城市幾個階段后，也出現(xiàn)了相當(dāng)多需要進(jìn)一步解決或完善的技術(shù)和理論問題。  1.多源、多分辨率空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)與自動綜合算法  多源主要指數(shù)據(jù)的獲取方式是多種多樣的，如三維激光掃描、遙感影像、航空影像、非量測相機(jī)影像、臼描地形圖、數(shù)字化地形圖、實(shí)測數(shù)據(jù)等。多分辨率空間數(shù)據(jù)主要指空間數(shù)據(jù)系列，主要包括多分辨率DLG、DEM和DOO數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)的獲取方式、表現(xiàn)內(nèi)容存在很大差異，所以在建立多尺度空間數(shù)曙的組織模型時應(yīng)分別考慮。又由于相當(dāng)多的應(yīng)用需要將上述3D數(shù)據(jù)集成應(yīng)用，所以建立的多分辨率空間數(shù)據(jù)模型應(yīng)能提供集成數(shù)據(jù)的管理、綜合計(jì)算與表現(xiàn)能力。本書主要圍繞這一領(lǐng)域開展研究。2.多維動態(tài)GIS空間數(shù)據(jù)建模、處理與分析  多維動態(tài)數(shù)據(jù)模型是數(shù)字地球基礎(chǔ)研究方面的一個核心問題，關(guān)系到如何全面、詳盡地描述與表達(dá)人們居住的三維星球、區(qū)域、國家，并在其中嵌入動態(tài)的經(jīng)濟(jì)、政治、軍事、科技、人文乃至歷史信息，以便于人類更深入、更系統(tǒng)、更全面地了解，并便于科學(xué)有效地保護(hù)我們的生存環(huán)境[陳軍，蔣捷，2000]。具體包括多維空間數(shù)據(jù)模型與建模方法——用以表達(dá)三維空間實(shí)體及其時空變化的四維時空對象的定義、表達(dá)和數(shù)據(jù)組織，多維查詢表達(dá)、數(shù)據(jù)排序與檢索算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，顧及時空語義的多維空間數(shù)據(jù)模型與邏輯建摸方法等；多維空間數(shù)據(jù)動態(tài)處理與集成方法——三維實(shí)體間時空拓?fù)潢P(guān)系的動態(tài)生成與存取的算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，基于Web的異構(gòu)多維空間數(shù)據(jù)的分布式數(shù)據(jù)管理與空間數(shù)據(jù)互操作及分布式處理方法；多維空間數(shù)據(jù)時空分析與可視化——多維數(shù)據(jù)的時空統(tǒng)計(jì)與內(nèi)插分析，時空數(shù)據(jù)的實(shí)時動態(tài)顯示方法。

后記

隨著數(shù)字地球、數(shù)字省、區(qū)域和數(shù)字城市研究與應(yīng)用的深化，多分辨率空間數(shù)據(jù)庫模型理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究已成為GIS研究的熱點(diǎn)之一。本書對適用于區(qū)域空間數(shù)據(jù)管理的多分辨率空間數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)組織方法、規(guī)范化空間數(shù)據(jù)模型可視化表現(xiàn)方法和地形DEM數(shù)據(jù)的動態(tài)或?qū)哟我?guī)則三角形、TIN簡化算法，以及地形模型的可視化表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)等開展了研究，取得了以下成果：1.空間數(shù)據(jù)的一般特性可概括為：抽樣性、概括性、多態(tài)性和空間性。隨著空間數(shù)據(jù)獲取與集成技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)的多尺度性（或多分辨率特性）、時態(tài)特性、體特性、客觀性、相關(guān)性等亦是空間數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用中的重要數(shù)據(jù)特性。本書重點(diǎn)分析了尺度特性，論證了抽象度／詳細(xì)度和距離的比率是尺度的兩種基本抽象，前者影響對空間關(guān)系的理解，后者影響數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)表示。尺度的這兩個含義通過度量空間數(shù)據(jù)的分辨率聯(lián)系起來。在GⅡS中地圖比例尺、數(shù)據(jù)精度、分辨率等概念與紙介質(zhì)地圖相比有相當(dāng)?shù)牟灰恢?。空間數(shù)據(jù)模型表示現(xiàn)實(shí)世界一定的抽象水平。該模型以數(shù)據(jù)庫表現(xiàn)時，抽象特征通過分辨率體現(xiàn)。分辨率特征輔以數(shù)據(jù)質(zhì)量特征作為數(shù)據(jù)庫評價和應(yīng)用的元數(shù)據(jù)規(guī)范。空間數(shù)據(jù)的尺度特性可通過空間數(shù)據(jù)分辨率、專題分辨率和時間分辨率表現(xiàn)。UML是面向?qū)ο箝_發(fā)中一種通用的、統(tǒng)一的、圖形模型語言，是近代軟件工程對象分析與設(shè)計(jì)（OOA／OOD）的重要工具。本書分析研究了UML表示法，并利用UML設(shè)計(jì)了一些重要的GIS模型部件。2.研究表明：基于特征模型的空間關(guān)系描述，提供一種更接近客觀現(xiàn)實(shí)的空間關(guān)系模擬，如  圖書館與運(yùn)動場相鄰，而不是表達(dá)為兩個多邊形相鄰。并通過對實(shí)體的屬性、空間及時間3個方面構(gòu)成的空間關(guān)系的研究，給出了一組特征空間關(guān)系謂詞。特征類型、特征空間關(guān)系和通過關(guān)系類型、關(guān)系的度、特征關(guān)系的作用、作用類型、排列次序和特征類型等構(gòu)成的特征關(guān)系的形式化描述，為客觀世界地理現(xiàn)象與實(shí)體的表達(dá)提供了一個較完備的模型。特征類、類關(guān)系，特征對象、對象關(guān)系的形象化、可視化表達(dá)、計(jì)算以及與特征方法的集成化對象模型，一直是特征模型理論發(fā)展和應(yīng)用的難點(diǎn)，作者提出了一個完整的超圖對象模型H00M，在HOOM中空間現(xiàn)象及其表達(dá)分為5級或5層結(jié)構(gòu)。具體的5層結(jié)構(gòu)為：幾何對象模型、地理對象模型、時態(tài)對象模型、地理表現(xiàn)對象模型和空間計(jì)算對象模型。規(guī)范了超圖模型表示面向?qū)ο笳Z義關(guān)系的圖形表示法，建立了超圖表示與超圖對象模型表示的轉(zhuǎn)換關(guān)系。將超圖模型轉(zhuǎn)換為超圖表示是應(yīng)用超圖理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)。給出了一個基于超圖對象模型組織特征數(shù)據(jù)的GIS系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例，系統(tǒng)實(shí)例重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的是特征類與方法的有效關(guān)聯(lián)，這也是應(yīng)用HOOM模型實(shí)現(xiàn)GIS系統(tǒng)的特點(diǎn)。

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《多分辨率空間數(shù)據(jù)模型理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究》由測繪出版社出版。

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