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多维动态GIS的空间数据建模、处理与分析
摘 要 首先分析了在多维空间模型与建模、动态处理与数据集成管理、时空分析与可视化等方面存在的问题
和关键技术,然后介绍了国际学术界近几年来的研究动态,继而介绍在国家自然科学基金支持下我国学者在
此领域的研究进展,并重点介绍国家自然科学基金跨学部重点项目“多维动态空间数据处理若干关键技术问
题”的目标和任务。
1 研究背景
近年来,随着空间对地观测技术的发展和集成
,三维地理空间信息获取与更新的能力有了飞速
的进步,海洋、环境等地学应用领域已逐步形成多
维空间信息源(陈述彭,1997;李德仁,1997;W
right,etal,1997)。与此同时,空间数据库更新的
技术方法和生产流程不断发展,一些城市、矿山G
IS部门开始更新原有空间数据库的二维(x,y)数
据和扩充第三维(z)数据,并逐步积累成能反映
地理空间要素时空分布的多维(x,y,z,t)数据源
。此外,随着数字地球概念的普及和空间数据基
础设施建设的深入,人们迫切需要在具有多分辨
率数字表达的三维地球上集成、管理与地球有关
的海量空间数据及相关信息,使其成为人们认识
、改造和保护地球的重要信息源(Gore,1998)。如
何对这些多维空间数据进行有效的集成管理
、动态处理和时空分析,已成为国内外学术界和应
用部门面临的一大难题(Mason,etal,1994;W
right,etal,1997)。其原因是:①目前各类商业化
GIS所采用的二维空间数据模型及相应的数据
建模方法只适于表达二维、静态空间现象(或实体
),既难以表达三维空间现象(或实体)及其时空变
化(陈军,1995),也不能支持基于互联网的异地
、异构、异质多维空间数据的互操作(Interoper a
bility)(Craglia,1996)。②由于数据维数的增加,多
维空间拓扑关系的建立、维护及数据存取等远比
二维复杂得多,对传统二维空间数据处理方法进
行简单的扩展,已难以满足多维空间数据处理的
要求(Gold,1997)。如将二维Morton码加以简单
扩展,已不能适应三维空间数据排序和高效存取
的需要(Lee,1997)。③多维空间数据对内插方法
、可视化表达、人机交互等也提出了新的、更高的
要求(Wright,etal,1997;Lin,etal,1996)。2
国际研究动向近
年来,国际学术界对多维动态空间数据处理
的研究方兴未艾。在计算机数据库、GIS、地理
、测绘及其他相关专业领域的主要国际学术会议
和国际刊物上,经常可见到这方面的研究论文或
工作报告(Salge,1996;李德仁等,1997)。国
际摄影测量与遥感学会(ISPRS)在此方面较
为活跃,其有多个工作组从事和组织与之相关的
学术交流,包括GIS理论与空间数据库工作组(
GISFundamentalsandSpatialDatabases,Inter_C
omm.WGⅣ/Ⅲ.1)、影像分析与GIS集成工作组
(IntegrationofImageAnalysisandGIS,Inter_C
omm.WGⅣ/Ⅲ.2)、集成化GIS的软件与模型工
作组(SoftwareandModellingAspectsofInte_g
ratedGIS工作组,WGⅡ/2)、数据库设计与空
间数据存取工作组(DatabaseDesiD
ataAccess,WGⅣ/1)、时空数据库与地形数据库
更新工作组(TemporalAspectsandTopographicD
atabaseMaintenance,WGⅣ/3)等。国际地理联
合会(IGU)下设的地理信息科学研究组(StudyG
rouponGeographicalInformationSciences)也开展
了这方面的研究工作。1
994年以来,国际学术界多次举行专题学术讨
论会,包括:①1994年在荷兰召开的“AdvancedG
eographicDataModeling_spatialDataModelinga
ndQueryLanguagesfor2Dand3DApplication”(
由Moleannar与Hoop组织);②1995年10月在中
国武汉举行的“Towards3D,TemporalandDy n
amicSpatialDataModelingandAnalysis”的国际会
议(由陈军组织);③1996年在荷兰Delft举行的
“AdvancesinGISResearch_7thInternationalS
ymposiumonSpatialDataHandling”(由Cowen等
组织);④1997年8月由ISPRS的5个工作组和
IGU在香港联合举行的第一届“DynamicandM
ulti_dimensionalGIS”学术讨论会(Y.C.Lee等组
织);⑤1999年9月30日至10月2日在日本东
京召开的“InternationalWorkshoponUrban3
D/Multi_mediaMapping”(由R.Shibasaki,D.R.L
i,Z.SHI组织);⑥1999年10月4~6日由IS P
RS的6个工作组与IGU在北京联合举行的第二
届“DynamicandMulti_dimensionalGIS”(
DMGIS’99)国际学术讨论会(由陈军、周启鸣、李
志林组织)。其中在北京召开的DMGIS’99收到
论文72篇,来自德国、意大利、荷兰、日本、美国
、马来西亚、捷克等15个国家和地区的160余名
专家和代表前来赴会。与会代表就如何对多维空
间数据有效地进行集成管理、动态处理、时空分析
和可视化表达等目前国内外GIS学术界的前沿
内容与应用部门亟待解决的问题展开了深入的讨
论。ISPRS第四委员会主席DieterFristsch教授
等认为,近年来,中国GIS理论与应用研究达到
了较高水平,将逐步成为国际GIS的研究中心之
一。与
之相关的国际学术讨论会有:①1997年9月
在以色列Haifa召开的“TheoreticalandPracti c
alAspectsofSurfaceReconstructionand3DOb j
ectExtraction”;②1997年9月在德国Stuttgart举
行的“3DReconstructionandModelingofTopo g
raphicObjects”;③1998年5月在德国Bonn召开
的“MultimediainGeoinformation_visualR
eality”;④1997年6月在日本东京召开的“Int.W
orkshoping”;⑤
1998年9月在德国Stuttgart召开的“ISPRSC
om.ⅣSymposiumonGIS_betweenVisionsandA
pplications”;⑥1999年4月在法国巴黎召开的“
3DGeospatialDataProduction:MeetingApplica t
ionRequirements”;⑦1999年5月在法国里昂召开
的“TeleGeo’99:FirstInternationalWorkshoponT
elegeoprocessing”等。从
总的情况来看,GIS从静态、二维向动态、多
维发展已是必然趋势,并在很多方面获得了巨大
的成功,但仍面临着许多需要进一步深入研究的
问题。目前的研究热点包括三维空间数据模型(
Fritsch,1996)、时空数据模型(Claramount,1
995;Peuquet,etal,1996)、空间数据动态处理方法
(Gold,1997;陈军等,1997)、异构地理数据的集成
管理与互操作(Dieberger,1995;Craglia,1996)、多
维索引与查询(Lee,1997;Zaslavsky,1997)、多维
数据可视化(Shepherd,1995;Lin,etal,1996)、多
维空间数据内插与分析(Gold,1994;Shibasaki,e
tal,1996)、海量数据组织与数据更新、影像数据管
理及信息提取等(Trinder,1999)。3
近年来我国学者在该领域的研究进
展
我国政府对GIS发展十分重视,目前正大力推
动GIS基础软件平台的国产化和重点行业与领
域GIS应用的业务化工作。国家自然科学基金
近年来对GIS基础理论研究进行了大力支持。我
国学者在国家自然科学基金的支持下,在此领域
取得了一定的研究进展,主要包括以下几个方面
:1
)多维空间数据模型在
三维空间数据建模研究中,利用流形拓扑学
对三维空间实体和空间拓扑关系进行了形式化描
述,并提出了一种顾及维数的三维空间拓扑关系
描述框架(郭薇等,1996,1997a,1997b;陈军等
,1998a,1998b);研究了3D“五组拓扑关系”模型
和基于五组拓扑关系的数据结构(李青元,1
996,1999);探讨了用激光扫描数据建立2.5D和
3D实体的建模方法(李清泉,1999)。在
时空数据模型研究中,给出了时态对象结构
的形式化定义和时态拓扑关系点集拓扑理论描述
及逻辑谓词描述,并设计了面向对象的时空数据
模型(舒红等,1997a,1997b,1998);提出9类抽象
时空数据类型(舒红等,1999a);探讨了连续时
间变化的空间实体建模理论(舒红等,1999b);提出
了顾及时态地块的时空复合模型(陈军等,1
995;乐燕芬等,1997)。针
对矢量、栅格数据的集成问题,提出了基于八
叉树和四面体格网的混合数据结构(李德仁等,1
997;龚建雅等,1997)及四层矢量化八叉树层次结
构(肖乐斌等,1999);研究了从3D栅格数据到八
叉树的数表逼近转换算法(曹彤等,1999)。2
)空间数据动态处理提
出了易于操作的V9I空间关系描述与表达
模型(李成名等,1997;陈军等,1997);利用该V
9I模型进行了拓扑空间关系、方向关系、广义侧向
邻近关系等的描述研究(陈军等,1998;赵仁亮等
,1998);针对Voronoi图矢量生成方法存在的问
题,提出了一种基于动态距离变换算法的V
oronoi图栅格生成方法,对其中扩张结构元的动态
选择、精度分析、数据结构等问题进行了研究(
李成名等,1999);通过定义立即邻近、侧向邻近和
穿越邻近,提出了一种蕴含最近邻近关系的V
oronoiE_C_R模型(陈军等,1997);提出了顾及障
碍物的Voronoi生成方法(李武龙等,1998);研究
了对二维任意点集的Delaunay三角网划分(闵卫
东等,1996)。3
)多维空间数据时空分析与可视化研
究了三维复杂模型实时动态显示方法(桂涛
等,1996)和基于光场模型的三维复杂环境的实时
漫游(桂涛等,1997)、频域体绘制算法(邓俊辉等
,1996)、三维复杂模型的连续多分辨率绘制法(
李捷等,1997);在三维房屋重建与城市景观可视化
方面取得了可喜进展(朱英浩等,1998);针对城
市道路可视化问题,提出了利用TIN剖分进行立
交桥面表达的方法(孙敏等,1999),并探讨了三维
可视化环境中的道路交叉模式的设计(张海燕,1
999);研究了煤矿三维实体描述表达的数据结构(
杜培军,1999)、3D可视化GIS集成数据库(inte g
rateddatabase)设计原理和信息提取策略(李德仁
,1999)。4
)空间数据组织与查询对
关系数据库与面向对象数据库的集成、数据
库系统与WWW的集成等进行了研究(车敦仁等
,1996a,1996b;赵洪彪等,1997,1997a,1
997b);对基于事件的时空数据建模方法进行了研
究(蒋捷等,1999);对面向对象的GIS空间数据
组织与查询进行了讨论(龚健雅,1993;黄波,1
996);提炼出了反映父子地块间关系的时空约束条
件并设计了相应的时空查询算法(常征等,1
997),对WebGIS进行了研究(李斌等,1997);提
出了处理海量影像数据的分布式方法(张勇等,1
999)。此
外,其他一些学者也对空间数据模型进行了
研究(肖伟器等,1994;崔伟宏,1995;陈宜金,1
997;李霖,1997)。4
今后的发展方向与研究任务虽
然人们在上述方面已取得了一些可喜的研究
进展或成果,但从整体上仍处于初步探索阶段。对
多维动态空间数据处理的研究较为单一或分散
,大多停留在三维(x,y,z)数据模型研究、二维空
间实体及变化(x,y,t)的时空建模等单项研究方
面。对多维空间数据模型的建立、动态处理和时
空分析等方面的一些关键理论和技术方法还缺乏
系统深入的研究,难以解决或回答环境、海洋、城
市、矿山等应用领域多维空间数据处理提出的问
题,也不能给新一代多维GIS基础软件平台的发
展提供理论指导或支持。针
对上述情况,国家基础地理信息中心、清华大
学计算机科学与技术系、武汉测绘科技大学测绘
遥感信息工程国家重点实验室联合承担了国家自
然科学基金资助的跨学部重点项目“多维动态G
IS空间数据处理关键技术研究”(执行时间为1
999~2002年)。该
项目的主要目标是研究多维空间数据模型与
建模方法、动态处理与集成管理、时空分析与可视
化的基本理论和关键技术,以深化对三维空间实
体及其时空变化的四维数据建模(4Ddatam
odeling)的认识。拟解决的关键问题包括顾及时
空语义的多维空间数据模型与建模方法、多维空
间数据动态处理与集成方法、多维数据的时空分
析与可视化等。主要研究内容为:1
)多维空间数据模型与建模方法:用以表达三
维空间实体及其时空变化的四维时空对象的定义
、表达、数据组织(specificationandorganizationo
f4Dspatiao_temporalobjects);多维查询表达、数据
排序与检索算法及数据结构(multi_dimesnsion a
lrangeserachandquery);顾及时空语义的多维空
间数据模型与逻辑建模方法(conceptualandl
ogicalmulti_dimensionaldatamodelingbasedons
patio_temporalrelations)等。2
)多维空间数据动态处理与集成方法:三维实
体间时空拓扑关系的动态生成与存取的算法及数
据结构(dynamicgenerationandaccessofspatio_
temporalrelationsbetween3Dobjects);基于Web的
异构多维空间数据的分布式数据管理与空间数据
互操作及分布式处理的方法(web_basedman a
gementofdistributedandheterogeneousmulti_di m
ensionalspatialdatabasesandinteroperabilityando
bjectprocessing)等。3
)多维空间数据的时空分析与可视化:多维数
据的时空统计与内插分析(spatio_temporals
tatisticsandinterpolationofmulti_dimensionalda t
a);时空数据的实时动态显示方法(4Dspatio_t
emporalinformationvisualization)。5
结 语多
维动态数据模型是数字地球基础研究方面的
一个核心问题,关系到如何全面、详尽地描述与表
达人们居住的三维星球、区域、国家,并在其中嵌
入动态的经济、政治、军事、科技、人文乃至历史信
息,以便于人类更深入、更系统、更全面地了解,并
便于科学、有效地保护我们的生存环境。开展这
方面的研究将有助于提高我国多维空间数据处理
的理论水平,为发展具有自主知识产权的国产多
维动态GIS基础软件平台提供理论储备,并为改
进现有的各种GIS系统功能提供理论指导。参
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E_mail:Chenjun@nsdi.gov.cn |
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