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
动态空间数据处理若干关键技术问题”的目标和任务。
关键词　多维数据模型；动态GIS；空间数据处理
分类号　P208　文献标识码　A
文章编号：1000-050X(2000)03-0189-195

Some Issues of Multi-dimensional and Dynamic GISs

CHEN Jun
(National Geomatics Center of China,1 Baishengcun, Zizhuyuan, Beijing,China,1000044)
JIANG Jie
(University of Mining and Technology (Beijing),D11 Xueyuan Road,Beijing,China,1000083)

Abstract　For some traditional GIS application fields such as urban management aand mining,the use of the technology was previously restricted by the static 2-dimensional GIS databases.With the rapid development of earth observation technology,large
volumes of spatial information become available in an increasing updating frequeency.As one direct benefit of such development,multi-dimensional and multi-temporal data become more readily available in the fields such as surveying and
mapping,oceanography and environment.This stimulates the expansion of GIS technoology to include dynamic 3-dimensional (or multi-dimensional) data and to develop associated data handling and processing methodology.Recently,for better understanding the
earth environment and to support the sustainable development,a concept of dynamiic multi-dimensional “digital earth" has emerged based on multi-resolution geo-spatial data.
　　However,new challenges have been raised on maintaining and analyzing the spaatio-temporal data synthetically and dynamically.The key issues include: (1) The data models and data modeling methods used by current commercial GIS software are basically
designed to handle 2-D static spatial objects.It is difficult for them to repressent dynamically changing 3-D spatial objects and to support Internet based interoperation among distributed heterogeneous multi-dimension spatial data; (2) The maintenance
of topological relations and data access for multi-dimension data are much more complicated than those of the 2-D data.Simply extending the traditional methods used in 2-D to handle multi-dimensional data would hardly meet the new requirements.For
instance,we could not simply extend 2-D Morton Code for accessing 3-D spatial daata; (3) For multi-dimension spatial data,new methods need to be developed for data interpolation,visualization and human-computer interaction.
　　Recent years we have witnessed a rapid growth of research interest and applmmes of literature become available in various conference proceedings and international
journals.International Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS),beiing the leading professional group in the field,plays a very important role.Numerous working groups are involved in the related communion,including Inter-Comm.WG IV/III 1
(GIS Fundamentals and Spatial Databases),Inter-Comm.WG IV/III 2 (Integration of image analysis and GIS),WG II/2 (Software and Modeling Aspects of Integrated),WG IV/ (Database Design and Spatial data access),WG IV/3 (Temporal Aspects and Topographic
database Maintenance),etc.The International Geographer Union (IGU) Study Group oon Geographical Information Sciences also takes part in the study.Several international symposia have been held in this study field since 1994,including: (1)International
Conference on “Advanced Geographic Data Modeling - Spatial Data Modeling and Quuery Languages for 2-D and 3-D Application" held in the Netherlands,1994; (2) International Conference on “Towards 3D,Temporal and Dynamic Spatial Data Modeling and
Analysis" held in Wuhan,China,1995;(3)International Conference on “Advances in GIS Research - 7th International Symposium on Spatial Data Handling" held in Delft,the Netherlands,1996; (4)International Workshop on “Dynamic and Multi-Dimensional GIS"
held in Hong Kong,1997; (5)International Workshop on “Urban 3D/Multi-Media Mappping" help in Tokyo,Japan,1999; (6)The Second International Workshop on “Dynamic and Multi-Dimensional GIS"(DMGIS'99) held in Beijing,China,1999.In the DMGIS'99 which was
held in Beijing not long ago,more than 160 scientists and experts from 15 countrries and regions attended the conference,and 72 papers are presented.Current front-line research topics are extensively discussed and an excellent up-to-date overview on the
techniques and technological achievements on dynamical and multi-dimensional GISS were provided.
　　The current research topics in this area include,such as 3-D spatial data moodeling,spatio-temporal data model,dynamic handling of spatial data,integrating and inter-operation of heterogeneous data,multi-dimension indexing and querying,visualization
of multi-dimension data,interpolation and analysis of multi-dimension data,and llarge volume of data organization and database updating.
　　Some achievements made by Chinese scientists and experts were reviewed in d99 on “development of key
concepts and methodologies for dynamic and multi-dimensional spatial data handliing" were also introduced in this paper.
Key words　multi-dimensional;data model;dynamic GIS;spatial data handling


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；Wright，et
al,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GIIS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，已成为国内外学学术界和应用部门面临的一大难题(Mason，et al,1994；Wright，et
al,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贩 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(Interoperabiliity)(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，et al,1997; Lin,et al,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 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舷 关的学术交流，包括GIS理论与空间数据库工作组(GIS Fundamentals and Spatial Databases，Inter-Comm. WG Ⅳ/Ⅲ.1)、影像分析与GIS集成工作组(Integration of Image Analysis and
GIS，Inter-Comm. WG Ⅳ/Ⅲ.2)、集成化GIS的软件与模型工作组(Software and Modellingg Aspects of Inte-grated GIS工作组，WG Ⅱ/2)、数据库设计与空
　　间数据存取工作组(Database Design and Spatial Data Access，WG Ⅳ/1)、时空数据据库与地形数据库更新工作组(Temporal Aspects and Topographic Database Maintenance ，WG Ⅳ/3)等。国际地理联合会(IGU)下设的地理信息科学研究组(Study Group on Geographical
Information Sciences)也开展了这方面的研究工作。
　　1994年以来,国际学术界多次举行专题学术讨论会，包括：① 1994年在荷兰召开的“Addvanced Geographic Data Modeling-spatial Data Modeling and Query Languages for 2D and 3D Application”(由Moleannar 与Hoop 组织);② 1995年10月在中国武汉举行的“Towards 3D,
Temporal and Dynamic Spatial Data Modeling and Analysis”的国际会议(由陈军组织)＃虎 1996年在荷兰Delft举行的“Advances in GIS Research-7th International Symposium on Spatial Data Handling”(由Cowen等组织)；④
1997年8月由ISPRS的5个工作组和IGU在香港联合举行的第一届“Dynamic and Multi-dimenssional GIS”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“International Workshop on Urban 3D/Multi-media Mapping”(由R.Shibasaki，D.R.Li，
Z.SHI组织)；⑥ 1999年10月4～6日由ISPRS的6个工作组与IGU在北京联合举行的第二届“Dyynamic and Multi-dimensional
GIS”(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DMGISS’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
GIS”(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DMGISS’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缮钊氲奶致邸?SPRS第四委员会主席Dieter Fristsch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：① 1997年9月在以色列Haifa召开的“Theoretical andd Practical Aspects of Surface Reconstruction and 3D Object Extraction”; ②1997年9月在德国Stuttgart 举行的“3D Reconstruction and Modeling of Topographic Objects”
；③1998年5月在德国Bonn召开的“Multimedia in Geoinformation-visual Reality ”;④④ 1997年6月在日本东京召开的“Int. Workshop on Urban Multi-media/3D Mapping”;⑤ 1998年9月在德国Stuttgart召开的“ISPRS Com.Ⅳ Symposium on GIS-between Visions and
Applications ”;⑥ 1999年4月在法国巴黎召开的“3D Geospatial Data Production:Meetting Application Requirements”；⑦ 1999年5月在法国里昂召开的“TeleGeo'99:First International Workshop on Telegeoprocessing” 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，并在很多方面获档昧 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 热点包括三维空间数据模型(Fritsch, 1996)、时空数据模型(Claramount,1995; Peuquet,et
al,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，et al,1996)、多维空间数据内插与分析(Gold,1994;Shibasaki，et
al,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据结构(李青元,1996,1999)；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，1995；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(李档氯 等，1997；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)；利用父肰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Voronoi
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(览畛擅?龋?999)；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Voronoi
E-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
　　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贩?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，1999)；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(integrated
database)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(车敦仁仁等，1996a,1996b;
赵洪彪等，1997，1997a,1997b)；对基于事件的时空数据建模方法进行了研究(蒋捷等，19999)；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，1996)；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，1997)，对Web
GIS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，1999)。
　　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；吵乱 金，1997；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
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GIS空间数据处理关键技术研究”(执行时间为1999～2002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(4D data
modeling)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、抖 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象的定义、表达、数据组织(specification and organization of 4D spatiao-temporal objects)；多维查询表达、数据排序与检索算法及数据结构(multi-dimesnsional range serach and
query)；顾及时空语义的多维空间数据模型与逻辑建模方法(conceptual and logical multti-dimensional data modeling based on spatio-temporal relations)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怂惴?笆?萁峁?dynamic generation and access of spatio-temporal relations between 3D objects)；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-based management of distributed and heterogeneous multi-dimensional spatiall databases and interoperability and object processing) 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-tempooral statistics and interpolation of multi-dimensional data)；时空数据的实时动态显示方法(4D spatio-temporal information visualization)。


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
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，并为改进钟械母髦?GIS 系统功能提供理论指导

比较高深莫测呢

请问

多维数据和动态的常规技术路线有吗？？？

<DIV class=quote> </DIV>
<P  align=center><FONT face=隶书 size=5><B>多维动态GIS空间数据处理关键技术研究</B></FONT> </P>
<P > <FONT face=仿宋_GB2312 size=4><P> </P><I ><B ><P></P></B></I></FONT></P>
<P >近30年来，人们一直是按照平面图或铺盖数据模型，将具有鲜明的多维、动态特征的现实空间世界抽象为二维、静态目标，构建二维或2.5维的地理信息系统(GIS)。随着地理空间信息逐步地融入国家信息化和知识经济的主体，现有的二维或2.5维地理空间信息及GIS在表达或反映三维实体及其时空变化方面表现出了很大的局限性，已难以满足国民经济建设和社会发展的要求。该项目是针对这一重大应用背景，对多维动态空间数据处理的若干关键技术方法进行了研究，包括多维动态GIS的基本概念、时空数据模型与建模方法、3D空间数据模型与建模方法、动态空间关系生成与操作、 空间关系的集成化表示与推理、球面动态数据建模、生成、索引、基于web的空间数据处理、大规模地表模型的实时动态显示、三维城市景观可视化技术以及三维数据获取等，在基于事件的时空数据模型、平面移动对象的时空数据模型、三维复杂实体及三维城市景观建模、栅格Voronoi图的动态生成算法、球面Voornoi图生成与动态数据建模、大规模地表模型实时动态显示、小波变换的快速算法及DEM的小波压缩技术、三维城市景观可视化、三维数据获取等方面取得了有创新意义的研究成果。<P> </P></P>
<P >该项目已在国际学术刊物上发国际学术刊物上发表6篇论文，在国内学术刊物上发表 33 篇论文，在国际学术会议上发表论文50篇，在国内学术会议上发表论文7篇。先后组织了3次国际学术讨论会，在国际学术刊物组织了2期专刊，撰写、出版了学术专著2部；培养了2名博士后、9名博士生（已毕业8名）、15名硕士生（已毕业9名）。根据该项目研究成果，国家973资源环境领域“十五”规划已将“多维动态地理空间信息机理与框架研究”列为发展重点方向之一。<P> </P></P>
<P >经过该项目组三个参加单位的共同努力，该项目有力地提升了我国这一领域的研究水平推动了国际上该方向的研究与交流，为我国构建新一代数字化地理空间框架数据提供了新的发展思路。 <P></P></P>

<FONT size=2>多维信息是指在信息可视化环境中的那些具有超过3个属性的信息，在可视化中，这些属性的重要性是相当重要的。例如，关于某地所有房屋的价值和它们的地址数据的一个清单（一维数据），可以按照价值排序；也可以创建一个测度，用点的大小来表示房子的相对价值，并且将点放置在地图上来表示它们的位置（二维数据）。但是，如果还有其他关于房子的信息，比如卧室数量、年代、面积等，这些是二维空间可视化中的次要信息。

　　但是，如果有一个数据库，它包括了房子的一系列属性，我们的目的是使得用户可以根据任何一个房屋属性来给房子排序，这就是多维数据了。马里兰大学人机交互实验室的研究人员开发了一个称为动态查询的框架结构，它可以让用户可视化多维数据进行排序。例如HomeFinder（用户可视化软件），提供的就是关于多维房屋数据的可视化（http://www.cs.umd.edu/projects/hcil/）。</FONT>

<DIV class=quote><B>以下是引用<I>queensf</I>在2004-1-22 17:05:42的发言：</B>
请问

多维数据和动态的常规技术路线有吗？？？</DIV>
<P>多源数据的集成吗？现在数据库中间件很多</P>

<P><img src="http://www.gisempire.com/bbs/Skins/Default/emot/em02.gif"><img src="http://www.gisempire.com/bbs/Skins/Default/emot/em01.gif"></P>

太难了谢谢

顶一下，不错

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