空间数据分析概述.docx
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空间数据分析概述
4.煤炭地质信息资源GIS检索平台技术分析
4.1空间数据分析
煤炭空间数据——三维空间数据:
传统的二维空间数据虽然能表达地表地物的空间分布特征,但难以描述煤炭等地下三维的空间数据。
传统的二维空间数据难以在煤炭地质数字化中得以应用。
煤炭地质的研究对象为地下的三维空间数据,进行科学合理的三维地学建模是煤炭地质信息资源GIS中关键。
在整个“数字矿山”的庞大信息系统中,三维地学建模是系统的核心组成部分,技术最为复杂。
中国矿业大学的吴立新教授曾做出如下的定义:
三维地学建模是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像学、科学可视化等学科交叉而形成的一门新型学科。
三维地学建模的特征从计算机图形学的角度来说,三维地学建模既不属于原始设计模式的建模,也不是严格的逆向工程建模,这主要是由三维地学建模的建模数据来源所造成的。
地学建模的数据来源有三个特征。
1稀疏性。
地学建模的数据来源目前主要是靠钻孔数据、勘测数据以及矿山开拓工程数据。
在前期的地质勘探过程中,地学的建模基本是完全依靠钻孔获得建模原始数据,成本非常高,不可能大量的采集数据。
所以,实际工程中只能采集非常稀疏的、离散的且分布不规则采样数据,而矿山地质空间数据往往又是连续、复杂多变的,这给建模工作带来了很大的困难。
2不确定性。
由于数据的稀疏性的因素,为了获得满足三维建模需要的数据量,必须依据现有的勘测数据进行空间插值。
目前常用的空间插值方法有下列几种:
梯森多边形法（最近距离法、反距离加权方法、趋势面分析方法、多元回归分析方法、样条函数方法和克里格插值方法等。
这些方法虽然郝有各自的科学道理,但是这些方法仅仅是对矿体形貌的一个“较为可靠”的估计,在这个“较为可靠”的估计下面有很大的不确定性。
3地质构造的复杂性。
由于断层、褶皱、岩石夹层等复杂地质构造的存在,这些复杂的和无规律的因素使得地学建模的复杂度大大增加,也使得地学的建模复杂性远远大于其他的类似的建模应用。
像基于CT扫描数据的建模等领域,现实生活中是可以找到参考模型作为引导,有一定的规律可循,而矿体模型几乎没有任何规律可循。
2三维地学建模的主要方法
在过去的十几年中,国内外众多学者对于三维地学建模这个难题从理论上进行了较深入的研究,提出了多种三维地学空间模型或建模方法。
其中不少方法已经在商品化的数字矿山软件中得到实现和应用。
从三维建模方法的基本元素来看,可以分为基于面表示的模型、基于体元的模型和混合数据模型。
由于三维地学建模需要对矿体的属性的品位等信息进行详细的描述,所以三维地学建模须采用体元模型法建模,也可以由表面模型栅格化为体元模型。
2.1块段模型
块段模型（BlockMode1是将整个矿床范围内的空问分割为规则的体元,然后通过钻孔等地质信息插值计算每个体元的岩石属性。
块段模型的基本体元可以是长方体、正六面体等,但是最简单并最常用的是等边长的正方体体元。
根据数据存储方式,块段模型又可分为三维栅格模型和八叉树模型。
八叉树是二维四叉树的三维自然扩展,是利用树的层次结构将三维空间划分为若干个子区域。
八叉树模型不但可以压缩原始的三维栅格数据,而且还可以改善同类体元的拓扑结构,便于进行相关的查询分析。
块段模型是矿山三维软件中最常用的模型。
块段模型具有操作简单并且易于实现的优点,可以和各种地学空间插值方法和地质统计学方法结合计算体元的属性值,并且由于体元形体比较规则化和具有较好的空间拓扑组织,所以很有利于进行相关的三维查询分析。
目前,很多商品化的软件大多都具备了块段法的三维建模功能。
但是块段法也具有很多缺点。
由于体元的形体比较规则,所以很难精确的表达边界,更不能很好的表达复杂的地质构造状况。
在提高精度的情况下,矿体模型栅格数据量以n级增长,数据量巨大。
2.2实体模型
实体模型（SolidMode1是指用面集合来表达矿体的外表面。
实体模型法是Bak和Mill等人最先提出来的。
在地理信息系统中一般都是选择三角网来表达矿体的外表,由于三角网能很好地表达矿体的外表,所以实体模型很好地解决了块段模型对边界表达不精确的问题。
但是,实体模型属于边界表达模型,不能表达模型内部结构和属性,所以必须要和其他的方法结合起来解决矿体内部属性的表达问题。
在实际的工程应用中,实体模型通常和块段模型进行结合使用。
在由三角网组成的矿体外表模型向块段模型进行“栅格化”的过程中,同样面临着三维栅格体元不能严格地表达三角网的边界,在实际的应用中,一般都是采取将三维栅格体元进行剖分来逼近三角网的边界,以达到工程精度要求。
实体模型的难点是基于平行矿体轮廓线的建模工作,主要面临轮廓线的对应、分支与复合和镶嵌三个问题。
2,3四面体模型
四面体模型（TEN是将矿体的三维空间对象剖分成一系列相邻但不交叉的不规则四面体网络,是TIN模型向三维的扩展。
TEN模型的体元外表面为三角面,而且四面体体元具有很强灵活性,所以四面体模型对于复杂三维实体的外表和内部属性都具有很强的表达能力,通过属性的插值计算能更好地体现出矿
体内部属性的连续性和过渡性。
四面体模型通过体元的邻接关系来反应空间的拓扑关系,对边界和内部进行了统一的表达,容易提取边界。
但是构建四面体模型的三维空间三角剖分算法复杂,尤其是当地质体边界,如断层作为约束条件时算法将会更加复杂,需要考虑四面体退化等问题。
而且,四面体模型也存在着数据量过大的弊病,在提取模型边界的时候运算量很大,空间拓扑结构也比块段模型复杂得多。
在矿体属性相同的区域,四面体化后的空间数据冗余比较严重。
三维空间数据模型的研究现状
自从1978年八叉树（Octree概念被提出后相当长的一段时间.研究工作主要以八叉树为代表的三维栅格数据模型为主。
近年来,研究工作集中在矢量数据模型和多种数据模型的集成和混和以及基于这些模型的处理和分析算法。
具有代表性的三维空间数据模型的研究包括:
Bak和Mill提出一个典型的地学资源管理系统（GRMS[21;RongxingLi提出了一个基于多种表示的三维GIS系统[31:
Molenaar提出了一个形式化三维数据结构（FormalDataStrcture（FDS,定义了一个三维矢量数据模型和三维拓扑关系:
龚健雅提出了一个以矿山应用为背景的矢量与栅格集成面向对象的三维数据模型.并进一步将面向对象的数据模型扩充到时间维『引:
Victor和PiloutMetal提出了一个基于点四面体格网（TetrahedraNetwork（TEN的三维矢量数据模型161;李青元从矿山与地质领域的应用出发,提出了三维矢量结构GIS的结点、边、环、曲面片、体之间的五组拓扑关系171;李清泉、李德仁针对城市、海洋等领域的应用,发展了三种不同的空间模型的集成方法.一种是用于城市三维构模基于不规则三角网（TIN的集成模型,第二种是用于地质、海洋等领域,基于八叉树和四面体格网的混合模型,第三种是具有一般性矢量栅格集成的三维空间数据模型。
图1和图2分别表示了目前提出的较为典型的单一三维数据模型和混合（含模型集成三维数据模型。
三维地学模型有其特殊性,它不仅要表达和显示地学对象本身.而且要表达地学对象间的相互关系:
拓扑关系和语义关系.另外还要存储对象的属性信息
3两类三维空间数据模型的细分与分析
3.1基于表面表示的数据模型、基于表面表示的数据模型有格网结构（ds、形状结构（shape、面片结构（facets和边界表示（Blk等。
3.1.1格网结构
格网结构是DEM中常用的一种结构。
地形表面被划分成规则的mXn格网,如图3所示,每个格网点上有一个高程值相对应,其基本元素是一个点,主要用于DEM中等高线的2.5D表示。
3.1.2形状结构
形状结构通过对象表面点的斜率来描述,基本元素是表面上各单元所对应的法线向量（如图4所示,主要用于表面的3D重建。
其基本思想是以像素的明暗变化反映地形坡度的变化,通过坡度变化可以求出像素之间的高差变化,最终确定地形的3D表面。
3.1.3面片结构
面片结构是用不同形状的面片近似表示一个对象的表面。
面片的形状有正方形、规则三角形、不规则三角形和泰森多边形等。
其中,不规则三角形（TIN是最常用的一种面片,它具有许多特点,如在绘制等高线时避免了“鞍部点问题”,计算坡度等地形参数容易实现,不规则的点分布符合采样的实际
情况,可以根据表面的复杂程度变化三角形的大小,以消除多余数据并保持较好的近似。
把高程值结合到每一个三角形的顶点,便形成2.5D表示。
图5是利用TIN进行2.5D地形表示的例子。
3.1.4边界表示
边界表示是一个分级表示方法。
空间的任一对象可以分解为4类元素的组合,即点、线、面和体,每一类元素由几何数据、分类标志以及与其他类元素的相互关系（拓扑关系来描述。
图6是一个基于边界表示的3DGIS的数据模型。
在实际应用中,为了将观测数据转换成边界表示,元素间的关系必须确定下来。
而地学的研究对象通常是未知的.因而这个过程非常困难,有时甚至不可能实现。
另外,边界表示对于布尔操作难以进行,整数特征的计算也很费时。
就其特点,边界表示主要用于CAD/CAM系统以及工程等方面的应用。
3.2基于体表示的数据模型
基于体表示的模型通过体信息来描述对象的内部.而不是通过表面信息来描述。
运用这样的表示,对象的体信息能够被表示、分析和观察。
这类数据模型包括3D栅格结构（arrays、八叉树（Oc—tree、结构实体几何法（CSG和不规则四面体结构（TEN。
3.2.13D栅格结构
3D栅格是一个紧密排列充满3D空间的阵列,其元素值是0或1,1表示对象占有,0表示空。
如图7所示.这个结构存储数据没有任何压缩.存储空间浪费很大,计算速度也较慢,一般只作为中间表示使用。
3.2.2八叉树结构
八叉树结构是2D四叉树结构在空间的扩展.用层次式的3D空间子区域划分来代替大小相等、规则排列的3D栅格,如图8所示。
八叉树的编码方法有4种.即普通八叉树、线性八叉树、三维行程编码和深度优先编码。
其中。
线性八叉树和三维行程编码由于数据压缩量大、操作灵活,在3DGIS中应用较多。
八叉树结构有如下特点:
1八叉树结构适于表示体对象,是一个非原始的表示方法,即必须由其它表示（如3D栅格转换生成;
2八叉树结构是一个近似表示,特别适于表示复杂形状的对象;
3对于布尔操作和整数特征的计算效率很高,明显优于边界表示;
4内在的空间顺序使八叉树结构便于显示;
5不足之处是一般的几何变换难以进行,明显不如BR和CSG两种结构。
近年来.一些学者提出了“扩展八叉树”的概念.其目的是将矢量表示的优点与八叉树结合起来。
在扩展八叉树中除了八叉树原有的结点类型,即实、空和灰以外。
还增加了:
1面结点,即包含对象某一表面（平面的一部分;
2边结点。
即包含两个相邻的面以及公共边界:
3顶点结点,即包含多面体的一个顶点和与之相连的部分面和边界。
在实际应用中由于引入新的结点类型,减少了划分层次,达到了减小存储空间占用和提高布尔操作速度的目的。
3-2_3结构实体几何法
结构实体几何法是用预先定义好的具有一定形状的基本体素的组合来表示对象。
体素之间的关系包括几何变换和布尔操作。
通常CSG表示可以用一个布尔树形式的组合操作来得到,如图9所示。
由于模型可以通过简单构模语句交互式地建立.CSG是在CAD/CAM中最常用的构模技术,同时布尔操作和几何变换也很方便。
如果采用参数形式的复杂体素。
则构模范围会增大。
而内存占用仍然很小。
由于边界和面在CSG中没有明确定义,因而表示产生图形显得困难。
CSG主要用于CAD/CAM系统,通常与BR结合起来使用。
3.2.4不规则四面体结构
不规则四面体结构（TEN是不规则三角形结构（TIN向3D的扩展,以四面体作为最基本体素来描述对象。
这种结构是以连接但不重叠的不规则四面体构成格网.如图10所示。
该结构具有如下特点:
1TEN是基于简单的合成.即由点、线和面形成体:
2TEN是基于线性的组合。
TEN的几何变换可以变为每个四面体变换后的组合;
3TEN可以看成是一种特殊的体元结构（不规则大小。
许多体结构的优点,如快速几何变换对TEN也成立,而且它不需要像体结构那么多的存储空间。
另一方面,TEN又可以看成是一种特殊的BR表示（最简单,一些BR结构的优点,如拓扑关系的快速处理,同样适用于TEN;
4TEN适用于快速显示。
因为在3D空间每一个四面体相对观察点是独立的,能够用计算机图形学中最简单的算法来消除隐藏面。
根据对象的前后关系进行排序,然后从后向前绘制覆盖的不可见部分。
在上述结构中,CSG适于表示规则形状的对象,3D栅格结构、八又树适于表示不规则形状的对象,而TEN则既可以用来表示规则形状的对象,也可以表示不规则形状的对象。
4.2WebGIS服务分析
地质信息是一种重要的资源,而地质信息系统是实现地质信息共享的重要平台。
将计算机技术、GIS技术和网络技术相结合发展的WebGIS技术应用于地质信息系统中,可快速实现地质信息资源不同部门问的共享webGIS是在Internet网络环境下的一种兼容、存储、处理、分析和显示与应用地理信息的计算机系统⋯。
目前,国内外对WebGIS的研究主要集中在空间数据模型、分布策略、网络环境下的空间信息组织等方面;国外主要的WebGIS产品有ArclMS、GeoMediaWebMap、MaplnfoProServer等。
与国外相比,我国的WebGIS软件起步较晚,但发展迅速.目前已有GeoBeans、SuperMapIS等产品;但WebGIS应用系统研究还处于落后阶段,WebGIS的广泛应用还有待于进一步发展
目前,许多与GIS相关领域都建立了基于WebGIS的地质信息应用系统,如广西、云南环境地质灾害网络数据库系统、青海冬给措纳湖区域地质调查信息系统、铜川新区给水管网应用系统等。
就地矿行业本身而言,地质信息具有复杂、多层次的特点,各种地质信息的组织及其发布是一个复杂的课题。
利用webGIS技术为地质部门提供基于地质信息的各项服务.是目前地质学发展的需要。
建立一个基于WebGIS、运行于Internet上的地质信息系统已成为各地质单位最迫切的需要。
为了满足这种需要,笔者拟就水电工程三维地质信息系统为例.对基于B/S的webGIS技术在地质信息系统中的应用进行了探讨。
B/S的三层体系结构
经过多年的发展,WebGIS的系统架构已趋于成熟稳定,通常采用层B/S结构,即由浏览器、GIS应用服务器、空间数据库等j部分构成。
其中,浏览器对应于传统C/S结构中的客户端。
国内外的WebGIS软件都具有类似的功能。
如客户端地图的放大、缩小、平移、全图显示等基本操作.而且具有简单的空间分析能力和图形编辑功能,它们往往使用地图控件,且对于其使用大部分都是双向交互式查询,并对数据的分析可视化还不够。
目前,WebGIS实现的技术路线大致可分两类:
一是在客户端,二是在服务器端。
后者是在服务器端提供相关软件,这一技术路线应用最为广泛。
B/S结构是随着Intemet技术的兴起.对C/S结构的一种变化、改进的结构。
采用B/S结构的应用系统,无需在客户端安装软件,只要能上网,用户在任何地方都可以访问系统。
不仅方便了用户办公,而且节省了软件升级的维护费用.比C/S结构的应用软件有了明显的优势。
B/S结构是在Web应用中.当客户端向服务器请求页面时,网页复杂的逻辑处理在服务器端进行,然后把结果返回给客户端.在客户端只能看到该网页的最终表现和HTML,而不能看到该网页的程序逻辑.这样可以有效地保护程序代码的安全。
三层体系结构在设计网页时.把页面的表现和页面的程序代码分离,前端是页面的具体体现.中间层是页面的程序逻辑代码,后端是数据库服务器（图1。
当使用ASP.NET时,前端为html、asp、aspx等.中间层为由.vb、.CS等文件编译而成的.dll控件.后端为SQLServer、OLEDB数据库表现的关系型数据或XML表现的层次结构的数据。
基于这种B/S的三层或多层结构模式迅速得到发展。
并已成为当前网络地理信息系统的主要应用结构模式。
系统总体设计
系统主要包括四个子系统:
数据库子系统、图件编绘子系统、三维建模与空间分析子系统和网络查询子系统。
网络查询系统主要包括网络用户管理与成果资料查询的管理与处理等,由图2可以看出查询系统是对整个工程中地质资料的查询。
基于ASP.NET的技术实现
基于WebGIS的地质信息系统实现由图2可以看出在该系统中,主要是要查询地质数据及二维和三维的成果资料等。
对于GIS系统来说,其管理的数据主要包括两类,即空间数据和属性数据。
属性数据刻画
了对象除空间位置外的性质,这类数据可以结构化,可以用关系数据库来管理。
对于关系数据库的访问.ASP.NET是用ADO.NET来实现的,ADO.NET是微软新一代数据访问标准,专门为满足松耦合、无状态的Web应用而设计,它提供了断开式的结构,并且与XML紧密集成_8_。
为解决空间数据在网络环境下的发布与查询应用,本系统设计了一个基于GeoX2dEditor的三层B/S体系结构的空间数据发布与查询应用模型,系统前端是ClientJActiveX,中间是WebServer,后端是DatabaseServer。
其中,客户端主要用以客户端通信。
具有用户与控件的交互以及显示空间属性信息的功能,GeoX2dEditor图形控件运行于此;WebServer服务器位于系统的中间部分是系统的核心部分.具有发布控件和执行HTML、ASP、ASP.Net网页以及与Database通信的功能;Database数据库服务器管理空间信息和属性信息（图4。
其空间数据基础图件采用武汉地大坤迪科技有限公司的GeoView软件平台,将数字化、矢量化后的图件、地质勘察属性信息等录入到勘察数据采集与图形编绘系统进行编辑、管理。
基于WebGIS的地质勘察空间数据网上发布系统为其空问数据共享提供了前提基础。
4.3数据安全技术
4.4会员管理分析
明确煤炭地质信息资源的主要组成部分及其相应的成员角色。
将信息系统分成数据管理,数据操作,数据检索,空间数据显示,数据网络分发等主要部分,配备相应的管理员,数据操作员（负责数据更新,修改,检索等,数据检索人员,三维数据动态显示操作员,WebGIS操作员等。
对信息系统的不同组成部分赋予不同的权限,并且保障各部门间的协调。
系统管理员拥有最高的权限,不同操作员拥有各自的子权限,不同部门间根据需要进行一定的gis互操作,以保证整个信息系统的顺利安全运行。
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