地理信息可视化

地理信息可视化目录1地理信息可视化简介...........................................................................31.1地理信息可视化的发展由来.........................................................31.2地理信息可视化的必要性.............................................................41.3地理信息可视化的特点.................................................................42地理信息可视化研究热点...................................................................52.1不断涌现的新技术........................................................................52.2地理信息可视化的研究框架.........................................................63信息可视化面临的挑战.....................................................................104地理信息系统中的可视化过程.........................................................114.1图形图像的形成..........................................................................114.2空间信息查询..............................................................................12可视化是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法，研究者能够观察其计算的过程和结果。地理信息可视化是可视化发展的方向之一。科学计算可视化的研究目标是要把通过实验获得或数值计算方法得到的大量数据表现为人们的视觉可以直接感受的计算机图形图像,由此为人们提供一种可直观地观察数据、分析数据、揭示出数据间内在联系的方法,并能在地理、地质、环境等地学领域获得广泛的应用[1]。可视化正在成为一个多元化、多学科领域的研究和实践。问题研究的广度在2001年发表在CAGIS国际多学科研究议程报告中提到。在这份报告中，四横切主题阐述：开发理解和集成技术，使之成为可能利用所提供的潜力通过越来越多的经验代表技术；开发可扩展的方法和工具使理解和洞察力要衍生，越来越大和复杂的地理空间数据集成为可用；开发的新一代可视化支持团队工作的方法和工具；开发以人为中心的方法可视化[5]。1地理信息可视化简介1.1地理信息可视化的发展由来近几十年计算机技术的飞速发展，已彻底改变了传统的制图观点。一方面新技术的出现使地图产品的种类更加丰富（电子地图、数字地图、多媒体地图等），同时人类观察世界的视野也越来越广阔和细腻。地图制图的概念已经深入到我们生活的各个方面，包括大脑制图、生命制图以及描述网络的赛柏地图。海量数据的出现，科学计算可视化于1987年被首次提出，用来解决大量的科学数据与缺乏有效的解释之间的矛盾。在这些海量数据中，80%的数据与地理因素（坐标地址、邮政编码）有关。虽然将地理世界可视化一直以来都是制图领域关注的话题，但科学可视化的概念已经渐渐渗透到地理与制图领域，特别是那些以计算机为基础的工作。ICA（国际制图协会）1993年成立了可视化工作组，这个工作组又于1995年扩大为可视化委员会，1999年再次重新命名为可视化与虚拟现实委员会。其研究的主题是扩大制图方法，以适应不断发展的技术环境，关注计算机图形学、信息可视化、探索性数据分析等相关领域的研究成果，并吸收、融合到制图可视化中[2]。1.2地理信息可视化的必要性地理信息不仅反映了地理巨系统的海量信息，同时又是对地理现象近似的描述，它的多重性、复杂性、不精确性、不确定性等特点使得地理现象的信息表达普遍存在着模糊性,往往使人类对信息的获取不能准确地反映到人类的意识层面上。研究表明,在人类所获取的各种信息中通过视觉而得到的占60%以上，所以国际地图学会于1995年成立了一个可视化委员会，并在1996年6月与计算机图形学会进行了跨学科的合作，开始了一个名为“Carto-Project”的研究项目,其目的是探索计算机图形学的技术与方法如何有效地应用于空间数据可视化，探讨如何从地图学的观点和方法促进计算机图形学的发展,从而开始了地理信息可视化发展的第一步[1]。1.3地理信息可视化的特点(1)形象直观性:通过以生动、形象、只管的图像、图形、影像模型等多种表现形式,将某个地区的地理信息展现出来,从而是人们能够对相关的图形图像进行了解和查询。(2)多源数据的采集与集成性:通过使用地理信息可视化技术对不同类型、格式与介质的数据进行接收和采集,无论收集的数据形式或格式是否一致,都可以采用统一的数据库来管理,由此为多元数据的分析提供有利条件。(3)交互探讨性:交互方式往往在大量的数据中对视觉思维更有利,在研究分析的过程中,可以对数据任意检索,同时也可以做到信息交互变化。将多源信息进行合理的集成整合,通过统一数据库管理,在此同时具备空间分析与查询的能力,从而方便了地学工作者采用交互方式进行多源地学信息的对比、查询、分析等工作,并从中训得规律,有利于规划决定与经营。(4)时空信息的动态性:空间信息并非是地理信息的主体,地理信息更具备动态性,因此也称为时空信息。随着计算机技术水平的提高和时间维护的投入,有望使地理信息进行动态表示和动态检索[3]。2地理信息可视化研究热点2.1不断涌现的新技术计算机的硬件和软件：性能的不断增长与价格的不断下降。遵从摩尔定律，每18个月增长一倍。新的显示媒体：用以克服CRT显示的局限性。这在可视化中很受重视，因为较低的分辨率和有限的显示范围将不可避免地影响图形的显示。开发的新媒体包括用于大幅面显示的可伸缩的显示墙系统，可使投影显示更清晰的高分辨率显示墙，以及可提供多视角的多投影显示器。网络性能：将继续促进可视化的发展来充分利用网络的通信能力。个人数字助理（PDAs）：提供了低分辨率、移动式的价格适宜的显示器，具有有限的数据存储和处理能力。沉浸式环境：例如计算机辅助的虚拟环境（CAVEs）、显示墙、工作台，将继续发展并对地理信息可视化产生影响。移动式计算：将使用户从桌面范围解放出来。其影响不仅在于无论何时、何地进行显示，而且影响我们如何获得显示。空间位置的实时显示：通过与GPS、可视化、导航的集成使之成为可能。导航工具：产生对显示器革新的进一步要求，以允许用户迅速、便捷的在未知的环境中确定自己的位置。不使用手动操作的计算机：利用了语音识别交互技术，增加了导航的解决方案。穿戴式电脑：诸如头盔显示器，在真实或虚拟显示中利用与空间一致的信息提要来达到增强现实的效果。新的数据编码方案：例如XML（扩展标记语言），GML（地理标记语言），SMIL（同步多媒体集成语言）和SVG（可伸缩的矢量图形）将提高新媒体的性能[2]。2.2地理信息可视化的研究框架1）时空信息数据库模型的研究GIS的核心是时空信息数据库。目前，空间信息数据库的基本载体是关系数据库，并辅以特殊结构的空间信息数据文件。在关系数据库中，可以获得原本缺乏的对空间对象的表现力，结合特殊结构的空间信息数据文件则可获得优秀的数据操作能力，两者结合可为用户提供更好的GIS服务[1]。但在空间信息数据库上扩充的时空数据库的管理，尚未有很好的模型，主要原因是时间维的加入，使得数据的复杂程度再一次上升。时间轴时间轴与欧几里德空间中的一维、二维、三维的坐标轴既有一定的联系,同时又有一定的区别。首先，它与其它轴有一定的共性,Pigot和Hazelton(1992)提出时间轴是连续的、线性排序的、对其它轴来说是正交的。虽然,在时间上可以进行前推、后推，但时间不能有分支。在数据模型中，包括时间在内的多种数据，我们可以看作新的维数轴，但在具体处理中我们应区别对待[4]。如何兼顾时间域和空间域而获得较好的数据访问能力是时空数据的一个研究方向。2）空间数据可视化研究在地理信息系统中，空间数据可视化更重要的是为人们提供一种空间认知的工具，它在提高空间数据的复杂过程、分析的洞察能力、多维多时相数据和过程的显示等方面，将有效地改善和增强空间地理环境信息的传播能力。目前空间可视化中，特别是地形三维可视化、地面建筑物三维可视化及GIS环境下空间数据的多尺度显示，还有许多问题(如思路、算法等)需要进一步研究[1]。由于地理信息三维可视化系统涉及的专业领域很广,随着应用的深入,它还有很多问题需要解决[5]：1.三维数据实时廉价获取三维数据的获取,往往受到经济条件、设务状况、地形条件、自然界的变化无常等等的影响,而不能快速、经济地得到。但山于研究对象的义杂变化性,在许多领域对于三维数据的实时获取要求较高,因此三维数据的实时廉价获取方法有待研究。2.大数据量的存储与快速处理在地理信息三维可视化系统中,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精确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。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地理信息三维可视化系统的核心,它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等地理信息系统的各个环节,它的好坏直接影响着整个地理信息系统的性能。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。虽然已有很多人展开相关方面的研究与开发,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盖。4.三维空间分析方法的开发空间分析能力在二维地理信息系统中比较薄弱,目前大多数的地理信息系统都不能满足决策层次上的需要,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。其中一个主要原因是在现有的地理信息系统中,空间分析的功能较弱。在地理信息三维可视化系统中,同样面临着这个问题。因此,研究开发地理信息系统的基本空间分析及将各领域的专家知识引入地理信息系统中,是地理信息三维可视化系统发展的一个重要方面。3）仿真技术和虚拟现实技术的研究仿真技术和虚拟现实技术都是在可视化技术基础上发展起来的,是由计算机进行科学计算和多维表达显示的。仿真技术是虚拟现实技术的核心，仿真技术的特点是用户对可视化的对象只有视觉和听觉，而没有触觉；不存在交互作用；用户没有身临其境的感觉；操纵计算机环境的物体,不会产生符合物理的、力学的动作和行为，不能形象逼真地表达地理信息。而虚拟现实技术则是指运用计算机技术生成一个逼真的、具有视觉、听觉、触觉等效果的、可交互的、动态的世界，人们可以对虚拟对象进行操纵和考察。其特点是利用计算机生成一个三维视觉、立体视觉和触觉效果的逼真世界，用户可通过各种器官与虚拟对象进行交互，操纵由计算机生成的虚拟对象时，能产生符合物理的、地学的和生物原理的行为和动作；具有从外到内或从内到外观察数据空间的特征，在不同空间漫游；借助三维传感技术(如数据头盔、手套及外衣等)用户可产生具有三维视觉、立体听觉和触觉的身临其境的感觉[1]。虚拟现实的最大特点是“3I”：即交互（interactivity）、沉浸（immersion）、想象（imagination），人可以与系统进行高度交互。为了能带给人一种沉浸感的效果，需要对人的感知能力，不仅仅是视觉