地理信息可視化

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 地理信息可視化目錄可視化是一種將抽象符號轉(zhuǎn)化為幾何圖形的計(jì)算方法，研究者能夠觀察其計(jì)算的過程和結(jié)果。地理信息可視化是可視化發(fā)展的方向之一。科學(xué)計(jì)算可視化的研究目標(biāo)是要把通過實(shí)驗(yàn)獲得或數(shù)值計(jì)算方法得到的大量數(shù)據(jù)表現(xiàn)為人們的視覺可以直接感受的計(jì)算機(jī)圖形圖像 , 由此為人們提供一種可直觀地觀察數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、揭示出數(shù)據(jù)間內(nèi) 在聯(lián)系的方法 , 并能在地理、地質(zhì)、環(huán)境等地學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。可視化正在成為一個(gè)多元化、多學(xué)科領(lǐng)域的研究和實(shí)踐。問題研究的廣度在2001年發(fā)表在CAGIS國際多學(xué)科研究議程報(bào)告中提到。在這份報(bào)告中，四橫切主題闡述：開發(fā)理解和集成技術(shù)，使之成為可能利

2、用所提供的潛力通過越來越多的經(jīng)驗(yàn)代表技術(shù)；開發(fā)可擴(kuò)展的方法和工具使理解和洞察力要衍生，越來越大和復(fù)雜的地理空間數(shù)據(jù)集成為可用；開發(fā)的新一代可視化支持團(tuán)隊(duì)工作的方法和工具；開發(fā)以人為中心的方法可視化5。1地理信息可視化簡介1.1地理信息可視化的發(fā)展由來近幾十年計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已徹底改變了傳統(tǒng)的制圖觀點(diǎn)。一方面新技術(shù)的出現(xiàn)使地圖產(chǎn)品的種類更加豐富（電子地圖、數(shù)字地圖、多媒體地圖等），同時(shí)人類觀察世界的視野也越來越廣闊和細(xì)膩。地圖制圖的概念已經(jīng)深入到我們生活的各個(gè)方面，包括大腦制圖、生命制圖以及描述網(wǎng)絡(luò)的賽柏地圖。海量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，科學(xué)計(jì)算可視化于1987年被首次提出，用來解決大量的科學(xué)數(shù)據(jù)與缺

3、乏有效的解釋之間的矛盾。在這些海量數(shù)據(jù) 中，80%的數(shù)據(jù)與地理因素（坐標(biāo)地址、郵政編碼）有關(guān)。雖然將地理世界可視化一直以來都是制圖領(lǐng)域關(guān)注的話題，但科學(xué)可視化的 概念已經(jīng)漸漸滲透到地理與制圖領(lǐng)域，特別是那些以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ) 的工作。ICA（國際制圖協(xié)會(huì)）1993年成立了可視化工作組，這個(gè)工作組又于1995年擴(kuò)大為可視化委員會(huì)，1999年再次重新命名為可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)委員會(huì)。其研究的主題是擴(kuò)大制圖方法，以適應(yīng)不斷發(fā)展的技術(shù)環(huán)境，關(guān)注計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、信息可視化、探索性數(shù)據(jù)分析等相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，并吸收、融合到制圖可視化中。1.2地理信息可視化的必要性地理信息不僅反映了地理巨系統(tǒng)的海量信息，同時(shí)又是對

4、地理現(xiàn)象近似的描述，它的多重性、復(fù)雜性、不精確性、不確定性等特點(diǎn)使得地理現(xiàn)象的信息表達(dá)普遍存在著模糊性 , 往往使人類對信息的獲取不能準(zhǔn)確地反映到人類的意識(shí)層面上。研究表明 , 在人類所獲取的各種信息中通過視覺而得到的占 60 %以上，所以國際地圖學(xué)會(huì)于 1995 年成立了一個(gè)可視化委員會(huì)，并在1996年6月與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)會(huì)進(jìn)行了跨學(xué)科的合作，開始了一個(gè)名為“Carto-Project”的研究項(xiàng)目, 其目的是探索計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的技術(shù)與方法如何有效地應(yīng)用于空間數(shù)據(jù)可視化，探討如何從地圖學(xué)的觀點(diǎn)和方法促進(jìn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展 , 從而開始了地理信息可視化發(fā)展的第一步1。1.3地理信息可視化的特點(diǎn)(1)

5、形象直觀性: 通過以生動(dòng)、形象、只管的圖像、圖形、影像模型等多種表現(xiàn)形式, 將某個(gè)地區(qū)的地理信息展現(xiàn)出來, 從而是人們能夠?qū)ο嚓P(guān)的圖形圖像進(jìn)行了解和查詢。(2)多源數(shù)據(jù)的采集與集成性: 通過使用 地理信息可視化技術(shù)對不同類型、 格式與介質(zhì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和采集, 無論收集的數(shù)據(jù)形式或格式是否一致, 都可以采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來管理, 由此為多元數(shù)據(jù)的分析提供有利條件。(3)交互探討性: 交互方式往往在大量的數(shù)據(jù)中對視覺思維更有利, 在研究分析的過程中, 可以對數(shù)據(jù)任意檢索, 同時(shí)也可以做到信息交互變化。 將多源信息進(jìn)行合理的集成整合, 通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理, 在此同時(shí)具備空間分析與查詢的能力,從而方便

6、了地學(xué)工作者采用交互方式進(jìn)行多源地學(xué)信息的對比、 查詢、 分析等工作,并從中訓(xùn)得規(guī)律, 有利于規(guī)劃決定與經(jīng)營。(4)時(shí)空信息的動(dòng)態(tài)性: 空間信息并非是地理信息的主體, 地理信息更具備動(dòng)態(tài)性, 因此也稱為時(shí)空信息。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的提高和時(shí)間維護(hù)的投入,有望使地理信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)表示和動(dòng)態(tài)檢索3。2地理信息可視化研究熱點(diǎn)2.1不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)計(jì)算機(jī)的硬件和軟件：性能的不斷增長與價(jià)格的不斷下降。遵從摩爾定律，每18個(gè)月增長一倍。新的顯示媒體：用以克服 CRT 顯示的局限性。 這在可視化中很受重視，因?yàn)檩^低的分辨率和有限的顯示范圍將不可避免地影響圖 形的顯示。開發(fā)的新媒體包括用于大幅面顯示的可伸縮的

7、顯示墻系 統(tǒng)，可使投影顯示更清晰的高分辨率顯示墻，以及可提供多視角的多 投影顯示器。網(wǎng)絡(luò)性能：將繼續(xù)促進(jìn)可視化的 發(fā)展來充分利用網(wǎng)絡(luò)的通信 能力。個(gè)人數(shù)字助理（PDAs）：提供了低分辨率、移動(dòng)式的價(jià)格適宜的 顯示器，具有有限的 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力。沉浸式環(huán)境：例如計(jì)算機(jī)輔助的虛擬環(huán)境（CAVEs）、顯示墻、工作臺(tái)，將繼續(xù)發(fā)展并對地理信息可視化產(chǎn)生影響。移動(dòng)式計(jì)算：將使用戶從桌面范圍解放出來。其影響不僅在于無論何時(shí)、何地進(jìn)行顯示，而且影響我們?nèi)绾潍@得顯示?？臻g位置的實(shí)時(shí)顯示：通過與GPS、可視化、導(dǎo)航的集成使之成為可能。導(dǎo)航工具：產(chǎn)生對顯示器革新的進(jìn)一步要求，以允許用戶迅速、 便捷的在未知的環(huán)境

8、中確定自己的位置。不使用手動(dòng)操作的計(jì)算機(jī)：利用了語音識(shí)別交互技術(shù)，增加了導(dǎo) 航的解決方案。穿戴式電腦：諸如頭盔顯示器，在真實(shí)或虛擬顯示中利用與空間 一致的信息提要來達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。新的數(shù)據(jù)編碼方案：例如XML（擴(kuò)展標(biāo)記語言），GML（地理標(biāo)記語言），SMIL（同步多媒體集成語言）和SVG（可伸縮的矢量圖形）將提高新媒體的性能2。2.2地理信息可視化的研究框架1）時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫模型的研究GIS 的核心是時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫。目前，空間信息數(shù)據(jù)庫的基本載體是關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并輔以特殊結(jié)構(gòu)的空間信息數(shù)據(jù)文件。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，可以獲得原本缺乏的對空間對象的表現(xiàn)力，結(jié)合特殊結(jié)構(gòu)的空間信息數(shù)據(jù)文件則可獲得優(yōu)秀的

9、數(shù)據(jù)操作能力，兩者結(jié)合可為用戶 提供更好的 GIS 服務(wù)1。但在空間信息數(shù)據(jù)庫上擴(kuò)充的時(shí)空數(shù)據(jù)庫的管理，尚未有很好的模型，主要原因是時(shí)間維的加入，使得數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度再一次上升。時(shí)間軸時(shí)間軸與歐幾里德空間中的一維 、二維 、三維的坐標(biāo)軸既有一定的聯(lián)系 , 同時(shí)又有一定的區(qū)別。首先，它與其它軸有一定的共性 , Pigot和Hazelton(1992)提出時(shí)間軸是連續(xù)的 、線性排序的、對其它軸來說是正交的。雖然,在時(shí)間上可以進(jìn)行前推、后推，但時(shí)間不能有分支。在數(shù)據(jù)模型中，包括時(shí)間在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)，我們可以看作新的維數(shù)軸，但在具體處理中我們應(yīng)區(qū)別對待4。如何兼顧時(shí)間域和空間域而獲得較好的數(shù)據(jù)訪問能力是時(shí)

10、空數(shù)據(jù)的一個(gè)研究方向。2）空間數(shù)據(jù)可視化研究在地理信息系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)可視化更重要的是為人們提供一種空間認(rèn)知的工具，它在提高空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜過程、分析的洞察能力、多維多時(shí)相數(shù)據(jù)和過程的顯示等方面，將有效地改善和增強(qiáng)空間地理環(huán)境信息的傳播能力。目前空間可視化中，特別是地形三維可視化、地面建筑物三維可視化及GIS環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的多尺度顯示，還有許多問題(如思路、算法等)需要進(jìn)一步研究1。由于地理信息三維可視化系統(tǒng)涉及的專業(yè)領(lǐng)域很廣,隨著應(yīng)用的深入,它還有很多問題需要解決5：1.三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)廉價(jià)獲取三維數(shù)據(jù)的獲取,往往受到經(jīng)濟(jì)條件、設(shè)務(wù)狀況、地形條件、自然界的變化無常等等的影響,而不能快速、經(jīng)濟(jì)地得到

11、。但山于研究對象的義雜變化性,在許多領(lǐng)域?qū)τ谌S數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取要求較高,因此三維數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)廉價(jià)獲取方法有待研究。2.大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)與快速處理在地理信息三維可視化系統(tǒng)中,無論是基于矢量結(jié)構(gòu)還是基于柵格結(jié)構(gòu)，對于不規(guī)則地學(xué)對象的精確表達(dá)都會(huì)遇到大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)與處理問題。除了在硬件上靠計(jì)算機(jī)廠商生產(chǎn)大容量存儲(chǔ)設(shè)備和快速處理器外,還應(yīng)該研究軟件方面的算法以提高效率。3.完整的三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)庫是地理信息三維可視化系統(tǒng)的核心,它直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、處理、分析和輸出等地理信息系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié),它的好壞直接影響著整個(gè)地理信息系統(tǒng)的性能。而三維空間數(shù)據(jù)模型是人們對客觀世界的理解和抽

12、象,是建立三維空間數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維空間數(shù)據(jù)模型的具體實(shí)現(xiàn),是客觀對象在計(jì)算機(jī)中的底層表達(dá),是對客觀對象進(jìn)行可視表現(xiàn)的基礎(chǔ)。雖然已有很多人展開相關(guān)方面的研究與開發(fā),但還沒有形成能為大多數(shù)人所接受的統(tǒng)一理論與模式,有待于進(jìn)一步研究與完蓋。4.三維空間分析方法的開發(fā)空間分析能力在二維地理信息系統(tǒng)中比較薄弱,目前大多數(shù)的地理信息系統(tǒng)都不能滿足決策層次上的需要,只能作為一個(gè)大的空間數(shù)據(jù)庫,滿足簡單的編輯、管理、查詢和顯示要求,不能為決策者直接提供決策方案。其中一個(gè)主要原因是在現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)中,空間分析的功能較弱。在地理信息三維可視化系統(tǒng)中,同樣面臨著這個(gè)問題。因此,研究開發(fā)地

13、理信息系統(tǒng)的基本空間分析及將各領(lǐng)域的專家知識(shí)引入地理信息系統(tǒng)中,是地理信息三維可視化系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方面。3）仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都是在可視化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 , 是由 計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和多維表達(dá)顯示的。仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心，仿真技術(shù)的特點(diǎn)是用戶對可視化的對象只有視覺和聽覺， 而沒有觸覺；不存在交互作用；用戶沒有身臨其境的感覺；操縱計(jì)算機(jī)環(huán)境的物體,不會(huì)產(chǎn)生符合物理的、力學(xué)的動(dòng)作和行為，不能形象逼真地表達(dá)地理信息。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視覺、聽覺、觸覺等效果的、可交互的、動(dòng)態(tài)的世界， 人們可以對虛擬對象進(jìn)行操縱和考察

14、。其特點(diǎn)是利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)三維視覺、立體視覺和觸覺效果的逼真世界，用戶可通過各種器官與虛擬對象進(jìn)行交互，操縱由計(jì)算機(jī)生成的虛擬對象時(shí)，能產(chǎn)生符合物理的、地學(xué)的和生物原理的行為和動(dòng)作；具有從外到內(nèi)或從內(nèi)到外觀察數(shù)據(jù)空間的特征，在不同空間漫游；借助三維傳感技術(shù)(如數(shù)據(jù)頭盔、手套及外衣等)用戶可產(chǎn)生具有三維視覺、立體聽覺和觸覺的身臨其境的感覺1。虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)是“3I”：即交互（interactivity）、沉浸（immersion）、想象（imagination），人可以與系統(tǒng)進(jìn)行高度交互。為了能帶給人一種沉浸感的效果，需要對人的感知能力，不僅僅是視覺，還有聽覺、觸覺、嗅覺和行為等有深入的研

15、究。從這一點(diǎn)講，地理可視化中的表達(dá)手段不只限于研究視覺效果， 也拓寬了人的整體感知能力。3信息可視化面臨的挑戰(zhàn)1）了解新媒體視覺計(jì)算和顯示的媒體比較新新興的，我們尚未很好的明白他們的優(yōu)勢和缺點(diǎn)。目前，許多開發(fā)商和用戶有關(guān)的新媒介，仿佛它是我們已經(jīng)習(xí)慣了千年的紙張?zhí)娲?。這些新技術(shù)，能讓我們做的更多。我們需要花些時(shí)間來充分了解這些新媒體。2）應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)問題利用信息可視化解決現(xiàn)實(shí)世界問題是該技術(shù)的主要挑戰(zhàn)之一。在這個(gè)領(lǐng)域的大量的研究和開發(fā)是學(xué)術(shù)興趣，而不是適用性，從而創(chuàng)造一個(gè)“種種訣竅”。更適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ窍妊芯繂栴}然后尋找適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，如使用信息可視化。我們需要實(shí)現(xiàn)在許多現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用程序，可視化

16、只是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，而不是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體。我們必須了解系統(tǒng)和用戶的需求，以創(chuàng)建有效的可視化。3）3D和2D隨著3D圖形芯片的廣泛部署，臺(tái)式電腦將很快處理更復(fù)雜的3D圖形和動(dòng)畫。挑戰(zhàn)是如何更好的研究這即將到來的技術(shù)。目前，我們不要總是理解3D比2D更有效，反之亦然。作為更好的軟件更容易生產(chǎn)可視化，重要的是不使用這些新功能只有在他們適當(dāng)并有效傳達(dá)信息。3）以人為中心的可視化基于人類感知和信息處理能力的剪裁可視化系統(tǒng)另一個(gè)挑戰(zhàn)。我們需要更好地理解人類與信息互動(dòng)，我們?nèi)绾慰创目梢暫头强梢?，大腦是如何工作的當(dāng)搜索已知的和未知的信息，以及如何解決問題的心靈。良好的人機(jī)交互（HCI）是必須的

17、，但這還不夠?？梢暬到y(tǒng)設(shè)計(jì)，我們還需要更好地實(shí)施我們所知道的人類如何理解和與信息互動(dòng)知覺系統(tǒng)。相關(guān)的挑戰(zhàn)包括學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建靈活的用戶界面，導(dǎo)航工具和搜索方法適合每個(gè)現(xiàn)有類型的用戶、應(yīng)用程序和任務(wù)7。4）概念結(jié)構(gòu)我們目前的可視化工具的另一個(gè)問題是，他們通常只專注于數(shù)據(jù)，而不是概念結(jié)構(gòu)，如類別或在更高抽象層次上運(yùn)行的關(guān)系。因此，盡管他們提供良好的數(shù)據(jù)探索支持，他們是不太有用的合成活動(dòng)。其中概念的構(gòu)建，或分析，概念操作化。為了更好的支持整個(gè)科學(xué)過程，我們必須提供機(jī)制，可以可視化連接的各個(gè)階段的分析，并顯示概念如何涉及到數(shù)據(jù)，模型如何與概念有關(guān)，等等8。4地理信息系統(tǒng)中的可視化過程目前 , 地理信息系

18、統(tǒng)中的可視化過程主要包括圖形圖像的生成和空間信息的查詢。4.1圖形圖像的形成地理信息系統(tǒng)中的圖形圖像包括用于數(shù)據(jù)顯示的二維圖和三維圖，以及用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價(jià)的可視化表達(dá)的散點(diǎn)圖、直方圖和條形圖表等。其中二維圖和三維圖是把各種二維或三維的地理空間數(shù)據(jù)經(jīng)空間可視化模型的計(jì)算分析，轉(zhuǎn)換為二維計(jì)算機(jī)屏幕上的圖形圖像 .地理信息系統(tǒng)中可把某種地理對象的多種類型的圖形、圖像在視窗環(huán)境中同時(shí)建立，利用圖形圖像之間基于地理分析方法模式建立的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián) , 可以清楚地表達(dá)地理對象的展布模式及其不確定性，如在同一視圖中顯示地圖、圖表、圖形和掃描影像等，使它們彼此之間建立動(dòng)態(tài)聯(lián)系，通過圖形圖像的動(dòng)態(tài)連接(熱連接)

19、與空間數(shù)據(jù)查詢的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在對某一個(gè)圖形圖像中的對象選擇，同時(shí)使另一圖形圖像中相應(yīng)對象的對應(yīng)特征高亮顯示，從而為地物或現(xiàn)象的進(jìn)一步分析提供了條件1。4.2空間信息查詢空間信息的快速查詢是地理信息系統(tǒng)可視化功能的一個(gè)重要的應(yīng)用，是按一定的要求訪問地理信息系統(tǒng)中所描述的空間實(shí)體及其空間信息，挑選出滿足用戶要求的空間實(shí)體及其相應(yīng)的屬性。查詢交互進(jìn)行時(shí)，其結(jié)果能動(dòng)態(tài)地通過兩個(gè)視窗(圖形窗和屬性表格窗口)進(jìn)行顯示。 地理信息系統(tǒng)的空間查詢方式有：空間關(guān)系查詢、屬性特征查詢、基于空間關(guān)系和屬性特征查詢9。用戶可以根據(jù)圖形查詢相應(yīng)的屬性信息，也可以根據(jù)屬性特點(diǎn)查找相對應(yīng)的地理目標(biāo)。如通過查詢功能可以查詢

20、距離某個(gè)居民點(diǎn)5km 內(nèi)的所有商店和超市，也可以查詢某個(gè)商店或超市距居民點(diǎn)的距離。目前進(jìn)行空間信息查詢一般用空間查詢語言(spatial query language , 簡稱SQL)。SQL是一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化語言，其基本結(jié)構(gòu)是: SELECT-FORM-WHERE 組成的查詢塊。在SQL 語言中，指定要做什么，不需要告訴 SQL 如何訪問數(shù)據(jù)庫，只要告訴SQL需要數(shù)據(jù)庫做什么。利用SQL，可以確切指定想要檢索的記錄以及按什么順序檢索，用戶通過 SQL 語言提出一個(gè)查詢，數(shù)據(jù)庫返回與該查詢相匹配的記錄1。參考文獻(xiàn)1岳麗燕,胡文亮. 地理信息可視化研究J. 河北師范大學(xué)學(xué)報(bào),2003,(04):422-426.2苗蕾,李霖. 空間認(rèn)知與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合地理空間數(shù)據(jù)的可視化J. 測繪工程,2004,(02):47-49.3 楊自海,劉偉.地理信息可視化特點(diǎn)研究J.中國科技縱橫，2014,(19).4李紅旮,崔偉宏. 地理信息系統(tǒng)中時(shí)空多維數(shù)據(jù)可視