12.5. 空间信息可视化

可视化是—种将抽象数据转化为几何图形的计算方法,以便研究者能够观察其模拟和计算的过程和结果。可视化包括图像的理解和综合,其目的是解释输入计算机中的图像。它主要研究人和计算机怎样协调一致地接收、使用和交流视觉信息。

空间信息可视化是运用计算机图形学、地图学和图像处理技术,将空间信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据和结果,用符号、图形、图像,结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示,并进行交互处理的理论、方法和技术。空间信息可视化为人们提供了一种空间认知工具,在提高空间数据复杂过程分析的洞察效果、多维多时相数据和过程显示等方面,将有效地改善和增强空间地理环境信息的传播能力(宁津生,2004)。

空间信息可视化形式主要有地图、多媒体地学信息、三维仿真地图和虚拟环境等。

12.5.1. 地图可视化

地图有纸质地图、电子地图等形式。电子地图是空间数据最主要的一种可视化形式,通常显示在屏幕上。动态化电子地图可称为动态地图。动态的可视化,确实比静态图面更生动,用动态地图反映不同时刻的某一主题现象的变化,让读者自己形成动态的心像,认识发展的内在规律。可交互性是电子地图独有的特性,设计一个图文结合、便于检索的界面,是可视化技术的重要内容。对于地图,交互可以改变比例尺、视角、方向,使图形发生变化。

12.5.2. 多媒体地学信息可视化

多媒体地学信息是使用文本、表格、声音、图像、图形、动画、视频等各种形式逻辑地联结并集成为一个整体概念,综合、形象地表达空间信息。多媒体形式能够真实地表示空间信息某些特定方面,是全面地表示空间信息的重要形式。

12.5.3. 三维仿真地图可视化

三维仿真地图是基于三维仿真和计算机三维真实图形技术而产生的三维地图。三维仿真地图是表示地质体、矿山、海洋、大气等地学真三维数据的重要手段。

1.三维模型的可视化原理

几十年以来,随着计算机图形显示设备性能的提高,以及一些功能强大的开发软件(如OpenGL、Directx、OpenGvs等)的推出,使得在普通微机上进行高度真实感三维图形的显示成为现实。在计算机图形显示设备上生成一副高度真实三维图形,一般需要完成以下几步(朱文军,2005):

(1)场景描述(建模):根据被描述对象的几何特征,使用适当的数学模型对被描述对象进行严格的函数描述,从而把被描述对象变成计算机可以接受的事物。

(2)坐标变换和投影变换:坐标变换指对需要显示的对象进行平移、旋转、或缩放等数学变换。投影变换指选取投影变换的方式,如:透视投影或正射投影,对物体进行变换,完成从物方坐标到眼睛坐标的变换。

(3)消除隐藏面和隐藏线:在把描述对象显示在计算机屏幕上之前,首先判断该对象的可见面或可见线,对被遮盖的线或面不予显示,从而保证显示对象的正确性。

(4)明暗亮度处理:选取适当的光照模型,设置光源的位置对物体进行光照和渲染,计算物体的光照程度或阴影面,从而产生较强的立体感。

(5)颜色与纹理的生成:根据物体材质或自然常识对物体设置一定颜色或对其贴合一定的自然纹理,从而增强物体的真实感。

(6)绘制和显示:完成了以上各个步骤后,即可选取适当的显示范围,进行显示或打印输出。

2.三维空间体数据可视化

对于分布在三维空间的体数据来说,有两类不同的可视化算法(唐泽圣,1999)。

第一类算法首先由三维空间数据场构造出中间几何图元(如曲面、平面等),然后再由传统的计算机图形学技术实现画面绘制。最常见的中间几何图元就是平面片,当我们需要从传统的计算机图形学技术实现抽取出等值面时就属于这种情况。可以抽取出一个等值面,也可以抽取出多个等值面。由于这种方法只是将原始数据中的部分属性映射成平面或曲面,因而这种方法构造出的可视化图形不能反映整个原始数据场的全貌及细节。但是,这类算法可以产生较清晰的等值面图象,且使图象生成及变换的速度加快。所以,这是一类常用的可视化算法,例如,地学尤其是勘查地质学中,经常用到由点源数据形成连续变化的曲面来表达某种场的变化。

第二类算法与第一类算法完全不同,它并不构造中间几何图元,而是直接由三维数据场产生屏幕上的二维图象,称为体绘制算法。这是近年来得以迅速发展的一种三维数据场可视化方法。这种方法能产生三维数据场的整体图象,包括每一个细节,并具有图象质量高、便于并行处理等优点。其主要问题是,计算量很大,且难于利用传统的图形硬件实现绘制,因而计算时间长。

第一类算法又分基于三维空间规则数据场中的等值面绘制和基于三维空间非规则数据场(如四面体格网的数据场)中等值面绘制。

12.5.4. 虚拟环境

虚拟环境是利用虚拟现实技术在空间数据库支持下构建虚拟环境。虚拟现实是通过头盔式的三维立体显示器、数据手套、三维鼠标、数据衣、立体声耳机等,使人完全沉浸在计算机生成创造的—种特殊三维图形环境中,并且人可以操作控制三维图形环境,实现特殊的目的。与其他技术相比,虚拟现实技术在思想上有了质的飞跃,它将用户与计算机视为一个整体,通过各种直观的工具将信息可视化,用户直接置身于这种虚拟环境中去感受和驾驭三维信息空间信息。虚拟现实向人们提供一个与现实世界极为相似的虚拟世界。多感知性(视觉、听觉、触觉、运动等)、沉浸感、交互性、自主感是虚拟现实技术的四个重要特征(宁津生,2004)。

传统的地学分析图形中,三维地形立体图通常是用一组经投影变换的剖面线或网线构造的,图形简单,内容单一,缺乏实体感,实用价值受到限制。而三维地形模型的动态显示是区域地形等多种要素三维景观的综合体现,具有信息丰富、层次分明、真实感强的特点.我们可通过获取地形等高线及地表属性多边形等信息,采用适当的内插拟合方法,生成真实描述实际地表特征的数字高程模型,并用网格化、三角剖分等技术建立相应的描述区域地表类型的网格及不规则三角网(如Delaunay三角网),经透视投影变换后,显示曲面,采用恰当的消隐处理和光照模型进行显示,再现区域的三维地形形态,取得真实、鲜明、直观的图像效果。

经过投影变换后的图形因为失去了深度信息,往往导致图形的二义性。消隐的目的是在实际绘制时消除实际不可见的线和面,消除多义性,增强物体显示的真实性。消隐处理可分为消除隐藏线和消除隐藏面(识别可见面)两种,可见面的识别算法有基于物空间的深度排序算法和基于图像空间的深度缓冲、面积细分和扫描线算法。

还可以由对航测、遥感图像解析测量生成DEM或由实测离散数据网格化,完成网格立体图、立体阴影图等的生成,通过着色、光照、明暗、纹理、消隐等高级图像处理以及在3D地面模型上叠加影像数据(DOM)。建立3D地形表面,实现三维地形模型的动态显示,全方位、多视角地动态观察、飞行浏览。