基本概念¶

可视化(Visualization)是指在人脑中形成对某物（某人）的图像，是一个心理处理过程，促使对事物的观察力及建立概念等。科学计算可视化是通过研制计算机工具、技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可进行数据探索和分析。把地学数据转换成可视的图形这一工作对地学专家而言并不新鲜。测绘学家的地形图测绘编制，地理学家、地质学家使用的图解，地图学家专题、综合制图等，都是用图形(地图)来表达对地理世界现象与规律的认识和理解。科学计算可视化与上述经典常规工作的最大区别是科学计算可视化是基于计算机开发的工具、技术和系统，而过去地学中的可视表达和分析是手工或机助的(计算机辅助制图)，并把纸质材料作为地图信息存储传输的媒介。

科学计算可视化，自从80年代末提出以后，得到了迅速的发展并成为一个新兴的学科，其理论和技术对地学信息可视表达、分析的研究与实践产生了很大的影响。国际地图学会(ICA)在1995年成立了一个新的可视化委员会，并在1996年6月与计算机器图形协会(ACM SIGGRAPH)合作，开始一个名为“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更有效地应用在地图学与空间数据分析方面，促进科学计算可视化与地图可视化的连接和交流。地学专家对可视化在地学中的地位和作用，已进行了比较深入的讨论，从不同的角度提出了与可视化密切相关的地图可视化、地理可视化、GIS可视化、探析地图学(Exploratory Cartography)、地学多维图解、虚拟地理环境等概念，但有不同的理解，对其相互关系的认识也不明确。

地理信息系统的多维可视化是指采用2.5维、三维和四维等地图表现形式来反映地理客体的多维特征，其中2.5维形式是图面上有隐藏部位的鸟瞰式地图表现形式，又称“假三维”，例如表示矿床的面层，可用显示为同分异状的等值线或不规则三角网中的小块平面来表示，而面上的高程值都不是一个独立的变量，在任一给定的位置仅能用一个高程值表示一个面。三维形式则是真正的三维立体显示，三维技术可分为基于面表示和基于体表示，其中面表示可容易地为地层及其构造提供精确的空间描述，特别是构造复杂的地带或岩石断层处，然而这些面仅将地表面以下部分分成许多区域，各区域内的不同地质条件不容易描述；体表示将整体细分成大量的体元（Voxels），体元及其变异的一个主要的优点是易于表示异质特征的整个三维分布状况。四维是除了三维立体以外，再增加一维属性值（一般是时间维），GIS的时间查询能力目前还不常见，但是地理学家可能想对某一时刻的所有地理条件或某一时间段内的平均地理条件进行评价，这时，就需要获得不同时刻的数值。为了充分满足这种需要，时间数据获取能力应该与三维模型相结合，如分析并预报水灾、地震、暴风雨及滑坡等。

地理信息的多维可视化在地球科学中具有重要意义，它对于动态地、形象地、多视角地、全方位地、多层面地描述客观现实，对于虚拟化研究、再现和预测地学现象，都有突出的方法论意义。例如，在地质科学中用真三维反映地下矿体、矿脉（如含油体、含水体、金属矿脉等），能够帮助人们发现用常规手段难以发现的地质现象和矿藏；在大气科学中用四维（真三维加时间维）形式表示气旋、龙卷风、降水云系的发生、发展和演化过程；在地理学中用四维方式模拟整个河床内洪水的流动、涨落、对河堤的侵蚀，以及决堤后封决口时的水下状况，等等，都具有十分重要的科学价值和明显的实用意义。

地学可视化的类型¶

地学可视化包括地图可视化、地理信息系统(GIS)可视化及其在专业应用领域的可视化。地图可视化与GIS可视化是地学可视化理论和技术的两个基础部分。地学多维图解是从非可视化角度提出的，关于图的地学知识表达、获取以及图的地学问题解的求证原理和方法，是地学可视化的高一级发展阶段。地图可视化中的信息表达交流模型和地理视觉认知决策模型的研究，将从理论上促进地学多维图解模型的进一步发展。基于虚拟现实技术和计算机网络技术的虚拟地理环境是地学可视化、地学多维图解理论和技术发展的最后集成系统。

地学可视化是科学计算可视化与地球科学结合而形成的概念，是关于地学数据的视觉表达与分析，下面探讨该领域中的三个概念：地图可视化、地理可视化和GIS的可视化，及其相互关系。

地图可视化¶

可视化对现代地图学的发展有着极其重要的作用，虽然对其理解还有着一定的分歧。Taylor强调了计算机技术基础支持下的地图可视化，并认为可视化包括交流与认知分析。MacEachren则强调交流与可视化在地图学中的应用，而不是地图的技术制作，并把可视化与交流作为并列的两个要素。

在可视化的过程中，信息交流传输以及认知分析的界限并不需要很清楚地划分。事实上，它们一直融合在一起，并具有共同作用的特点。由于可视化的两个特点，即交流与认知分析，从而对现代地图学的理论和方法产生影响。图11-21表示了地图可视化的概念框架。

图11-21：地图可视化的概念框架

由于可视化具有交流与认知分析的两个特点，从而使信息表达交流模型与地理视觉认知决策模型构成了地图可视化的理论，而这两个模型将应用于计算机技术支持的虚拟地图、动态地图、交互交融地图以及超地图的制作和应用等。

虚拟地图指计算机屏幕上产生的地图，或者利用双眼观看有一定重叠度的二幅相关地图，从而在人脑中构建的三维立体图像。虚拟地图具有暂时性，实物地图具有静态永久性。虚拟地图和人的心智图像相互联系与作用的原理和过程，同传统的实物地图是不一样的，需要建立新的理论和方法。

动态地图是由于地学数据存贮于计算机内存，可以动态地显示关于地学数据的不同角度的观察，不同方法(如不同颜色、符号等)的表达结果，或者地学现象随时间演变的过程等等。由于地图的动态性，地学现象的表达在时间维上展开。所以，传统的关于纸质静态地图的符号制作、符号注记等制作理论和方法在动态时不再完全适合。另外，人又是如何认知分析动态的信息流等需要进一步的探讨和深入研究。

交互交融地图是指人与地图可进行相互作用和信息交流。交互地图是人可以通过一定的途径，例如选择观察数据的角度、修改显示参数等来改变地图的显示行为。在这个过程中，屏幕地图(或双眼视觉立体地图)即虚拟地图，与应用人员人脑中相关地学知识以及直觉等形成的心智图像一直处于相互作用、相互比较、相互修改完善的信息联系和反馈状态。交融地图，是人与地图的融合程度，也就是人在虚拟地图中的投入感和沉浸感(Immersion)。地图的交互和交融性的区别可以举这样的一个例子。如你到图书馆借书，交互性表示你借书要通过图书馆的服务员，首先填写条子，然后服务员去找书，最后再给你。而交融性是你可以直接进入书库进行搜寻，并发现你要借的书。虚拟现实技术是交互交融地图的发展基础。

超地图(Hyper-maps)是基于万维网(WWW)的与地学相关的多媒体，可以让用户通过主题和空间进行多媒体数据的导航，这与超文本的概念相对应。超地图提出了万维网上如何组织空间数据并与其它超数据(如文本、图像、声音、动画等)相联系的问题。超地图对于地图的广泛传输与使用，即对公众生活、社会决策、科学研究等产生巨大的作用，具有重要的意义。

地理可视化¶

地理可视化是地学可视化中另一个被使用的概念。MacEachren开始时采用地图可视化，但他认为地理可视化要大于地图可视化的研究范围，如遥感图像、图表、摄影影像等中的可视化在地图可视化中并不作为重点研究的对象。所以，目前他倾向于采用地理可视化，认为它包含了所有空间显示工具，而这些所有空间显示的集合就是现代地图学中所指的可视化。

Didase[1990]针对科学可视化、数据探索分析以及地理科学的应用，提出了地理可视化的作用框架，强调了地理研究过程中地图的作用，它包括数据探索，假设形成并确证，综合合成，到最后的结果表达与呈现(图11-22)。

图11-22：可视化作为地理研究工具的框架描述[Didase]

Didase认为，可视化在研究过程的早期侧重于个人特征的视觉思维，后期侧重于研究结果的公众交流与传输，而这个特征会重新建立地图学和地理学的联系，因为在过去的二三十年中，地图学家把大部分的精力放在视觉交流传输，而地理学家(地理制图学家)在20世纪的前50年则把研究放在视觉思维与视觉分析上。

地图学与地理学作为两门经典学科，其研究对象均为区域地理系统，但前者侧重于地理空间信息的地图表达与应用，后者则把地图作为一种重要的研究工具来解决地理问题，而可视化具有的视觉交流传输和视觉分析特征，则可作为桥梁把地图学与地理学紧密地联结在一起。所以，虽然地理可视化可认为来自于可视化与地理学的结合，地图可视化来自于可视化与地图学的结合，但是由于可视化具有连结和融合地理学和地图学的特点，自然地，地图可视化与地理可视化是属于同一本质的两个概念，只是常规学科领域的划分以及研究团体的不同，导致在研究内容及范围的认识上有所侧重。所以MacEachren采用地理可视化，而不倾向于地图可视化的原因，仍然是从地理学与地图学领域的经典研究特征出发，而不是着眼于可视化的新技术特征，从而反映出学科领域划分对问题认识所带来的深刻影响。

GIS可视化

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20世纪60年代发展起来的基于计算机的地理信息系统开始形成时，就利用计算机图形软硬件技术，把地理空间数据的图形显示与分析作为基本的不可缺少的功能，GIS可视化要早于科学计算可视化的提出。GIS可视化早期受限于计算机二维图形软硬件显示技术的发展，大量的研究放在图形显示的算法上，如画线、颜色设计、选择符号填充、图形打印等。继二维可视化研究后，进一步发展为对地学等值面(如数字高程模型)的三维图形显示技术的研究，它是通过三维到二维的坐标转换、隐藏线、面消除、阴影处理、光照模型等技术，把三维空间数据投影显示在二维屏幕上。由于对地学数据场的表达是二维的，而不是真三维实体空间关系的描述，因此属于2.5维可视化。但现实世界是真三维空间的，二维GIS无法表达诸如地质体、矿山、海洋、大气等地学真三维数据场，所以，从80年代末以来，真三维GIS及其体可视化成为GIS的研究热点。随着全球变化，区域可持续发展，环境科学等的发展，时间维越来越被重视。而计算机科学的发展，如处理速度加快，处理与存贮数据的容量加大，数据库理论的发展等使得动态地处理具有复杂空间关系的大数据量成为可能，从而使得时态GIS、时空数据模型、图形实时动态显示与反馈等的研究方兴未艾。所以，从GIS及其可视化的发展看，GIS可视化着重于技术层次上，例如数据模型(空间数据模型，时空数据模型)的设计，二维、三维图形的显示，实时动态处理等，目标是用图形呈现地学处理和分析的结果。

虚拟地理环境¶

地学可视化的数据探索和地学多维图解的实现需要高效的人与地学数据、地学问题形成的图形场景的相互信息交流，也就是计算机系统能提供某种信息交流与反馈机制，可以让地学专家充分发挥其图形图像思维能力和想象力，可以让地学专家设想某种假设，并立即得到该假设导致的结果。虚拟现实技术可让人完全沉浸于某种计算机三维场景中，让地学专家把注意力集中于地学问题上，而其充分高效的多感觉交互能力为地学的数据探索和地学多维图解的技术实现，提供了可能。

虚拟现实(Virtual Reality)又称灵境技术，是指通过头盔式的三维立体显示器、数据手套、三维鼠标、数据衣(Data Suit)、立体声耳机等使人能完全沉浸计算机生成创造的一种特殊三维图形环境，并且人可以操作控制三维图形环境，实现特殊的目的。多感知性(视觉、听觉、触觉、运动等)，沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)，自主感(Autonomy)是虚拟现实技术的四个重要特征，其中自主感是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度，如物体从桌面落到地面等。

虚拟现实技术、计算机网络技术与地学相结合，可产生虚拟地理环境VGE (Virtual Geographical Environment)。虚拟地理环境是基于地学分析模型、地学工程等的虚拟现实，它是地学工作者根据观测实验、理论假设等建立起来的表达和描述地理系统的空间分布以及过程现象的虚拟信息地理世界，一个关于地理系统的虚拟实验室，它允许地学工作者按照个人的知识、假设和意愿去设计修改地学空间关系模型、地学分析模型、地学工程模型等，并直接观测交互后的结果，通过多次的循环反馈，最后获取地学规律。

虚拟地理环境特点之一是地学工作者可以进入地学数据中，有身临其境之感；另一特点是具有网络性，从而为处于不同地理位置的地学专家开展同时性的合作研究、交流与讨论提供了可能。

虚拟地理环境与地学可视化有着紧密的关系。虚拟地理环境中关于从复杂地学数据、地学模型等映射成三维图形环境的理论和技术，需要地学可视化的支持；而地学可视化的交流传输与认知分析在具有沉浸投入感的虚拟地理环境中，则更易于实现。地学可视化将集成于虚拟地理环境中。

虚拟地理环境的发展与完善，除了依赖于计算机的虚拟现实技术外，还与地学信息获取处理技术(如遥感、遥测等)，地学分析模型构建水平，地学可视化，地学专家系统，地学空间认知理论等的发展密切相关。虚拟地理环境对地学发展有重要的意义。虚拟地理学的提出就表达了虚拟地理环境对地理学未来发展的作用和影响。另外，一般认为地理科学发展缓慢的一个原因是无法进行室内试验，从而使地学假设理论无法得到实践的检验。虚拟地理环境为地学工作者提供了可重复的信息模拟实验的可能，任何一个地学分析模型均可以由其他人在虚拟地理环境中运行模拟，受到检验，从而加速地学理论的成熟和发展。

地学可视化研究框架¶

可视化来源于科学计算可视化，带有浓厚的计算机技术特征。可视化与传统的地图学相互作用并融合，从而扩展了可视化本身的内涵。地学可视化除了技术特征外，还应建立起其理论范式。图11-22描述了地学可视化的框架，以及地图可视化、地理可视化、GIS可视化、地学多维图解、虚拟地理环境等在框架中的位置，和它们之间的相互关系。以计算机科学为基础的地学可视化与科学可视化学科有较大程度的叠合与交叉，但并不能互相替代，两者之间的相互联系、相互交流会促进两学科的共同发展。

地学可视化包括地图可视化、地理信息系统(GIS)可视化及其它们在专业应用领域的可视化如海洋可视化、大气可视化、地质可视化、社会经济可视化等。地学可视化可从地图可视化和GIS可视化两方面进行理论和技术的研究。地图可视化的研究包括信息表达交流模型和地理视觉认知决策模型的构建，以及在上述模型指导下的虚拟地图、动态地图、交互交融地图、超地图的设计、制作和应用。GIS可视化的研究包括地学体三维、时空多维数据内插加密，可视化数据模型设计，三维、多维数据显示与分析，矢量、张量和不确定数据显示与分析，人文、经济数据可视化，实时动态交互处理，并行技术，基于网络和万维网的地学可视化，多用户合作可视化等。

图11-23： 关于地学可视化研究框架

地学多维图解是从非可视化角度，提出的关于图的地学知识表达、获取及其图的地学问题解求证的理论方法模式，它与地学可视化有着密切的联系，是地学可视化研究的高一级发展阶段。基于计算机的地学多维图解以地学可视化为基础，结合地学专家知识库、推理机，高效的人机交互方式等来帮助地学专家获取对某一问题的科学认识。地学多维图解的研究涉及地学图形思维，地理空间认知，图解规则获取，地学知识表达及推理，与地学可视化技术和系统的融合等。

如果把地学可视化、地学多维图解中的高效人机交互方式发展为虚拟现实技术中的融入沉浸方式以及多感觉交互方式，再加上网络连接技术等，那么就产生虚拟地理环境（VGE，Virtual Geographic Environment）。VGE是地学可视化、地学多维图解等发展的最后集成系统，作为一个基于计算机的地学虚拟实验室，它对地学的发展有着非常重要的意义。虚拟地理环境的研究内容包括GIS数据模型，三维、时空多维大数据量的实时动态交互，网络虚拟现实构模语言（VRML）及其他网络开发工具如Java，ActiveX等的运用等等，它们也是数字地球技术的基础。