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1、第2 199 6年期 12月地球信息 GEO 一1刊F FORMA T I C SNo.2 r地c.,199 6地学三维可视化龚建华(中科院地 理所资源与环境信息系统国家重点实验室)摘要本文论述地学三维可视化研究现状与未来的发展,认为地学三维数据模型,地学三维数据场,地学矢量场、标量场的三维可视化,三维图像表面空间分析,实时动态可视化技术是当前Gi s中可视化的研究重点和发展方向。本文介绍 了G IS地学三维可视化与分析 系统Geo一3DVisio n的主要功能。关健词三维可视化地学数据场三维数据模型1引言语言和地图是人类信息交流 的主要方式二。一般人对图形 图像的理解力是阅读文学的5万倍。计
2、算机图形软硬件技术的发展,为快速实时、高效的图形图像显示与处理提供了基础。1 987年,美 国国家科学基金 会的图形 图像专题讨论组,提交的报告中首次引用了“科学计算可视 化(Visu alizationinS cientifieComputing)”一词二2二。从而 开始了这一门新兴技术的发展,并成 为研究的热点。科学计算可视化就是要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。该技术在地理、地质、气象、环境等地学领域,则表现为对地学数据场的二维、三维,甚至多维的图形图像显示与分析。地理信息系统(GIS),开始产生时大都限于二维和2.5维的图形图像处理。随着
3、GI S技术的发展,矿山、地质、海洋等地学 领域的实践需求,三维Gl s,三维地学数据场的可视化正成为当前GI S的研究重点。2地学数据场地学现实世界具有复杂性、动 态性、模糊性、不确 定性等特征,描述表达地学现象和规律的数据场则表现为形式多样,时空尺度不一,结构复 杂,边界 不规 则,数据海 量。一般GI S把地学数据场分为零维(点),一 维(线),二维(面)和三维(体)。点、线、面的数据场表达、存储、检索、显示和分析技术已较为成熟,体数据的研 究方兴未艾。地学 数据场根据空 间上某点的地学现象属性的有方向和无方向性,可分为标量场 和矢量场。还有的属性是不能用标量和 矢量表达,要引进张量 的
4、概念,例如固体中的一 点由于内力.该研究得到国家自然科学基金资助.本文写作过程中,得到陈述彭先生.池天河研究员的指导,作者致以衷心 的感谢。第2期龚建华:地学三维可视化而产生的应力等。目前的可视化研究集中于地学标量场,而对地学矢量场则很 少给予关注和重视。但是随着科学计算可视化对流场的深入研究,时空G ls即四维GI S的发展,地学矢量场、标量场的可视化将成为研究的前沿。地学数据场的获取有许多方式,可以采用地面实地观测、遥感(R S)、GP s等对地图扫描或手扶采集等技术。一般采样的数据密度不够,需要插值加密。插值的方法,从数学上有局部函数内插,整体函数内插和逐点内插。局部函数内插有线性内擂,
5、双线性多项式内插,双三次多项式(样条函数)等;逐点内擂法有加权平均值法,移动拟合法和最小二乘配置法等。当采样数据较少时,一般采用局部函数内插和逐点内插。但是,对复杂的地学现象,例如矿 山、地质等体三维的数据内插时,单用数学方法是不够的,需要结合地学分析信息模型,地学专家经验和知识,多源地学信息等才能建立较为准确的、有一定密度的、符合地理实体及现象规律的地学数据场。GI S中,零维、一维、二维地学数据场的计算机存储管理数据模型,一般有结构层 次和面向对象二种方式。结构层次数据模型有矢量模型(ve ct or)、镶嵌模型(Tes s ena tio n)、混合模型(Hyb r记)和管理地学属性数据
6、的关系数据模型 s 。关系数据模型由于只面向“简单对象”,无法处理在结构和操作“语言”方面均具有嵌套层次关系的“复杂对象”,所以,面向对象数据模型 正受到重视并迅速发展。三维地学数据场的数据模型有基于栅格的体素Vo xel (V olumeelement)模型和基于矢量的等值面(15 0一su山ce)模型。体素模型一般用 八叉树(O ctr e e)表达,研究较为成熟;等值面模型一般用 随意四面体表达,实现有一定难度,而对三维矢量拓扑关系的研究则较少,还不成熟。3三维显示与分析地学数据准备后,可采用计算机图形学技术,通过三维空 间对二维空间的投影转换在二维平面(屏幕)上显示关于地学三维数据的空
7、 间形 态、关系和纹理等的图形 图像。投影的方式有很多,但最常用的是透视投影 和平行投 影。在投影中,为 了使立体图逼 真地反映视觉感,必须消除由于光路的阻挡而不可见的地物隐藏线和面。消除隐藏边和面的算法很 多。例如Z缓冲器算法,跨距扫描线算法,优先级表算法等。地学实体除了几何特性外,还有受光照时的光亮度、颜色特性。该特性可用Pho ng光照模型或光线跟踪模型 ( Ra yt ra cin g)计算和表达川 s 。经过消隐、光照明及阴影消除后,就能产生一定真实感的地学三维图形图像。目前,有人,引进分形技术扰动地面高程模型,或用于 产生 山体、云、水波纹、树、根系等自然景观,以增强真实感。地学三
8、维可视化的目标是为了观察和分析地学数据场的空 间关系,属性分布等.对此,地学三维量测和分析是关键。但这部分工作开展得还很少,仅是地学三维图像表面上作简单的高程、属性查询,剖面上的土方量的工程计算等等,而三维表面上空间规划、地学信息模型动态调整等功能,则非常弱。当前地理信息系统的三维显 示与分析侧重于面三维( 2.5维)地学数据场,而对体三维( 3维)地学数据场,由于地学实体的复杂性,三维数据(或信息)的缺乏,三维空 间拓扑关系及数据模型研究的不成熟,形成实用的三维显 示与分析系统很少。另外,关于地学 矢量场,标量场的三维显示与分析系统,还没有看到。地学数据场三维可视化的实地球信息19 9 6年
9、12月时动 态技术,也倍受重视。由于地学 数据的海量特性,及随时 间动态变 化的地学信息模型和 时 空四维 数据模型构建原理不足等原因,进展较慢。虚拟 现实(V irt ua lRe al ity)考虑 了现实 世界的复杂性和动态性,相信其数据矢量表示、实时 动态等技术.会 对GI S的发展有很大的推动。4地学三维显示与分析Ge o一3DV is io nGe o一3D Vi si on是针 对地 学 面三维和体 三 维 数据场所开发的只维显示与 分析系统。其 主要功 能:(1 )可选择不 同方位 角、高度、距离等视点观察物体(面状)。(2 )可设 置单个或多 个光源 的方位角和高度 角,产生
10、 光照影像图,也可 改变(暂时)像素分辨率,增强或 减弱 光照阴影效果。(3 )可把专题属性 图,如土地 利 用图、水 系图、交通 图、遥感影像图、高程 图等(矢量或格网)叠加于三维地形表 面上。( 4)在三维地形表面上 设置 剖面线(直线或折线),显示 二维剖面图,并在剖面线上设置参数,计算其剖面线上的填方量和挖方量。( 5)可选择单线、双网格线、影 像(黑白或彩色),在球面上显 示三维图。(6 )可通过分形实时 产生自己需要的云 彩。并对原 始地面 高程模型进行高程上的扰动,使三维地形表面显示更 加真 实。可以用分形 方法模拟地面 高程模型 及树、根 系等。(7 )设置不同 的路径和参数
11、来产生三维动画系列影像图.予以编 辑和演示。(幻 在三维 表 面上查询某一 点的 高程和 其 他地理 属性:同时可任选一封 闭区域.计算其表面 积和体积(给出上、下层面高程)。上述 系统功能.我们结合江西省萍乡市 可持续 发展的研究.青海昆特依盆地矿产资源调查,得到成功的运用。5结论当前的GI S一般把三维可视化作 为一个子 系统或子功 能,但现 实世界是三维的,所以.地学三维可视化研 究会促进三维GI S的发展。作者相信,未来 的三维GI S会包含现在GI S的二维主要功能;同时会 导致时空四维GI S的发展.并 会把三维GI S的主要功 能变成 了集。地 学三维可视化.可以帮助地 学专家加
12、深 对地学 数据场 的 观察、理 解和解释.增强地学 现象和规律的认识,促进地学 专家将数理抽象逻辑思维与图形图像形象思维的结合.产生新 的洞 察力和创造 力。地学三维可视 化的研究,已从侧重于可 视化 的计算机技术实现,如画线、填充、调色、投影变换、消隐、光照模型和人机交 互 界面等转 向地学信息模型,使地学 数据场与可视化技术的紧密结合。陈述 彭先 生提 出的地 学多维 图解信息模型。作者认为,地学三维 数据 模型、地学三维数 据场、地学矢量场、标量场 的三维可视化,三维图像表面空间分析,实 时动态可视化技术是当前GI S中可视 化的研究重点 和发展方 向。第2期龚建华:地学三维可视化参
13、考文献.Tayf o r,D.R.F.,1 994,C ar tographyforkn ow le dge,aet i onan ddev el opm en t:r etro .户戈tiv ean dpro,沈riv e,了hec ar t喀r aphieJou r nal,vol.51,5 2一55.唐卫清,李慎权等.科学计算可视化.软件世界.No.5,199 5,7 4一7 7.崔伟宏.区域可持续发展决策 支持研究区域可持续发展决策支持系统研究.宇航出版社.1 99 5,3一18美Fo le y.J ame sD.andAn dr i esVa nD am著,唐泽圣,周嘉玉等译.交互式
14、计算机图形学基础清华大学出版社.1987陈真,陈 伟编译.计算机 图形学.北京航天航空大学出版社.1987. 今一令. 一一今一一今一一一一令一令一一一 一一 一 、 。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。.。-。-。-。-令-。-。-。-。-。-。-。-t。-。-。-。-t。-。-。-。-今-。/洪涝监测与灾情评估运用遥感技术和地理信息系统完成了对江西都阳湖地区、湖南洞庭湖地区洪涝灾害的遥感监测和灾情评估,绘制出详细 反映受灾面积、居 民地个数、人口、耕地等受灾情况 的卫星影像图,为指挥抢险和抗洪救灾提供了翔实准确的参考资料。在1:1 0万比例尺合成孔径雷达图像提取洪
15、水淹没范围线,并扫描输入计算机,然后对灾区洪水发生之前的1:1 0万TM图像数据进行纠正和土地利用的 自动分类,最后在地理信息系统软件A RC/ IN FO支持下,把从雷达图像上获取的淹没线,灾区的境界和经过纠正、分类的TM 图像进行叠 加分析,获得灾区的洪水淹没范围,统计出各类土地利用的类型淹没面积。1 9 95年,从6月1 7日遥感飞机飞往南昌至6月3 0日共飞行6个架次,覆 盖了都阳湖区、拓林水库及赣江部分地区,总计飞行面积约2.5万平方公 里。成功地获取了六 月下旬 江西洪水灾况,借助机一地传输系统及现场 图像处理系统,两个小时内即将洪水图像传送到 江西省防汛指挥部,根据防汛要求,提供了部分灾区淹没图像,雷达图像送回北京后,经图像处理、解译分析,量算了淹没范围及面积,向江西省提供了雷达图像及相应专题图件,为抗灾发挥了应有作用。1.从宏观、直观上对指挥抗洪救灾工作发挥了指导作用;2.对评估灾情损失、指挥抗灾救灾、恢复生产发挥了很大作用;3.在抗洪救灾中,进行了开创性工作,意义重大。江西省领导希望该系统与水情结合起来,在汛期系统地、连续地对洪水灾害进行监测,为抗洪救灾全面服务。(陈子南)、令.令 一一一令 一一一
