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1、地理信息系统的可视化与地理信息系统的可视化与虚拟现实虚拟现实一、基本概念一、基本概念1 1、可视化：、可视化： 可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程是一种转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而是一种转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们。递和接收它们。2 2、科学计算可视化、科学计算可视化 是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生
2、的是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。方法和技术。3 3、空间信息的可视化、空间信息的可视化 是是指指运运用用地地图图学学、计计算算机机图图形形学学和和图图像像处处理理技技术术，将将地地学学信信息息输输入入、处处理理、查查询询、分分析析以以及及预预测测的的数数据据及及结结果果采采用用图图形形符符号号、图图形形、图图像像，并并结结合合图图表表、文文字字、表表格格、视视频频等等可可视视化化形形式式显显示示，并并进进行行交交互互处处理理的的理论
3、、方法和技术。理论、方法和技术。 空间数据库空间数据库处理处理二、空间信息可视化的形式二、空间信息可视化的形式1 1、地图：、地图： 硬拷贝：纸质或其它介质地图；硬拷贝：纸质或其它介质地图； 软拷贝：屏幕上的电子地图。软拷贝：屏幕上的电子地图。2、多媒体地学信息、多媒体地学信息 综综合合、形形象象地地表表现现空空间间信信息息所所使使用用的的文文本本、表表格格、声声音音、图图像像、图图形形、动动画画、音音频频、视视频频各各种种形形式式逻逻辑辑地地联联接接并并集集成成为为一一个个整整体体概概念念，是是空间信息可视化的重要形式。空间信息可视化的重要形式。3、三维仿真地图、三维仿真地图4、虚拟现实、虚
4、拟现实 它它是是由由计计算算机机和和其其它它设设备备如如头头盔盔、数数据据手手套套等等组组成成的的高高级级人人机机交交互互系系统统，以以视视觉觉为为主主，也也结结合合听听、触触、嗅嗅甚甚至至味味觉觉来来感感知知的的环环境境，使使人人们们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。 三、空间数据可视化的过程三、空间数据可视化的过程 预预处处理理从从符符号号库库读读取符号信息取符号信息 符号化符号化 从从字字符符库库读读取取汉汉字字及及字字符符信信息息 地图输出地图输出 色彩库色彩库色彩信息色彩信息 从从GISGIS数据库数据库中检索出的中检索出的要
5、素、要素、特征特征及及定位信息定位信息 四、电子地图四、电子地图1 1、概念：、概念：1 1）电子地图）电子地图 是是以以地地图图数数据据库库为为基基础础，以以数数字字形形式式存存储储于于计计算算机机外外存存储储器器上上，并并能能在屏幕上实时显示的可视地图，又称在屏幕上实时显示的可视地图，又称“屏幕地图屏幕地图”、“瞬时地图瞬时地图”。2 2）电子地图集）电子地图集 是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，互相加强。图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，
6、互相加强。2 2、电子地图与、电子地图与GISGIS的区别：的区别： 电电子子地地图图包包含含了了GISGIS的的主主要要功功能能，但但不不是是全全部部功功能能。侧侧重重于于可可见见实实体体的的显显示示，其其中中较较完完善善的的空空间间信信息息可可视视化化功功能能和和地地图图量量算算功功能能是是一一般般GISGIS所所欠欠缺缺的的。但但是是相相对对而而言言, , 一一些些电电子子地地图图( (集集) ) 难难予予使使其其可可视视子子空空间间均均具具有有统统一一的的空间数学基础空间数学基础, , 因而空间分析相对因而空间分析相对GISGIS薄弱，这也是两者的分水岭。薄弱，这也是两者的分水岭。 电
7、子地图（集）是一种新型的、内容广泛的电子地图（集）是一种新型的、内容广泛的GISGIS产品，而电子地图（集）产品，而电子地图（集）系统则是一些内容广泛、功能各异的新型系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GISGIS系统。系统。五、动态地图五、动态地图1 1、概念：、概念： 动态地图是能集中、形象地表示空间信息的动态地图是能集中、形象地表示空间信息的时空变化状态和过程的电子地图。它的产生和发展是时空变化状态和过程的电子地图。它的产生和发展是时空时空GISGIS的发展的必要基础和前提。的发展的必要基础和前提。2 2、特征和作用：、特征和作用： 可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。可
8、以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。3 3、表示方法、表示方法1 1）利用传统的地图符号和颜色等表示方法，如运动线表示气流、行军等路线。）利用传统的地图符号和颜色等表示方法，如运动线表示气流、行军等路线。2 2）采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示）采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示 用用闪闪烁烁、跳跳跃跃、色色度度、亮亮度度变变化化等等手手段段反反映映运运动动中中物物的的矢矢量量、数数量量、空空间间和和时时间变化特征。间变化特征。3 3）采采用用连连续续快快照照方方法法作作多多幅幅或或一一组组地地图图。这这是是采采用用一一系系列列状状态态对对应应的的地地图图来来表表现现时
9、时空空变化的状态。变化的状态。4 4）地图动画）地图动画六、虚拟现实技术六、虚拟现实技术1 1、概念：、概念： 虚虚拟拟现现实实（Virtual Virtual RealityReality）是是一一种种最最有有效效地地模模拟拟人人在在自自然然环环境境中中视视、听听、动动等等行行为为的的高高级级人人机机交交互互技技术术，是是当当代代信信息息技技术术高高速速发发展和集成的产物。展和集成的产物。 本本质质上上，虚虚拟拟现现实实就就是是一一种种先先进进的的计计算算机机用用户户接接口口或或人人机机交交互互界界面面，是是物物理理现现实实的的仿仿真真。通通过过计计算算机机建建立立一一种种仿仿真真数数字字环
10、环境境，将将数数据据转转换换成成图图像像、声声音音和和触触摸摸感感受受，利利用用多多种种传传感感设设备备使使用用户户“投投入入”到到该该环环境境中中，用用户户可可以以如如同同在在真真实实世世界界那那样样“处处理理”计计算算机机系系统统所所产产生生的虚拟物体。的虚拟物体。 虚虚拟拟现现实实技技术术：又又称称灵灵镜镜技技术术。是是指指通通过过数数字字头头盔盔、数数据据手手套套、数数字字外外衣衣，以以及及三三维维立立体体显显示示器器、三三维维鼠鼠标标、立立体体声声耳耳机机等等使使人人能能完完全全沉沉浸浸计计算算机机生生成成创创造造的的一一种种特特殊殊三三维维图图形形环环境境，并并且且人人可可以以操操
11、作三维图形环境，实现特殊的目的。作三维图形环境，实现特殊的目的。 虚虚拟拟现现实实技技术术是是计计算算机机硬硬件件、软软件件、传传感感、人人工工智智能能、心心理理学学及及地地理理科科学学发发展展的的结结晶晶。它它是是通通过过计计算算机机生生成成一一个个逼逼真真的的环环境境世世界，人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。界，人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。 它它的的出出现现彻彻底底改改变变了了用用户户和和系系统统的的交交互互方方式式，创创造造了了一一种种完完全全的的、令令人人信信服服的的幻幻想想式式环环境境，人人们们不不但但可可以以进进入入计计算算机机所所产产生生的的虚虚拟拟世世界界，而
12、而且且可可以以通通过过视视觉觉、听听觉觉、触触觉，甚至嗅觉和味觉多维地与该世界沟通。觉，甚至嗅觉和味觉多维地与该世界沟通。 这这是是一一种种具具有有巨巨大大意意义义和和潜潜力力的的技技术术，正在迅速的发展之中。正在迅速的发展之中。2、VR硬件：硬件： VR的硬件目前并不定形，主要有以下几种(1)(1)图像生成器图像生成器： 它的作用是快速进行图形运算；(2)(2)操纵和控制设备：操纵和控制设备：实现位置跟踪和控制的鼠标器，跟踪球和游戏杆；数据手套，其手指部分装有传感器；数据紧身衣；最新的操纵是通过眼睛和思维操纵，这是通过测定神经系统 的微小电流来操作的；(3)(3)位置跟踪装置：位置跟踪装置：
13、机械盔甲：提供快速准确的跟踪；超声波传感器；光学位置跟踪器；惯性跟踪器；(4)(4)立体视见装置立体视见装置：采用偏光眼镜或屏幕分割或立体镜产生图像的左右视差等手段来产生立体。 (5)头盔：产生立体图像或二维地图。头盔：产生立体图像或二维地图。 3、VR的硬件级别的硬件级别 1）初级VR是以PC机或低档工作站为硬件基础；2）基本VR是在初级VR上，增加立体观察器，3D或6D鼠标或游戏杆和数据手套等；3）高级3D是在上述基础上增加图像加速器，帧缓存等，对于PC机则是必须增加3D加速卡和3D音卡；4）沉浸式VR，其中必须增加沉浸显示装置，如多个大型投影式显示器，还可以增加触觉、力感和接触反馈等交互
14、设备。5）驾驶舱仿真器：这是一个封闭式的虚拟环境，设备个人化并较为昂贵；6DIVE（Distributed Interactive Virtual Environment）分布式交互虚拟环境，这是一个Internet上开发基于多个网络用户的虚拟环境、其用户界面及地域广阔，用户众多，分布式交互，共享性高；基于其享式或3D综合环境等应用系统上的实验平台，这完全称得上是一个小型的世界；7SIMNET和作战仿真互联网（Defense Simulation Internet）是目前世界上最大的VR项目，目的是使不同的仿真器可在网络上互联，用于部队的联合训练和演习，即位于德国的坦克仿真器可与位于美国的坦克
15、仿真器一起联合进行军事演习。 上述7种VR，硬件部分一级比一级复杂、投入也高得多。4 4、软件系统、软件系统 共分两类：一类是工具包，即程序库，往往需要程序员根据具体需要来进行编程；另一类是创作工具，后者不需要复杂的编程，有较多不同层次的商品软件: 1 1免费免费VRVR：这些是VR系列的入门级产品，代表产品为Rend386、Maltiverse。一般可从国际互联网上免费下载。 2 2低价低价VRVR程序：程序：代表产品为Dimension International 的Virtual Reality Stud10（VRS）。 3 3中档中档VRVR软件包软件包：它们一般可称是优秀的专业软件包
16、，而且仅要求计算机作为基本硬件，这类代表产品有Vitus 的Virtus Walkthrough, Quick Time Vr以及Sense 8的World Tollkit For Windows。 4 4高价高价VRVR软件：软件：是高档的精彩的VR产品，需要多种硬件支持。代表产品有Straylight公司的MotoVB, Dimension, International 的Superscape VRTB等。5 5、VRVR的分类的分类 VR的类型是根据它的交互性质来分的，也即是根据它能实现人的视感、听感、触感、嗅感和传感器的程度和质量来区分。根据目前所见资料，可分下列几种：1 1世界之窗（
17、世界之窗（WOW: Window on World SystemWOW: Window on World System） 它仅用显示器和音卡来显示虚拟世界，它的衡量标准是“看起来真实，听着真实，物体的行为真实”；2 2视频映射视频映射 它在上述WOW基础上把用户的轮廓剪影作为视频输入与屏幕二维图形合成，屏幕上显示用户身体和虚拟世界的交互过程；3 3沉浸式系统沉浸式系统 完全的VR系统把用户的视点和其它感觉，完全沉浸到虚拟世界中，它可以是头盔加其它交互硬件，也可以是多个大型投影仪产生的一个洞穴； 4 4遥视、遥作遥视、遥作 遥视把用户的感觉和真实世界中的远程传感器、遥测仪连接起来，并用机器人，机
18、器手进行远程操作。实际上，阿波曼登月计划和网络会诊，网络手术已显现了这方面的实际进展；5 5混合现实混合现实 遥现和虚拟现实的结合产生了混合现实和无缝仿真，例如脑外科手术时，脑外科医生看到的是由真实场景，预先得到的扫描图像和实时超声图像组合而成的场景；领航员则在它的头盔或显示屏上既看到电子地图和数据，又看到真实景象。v6 6、VRVR的意义的意义 世世界界是是不不能能试试验验的的，大大的的环环境境工工程程也也不不能能试试验验。甚甚至至小小到到一一个个雕雕塑塑、一一个个零零件件，进进而而一一栋栋房房屋屋，一一项项工工程程，大大而而言言之之一一场场战战争争，其其实实际际运运作作需需要要很很多多时时
19、间间和和经经费费，而而且且大大型型的的过过程程无无法法重重新新进进行行，现现在在可可能能以以在在虚虚拟拟现现实实中中进进行行模模拟拟和和实实验验，找找出出最最佳佳方方案案。VRVR技技术术使使用用前前景景是是无无可可估估量量的的，其其意意 义义 是是 极极 其其 巨巨 大大 的的 ， 它它 是是 影影 响响 整整 个个 未未 来来 的的 信信 息息 技技 术术 。 要要制制造造好好一一个个虚虚拟拟现现实实，就就必必须须加加深深理理解解我我们们的的现现实实世世界界，尤尤其其是是地地学环境，这是不可缺的。学环境，这是不可缺的。 地地学学科科学学是是对对地地学学环环境境的的描描写写，对对浩浩瀚瀚信信
20、息息的的综综合合概概括括，层层次次化化图图形形符符号号的的模模型型化化表表达达是是正正在在迅迅速速发发展展中中VRVR的的基基石石和和向向导导。相相对对而而言言VRVR技技术术的发展，对地理信息的可视化将提出更高、更复杂的要求。的发展，对地理信息的可视化将提出更高、更复杂的要求。7 7、VRVR技术的应用技术的应用 VR技术最先进的应用领域就是军事国防。飞行模拟飞行模拟： 飞行员的飞行训练是一件十分昂贵、危险和困难的事，由于飞行费用昂贵，飞行均在高速中进行，天空中对飞行员的保护又很有限，对飞机的保护几近于零。一个细小的疏忽，就会造成机毁人亡的严重事故。 因此，世界上VR的应用均首先从飞行模拟开
21、始。飞行员载上头盔，坐在VR装备的飞行座仓内，由VR制作的飞行气氛和电子地图及飞行仪表的显示，以及驾驶员进行操作，机械和仪表的相应运作及反馈，使飞行员在虚拟的飞行状态中进行各种训练。大大提高了飞行员训练密度、强度和质量以及降低了训练的费用。 战斗模拟：战斗模拟： VR应用不仅用于飞机，而且还用于船舰、坦克通讯及步兵演习。随着网络VR技术的出现，美军得以在被其称为“防御模拟互联网”的全球范围内实施Simnet坦克战斗计划。最先广泛应用的场合是海湾战争，Simnet几乎可以使每场战斗或战役之前在VR中进行模拟训练。海湾战场已变成大规模的电子沙盘实景，用于其中的地形环境仿真。 实际上，今后的VR技术
22、在利用电子地图技术制作大型电子沙盘实景，给出战斗、战役的地形地貌环境，使每场战斗之前能够进行模拟实习，将大大提高战争艺术，减少伤亡，争取胜利是十分有利的。8 8、实现技术、实现技术 可可以以通通过过GISGIS软软件件支支持持的的DEMDEM功功能能、3DMAX3DMAX，AutoCADAutoCAD中中的的三三维维实实体体建建模模，以以及及VRMLVRML，OPENGLOPENGL或或Direct Direct X X，Java3DJava3D或或Flash,ViewPointFlash,ViewPoint等等实现或辅助实现虚拟现实。实现或辅助实现虚拟现实。1 1）VRMLVRML简介：简介
23、： VRML VRML作为一种开放的、可扩展的、工业标准的虚拟景象描绘语作为一种开放的、可扩展的、工业标准的虚拟景象描绘语言，已广泛用于在言，已广泛用于在InternetInternet中描述中描述3D3D景象或世界。景象或世界。VRMLVRML和和HTMLHTML是紧密是紧密相连的，是相连的，是HTMLHTML在在3D3D领域模拟和扩展。由于领域模拟和扩展。由于VRMLVRML在在InternetInternet具有良好具有良好模拟性的和交互性，显示出强大的生命力。模拟性的和交互性，显示出强大的生命力。2 2）具体具体实现实现-实例实例 3 3）应用）应用 VRMLVRML作为实现作为实现VRVR的语言标准，与的语言标准，与GISGIS、DEMDEM、DTMDTM技术相结合，将在旅游技术相结合，将在旅游娱乐、商业营销、房地开发、工程设计、数字地球、虚拟地理环境、军事等众娱乐、商业营销、房地开发、工程设计、数字地球、虚拟地理环境、军事等众多领域发挥巨大的作用。目前，它的最大问题是缺乏好的多领域发挥巨大的作用。目前，它的最大问题是缺乏好的VRMLVRML语言编辑器。语言编辑器。*.wrl*.wrlVRMLVRML浏览器插件浏览器插件如如Cosmo PlayerCosmo Player虚拟现实虚拟现实网络环境网络环境
