地理信息可視化新技術(shù)綜述與分析

1、地理信息可視化新技術(shù)綜述與分析侯溯源1 2，安曉亞2，許劍$，孫亮3(1，信息工程大學(xué)地理信息學(xué)院汨南鄭州4500522西安測(cè)繪研究所，陜西西安710054;393995部隊(duì)帙西西安710038)摘 要：隨著技術(shù)的發(fā)展 新的地理信息可視化技術(shù)不斷涌現(xiàn)。本文對(duì)目前地理信息可視化技術(shù)研究中較熱點(diǎn) 的四種地理信息可視化新技術(shù)進(jìn)行了介紹，并分析了各技術(shù)的不足唏望能對(duì)相關(guān)的研究有所裨益。關(guān)鍵詞：地理信息可視化;虛擬現(xiàn)實(shí);增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；自適應(yīng);全息中圖分類(lèi)號(hào)：p208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：b文章編號(hào)：1672 - 5867( 2014)01 - 0030 - 03an overview and analysis of

2、 the new geovisualization technologyhou su - yuan12 > an xiao - ya2 > xu jian2，sun liang3(1 institute of surveying and mapping information engineering university j zhengzhou 450052，china;t xi'an research institute of surveying and mapping，xi'an 710054 »china; 3、93995 troops，xi'

3、;an 710038 > china)abstract: along with the development of the technology 1 new technology of the geovisualization isemerging* this paper introduces four new geovisualization technologies whichare being the hotpot of the relative research，and also analyzes the shortage of each technology key word

4、s: geovisualization; virtual reality; augmented reality; adaptability; holographic0引言可視化在信息世界中具有特殊的地位，在人機(jī)交耳 屮，視覺(jué)是信息傳輸和接收的主要渠道，尤其在地理信息 可視化中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)地圖學(xué)來(lái)說(shuō)，可視化不是 一個(gè)新概念。一方面，因?yàn)榈貓D木身就是一種視覺(jué)化產(chǎn) a，即現(xiàn)實(shí)世界以高度抽象化的圖形形式再現(xiàn)丁二維平 面或三維模型上 此如，地圖設(shè)計(jì)過(guò)程就可理解為運(yùn)用地 圖符號(hào)對(duì)現(xiàn)實(shí)抽象、綜合和表示的過(guò)稈圖使用過(guò)程也 可理解為讀者運(yùn)用視覺(jué)思維對(duì)地圖進(jìn)行感受和分析。另 一方面，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其

5、是計(jì)算機(jī)圖形圖像技 術(shù)和科學(xué)可視化的發(fā)展，可視化對(duì)地圖學(xué)又有了它全新 的一而，地理信息可視化已發(fā)展為體現(xiàn)gis環(huán)境下的高度 交互動(dòng)態(tài)顯示能力和集成了數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的虛擬試驗(yàn) 平臺(tái)。但當(dāng)前的地理信息可視化并不完全適用丁展現(xiàn)所 有地理信息數(shù)據(jù)的潛在信息，所以亦新的可視化技術(shù)迅 猛發(fā)展的今天，將新的顯示技術(shù)與地理信息可視化相結(jié) 合將為此方向的研究提供重要的契機(jī)與挑戰(zhàn)。1地理信息可視化新技術(shù)綜述地理信息可視化是地理信息傳輸?shù)年P(guān)鍵步驟，其理 論與技術(shù)的拓展將為地理信息傳輸效果的提升提供更有 效的途徑。當(dāng)前，地理信息可視化所面臨的挑戰(zhàn)之一就 是如何在現(xiàn)有可視化技術(shù)發(fā)展的前提下實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的融 合將其它領(lǐng)域的

6、先進(jìn)技術(shù)與地理信息可視化相結(jié)合。 1=1前比較熱點(diǎn)的新技術(shù)研究包括以下四個(gè)方面，筆者將 對(duì)其進(jìn)行逐一簡(jiǎn)要地介紹。1 ' 1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，簡(jiǎn)稱(chēng)vr)是宙美國(guó)vpl公 司創(chuàng)建人拉尼爾(jaron lanier)在20肚紀(jì)80年代初提出 的它是指綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示及控制等 接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供 沉浸感覺(jué)的技術(shù)淇中計(jì)算機(jī)生成的 '可交互的三維環(huán)境 稱(chēng)為虛擬環(huán)境(virtual environment- ve)(如圖1所示)°vr的基本特征是沉浸(immersion)、交互(interactio

7、n) 和構(gòu)想(imagination)。與其他的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比, vr系統(tǒng)可提供實(shí)時(shí)交互性操作、三維視覺(jué)空間和多通道 (目前主耍限丁視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué) 但觸覺(jué)和嗅覺(jué)方面的研究也 止在不斷取得進(jìn)展)的人機(jī)界面。作為一種新里的人機(jī) 接口吋r不僅使參與者沉浸于計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的虛擬世 界，而且還提供用戶(hù)與虛擬世界之間的直接通訊手段。 利用vr系統(tǒng)可以對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬生的動(dòng) 態(tài)環(huán)境能對(duì)用戶(hù)的姿勢(shì)、語(yǔ)言命令等做出實(shí)時(shí)響應(yīng)就收稿口期:2013 -07 - 10作者簡(jiǎn)介:侯溯源(1977 -)，男帙曲西安人助理研究員她圖學(xué)與地理信息工程專(zhuān)業(yè)博士研究生，主要從事地理信息可視化與表 達(dá)技術(shù)和地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)與服務(wù)技術(shù)

8、研究工作。-屏幕地出的自適應(yīng)顯示策略和爲(wèi)（自適應(yīng)地圖數(shù)據(jù)璋設(shè)計(jì)自適應(yīng)符號(hào)設(shè)計(jì)與符號(hào)岸是說(shuō)計(jì)算機(jī)能夠跟蹤用戶(hù)的輸入，并及時(shí)按照輸入修改 模擬獲得的虛擬環(huán)境，使用戶(hù)和模擬環(huán)境之間建立起一 種實(shí)時(shí)交互性關(guān)系，進(jìn)而使用戶(hù)產(chǎn)生一種身臨其境的感 覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前的研究 重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境下的協(xié)同虛擬現(xiàn)實(shí)顯示。圖1虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)fig 1 display technology of virtual reality12增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)20眥紀(jì)90年代初朋，波音公司的tom caudell和他 的同事在他們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)輔助布線系統(tǒng)屮捉出了 “增強(qiáng) 現(xiàn)實(shí)m（ augmented reali

9、ty，簡(jiǎn)稱(chēng)ar）這個(gè)名詞。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬對(duì)象與真實(shí)世界結(jié)合起 來(lái)構(gòu)造出具有虛實(shí)結(jié)合的虛擬空間（如圖2所示）。雖 然目前ar的研究都集中亦視覺(jué)上，但是ar并不僅限于 此還包括聽(tīng)覺(jué)觸覺(jué)和味覺(jué)的所有感官” ar起始于20 世紀(jì)60年代sutherland發(fā)明了頭盔顯示器顯示3d圖形。 但是直到近些年ar才成為一個(gè)研究領(lǐng)域。圖2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)fig- 2 display technology of augmented reality由于ar應(yīng)用系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候涉及到多種因素，因 此ar研究對(duì)象的范圍十分廣闊，包括信號(hào)處理、計(jì)算機(jī) 圖形和圖像處理、人機(jī)界面和心理學(xué)、移動(dòng)計(jì)算、計(jì)算

10、機(jī) 網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算信息獲取彳言息可視化，新型顯示器、 傳感器的設(shè)計(jì)等ar系統(tǒng)雖不需要顯示完整的場(chǎng)景但 是由于需要通過(guò)分析大量的定位數(shù)據(jù)和場(chǎng)景信息來(lái)保證 由計(jì)算機(jī)牛 成的虛擬物體可以精確地定位在真實(shí)場(chǎng)景 中，因此ar系統(tǒng)的構(gòu)建中一般都包含以下4個(gè)基本 步驟：1）獲取真實(shí)場(chǎng)景信息；2）對(duì)真實(shí)場(chǎng)景和相機(jī)位置信息進(jìn)行分析；3）生成虛擬景物；4）合并視頻或直接顯示，即圖形系統(tǒng)首先根據(jù)相機(jī) 的位置信息和真實(shí)場(chǎng)景中的定位標(biāo)記來(lái)計(jì)算虛擬物體坐 標(biāo)到相機(jī)視平面的仿射變換，然后按照仿射變換矩陣在 視平面上繪制虛擬物體，最后直接通過(guò)s-hmd顯示或 與真實(shí)場(chǎng)景的視頻合并后，一起顯示在普通顯示器上。 ar系統(tǒng)中，成像

11、設(shè)備、跟蹤與定位技術(shù)和交耳技術(shù)是實(shí) 現(xiàn)一個(gè)基本系統(tǒng)的支撐技術(shù)。13自適應(yīng)顯示技術(shù)“自適應(yīng)”在生物學(xué)中是指生物變更自己的習(xí)性以適 應(yīng)新環(huán)境的一種特征這一理論在不少學(xué)科中都得到了應(yīng) 用。自適應(yīng)理論在本質(zhì)上闡明不同系統(tǒng)產(chǎn)生相互作用時(shí)， 能夠上動(dòng)變化的系統(tǒng)通過(guò)改變口身特征來(lái)促成系統(tǒng)間作 用的順利進(jìn)行。國(guó)內(nèi)自適應(yīng)空間信息可視化（adaptive geovisualization）研究首先由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源 研究所王英杰研究員、劉岳教授、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)航 空攝影測(cè)量與地圖研究所孟麗秋教授t 2001年共同提出 并開(kāi)始合作研究得到了中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目和國(guó)家口然科學(xué) 皐金的研究丈持，進(jìn)行了一些棊礎(chǔ)理論

12、和技術(shù)方法的探 索，主要研究?jī)?nèi)容包括：自適應(yīng)用戶(hù)模型、自適應(yīng)地圖數(shù)據(jù) 庫(kù)設(shè)計(jì)、自適應(yīng)顯示終端設(shè)計(jì)、屏幕地圖的自適應(yīng)顯示策 略和算法模型、口適應(yīng)符號(hào)設(shè)計(jì)與符號(hào)庫(kù)'口適應(yīng)用戶(hù)界 面認(rèn)知與設(shè)計(jì)、自適應(yīng)空間信息可視化等（如圖3所示）。自適應(yīng)用戶(hù)模型自適應(yīng)用戶(hù)尿面認(rèn)知與設(shè)計(jì)圖3百適應(yīng)地圖可視化研究的內(nèi)容fig1 3 study on the adaptability of geovisualization當(dāng)前自適應(yīng)地圖可視化研究的內(nèi)容.主要集中在用戶(hù) 模型的口適應(yīng) '圖形表達(dá)口適應(yīng) 吶容口適應(yīng)和界面口適 應(yīng)等方面。其最終冃標(biāo)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用戶(hù)的各種認(rèn) 知因素得到體現(xiàn)，以便系統(tǒng)能夠主動(dòng)地

13、適應(yīng)用戶(hù)的認(rèn)知 特征，更好地被具有不同特征和不同需求的用戶(hù)所使用。 系統(tǒng)適應(yīng)用戶(hù)的目標(biāo)可以分解成以下幾個(gè)子目標(biāo)：建立 適應(yīng)不同類(lèi)型用戶(hù)的用戶(hù)模型；建立對(duì)地圖可視化系統(tǒng) 用戶(hù)進(jìn)行分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)；建立能夠根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài) 構(gòu)建和重構(gòu)的數(shù)據(jù)管理機(jī)制；自適應(yīng)的圖形和符號(hào)顯小 和具有自適應(yīng)特征的用戶(hù)界面。 14地理信息全息顯示技術(shù)全息技術(shù)是當(dāng)前最為重耍的顯示技術(shù)之一，尤其在 立體顯示方面，逼真的顯示效果和豐富的信息量是其它 顯示技術(shù)無(wú)法比擬的。當(dāng)前，全系顯示技術(shù)己經(jīng)向計(jì)算 機(jī)全息與電子顯示全息技術(shù)相結(jié)合的方向邁進(jìn)，全息動(dòng) 態(tài)實(shí)時(shí)三維顯示的前景己日趨明朗。地理信息全息顯示 冃前己在國(guó)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)與地理信

14、息軟件廠商得到了 開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，美國(guó)zebra imaging公司己經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于 綠光照射全息記錄干版的地理信息全息顯示產(chǎn)，并在 2010國(guó)際顯小技術(shù)展會(huì)上進(jìn)行了成果展示淇主要技術(shù) 途徑是先將地理信息生成三維場(chǎng)雖燃后通過(guò)模擬光照 環(huán)境在計(jì)算機(jī)中完成全息信息的記錄，最終通過(guò)全息記 錄設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息的保存與顯示。另外作為全球最大的 地理信息系統(tǒng)軟件牛產(chǎn)商esri公司也在其最新的產(chǎn)arcgis desktop 10 屮捉供了 支持 zebra imaging 公司全息 顯示輸出插件的功能該功能可在arcgis中實(shí)現(xiàn)地理信 息的全息顯示前期的場(chǎng)景模型構(gòu)建和光照條件設(shè)置燃 后通過(guò)zebra國(guó)內(nèi)公司的插件完

15、成全息場(chǎng)雖的編碼輸出 最終通過(guò)激光雕刻于全息現(xiàn)實(shí)干版上完成在光照反轉(zhuǎn)條 件下的地理信息全息顯示。烏克蘭的一些研究機(jī)構(gòu)也同 樣在此方而進(jìn)行了深入的研究。圖4所示為地理信息全 息顯示的技術(shù)流程。digital holo technology explanation圖4地理信息全息顯示的技術(shù)流程fig* 4 technical process of holographic displayfor geographical information2地理信息可視化新技術(shù)分析雖然上述的地理信息可視化新技術(shù)在很大程度上提 升了地理倍息的表達(dá)能力，使用戶(hù)可以更好地理解與認(rèn) 知制圖者所要表達(dá)的地理信息，但由于其固

16、有的一些缺 點(diǎn)，導(dǎo)致在應(yīng)用過(guò)程中還是有不盡人意之處，下面筆者將 對(duì)前而提到的技術(shù)所包含的缺點(diǎn)進(jìn)行逐一的分析。vr技術(shù)冃前在很多領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用已相當(dāng)成熟， 但仍然存在一些不容忽視的問(wèn)題 如設(shè)備價(jià)格昂貴、三維 建模繁瑣 嗷據(jù)量巨大等。為了使用戶(hù)產(chǎn)生沉浸感 系統(tǒng)通?？偸墙柚陬^盔顯加器、立體眼鏡等設(shè)備把用 戶(hù)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，這經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些感知方面的 問(wèn)題，因?yàn)橛醒芯勘砻?，用?hù)在虛擬環(huán)境中的反應(yīng)與人類(lèi) 感知外部世界的方式有沖突。這容易導(dǎo)致用戶(hù)對(duì)vr系 統(tǒng)產(chǎn)牛排斥感，從而影響vr技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。ar今天的狀況就好像是早些年的vr，有許多能夠 演示的研究系統(tǒng)，但是達(dá)到實(shí)用的系統(tǒng)卻還很少。限

17、制 ar廣泛使用的主要障礙有3個(gè)方面。1）技術(shù)限制首先是顯示器、跟蹤器以及ar系統(tǒng)必須更準(zhǔn)確、更 輕便、更便宜以及更少的能源消耗。目前的ar設(shè)備不便 于攜帶，尤其對(duì)室外環(huán)境，還要解決準(zhǔn)確跟蹤問(wèn)題。另 外相機(jī)定標(biāo)也是一個(gè)復(fù)雜.目-繁瑣的過(guò)程。2）用戶(hù)界面限制目前，大多數(shù)研究集中在低層次的感知問(wèn)題，如適當(dāng) 的感知深度等，ar還需要確定許多高層任務(wù)。如要確定 提供什么信息什么是數(shù)據(jù)的恰當(dāng)表示，用戶(hù)如何查詢(xún)數(shù) 據(jù)。例如，用戶(hù)在街上漫步時(shí)要査看商店的櫥窗，査詢(xún)商 店的庫(kù)存。目前 這類(lèi)問(wèn)題還很少硏究。3）社會(huì)接受問(wèn)題雖然通過(guò)電影和電視，許多人熟悉了模擬的ar圖 像但是，勸說(shuō)用戶(hù)戴上顯示系統(tǒng)還要解決從時(shí)尚到

18、隱私 等許多問(wèn)題。到目前為止，對(duì)這些基木問(wèn)題的研究還未 涉及。自適應(yīng)地理信息可視化，筆者認(rèn)為此研究的難度相 對(duì)來(lái)說(shuō)很大，首先，用戶(hù)模型的建立就涉及到很多不定量 因素還同的用戶(hù)模型可能差異極人，其次，數(shù)據(jù)的口組 織也是很難的，不但需要數(shù)據(jù)模型的變換，還需要數(shù)據(jù)庫(kù) 的自組織。但如果可以做好的話，其應(yīng)用前景將非常廣 闊理論成果也將豐富。地理信息全息顯加作為一種新的地理信息可視化技 術(shù)有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在三維顯示方面但數(shù)字全息 技術(shù)目前還很人程度上處丁-實(shí)驗(yàn)室階段，其設(shè)備的小型 化與工程化還有很多需要研究。另外，作為地理信息的 .重要組成部分，屬性信息在全息環(huán)境下的表達(dá)方式口前 還沒(méi)有相關(guān)的研究。

19、所以，地理信息全息顯示技術(shù)還需 要進(jìn)行更深入的硏究。四種地理信息可視化方法的對(duì)比 分析見(jiàn)表1。表1四種地理信息可視化方法的對(duì)比分析tab' 1 comparison analysis of fourgeovisuiilization methods名稱(chēng)優(yōu)點(diǎn)不足i近用范囤対真實(shí)世界進(jìn)行動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)態(tài)模擬 '使參與者沉 浸于計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生 的虛擬世界，而fl還 提供用戶(hù)打虛擬世 界之間的宜接通訊 手段可將虛擬對(duì)象9貞.設(shè)備價(jià)格昂貴三維 建揆緊瑣、數(shù)據(jù)量口 大，易導(dǎo)致用戶(hù)對(duì) vr系統(tǒng)產(chǎn)生排斥感游戲軍事訓(xùn)練增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，構(gòu)造技術(shù)限制，用戶(hù)界面導(dǎo)航實(shí)技術(shù)出具有虛實(shí)結(jié)合的 虛擬空間限

20、制，社會(huì)接受程度偵査白適應(yīng)地 理依息可 視化能夠主幼地適應(yīng)用 戶(hù)的認(rèn)知特征，更好 地被具有不同待征 和不同需求的用戶(hù) 所使用口適應(yīng)顯示策略、算 法模型、數(shù)據(jù)白組 織 '符號(hào)口適應(yīng)、用 戶(hù)模型等難丁確定地理信息 可視化半 臺(tái)開(kāi)發(fā)地理信息全息顯示具有原物體的光譜 特性，可進(jìn)行基于全 息顯示結(jié)瓜的立體 測(cè)邑技術(shù)t，稈化尚不成 熟對(duì)j；動(dòng)態(tài)目標(biāo)的 顯示還需進(jìn)行人量 研究游戲 態(tài)勢(shì) 推演3結(jié)束語(yǔ)地理信息可視化技術(shù)是提升地理信息認(rèn)知的有效工 具優(yōu)秀的地理信息可視化技術(shù)可有效提升用戶(hù)的地理 信息認(rèn)知程度。隨著技術(shù)的發(fā)展，新的地理信息可視化 技術(shù)不斷涌現(xiàn)，本文對(duì)日前地理信息可視化技術(shù)研究屮 較熱點(diǎn)的四

21、項(xiàng)地理信息可視化新技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì) 各技術(shù)所具有的不足進(jìn)行了分析，希望能對(duì)相關(guān)的研究 有所裨益0（下轉(zhuǎn)第37頁(yè)）圖 8 20010501-svgfig-8 20010501-svg圖 9 20090801 svgfig 9 20090801 svg型。該模型主要包括三個(gè)部分，首先，是對(duì)日錄組織結(jié)構(gòu) 和增量腳本文件結(jié)構(gòu)的定義；其次，是對(duì)差異腳本生成算 法的改進(jìn)；最后是對(duì)恢復(fù)算法的改進(jìn)。本文詳細(xì)闡述了 該模型的基本思想以及算法的實(shí)現(xiàn)，在理論上具有可行 性；而后通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，得到了預(yù)期的結(jié)果，證明了 該算法在現(xiàn)實(shí)屮是可行的。因此，本文捉出的改進(jìn)增量 備份模型為時(shí)態(tài)gis系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)備份提供

22、了一種兼 顧備份速度恢復(fù)速度以及存儲(chǔ)空間的高效備份策略。參考文獻(xiàn)：1王家耀魏海平，成毅，等時(shí)空gis的研究耳進(jìn)展，海洋測(cè)繪2004 24( 5): 1 -42周強(qiáng)中 談俊忠 svg在webgls中的應(yīng)用j，計(jì)算機(jī) 應(yīng)用研究 2003( 1):108 -121 3周文牛，基于svg的wcbgis研究j，中國(guó)圖象圖形學(xué) 報(bào) 2002 7( 7): 693 - 698-4 土小林?jǐn)?shù)據(jù)備份策略解析j<數(shù)了與縮微影像>2010 (4):14-16'5彭勇劉曉潔，鄧洪敏，等基丁差異的遠(yuǎn)程文件備份與 恢復(fù)方法j，四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(2): 348 -352-(6 j d

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