虚拟地理环境中时态信息可视化表达方法研究

第27卷第1期2004年2月现　代　测　绘Modern Surveying and MappingVol.27,No.1Feb.2004虚拟地理环境中时态信息可视化表达方法研究谷风云1,2,崔希民1,谢传节2,刘清旺1,姜永阐3(1中国矿业大学资源与安全工程学院,北京100083;2中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;3山东科技大学地球科学与信息工程学院,山东泰安271019)摘　要　介绍虚拟地理环境的基本含义,虚拟现实和可视化技术,探讨了线、面地理对象的时态信息表达方法。

在此基础上,以近、现代黄河三角洲为例,给出了在虚拟地理环境中三角洲海岸线的变迁和三角洲地形地貌动态显示的方法。

关键词　虚拟地理环境　虚拟现实　可视化　时态信息中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1672-4097(2004)01-0011-031　虚拟地理环境的基本含义虚拟现实技术的产生和发展无疑为加强地理科学理论研究提供了强大的手段和方法上的支持。

虚拟现实技术、计算机网络技术与地学相结合可以产生虚拟地理环境。

虚拟地理环境(V GE)可定义为包括作为主体的化身人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境,包括计算机、网络、传感器等硬件环境,软件环境,数据环境,虚拟图形境象环境,虚拟经济环境和虚拟社会,政治和文化环境[1]。

虚拟地理环境是现实世界的一种概括,是区域环境和社会经济环境的虚拟模型,强调身临其境之感,但又追求超越现实的理解,不仅可以真实的反映出现实世界,更可以重建过去和预测未来。

2　虚拟现实技术和可视化技术简介计算机图形技术和人机接口技术的发展,由原来的单纯的文字信息向声音、图像信息转变,并且由原来利用鼠标、键盘的交互转变为通过高级的人机接口设备沉浸到由计算机生成的多维信息空间,这种高级的人机接口设备即是虚拟现实技术。

当前信息技术的迅速发展,特别是多媒体技术、可视化技术、网络技术以及虚拟现实系统的更新,使虚拟现实系统发展成为数字化多维信息空间的技术支撑平台。

到目前为止,虚拟现实技术已经应用到教育、工程、商业和娱乐等各个领域。

正如其他新型科学技术一样,虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。

它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等[2]。

虽然该领域的技术潜力巨大,应用前景广阔,但是仍然存在许多尚未解决的理论问题和技术问题。

目前虚拟现实技术所取得的成就大部分还是集中在扩展计算机的接口能力上。

科学计算可视化作为一个新兴的学科,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。

地学专家通过对可视化在地学研究中的地位和作用的讨论,从不同的角度提出了一些与可视化研究相关的新概念,如地图可视化、地理可视化、GIS可视化、探析地图学(exploratory cartography)等(Kraak1999a;MacEachren1997; Neves1997;龚建华1999)。

在这些研究中强调了可视化在人们与地学信息交流、认知分析和可视地学思维中的作用。

3　时态信息表达方法概述时间问题是地理学中的一个基本研究问题。

对应于时间维上不同的时刻或时间段,地理对象的属性(包括空间属性)有可能发生变化。

研究时态信息的表达方法,离不开对时态数据模型的研究。

其中有代表性的几种GIS时态数据模型为:“snapshot”模型、时态对象模型、基于事件的事空数据模型、“triad”模型和“bitemproal”数据模型[3]。

但是任何一种模型都无法反映现实世界的所有方面,在GIS中的面向对象的数据结构中,通常把空间数据抽象为点、线、面三种简单的地物类型,作为三种简单对象。

3.1　线地理对象时态信息表达方法对于线地理对象而言,在表达时间维信息的时候引入一个点的位置函数,与此同时引入时间域中的两个概念:时刻和时间间隔。

点的位置函数定义如下t raj(ν)={locν(t)|t∈def(locν)}该函数为分段线性函数。

因此,对于每一点的运动轨迹都有一点集{p1,p2…p n}与其相对应,从而可以通过两个相邻点p i,p i+1的位置线性内插来得到。

如果顶点ν在t i时刻在位置p i,在t i+1时刻在位置p i+1,因此点v运动的方向为:p i+1-p i,运动的路程可由时间线性插值得到:p i+p i+1-p it i+1-t i(t-t i)该式也适用于对象在p i和p i+1之间的匀速运动。

综上所述,我们可以看出locν是由一系列的带有时间属性的点所确定的。

在这个点集当中,可能存在坐标相同的点,但是不存在两个点具有同一时间属性值的情况。

在这个集合中,一些点标志着方向的变化,一些仅仅是速率的变化,另外一些是两者兼而有之。

在构建了线对象以后,随着时间的变化,可能会出现一点生长成为一条或多条线,或者一条或多条线退化成为一个点或者消失的情况。

3.2　三维地理对象时态信息的表达当采用3D三角网来表达三维空间数据时,首先,借用在上述(1)中所引入的点的位置函数来描述三角形中顶点的运动。

对于任一三角形T在其有效的时间间隔I内,可描述为:conν(locν1(t),locν2(t),locν3(t)),t∈I。

我们称之为运动三角形。

对应于时刻t1和t2,地理对象可分别用三角形集合{T ri1}和{T ri2}来表示。

在这两个特定的时刻,三角形集合可以是已知的,如果想要得到中间时刻三角形的集合就涉及到时间维的插值问题,而关键帧插值是最常用的一种方法。

关键帧插值是动画制作中常用的一种技术,利用关键帧技术制作动画时并不需要逐帧绘制,只需从这些静止画面中选出少数几帧加以绘制。

被选出的画面一般都出现在动作变化的转折点处,对这段连续动作起着关键的控制作用,因此称为关键帧(Key Frame)。

绘制出关键帧之后,再根据关键帧插画出中间画面,就完成了动画的制作。

在每个时间段内,相对于不同的离散化因素同一对象具有不同的空间表达方式。

在大多数的动画制作中,为了避免对象运动速度突然改变所带来的负面影响,往往采用样条曲线来得到对象运动的平滑轨迹。

由于地学变化过程很少存在平滑过渡的现象,就没有必要使用这种方法。

相反,却需要一种简单的线性内插的方法,并且需要增加时间段来提高对象建模的可用性。

[4]随着时间的推移,对象表面的离散化因素会发生改变。

第一种情况是在某一时间段内三角形T 会被由两个或多个三角形所组成的集合M所代替;第二种情况是边界处增加了新的三角形s′如图Fig1,在t1时刻三角形s′并不存在,而是在t1+ε时刻才开始存在的,如果倒推到时刻t1,三角形s′在边界处为一退化了的三角形。

Fig1　Insert Operation Of a new time2dependent simplex 第三种情况是三角形s″的消失,它是第二种情况的逆过程,如图Fig2。

在这种情况下,可能会引起拓扑的变化,一个运动的顶点ν在时刻t i运动到无边界的线上,而后进入三角形s区域内部,从而三角形s被两个新的三角形所代替。

Fig2　Delete Operation of a new time2dependent simplex3.3　数据的可视化表达为了充分利用已采集的数据,一种常用的方式就是把它们表达在地图上。

地图的设计制作应根据数据的特性和数据项之间的关系来进行。

在图形上描述动态现象有两种方式:一种是利用静态地图和地图序列,另外一种是利用制图动画。

对于第一种方式而言,虽然时间的变化不能直接在二维的纸制地图上表达出来,但是可以通过在单个图形上利用箭头或者是带有时间标记的线来描述地理现象随时间的演变过程。

地图序列从一幅图到另一幅图的变化给人一种时间流逝的印象[5]。

但是,在描述复杂的动态现象时,仅仅用静态的图片来表达数据显而易见是不够的。

对此Bertin在他的著作中曾提出这样一个建议:设计图形时应该考虑到它的可变换性,并且给出了一些在纸制地图上创建动态图形的技术。

当今计算机已经大为普及,用计算机屏幕作为显示图形的媒介为我们提供了更多的机会来对图形进行交互式操作。

为了实现对图形的交互式操作,需要有一个良21现　代　测　绘 第27卷好的可视化设计方法。

1967年Bertin 引入了7个视觉变量(graphic variables ):位置(location )、尺寸(size )、灰度的值(value )、纹理(texture/grain )、颜色(color )、方向(orientation )和形状(shape )。

而每一种数据可视化表达方法都是基于以上变量中的一个或多个[6]。

根据这些变量的视觉属性,不同的数据需要用不同的变量来表达,与数量有关的数据可以通过尺寸来表达,有序质量数据可以通过值或者纹理密度来表达,无序质量数据可以用形状,颜色或者纹理来表达。

在所有变量中,位置变量最具表达性,可以对任何一种数据类型进行编码。

然而,以地图形式表达的数据对视觉变量的选择有一些严格的限制条件。

对象的描述必需能反应出它们的实际地理位置、轮廓和尺寸。

地图语言要求在编码属性数据时应该使其在某一点或者是地物轮廓的内部,因此,最具表达性的位置变量不能用来编码属性数据。

尺寸、形状和方位这些变量在应用的时候应该和背景具有良好的对比度和可见度,它们的尺寸不应该太小而且颜色也应该为亮色。

因此,在图形制作中仅选取尺寸、灰度值、颜色和形状这四个视觉变量。

以近、现代黄河三角洲的发育为例,在虚拟地理环境中描述黄河三角洲海岸线的变迁和三角洲地形地貌的演变。

可按如下方法进行研究:综合早期地质资料,结合近期的多时相、多源遥感数据,利用近、现代黄河三角洲工程钻孔数据,结合近、现代黄河三角洲尾闾流路变迁资料和各个时期的海岸线,以及各时期测绘及地质调查资料,提取历史时期三角洲地区海岸线和地貌环境变化的重要信息。

如果要在虚拟地理环境中动态显示出自1885年至今的海岸线变迁,就要对时间维进行插值,具体方法如3.1中所述。

对三角洲地形地貌资料进行合理的插值处理,并在此基础上完成各时期D TM 的构建,其具体的三角网构建方法如3.2中所述,并将遥感影像叠加其上,以达到各历史时期地形地貌的逼真显示。

海岸线和地形地貌数据可视化表达方法具体见3.3中所述。

VC ++环境下,利用Open G L 技术完成黄河三角洲海岸线变迁和地形地貌演变的动态显示。

4　结　论可视化和虚拟现实为研究者提供了直观地处理研究结果的技术方法,越来越被公认为是科学研究过程的重要组成部分。

它在计算机空间(Cyberspace )中为研究者开辟了一个具有沉浸感的虚拟环境,实现了三维空间和时态数据的可视化,并使研究者既能够在虚拟环境中交互地操控研究对象,更可以在仿真模拟等科学计算过程中实时地得到正在处理的动态过程的反馈,国内外在这一领域的研究方兴未艾。