（计算机软件与理论专业论文）基于gis的空气质量预报数据可视化研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着经济和社会的发展，环境保护在全球范围内日益受到重视。环境 空气质量是一个与经济发展和人民生活密切相关的重要因素，因此i i 前全 国各重点城市都正在开展环境空气质量的预报和实时监测工作。在此基础 上进行的环境空气质量预报数据可视化方法的研究和建立环境空气质量控 制决策模型则是充分利用已有的预报数据为环境保护部门提供科学、及时、 准确、直观的信息支持。 济南市现有的预报系统投入使用后，已经产生了大量的预报数据。如 何快速地提取所需的不同时间、不同层数、不同区域、不同空气污染物的 预报数据，如何灵活地使这些预报数据和计算产生的评价数据以可视化的 直观模式表现出来，如何科学地利用这些预报数据为空气质量信息的发布 服务、为预警系统的建立服务、进而为污染源的消减控制措旋提供决策支 持，都是摆在环保部门面前迫切需要解决的问题。 本文介绍和研究了一个基于g i s 的环境空气质量数值预报数据可视化 系统，该系统是山东省可持续发展科技示范工程一济南市环境空气污染综 合治理技术的研究开发与示范的重要组成部分。详细给出了在s u p e r m a p 开发环境下实现预报数据的静态和动态、二维和三维可视化的算法与实现 步骤，同时给出了基于o p e n g l 的d e m 可视化实现方法。通过对预报数据的 可视化处理，为对海量预报数据和评价数据的理解提供了一个直观和有效 的手段，为环境空气质量的预警和污染源的排放控制决策提供了辅助决策 支持。 课题完成的主要工作是： 通过分析预报数据文件建立了大气污染物时空定量浓度预报数据 的数据组织结构，为抽取特定预报数据进行可视化显示和分析奠定了基础。 讨论了如何将g i s 专有方法和可视化技术相结合来处理预报数据， 研究了s u p e r m a p 环境下等值线的创建步骤和算法，以及利用t i n 数据集实 现了在城市底图上对各污染物浓度预报数据的三维可视化。 利用o p e n g l 实现了预报数据的数字高程模型( d e m ) ，并分析了d e m i 山东大掌硕士掌位论文 建模算法，坐标变换，漫游和图形的真实感。 实现了污染物评价机制和削减前后对比功能，为预警信息的计算发 布和污染源削减控制措旌的选择提供了科学依据和有力支持。 设计实现了一个基于g l s 的空气质量预报数据可视化系统。 本文的最后指出了该应用领域进一步的研究工作是空间数据的数据挖 掘算法的研究。 关键词：环境空气质量数值预报模式地理信息系统科学计算可 视化数字高程模型 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n b e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i nt h ew h o l ew o r l d b e c a u s ec i t ya i rq u a l i t y i sas i g n i f i c a n tf a c t o rr e l a t e dt ot h e g r o w t ho fe c o n o m ya n dt h e s t a n d a r do f l i v i n g ，e v e r yb i gc i t y i no u r c o u n t r y h a sl a u n c h e dt h e c i t y a ir q u a i t y f o r e c a s t i n ga n dr e a l t i m em o n i t o r i n g o nt h i sb a s is ，t h ev i s cm e t h o do fc i t y a i rq u a l i t yf o r e c a s t i n gd a t aa n dt h ed e c i s i o nm o d e lo f c i t ya i rq u a l i t yc o n t r o l h a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h i sf i e l di no r d e rt o f u l l y u t i l i z et h e e x i s t i n g f o r e c a s t i n gd a t a ，t h u sp r o v i d es c i e n t i f i c ，t i m e l y ，a c c u r a t e a n dv i s u a l i n f o r m a t i o ns u p p o r tf o rt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n t a f t e rt h ee x i s t i n gj i n a nf o r e c a s t i n gs y s t e mw a sp u ti n t ou s e ，ag r e a td e a l o f f o r e c a s t i n gd a t ah a sb e e np r o d u c e d h o wt o q u i c k l ye x t r a c tt h e n e e d e df o r e c a s t i n gd a t ao fd i f f e r e n tt i m e s ， d i f f e r e n tl e v e l s ，d i f f e r e n t r e g i o n sa n dd i f f e r e n tp o l l u t a n t s ，h o wt of l e x i b l y d i s p l a yt h ef o r e c a s t i n gd a t aa n dt h ec o m p u t e de v a l u a t i n gd a t ai nt h ef o r mo f v i s c ，a n dh o wt os c i e n t i f i c a l l yu t i l i z et h ef o r e c a s t i n gd a t at o s u p p o r tt h e d e l i v e r ys e r v i c eo fc i t ya i rq u a l i t y ，t h eb u i l d i n go ff o r e w a r n i n gs y s t e ma n d t h ed e c i s i o n - m a k i n g o f p o l l u t i o n s o u r c ec o n t r o la r ea l l u r g e n tp r o b l e m s c o n f r o n t i n gt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n t i nt h i st h e s i sag i s - b a s e dv i s cs y s t e mo fc i t ya i rq u a l i t yf o r e c a s t i n g d a t aw a si n t r o d u c e d t h i s s y s t e mw a s a ni m p o r t a n tp a r to ft h er & da b o u t i n t e g r a t e dd i s p o s i t i o no fc i t ya i rp o l l u t i o ni nj i n a n ，w h i c hw a sat e c h n o l o g i c a l d e m o n s t r a t i o np r o j e c to fc o n t i n u o u s d e v e l o p m e n ti ns h a n d o n gp r o v i n c e i t d e s c r i b e dac o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o ns e q u e n c eo fs t a t i co rd y n a m i c 2 - do r 3 - dv i s ci ns u p e r m a p d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti nd e t a i l i ta l s op r o v i d e da n i m p l e m e n t a t i o no fd e m d a t av i s u a l i z a t i o nb a s e do no p e n g l t h e r e f o r et h i s s y s t e m r e a l i z e da ne f f e c t i v ea n dv i s u a l w a yf o rt h ec o m p r e h e n s i o no fh u g e f o r e c a s t i n gd a t aa n de v a l u a t i n gd a t a ，a tt h es a m et i m ei tp r o v i d e dad e c i s i o n s u p p o r t i n gs y s t e m f o rt h e f o r e w a r n i n g o f c i t y a i r q u a l i t y a n dt h e i 山东大学硕士学位论文 d e c i s i o n m a k i n go fp o l l u t i o ns o u r c ec o n t r 0 1 t h et h e s i s sm a i nt a s k sw e r et h a t ： e s t a b l i s ht h et i m ea n d s p a c ed a t as t r u c t u r eo f a i rp o l l u t a n t sb ym e a n s o fa n a l y z i n gf o r e c a s t i n gd a t af i l ei no r d e rt oe x t r a c ts p e c i f i cf o r e c a s t i n gd a t a t ov is u a l i z ea n da n a l y z e d i s c u s sh o wt oc o m b i n et h e s p e c i a l m e t h o d so fg i sw i t ht h e v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi no r d e rt od e a lw i t hf o r e c a s t i n gd a t a r e s e a r c hh o w t oc r e a t et h ei s o l i n eu n d e rs u p e r m a pe n v i r o n m e n ta n dh o wt o r e a l i z e3 - d v i s u a l i z a t i o no fa i rp o l l u t a n tf o r e c a s t i n gd a t ao nt h ec i t ym a pu s i n g t i n d a t a s e t p r o v i d et h ed e mo ff o r e c a s t i n gd a t ao nt h eb a s i so fo p e n g la n d a n a l y z et h ea l g o r i t h mo fd e mm o d e l ，c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，c r u i s ea n d t h ep h o t or e a l i s m p r o v i d et h ep o l l u t a n te v a l u a t i n gm e c h a n i s ma n dt h ec o n t r a s tb e t w e e n t h eb e f o r e c u td a t aa n dt h ea f t e r c u td a t a ，t h u sp r o v i d es c i e n t i f i cg u a r a n t e e a n d p o w e r f u ls u p p o r t f o rt h ec a l c u l a t i o na n d d e l i v e r y o f f o r e w a r n i n g i n f o r m a t i o na n dp o l l u t i o ns o u r c ec o n t r o lm e a s u r e m e n t d e s i g n a n di m p l e m e n tag i s - b a s e dv i s cs y s t e mo fc i t ya i rq u a l i t y f o r e c a s t i n g d a t a f i n a l l y ，t h i st h e s i sp o i n t e d o u tf u r t h e rr e s e a r c hw o r ki nt h i sf i e l d 。t h e a l g o r i t h m so fs p a t i a ld a t am i n i n g k e y w o r d s ：c i t ya i rq u a l i t y n u m e r i cf o r e c a s t i n gm o d e lv i s cg i s d e m l v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：丝芏当日删兰：f ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝土兰导师签名：日期嘶) 2 山东大学硕士学位论文 1 1 课题提出的意义 第一章引言 环境与发展是当今世界共同关注的重大问题。目前我国经济正处在高 速发展期，能源消耗和交通规模的扩大、大型工业区的发展等使污染物排 放总量不断增加，环境空气污染问题日趋严重，因此开展环境空气质量预 报十分重要。国家环境保护“十五”计划及国家环境科技发展“十五” 计划纲要都将“污染源排放总量自动监测技术、环境质量监测和预报预 警技术”列为“十五”期间重点攻关项目。2 0 0 2 年山东省科技发展计划 指南明确将“支持空气污染防治及监控支持系统研究”列为科技发展计 划的支持重点。 济南市现有的预报系统投入使用以后，已经产生了大量的预报数据。 如何快速地提取不同时间、不同层数、不同区域、不同空气污染物的预报 数据，如何灵活地使这些预报数据和计算产生的评价数据以可视化的直观 模式表现出来，如何科学地利用这些预报数据为环保部门发布空气质量信 息服务，为预警系统的建设服务。进而为污染源的消减控制措施提供决策 支持，都是摆在环保部门面前迫切需要解决的问题。 济南市环境空气质量预报数据可视化系统是山东省可持续发展科技示 范工程项目一“济南市环境空气质量及空气污染源监控、预警技术及监控 网络”的重要组成部分，已通过鉴定并投入使用。本系统能够帮助环境管 理部门及时做出科学合理的决策。采取有效措施防止和降低环境空气污染， 为保障城市大气环境安全提供了支持，并为国内其他城市类似系统的建立 起到良好的示范作用，具有极大的环境、社会和经济效益。 1 2 课题研究的内容 本文中结合实例介绍和研究了科学计算可视化在环境空气质量预报中 的应用，同时因为环境空气质量预报和评价含有对空间对象的处理帝垫 山东大学硕士学位论文 所以将环境空气质量预报与gt s 技术结合的必要性是不言而喻的。目前的 空气污染预报以数值预报为主，将科学可视化和地理信息系统与环境空气 质量预报工作相结合，对环境空气质量海量时空预报数据进行二维和三维 可视化处理，并进而建立环境空气质量控制决策模型，从而充分利用已有 的预报数据为环境保护部门提供科学、及时、准确、直观的信息支持是环 保部门迫切的需求。 课题完成的主要工作是： ( 1 ) 通过分析预报数据文件建立了大气污染物时空定量浓度预报数据的 数据组织结构，为抽取特定预报数据进行可视化显示和分析奠定了基础。 ( 2 ) 讨论了如何将g i s 专有方法和可视化技术相结合来处理预报数据， 研究了s u p e r m a p 环境下等值线的创建步骤和算法，以及利用t i n 数据集实 现了在城市底图上对各污染物浓度预报数据的三维可视化。 ( 3 ) 利用o p e n g l 实现了预报数据的数字高程模型( d e m ) ，并分析了d e m 建模算法，坐标变换，漫游和图形的真实感。 ( 4 ) 实现了污染物评价机制和削减前后对比功能，为预警信息的计算发 布和污染源削减控制措施的选择提供了科学依据和有力支持。 ( j ) 设计实现了一个基于6 i s 的空气质量预报数据可视化系统。 本文的最后指出了该应用领域进一步的研究工作是空间数据的数据挖 掘和空间数据挖掘算法的研究。 1 3 国内外研究现状 环境空气质量是一个与经济发展和人民生活密切相关的重要因素，因 此目前全国各重点城市都正在开展环境空气质量的预报和实时监测工作。 而在此基础上进行的环境空气质量预报数据可视化方法的研究和建立环境 空气质量控制决策模型则是充分利用已有的预报数据为环境管理服务的一 个重要方面。 目前的城市环境空气质量预报较常用的方法主要有统计预报、潜势预 报、污染指标预报和数值预报等i l i 。 ， 山东大学硕士掌位论文 大气污染统计学模式是不依赖物理、化学及生物过程的预测方法。大 气污染潜势预报的方法是以天气形势及其气象要素指标为依据，对未来大 气环境质量状况进行定性或半定量的分析，其预报的准确度与天气形势预 报的准确度和预报精度有直接关系2 】。 污染指标预报即a p i 预报是利用a p i 指标的一种预报方法。a i t 指标 是间接表征空气污染程度的一种方法，其特点是综合、简便、直观，适于 描述城市短时间内空气质量状况与污染程度。 数值模式预报是用数值计算的方法直接求解物质守恒方程，或者求解 在各种近似条件下的简化形式的物质守恒方程，以求得污染物浓度在环境 介质中与界面上的交换特征及其分布规律。通常采用的欧拉系统，取不同 的湍流闭合方案建立各种类型的数值模式，并在格网形式上实施。其特点 是花费较长的计算机时，但科学性强，能做出完善的时空定量浓度预报。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g 】s ) 经过近 四十年的发展，已经成为一门跨学科的边缘学科，其应用涉及资源、环境、 军事、地籍、公安、市政、经济咨询、投资评价等众多领域，人们不仅需 要能够快速检索和交互使用各种统计型、文档型等社会经济信息，而且要 求将这些信息与地理信息有机她匹配和结合起来，以掌握这些社会经济信 息的空间分布及其相互关系。g i s 作为一种以采集、贮存、管理、分析和 描述整个地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统，与人类生存、地 区的发展和进步密切关联，在我国已受到愈来愈大的重视，特别是在解决 资源环境、人口、灾害等全球关心的重大问题中，迫切需要国家的、区域 的和局部的地理信息系统作为规划、监测、管理和决策的依据。在对空间 信息的处理与可视化方面，g i s 具有其得天独厚的优势。 可视化技术最早运用于计算科学中，并形成了可视化技术的一个重要 分支一科学计算可视化( v i s u a iz a t io ni ns c ie n l i f icc o m p u t jn g ，简称 v is c ) 。科学计算可视化能够把抽象的和海量的科学数据，包括测量获得的 数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息转变为直观的、以图形图像 信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前， 焦丝i c 韭笪旦銮巨直垫婴窒丕回擅翌工墼型堂：| 簦笙墨：垄生基坌堑鎏銎 山东大学硕士学位论文 中所带来的直观性和准确性给科研人员带来了很大方便，为人们解释现象、 发现规律、预测结果和辅助决策提供了强有力的工具。在遥感信息、医学 影像、气象预报、航空航天、生物基因等诸多领域都有越来越广泛的应用。 山东大学硕士学位论文 第二章地理信息系统 地理信息系统( g i s ) 是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门 学科综合的技术，要给出g i s 的准确定义是困难的，因为( ；l s 涉及的面太 广，站在不同的角度给出的定义就不同。通常可以从4 种不同的途径来定 义f 3 】： 面向功能的定义： 数据的系统。 面向应用的定义： 类应用系统，例如土地 策支持系统等。 g i s 是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理 这种方式根据g i s 应用领域的不同，将g i s 分为各 信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决 工具箱定义：g i s 是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数 据的工具的集合。这种定义强调g i s 提供的用于处理地理数据的工具。 基于数据库的定义：g i s 是这样一类数据库系统，它的数据有空间次 序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间 实体的查询【”。 2 1g ls 的重要概念 2 1 1 图层及其分类 电子地图实际上是多个图层的集合，它可以看成是由层层叠加的透明 层组成的，每个图层包含了整个地图的一个不同的方面。每个含有几何对 象的空间数据库表都对应着一个图层，因此地图的概念类似于关系数据库 中视图的概念，地图并不包含数据本身的内容，只是一种可视化定义。 例如，假设一个图层包含山东各地级市的边界( 线图层) ，一个图层包 含山东各个主要城市( 点图层) ，还有一个图层包含标注文本以显示地名( 文 本图层) ，这样我们把3 个图层叠加在起就形成了一幅完整的山东主要城 市地图。 d a 东大学硕士学位论文 根据存储几何对象种类的不同，图层可以分为点图层、线图层、面图 层，文本图层和c a d 图层等等。根据存储的是矢量数据还是栅格数据，图 层又可以分为矢量图层和栅格图层。 2 1 2 空间数据库的特点 空间数据库有如下的特点：”j ( 1 ) 空间数据库是一个数据库管理系统( d b m s ) 。 ( 2 ) 在空间数据库的数据模型中能提供空间数据类型和查询语言，支 持空间关系、空间特性和空间操作。 ( 3 ) 在空间数据库的实施中支持空间数据类型，可进行有效地检索和 索引，支持空间选择和空间连接。 g 1 s 的数据库是一个空间数据库，它除具有一般事务性数据库中常见 的数字、字符表示的数量和名称外，还必须管理具有空间定位和拓扑关系 的地理空间特征数据。对于前种数据来说，因为它们是描述性数据且与几 何空间参考系的选择无关，通常将其称为非几何属性数据，简称属性数据 或属性：对于后者则是涉及地理实体在几何空间中的位置及其相互空间关 系的数据，故称其为空间数据，或称为图形数据或几何数据。因此说g i s 的数据是由空间数据和属性数据共同构成的。空间数据和属性数据通过内 部代码和用户标识码作为公共数据项连接起来，使得构成空间对象的每一 个图元与描述该图元的属性建立一一对应的关系，如图2 1 所示。这种空 间数据组织结构为数字模型的可视化空间操作与分析提供了条件，从而为 科学可视化奠定了基础【6 】。 g i s 中对空间数据的处理及其对空间数据模型的研究正是g i s 区别于 其它系统的特点之一。 6 山东大学硕士学位论文 图2 一i 空间数据库的特征 2 1 3gis 系统的组成 g i s 系统一般由以下几个部分组成： ( 1 ) 计算机硬件平台。g i s 可充分利用包括从服务器到桌面工作站乃 至网络计算的一切计算资源。 ( 2 ) g i s 专业软件。g i s 软件提供存储、分析、显示地理数据的功能 要素包括：地理数据的输入工具；空间数据库管理工具；空间查询、分析、 可视化表达；图形用户界面等等。 ( 3 ) 地理数据。g i s 系统必须建立在准确使用地理数据的基础上，数 据来源包括室内数字和野外采集，以及从其他数据的转换。数据类型分为 空间数据、属性数据，并与关系数据库互相连接。 ( 4 ) g i s 人员。g i s 应用的关键是掌握g i s 技术来解决现实问题的人 员的素质。这里既包括从事g i s 系统开发的专业人员，也包括采用g i s 完 成日常工作的最终用户。 ( 5 ) g i s 模型。g i s 专业模型和经验，是g i s 应用系统成败的至关重 要的因素。 2 2gis 的专有方法 ( ；l s 除了包括地图选择、漫游、缩放、全幅显示、鹰眼观察、图层设 星簦蒸奎丝丝图塑笾些处：垂直= 些童查鲍立鎏： 7 山东大学硕士学位论文 2 2 1 查询的种类 图形和属性互查是gt s 中最常用的查询，主要有两类： 第一类是按属性信息的要求来查询定位空间位置，称为属性查图形。 如在山东省行政区划图上查询总人口大于3 0 0 万且城市人口大于1 0 0 万的 地级市有哪些，这和一般的非空间的关系数据库的s q l 查询没有区别。当 查询到结果后，再利用图形和属性的对应关系，进一步在图上用指定的显 示方式将结果定位绘出。 第二类是根据对象的空间位置查询有关属性信息，称为图形查属性。 例如一般的地理信息系统软件都提供一个i n f o 工具，让用户利用光标，用 点选、矩形选择、圆形选择等方式选中地物，并显示出所查询对象的属性 列表，可进行有关统计分析。这种查询通常分为两步：首先借助空间索引 在空间数据库中快速检索出被选中的空间实体：然后根据空间实体与属性 的连接关系即可得到所查询空间实体的属性列表。 空间实体问存在着多种空间关系，包括拓扑、顺序、距离、方位等关 系。通过空间关系查询和定位空间实体是地理信息系统不同于一般数据库 系统的功能之一。如查询满足下述条件的城市： ( 1 ) 在京沪线的东部。 ( 2 ) 距离京沪线不超过5 0 公里。 ( 3 ) 城市人口大于1 0 0 万。 ( 4 ) 城市选择区域是特定的多边行。 整个查询计算涉及了空间顺序方位关系( 京沪线东部) ，空间距离关系 ( 距离京沪线不超过5 0 公里) ，空间拓扑关系( 选择区域是特定的多边形) ， 甚至还有属性信息查询( 城市人口大于1 0 0 万) 。 在本课题实现的空气质量预报数据可视化系统中，充分利用了这两种 查询方式增强了人机交互的便利，例如利用属性查图形可以由用户输入指 定的取值范围从而查到相应的等值线并在图层上闪烁显示出来：利用图形 查属性可以由用户在图层上用鼠标点选某重点污染源从而弹出该污染源的 排放、设施、位置等属性信息。 r 山东大学硕士学位论文 2 2 2 统计分析和空间分析 ( 1 ) 几何分析 包括量算面积、角度和距离，以及基本的几何运算( 例如判断两条直 线是否垂直、平行，返回点到线的垂线，计算点集的凸闭包等等) 。 ( 2 ) 缓冲区分析 缓冲区分析( b u f f e r ) 是根据指定的距离在点、线和多边形实体周围自动 建立一定宽度的区域范围的分析方法。例如，在环境治理中，常在污染的 河流周围划出一定宽度的范围表示受到污染的区域；又如在飞机场，常根 据健康需要在周围划出一定范围的区域作为非居住区，等等1 8 1 。 ( 3 ) 网络分析 创建和维护网络拓扑关系，然后进行最短路径分析；最优路径分析； 旅行路径设计：连通性分析；关键路径查找；关键节点查找；连通节点( 边) 查找；临近节点( 边) 查找。特别适合对电信、电力、交通等复杂网络进 行相关网络分析。 ( 4 ) 叠加分析 可以进行矢量数据集和栅格数据集的剪裁运算( c l i p ) ，擦除运算 ( e r a s e ) ，并运算( u n i o n ) ，交运算( i n t e r s e c t ) 等等1 9 。 2 ，2 3 专题地图 专题地图是使用各种图形样式( 如颜色或填充模式) 图形化地显示地 图基础信息的一类地图。专题地图是分析和表现属性数据专题的一种强有 力的方式，通过将数据以不同的颜色、面积、图形等一些特性直观地表现 出来，从而可以清楚地看到在数据列表中几乎不可能发现的模式和趋势， 所以专题地图是理想的数据可视化工具。可以分为单值专题图，范围分段 专题图，等级符号专题图，点密度专题图，统计专题图( 包括曲线图、面 积图、梯度图、柱状图、三维柱状图、饼图、三维饼图、玫瑰图、三维玫 瑰图) ，标签专题图，自定义专题图1 7 1 。 山东大学硕士学位论文 各种专题图都有自己特有的应用领域，例如范围分段专题图是在整个 制图区域的若干个小的区划单位内( 行政区划或其它区划单位) ，根据各分 区资料统计的相对指标进行分级，并用相应的色阶或不同疏密的晕线，反 映各区现象的集中程度或发展水平的分布差别。范围分段专题图可以反映 布满整个区域的现象，但较多的是反映呈面状分布但又比较分散的现象， 如人口密度，农作物产量等等。 在本课题实现的空气质量预报数据可视化系统中，充分利用了专题图 所具有的对数据观察的直观性，例如在等值线图层的显示中，利用分段专 题图可在地图窗口中对不同浓度的等值线设置颜色，并利用标签专题图为 等值线设置数值标注。 2 2 4 跟踪图层 跟踪图层( t r a c k i n gl a y e r ) 可以用于动态目标的闪烁显示与跟踪。这 个特殊图层并不对应任何空间数据库中的表，图层中的地理对象都是临时 存在的。跟踪图层总是位于地图窗口的最上层，它的最大特点是图形刷新 速度快，因此，跟踪图层为建立g p s 定位系统提供了接口。在城市汽车 管理系统中实现对指定车辆的即时跟踪，随汽车的移动动态显示汽车的位 置。另外，跟踪图层可以管理一些临时产生的地理对象，例如进行标注距 离量测的线段，进行面积量测时产生的临时多边形及随机产生的临时点等。 2 3gi s 设计的原则 ( 1 ) 数据选择 选择数据采用的过滤器可能包括空间的和非空间的属性，或者是两者 的结合，例如针对一个县级行政区划数据，要求检索所有铁路通过并且人 口大于10 万的县。用户可以通过输入一个命令语句，或者通过菜单选择来 填充一个对话框，或者通过鼠标直接操作来选择数据。利用命令语句需要 了解数据表的结构，并且需要对传统的s o l 进行扩展以支持空间过滤。直 接操作选择需要数据显示在屏幕上，它和s o l 查询的组合通常要间接地完 1 i l 山东大掌硕士掌位论文 成。当一些地物显示在相近的位置时，直接操作选择会有二义性。为了方 便用户操作，要提供一些额外的操作，如漫游、放大显示、缩小显示等。 ( 2 ) 数据表现 好的数据表现形式有利于用户直接操作以进行进一步的分析。与标准 的关系数据库相比，在g i s 中，需要更多地考虑其图形显示，以正确地表 达地物对象的含义，并被用户理解。 ( 3 ) 数据处理 g i s 的数据处理由一系列空间的和非空间的操作组成，个设计良好 的g is 应使这些操作更加容易。与标准的关系数据库相比，g is 所管理的 数据更具有面向对象的特征。在g is 软件中，面向对象的界面设计包括将 地理实体( 如点、线、面) 以及一些操作以形象的符号表现出来，使用户 可以通过简单的点击、拖放等操作实现相应的数据处理。 ( 4 ) s q l 传统的s q l 并不能处理空间查询，这是由于关系数据库技术的弱点造 成的。对于g i s 而言，需要对s q l 进行扩展。目前正在制定的s q l m m ，主 要应用于多媒体数据，其中包含了全面的g i s 操作集合。 采用新的s o l 标准，带来了概念上的改变。对于传统的s q l ，要实现 空间操作，需要将s q l 命令嵌入一种编程语言中，如c 语言；而新的s q l 允许用户定义自己的操作，并嵌入到s q l 命令中。 这种扩展的s q l 实际上是增加了面向对象的支持，在g i s 中，称之为 g e o s q l 。由于完全实现g e o s q l 仍然有相当的难度，所以目前大多数g i s 软件的实现思路是，分别输入标准s q l 查询语句以及空间查询，然后分开 处理，最后将结果合并。其缺点是不够灵活。 ( 5 ) 可视化 由于g ls 是基于图形的，其分析和解释的结果通常是以可视化的形式 表现出来。可视化是指为了识别、沟通和解释模式或结构，概括性地表现 信息的过程。空间分析需要考虑信息模式以及空间特征的感受，对于g l s ， 可视化可以描述为从信息到知识的转化过程【o ”。 山东大学硕士学位论文 第三章科学计算可视化 科学计算可视化( v is u a l iz a t i 0 1 1i 1 1s c i e n t i f icc o m p u l in g ，简称 v i s c ) 正式出现于1 9 8 7 年2 月美国国家科学基金会召开的一个研讨会上。 这次会议给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期与长期的研 究方向，标志着v i s c 作为一门学科的正式诞生。 可视化( v js u a l jz a t i o r l ) 技术是利用计算机图形学和图像处理技术， 将数据转化成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方 法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉和计算机辅助 设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题 的综合技术。 3 1 科学计算可视化的基本参考模型 在信息处理的不同领域里提出了各种各样的参考模型，其目的是为系 统开发、应用开发以及教育与培训建立一个统一的理论基础。同样，可视 化系统也需要有一个参考模型，可用于解决如下问题： ( 1 ) 参考模型作为系统的概念性框架可用来对现有可视化系统进行分 类和比较； ( 2 ) 描述可视化系统的主要特点； ( 3 ) 定义一个开放性的可视化系统，以便于对系统现有功能的修改和扩 充； ( 4 ) 有助于建立一个开发可视化领域中图形、图像数据交换格式和外部 接口等标准的基础。 科学计算可视化实质上是科学研究过程中关于计算机辅助后置数据处 理部分，其目的是为科学家提供一种可视的分析手段。通常，研究一种物 理现象时首先要建立一个物理模型，然后将其转化为数学模型，据此提出 计算模型进行计算机模拟，模拟结果数据经可视化处理转换成可视图形或 图像信息提供给科学家作分析研究，验证物理模型的正确性，总结出物理 山东大学硕士学位论文 现象的内在规律。 如图3 l 所示，科学计算可视化系统的组成元素可分为两类，即数据 交换语义层和变换数据的功能模块。图中矩形框表示数据交换语义层，椭 圆框表示数据变换模块。数据交换语义层包含四个层次的数据，即原始数 据( 通常为物理属性数据，如标量、矢量和张量) 、应用数据( 已规范化的 原始数据) 、几何数据( 点、线段、多边形、曲面、体等几何元素数据) 和 图像数据( 像素) 。数据变换模块又可分为两类，一类称为滤波模块，另 类称为映射模块。图中给出了三种滤波模块，分别是数据滤波、几何滤波 和图像滤波，滤波模块的功能是完成数据在同一语义层内的变换。例如数 据的插值或几何数据的分割等。图中给出四种映射模块它们是数据的预 处理、映射、绘制和显示，映射模块的功能是完成数据在不同语义层之间 的变换，例如将温度数据变换成颜色i l “。 总之，实现数据可视化的一般过程为( 1 ) 数据的采集、组织、变换、 压缩；( 2 ) 几何图元的提取和可视模型的构造；( 3 ) 图形的绘制显示i l ”。 交 互 操 作 和 控 制 反 馈 图3 1 可视化流程图 3 山东大掌硕士掌位论文 3 2 科学计算可视化的特点 科学计算可视化有三种主要技术模式，即事后处理、跟踪、驾驭。事后 处理是把计算和计算结果的分析分为两个阶段进行，两者之间不能进行交 互处理；跟踪是针对实时显示的计算结果，判断计算过程的正确与否以确 定是否继续进行计算；驾驭过程使科学家能针对计算过程加以实时控制， 修改或增删某些变量和参数，以保证计算过程的正确进行。目前由于软硬 件性能限制，大量的计算过程还处在后处理阶段。科学计算可视化有利于 辅助决策，这是因为人们对于视觉上直观信息的理解比抽象数值容易的多。 将计算结果以视觉形式显示出来，有利于控制计算过程。研究人员通过对 图形进行自我解释和分析，从而达到科学计算的最终目标一辅助科学决策。 怎样来分析大量、复杂和多维的数据呢? 答案是要提供像人眼一样的 直觉的、交互的和反应灵敏的可视化环境。因此，数据可视化技术的主要 特点是： ( 1 ) 交互性：用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。 ( 2 ) 多维性：可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而 数据可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。 ( 3 ) 可视性：数据可以用图像、曲线、二维图形、三维体和动画来显 示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析。 人的创造性不仅取决于人的逻辑思维，而且取决于人的形象思维。海 量的数据只有通过可视化变成形象，才能激发人的形象思维。从表面上看 来是杂乱无章的海量数据中，找出其中隐藏的规律，为科学发现、工程开 发、医疗诊断和业务决策等提供依据。 这里我们必须区分数据、信息和知识的概念。数据是符号的集合。信 息是有用的数据。信息不等同于知识。信息不能像知识那样去反映数据之 间的内在联系。对于知识，有人主张可分成两类，一类是无法用语言和文 字来描述的，称为隐性知识：另一类是可以用语言和文字来描述的，称为 显性知识。当前，信息就是这种显性知识。只有将数据和信息用图形和图 像表示出来，才有可能为获得十分宝贵的隐性知识创造条件。总之，数据 1 4 山东大掌硕士学位论文 可视化可以大大加快数据的处理速度，使时刻都在产生的海量数据得到有 效利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观 察到数据中隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具：可以实现 对计算和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件， 并观察其影响。 3 3 标量场可视化技术 b r o d l i e 分析了科学计算可视化技术对应的数据模型，提出了由点数 据可视化、标量场可视化、矢量场可视化、张量场可视化等建立的分类体 系 14 】。 本文主要用到标量场可视化技术，标量场可视化是目前可视化技术中 研究较多的领域。二维标量场可看成是二维平面网格点或散乱点上的数据 分布，其关键还是如何构造其插值函数或逼近函数。二维标量场的等值线 绘制是二维标量场可视化的主要技术。如气象中的等压线、地理上的等高 线都是其具体实例。目前常用的等值线追踪算法有正规网格法和三角网格 法。二维标量场可视化的另一技术是曲面造型法，将函数值f ( x ，x ：) 作 为空间第三维，采用造型技术对空间中的一系列点( x ，x 。，f ( x 。，x ：) ) 构 造一张越面，将该空间曲面投影到显示平面上，同时，采用旋转、消隐、 明暗处理以增强三维属性。 曲面的构造可直接采用三角片连接，较好的方式应是采用h e r m i t e 多 项式或b e z i e r 多项式。 对于网格点较密的标量场，如卫星云图、扫描图等，整个定义域被分 割成较密的网格，典型的情况是每一像素对应一个网格点，单元上的每一 点对应于某一颜色值或灰度值，单元内的值可采用插值计算，有两种常用 的图像映射方法，一是采用连续的颜色变化：另一是采用离散的若干种颜 色，前者覆盖了整个颜色空间，适合于观察整个区域的分布轮廓，后者可 用每种颜色值表示一定范围的值，用于观察在每点的各范围值的分布情况。 1 5 山东大学硕士学位论文 3 4 基于o p e n g l 的数据可视化 o p e n g l 是s gt 公司开发的，可独立于操作系统和硬件环境的三维图形 库，已在各种工作站和高档微机中运行，由于其强大的图形功能和跨平台 的能力，已成为事实上的图形标准，其稳定性、可靠性、可扩展性等特点， 赋予了其强大的生命力和应用前景，被人们广泛应用于科学可视化、实体 造型、c a d c a m 、模拟仿真等诸多领域。目前，包括m jc f o s o f t 、s g i 、l b m 、 d e c 、s u n 、h p 等大公司都采用了o p e n g l 作为三维图形标准，许多软件厂商 也纷纷以o p e n 6 l 为基础开发出自己的产品，其中比较著名的产品包括动画 制作软件s o f ti m a g e 和3 ds t u d i om a x 、仿真软件o p e ni n v e n t o t 、v r 软 件w o r l dt o o lk i t 、c a m 软件p r o e n g i n e e r 、g i s 软件a r c l n f o 等等。 o p e n g l 作为一种开放的三维图形库，在交互式三维图形建模能力和编 程方面具有