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华中科技大学硕士学位论文 摘要 f l 空间数据的可视化是空间数据库管理系统中的一个部分。它将空间数据朐管理 与可视化技术结合起来，为空间数据的管理提供了更为直观有效的手段。y 结合空间数据涉及的数据类型多样、数据关系复杂、数据可视化表达方式各异 等特点，通过分析、比较现有的两种空间数据可视化方法，即基于点阵图像的空间 数据可视化和基于矢量图形的空间数据可视化的优劣，提出在空间数据的可视化显 示和可视化查询中引入可扩展矢量图形( s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ，s v g ) 的思想，内容 涉及基本空间对象的可视化表示、空间数据的语义可视化、空间信息的可视化查询、 空间数据格式转换等几方面。 在仔细分析了s v g 的产生、特点、对图形元素的表示方法以及s v g 提供的动 画与交互功能之后，总结出s v g 在空间数据可视化表示和交互方面所具有的独特优 越性，并对s v g 在w e b g i s 可视化客户端中的应用前景进行了探讨。在国产分布式 数据库管理系统d m s d b 的基础上，设计基于s v g 的w e b g i s 的客户端并实现包括地 图分层管理，地图放大、缩小、漫游，对地图元素进行编辑以及对于图形和属性信 息的可视化查询等基本功能。针对分层管理功能，s v g 通过分组来实现，所有的图 层数据都在一个s v g 文档中，各个图层的通过分组的i d 值来标示，并在脚本中嵌入 j a v a s e r i p t 语句完成隐藏和显示图层的功能。针对客户端的图面操作，包括放大、缩 小、漫游、全图等，都可以通过使用s v g 提供的动态交互功能实现，主要做法是在 视口范围不变的情况下，按照具体的图面操作的需要通过脚本语言如j a v a s e r i p t 语言 对s v g 的v i e w b o x 属性值进行操纵，也就是进行坐标系变换。 关键词：可疯衫空间磊的可视化 地理信息系统：可扩展矢量图形规范 华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t v i s u a l i z a t i o no fs p a t i a ld a t ai sap a r to fs p a t i a ld a m b a s em a n a g e m e n t s y s t e m i t c o m b i n e st h em a n a g e m e n to fs p a t i a ld a t aa n dv i s u a l i z i n gt e c h n o l o g y , p r o v i d e su sam o r e d i r e c ta n dm o r ee f f i c i e n tw a yt om a n a g eo u rs p a t i a ld a t a b ya n a l y z i n ga n dc p m p a r i n gt w ov i s u a l i z i n gm e t h o d so fs p a t i a ld a t a ，o n ei sb a s e do n l a t t i c ei m a g e sa n dt h eo t h e ri sb a s e do nv e c t o ri m a g e s ，r a i s ea p o i n to fi n t r o d u c i n gs v g i n t ov i s u a l i z a t i o no fs p a t i a ld a t a i ti n v o l v e ss e v e r a la s p e c t s ，i n c l u d i n gv i s u a l i z i n gm a i n s p a t i a lo b j e c t s ，v i s u a ls e m a n t i c s ，v i s u a lq u e r ya n ds oo n a f t e ra n a l y z i n gs v g sc h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n s ，d i s c u s s i n gt h ef o r g r o u n do ft h e a p p l i c a t i o no fs v gi nt h ev i s u a l i z a t i o no fs p a t i a ld a t a , r a i s e dap o i n to fd e s i g n i n gac l i e n t o fw e b g i sw h i c hi si n t r o d u c e ds v ga n db a s e do i ld m - s d bd a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m o nt h i sc l i e n t , p e o p l ec 粕r e a l i z et h e i ru s e so fm a p s i n c l u d i n gd i s p l a y , e d i t , v i s u a l q u e r ya n ds oo n s v gp r o v i d e s t om a n a g ed i f f e r e n tm a pl a y e r s a l ll a y e r sa r ei n s a m es v gf i l e d i f f e r e n ti dp r e s e n t sd i f f e r e mm a pl a y e r t h r o u g he m b e d d i n gj a v a s c r i p t l a n g u a g ei ns v gf i l e s ，w ec a ni m p l e m e n tt os h o wo rn o tt os h o wam a pl a y e r s v g p r o v i d ed y n a m i ca l t e m a t i o nf u n c t i o nw h i c hc a nh e l pu st oi m p l e m e n tt h ef u n c t i o no f z o o m i n gi n ，z o o m i n go u t ，r a n g i n ga n ds h o w i n gt h ew h o l em a p t h em a i n m e t h o di st os e ta n e wv a l u et ov i e w b o xo fs v gf i l eu s i n gj a v a s e r i p tl a n g u a g e k e y w o r d ：v i s u a l i z a t i o n ；v i s u a l i z a t i o no fs p a t i a l d a t a ；g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ；s c a l e a b l ev e c t o rg r a p h i c i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 l 绪论 课题来源：科技部中小企业技术创新基金无偿资助项目安全空间数据库系 统( d m - s d b ) ，是其中的一个子系统。其目标是在本所设计开发的国产分布式多媒体 数据库管理系统d m 3 的基础上，支持对空间数据的可视化。 随着人们对信息需求的提高，一种新的概念即空间信息以及它的重要性逐渐为 人们所了解和认识。能够迅速有效地管理空间数据，根据其空间属性进行分析，对 于当今的企业来说，变得十分重要。这使原有的信息处理方法如数字信号处理、数 字图像处理等已不能完全满足用户准确、直观、迅速、可交互、分布式的多样性需 求，如何处理这些信息成为紧迫问题。与计算机相关的数据库技术、计算机视觉、 计算机图像处理、计算机图形学、计算机辅助设计、人机交互界面等科学技术都朝 着综合化、可视化的方向发展。可视化成为理解复杂现象和大规模数据的重要工具。 可视化是8 0 年代中期诞生的一门综合计算机数据处理、图像( 图形) 显示、辅 助设计等技术的交叉学科。n c s a ( 美国国家超级计算应用中心) 是国际上从事可视化 研究的权威单位，早在8 0 年代，n c s a 就进行了大量的可视化算法与软件的研究与开 发，推出了n c s a i m a g e 、i m a g e t o o l 、n c s a d a t a s c o p e 、n c s a p a l e d i t 以及 n c s a c o m p o s i t e t 0 0 1 等可视化软件工具，并致力于高性能交互可视环境的研究。在国 内，清华、北大、国防科大、中科院软件所等单位相继开展了可视化技术的研究， 其领域包括可视化算法的研究及可视化工具的开发，北京应用物理与计算数学所的 r x y d r x 足圉内可视化系统的她弛代袤 在地图学领域内，用户砥对的是大量的空间数据和怎样处理这些数 ：i ! ：的l 、u j 题： 怎样才能使人们按照自己的习惯，依靠视觉感知在地图上做规划? 空间数据可视化 的提出正好解决了这个新问题。它的产生不仅活跃了数字技术条件的测绘技术，同时 也强化了以空间数据为基础的各分支学科的联系。木课题就是在这样的背景下丌展 起来的。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 可视化研究历程 1 9 8 7 年，美国国家科学基金会( n s f ) 提出了一份报告，界定了科学计算可视化的 范围：“可视化是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法，以便研究者能够观察 其模拟和计算的过程和结果。可视化包括图像的理解和综合，也就是说，可视化是 一个工具，用来解释输入计算机中的图像数据和根据复杂的多维数据生成图像。它 主要研究人和计算机怎样协调一致地接受、使用和交流视觉信息”。 科学可视化可以追溯到六十年代，英国罗斯福实验室和卡尔汉( c u l h a m ) 实验 室的科学家们已经开始制作科学数据的动画片系列，如卡尔汉实验室的g h o s t ，它在 七十年代起就广泛用于英国的科学研究。又如罗斯福实验室的g r o a t s 和剑桥c a d 中 心的g i n o 。 八十年代，科学可视化发展的重要趋势是由科学家独立编写程序向直接利用软 件包方向发展。他们的工作方式是建立用于实践目的的数据库，并将此数据库与可 提供各种菜单选择的软件包相结合。这一方式比独立编写程序简便得多，但以牺牲 灵活性为代价。 进入九十年代，可视化的实现主要利用积木式( b u i l d e r ) 系统，如a v s 和i r i s e x p l o r e r 。利用“指向和拾取界面”( p o i n t a n d c l i c ki n t e r f a c e ) ，研究者选择出 类似予以前的g h o s t 和g i n o 图书馆中所提供的子程序的模型，为数据确定在模型之 间传递的途径。即可容易的完成可视化过程，并在可视化系统内完成整个计算。 可视化技术发展过程中，软件工作者和工程技术人员针对不同研究领域的不同 用途开发出了许多可视化软件。国外在9 0 年代初已陆续推出了一些较为成功的可视 化软件系统。如后处理型的o h i o 州立大学开发的p a e ，w a v e f r o n t ，p v _ w a v e ，g a s 和 r i p ，跟踪型的如s t e l l a r c o p u t e 公司研制的a v s ，驾驭型的如j z 等，还有s g i 公司 开发的商品化软件i r i s e x p l o r e r 。另外一些常见的有限元软件的可视化后处理功能 也非常强，象a d i n a s u p e r s a p 、l d e a s 等。不过，大多数的软件都是运行在大型工 作站上，除了一些分析绘图软件包，如科学计算工具箱，g r a f t o o l ，c o r e l d r a w 等之 外，微机版的可视化软件还不多见，而且这些软件各有自己的用途，一般来说系统 2 华中科技大学硕士学位论文 价格比较昂贵，软件扩充及二次7 r 发相当困难”1 。 国内可视化软件的开发工作还刚起步，不过也取得了一些可喜的成绩，象华中 理工大学c a d 中心刀：发的有限元可视化系统f e v s ( f i n i t ee l e m e n tv i s u a l i z a t i o n s y s t e m ) ，西北工业大学c a d c a m 研究中心开发的v i f e m r e ( v i s u a l i z a t i o no ff i n i t e e l e m e n tm e t h o dr e s u l t s ) ，浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发的g i v e ( g e n e r a l i n t e r a c t i v ev i s u a l i z a t i o ne n i r o n m e n t ) 等，这些软件通用性及交互能力不强，而 且大都是基于传统可视技术开发成功的，如何尽快的开发出比较通用的能够运行在 高性能微机以及工作站上的并且能够真正反映可视技术发展水平的可视化软件，是 我们当前软件工作者和工程人员的一项重要课题。 当前，可视化研究基本还停留在事后处理与跟踪方式，交互驾驭方式的研究尚处 于探索研究阶段。 1 2 2 空间数据可视化研究进展 随着计算机技术的发展，数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数 据的可视化，而且包括工程数据和测量数据的可视化。学术界常把这种空间数据的 可视化称为体视化技术。空间数据的可视化是空间数据库管理系统中的一个部分。 它将对空间数据的管理与可视化技术结合起来，为空间数据的管理提供了更为直观 有效的手段。空间数据可视化的研究包括基本空间对象的可视化表示、空间信息的 可视化查询、空间分析结果的可视化描述、语义可视化、时空关系的可视化描述、 可视化算法等多方面。涉及到数据库研究的诸多领域。 1 空间数据可视化表示的研究 空间数据的可视化最基本的含义是空间数掘的屏幕显示，即用户在选择了视觉 变量( 尺寸、色彩、纹理等) 的鉴础上，进行全要袭的显一：、分幽层的j & 川j 或力k 域的 显示，等等。但是这样表示的不同属性的空间数据只能用不同的尺寸、色彩、纹 理来区分，达不到数据形象化的效果。所以数据的符号化也是可视化的一个重要方 面，利用g i s 工具软件强大的符号设计功能把空问数据符号化，并配以相应的图例 说明，便可以把空间数据搬上屏幕，以达到可视的效果。 在地理信息系统中，常用的数掘模型有矢量、栅格模型，以及矢量栅格混合模 型。矢量模型是本世纪六、七十年代发展起来的面向点、线、多边形等地理特征 华中科技大学硕士学位论文 ( f e a t u r e ) 的数据模型，构成地理景观的各种物体的二维几何坐标位置通过数据链表 ( l i s t ) 连接，在g i s 软件中，主流是矢量格式的，如占g i s 市场份额最大的e s r i 公 司的a r c i n f o 。栅格模型用二维离散的网格表示地理场景。一方面能够进行逐点处 理和块操作，具有较强的空间分析和操作能力。另一方面，能进行快速的浓淡绘制， 因此，在规则= 维格网( 如矩形格网g r i d ) 和不规则格网( 如三角格网t i n ) 的基 础上，人们实现了对地表的三维立体的显示o ”。 2 可视化查询语言研究 传统的数据库查询语言是文本交互方式，随着应用的普及和深入，查询逐渐由 文本向可视化的方向发展。主要是通过可视化的查询语言，实现对数据库的内容及 与之相关的图表进行形象化、直观化的查询操作。即查询的结果不仅包括数据，还 包括与之相关的形象化的图形、表格或文字。可视化的形式多种多样，l o l i s e “1 将其 分类整理为图标、表格、时问直方图、流程图、地图、工程图、二维平面图、三维 逼真图、动画等几大类。其中，图标是其它几类的基础。c h a n g 。1 给图标下了一个明 确定义：图标可以用一个二元组 x i ，x m 来描述，x i 表示图标的物理部分( 图标中用 于可视化的图形) ，x m 表示图标的逻辑部分( 图标所表示的意义) 。 ( 1 ) 图标查询语言。l e e 和c h i n ”3 设计了一个图标查询语言，用户通过从预先定 义的图标集中选择空间关系来构造一个查询。图标式查询语言的缺点是：预先定义 的空闯拓扑关系只是拓扑空间关系的一个子集，应用该语言不能描述出所有的空间 拓扑关系。 ( 2 ) 画图式查询语吉。另一种典型的可视化查询语言是q u e r y b y s k e t c h ”3 。 在该系统中，用户用笔画图，表达出空问关系，通过若干次人机交互，直到系统完 全理解用户的意图，然后进行用户要求的查询。这种画图式查询语言可以表示出所 有的空间拓扑关系，但人机相互理解困难。图标式查询语言和s k e t c h in g 画图式查询 语言可以解决部分查询问题。但是，它们都只足对静态的空问| f i 4 1 、灭系进jr 夼h u 处 理，并且没有考虑对象的时态特征及一个对象的时态( 或时空) 变化对另外若干对象 的时态( 或时空) 产生的影响。 3 可视化算法研究 由于可视化计算脱胎于计算机图形学，而且图形学也发展得，州拧成熟，自n 珑f | i 了一大批优秀的算法。传统的可视化技术是沿袭了图形中曲线曲面能有效的表现复 华中科技大学硕士学位论文 杂对象，通过从数据场中提取曲线信息和曲面边界，重新构造数据场。比较有代表 性的是m a r c h i n g c u b e s 方法。等值面等曲面信息的提取和重构成为早期可视化研究 的主要方向，但这种方法在数据场重构过程中大量整体信息被丢失，造成对整体信 息的理解出现偏差。 第二个方面是剖面显示技术，这主要得利于医学领域中对c t 扫描信息的处理， 如何利用最新的软硬件资源，把大量的二维信息通过某些更有效的算法，将信息重 构、叠加成能真正准确显示人体的三维物质场分布，做到生成图像能反映出细小的 物质差别，为医疗诊断提供准确的判断依据，是剖面显示技术研究人员所必须解决 的重大问题。 计算可视化技术发展的一个突破性进展便是体绘制( v o l u m e r e n d e r i n g ) 技术的 出现。对基于体绘制算法的可视技术的研究是当前可视技术的研究热点。这些算法 大都用离散方法加以实现，如l w e s t o v e r 提出的以物空间为序的体绘制法和m l e v o y 提出的以像空间为序的体绘制算法。在具体的处理过程中，体绘制算法分成两大类： 光线追踪法( r a y _ t r a c k i n g ) 和投影成像法( p r o j e c t i m a g i n g ) 。在体绘制过程中，所 有俅元都对结果图像产生影响，因而不会丢失数据场所包含的信息。但是，由于微 i 机在图像处理、数学计算等功能较弱、速度较慢，因此在可视化实现上，对计算量 十分敏感，体绘制速度相当慢，难于实现交互操作， 1 2 3 地理信息系统研究 1 2 3 1g i s 可视化技术主要为地理空间数据提供了两方面的应用领域：一是为用户提供过 去没有的空间认知工具，如i 乜予地图和虚拟h ：境等；二足l i ，视化川j ：优化、巫新数 据库本身，并强化数据的直接应用，如用于检测数据精度，- 丌发知识和数据挖掘等。 目前，空间数据的可视化广泛应用于遥感技术r s ( r e m o t e s e s i n g ，r s ) 、全球定位技 术g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，g p s ) 、地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 构成的3 s 技术中。 其中，最值得一提的是g i s ，现在已具有a r c i n f o 、h u t o m a p 、m a p g i s 、m a p l n f o 华中科技大学硕士学位论文 及i d r i s 等多种开发平台。g i s 的独特之处在子能够同时管理地理空间数据信息和数 据库属性数据信息，将空间和属性信息有机地结合起来，从空间和属性两个方面对 现实对象进行查询、检索和分析，并将结果以各种直观的形式准确、形象地表达出 来。 目前各大关系数据库都推出了管理空间数据的商业g i s 软件，如e s r i 的s d e 、 o r a c l e 的s p a t i a lc a r t r i d g e ( 或最新的o r a c l es p a t i a l ) 、m a p i n f o 的s p a t i a l w a r e 等。a r c s d e 是e s r i 公司推出的一个空间数据库引擎，其目的在于通过s d e 这样一 个连续的空间数据模型，将空间数据加入到关系数据库管理系统( r d b m s ) 中去。 o r a c l e 提供一个空间对象数据类型s d o _ g e o m e t r y 以及相关的索引功能和对空间数据 类型的操作函数。m a p i n f o 是美国m a p l n f o 公司开发的在世界上处于领先地位的标 准桌面地图信息系统，它的最大特点就是实现了空间数据可视化，m a p i n f o s p a t i a l w a r e 是m a p i n f o 公司最新推出的空间数据库服务器，它的主要作用是能够在 数据库服务器上实现对属性数据和空间图形对象数据进行统一的管理删。我国的地理 信息系统起步较晚，但也相继开发一些较为成功的系统，如北京大学的c i t y s t a r ， 渭l 地矿部支持的由中国地质大学( 武汉) 开发的m a p g i s 等地理信息系统，已在国内 的各个领域得到广泛的应用。 在使用g i s 的过程中，人们希望不必操作文件就能够通过可视化更加容易地找 到解决复杂空间问题的方法，希望拥有个动态的、可视化的、交互的环境来处理、 分析、显示他们的多种地理数据，这就对g i s 提出了空间可视化的要求。g i s 的空间 可视化主要包括两个方面内容。一方面是空间地物轮廓特征的可视化。另一方面还 包括对空间分布的地物的属性信息的图形可视化，这一点是由g i s 的个重要特征 来保证的，即g i s 实现了空间信息和属性信息的集成管理，并能够完善地建立二者 之间的联系，这样空间地物的专题属性特征就可以通过g i s 工具实现具有空间参照 信息的可视化。 为了给探讨性数据分析的入口和环境提供更大的便利，g i s 可视化功能在下列9 个方面需要更进一步的完善。1 。 1 对数据和功能采用人机交互图形存取，以便设计出更好的用户界面。 2 图形编程和应用模块。 3 把数据三维视图与人机交互操纵视角和显示参数结合起来。 华中科技大学硕士学位论文 4 为描绘数据、人机交互操纵数据和逼真显示数据提供可视化技术，即提供图像 和复杂的环境背景。 5 为连续的和相邻的数据提供面示意图和动画技术。 6 多种分辨率显示数据，并允许实时放大或缩小比例。 7 数据质量可视化。 8 多重数据层结合视图。 9 连接面与以地图为基础的视图，并进行统计绘图。 1 2 3 2w e b g i s 随着g i s 技术与计算机网络技术的快速更新和发展，在因特网上实现g i s 应用 日益引起人们的关注，建立w e b g i s 系统成为近年来g i s 研究领域的一个热门话题。 w e b g i s 与一般基于因特网的信息系统相比，最大特点是在空间框架下实现图形、图 像数据与属性数据的动态连接，提供网上查询和空间分析功能。从互连网的任意一 个用户上使用浏览器( 如i e ，n e t s c a p e 等) 就可以浏览w e b g i s 站点中的空间数据、 制作专题图、进行地理信息的空间分析和空问查询，从而给w e b 的信息发布加上了 地理信息系统这一直观的工具，使人们通过w e b 浏览查询信息更方便，也使g i s 通 过w e b 得到了普及。由于w e b g i s 的重要性和它提供的巨大商机，世界各大g i s 厂商 纷纷推出自己的w e b g i s 方案，较为成熟的有m a p l n f o 公司的m a p l n f op r o s e v e r ， i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i aw e bm a p ，e s r i 公司的i n t e r n e tm a ps e v e rf o ra r c v i e w m a p o b j e c t ，a u d o d e s k 公司的m a p g u i d e ，b e n t e l e y 公司的m o d e l s e r v e r d i s c o v e r y 等。国内的有北京神，r l 通网络技术有限责任公司与联想集团共同刀：发的c d w e b g i s 。 这些产品都可运行于当前的w i n d o w s 环境“0 1 。 与传统g i s 相比，w e b g s 使原来些j ：j n 机或j 1 4 域州的( jj s 扩j 陡到牝1 、特m ， 使得地学数据和地学模型有可能在全球范围内共享。越来越多的人成为w e b g i s 的使 用者，而且大多数都不是专家用户，怎样展现空间数据，使人们能够简单方便的获 取有刚的信息，已经成为w e b g i s 必须解决的一个问题。另一方面，虽然g l s 数据库 中的数据类型多样，包括控制点数据、遥感影像( 包括航片) 、矢曩地同、点阵地罔、 d t m 和属性数据等，但w e b g i s 系统受网络带宽的限制，所发柿的数据一般为矢量地 图和点阵地图，采用什么数掘类型来展现空问数据，可以使广大用户更快捷的获取 7 华中科技大学硕士学位论文 信息，这也是一个需要考虑的问题。可以看出，空间可视化在w e b g i s 系统中变得越 来越重要。下一节，我们将介绍几种能够为w e b g i s 的可视化提供支持的语言。 i 2 3 3w e b g i s 的可视化支持 在网络发展的初期，h t m l 曾对w e b 服务起到推波助澜的作用：为了能更加适应 w e b 的发展与应用，万维网协会( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ，w 3 c ) 制定了扩展标 记语言x m l ( e x t e n tm a r k u pl a n g u a g e ，) ( m l ) 来表达日益丰富的w e b 内容。x m l 超出 了h t m l 的能力，他提供了一种广泛且无限运用的数据描述方案。近年来的浏览器版 本( i n t e r n e te x p l o r e r4 0 以上版本) 能够解释和理解用x m l 编码的数据和指令。 数据和指令放在不同的包中，这样x m l 就将内容和表现分离。地理标记语言 g m l ( g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e ，g m l ) 、矢量标记语言v m l ( v e c t o rm a r k u p l a n g u a g e ，v m l ) 和s v g 都是基于x m l 的可用来描述矢量图形的标记语言，都是x m l 词 表，它们的语法并不难理解，但它们都有各自不同的用途和特点。 1 g m l 是基于x m l 的空间信息编码标准，由开放地理信息系统协o g c ( o p e n g i s c o n s o r t i u m ，o g c ) 提出，得到了许多公司的大力支持，如o r a c l e 、g a l d o s 、m a p l n f o 、 c u b e w e r x 等。运用曝札，封装的地理数据和图形解释是清楚分离的。g m l 基于x m l 用 文本表示地理信息、封装了地理信息及其属性、封装了空间地理参考系统、并且可 以实现地理数据的分布式存储& x m l 将内容与表现分离的机制对g m l 来说是很重要的， 因为它将内容( 地理数据) 和表现( 图片和地图) 分开了。g m l 关注于现实世界中事 物的属性和几何信息。如何可视化的表现这些信息( 比如用什么颜色和线宽等) 才 能通过不同的方式将表达和内容分离。g m l 数据就可根据不同的设备用不同的方式可 视化的表达。 2 v m l 是一个最初由m i c r o s o f t 开发的x m l 词表，现在也只有i e 5 0 以上版本 对v m l 提供支持。使用v m l 可以在i e 中绘制矢量图形，所以有人认为v m l 就是在i e 中实现了画笔的功能。v m l 基于x m l 标准，易于扩展；v m l 支持广泛的矢量图形特征， 它们基于由相连接的直线和曲线描述路径；v m l 由文本构成图像，可集成到h t m l ， 通过在h t m l 中声明v m l 命名空间并声明处理函数，就可以和其他h t m l 元素一样使 用v m l 元素，在客户端浏览器显示图像，v m l 标记里面可以定义d h t m l 大部分属性和 事件，比如说i d ，n a m e ，t i t l e ，o n m o u s e o v e r 等等；v m l 支持交互与动画，但它的 华中科技大学硕士学位论文 功能不只是绘图，还可以在图形中嵌入文本、实现超链，以及通过脚本语言实现一 定的动画功能。 3 s v g 是一种基于x m l 的丌放的矢量图形描述语言。s v g 的全称是可伸缩的矢 量图形，采用的是像m a c r o m e d i a 的f l a s h 技术一样的矢量图形格式，矢量图形最大 的特点是图像可以任意放大或缩小而不损失任何细节。然而，s v g 所带来的不只是这 些，它可以对图形元素精确定位、可以内嵌字体、可以增加防锯齿功能，以及添加 各种效果滤镜，w e b 图形制作高手再也不用把他们精心设计好的作品存成j f ) e g 或p n g 等点阵格式，不用再担心分辨率的不同，缩放自如的s v g 可以保证它们在客户端绘 制出来之后都是相同的效果，它给w e b 上的图形设计带来的将是一场革命。 当然s v g 并非仅仅是一种图像格式，山于它是一种基于x m l 的语言，也就意味 着它继承了x m l 的跨平台性和可扩展性，s v g 可以内嵌于其他的x m l 文档中，而s v g 文档中也可以嵌入其他的x m l 内容，各个不同的s v g 图形可以方便地组合，构成新 的s v g 图形，从而在图形可重用性上迈出了一大步。s v g 同样支持使用层叠样式c s s 或可扩展样式语言x s l 来定义它们的样式，比如说填充颜色和线型等等，只需要通 过修改几个c s s 就可以用同一个s v g 文档创造出各种不同的表现。 s v g 具有设计完善的文档对象模型d o m ( d o c u m e n to b j e c tm o d e l ，d o m ) 接口， 使各种编程语言和脚本语言可以方便地剥它的每一个元素进行操作。s v g 内嚣了对于 j a v a s c r i p t 的支持，利用j a v a s c r i p t ，可以为s v g 添加引人入胜的交互程序，比如 将某个图形元素移动或变换，而不是整幅图像的切换，这些将会为空间数据的可视 化提供更加有利的工具。 最关键的是，它也是完全用普通文本来描述的。也就是说，这是一种专门为网 络而设计的基于文本的图像格式。它的文件尺寸小，和点阵图像相比，有利于空间 数据在网络上的传输和显示。其灵活的文件格式、优越的交互功能，可以很好的解 决图形数据在客户端浏览器上的交互问题。 g m l 、s v g 、v m l 都与矢量图形有着密切的关系：g m l 在表示实体的空间信息的同 时加入了实体的其他属性信息，是表永灾休的空问信息和属性的编码标准，但它并 不支持直接显示图形。而v m l 和s v g 足在表示图形的矢量信息i 再j u , j 加入了图形的显 示信息( 即以什么样的样式显示矢量图形) ，足显示欠量图形的蹦种比较好的格武。 相比之下，s v g 是综合了v m l 的优点后推出的，是国际标准，它比v m l 具有更多的优 9 华中科技大学硕士学位论文 点，也有更广阔的前景。在后面的章节里，我们将更详细地介绍s v g ，以及它在空间 数据可视化中的应用。 1 3 本课题的内容和目的 空间数据的特点有：一是涉及的数据类型多样，既有规则分布的数据，也有尺 度不同的点、线、面数据；二是数据关系复杂，有空间结构方面的，又有属性变量 方面的；三是数据可视化表达方式各异。这些特点的融合是软件开发中需要考虑的 因素增多，设计与开发难度大大增加。 本课题的研究目标是在国产分布式数据库管理系统d m _ s d b 的基础上，研究空间 数据的可视化，解决相关关键技术并研制空间数据可视化软件。并将作为w e b g i s 系 统的客户端子系统，内容涉及基本空间对象的可视化表示、空间数据的语义可视化、 空间信息的可视化查询、空间分析结果的可视化描述几方面，预计要实现以下目标： 1 设计一个基于s v g 图形的w e b g i s 客户端功能实现网页； 2 实现d m 3 空间数据的可视化表示； 3 编制对s v g 图形的放大、缩小、漫游、全图等操作的程序： 4 实现在s v g 图形界面上对空间数据对象的可视化查询。 l o 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = ：= ： ：= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 空间数据可视化设计方案、 本章在介绍了可视化策略、交互式可视化的要求和可视化工具的一般评价标准 之后，对空间数据可视化方案进行了论证，分析比较了现有的两种常用方案：基于 点阵图像的可视化方案和基于矢量图像的可视化方案，最后提出了一种基于s v g 的 可视化方案。 2 1 可视化策略及可视化工具评价标准 1 可视化策略 可视化是一种计算技术，它将符号转换成几何，使研究者能观察到他们的研究 工作。它变不可见为可见，丰富了科学发现的途径，给予人们意想不到的启示，在 众多的学科领域使科学家的研究方式发生了根本改变。 可视化包含图像理解与图像综合，它是由复杂的多元时变数据集产生图像的工 具，它研究人与计算机在感知、应用、交流视觉信息方面的方式方法。可视化涉及 下列几个相关领域：计算机图形学、图像处理、计算机视觉、人机界面、信息处理、 c a d 。可视化的一般过程如下：计算数据的采集、组织、变换、压缩：几何图元的提 取和可视模型的构造；图形的绘制与显示。 按用户和数据间交互方式的不同，可视化策略可分为三种。 ( 1 ) 事后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。也即可视化过程在数据计算完成之后才开 始。 ( 2 ) 跟踪( t r a c i n g ) 。跟踪方式下随着计算的推进可以做一些可视化工作，要 求显示中间结果，允许监控程序在达到目的或出现异常时终止计算过，因而具有一 定交互性。 ( 3 ) 驾驭( s t e e r i n g ) 。驾驭是充分交互的，计算与数据的可视化同时进行，并且 可以根据当前计算状态对计算过程进行实时交互控制。 2 交互式数据可视化的要求 交互式数据可视化的要求是非常准确地确定环境数据的特征，具体包括八个方 面的内容。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 实时人机交互：图形用户界面允许交互选择及以下操作：显示参数，即 坐标轴、颜色、高度、阴影、面纹理、图例等；视角和目标位置；显示目标和 属性；目标的分辨率和类型。 ( 2 ) 交互式查询：通过在图或面上选点，用鼠标指示颜色或符号的编码值，进 行数据值的交互式查询。 ( 3 ) 数据的二维视图：轮廓线图、图像、图形、直方图、散射图、方格网、散 射矩阵。 ( 4 ) 数据的三维视图：用不同的显示方式( 彩色、阴影、透明) 表示格网数据的 面或者线框，对于面视图，x 和y 坐标作为数据的地理参考总是固定不变的，但z 坐 标还能够通过高程以外的其他属性确定，数字高程模型通常决定了显示面的基本形 状( x 、y 、z 坐标) ，并且能被不同的属性层所覆盖( 彩色编码) ，显示面的实际z 坐标 在显示时需能依比例缩放，这对于在一个窗口用不同的数值查看多个数据是必要的。 ( 5 ) 动画：察看时序和复杂景物旋转。 ( 6 ) 多个连接窗口：使得多个数据视图能够同时打开，并且一个窗口的数据操 作将立即刷新其他窗口的内容。 ( 7 ) 接受不同类型的数据：规则的或不规则的格网数据，连续的或离散型的数 据及时间型或地理参考数据。 ( 8 ) 开放式结构：可视化工具软件为g i s 和数据库系统提供端口。 3 用于计算机科学研究的可视化工具的一般评价标准 可视化的目的是令你发现尚不了解或明白难于理解的东西。而不是仅仅画出了你 己非常了解的东西。可视化工具必须能在无需用户参与的情况下提供有意义的显示， 从而达到启发用户的效果。如果一切显示的安排都要在用户控制下进行，那么就等 于要求用户对可视化的对象非常了解，也就失去了可视化的指导意义，充其量只是 一个教学软件。所以可视化中的信息组织非常关键。此外，可视化要首先强调使用 价值，视觉效果则次之。因此评价可视化的一般标准有八个方面。 ( 1 ) 可视化模型适合所求解的问题。 ( 2 ) 具有良好的可扩展性，可视化应尽量避免固有的限制。 ( 3 ) 色彩运用得当。 ( 4 ) 具有良好的可交互性。 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 能提供有价值的图表显示。可视化是确认可视化对象的手段，而把可视 化对象的有关数据以图表方式显示出来是最简单明了的方法，这种方法把可视化对 象及其性能数据同时展示给用户。为此，可以提供一个交互机制，允许用户用鼠标 请求图表显示。 ( 6 ) 具有缺省显示，且能提供足量的有用信息。为了产生一个显示，不应要求 操作者具备复杂的知识或必须从一大堆参数集里进行选择。因为可视化的性质是指 导性的，如果让用户来选择显示内容，那么受用户本身对问题理解程度的限制，这 种选择可能是杂乱无章的。所以，一个可视化工具应提供一组缺省显示，使得它们 在大多数情况下能为研究者提供足够多的信息。 ( 7 ) 避免罗列底层细节。 ( 8 ) 控制力求简单，尽可能减少可视化工具中的选择按钮。在一个可视化工具 中可能设置了许多选择，但要保证仅有少数相关选择是可见的。减少选择将使控制 更加简单，因此产生有用的结果也更加容易。如果一定要提供某些用户一种机制来 选择许多控制，那么也要把这些控制隐减起来，只在需要时显示。 2 2 空间数据可视化方案论证 现有的实现空问数据可视化的方法有两种：一种是基于点阵图像；另一种基于矢 量图形。这两种方案各有特点和优势，下面将依据上文介绍的部分要求和评价标准 分别对这两种方案进行分析。 2 2 1 基于点阵图像的可视化 在这种方案中，由于使用点阵图像来进行窄阳j 数据的可视化，而点阼罔傍不具 备交互性，所以，基于点阵图像的可视化实际上只给用户提供了一个叮视化图形终 端，所有对图形的操作都必须通过其他方法进行。 1 显示 地形图的显示采用点阵图像，如g i f ( g r a p h i c si n t e r c h a n g ef o r m a t ，g i f ) 、 j p g ( j o i n tp h o t og r a p h i c ，j p g ) 等。之所以朵川点眸图像格式的图像，足幽为l | 时 的网页编辑语吉i i t m l 支持点阵图像，而对矢撼图形缺乏支持。g i f 、i i g 是目前比较 华中科技大学硕士学位论文 流行的网络图像格式，由于其文件尺寸小等优点，在网络上的应用比较广泛，下面 分别对它们进行分析。 ( 1 ) j p g 。j p g 是按j o i n tp h o t og r a p h i ce x p e r t sg r o u p 制定的压缩标准产生 的压缩格式，属j p e gf i l ei n t e rc h a n g ef o r m a t ，可以用不同的压缩比例对这 种文件压缩，其压缩技术十分先进，对图像质量影响不大，因此可以用最少的磁盘 空间得到较好的图像质量。 j p g 的优点是： 它支持极高的压缩率，因此j p g 图像的下载速度大大加快；它 能够轻松地处理1 6 8 m 颜色，可以很好地再现全彩色的图像；在对图像的压缩处理 过程中，该图像格式可以允许我们自由地在最小文件尺寸( 最低图像质量) 和最大 文件尺寸( 最高图像质量) 之间选择；该格式的文件尺寸相对较小，下载速度快， 有利于在目前带宽并不“富裕”的情况下传输。 p g 的缺点是：当j p g 图形应用于网络时，并非所有的浏览器都支持将各种j p g 图像插入网页。压缩时，可能使图像的质量受到损失，因此不适宜用该格式来显示 高清晰度的图像。 ( 2 ) g i f 。g i f 表示图像交换格式，它是一种2 5 6 色的图像格式，最初开发并用 于c o m p u s e r v e 信息网络。该格式的开发目的旨在向c o m p u s e r v e 的订阅者提供一种 通用图形格式，这样就可以不必考虑用户使用的平台为m a c i n t o s h 、p c 或a m i g a ，自 由地交换图像。 它的优点是：g i f