（地图学与地理信息系统专业论文）虚拟现实场景中的三维时态gis应用.pdf

摘要 摘要 三维空间信息可视化是数字流域亟待解决的关键技术，是地球空间信息技术发 展的基础，对流域水资源管理是十分重要的。目前数据信息的二维表现方式已不能 满足现代化管理的需要，如何利用三维可视化技术表达各类信息，并将其与水力学 模型相结合分析流域中水流过程的变化规律是急需解决的问题。虚拟现实g i s 是三 维g i s 、可视化技术和虚拟现实技术结合而形成的新一代g i s 系统，它是构建数字 流域必不可少的元素。 g i s 在水文集成应用方面存在时态问题，水文要素的地理空间主要描述了水体 的运行环境，这些水文要素随着时间不断地变化，但传统的g i s 侧重于空间数据与 属性数据的表达和分析，在时态性方面则比较欠缺，这就严重阻碍了两者之间的集 成。因此系统采用“二元结构g i s 来解决这些问题。系统中时态地理信息系统的 时态特征体现于河网水流的演示，它不仅描述了河道在某时刻的水流状态，而且描 述了水流沿时问维变化的过程。 系统中包括地球和流域两个场景，其中流域的两大基本要素是地形和河道。本 文以长江澄通段的河道及其周围的地形和长江支流沿渡河流域附近的地形为主要对 象，利用三维可视化技术将d e m 地形和河网表达在三维场景中，对流域三维可视 化虚拟场景构建及动态演示进行研究，着重探讨地形的相关处理和河道水流的模拟 演示的解决方法。在二元结构g i s 中模型对象负责计算流场数据，g i s 对象( 河流 对象) 负责描述对水流的表达。系统在v c + + 结合o p e n s c e n e g r a p h 构建的三维可视 化虚拟场景中通过读取连续时段的河网网格数据直观的表达了水流的运动过程。同 时实现了对地形任意点的位置查询和不同时刻河流各网格点的水位、流速和流向的 查询等功能。 关键字：数字高程模型、河网、二元结构g i s 、动态演示 a b s t r a c t a b s t r a c t t h r e e 。d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fs p a t i a li n f o m a t i o ni st h ek e yt e c l l l l o l o g yf o r d i g i t a iv r a l l e yt os o l v e i ti st h eb a s i so fg e o s p a t i a li n f o r n l a t i o nt e c h l l o i o g yd e v e l o p m e n t a i l d v e 巧i m p o r t 锄tf o r t h e b a s i nw a t e rr e s o u r c e s m a n a g e m e n t a t p r e s e n t t h e t w o d i m e n s i o n a ld a t af o m l a t sh a sb e e nu n a b l et om e e tt 1 1 en e e d so fm o d e mm a i l a g e m e n t ， a n dh o wt ou s e3 一d s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yt oe x p r e s sa l lk i n d so fi n f o m a t i o n ，a n dw i t h t l l eh y d r a u l i cm o d e lt oa 1 1 a l y s i st h ec h a l l g e so ft h en o w p r o c e s si nb a s i ni st h ep r o b l e m u r g e n t l yn e e d e dt or e s o l v e v r g i si san e wg e n e r a t i o no fg i ss y s t e mc o m b i n i n go f 3 d g i s ，s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya j l dv rt e c h n o l o g y i ti se s s e n t i a le l e m e n tf o r c o n s t m c t i o no fd i g i t a jw a t e r s h e d g i sa p p l i c a t i o ni n h y d r o l o g yi n t e g r a t i o nh a st e m p o r a lp r o b l e m h y d r o l o g i c a l e l e m e n t so ft h eg e o g r a p h i c a ls p a c em a i l l l yd e s c r i b et h ew a t e rn o we n v i r o m n e n t t h e s e e l e m e n t sc o n s t 觚t l yc h a i l g ew i t ht i m e t r a d i t i o n a lg i sf o c u so na 1 1 a l y s i sa i l de x p r e s s i o n o fs p a t i a ld a t a 锄da t t r i b u t ed a t aw h i l el a c ki nt e m p o r a la s p e c t s a l ls e r i o u s l y h a i l l p e rt h e i n t e 伊a t i o nb e t 、e e ng 1 sa 1 1 dh y d r a u l i c t h e r e f o r et h ep a p e ru s e st h e d u a ls t m c t u r eg i s ” t os o l v et h e s ep r o b l e m s i nt h i ss t u d y ，t e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t e m p o r a lg i sr e n e c t e d i nc u r r e mr i v e rn e t w o r kd e m o n s t r l t i o n ，w h i c hn o to n l yd e s c r i b e st h er i v e ri nam o m e n t ， t h ec u r r e n ts t a t et i m e ，b u ta l s od e s c r i b e st h ec h a n g e si nw a t e rn o w a l o n gt h ec o u r s eo f t i m ed i m e n s i o n s y s t e mh a st w os c e n e so f i n ha i l dw a t e r s h e d ，i nw h i c ht h et w ob a s i ce l e m e n t sa r e t e 玎a i n 觚dr i v e r 1 1 1 em a i ns t u d yo b j e c t sa r et h er i v e ri nc h e n 醇o n go fy a n 垂z ea n dt h e s u r m u n d i n gt e 玎a i na n dt h et e r r a i na l o n gy - 觚d u h ew h i c hi sab r a n c ho fy 趾舀z e 础v e r u s i n g3 - dv i s 砌i z a t i o nt e c l u l o l o g yw ed i s p l a yd e ma 1 1 dr i v e rn e t 、7 v o r kd y n 锄i c a l l yi n t h es c e n ea i l dr e s e a r c ht h ec o n s t m c t i o no fv i l r t u a ls c e n e ，f o c u s i n go nm e p r o c e s so ft e r r a i n a n dt h es o l u t i o no fr i v e rs i m u l a t i o nd e m o n s t r a t i o n i nd u a ls t m c t u r eg i st h em o d e l o b j e c t sa r er e s p o n s i b l ef o rc a l c u l a t i n gn o wd a t a ，g i so b j e c t sr e s p o n s i b l ef o rd e s c r i b i n g t h ee x p r e s s i o nt h er i v e rn o w i nt h e3 d v i s u l i z a t i o ns c e n ec o n s t r u c t e db vc o m b i n a t i o no f v c + + a n d o p e n s c e n e g a 印h 、v ed i s p l a y e dt h ew a t e rn o wi n t u i t i v e l yb yr e a d i n gm ed a t a o fr i v e rn e t w o r ko ns e q u e m i a lt i m e w ea l s oi m p l e m e n tf u n c t i o n so ft h eq u e r yo ft e n a i n p o s i t i o na tw i l la n dw a t e rl e v e l ，w a t e rn o wv e l o c i t ya n dd i r e c t i o no fa n yn o d eo fr i v e r n e t w o r ka td i f f e r e n tt i m e k e yw o r d s ：d e m ，r i v e rn e t w o r k ，d u a ls 觚c t u r eg i s ，d y n 锄i cd i s p l a y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同 事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：角缸“协少年 厂月 一 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：套牡幼护年 石 月 九 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，地理信息系统的应用领域越来越广泛，据统计已接近6 0 个。计算机技术 的迅速发展，使得g i s 发生了新的变化。g i s 正朝着一个可运行的、分布式的、开 放的、网络化的全球g i s 发展。在未来几十年内，g i s 将向着数据标准化、数据多 维化、系统集成化、系统智能化、平台网络化和应用社会化( 数字地球) 的方向发 展。三维g i s 使g i s 技术更加现实化，更能真实地再现客观世界；时态g i s 使g i s 技术更加实用化，更能辅助决策支持。为了满足用户对g i s 功能同益增长的需求， 三维g i s 和时态g i s 在未来数年内，都将是g i s 技术的研究热点和发展趋势【l 】。 随着各领域数字化进程的发展，水利领域正在逐步开展数字化流域三维可视化 研究，推动数字流域建设的发展。通常将数字流域研究的整体框架结构分为三层， 数字流域可视化基础信息平台( 基础层) 、数字流域专业应用系统( 专题层) 以及数 字流域综合管理与决策系统( 综合层) 【2 】。流域三维可视化仿真模拟研究是构建数 字流域可视化信息平台的基础，其中三维可视化仿真系统的关键环节是流域中水利 专业模型的建立和地形虚拟场景的仿真模拟。 三维空间信息可视化是数字流域亟待解决的关键技术，对流域数字化管理是十 分重要的。当前在水利领域应用较广的是基于3 s 技术的二维可视化平台，虽然在 技术上和功能方面已较为成熟，但以二维方式表达实际的三维空间，存在许多自身 无法克服的缺陷【3 卜【4 j ；另外，在流域综合信息管理和水流运动规律的研究中，各类 信息数字化的趋势越来越显著，面对大量庞大的数据，如何去伪存真，发现数据所 代表的物理过程的变化规律，将是水利领域研究的重点。三维可视化作为获取信息 最直观快捷的方式，在信息表达方面具有独特的优势，因此有必要对功能更为完善 的三维可视化模拟仿真系统进行研究，从三维可视化、数值模拟仿真、数据信息获 取等多个方面提高流域系统的运行水平【5 l 。由于g i s 能够快速、精确和综合地对流 域空间数据进行操作、分析、模拟和显示【6 j ，而通过建立水力学数学模型能够实时 计算出水流在流域中的演进过程和流域内部各位置、不同时段的水位、流速、淹没 面积和体积等信息，因此将g i s 和水力学模型相结合开展数字流域三维可视化仿真 河海大学硕士学位论文 系统研究，对流域的各种信息进行综合处理，让决策者有一个全局的、明确的认识， 有助于决策者实现洪水规划制定和管理的科学决策。 1 2 国内外研究现状 以数字化、网络化和信息化为特征的数字流域建设是目前水利信息化发展的必 然趋势，是实现流域管理与分析向信息化发展的重要途径【_ 7 1 。针对数字流域的研究 越来越受到大家的重视，但是很多工程实例仍处于探索研究阶段。数字流域是一个 庞大而复杂的系统工程，它涉及当今众多的高科技领域，这就需要多学科的密切合 作，采取统一规划，分步实施，重点突破的战略，方能逐步实现。流域三维可视化 模拟系统作为流域漫游、方案论证、工程运行模拟等的计算机仿真系统，包括三维 可视化、信息化、模拟仿真等方面的功能，涉及计算机图形学、数据库、流域数学 模型、软件工程等多个研究领域，属于“数字流域”研究的范吲引。 流域三维可视化仿真模拟研究是构建数字流域可视化基础信息平台的重要组成 部分，是数字流域建设的基础。在数据集成平台支持下，通过各种水利专业模型， 形成一个面向具体应用的三维虚拟仿真系统，能够实现流域内各种信息的综合处理。 因此流域三维可视化研究不但包括流域地形地物的建模与实时漫游，而且需要与流 域数学模型计算相结合，进行方案论证、工程运行管理等方面的模拟仿真【9 】，这样 能大大加快数据的处理速度，使庞大数据得到有效的利用；为数值模拟和数据分析 提供视觉交互手段，提高数值计算的效率；实现人机交互通讯，从而使人们观察到 传统方法难以观察到的现象和规律，并可以对数学模型的合理性进行有效的分析。 目前在数字流域研究中越来越突出的体现了流域三维可视化的重要性，国内外研究 学者对其进行了大量的研究。 近年来，数字流域三维仿真技术得到了较快的发展，以色列内盖夫大学的 f u l l n n a l l n 教授介绍了h y d r o v i s 软件，它针对水文数据的显示进行了很多研究，使得 数字流域的三维可视化更加直观和专业化【lo 】。国内对流域三维可视化方面的研究也 广泛开展，华中科技大学张勇传院士和王乘教授等【1 1 1 【1 3 】主要致力于“数字清江”的 开发研究，实现了清江流域水情分析与仿真系统的开发，为清江流域防洪乃至长江 于流错峰减灾提供水文水情方面的直接数据支持和过程与结果的直观预演。长江科 学院的王德厚等【1 4 】将海量的有关长江流域的社会经济、自然、历史等信息与各种具 2 第一章绪论 体的应用模型联系起来，在计算机网络中重现和模拟真实的长江原貌及其社会属性。 浙江大学刘南、刘仁义等【1 5 】【1 6 1 利用给定水位方式基于种子蔓延算法判断洪水淹没， 结合三维可视化技术开发水利淹没分析系统，对浙江省流域洪水灾害进行客观准确 的评估和预测分析。清华大学张尚虹【l7 1 在数字都江堰项目中实现了流域的可视化仿 真功能，结合水调模型和地理信息系统进行了专业数值模拟与可视化系统集成方面 的研究。华中科技大学袁艳斌、康玲等【l8 】进行了洪水演进模拟仿真系统的研制，该 系统能够动态模拟流域洪水的三维淹没演进过程，比较逼真地模拟了洪水形态，开 发的系统较为直观、有效地辅助防洪决策。清华大学王光谦等1 19 j 对黄河下游游荡型 河段洪水演进与河床形过程的数值模拟，建立能实时监测、计算、预测、调度、决 策的河流信息系统。 从上述国内外研究现状中可以看出，流域可视化仿真系统研究不但需要三维可 视化技术，也离不开对专业模型的研究。本文水力学数学模型简化为应用外部计算 好的河流流场数据，采用三维可视化技术与此模型结合进行流域水流运动过程进行 模拟研究。在流域三维可视化研究中对河流流场的模拟具有重要的意义，动态可视 化的流场不但有利于计算结果的全局表达，而且易于明晰流场变化过程，有助于计 算结果的分析研究【2 0 】【2 1 1 。本研究根据水力学模型计算的数据结果，在构建的三维可 视化虚拟场景中，利用底层图形开发方式进行水流流场的可视化模拟分析研究，弥 补目前存在的中间数据存储量大、模拟时间滞后和采用商业软件很难进行交互控制 等不足，从而对模型计算结果进行全局表达。 1 3 研究思路及主要内容 本文在v i s u a lc + + 开发平台上，以三维图形开发应用库o p e n s c e n e g r a p h 为基础， 进行了全面的三维场景的构建，使用基于水动力学的河网水流数值模拟的结果数据， 利用面向对象的设计和编程技术动态演示河网水流，包括对地球、地形、河道、模 型等的绘制、加载、显示、导航和编辑等；并以此为框架实现了对地形的动态更改、 河网水流的在线演示、多种漫游方式及其信息查询等功能。流域场景包括两块，第 一个是范围大致为长江澄通河段的河道及其周围的地形，第二个是沿渡河附近的地 形。 由于g i s 在水文集成应用方面存在时念问题，水文要素的地理空间主要描述了水 河海大学硕士学位论文 体的运行环境，这些水文要素随着时间不断地变化，但传统的g i s 侧重于空间数据与 属性数据的表达和分析，在时态性方面则比较欠缺，这就严重阻碍了两者之间的集 成，因此系统采用“二元结构g i s ”来解决这些问题，其中涉及到共享体和复杂地理 对象等概念。在系统实现部分主要是先构建地球场景，在地球场景中用户可以随意 漫游到地球的任意位置进行更细致的观察，当漫游到长江澄通河段或沿渡河流域时， 用户视点距离地面足够近的话就加载此处的地形数据进入地形场景中，在此场景中 用户可以交互性的加入河道网格，然后选择一种映射方式通过河流地理对象和河流 模型对象相互协作的方式进行在线水流模拟，以验证“二元结构g i s ”思想的可行性。 图1 1 技术路线 f i g1 1t e c h n o l o g yc o u r s e 4 第一章绪论 技术路线如图1 1 ： 本文分6 章对研究内容进行介绍： 第一章是论文的绪论部分，主要概括了g i s 的发展、数字化流域三维可视化研 究背景，概括介绍课题与国内外研究现状以及本文的研究思路和主要内容。 第二章首先阐述了数字流域与地理信息系统集成存在的问题，进而提出解决问 题的方法，即采用“二元结构g i s ，其中涉及到共享体和复杂地理对象的研究，随 后对河流复杂地理对象的数据结构进行了详细的解析。 第三章主要介绍了开发工具，包括o p e n g l 及其着色语言和三维开发库 o p e n s c e n e g r a p h 的体系结构。 第四章概述了虚拟现实的技术、虚拟现实技术与地理信息系统技术的结合。在 此理论基础上主要介绍三维场景的构建，包括地球场景和流域场景，详细介绍了对 地球、地形、模型等的绘制、加载、显示、编辑和导航等，对地形的动态更改、场 景的鹰眼图的效果以及多种漫游方式的实现。 第五章首先介绍了时态地理信息系统中的信息的时态特征，空间时态数据库及 有代表性的几种时空数据模型。最后是河床的网格表达和水流的动态模拟等。本章 是全文的研究重点。 第六章是结尾部分，对研究内容进行总结并提出展望。 第二章二元结构g i s 第二章二元结构g i s 2 1 数字流域的概念 对于人们所处的地球，流域是涉及人类起源和生存的基本组成部分。文化的形 成以及在流域里的人口的集中、财富的集中、城镇的发展以及到大城市的发展，都 是从流域开始的。同时，现代经济的发展也与流域的资源密切相关。河流两侧往往 是人类社会和经济活动高度集中的场所。但这些场所常受江河泥沙灾害、水资源不 足、土地退化、流域生态系统失衡等问题的困扰，大大限制了经济和社会的可持续 发展。从流域系统的角度看，这些问题都是相互联系和制约的。要更好地解决这些 问题，必须实行全流域的综合管理。而“数字流域 是实现流域综合管理的可靠保 证。 “数字流域 概念是华中科技大学基于美国的“数字地球”概念提出来的，“数 字清江”项目就是“数字流域的落实点。该项目通过结合卫星影像和航拍照片， 制作出清江流域的立体景观图形，使城市规划、防洪、气象、地质、环保等相关行 业的研究人员，能够更加直观地考察该区域的地理状态和人文景观【2 2 1 。 数字流域是一个以流域空间信息为基础，融合流域内各种数字信息的系统平 台，是对真实流域及其相关现象的统一的数字化重现，它把流域搬进了实验室和计 算机，成为真实流域的虚拟对照体。“数字流域”是“数字地球”的有机组成部分， 是“数字地球”中有关流域的信息集合。具体地说，“数字流域 是把流域及与之 相关的所有信息数字化，并用空间信息的形式组织成一个有机的整体，从而有效地 从各个侧面反映整个流域的完整的、真实的情况，并提供对信息的各种调用要求【2 3 1 。 什么是数字流域? 目前还没有统一的定义，可以简单认为数字流域综合运用遥 感、地理信息系统、全球定位系统、网络技术、多媒体及虚拟现实等现代高新技术 对全流域的地理环境、自然资源、生态环境、人文景观、社会和经济状态等各种信 息进行采集和数字化管理，构建全流域综合信息平台和三维影像模型，使各级部门 能够有效管理整个流域的经济建设，做出宏观的资源利用与开发决策。 7 河海大学硕士学位论文 2 2 数字流域与g i s 集成问题的分析 数字流域是数字地球在流域尺度上与水文、地理、水环境等学科相结合的一个 重要应用层次；因此它必然在信息的管理、表现与应用方面有所侧重。在数字地球 层面上有两个重要的基石：一是信息高速公路和计算机宽带高速网技术，二是空间 信息技术与空间信息基础设施，因此信息传输、空间信息的采集与处理是数字地球 的基础研究之一。因为数字流域是数字地球的子系统，所以它也必然建立在这两个 基石之上，而空问信息的采集与处理及其可视化表现正是g i s 本身固有的功能之一， 因此数字流域的构建与g i s 系统的建立是一个统一的过程，数字流域系统的建立必 然囊括了g i s 本身拥有的很多功能，必须将它们二者合起来才能构建相对完整的数 字流域系统。因此可以说数字流域是一个包含着3 s 技术的软件系统，同时它还应该 主要模拟流域过去、现在和预报预测流域未来，实时运行系统功能是其重要特征之 一。虚拟现实系统也是数字地球的成员之一，它在对于数字流域的可视化表现方面 比较有优势。 地理信息系统发展到今天在各行各业的应用已经非常普及，但目前大部分的应 用主要集中在查询等功能上面，对于应用，由于地理信息系统与专业应用方面集成 的限制，使得g i s 的发展很难产生突破。以地理信息系统在水文学科方面的应用为 例说明，目前地理信息系统与水文模型的集成主要分为五类：g i s 功能嵌入水文 模型；水文模型嵌入g i s 平台；水文模型与g i s 的松散耦合；水文模型与g i s 的紧密耦合；水文模型与g i s 的完全集成【2 4 】【2 5 】。其中前四种比较常见口6 】【2 7 】【2 钔， 研究主题覆盖简单的数据处理和水文参数估计【2 9 】、分布式水文模型f 3 0 1 、地表径流估 计【3 、洪水风险估计和水文排水建模等，这四种集成模式均是间接的集成模式， 即地理信息系统与水文模型之间进行间接的通讯，它们或是通过数据转换软件或是 以数据库管理系统为中介来沟通，称之为数据集成模式，这种模式的优点是系统开 发的速度快，缺点是系统运行效率较低，稳定性差，而且这样的机制在某些方面不 可避免地出现了大量的冗余。而最后一种即水文模型与g i s 的完全集成极其少见， 它要求地理信息系统与专业模型( 水文模型) 具有相同的数据结构，能够进行紧密 的联系甚至于g i s 与水文模型的直接互通，系统运行效率高，稳定性好。前四种模 式要求g i s 与水文模型之间进行间接的通讯；最后一种即水文模型与g i s 的完全集 成，它要求地理信息系统与专业模型( 水文模型) 具有相同的数据结构，g i s 与水 8 第二章二元结构g i s 文模型分别属于大系统下面不同的模块，两者之间相互协作，能够进行紧密的联系 甚至于g i s 与水文模型的直接互通。 由于g i s 在水文集成应用方面存在时态问题，水文要素的地理空间主要描述了 水体的运行环境，这些水文要素随着时间不断地变化，由于受到各种随机因素的影 响，水体每时每刻都在运动，而且绝对不会重复，抽象的讲是我们研究的空问现象 状态发生了变化，涉及到了时态g i s 的问题，但传统的g i s 侧重于空间数据与属性 数据的表达和分析，在时态性方面则比较欠缺【3 3 1 ，这就严重阻碍了两者之间的集成。 虽然三维g i s 已经得到了很大的发展，国内外许多学者对三维g l s 的三维结构、 三维建模以及单一领域的应用也提出了许多方法和技术手段。现有的三维g i s 中， 系统功能在三维场景可视化、实时漫游等方面取得了较好的成果，但查询分析功能 和与二维g i s 的融合都比较弱。然而恰恰是这些功能在三维g i s 的实现和应用中具 有十分重要的地位，它使三维g l s 具有辅助决策支持能力。就目前来讲，三维g i s 与二维g i s 的融合非常困难，三维g i s 在数据的采集、管理、分析、显示和系统设 计等方面要比二维g i s 复杂得多。 此外，地理信息系统与水文学分别是两个不同的学科，两者之间传统的数据模 型结构有着本质的区别，前面所述的四种模型中g i s 与水文模型均基于不同的数据 模型结构，因此这些问题归根结底都是由于模型对象与我们要表达的g i s 对象的数 据结构不一致性的问题，因此本文采用“二元结构g i s ”来解决这些问题。 2 3 双对象模型【3 4 1 2 3 1 二元结构g i s 所谓“二元结构g i s 是指它同时包括地理对象与模型对象，并且它们之间是一 一对应的，即系统采用的是双对象结构，如图2 1 。 它们之间通过相同的数据结构实现共享，使得地理对象和模型对象之间实现共 享和兼容，通过这种方式可以很好地解决地理信息系统与数字流域模型的集成问题， 同时也解决了时态g i s 的问题，因为可以通过模型对象模拟地理对象的动态过程。 它体现了数字流域的核心概念“融合”，这种结构的地理信息系统称之为“二元结构 g i s 。 9 河海大学硕士学位论文 g i s 对象库专业模型对象库 g i s 对象1+-模型对象1 g i s 对象2 +- 模型对象2 g i s 对象3 - 模型对象3 g i s 对象n - 模型对象n 图2 1 双对象结构集成示意图 f i g2 1s k e t c hm a po fd o u b l eo b j e c t ss t r u c t u r e “二元结构g i s ”具有以下特点： ( 1 ) 基于地理对象与模型对象的共享、兼容，即双对象结构体系，它是二元 结构g i s 的核心结构，有别于现有的单对象结构体系的地理信息系统。 利用双对象结构体系，解决了地理信息系统与数字流域模型等模型间信 息流的高效、流畅的问题，是实现数字流域系统“融合”概念的保证。 ( 2 ) 地理对象数据结构与模型对象数据结构的一致性，传统上由于两者数据 结构的不一致，使得两者虽在系统内部一一对应，但还无法解决两者间 信息交互的高效、流畅的问题。而双对象结构采用地理对象和模型对象 一致的数据结构，因而从根本上解决了此问题。 二元结构g i s 中引进的双对象结构解决了地理信息系统与专业模型间两种不同 时空概念观的相容问题，也为专业模型与地理信息系统的“融合”打下了基础。 解决了二元结构问题，我们还需要指定这二元之间是怎么通讯的，模型对象计 算的结果需要传递到地理对象中进行表达，地理对象接受编辑后也要反映到模型对 象上，这两者之间的通讯问题是本文需要着重关注和解决的问题，它涉及到系统运 行的效率和地理对象与模型对象间的集成问题。前文讲过，现在大部分系统的集成 模式均是间接的集成模式，即地理信息系统与水文模型之间进行问接的通讯，它们 或是通过数据转换软件或是以数据库管理系统为中介来沟通，称之为数据集成模式， 这样的机制在某些方面不可避免地出现了大量的数据冗余；而本文要求模型库与地 理信息系统之间实现直接的通讯，即地理对象不需要从数据库中获得数据，而是直 接从模型对象处获得，这样可以减少数据在数据库中存储带来的冗余和时间上的滞 后性，也可以让地理对象实时根据模型对象的数据来表达，实现真正的在线演示。 模型对象与地理对象之间通讯机制可用图2 2 来表达。图中的虚线部分表示模型库 1 0 第二章二元结构g l s 图2 2 模型库与g i s 的集成方式 f i g2 2i n t e g r a t i o nt y p eo fg i sa n dm o d e l s 与g i s 的直接通讯，是区别于一般系统间接集成模式的关键所在，是实现水流运动 在线表达的基础。 2 3 2 共享体 前面已经讲过，“融合”是数字流域系统集成模式区别于现有集成机制的重要特 征，使得地理对象与模型对象之问能够共享和兼容，还可以解决两者间信息交互的 高效、流畅的问题，实现这些过程的关键点就在于“共享体 的建立，如图2 3 。 图2 3 双对象结构共享体构成流程图 f i g 2 3f l o w c h a no fd o u b l eo b j e c t ss t m c t u r es h 撕n g 本文中引入了双对象结构解决了地理对象和模型对象之间信息交流效率低的问 题，解决了在地理信息系统与水文模型之间进行间接通讯的集成模式下不可避免出 现的数据大量冗余的问题；同时由于水文要素固有的时态性也在数据共享体中得到 了体现，因此，地理对象也可以很容易的通过时态g i s 来表达；二维g i s 中地理对 象与三维g i s 中地理对象使用的是统一的共享体数据结构，使得它们之间的融合得 到了很好的改进。最后，地理信息系统与水文学两个不同的学科之间也实现了真正 河海大学硕士学位论文 的融合，它们分别属于系统下面不同的模块，两者之间相互协作，能够进行紧密的 联系甚至于g i s 与水文模型的直接互通，达到了地理信息系统模型化与专业模型 g i s 化，实现水文模型与g i s 的完全集成。 2 4 时态g i s 与过程性模型对象 地理数据的时态研究是地理信息系统界一个研究热点。在实践中，人们逐渐将2 维数据、3 维数据的定义延伸到4 维，即把时间也看作一个坐标轴，即所谓的4 维空间。 随着计算机技术和图形学的发展，主要借助动画技术表述地理数据时间维【3 5 1 。 2 4 1 地理空间数据和信息的时态特征 地理空间数据是符号化表示的地球表层空间地理现象和事物的直接记录；地理 空间信息是指表征地球表层地理现象和事物( 或地理环境的要素、物质) 的数量、 质量、运动状态、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等，以及一切 有关知识的总称，是地理空间数据的解释【3 6 。 地理空间数据具有三个基本特征，分别为空间位置特征、属性特征和时态特征。 空间位置特征是指地理空间数据必须包括指明在地理空间中的位置的成分，有时也 简称为空间数据。绝大多数空间特征数据具有明显的几何特征，因而有时也称为几 何数据。属性特征是指除空间位置以外，地理空间数据还必须包括描述地物的自然 和人文属性的定性或定量指标的成分，例如一个城镇居民点的经济总量，人口等属 性数据。时态特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段，同一地物的多 时段数据，可以动态地表现该地物的发展变化。 综上所述，地理空问数据可以看作三部分之和，即： 地理空间数据= 空间特征数据+ 属性数据+ 时态数据 ( 2 1 ) 属性数据和时态数据合起来，描述地理数据的非空间组成部分，有时统称为非 空间数据。 时态数据目前应用得还不多。近年来，时态数据越来越受到g i s 学界的重视； 时态空间数据模型( 简称时空数据模型) 或时态空间数据库新技术，有机地、交互 地组织时间维和空间维的数据，推动地理信息系统向动态、多维化方向发展。不过， 尽管时空数据模型及技术发展较快，现今实用的地理信息系统一般仍是静态的；在 1 2 第二章二元结构g i s 这样的g i s 系统中，时态数据通常作为普通属性数据的一部分处理，人们通过属性 数据表中的时态数据来调用不同时问的地图。例如，某地区有一系列历史地图、每 幅图的( 数据发生) 时间放在属性表中；利用这些时间属性数据，可以调用或连续 显现各时期地图。由于现在一般的g i s 系统还没有达到时态空间数据模型的层次( 这 种层次目前还主要是研究生的研习内容) ，因此我们也可以把( 2 1 ) 式简写为： 地理空间数据= 空间特征数据+ 属性数据( 含时态数据) ( 2 2 ) 2 4 2 时态g i s 概述 时态地理信息系统，亦称为时态g i s 、t e m p o r a lg i s 或t g i s 。时态g i s 是相对 静态g i s 而言的。地理环境、事物和现象不断发展变化，但静态g i s 仅对其进行“快 照 式的表达。当研究的空间现象状态( 如三维地形或其表面) 发生变化时，静态 g i s 对原来的状态不予保留，只关心系统变化后的结果；它只是简单的对一定瞬间 的地理现象进行备份，将发生的时间作为属性数据保留，而不惯性过去时刻状态的 回放，也不对动态演变进行比较分析。这种只对当前数据状态进行“快照 式描述 的g i s 系统，称静态g i s ，或准静态的g i s 系统。 时态地理信息系统将时问概念引入g i s 中，跟踪和分析空间数据和随时间的变 化。它不仅描述系统在某时刻、时段的状态，以此获得系统变化的趋势，还可以对 过去不同时刻、时段的系统状态回放重现，总结出系统沿时间变化的规律。这种不 同于静态g i s ，含有时间概念的g i s 系统，称为时态g i s 或t g i s 。 2 4 3 模型对象的过程性 流域水文模型是模拟流域水文过程和认识流域水文规律的途径和重要手段，是 流域产汇流计算、洪水分析与预报以及水资源优化配置与调度等水文分析计算的重 要方法，一直是水文学和水资源领域的重要基础研究课题。水文模型以水文系统为 研究对象，根据降雨和径流在自然界的运动规律建立数学模型，通过计算机快速分 析、数值模拟、图像显示和实时预测各种水体的存在、循环和分布，以及物理和化 学特性。利用流域水文模型对流域的水文响应过程进行模拟时，原则上必须充分考 虑各种因素的影响。这些因素中大多数都是随着时间和空间位置的变化而变化的， 即所谓的时空变异性。 河海大学硕士学位论文 二元结构地理信息系统中包括地理对象库和专业模型库，其中专业模型库在数 字流域系统中主要是指水文模型和水力学模型，这些模型是一种过程性模型，它们 处理的对象是水文系统，研究降雨和径流在自然界的运动规律，运动必然涉及到地 理空间数据和信息的时态特征。时态特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻 或时段，同一地物的多时段数据，可以动态地表现该地物的发展变化，在数字流域 系统中主要是指流域在特定边界条件下某一时段水流的运动过程的变化，给定时段 内每一时刻河流各处水位、流速、流向等信息随着时间的变化是连续变化的，通过 水力学模型按给定间隔时段对流域中水流的运动过程进行计算模拟，这种时态特征 是水文和水力学模型本身固有的。因此，二元结构中的专业模型库本身是过程性的， 也就决定了它们对应的地理信息系统应该是时态地理信息系统，它可以对地理现象 的过去时刻状态进行回放，可以对其动态演变进行比较分析，进而预测降雨和流域 径流现象未来的状态，从而为决策者的判断提供科学依据。 二元结构地理信息系统中，过程性模型计算模拟的数据通过数据库或者直接传 递到地理信息系统中通过g i s 对象库进行表达和分析，而地理信息系统的时态性也 要求从模型库获得能跟踪和分析g i s 对象随时间变化的数据，要求这些数据可以用 来描述系统在某时刻、时段的状态，以此获得系统变化的趋势，或对过去不同时刻、 时段的系统状态回放重现，总结出系统沿时间变化的规律。专业模型的过程性与时 态g i s 是相辅相成的关系，它们之间的关系可以用图2 4 来表达： 表达、分析 一 时态g 工s过程性模型 一 提供数据 图2 4 时态g i s 与过程性模型的关系 f i g2 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt g i sa n dt h ep r o c e s so fm o d e l s 借助于时态g i s 强大的空间数据分析处理功能及对历史数据的回放重现功能， 水文模型的研究手段得到了根本性的转变。g i s 用于水文模拟，可以用来获取、操 作、显示与模型有关的如地形等空间数据和所得的成果，使模型进一步细化。当今 以数字地形模型( d t m ) 、数字高程模型( d e m ) 存储的地形信息，为流域水系信息参数 的自动化提取提供了可能。通过g i s 可以提取流域的基本特征( 包括下垫面特征、水 系、河网等) ，还可以依据河网等级对流域进行任意的子流域的划分或者进行网格化 划分，同时可以与传统的流域水文模型相结合，管理提供基本的数据信息并实现输 1 4 第二章二元结构g l s 入输出功能，更重要的是为分布式的水文物理模型研制提供了平台。由g i s 可以实 现不同数据的可视化结合、数据转换，并可以减少模型输入时的数据误差。 时间的引入使g i s 的信息量大大增加，并增加了数据库管理的复杂性，传统g i s 己不能胜任，必须建设新的时态g i s ，而时态g i s 系统的关键是时空数据库的建设 及时空数据库的管理，而这些与时空数据模型有关，目前仍是研究的重点。 2 4 4 空间时态数据库与时空数据模型 时态g i s 的主要功能模块应包括输入、存储、编辑和更新模块，时空数据库管 理模块，查询和检索模块，时空分析模块，显示和输出模块等。其中时空数据库管 理和时空分析模块是时态g i s 所特有的功能，其余模块虽然在传统g i s 系统中也是 具备的，但是在时态g i s 中也有其新的要求【3 7 1 。 虽然某些地理现象或地理事件并不一定需要记录和存储其时问数据，但如果地 理信息系统具有支持时间的功能，能将时问变量加入到地理信息系统空间分析过程 中去，则将具有更大的应用范围。因此，时空复合操作，即将空间分析的问题进一 步拓展为时空分析的范畴，已成为地理信息系统的重要组成部分。时空地理信息系 统是一种四维( x ，y ，z ，t ) 或( s ，t ) 的信息系统，其中( x ，y ，z ) 或( s ) 表示空间系统，( t ) 表示时间，这是一种具有时空复合分析功能和多维信息可视化 的系统。 时空数据库系统或数据处理技术，其内容表现为以下三个主要方面： ( 1 ) 空间时态数据的表达。空间时态数据表达的目的在于建立空间时态一体化 数据模型。它涉及到时间标志、空间时态版本的标识、空间变化类型的定义、空间 拓扑与时态拓扑、空问时态数据的存储结构，以及存取策略等内容。 ( 2 ) 空间时态数据的更新。空间时态数据的更新研究空间数据更新的类型、操 作方法，更新对时空数据库中空间和时态拓扑的影响，以及拓扑重建等问题。 ( 3 ) 空间时态数据的查询。空间时态数据的查询探讨空间时态数据的各种跟踪 算法，多维信息的复合、分析、可视化等。 时态g i s 包含时态数据库( t e m p o r a ld a t a b a s e ) ，内置有时空数据模型。时态数 据库基于时态数据模型，是数据库系统技术的一个比较前沿的分支。时态g i s 采用 时态数据库技术，动态地研究三维地理空间的数据和信息。因此，时态g i s 所基于 河海大学硕士学位论文 的数据模型称为时态空间数据模型，或简称时空数据模型。常用的时空数据模型包 括以下几种： ( 1 ) 时空立方体模型。时空立方体模型用二维图形沿时间第三维发展变化的过 程表达现实世界平面位置随时间的演变；给定一个时间位置值，就可以从三维立方 体中获得相应截面、立方体的状态。也可扩展表达三维空间沿时间变化的过程。时 空立方体模型的缺点是随着数据量的增大，对立方体的操作会变得越来越复杂，以 至于最终对时空数据的处理速度变得很慢。 ( 2 ) 时间片快照模型。此模型在快照数据库中仅记录当前数据状态，数据更新 后，旧数据的变化值不再保留，即“忘记”了“现在 与“过去”的状态差别。连 续快照模型是将一系列时间片断快照保存起来，反映整个空间特征的状态，根据需 要对指定时间片断