地理信息可视化新技术综述与分析.docx

地理信息可视化新技术综述与分析侯溯源1，2 ，安晓亚2 ，许剑2 ，孙亮3( 1 信息工程大学 地理信息学院，河南 郑州 450052; 2 西安测绘研究所，陕西 西安 710054; 3 93995 部队，陕西 西安 710038)摘 要: 随着技术的发展，新的地理信息可视化技术不断涌现。本文对目前地理信息可视化技术研究中较热点 的四种地理信息可视化新技术进行了介绍，并分析了各技术的不足，希望能对相关的研究有所裨益。关键词: 地理信息可视化; 虚拟现实; 增强现实; 自适应; 全息中图分类号: P208文献标识码: B文章编号: 1672 5867( 2014) 01 0030 03An Overview and Analysis of the New Geovisualization TechnologyHOU Su yuan1，2 ，AN Xiao ya2 ，XU Jian2 ，SUN Liang3( 1 Institute of Surveying and Mapping，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China;2 Xian esearch Institute of Surveying and Mapping，Xian 710054，China; 3 93995 Troops，Xian 710038，China)Abstract: Along with the development of the technology，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 words: geovisualization; virtual reality; augmented reality; adaptability; holographic0引言可视化在信息世界中具有特殊的地位，在人机交互 中，视觉是信息传输和接收的主要渠道，尤其在地理信息 可视化中具有独特的优点。对地图学来说，可视化不是 一个新概念。一方面，因为地图本身就是一种视觉化产 品，即现实世界以高度抽象化的图形形式再现于二维平 面或三维模型上，比如，地图设计过程就可理解为运用地 图符号对现实抽象、综合和表示的过程，地图使用过程也 可理解为读者运用视觉思维对地图进行感受和分析。另 一方面，随着现代计算机技术，尤其是计算机图形图像技 术和科学可视化的发展，可视化对地图学又有了它全新 的一面，地理信息可视化已发展为体现 GIS 环境下的高度 交互动态显示能力和集成了数据分析等技术的虚拟试验 平台。但当前的地理信息可视化并不完全适用于展现所 有地理信息数据的潜在信息，所以，在新的可视化技术迅 猛发展的今天，将新的显示技术与地理信息可视化相结 合将为此方向的研究提供重要的契机与挑战。1地理信息可视化新技术综述地理信息可视化是地理信息传输的关键步骤，其理 论与技术的拓展将为地理信息传输效果的提升提供更有效的途径。当前，地理信息可视化所面临的挑战之一就 是如何在现有可视化技术发展的前提下实现跨学科的融 合，将其它 领域的先进技术与地理信息可视化相结合。 目前比较热点的新技术研究包括以下四个方面，笔者将 对其进行逐一简要地介绍。1 1虚拟现实技术虚拟现实( Virtual eality，简称 V) ，是由美国 VPL 公 司创建人拉尼尔( Jaron Lanier) 在 20 世纪 80 年代初提出 的，它是指综合利用计算机图形系统和各种显示及控制等 接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供 沉浸感觉的技术，其中计算机生成的、可交互的三维环境 称为虚拟环境( Virtual Environment VE) ( 如图 1 所示) 。V 的基 本 特 征 是 沉 浸 ( Immersion) 、交 互 ( Interac- tion) 和构想( Imagination) 。与其他的计算机系统相比， V 系统可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道 ( 目前主要限于视觉和听觉，但触觉和嗅觉方面的研究也 正在不断取得进展) 的人机界面。作为一种新型的人机 接口，V 不仅使参与者沉浸于计算机所产生的虚拟世 界，而且还 提供用户与虚拟世界之间的直接通讯手段。 利用 V 系统，可以对真实世界进行动态模拟，产生的动 态环境能对用户的姿势、语言命令等做出实时响应，也就收稿日期: 2013 07 10作者简介: 侯溯源( 1977 ) ，男，陕西西安人，助理研究员，地图学与地理信息工程专业博士研究生，主要从事地理信息可视化与表 达技术和地理信息数据生产与服务技术研究工作。第 1 期侯溯源等: 地理信息可视化新技术综述与分析 31是说计算机能够跟踪用户的输入，并及时按照输入修改 模拟获得的虚拟环境，使用户和模拟环境之间建立起一 种实时交互性关系，进而使用户产生一种身临其境的感 觉。虚拟现实技术目前得到了广泛的应用，当前的研究 重点是实现分布式环境下的协同虚拟现实显示。图 1 虚拟现实显示技术Fig 1 Display technology of virtual reality1 2 增强现实技术20 世纪 90 年代初期，波音公司的 Tom Caudell 和他 的同事在他们设计的一个辅助布线系统中提出了“增强 现实”( augmented reality，简称 A) 这个名词。增强现实 技术就是将计算机生成的虚拟对象与真实世界结合起 来，构造出具有虚实结合的虚拟空间 ( 如图 2 所示) 。虽 然目前 A 的研究都集中在视觉上，但是 A 并不仅限于 此，还包括听觉、触觉和味觉的所有感官。A 起始于 20 世纪 60 年代，Sutherland 发明了头盔显示器显示 3D 图形。 但是直到近些年，A 才成为一个研究领域。图 2 增强现实显示技术Fig 2 Display technology of augmented reality由于 A 应用系统在实现的时候涉及到多种因素，因 此 A 研究对象的范围十分广阔，包括信号处理、计算机 图形和图像处理、人机界面和心理学、移动计算、计算机 网络、分布式计算、信息获取、信息可视化，新型显示器、 传感器的设计等。A 系统虽不需要显示完整的场景，但 是由于需要通过分析大量的定位数据和场景信息来保证 由计算机生成的虚拟物体可以精确地定位在真实场景 中，因此，A 系统的构建中一般都包含以 下 4 个 基 本 步骤:1) 获取真实场景信息;2) 对真实场景和相机位置信息进行分析;3) 生成虚拟景物;4) 合并视频或直接显示，即图形系统首先根据相机 的位置信息和真实场景中的定位标记来计算虚拟物体坐 标到相机视平面的仿射变换，然后按照仿射变换矩阵在 视平面上绘制虚拟物体，最后直接通过 SHMD 显示或 与真实场景的视频合并后，一起显示在普通显示器上。 A 系统中，成像设备、跟踪与定位技术和交互技术是实 现一个基本系统的支撑技术。1 3自适应显示技术“自适应”在生物学中是指生物变更自己的习性以适 应新环境的一种特征，这一理论在不少学科中都得到了应 用。自适应理论在本质上阐明不同系统产生相互作用时， 能够主动变化的系统通过改变自身特征来促成系统间作 用的顺利进行。国内自适应空间信息可视化 ( Adaptive Geovisualization) 研究首先由中国科学院地理科学与资源 研究所王英杰研究员、刘岳教授、德国慕尼黑工业大学航 空摄影测量与地图研究所孟丽秋教授于 2001 年共同提出 并开始合作研究，得到了中国科学院项目和国家自然科学 基金的研究支持，进行了一些基础理论和技术方法的探 索，主要研究内容包括: 自适应用户模型、自适应地图数据 库设计、自适应显示终端设计、屏幕地图的自适应显示策 略和算法模型、自适应符号设计与符号库、自适应用户界 面认知与设计、自适应空间信息可视化等( 如图 3 所示) 。图 3 自适应地图可视化研究的内容Fig 3 Study on the adaptability of geovisualization当前自适应地图可视化研究的内容主要集中在用户 模型的自适应、图形表达自适应、内容自适应和界面自适 应等方面。其最终目标是在系统设计时使用户的各种认 知因素得到体现，以便系统能够主动地适应用户的认知 特征，更好地被具有不同特征和不同需求的用户所使用。 系统适应用户的目标可以分解成以下几个子目标: 建立 适应不同类型用户的用户模型; 建立对地图可视化系统 用户进行分类的标准; 建立能够根据用户需求进行动态 构建和重构的数据管理机制; 自适应的图形和符号显示 和具有自适应特征的用户界面。1 4地理信息全息显示技术全息技术是当前最为重要的显示技术之一，尤其在 立体显示方面，逼真的显示效果和丰富的信息量是其它 显示技术无法比拟的。当前，全系显示技术已经向计算 机全息与电子显示全息技术相结合的方向迈进，全息动 态实时三维显示的前景已日趋明朗。地理信息全息显示 目前已在国外多个研究机构与地理信息软件厂商得到了 开发与应用，美国 Zebra Imaging 公司已经开发出了基于 绿光照射全息记录干版的地理信息全息显示产品，并在 2010 国际显示技术展会上进行了成果展示，其主要技术 途径是先将地理信息生成三维场景，然后通过模拟光照 环境在计算机中完成全息信息的记录，最终通过全息记 录设备实现信息的保存与显示。另外，作为全球最大的 地理信息系统软件生产商 ESI 公司也在其最新的产品32测绘与空间地理信息2014 年ArcGIS Desktop 10 中提供了支持 Zebra Imaging 公司全息 显示输出插件的功能，该功能可在 ArcGIS 中实现地理信 息的全息显示前期的场景模型构建和光照条件设置，然 后通过 Zebra 国内公司的插件完成全息场景的编码输出， 最终通过激光雕刻于全息现实干版上完成在光照反转条 件下的地理信息全息显示。乌克兰的一些研究机构也同 样在此方面进行了深入的研究。图 4 所示为地理信息全 息显示的技术流程。图 4 地理信息全息显示的技术流程Fig 4 Technical process of holographic display for geographical information2地理信息可视化新技术分析虽然上述的地理信息可视化新技术在很大程度上提 升了地理信息的表达能力，使用户可以更好地理解与认 知制图者所要表达的地理信息，但由于其固有的一些缺等许多问题。到目前为止，对这些基本问题的研究还未 涉及。自适应地理信息可视化，笔者认为此研究的难度相 对来说很大，首先，用户模型的建立就涉及到很多不定量 因素，不同的用户模型可能差异极大，其次，数据的自组 织也是很难的，不但需要数据模型的变换，还需要数据库 的自组织。但如果可以做好的话，其应用前景将非常广 阔，理论成果也将丰富。地理信息全息显示作为一种新的地理信息可视化技 术有其独有的优点，尤其是在三维显示方面，但数字全息 技术目前还很大程度上处于实验室阶段，其设备的小型 化与工程化还有很多需要研究。另外，作为地理信息的 重要组成部分，属性信息在全息环境下的表达方式目前 还没有相关的研究。所以，地理信息全息显示技术还需 要进行更深入的研究。四种地理信息可视化方法的对比 分析见表 1。表 1 四种地理信息可视化方法的对比分析Tab 1 Comparison analysis of four geovisualization methods名称优点不足适用范围 对真实世界进行动 态模拟，使参与者沉点，导致在应用过程中还是有不尽人意之处，下面笔者将 对前面提到的技术所包含的缺点进行逐一的分析。V 技术目前在很多领域中的实际应用已相当成熟， 但仍然存在一些不容忽视的问题，如设备价格昂贵、三维 建模繁琐、数据量巨大等。为了使用户产生沉浸感，V 系统通常总是借助于头盔显示器、立体眼镜等设备把用 户与现实环境隔离开来，这经常会产生一些感知方面的 问题，因为有研究表明，用户在虚拟环境中的反应与人类 感知外部世界的方式有冲突。这容易导致用户对 V 系 统产生排斥感，从而影响 V 技术的进一步推广和应用。A 今天的状况就好像是早些年的 V，有许多能够 演示的研究系统，但是达到实用的系统却还很少。限制 A 广泛使用的主要障碍有 3 个方面。1) 技术限制首先是显示器、跟踪器以及 A 系统必须更准确、更 轻便、更便宜以及更少的能源消耗。目前的 A 设备不便 于携带，尤其对室外环境，还要解决准确跟踪 问题。另 外，相机定标也是一个复杂且繁琐的过程。虚拟现 实技术增强现 实技术自适应地 理信息可 视化地理信息 全息显示浸于计算机所产生 的虚拟世界，而且还 提供用户与虚拟世 界之间的直接通讯 手段可将虚拟对象与真 实世界相结合，构造 出具有虚实结合的 虚拟空间能够主动地适应用 户的认知特征，更好 地被具有不同特征 和不同需求的用户 所使用具有原物体的光谱 特性，可进行基于全 息显示结果的立体 测量设备价格昂贵、三维建模繁琐、数据量巨 大，易 导 致 用 户 对 V 系统产生排斥感技术限制，用户界面 限制，社会接受程度自适应显示策略、算 法 模 型、数 据 自 组 织、符 号 自 适 应、用 户模型等难于确定技术工程化尚不成 熟，对于动态目标的 显示还需进行大量 研究游戏 军事 训练导航 侦查地理信息 可视化平 台开发游戏 态势 推演2) 用户界面限制目前，大多数研究集中在低层次的感知问题，如适当 的感知深度等，A 还需要确定许多高层任务。如要确定 提供什么信息，什么是数据的恰当表示，用户如何查询数 据。例如，用户在街上漫步时要查看商店的橱窗，查询商 店的库存。目前，这类问题还很少研究。3) 社会接受问题虽然通过电影和电视，许多人熟悉了模拟的 A 图 像，但是，劝说用户戴上显示系统还要解决从时尚到隐私3结束语地理信息可视化技术是提升地理信息认知的有效工 具，优秀的地理信息可视化技术可有效提升用户的地理 信息认知程度。随着技术的发展，新的地理信息可视化 技术不断涌现，本文对目前地理信息可视化技术研究中 较热点的四项地理信息可视化新技术进行了介绍，并对 各技术所具有的不足进行了分析，希望能对相关的研究 有所裨益。( 下转第 37 页)第 1 期王南图: 基于 SVG 的时态 GIS 数据增量备份策略研究 37图 8 20010501 svgFig 8 20010501 svg图 9 20090801 svgFig 9 20090801 svg型。该模型主要包括三个部分，首先，是对目录组织结构 和增量脚本文件结构的定义; 其次，是对差异脚本生成算 法的改进; 最后，是对恢复算法的改进。本文详细阐述了 该模型的基本思想以及算法的实现，在理论上具有可行 性; 而后通过一个应用实例，得到了预期的结果，证明了 该算法在现实中是可行的。因此，本文提出的改进增量 备份模型为时态 GIS 系统的海量数据备份提供了一种兼 顾备份速度，恢复速度以及存储空间的高效备份策略。参考文献:1 王家耀，魏海平，成毅，等 时空 GIS 的研究与进展J 海洋测绘，2004，24( 5) : 1 42 周强中，谈俊忠 SVG 在 WebGIS 中的应用J 计算机 应用研究，2003( 1) : 108 1213 周文生 基于 SVG 的 WebGIS 研究J 中国图象图形学 报，2002，7( 7) : 693 6984 王小林 数据备份策略解析J 数字与缩微影像，2010( 4) : 14 165 彭勇，刘晓洁，邓洪敏，等 基于差异的远程文件备份与 恢复方法J 四川大学学报( 自然科学版) ，2009 ( 2 ) : 348 3526 Du Qingfeng，Guo Zhichao，Tang Xuebo DiffS: Matching algorithm to different version maps based on SVG J Journal of Wuhan University ( Information Science) ，2012， 37( 8) : 984 9877 aihan Al Ekram，Archana Adma，Olga Baysal DiffS: An algorithm to detect changes in multi Version XML doc- uments C/ / Proceedings of CASCON 05 Proceedings of the 2005 conference of the Centre for Advanced Studies on Collaborative research s n ，2005: 1 118 Du Qingfeng，Xuefei Specific timestamp image recovery algorithm research based on SVG incremental stor