第三节可视化与虚拟现实

地理信息系统的可视化与虚拟现实一、基本概念1、可视化：可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程是一种转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们。2、科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。3、空间信息的可视化是指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示，并进行交互处理的理论、方法和技术。

空间数据库处理二、空间信息可视化的形式1、地图：硬拷贝：纸质或其它介质地图；软拷贝：屏幕上的电子地图。2、多媒体地学信息综合、形象地表现空间信息所使用的文本、表格、声音、图像、图形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是空间信息可视化的重要形式。3、三维仿真地图4、虚拟现实它是由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人机交互系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。三、空间数据可视化的过程②预处理从符号库读取符号信息③符号化从字符库读取汉字及字符信息④地图输出色彩库色彩信息①从GIS数据库中检索出的要素、特征及定位信息

四、电子地图1、概念：1）电子地图是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上，并能在屏幕上实时显示的可视地图，又称“屏幕地图”、“瞬时地图”。2）电子地图集是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，互相加强。2、电子地图与GIS的区别：电子地图包含了GIS的主要功能，但不是全部功能。侧重于可见实体的显示，其中较完善的空间信息可视化功能和地图量算功能是一般GIS所欠缺的。但是相对而言,一些电子地图(集)难予使其可视子空间均具有统一的空间数学基础,因而空间分析相对GIS薄弱，这也是两者的分水岭。电子地图（集）是一种新型的、内容广泛的GIS产品，而电子地图（集）系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GIS系统。五、动态地图1、概念：动态地图是能集中、形象地表示空间信息的时空变化状态和过程的电子地图。它的产生和发展是时空GIS的发展的必要基础和前提。2、特征和作用：

可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。3、表示方法1）利用传统的地图符号和颜色等表示方法，如运动线表示气流、行军等路线。2）采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示用闪烁、跳跃、色度、亮度变化等手段反映运动中物的矢量、数量、空间和时间变化特征。3）采用连续快照方法作多幅或一组地图。这是采用一系列状态对应的地图来表现时空变化的状态。4）地图动画六、虚拟现实技术1、概念：

虚拟现实（VirtualReality）是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。本质上，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口或人机交互界面，是物理现实的仿真。通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图像、声音和触摸感受，利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。虚拟现实技术：又称灵镜技术。是指通过数字头盔、数据手套、数字外衣，以及三维立体显示器、三维鼠标、立体声耳机等使人能完全沉浸计算机生成创造的一种特殊三维图形环境，并且人可以操作三维图形环境，实现特殊的目的。

虚拟现实技术是计算机硬件、软件、传感、人工智能、心理学及地理科学发展的结晶。它是通过计算机生成一个逼真的环境世界，人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。它的的出出现现彻彻底底改改变变了了用用户户和和系系统统的的交交互互方方式式，，创创造造了了一一种种完完全全的的、、令令人人信信服服的的幻幻想想式式环环境境，，人人们们不不但但可可以以进进入入计计算算机机所所产产生生的的虚虚拟拟世世界界，，而而且且可可以以通通过过视视觉觉、、听听觉觉、、触触觉觉，，甚甚至至嗅嗅觉觉和和味味觉觉多多维维地地与与该该世世界界沟沟通通。。这是是一一种种具具有有巨巨大大意意义义和和潜潜力力的的技技术术，，正正在在迅迅速速的的发发展展之之中中。。2、VR硬件件：：VR的的硬硬件件目目前前并并不不定定形形，，主主要要有有以以下下几几种种(1)图图像像生生成成器器：它的的作作用用是是快快速速进进行行图图形形运运算算；；(2)操操纵纵和和控控制制设设备备：：①实实现现位位置置跟跟踪踪和和控控制制的的鼠鼠标标器器，，跟跟踪踪球球和和游游戏戏杆杆；；②数数据据手手套套，，其其手手指指部部分分装装有有传传感感器器；；③数数据据紧紧身身衣衣；；④最最新新的的操操纵纵是是通通过过眼眼睛睛和和思思维维操操纵纵，，这这是是通通过过测测定定神神经经系系统统的的微微小小电电流流来来操操作作的的；；(3)位置跟踪踪装置：：①机械盔盔甲：提提供快速速准确的的跟踪；；②超声波波传感器器；③光学位位置跟踪踪器；④惯性跟跟踪器；；(4)立立体视见见装置：采用偏光光眼镜或或屏幕分分割或立立体镜产产生图像像的左右右视差等等手段来来产生立立体。(5)头盔：产产生立体体图像或或二维地地图。3、VR的硬件级级别1）．初级VR是以PC机或低档档工作站站为硬件件基础；；2）．基本VR是在初级级VR上，增加加立体观观察器，，3D或6D鼠标或游游戏杆和和数据手手套等；；3）．高级3D是在上述述基础上上增加图图像加速速器，帧帧缓存等等，对于于PC机则是必必须增加加3D加速卡和和3D音卡；4）．沉浸式VR，其中必必须增加加沉浸显显示装置置，如多多个大型型投影式式显示器器，还可可以增加加触觉、、力感和和接触反反馈等交交互设备备。5）．驾驶舱仿仿真器：这是一一个封闭闭式的虚虚拟环境境，设备备个人化化并较为为昂贵；；6．DIVE（DistributedInteractiveVirtualEnvironment）分布式式交互虚虚拟环境境，这是是一个Internet上开发基基于多个个网络用用户的虚虚拟环境境、其用用户界面面及地域域广阔，，用户众众多，分分布式交交互，共共享性高高；基于于其享式式或3D综合环境境等应用用系统上上的实验验平台，，这完全全称得上上是一个个小型的的世界；；7．SIMNET和作战仿仿真互联联网（DefenseSimulationInternet）是目前前世界上上最大的的VR项目，目目的是使使不同的的仿真器器可在网网络上互互联，用用于部队队的联合合训练和和演习，，即位于于德国的的坦克仿仿真器可可与位于于美国的的坦克仿仿真器一一起联合合进行军军事演习习。上述7种VR，硬件部部分一级级比一级级复杂、、投入也也高得多多。4、软件件系统共分两类类：一类类是工具具包，即即程序库库，往往往需要程程序员根根据具体体需要来来进行编编程；另另一类是是创作工工具，后后者不需需要复杂杂的编程程，有较较多不同同层次的的商品软软件:1．免费费VR：：这些是VR系列列的入门门级产品品，代表表产品为为Rend386、Maltiverse。一般般可从国国际互联联网上免免费下载载。2．低价价VR程程序：代表产品品为DimensionInternational的VirtualRealityStud10（VRS）。。3．中档档VR软软件包：它们一一般可称称是优秀秀的专业业软件包包，而且且仅要求求计算机机作为基基本硬件件，这类类代表产产品有Vitus的的VirtusWalkthrough,QuickTimeVr以及Sense8的WorldTollkitForWindows。。4．高价价VR软软件：是高档的的精彩的的VR产产品，需需要多种种硬件支支持。代代表产品品有Straylight公公司的MotoVB,Dimension,International的的SuperscapeVRTB等。5、VR的分类类VR的类类型是根根据它的的交互性性质来分分的，也也即是根根据它能能实现人人的视感感、听感感、触感感、嗅感感和传感感器的程程度和质质量来区区分。根根据目前前所见资资料，可可分下列列几种：：1．世界界之窗（（WOW:WindowonWorldSystem）它仅用显显示器和和音卡来来显示虚虚拟世界界，它的的衡量标标准是““看起来来真实，，听着真真实，物物体的行行为真实实”；2．视频频映射它在上述述WOW基础上上把用户户的轮廓廓剪影作作为视频频输入与与屏幕二二维图形形合成，，屏幕上上显示用用户身体体和虚拟拟世界的的交互过过程；3．沉浸浸式系统统完全的VR系统统把用户户的视点点和其它它感觉，，完全沉沉浸到虚虚拟世界界中，它它可以是是头盔加加其它交交互硬件件，也可可以是多多个大型型投影仪仪产生的的一个洞洞穴；4．遥视、、遥作遥视把用用户的感感觉和真真实世界界中的远远程传感感器、遥遥测仪连连接起来来，并用用机器人人，机器器手进行行远程操操作。实实际上，，阿波曼曼登月计计划和网网络会诊诊，网络络手术已已显现了了这方面面的实际际进展；；5．混合现现实遥现和虚虚拟现实实的结合合产生了了混合现现实和无无缝仿真真，例如如脑外科科手术时时，脑外外科医生生看到的的是由真真实场景景，预先先得到的的扫描图图像和实实时超声声图像组组合而成成的场景景；领航航员则在在它的头头盔或显显示屏上上既看到到电子地地图和数数据，又又看到真真实景象象。6、VR的意义义世界是不不能试验验的，大大的环境境工程也也不能试试验。甚甚至小到到一个雕雕塑、一一个零件件，进而而一栋房房屋，一一项工程程，大而而言之一一场战争争，其实实际运作作需要很很多时间间和经费费，而且且大型的的过程无无法重新新进行，，现在可可能以在在虚拟现现实中进进行模拟拟和实验验，找出出最佳方方案。VR技术术使用前前景是无无可估量量的，其其意义是是极其巨巨大的，，它是影影响整个个未来的的信息技技术。要要制造好好一个虚虚拟现实实，就必必须加深深理解我我们的现现实世界界，尤其其是地学学环境，，这是不不可缺的的。地学科学学是对地地学环境境的描写写，对浩浩瀚信息息的综合合概括，，层次化化图形符符号的模模型化表表达是正正在迅速速发展中中VR的基石和和向导。。相对而而言VR技术的发发展，对对地理信信息的可可视化将将提出更更高、更更复杂的的要求。。7、VR技技术的的应用用VR技术最最先进进的应应用领领域就就是军军事国国防。。飞行模模拟：飞行员员的飞飞行训训练是是一件件十分分昂贵贵、危危险和和困难难的事事，由由于飞飞行费费用昂昂贵，，飞行行均在在高速速中进进行，，天空空中对对飞行行员的的保护护又很很有限限，对对飞机机的保保护几几近于于零。。一个个细小小的疏疏忽，，就会会造成成机毁毁人亡亡的严严重事事故。。因此，，世界界上VR的应用用均首首先从从飞行行模拟拟开始始。飞飞行员员载上上头盔盔，坐坐在VR装备的的飞行行座仓仓内，，由VR制作的的飞行行"气氛"和电子子地图图及飞飞行仪仪表的的显示示，以以及驾驾驶员员进行行操作作，机机械和和仪表表的相相应运运作及及反馈馈，使使飞行行员在在虚拟拟的飞飞行状状态中中进行行各种种训练练。大大大提提高了了飞行行员训训练密密度、、强度度和质质量以以及降降低了了训练练的费费用。。战斗模模拟：：VR应用不不仅用用于飞飞机，，而且且还用用于船船舰、、坦克克通讯讯及步步兵演演习。。随着着网络络VR技术的的出现现，美美军得得以在在被其其称为为“防御模模拟互互联网网”的全球球范围围内实实施Simnet坦克战战斗计计划。。最先先广泛泛应用用的场场合是是海湾湾战争争，Simnet几乎可可以使使每场场战斗斗或战战役之之前在在VR中进行行模拟拟训练练。海海湾战战场已已变成成大规规模的的电子子沙盘盘实景景，用用于其其中的的地形形环境境仿真真。实际上上，今今后的的VR技术术在利利用电电子地地图技技术制制作大大型电