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1、完整word版地理信息可视化 地理信息可视化可视化是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法，研究者能够观察其计算的过程和结果.地理信息可视化是可视化发展的方向之一。科学计算可视化的研究目标是要把通过实验获得或数值计算方法得到的大量数据表现为人们的视觉可以直接感受的计算机图形图像 ， 由此为人们提供一种可直观地观察数据、分析数据、揭示出数据间内 在联系的方法 , 并能在地理、地质、环境等地学领域获得广泛的应用.可视化正在成为一个多元化、多学科领域的研究和实践.问题研究的广度在2001年发表在CAGIS国际多学科研究议程报告中提到。在这份报告中，四横切主题阐述：开发理解和集成技术，使之成为可能利用

2、所提供的潜力通过越来越多的经验代表技术;开发可扩展的方法和工具使理解和洞察力要衍生，越来越大和复杂的地理空间数据集成为可用；开发的新一代可视化支持团队工作的方法和工具；开发以人为中心的方法可视化5。1地理信息可视化简介1.1地理信息可视化的发展由来近几十年计算机技术的飞速发展，已彻底改变了传统的制图观点。一方面新技术的出现使地图产品的种类更加丰富（电子地图、数字地图、多媒体地图等），同时人类观察世界的视野也越来越广阔和细腻。地图制图的概念已经深入到我们生活的各个方面，包括大脑制图、生命制图以及描述网络的赛柏地图。海量数据的出现，科学计算可视化于1987年被首次提出,用来解决大量的科学数据与缺乏

3、有效的解释之间的矛盾。在这些海量数据 中,80%的数据与地理因素（坐标地址、邮政编码)有关。虽然将地理世界可视化一直以来都是制图领域关注的话题,但科学可视化的 概念已经渐渐渗透到地理与制图领域,特别是那些以计算机为基础 的工作。ICA（国际制图协会）1993年成立了可视化工作组，这个工作组又于1995年扩大为可视化委员会，1999年再次重新命名为可视化与虚拟现实委员会.其研究的主题是扩大制图方法，以适应不断发展的技术环境，关注计算机图形学、信息可视化、探索性数据分析等相关领域的研究成果，并吸收、融合到制图可视化中.1.2地理信息可视化的必要性地理信息不仅反映了地理巨系统的海量信息,同时又是对地

4、理现象近似的描述,它的多重性、复杂性、不精确性、不确定性等特点使得地理现象的信息表达普遍存在着模糊性 ， 往往使人类对信息的获取不能准确地反映到人类的意识层面上.研究表明 , 在人类所获取的各种信息中通过视觉而得到的占 60 %以上，所以国际地图学会于 1995 年成立了一个可视化委员会，并在1996年6月与计算机图形学会进行了跨学科的合作,开始了一个名为“Carto-Project”的研究项目, 其目的是探索计算机图形学的技术与方法如何有效地应用于空间数据可视化，探讨如何从地图学的观点和方法促进计算机图形学的发展 , 从而开始了地理信息可视化发展的第一步1。1.3地理信息可视化的特点(1)形

5、象直观性: 通过以生动、形象、只管的图像、图形、影像模型等多种表现形式， 将某个地区的地理信息展现出来， 从而是人们能够对相关的图形图像进行了解和查询。(2)多源数据的采集与集成性: 通过使用 地理信息可视化技术对不同类型、 格式与介质的数据进行接收和采集, 无论收集的数据形式或格式是否一致， 都可以采用统一的数据库来管理, 由此为多元数据的分析提供有利条件。(3）交互探讨性： 交互方式往往在大量的数据中对视觉思维更有利， 在研究分析的过程中， 可以对数据任意检索, 同时也可以做到信息交互变化. 将多源信息进行合理的集成整合, 通过统一数据库管理, 在此同时具备空间分析与查询的能力，从而方便了

6、地学工作者采用交互方式进行多源地学信息的对比、 查询、 分析等工作,并从中训得规律, 有利于规划决定与经营。（4）时空信息的动态性: 空间信息并非是地理信息的主体， 地理信息更具备动态性, 因此也称为时空信息。 随着计算机技术水平的提高和时间维护的投入,有望使地理信息进行动态表示和动态检索3。2地理信息可视化研究热点2.1不断涌现的新技术计算机的硬件和软件：性能的不断增长与价格的不断下降。遵从摩尔定律，每18个月增长一倍。新的显示媒体:用以克服 CRT 显示的局限性。 这在可视化中很受重视,因为较低的分辨率和有限的显示范围将不可避免地影响图 形的显示。开发的新媒体包括用于大幅面显示的可伸缩的显

7、示墙系 统，可使投影显示更清晰的高分辨率显示墙，以及可提供多视角的多 投影显示器。网络性能：将继续促进可视化的 发展来充分利用网络的通信 能力。个人数字助理（PDAs）:提供了低分辨率、移动式的价格适宜的 显示器，具有有限的 数据存储和处理能力。沉浸式环境：例如计算机辅助的虚拟环境（CAVEs）、显示墙、工作台，将继续发展并对地理信息可视化产生影响。移动式计算:将使用户从桌面范围解放出来.其影响不仅在于无论何时、何地进行显示，而且影响我们如何获得显示。空间位置的实时显示：通过与GPS、可视化、导航的集成使之成为可能。导航工具：产生对显示器革新的进一步要求,以允许用户迅速、 便捷的在未知的环境中

8、确定自己的位置.不使用手动操作的计算机：利用了语音识别交互技术，增加了导 航的解决方案。穿戴式电脑：诸如头盔显示器，在真实或虚拟显示中利用与空间 一致的信息提要来达到增强现实的效果.新的数据编码方案：例如XML(扩展标记语言）,GML（地理标记语言),SMIL（同步多媒体集成语言）和SVG（可伸缩的矢量图形）将提高新媒体的性能2。2.2地理信息可视化的研究框架1）时空信息数据库模型的研究GIS 的核心是时空信息数据库。目前，空间信息数据库的基本载体是关系数据库，并辅以特殊结构的空间信息数据文件。在关系数据库中,可以获得原本缺乏的对空间对象的表现力,结合特殊结构的空间信息数据文件则可获得优秀的数

9、据操作能力，两者结合可为用户 提供更好的 GIS 服务1.但在空间信息数据库上扩充的时空数据库的管理，尚未有很好的模型，主要原因是时间维的加入，使得数据的复杂程度再一次上升。时间轴时间轴与欧几里德空间中的一维 、二维 、三维的坐标轴既有一定的联系 ， 同时又有一定的区别.首先,它与其它轴有一定的共性 ， Pigot和Hazelton（1992)提出时间轴是连续的 、线性排序的、对其它轴来说是正交的。虽然,在时间上可以进行前推、后推，但时间不能有分支。在数据模型中，包括时间在内的多种数据，我们可以看作新的维数轴，但在具体处理中我们应区别对待4。如何兼顾时间域和空间域而获得较好的数据访问能力是时空

10、数据的一个研究方向.2）空间数据可视化研究在地理信息系统中，空间数据可视化更重要的是为人们提供一种空间认知的工具，它在提高空间数据的复杂过程、分析的洞察能力、多维多时相数据和过程的显示等方面,将有效地改善和增强空间地理环境信息的传播能力。目前空间可视化中,特别是地形三维可视化、地面建筑物三维可视化及GIS环境下空间数据的多尺度显示，还有许多问题(如思路、算法等)需要进一步研究1。由于地理信息三维可视化系统涉及的专业领域很广,随着应用的深入，它还有很多问题需要解决5：1。三维数据实时廉价获取三维数据的获取,往往受到经济条件、设务状况、地形条件、自然界的变化无常等等的影响,而不能快速、经济地得到。

11、但山于研究对象的义杂变化性,在许多领域对于三维数据的实时获取要求较高，因此三维数据的实时廉价获取方法有待研究。2.大数据量的存储与快速处理在地理信息三维可视化系统中，无论是基于矢量结构还是基于栅格结构，对于不规则地学对象的精确表达都会遇到大数据量的存储与处理问题。除了在硬件上靠计算机厂商生产大容量存储设备和快速处理器外，还应该研究软件方面的算法以提高效率。3.完整的三维空间数据模型与数据结构三维空间数据库是地理信息三维可视化系统的核心，它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等地理信息系统的各个环节,它的好坏直接影响着整个地理信息系统的性能。而三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象

12、,是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达,是对客观对象进行可视表现的基础。虽然已有很多人展开相关方面的研究与开发,但还没有形成能为大多数人所接受的统一理论与模式，有待于进一步研究与完盖。4。三维空间分析方法的开发空间分析能力在二维地理信息系统中比较薄弱，目前大多数的地理信息系统都不能满足决策层次上的需要，只能作为一个大的空间数据库,满足简单的编辑、管理、查询和显示要求,不能为决策者直接提供决策方案。其中一个主要原因是在现有的地理信息系统中,空间分析的功能较弱。在地理信息三维可视化系统中，同样面临着这个问题。因此，研究开发地理

13、信息系统的基本空间分析及将各领域的专家知识引入地理信息系统中，是地理信息三维可视化系统发展的一个重要方面。3）仿真技术和虚拟现实技术的研究仿真技术和虚拟现实技术都是在可视化技术基础上发展起来的 ， 是由 计算机进行科学计算和多维表达显示的。仿真技术是虚拟现实技术的核心,仿真技术的特点是用户对可视化的对象只有视觉和听觉， 而没有触觉；不存在交互作用；用户没有身临其境的感觉；操纵计算机环境的物体，不会产生符合物理的、力学的动作和行为，不能形象逼真地表达地理信息。而虚拟现实技术则是指运用计算机技术生成一个逼真的、具有视觉、听觉、触觉等效果的、可交互的、动态的世界， 人们可以对虚拟对象进行操纵和考察。

14、其特点是利用计算机生成一个三维视觉、立体视觉和触觉效果的逼真世界,用户可通过各种器官与虚拟对象进行交互,操纵由计算机生成的虚拟对象时，能产生符合物理的、地学的和生物原理的行为和动作;具有从外到内或从内到外观察数据空间的特征，在不同空间漫游；借助三维传感技术（如数据头盔、手套及外衣等）用户可产生具有三维视觉、立体听觉和触觉的身临其境的感觉1。虚拟现实的最大特点是“3I”：即交互（interactivity）、沉浸（immersion）、想象(imagination），人可以与系统进行高度交互。为了能带给人一种沉浸感的效果，需要对人的感知能力，不仅仅是视觉，还有听觉、触觉、嗅觉和行为等有深入的研究

15、.从这一点讲,地理可视化中的表达手段不只限于研究视觉效果， 也拓宽了人的整体感知能力。3信息可视化面临的挑战1)了解新媒体视觉计算和显示的媒体比较新新兴的,我们尚未很好的明白他们的优势和缺点。目前，许多开发商和用户有关的新媒介，仿佛它是我们已经习惯了千年的纸张替代品。这些新技术,能让我们做的更多。我们需要花些时间来充分了解这些新媒体.2）应用于现实问题利用信息可视化解决现实世界问题是该技术的主要挑战之一。在这个领域的大量的研究和开发是学术兴趣，而不是适用性,从而创造一个“种种诀窍”。更适当的方法是先研究问题然后寻找适当的解决方案，如使用信息可视化。我们需要实现在许多现实世界的应用程序，可视化只

16、是一个复杂系统的一个组成部分，而不是一个独立的实体。我们必须了解系统和用户的需求，以创建有效的可视化。3)3D和2D随着3D图形芯片的广泛部署,台式电脑将很快处理更复杂的3D图形和动画.挑战是如何更好的研究这即将到来的技术.目前，我们不要总是理解3D比2D更有效,反之亦然。作为更好的软件更容易生产可视化，重要的是不使用这些新功能只有在他们适当并有效传达信息。3）以人为中心的可视化基于人类感知和信息处理能力的剪裁可视化系统另一个挑战.我们需要更好地理解人类与信息互动，我们如何看待它的可视和非可视，大脑是如何工作的当搜索已知的和未知的信息,以及如何解决问题的心灵。良好的人机交互（HCI）是必须的，

17、但这还不够。可视化系统设计，我们还需要更好地实施我们所知道的人类如何理解和与信息互动知觉系统.相关的挑战包括学习如何创建灵活的用户界面,导航工具和搜索方法适合每个现有类型的用户、应用程序和任务7。4)概念结构我们目前的可视化工具的另一个问题是，他们通常只专注于数据,而不是概念结构,如类别或在更高抽象层次上运行的关系。因此,尽管他们提供良好的数据探索支持,他们是不太有用的合成活动。其中概念的构建，或分析,概念操作化.为了更好的支持整个科学过程,我们必须提供机制，可以可视化连接的各个阶段的分析，并显示概念如何涉及到数据，模型如何与概念有关，等等8。4地理信息系统中的可视化过程目前 ， 地理信息系统

18、中的可视化过程主要包括图形图像的生成和空间信息的查询。4。1图形图像的形成地理信息系统中的图形图像包括用于数据显示的二维图和三维图，以及用于对数据进行分析评价的可视化表达的散点图、直方图和条形图表等。其中二维图和三维图是把各种二维或三维的地理空间数据经空间可视化模型的计算分析，转换为二维计算机屏幕上的图形图像 .地理信息系统中可把某种地理对象的多种类型的图形、图像在视窗环境中同时建立，利用图形图像之间基于地理分析方法模式建立的动态关联 , 可以清楚地表达地理对象的展布模式及其不确定性，如在同一视图中显示地图、图表、图形和扫描影像等，使它们彼此之间建立动态联系，通过图形图像的动态连接（热连接）与

19、空间数据查询的结合，可以实现在对某一个图形图像中的对象选择,同时使另一图形图像中相应对象的对应特征高亮显示，从而为地物或现象的进一步分析提供了条件1.4.2空间信息查询空间信息的快速查询是地理信息系统可视化功能的一个重要的应用，是按一定的要求访问地理信息系统中所描述的空间实体及其空间信息，挑选出满足用户要求的空间实体及其相应的属性.查询交互进行时，其结果能动态地通过两个视窗(图形窗和属性表格窗口）进行显示。 地理信息系统的空间查询方式有：空间关系查询、属性特征查询、基于空间关系和属性特征查询9。用户可以根据图形查询相应的属性信息,也可以根据属性特点查找相对应的地理目标.如通过查询功能可以查询距

20、离某个居民点5km 内的所有商店和超市，也可以查询某个商店或超市距居民点的距离.目前进行空间信息查询一般用空间查询语言（spatial query language ， 简称SQL).SQL是一种关系数据库管理系统所支持的标准结构化语言，其基本结构是： SELECT-FORMWHERE 组成的查询块.在SQL 语言中，指定要做什么,不需要告诉 SQL 如何访问数据库，只要告诉SQL需要数据库做什么。利用SQL，可以确切指定想要检索的记录以及按什么顺序检索，用户通过 SQL 语言提出一个查询，数据库返回与该查询相匹配的记录1。参考文献1岳丽燕，胡文亮。 地理信息可视化研究J. 河北师范大学学报，

21、2003,(04):422-426。2苗蕾,李霖。 空间认知与现代技术的结合地理空间数据的可视化J。 测绘工程,2004,(02）:47-49.3 杨自海，刘伟.地理信息可视化特点研究J.中国科技纵横,2014，(19）.4李红旮，崔伟宏. 地理信息系统中时空多维数据可视化技术研究J。 遥感学报,1999，（02）:74-80+84.5吕志慧。 地理信息三维可视化系统应用研究D。郑州大学，2002.6Menno-Jan Kraak, Alan M。 MacEachren。 Geovisualization and GIScienceJ. Cartography and Geographic I

22、nformation Science, 2005, 32(2)：67-68.7Guest Editor. Information Vis Introduction J。 IEEE Computer Graphics and Applications, 2008。8Gahegan M。 Beyond Tools: Visual Support for the Entire Process of GIScience Exploring Geovisualization Chapter 4M/ Exploring Geovisualization. 2005:8399。9 Geographic Information Science Paul A. Longley.A10Lu Y, Zhang M， Li T， et al. Online spatial data analysis and visualization systemC/ ACM SIGKDD Workshop on Interactive Data Exploration and Analytics. ACM， 2013:71-78。