空间数据可视化的认识及其应用以及空间数据可视化在虚拟环境中的应用

一、你对空间数据可视化的认识及其应用有何看法？空间数据可视化在虚拟环境中的应用？首先说一下空间数据可视化的由来，通过百度我知道，可视化是在数字化的背景中产生的,其作用是在人机交互的情况下发挥人脑的形象思维功能。地图本身就是可视化的产品,并在发展过程中形成了一系列的理论与方法。这些都自然地会成为地理空间数据可视化技术的基础。空间数据可视化的概念首先是美国国家自然科学基金会员会图形图象专题组在1987年提出了科学计算可视化（visualizationinscientificcomputing)。那时的科学计算可视化是研究如何将科学计算过程及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。进而在1997年国际地图学会成立了可视化委员会，提出将科学计算可视化和地图可视化的连接和交流。直到今天空间数据可视化也是当前计算机图形学领域的热门研究课题,它能通过分析、抽象和处理表示各种物体和场景的海量数据,实现了在计算机中真实模拟现实世界的目的,例如地图学也因可视化方法的提出而获得新的动力。GIS也因可视化的支持而为研究者提供了促使逻辑思维与形象思维相结合的认知工具。并且在医学、地球科学、天文物理、化学、机械工程等许多方面有广阔的应用前景。它是将某个物体的几何模型转变成我们视觉上清晰直观图像供进一步研究、分析,图像的绘制质量将直接影响工程技术人员对原始数据的理解,因此对可视化图形绘制的研究具有突出的现实意义。空间数据可视化绘制的主要研究内容包括光照模型、纹理技术和图形生成等。光照模型是最常用的绘制技术之一。经典的基于物理的反射模型在象素级都是一个表面几何的函数,且表示成光照明的模式,但是它不能反映随着视点的变化而产生的反射特征的变化。一种基于几何的分辨率反射模型适用于表示不同级别的反射影象,但是这种量化由分辨率来确定的并被记录在多分辨率mipmaps中,为此一种多分辨率反射技术可以用来有效记录这些基于分布的参数。该技术使用基于几何的反射函数来表示,并且通过显示硬件的支持来实现实时绘制比较好的反射细节。纹理映射和调度是可视化绘制研究的一个重要内容。可视化同时也是一种计算方法，它将符号或数据转换为直观的几何图形，便于研究人员观察其模拟和计算过程。可视化包括了图像综合，这就是说，可视化是用来解释输入到计算机中的图像数据，并从复杂的多维数据中生成图像的一种工具。空间数据可视化的应用有以下几个方面：1、军事上的应用军事领域，未来的战争是数字化战争，数字化战场是其关键。而3DGIS是构建数字化战场的基础。战场上敌我双方的各种信息(包括自然、地理、社会经济、军事等各方面)将由三维地理坐标进行定位与整合，并得以实时地直观地表达，以便为各级指挥员在战前演练、战场指挥、战后评估提供一种全新的手段。2、民用上的应用在民用领域——比如城市规划、道路交通、公共安全、数字社区等方面，3DGIS都有着极为广泛的应用。以下着重介绍3DGIS在城市应急响应方面的应用。城市是基础设施与人口分布十分密集的地域，任何突发事件，如自然灾害(火灾、洪水、地震、海啸)，或其它事件，如重大交通事件、重大恐怖活动、公共设施故障或事故、公共安全紧急救援等，如果处理不及时或不适当，就有可能给国家和人民的财产、人民生命安全造成极其重大的损失。这种城市环境下紧急事件快速应变与决策能力的实现需要建立可靠的多层次城市应急决策模型和决策系统。还有一点应用，不得不提，在老师讲课的过程中发现老师也是个游戏好手，我就再说说在现实生活中游戏上的应用，包括CS、CF、魔兽世界等等的运用，众多单机游戏或网络游戏均需要空间数据可视化技术为其打下坚实的基础，各种场景的制作效果也越来越逼真，给游戏者以身临其境的感觉。随着计算机技术的高速发展，我相信可视化的程度会越来越高，电影阿凡达中的很多场景也很出现在我们生活中的。二，虚拟现实虚拟现实(VirtualReality,VR),又称虚拟环境(VirtualEnvironment,VE)或灵境,是20世纪90年代最重要的成就之一,被称为“放大智慧的工具”,也有人认为“21世纪的计算机是虚拟现实计算机”。虚拟现实技术可以定义为对现实世界进行五维时空的仿真,即除了对三维空间和一维时间仿真外,还包含对自然交互方式的仿真。它由计算机生成,通过视、听、触觉等作用于用户,使之产生身临其境的交互式场景仿真,是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。一个完整的虚拟现实系统包含一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面,分布式虚拟现实系统还要包含用于共享信息的人机交互界面。虚拟现实技术是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理等技术综合发展的产物。它具有以下4个特征:(1)多感知性(Multisensory),所谓多感知性就是除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、触觉感知、力觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。(2)存在感(Presence),又称临场感(Immersion),在虚拟现实的环境中,用户能感到自己成为了一个“发现者和行动者”。(3)交互性(Interaction),是指用户可以对模拟环境中的物体直接操作,并从环境得到信息或感受。(4)自主性(Autonomy),是指虚拟环境中的对象具有依据物理定律动作的能力。虚拟现实技术是一种为改善人与计算机的交互方式,提高计算机可操作性的人机界面综合技术。与其它计算机系统相比,虚拟环境可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道(视觉、听觉、触觉、嗅觉)的人机界面。虚拟环境的三维属性和高保真性,使用户从单纯观测计算结果中解脱出来,沉浸到计算机创造的环境中,通过多种传感器和多维信息环境的交互作用,得到感性和理性的认识,从而深化概念并萌生新的创造思维。虚拟现实技术的体系结构：虚拟环境的系统结构，虚拟环境(VirtualEnvironment,VE)是体现了虚拟现实所具备的功能的一种计算机环境。虚拟环境必须具备与用户交互、实时反映所交互的影像、用户有自主性三个条件。虚拟现实系统的组成模块虚拟现实系统由以下模块组成:(1)输入模块:是虚拟现实系统的输入接口,其功能是检测用户的输入信号,并通过传感模块作用于虚拟环境。输入模块一般是数据手套、头盔显示器上的传感器,用于感应手的动作、手和头部的位置;对于桌面现实系统而言,输入模块一般是键盘、鼠标、麦克风等。(2)传感器模块:是虚拟现实系统中操作者和虚拟环境之间的桥梁。一方面,传感器模块接受输入模块产生的信息,并将其作用于虚拟环境;另一方面将操作后产生的结果反馈给输入模块。(3)响应模块:是虚拟现实系统的控制中心。响应模块一般是软件模块,其作用是处理来自传感器模块的信息,如根据用户视点位置和角度实时生成三维模型根据用户头部的位置实时生成声效。(4)反馈模块:是虚拟现实系统的输出接口。其功能是将响应模块生成的信息通过传感器模块传给输出设备,如头盔显示器、耳机等,实时渲染视觉效果和声音效果。2.4虚拟环境系统的分类方法根据显示方式可分为桌面式、佩带式和全景式[3]。桌面式系统场景通过计算机屏幕显示,用户用立体眼镜观察,声音由台式或室内音响系统提供。佩带式是用头盔将用户视听觉与外界隔离,使用户完全沉浸在计算机生成的虚拟环境中,计算机通过位置跟踪器、数据手套或跟踪球等感知用户的运动、姿态及行为,并反馈到场景及声音系统中,产生人在其中的效果。全景式虚拟现实系统是投影系统,生成洞穴式虚拟现实。观察者佩带立体眼镜和头部跟踪器,当观察者移动时,立体投影生成器计算出各面墙上的图像。根据与外界真实世界的关系可分为封闭式与开放式两类。封闭式虚拟现实系统不与真正世界发生交互,任何操作不对外界产生直接影响,例如娱乐系统或单纯的验证预演、仿真系统。开放式虚拟现实系统则通过传感器和控制器与外界构成交互作用,系统可根据用户要求对外界产生直接作用并得到相应反馈信息。下面介绍虚拟城市建设方法运用虚拟现实技术建设数字城市也可以叫做虚拟城市建设。虚拟城市建设研究利用虚拟现实软、硬件与多种传感器结合的高科技系统，综合应用全数字摄影测量技术、GIS技术、仿真技术等，在有关城市数据的基础上建立虚拟城市。首先利用全数字摄影测量技术、GIS技术等快速获取所研究区域的基础地理数据(4D产品)、建筑外表结构与纹理数据等,建立研究区域的地理数据库。建立虚拟现实系统与国家空间数据转换标准间的接口程序，可以实现包括DEM数据和矢量数据的转换、虚拟现实系统的数据格式转出为国家空间数据标准格式以及国家空间数据标准格式转入虚拟现实系统的格式。研究利用采集到的数据及虚拟现实建模技术,对研究区域进行快速建模。在此基础上建立虚拟城市的仿真环境,可以实现城市的真实环境再现以及规划环境的预见。研究GIS与虚拟现实技术的结合，利用GIS作为后台空间数据的管理工具，而将虚拟现实作为前台用户与地理空间信息交流的渠道，为用户提供更便捷高效的查询、分析功能和结果反馈途径。研究在虚拟现实系统中对物体进行交互操作、进行实时修改控制的方法等，从而建立可交互操作、集成化和人机和谐的虚拟城市系统。虚拟城市建设关键技术，虚拟城市建设涉及多种技术，包括计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、GIS技术、三维建模技术等，并且许多问题还需要开发人员解决，而需采用的关键技术主要有：（1）数据获取技术指利用研究区域的基础资料,采用野外测量、地形图数字化、全数字摄影测量等方法，获取研究区域的地理数据，包括数字高程模型、建筑外表结构与纹理数据等。三维源数据的数据模型及数据存储格式与获取方法、应用软件系统有关。（2）三维实体快速建模技术指根据采集到的数据,利用建模软件建立各种地理实体，如地形、建筑物、道路、水面、树木、草地等在虚拟现实系统中的模型。（3）仿真技术建立虚拟仿真环境,实现研究区域的真实环境再现以及规划环境的预见。（4）接口技术包括DEM数据、矢量数据的转换；虚拟现实系统的数据格式转出为国家空间数据标准格式以及国家空间数据标准格式转入为虚拟现实系统的格式。（5）集成技术如何将遥感、GIS、科学计算可视化系统、VR系统进行集成。