摘要：随着空间技术的迅猛发展，可视化技术的应用越来越广泛。基于此，本文介绍了可视化技术在地理信息系统中的应用现状，并分别从基于体素的多维数据结构、基于体素多维数据的操作以及基于体素地理数据几方面的分析，对地理信息系统中时空多维数据可视化技术进行了全面分析，提出基于体素数据结构基础上的时空多维数据组织方式。
关键词：地理信息系统；时空多维数据；可视化技术
前言
目前，地理信息系统在信息管理领域不断发展，发挥着越来越突出的作用，它为人们提供了储存信息、处理信息和分析信息的平台，但是在地理信息系统中存储的数据大多数是枯燥、抽象的二维数据，而可视化技术可以实现人们在三维环境下对信息进行处理，因此地理信息系统应结合可视化技术，为人们提供一个动态的、可视化的信息处理环境，有效提高工作效率。
1.数据可视化技术概述
数据可视化技术，即是利用数据视觉表现形式来展示信息的科学技术。为了便于人们更好的理解复杂的科学现象以及抽象的概念，常常利用计算机的图形处理技术，把这些复杂的数据图形化，使数据更加直观的展现在人们面前。
可视化信息的数据通常由多条记录组成，其中每条记录对应着多种变量和维度。生活中比较常见的是比较简单的数据集，一维、二维和三维数据，一维数据通常指仅包含一种属性的简单信息，如软件程序等，二维数据是包含两种不同维度的信息，像城市地图与设计平面图就属于二维数据，它的数据包含三种不同的属性，广泛应用于医学、气象观测等方面。
利用可视化技术，可以将枯燥复杂的数据转变成具有形态的动态信息，使人们可以在三维世界里对其进行操作，提高工作效率。由于可视化技术具有多维数据的特点，人们可以根据数据信息的动态分析，对物体进行仿真创作，所以可视化技术常常应用在动画创作中，动画技术研究人员利用可视化技术，完成对动画模型的动作以及动画背景的设置，不断创造出更加精彩的动画作品。近年刚刚兴起的VR技术也是利用了数据的可视化技术，VR技术也被称为虚拟现实技术，它把计算机的图形技术、仿真技术、等多种科学技术融合在一起，在多维的信息环境下创建出虚拟的数字空间，另用户体验到身临其境的感觉。
2.地理信息系统中可视化技术的发展
2.1可视化技术对于地理信息的二维表达
矢量数据模型、栅格数据模型与矢量-栅格混合的数据模型是目前地理信息系统中经常使用的数据模型。矢量数据模型具有点、线和多边形等地理信息特点，它可以通过数据链表来连接地理景观的所有物体的几何坐标。栅格数据模型与矢量数据模型相比具有较强的空间分析和操作能力，可进行逐点处理，基于规则二维格网与不规则格网的发展，人们利用栅格数据浓淡绘制速度快的特点，完成了对地表的三维立体展示。
2.2可视化技术对于地理信息的三维表达
面模型是地理信息系统中常采用的三维表达方式，面模型在表达若干面之间的关系时，通常使用浓淡技术以及消隐技术，在光栅面上表达由矢量边线构成的事物，当地理场景、视角以及光线任一条件发生改变时，深度链和显示缓冲区离散化都需要重新进行计算。
与面模型相对的体模型常利用三维立体网格实现绘制地理场景，每一个网格往往对应着一个属性值，因此，可以把体素作为三维立体网格的单位。体素对不同的数据信息进行显示时，在体素的材质、颜色和透明度方面会有差异，因此，利用提速的这一特点，将采集到的地理数据矢量、标量分配给体素，使数据更加直观的摆在人们面前。
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2.3可视化技术对于地理信息的时态表达
近几年，国内的专家学者不断对地理数据的时态关系进行研究，逐渐摆脱了过去借助轨迹线描述地理数据的方法，转变为应用动画技术来展现地理数据的空间维度，使用Macintosh Quicktime等单帧动画工具，将按照时间顺序生成的图像中间缺少的帧补齐，之后在对图画进行处理,将地理信息系统中常见的二维数据与三维数据的定义扩展到四维空间。
3.基于体素数据结构的时空多维数据可视化技术分析
3.1基于体素的多维数据结构分析
对于多维数据结构的分析，最需要关注的是数据存储以及数据组织的操作。在实际的多维数据研究环节中，能够发现，实现地理空间数据集的分析，首先需要确定一个单值的四维函数s=f(x，y，z，t)，x,y,z分别代表三维环境中的行，列与高度层，t代表四维空间因素时间。其次，确立数据集的体素，用四面体、六面体或其他结构的立体代表体素。第三，对地理事件发生的日期及时间分别进行标记。地理信息系统中，常用形体{x，y，z}与有关属性{p0,p1…pn}代表一个地理实体，研究中不难发现，二维数据与三维数据只能反应{x，y，z}的变化，不能反应{p0,p1…pn}的变化，这种情况下就应当采用更高维的函数S={f（x，y，z,t,p0，p1…pn）}，其中pn表示的是地理对象的物理及化学特性参数。因此，在记录数据时，首先要按控制变量的方法将数据进行存储，其次按照时间与线性数组的方法记录三维立体数据。
3.2基于体素多维数据的操作分析
由于多维体的拓扑关系复杂，所以进行多维体拓扑关系的分析时，需要根据不同的维进行不同角度的思考。例如在三维立体中，每个体素均有26个体素与之相邻，与中心体素共面的一共有6个体素，与中心体素有共同结点的体素有8个，与中心体素共享一条边的体素高达12个。时间t与物体间存在3种拓扑关系，分别为事件A发生在事件B之前、事件A与事件B同时发生和事件A发生在事件B之后。
通过上述对多维体拓扑关系的分析，我们在对实体进行操作时，可以使用下列运算方法：AtU*=r(At∪Bt）,At=r(Bt-Bt-1）。At表示在t时的地理实体A，同理，Bt 和Bt-1 则分别代表t时刻与t-1时刻的地理实体B，U*表示并运算，r表示点集的正则化算子。
地理数据的来源广、形式多，因此，多维数据内插是多维数据的存储和叠加过程中需要严肃对待的问题，拥有8个顶点的体元，它的插值方法与4种，分别为：临近点插值法，按距离加权的双线型插值法，三线性内插法以及双三次插值法.
3.3基于体素地理数据的可视化分析
研究多维数据可视化分析时，常在OpenGL图形库的基础上，利用计算机的操作系统，开发多维地理数据的处理和可视化程序。把地理数据可视化分为二维数据和三维数据的形式，与此同时，运用多维数据的动态特征，可以用动画的形式实现地理信息的可视化。这个程序中包括二维数据显示线程以及三维数据显示线程，由于线程具有同步性的特点，所以在分析过程中可以边计算边显示，满足用户的实时交互需求。该程序中还包含双缓冲区动画线程，它可以同时完成图片的展示以及计算过程，计算后得出的地理数据经过程序的消影和绘制作用，存储到显示变换区，进而显示出变换区内的显示内存。简单地来说，当显示缓冲区显示出一帧画面以后，后台的程序正在显示交换区自动进行数据分析，并按照得到的数据绘制下一帧画面，绘制过程结束后，显示交换区与缓冲区会交换画面。用户在选取有时间标志的地理数据后，可以根据显示链上的时间来控制和计算所需的地理数据，进而完成对多维数据的实时控制。
总结
综上所述，地理信息系统在信息处理过程中融合了数据可视化技术，简化了数据的操作过程，提高了工作效率。通过上述基于体素数据结构的时空多维数据可视化技术分析，将地理信息系统中的二维数据与三维数据与具有时态特性的数据有效组合在一起，实现了对数据库中时空多维数据的运算与操作。因此，在地理信息系统发展的过程中，要继续加强对可视化技术的应用研究，全面提升人们处理信息的效率。
参考文献
[1]王瑞松.大数据环境下时空多维数据可视化研究[D].浙江大学,2016.
[2]阙翔.面向动态过程模拟和实时表达的地质时空数据模型研究[D].中国地质大学,2015.
[3]李林超.面向多属性地震数据的体绘制可视分析方法研究[D].电子科技大学,2015.
论文作者:王思平
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/9
标签：数据论文; 多维论文; 技术论文; 地理论文; 地理信息系统论文; 信息论文; 时空论文; 《基层建设》2017年第22期论文;