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摘要：将科学可视化技术（VISC）应用于地理信息系统之中，增强地理信息系统对时空多维数据的显示、处理功能，是当前的研究热点之一。地理信息系统时空信息平台以一种更加直观的信息可视化方式表达所有事物的位置特征信息，而多维时空信息可视化是空间信息表达的关键，开展地理信息系统时空信息多维可视化关键技术研究。并通过二维、三维显示及动画形式的研究，从技术上对科学可视化与地理信息系统的结合进行初步的探索。最后，通过对时空多维数据可视化算法的研究与实现，为在地理信息系统中进一步将可视化技术走向实用提供基础。
关键词：地理信息系统；多维数据可视化；动画
1前言
由于空间技术的迅猛发展，特别是遥感技术的发展，大量有关地球空间环境的不同时相数据的收集，使地理信息系统的作用日渐突出，地理信息系统提供了存储、处理和分析地理数据的环境。当前的地理信息系统主要是处理数字式的地图，大部分是静态的二维地图。
科学可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形态的信息进行操作。和计算机的直接交流，赋予人们对物体进行仿真并且实时交互的能力。这种技术把人和机器以一种直沉而自然的方式加以统一，这无疑将极大地提高人们的工作效率。可视化的另一项主要应用是动画技术。动画技术使得研究人员可以发挥自己的创造力进行模型的动作、景物的布置等设计。
在地理信息系统界，随着科学可视化的发展，促使研究人员将获得的大量地理数据，转化为所研究的地理对象、地理现象、地理事件生动的图像、声音、动画，通过对这些信息的分析理解，诱发出新的思想，以致做出新的发现。
2地理信息可视化技术
2.1 内容更全面更详细
人们对地理信息的需求已从原来概括性较强的地图向越来越详细（全面、细致、精确、直观且美观，抽象和综合程度低）的方向发展，即地图的比例尺越来越大，地理实体的属性信息越来越详细。传统地图通常都是概括和抽象地表达地理信息的，在地物方面主要是表达较大和较重要的地物。随着电子地图的普及和人类对地理信息需求的增长，由于电子地图不受比例尺和图面空间的限制，人们对地图上地物内容的要求越来越详细了，如在数字化城市管理中，它要求把地面上所有的城市部件无论大小都要反映到地图上；另外对地理实体的属性信息的要求也越来越多了，不仅要求区分部件的基本属性，还要求将城市部件的权属、材质等其他各种属性信息都要表达出来。
2.2 表达更直观更仿真
传统的线划地图是模拟的二维地理空间模型，由于用符号表达较为抽象，使得地理信息的应用受到限制。随着三维建模技术的不断进步，实景三维技术、虚拟现实技术应运而生，三维地理空间模型已越来越普及，大大扩展了地理信息的应用范围。人们对地理模型的需求已逐步从二维模型转向三维模型，传统的三维建模将会被全要素三维建模取代。
2.3建模结构化或实体化
现在很多的地理空间数据都是无结构的，只有DLG 是有结构的。没有结构就不能进行检索和产生知识，如卫星片、航拍片、全景照片、记载点云、车载点云，甚至街景工厂所生产的三维模型也是没有结构的。这种无结构的数据被老百姓称之为一张皮，里面没有任何结构，很难进行检索，很难产生知识。
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2.4室内空间与室外空间融合
人们对地理信息的需求已从原来的室外地理信息向室内外结合的地理信息方向发展，GIS 技术正在与 BIM 技术融合。室内外无缝导航定位技术的发展需要室内外的地理空间模型，因此需要建立室内空间模型技术体系及室内外空间模型融合的技术体系。
2.5现时数据与历史数据的融合
随着地理信息源越来越丰富，人们对地理信息的需求已从原来的管理查询向挖掘分析的应用方向发展。随着各种遥感技术的广泛应用，地理信息源越来越多，各行各业建立的行业或部门 GIS 也已完成，人们对地理信息服务的需求已从原来的管理查询逐渐演变成分析和知识的挖掘，以辅助规划和决策。传统的空间数据库都是按照不同时代建立不同版本的空间数据库，很难清晰反映一个地理空间随时间变化的过程，也就很难分析出空间数据随时间变化的规律。
3基于体素地理数据的可视化
3.1基于体素的多维数据结构
数据的存储和组织无疑对数据的显示和操作起到决定性的作用。
在地理信息系统中，我们将地理实体定义为形体和有关属性的集合，在实践中，我们逐渐认识到物体在地理空间的运动和变化是受到诸多因素的影响，如果只有二维、三维位置、时间，只能反映随时间t变化的地理形体的变化，而不能进一步反映地理形体属性的变化，外界环境作用力以及地理信息场对地理实体作用。因此，对地理实体的时空特性存储表达采用五维或更高维。
3.2基于体素多维数据的操作
由于体素具有一定的形状和大小，在时间维上占据一定的位置，根据对上述多维体拓扑关系的分析，我们可以通过对体素、体素块在空间上和时间上的并、交、差以及算术运算完成对实体的叠加操作。面对大量采集的不同来源、不同形式地理数据，在存储、高维叠加、投影变换时需要引起重视的一个问题是多维数据内插。通过对以上拓扑关系的研究，我们将二维栅格数据的插值方式向三维空间延伸。
3.3基于体素地理数据的可视化
在研究中，我们采用MSVC4.2以OpenGL图形库为基础，在微机中文MSWindowNT4.0WorkStation操作系统上开发多维地理数据的处理和可视化程序。对地理数据的可视化分为二维、三维方式，同时分别对二维、三维按时间序列进行实时处理，并以动画形式表达，以求全面地反映地理数据的可视化。
用户通过对带有时间标志的地理数据的选取，显示链中时间的设置来控制所要计算的地理数据，从而达到对数据及模型的实时控制。二维要素的显示算法与实现基于体素的多维数据结构能有效地进行二维要素绘制。绘制主要是利用切片技术进行等值线、彩色片、矢量箭头等方法的绘制。切片技术是利用用户指定的平面如x-y、x-z、y-z或者是任意平面与体空间相交，或者是高维平面与更高维空间相交得到空间剖面的方法。在得到空间剖面后，需要将邻近的体素值通过最近内插、双线性内插等方法，构成剖面上的数据。
4结束语
科学可视化技术为在地理信息系统中对复杂的地理现象的理解起到越来越重要的作用。如何进一步将科学可视化技术与地理信息系统技术相结合，是一个十分复杂而又迫切需要解决的问题。时空大数据和时空信息云平台是地理信息系统建设基础，时空信息多维可视化技术是关键。
参考文献：
[1]杜京霖.多维数据可视化技术研究综述[J].软件导刊.2015（07）
[2]杨彦波.信息可视化研究综述[J].河北科技大学学报.2014（01）
论文作者:卜小培1,王相冉2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/28
标签：多维论文; 地理论文; 数据论文; 技术论文; 地理信息系统论文; 空间论文; 地理信息论文; 《基层建设》2018年第3期论文;