三維環境矢量數據可視化研究

王婧一++趙宸立++羅輝++鄧晨

摘 要：該文從GIS發展角度出發，以二三維一體化作為研究背景，以地圖符號論為指導，分別從符號論角度、二三維環境下差異及計算機圖形學角度對矢量數據可視化進行了分析，提出了自己的研究思路.

關鍵詞：三維環境矢量數據 可視化 數據匹配 坐標轉換

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0094-01

1 研究現狀

從地圖學發展過程來看，二維GIS發展成熟，在數據結構、存儲、管理、空間查詢及分析等方面具有無可比擬的巨大優勢。而三維GIS在人機交互，實時渲染等方面有很好的效果。但兩者皆有其缺點，二維GIS由于其符號的抽象性，無法表現出逼真的的地形環境，三維GIS出現時間短，發展不夠完善，不能夠實現較高層次的信息查詢，基于拓撲關系的分析及相關屬性方面的管理，目前，將二維GIS強大功能和三維GIS直觀顯示進行有機結合主要有以下三種模式：

（1）二三維切換模式。

（2）二三維聯動模式。

（3）基于緊密型二三維結合GIS。

2 矢量數據可視化分析

2.1 矢量數據可視化符號論基礎

在傳統二維地圖上，視覺變量包括形狀、尺寸、亮度、密度、色彩，而到了三維環境中，視覺變量有了新變化。三維地圖符號的視覺參量與二維地圖符號的視覺參量存在差異，由狀態、動態變化和操作3個方面的視覺參量組成。狀態方面的參量與平面地圖的靜態視覺參量類似，然而，由于表達手段、技術的不同，參量描述與傳統靜態視覺參量也略有差異，主要包括形狀、尺寸、色彩、亮度、紋理、空間造型等6個方面的參量。

2.2 二維環境與三維環境的差異

傳統二維平面地圖的認知方式是通過對地圖的閱讀獲取關于地理實體的位置、大小、距離、方向、相互關系等空間信息，主要運用表象形式進行編碼和解譯。使用地圖時，讀者對空間信息的定位是使用外部參考框架，方向固定，。二維地圖是對地理空間的簡化和再現，然而二維平面地圖不夠生動；用戶對二維地圖的認知主要依靠人的視覺；VR技術在空間信息可視化中的應用為我們提供了一種新的認知環境——虛擬地理環境，是地圖在數字化時代的延伸和拓展， 是數字地圖支持下的一種新的空間認知工具。具體說來，三維環境與二維環境有如下幾個方面的不同。

（1）投影方式不同，把三維場景中圖形顯示到二維平面多進行透視投影，而在二維場景中，一般只是進行簡單的正交投影即可。

（2）繪制引擎不同，二維場景繪制時一般只要用GDI或GDI+二維引擎即可，而三維場景繪制時多采用OpenGL、OSG、D3D等三維引擎。

（3）漫游方式不同，在二維場景中，只能進行簡單的近大遠小縮放和上下左右漫游，到了三維場景中，觀察方式變得更加豐富，如可以進行翻轉、旋轉等。

（4）應用環境不同，二維環境多應用于二維GIS或二維電子地圖顯示，三維場景多應用于三維GIS或逼真的虛擬環境表達。

（5）坐標系不同，二維環境中使用的X-Y坐標，三維環境中使用X-Y-Z坐標；

（6）數據模型不同，二維環境中多使用矢量數據和柵格數據，三維環境多使用DEM與紋理。

正因為兩者環境存在差異，將矢量數據在三維環境中可視化必須解決二三維環境下一體化的問題，如坐標的轉換問題、數據匹配問題等。

2.3 矢量數據可視化圖形學基礎

計算機圖形學為我們在理論上提供了大量的算法理論，具體包括以下幾點。

（1）線型生成技術為線狀要素建模提供了有力支撐。

計算機圖形學中的平行線生成算法、虛線生成算法可以為線狀要提供很好的借鑒作用，規則曲線和自由曲線生成為線狀要素顯示提供了很大幫助。

（2）面域填充算法為面狀要素建模提供了很好的思路。

面域填充算法包括掃描線填充算法、種子填充算法、圖案填充算法等，尤其是圖案填充算法為面狀要素建模提供了很好的算法基礎。

（3）幾何變換特別是三維圖形幾何變換為矢量數據在三維場景中的顯示起了很大作用。

2.4 矢量數據可視化思路

由前面的符號論分析可知，二維地圖符號在三維可視化過程中并未過時，相反，還對三維符號發展起到借鑒作用，二維地圖符號在三維環境下仍然可以使用；同時三維環境下地圖視覺變量有了新的變化，如增加了紋理、空間造型等，這也啟示我們可以在三維環境下使用新的視覺變量，比如，使用紋理進行矢量地圖符號建模。

二維與三維環境存在差異，在認知上，二維環境相對于三維環境而言，不夠生動，缺乏進入感等，這也是將矢量數據在三維環境中進行可視化的必要性。二三維環境的主要差異有投影方式、漫游方式、坐標系及數據模型，投影方式不同會導致顯示效果不同，漫游方式不同會導致符號繪制后不同視角會有不同的顯示，如圖1所示，各類符號在不同視角下顯示有明顯不同，以視點逼近為例，點狀符號將逐漸占據整個屏幕；同樣，線狀符號不同線型之間距離拉大；面狀符號隨著視點的變化其內部填充的圖案也變得十分稀疏；這些變化都影響了人的空間認知，而這都是可視化需要解決的問題；坐標系不同則必須要考慮統一坐標系，以及不同坐標下的坐標轉換；數據模型的不同則還需要考慮數據模型的匹配問題。

計算機圖形學提供了大量的成熟的算法和理論知識，可以為符號建模、要素顯示提供思路，OSG的強大功能可以減少工作量。

綜上所述，矢量數據可視化思路如下。

（1）綜合運用各種視覺變量，實現點狀要素、線狀要素、面狀要素建模。

（2）根據圖形學相關算法，解決地圖符號在三維環境中的應用問題。

（3）利用相關技術（如RTT技術），解決各要素在不同三維場景中的匹配問題，如三維平面，三維球面，三維地形。

參考文獻

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