智慧城市地理空間數據可視化技術探討

楊永崇，李 梁

(西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054)

智慧城市地理空間數據可視化技術探討

楊永崇，李 梁

(西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054)

從智慧城市、大數據時代的要求與地圖的獨特分析功能出發，探討了大數據時代對地理空間信息及其可視化的要求和技術。對智慧城市建設時期的地理空間數據而言，不僅要求內容更全面更詳細、表達更直觀更仿真、建模結構化或實體化，而且要求向室內空間與室外空間融合、地上空間與地下空間融合、過去數據與現在數據融合、現在數據與未來數據融合的方向發展。

智慧城市；大數據；地圖；地理空間數據；可視化

大數據是智慧城市的核心要件，智慧城市正是從大數據中獲取信息和知識才變得智慧起來。圖表是有效組織數據、協助研究人員對數據進行探索的重要手段[1-3]。在科學研究史上，門捷列夫發明的元素周期表改變了化學家的思維方式，推動了新元素的發現。天文學家發明的對星體分類的“光譜——亮度圖”促成了中子星的發現。因此，除數據挖掘之外，模擬仿真、數學優化等工作同樣是加工數據、產生洞察的重要技術手段[4]。

地圖是對刻畫與描述地球表面的各種現象的數據的可視化表達，它可以幫助人們感知地理世界(描述世界、認識世界)、記錄地理世界(詳細記錄、長久保存)和認知地理世界(空間思維、空間分析)。因此，地圖是一種空間分析的模型，是一種基于空間聯系的空間思維體系[5]。例如，約翰·斯諾通過地圖發現倫敦霍亂原因，德國氣象學家魏格納從世界地圖發現大陸漂移學說等。應用地圖可視分析發現隱藏在數據背后的特征規律體現了形象思維的重要。地圖被認為是改變世界的十大地理思想方法之一。

地圖作為地理學家的第二語言，在研究地學特征規律、揭示地理過程機理、挖掘空間分布模式方面承擔兩大功能：一是作為分析表達工具探求地理學中的科學問題；二是作為載體傳播工具交流傳輸地學研究成果。大數據時代，地圖的獨特功能將為大數據的分析提供一個全新的空間分析視覺[6]；同時，也對地理空間數據的可視化提出了更高的要求。

在需求和技術的雙輪驅動下，智慧城市建設正在加速走向新常態，精準規劃、精確實施、精密診斷、精細管理和精明決策已成大勢所趨[7-8]。對城市大數據則提出了更“大”(表示全面而詳細)的要求，對城市地理信息而言則意味著不僅要求內容更全面更詳細、表達更直觀更仿真、建模結構化或實體化，而且要求室內空間與室外空間融合、地上空間與地下空間融合、過去數據與現在數據融合、現在數據與未來數據融合。因此有必要探討智慧城市地理空間數據的可視化技術。

1 地理信息可視化技術

1.1 內容更全面更詳細

人們對地理信息的需求已從原來概括性較強的地圖向越來越詳細(全面、細致、精確、直觀且美觀，抽象和綜合程度低)的方向發展，即地圖的比例尺越來越大，地理實體的屬性信息越來越詳細[9]。

傳統地圖通常都是概括和抽象地表達地理信息的，在地物方面主要是表達較大和較重要的地物。隨著電子地圖的普及和人類對地理信息需求的增長，由于電子地圖不受比例尺和圖面空間的限制，人們對地圖上地物內容的要求越來越詳細了，如在數字化城市管理中，它要求把地面上所有的城市部件無論大小都要反映到地圖上；另外對地理實體的屬性信息的要求也越來越多了，不僅要求區分部件的基本屬性，還要求將城市部件的權屬、材質等其他各種屬性信息都要表達出來。這是精致化規劃管理、精細化服務管理和精準化調控治理的需要，總之，地理空間大數據必然是全面和細致的[10](如圖1所示)。

圖1 越來越詳細的地圖

1.2 表達更直觀更仿真

傳統的線劃地圖是模擬的二維地理空間模型，由于用符號表達較為抽象，使得地理信息的應用受到限制。隨著三維建模技術的不斷進步，實景三維技術、虛擬現實技術應運而生，三維地理空間模型已越來越普及，大大擴展了地理信息的應用范圍。人們對地理模型的需求已逐步從二維模型轉向三維模型，傳統的三維建模將會被全要素三維建模取代(如圖2所示)。而全要素的城市三維，將會是智慧城市的一個數據空間基礎。所謂全要素城市三維，就是要把地表的所有東西進行分類、分層。

1.3 建模結構化或實體化

現在很多的地理空間數據都是無結構的，只有DLG是有結構的。沒有結構就不能進行檢索和產生知識，如衛星片、航拍片、全景照片、記載點云、車載點云，甚至街景工廠所生產的三維模型也是沒有結構的。這種無結構的數據被老百姓稱之為一張皮，里面沒有任何結構，很難進行檢索，很難產生知識。如圖2所示。

圖2 城市三維模型

結構化就是要把點云或像元抽象出來，抽象為所謂的點線面，同時要分層分類，便于結構化分析管理。另外要對象化、實體化，數據結構要對后端開放。從傳統的三維模型來看，它是必須要結構化的[11]。首先就是要分層分類，然后要管理到實體，最后每個實體都要有自己的結構線，就是所謂的三維矢量。圖3就是在三維場景中查詢任意一個實體屬性信息。

圖3 三維場景下查詢房產信息

1.4 室內空間與室外空間融合

人們對地理信息的需求已從原來的室外地理信息向室內外結合的地理信息方向發展，GIS技術正在與BIM技術融合。室內外無縫導航定位技術的發展需要室內外的地理空間模型，因此需要建立室內空間模型技術體系及室內外空間模型融合的技術體系(如圖4所示)。

圖4 室內外結合的三維場景

1.5 地上空間與地下空間融合

隨著城市地面空間越來越狹小，城市地下空間利用越來越受到關注，正被納入城市規劃、建設和管理的范疇[12]。地下空間信息可視化不僅要將地下建筑物內的空間信息可視化，而且還要將地下建筑物的位置、形狀及與其他地物的關系信息可視化。因此人們對地理信息的需求已從原來的地上地理信息向地上空間與地下空間融合的地理信息方向發展。圖5就是地上和地下結合的空間模型。

圖5 地下通道結合地上環境的三維場景

1.6 現在數據與過去數據的融合

隨著地理信息源越來越豐富，人們對地理信息的需求已從原來的管理查詢向挖掘分析的應用方向發展。隨著各種遙感技術的廣泛應用，地理信息源越來越多，各行各業建立的行業或部門GIS也已完成，人們對地理信息服務的需求已從原來的管理查詢逐漸演變成分析和知識的挖掘，以輔助規劃和決策。傳統的空間數據庫都是按照不同時代建立不同版本的空間數據庫，很難清晰反映一個地理空間隨時間變化的過程，也就很難分析出空間數據隨時間變化的規律[13]。這就需要建立具有時間比例尺的時態空間數據庫，可以看到一個地理空間內，每個地理實體產生、發展和消失的過程，從而可以清晰地分析這個地理空間隨時間變化的過程(如圖6所示)。

圖6 具有時間比例尺的時態地圖

1.7 現在數據和未來數據的融合

數據可視化不僅用于探索性數據分析，也是傳遞分析結論的重要手段。將規劃和設計效果可視化，即建立虛擬規劃和設計的三維地理空間模型，是討論規劃和設計效果的基礎條件。在表達精細的地理空間規劃和建設設計思想時，傳統的二維地理空間模型不能形象地表達規劃和設計對象的空間立體形態，人們曾嘗試用效果圖即2.5維地理空間模型來表達，但因為無法對三維場景進行360°旋轉查看，依然不能全面表達，所以建立三維虛擬規劃模型是必然的趨勢。另外，將規劃結果與真實的城市結合進行仿真，使優化后的方案更能契合城市運行現狀(如圖7所示)。

圖7 規劃仿真乃至規劃與現實融合

2 結論與展望

地理信息可視化是一種認知模式，它可以幫助人們認知地理世界(用戶對現實世界的認知模型(知識))，從而認識地理信息的本質特征和運動規律。智慧城市地理空間數據在城市大數據中具有重要的空間框架和空間參考的作用，對于從城市大數據中產生洞察具有重要的影響。

社會在跨越發展，信息化對地圖提出了新的要求。雖然近二三十年來地理信息行業已經取得了長足的發展。可是，依然不能完全滿足社會的要求。隨著大數據應用的不斷深入，對地理空間數據及其可視化的要求必將更加多樣和復雜，這也正是地理信息科學的使命所在。

[1] 安東尼·湯森. 智慧城市——大數據、互聯網時代的城市未來[M].北京：中信出版社，2015.

[2] 維克托·邁爾-舍恩伯格，肯尼思·庫克耶. 大數據時代——生活、工作與思維的大變革[M].杭州：浙江人民出版社，2013.

[3] 梁軍.“大地理”情境下的GIS應用趨勢探討[J].超圖通訊，2015(47).

[4] 鄭毅. 證析——大數據與基于證據的決策[M].北京：華夏出版社，2012.

[5] 周成虎. 全息地圖時代已經來臨——地圖功能的歷史演變[J]. 測繪科學,2014,39(7):3-8.

[6] 周成虎. 地圖與大數據[R].[S.l.]:第三屆中國地圖文化大會，2016.

[7] 李德仁. 展望大數據時代的地球空間信息學[J]. 測繪學報,2016,45(4):379-384.

[8] 李德仁,邵振峰. 信息化測繪的本質是服務[J]. 測繪通報,2008(5):1-4，32.

[9] 王增寧. 瑞典定向運動面面觀[N]. 中國測繪報,2005-08-16(003).

[10] 艾廷華. 大數據驅動下的地圖學發展[J]. 測繪地理信息,2016(2):1-7.

[11] 秦雯. 南昌航空大學虛擬校園三維建模[D].南昌：南昌航空大學,2013.

[12] 張洪林. 對長春市人防工程建設與城市地下空間開發利用的探究[J]. 改革與開放,2014(21):23-25.

[13] 駱劍承,胡曉東,吳煒，等. 地理時空大數據協同計算技術[J]. 地球信息科學學報,2016,18(5):590-598.

Discussion on the Geo-spatial Data Visualization Technology of Smart City

YANG Yongchong,LI Liang

(College of Geomatics, Xi’an University of Science and Technoligy, Xi’an 710054, China)

Based on the needs for the smart city and big data era as well as the unique analysis function of maps, the requirements and technical essentials of geospatial information and visualization for the big data era are discussed in detailed. In the period of the smart city construction, it is necessary for the spatial data not only to posses more comprehensive and detailed content, more direct expression and modeling and materialization, but also capable to develop towards the direction of data fusion, which includes the fusion between indoor spatial data and that of outdoor, the intergration between data underground and that of above the surface, the combination between previous data and that of the current as well as future.

smart city; big data; map; geo-spatial data; visualization

楊永崇，李梁.智慧城市地理空間數據可視化技術探討[J].測繪通報，2017(8)：110-112.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0265.

2017-01-17

國家自然科學基金(51409204)

楊永崇(1966—)，男，博士，教授，主要從事地理空間信息可視化技術與方法的教學、科研及應用方面的工作。E-mail：yang-yongch@163.com

李 梁。E-mail：1013104542@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)08-0110-03