虚拟地理环境的多维数据模型与地理过程表达

1 虚拟地理环境的表达

近年来，计算机图形学、科学计算可视化和虚拟现实技术的发展为研究者提供了直观处理研究结果的技术方法，被公认为是科学研究过程的重要组成部分。它在计算机空间（Cyberspace）中为研究者开辟了1个具有沉浸感的虚拟环境，实现了3维空间和时态数据的可视化，并使研究者既能在虚拟环境中交互地操控研究对象，又可以在仿真模拟等科学计算过程中实时地得到正在处理的动态过程的反馈。随着地理科学各分支学科、地理信息科学、地球系统科学的发展，科学计算可视化和虚拟现实技术也在地理科学研究中得到巨大发展[6—9]，具体表现在VGE 学科研究进展上。

图1 虚拟地理环境的组成

Fig.1 Components of virtual geographic environments 广义上VGE包括1维、2维、3维及多维虚拟地理环境。1维VGE是指20世纪50年代末地理学研究开始计量运动以来，地理学研究领域引入统计学方法，通过构造1系列统计量来定量描述地理要素的空间分布特征，如较普遍地应用各种概率分布函数、平均值、方差、标准差、变异系数等统计特征参数以及简单的1元线性回归分析方法等。用数学方法对地球表层空间进行量化表达是当时地理学研究的1个新发展，逻辑思维在地理研究中达到1个新高峰，并构建了1个不可视的VGE。60年代末期到70年代末期，电子计算机和相关学科的发展使人类最擅长的形象思维和逻辑思维得到很好的结合，基于统计学应用的地理要素空间分布特征，按照时间序列或空间序列以散点图、折线图等方式进行表达，从而完成1维VGE的构建。 地图是2维VGE的代表，与人类文明1样有着悠远的历史。 地图是地学研究中时空分析与表达的有效手段，是科学深加工后的创新知识载体[15]，更是人类空间形象思维的再现，是最早实现“可视化”的VGE。 从长沙马王堆3号汉墓出土的公元前168年以前编制的地图到近几10年方兴未艾的GIS电子地图，地图将3维真实世界抽象到2维平面，在地理要素的空间分布和相互作用及地理过程研究发挥了重要作用。 3 3维虚拟地理环境表达模型 3维VGE空间模型建模方法研究是目前虚拟现实和VGE领域研究的热点，其主要建模方法有准3维模型和真3维模型；模型构建有面模型（facial model）、体模型（volumetric model）和混合模型（mixed model）。其中，准3维模型是指地球表层空间某点F＝f（x，y，z），任1对（x，y）的z有多个值（z[,1]，z[,2]，…，z[,n]），此类模型属面元模型，其表达对象只具有面属性，而没有体内属性值存在，1般多用于城市3维建模；真3维模型是指地球表层空间某点F＝f（x，y，z[,i]），任1对（x，y）的z不但有多个值（z[,1]，z[,2]，…，z[,n]），而且其表达采用3维矢量体元数据结构，表达对象有体内属性值，1般用于地质矿山等复杂地质体的表达。

3.1 面表达模型 VGE中基于面模型的建模方法侧重于3维空间实体的表面表示，如地形表面（DEM）、地质层面、城市构筑物（建筑物）及矿山开采的轮廓与空间框架，面表达模型比较注重3维面纹理的表达。面表达模型所模拟的表面可以是封闭的或非封闭的。基于采样点的TIN模型、Lattice模型和基于数据内插的Grid模型，通常用于非封闭表面模拟；而B—Rep模型和Wire Frame模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。Section模型、Section—TIN混合模型及多层DEM模型通常用于地质层面之间内部构模。通过表面表示形成3维空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新，缺点是没有区域拓扑描述和所表达面内部属性的记录而难以进行3维空间查询与分析，多用于3维空间演示系统。

3.2 体表达模型

在自然环境和计算模型中，许多对象和现象只能用3维数据场表示，对象体不是用几何曲面和曲线表示的3维表面模型，而是以体素为基本造型单元。例如，泥石流或山体滑坡不仅是地层表面构造发生变化，其深层地质构造10分复杂，如果仅用几何表面表示，不可能完整显示各种表层下山体构造内部不规则、不均匀的几何实体，则只能用于泥石流或山体滑坡3维演示而不能用于对其地理过程的描述和演化机理的研究。在3维空间数据场中，空间实体坐标由（X，Y，Z）表示在1种数据结构中，而不是把垂直方向的第3维信息简单抽象成1个单1属性值来处理，即通常的假3维与真3维的区别。体绘制（volume rendering）的目的在于提供1种基于体素的绘制技术，它有别于传统的基于面的绘制技术，能显示出对象体丰富的内部细节。从计算机图形学角度看，体绘制直接研究光线穿过3维体数据场时的变化，得到最终的绘制结果，所以体绘制也被称为直接体绘制；从体表达模型来讲，体绘制技术要求的是基于3维空间数据的体数据模型，3维空间体被剖分成基于规则或不规则的体元加以描述；从结果图像质量上，体绘制优于面绘制，但从交互性能和算法效率上，面绘制优于体绘制，这是因为面绘制采用传统的图形学绘制算法，其数据量远远小于体绘制所需要的数据量，现有的交互算法和图形硬件以及图形加速技术能充分发挥作用。从地理学研究的地理过程与地理变量之间的关系来讲，基于体元的体表达模型远优于面表达模型，通过对体元的描述可以对3维空间任意点赋予与其在自然环境中相同的属性、方法和事件，这有利于构建基于数理模型的虚拟3维空间。

3.3 多维数据模型的转换与构建

VGE是1个真实的3维环境，需要对3维空间点、线、曲面和体对象进行描述、分析和表现。无论是面表达模型还是体表达模型，都既有能明确描述空间拓扑关系的矢量数据模型，又有基于栅格的镶嵌数据模型。其中面数据模型侧重于3维空间表面纹理的表示，如起伏地形表面，通过表面纹理的表示形成3维空间目标构建与表达，其优点是计算速度快，便于空间对象的表现和数据更新。由于除组成表面的点外，其余空间点不具有属性值，不利于3维空间分析和对象体内部细节的表达，而地理过程和地理要素更多是基于对象体内部空间结构和地理变量之间的相互作用，因此对地理过程研究而言，3维体模型数据更有利于提示地理变量间的相互关系与作用。体数据模型侧重于3维空间体的表示，如滑坡、潮流、气流、云团等。通过对体细节的描述实现3维空间目标表示，其优点是适于空间操作和分析，简单的空间代数运算和拓扑分析易于进行，但不利于空间对象的表现，需要占用大量的计算和显示资源，计算复杂且空间运算过程中会产生大量分布0碎的无用体细胞。因此，在VGE中需要综合面表达模型和体表达数据模型的优点，形成能同时描述空间点、线、面、体对象的综合数据模型，实现各种数据模型之间的相互转换。

数据模型是GIS软件的基础，也是VGE工程的核心，数据模型的转换是高效率完成各种运算、实现多种应用功能的基石。与2维空间数据模型的相互转换相比，3维空间数据模型之间的相互转换要复杂得多，尤其是表面模型与体模型的相互转换，这需要通过3维剖分、3维内插、曲面拟合、体元追踪等技术予以实现，而这些技术是有待研究的难题。

4 基于地理过程的3维及多维虚拟地理环境表达

4.1 地理过程

地理过程是指地理事物随时间的推移而出现的动态变化过程。反映这种“时间断面”上地理事物动态演化过程的基本事实、概念、原理、规律等的知识，即地理过程知识。地理过程主要包括地理循环过程、地理演变过程、地理波动性变化过程和地理扩散过程4方面。

（2）地理演变过程是指地理事物随时间的推移而出现的新旧更替、盛衰消长等的变化过程。地理演变过程既有经历时间尺度较长的渐变型演变过程（如湖泊的演变过程、岩石的风化过程等），也有经历时间尺度较短的骤变性演变过程（如气团的变性、锋面的生长与消亡等）。VGE 中地理演变过程的表达离不开两个基本要素：1）地理事物在1定时间尺度内新旧更替、盛衰消长的顺序或阶段；2）发生地理演变过程的原因或条件。

（3）地理波动性变化过程是指地理事物的数量在1定时间尺度内持续变化的过程，如河流流量的月变化与年变化、气温的日变化和年变化、农作物产量（某1时间内）的变化等。地理波动性变化包含了时间和地理数量两个要素，1般情况下其变化以时间、地理变量以及若干个要素间的相互依存关系的角度进行。传统地理表达采用文字或统计图表加以描述；在VGE下将时间轴作为主控制轴，表达地理波动性变化可以清晰地表达地理变量与时间及地理变量相互之间的复杂关系。 4.2 地理过程的虚拟地理环境表达

基于地理过程的VGE表达就是将上述4种地理过程在计算机空间用数理模型加以描述，用VGE方法加以表达，从而为研究地理过程提供1个创新平台和研究角度，使研究人员沉浸在可重复实验的地理环境中。

地理学问题的研究往往是依据知识积累和已有的经验，依靠研究人员的感知和认知能力全方位地获取研究对象的信息。在VGE中计算机能够处理研究主体所能感受到的、在思维过程中接触到的地理过程。地理学尤其需要专家图形图像思维能力和想像力，虚拟现实与科学可视化（visualization）技术相结合， 可将抽象的地理数据转换成直观易解的图形、图像，迅速地建立不同数据之间的空间联系和物理关系，以达到研究的目的。虚拟地理实验则将使长时间尺度和空间尺度的地理过程在虚拟空间中实现重复和模拟检验，从而加速地理学理论的成熟和发展。 在应用方面，城市规划和建筑学设计发展较为成熟，VGE技术和GIS技术紧密结合，实现了3维计算机图形图像处理技术的不断深入发展。GIS 是数字地球的核心技术之1，它综合、集成不同自然与区域的空间数据和属性数据，根据事物的地理坐标对其进行管理、检索、评价分析、结果输出等处理；在图像分析、拓扑空间查询、3维实体叠加分析等方面有自身优势。

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