王婧一++趙宸立++羅輝++鄧晨

摘 要：該文從GIS發(fā)展角度出發(fā)，以二三維一體化作為研究背景，以地圖符號論為指導(dǎo)，分別從符號論角度、二三維環(huán)境下差異及計算機(jī)圖形學(xué)角度對矢量數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行了分析，提出了自己的研究思路.

關(guān)鍵詞：三維環(huán)境矢量數(shù)據(jù) 可視化 數(shù)據(jù)匹配 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

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

1 研究現(xiàn)狀

從地圖學(xué)發(fā)展過程來看，二維GIS發(fā)展成熟，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲、管理、空間查詢及分析等方面具有無可比擬的巨大優(yōu)勢。而三維GIS在人機(jī)交互，實(shí)時渲染等方面有很好的效果。但兩者皆有其缺點(diǎn)，二維GIS由于其符號的抽象性，無法表現(xiàn)出逼真的的地形環(huán)境，三維GIS出現(xiàn)時間短，發(fā)展不夠完善，不能夠?qū)崿F(xiàn)較高層次的信息查詢，基于拓?fù)潢P(guān)系的分析及相關(guān)屬性方面的管理，目前，將二維GIS強(qiáng)大功能和三維GIS直觀顯示進(jìn)行有機(jī)結(jié)合主要有以下三種模式：

（1）二三維切換模式。

（2）二三維聯(lián)動模式。

（3）基于緊密型二三維結(jié)合GIS。

2 矢量數(shù)據(jù)可視化分析

2.1 矢量數(shù)據(jù)可視化符號論基礎(chǔ)

在傳統(tǒng)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(huán)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(tài)、動態(tài)變化和操作3個方面的視覺參量組成。狀態(tài)方面的參量與平面地圖的靜態(tài)視覺參量類似，然而，由于表達(dá)手段、技術(shù)的不同，參量描述與傳統(tǒng)靜態(tài)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(huán)境與三維環(huán)境的差異

傳統(tǒng)二維平面地圖的認(rèn)知方式是通過對地圖的閱讀獲取關(guān)于地理實(shí)體的位置、大小、距離、方向、相互關(guān)系等空間信息，主要運(yùn)用表象形式進(jìn)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(xiàn)，然而二維平面地圖不夠生動；用戶對二維地圖的認(rèn)知主要依靠人的視覺；VR技術(shù)在空間信息可視化中的應(yīng)用為我們提供了一種新的認(rèn)知環(huán)境——虛擬地理環(huán)境，是地圖在數(shù)字化時代的延伸和拓展， 是數(shù)字地圖支持下的一種新的空間認(rèn)知工具。具體說來，三維環(huán)境與二維環(huán)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(jìn)行透視投影，而在二維場景中，一般只是進(jìn)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(jìn)行簡單的近大遠(yuǎn)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(jìn)行翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等。

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

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

（6）數(shù)據(jù)模型不同，二維環(huán)境中多使用矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，三維環(huán)境多使用DEM與紋理。

正因?yàn)閮烧攮h(huán)境存在差異，將矢量數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中可視化必須解決二三維環(huán)境下一體化的問題，如坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換問題、數(shù)據(jù)匹配問題等。

2.3 矢量數(shù)據(jù)可視化圖形學(xué)基礎(chǔ)

計算機(jī)圖形學(xué)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(diǎn)。

（1）線型生成技術(shù)為線狀要素建模提供了有力支撐。

計算機(jī)圖形學(xué)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(guī)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(chǔ)。

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

2.4 矢量數(shù)據(jù)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(fā)展起到借鑒作用，二維地圖符號在三維環(huán)境下仍然可以使用；同時三維環(huán)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(huán)境下使用新的視覺變量，比如，使用紋理進(jìn)行矢量地圖符號建模。

二維與三維環(huán)境存在差異，在認(rèn)知上，二維環(huán)境相對于三維環(huán)境而言，不夠生動，缺乏進(jìn)入感等，這也是將矢量數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中進(jìn)行可視化的必要性。二三維環(huán)境的主要差異有投影方式、漫游方式、坐標(biāo)系及數(shù)據(jù)模型，投影方式不同會導(dǎo)致顯示效果不同，漫游方式不同會導(dǎo)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(diǎn)逼近為例，點(diǎn)狀符號將逐漸占據(jù)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(diǎn)的變化其內(nèi)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(rèn)知，而這都是可視化需要解決的問題；坐標(biāo)系不同則必須要考慮統(tǒng)一坐標(biāo)系，以及不同坐標(biāo)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)模型的不同則還需要考慮數(shù)據(jù)模型的匹配問題。

計算機(jī)圖形學(xué)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(qiáng)大功能可以減少工作量。

綜上所述，矢量數(shù)據(jù)可視化思路如下。

（1）綜合運(yùn)用各種視覺變量，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素建模。

（2）根據(jù)圖形學(xué)相關(guān)算法，解決地圖符號在三維環(huán)境中的應(yīng)用問題。

（3）利用相關(guān)技術(shù)（如RTT技術(shù)），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。

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