郭霄漢 遲遠(yuǎn)英 丁治明，2

（1.北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124）（2.中國(guó)科學(xué)院軟件研究所 北京 100190）

1 引言

時(shí)空過(guò)程可視化三維動(dòng)態(tài)技術(shù)研究是關(guān)于信息表達(dá)和傳輸?shù)睦碚?、方法與技術(shù)的一門學(xué)科，是一次對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的大膽挑戰(zhàn)，是一次時(shí)空三維可視化傳輸方法的理論突破［1］。時(shí)空過(guò)程可視化三維動(dòng)態(tài)技術(shù)研究是多門學(xué)科的結(jié)合，包含了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)、地圖學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息傳輸學(xué)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。時(shí)空過(guò)程可視化三維動(dòng)態(tài)技術(shù)廣泛應(yīng)用于信息輸入、處理、查詢與分析等環(huán)節(jié)，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市發(fā)展提供客觀方向預(yù)測(cè)，成為環(huán)境保護(hù)和災(zāi)害監(jiān)測(cè)的輔助管理工具［2］。時(shí)空過(guò)程可視化三維動(dòng)態(tài)技術(shù)能夠幫助決策者預(yù)測(cè)事物發(fā)展趨勢(shì)，了解不同時(shí)空的尺度實(shí)地情況，并掌握其規(guī)律，有利于科學(xué)地做出正確的決策輔助決策者管理，避免因?yàn)殄e(cuò)誤預(yù)測(cè)和監(jiān)管缺失而導(dǎo)致的盲目建設(shè)，有效提高了社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

目前對(duì)于時(shí)空過(guò)程可視化研究，主要包括時(shí)空事件過(guò)程可視化、時(shí)空數(shù)據(jù)圖形可視化和時(shí)空空間實(shí)體過(guò)程可視化等方面。以實(shí)際事件作為線索，利用三維數(shù)據(jù)模型對(duì)時(shí)空對(duì)象進(jìn)行組織模擬，并記錄其可視化的過(guò)程與狀態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)圖形可視化主要是對(duì)于時(shí)空數(shù)據(jù)采集可視化方法與實(shí)時(shí)信息靜態(tài)可視化方法的研究［3］；時(shí)空空間實(shí)體過(guò)程可視化是通過(guò)特殊時(shí)空對(duì)象遷移過(guò)程可視化，例如洪水決堤空間實(shí)體可視化過(guò)程、海洋冰川溫度場(chǎng)的實(shí)體空間過(guò)程可視化等；時(shí)空過(guò)程可視化技術(shù)能夠從大量的信息資源中推算出事物發(fā)展的規(guī)律與趨勢(shì)，描繪出與實(shí)際事物的聯(lián)系，有效地提高人們的洞察力。當(dāng)前，有學(xué)者對(duì)此提出了研究方法，如文獻(xiàn)［4］提出構(gòu)建時(shí)空過(guò)程可視化模型，利用時(shí)空數(shù)據(jù)，時(shí)空過(guò)程，視覺(jué)變量，視覺(jué)感知，可視化等層次構(gòu)建了模型，能夠有效表達(dá)時(shí)空要素的位置，形態(tài)，還可以描述事件中的時(shí)空過(guò)程及時(shí)態(tài)變化。文獻(xiàn)［5］提出構(gòu)建群體時(shí)空行為可視化分析模型，根據(jù)室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)和定位數(shù)據(jù)特征，分析群體時(shí)空分布和移動(dòng)模式的關(guān)聯(lián)，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析和可視化方法構(gòu)建了可交互的時(shí)空可視化分析模型。時(shí)空數(shù)據(jù)可視化是表達(dá)時(shí)空要素信息的一種描述方式，它能有效地描繪出時(shí)空要素的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，并展現(xiàn)空間實(shí)體過(guò)程的位置、形態(tài)，而傳統(tǒng)的方法對(duì)時(shí)空過(guò)程的可視化擬合效果和動(dòng)態(tài)性方面均難以滿足當(dāng)前需要［4］。為此，提出了構(gòu)建基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型。對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，感知數(shù)據(jù)的特征變量，據(jù)此，刻畫時(shí)空過(guò)程，如時(shí)空要素的位移、擴(kuò)張、收縮、停滯等。本文討論的感知特征即為視覺(jué)感知特征，主要是利用人類視覺(jué)系統(tǒng)，模擬人類對(duì)信息的感知能力，處理時(shí)空變量，如空間特征、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)特征、屬性特征、時(shí)態(tài)特征、次序、數(shù)量和大小等。以期，借助人類視覺(jué)感知特征能夠全面地描述時(shí)空過(guò)程中的時(shí)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)時(shí)空過(guò)程的表達(dá)。

2 時(shí)空過(guò)程可視化模型構(gòu)建方法設(shè)計(jì)

2.1 模擬時(shí)空過(guò)程

時(shí)空數(shù)據(jù)經(jīng)由時(shí)空篩選模式生成動(dòng)態(tài)可視化的效果，這僅僅是空間數(shù)據(jù)最常規(guī)的伴隨時(shí)間的更替而變化的，等同于將快速照片播放的動(dòng)態(tài)可視化，由于時(shí)間的前進(jìn)方式是跳動(dòng)跨越的，造成可視化效果與真實(shí)偏差很大，不能很順暢地展現(xiàn)時(shí)空過(guò)程。

分析探究了在感知特點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)空過(guò)程的模擬方法，去真正帶來(lái)超清仿真的順滑的動(dòng)態(tài)化可視效果。不僅要對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的可視化，而且要與軌跡動(dòng)畫和幀動(dòng)畫技術(shù)相結(jié)合，提取Tb前一時(shí)間與Te后一時(shí)間之間的時(shí)序間隙的感知特效，具體公式如下：

其中，A(t)表示特征提取函數(shù)或變量在t時(shí)刻的值。

在數(shù)據(jù)模型中抽取兩個(gè)模擬時(shí)段即“出現(xiàn)過(guò)程”和“消失過(guò)程”，對(duì)相鄰時(shí)空數(shù)據(jù)之間的變化進(jìn)行模擬，完成數(shù)據(jù)的順利過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)時(shí)空過(guò)程順暢的模擬演練［5］。房屋建設(shè)的動(dòng)畫模擬開始到結(jié)束整個(gè)時(shí)段的變化，規(guī)避房屋直接突然成型的斷條切換。

上面提及的時(shí)空過(guò)程模擬方式，對(duì)時(shí)空的縫隙及“時(shí)間裂痕”進(jìn)行了有效彌補(bǔ)，其結(jié)果不僅僅保留了原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)還能夠保證時(shí)空過(guò)程的平滑可視化。

為了反映出時(shí)空過(guò)程的平滑效果，將感知特征應(yīng)用到時(shí)空過(guò)程模擬中，采用時(shí)序間隙提取時(shí)空過(guò)程的感知特征，將相鄰時(shí)空數(shù)據(jù)的變化過(guò)程模擬出來(lái)。

2.2 選擇時(shí)空視覺(jué)變量

視覺(jué)變量是地圖符號(hào)組成的基礎(chǔ)部分，能夠有效幫助地圖增強(qiáng)表達(dá)效果，有助于提升地圖符號(hào)信息的有效傳達(dá)［6］。視覺(jué)變量的定義是能帶來(lái)視覺(jué)變化的基本圖形和色彩。

視覺(jué)變量適合描述時(shí)空要素的位置移動(dòng)、擴(kuò)增、消失等過(guò)程。根據(jù)時(shí)空過(guò)程的可視化標(biāo)準(zhǔn)以及開發(fā)基礎(chǔ)，對(duì)時(shí)空視覺(jué)的變量統(tǒng)一分為三部分，即空間、屬性、時(shí)態(tài)視覺(jué)變量［1］。

空間視覺(jué)變量由多種因素組成，其中有形狀、大小、方向、方位、密度和構(gòu)架等；色彩、亮度、飽和度、紋理構(gòu)成了屬性視覺(jué)變量；時(shí)態(tài)視覺(jué)變量涵蓋了發(fā)生節(jié)點(diǎn)、時(shí)間、順序、變化速度和頻率。

可視化過(guò)程要求根據(jù)時(shí)空過(guò)程的不同去描述相符的視覺(jué)變量，并且組合起多樣的視覺(jué)變量去描述多種類型的時(shí)空過(guò)程，由此可見，時(shí)空信息的呈現(xiàn)的質(zhì)量受所選視覺(jué)變量的質(zhì)量影響。時(shí)空過(guò)程可視化視覺(jué)變量統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 時(shí)空過(guò)程可視化視覺(jué)變量統(tǒng)計(jì)表

利用視覺(jué)變量的定義，提高時(shí)空數(shù)據(jù)變化過(guò)程的傳達(dá)效率，通過(guò)劃分時(shí)空視覺(jué)變量，為時(shí)空過(guò)程選擇合適的視覺(jué)變量，采用多種視覺(jué)變量組合的方式，消除時(shí)空信息表達(dá)質(zhì)量的影響因素，實(shí)現(xiàn)時(shí)空視覺(jué)變量的選擇。

2.3 設(shè)計(jì)三維時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)模型

采集方法和形式不盡相同，同一個(gè)地區(qū)采集來(lái)的地理信息就會(huì)是多元化的，由此帶來(lái)了多元化的時(shí)空數(shù)據(jù)，比如DRG地圖、遙感影像、DLG矢量、CAD成像數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)格式都是多種多樣的，維數(shù)、坐標(biāo)、信息都是多元化的，對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的解析以及數(shù)據(jù)特點(diǎn)的研究，可以看出需要一定的時(shí)空數(shù)據(jù)模型去具體定義時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GIS的研究與應(yīng)用，并且在計(jì)算機(jī)中對(duì)多元化的時(shí)空數(shù)據(jù)去定義、儲(chǔ)存、傳送和可視化［7］。時(shí)空數(shù)據(jù)具備三維動(dòng)態(tài)可視化的特征、以及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)不斷創(chuàng)新、三維動(dòng)態(tài)可視化已然實(shí)現(xiàn)的情況，研發(fā)了三位時(shí)空數(shù)據(jù)模型，可以適用于影像、矢量等多元數(shù)據(jù)。三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖

三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型的最小單元對(duì)象可以簡(jiǎn)單理解成對(duì)地形、河流、道路、建筑物等地理事物的某一個(gè)具體狀態(tài)的數(shù)據(jù)。用統(tǒng)一的時(shí)空過(guò)程標(biāo)識(shí)將多個(gè)不同時(shí)態(tài)的對(duì)象串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)時(shí)空過(guò)程［8］。每一個(gè)時(shí)空過(guò)程中的時(shí)間點(diǎn)或者片段由具體狀態(tài)對(duì)象表示，狀態(tài)對(duì)象用自己的ID來(lái)區(qū)分。每個(gè)狀態(tài)對(duì)象包含三種信息，其一是以三維幾何模型為主體的空間信息，其二是以持續(xù)時(shí)間的起始時(shí)間記錄為主體的時(shí)間信息，其三是用以儲(chǔ)存那些非時(shí)空信息相關(guān)的屬性信息。

由于時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)的采樣方式不同，必須采用時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)模型，來(lái)描述時(shí)空過(guò)程，根據(jù)可視化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了三維時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)模型。

BAEP檢查，其突出優(yōu)點(diǎn)是各波有相對(duì)固定的起源，潛伏期恒定，不被受檢者的意識(shí)狀態(tài)及鎮(zhèn)靜劑所影響，所得結(jié)果的重復(fù)性強(qiáng)［12］。對(duì)孤獨(dú)癥患兒進(jìn)行BAEP檢測(cè)，可以了解患兒的外周聽神經(jīng)和腦干功能活動(dòng)的變化，為該病的診斷與治療提供客觀依據(jù)。

2.4 構(gòu)建時(shí)空過(guò)程可視化模型

對(duì)于多源時(shí)空數(shù)據(jù)的內(nèi)容及特征進(jìn)行分析研究，根據(jù)三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)模型將數(shù)據(jù)源滲透到數(shù)據(jù)模型中的空間、時(shí)間、屬性信息的每一部分當(dāng)中去，歸納出這一時(shí)空建模程序，該程序適用于DEM、DOM、DLG等多種數(shù)據(jù)源［9~10］，時(shí)空過(guò)程可視化模型構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 時(shí)空過(guò)程可視化模型

Step1：拆分與獲取。

針對(duì)不同種類的數(shù)據(jù)源進(jìn)行內(nèi)容拆分成三類信息，首先是坐標(biāo)、影像、數(shù)理、圖形等與空間相關(guān)的數(shù)據(jù)信息；其次是包含時(shí)間、對(duì)過(guò)程的描述、周期性等的與時(shí)間有關(guān)的信息；最后是其他數(shù)據(jù)信息。同時(shí)從以上各種類型中獲取空間、時(shí)間、屬性源的數(shù)據(jù)。

Step2：時(shí)空系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。

針對(duì)不同數(shù)據(jù)源的時(shí)空信息進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化歸類，將空間、時(shí)間坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)間、屬性語(yǔ)義統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，更加適用于所需求的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

Step3：三維模型建立。

在空間信息的內(nèi)容基礎(chǔ)上，統(tǒng)一的空間參考為參照［10~11］，建立起三維立體模型，舉例來(lái)看，三維地形模型是采用DEM和DOM紋理制作而成，三維建筑物模型是運(yùn)用CAD底圖和真實(shí)收集出來(lái)的建筑物的外形與肌理建立。

Step4：同步運(yùn)行，時(shí)間映射。

Step5：構(gòu)建三維時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)象。

將映射后的數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)間、語(yǔ)義、格式統(tǒng)一的屬性信息建立獨(dú)有的ID并且錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，用UserID對(duì)現(xiàn)有的時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系中的同一時(shí)空過(guò)程上的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；將數(shù)據(jù)庫(kù)表中相呼應(yīng)的ID命名的節(jié)點(diǎn)附加到三維幾何模型的最頂端，組建起空間數(shù)據(jù)與屬性、時(shí)間數(shù)據(jù)的關(guān)系的映射［17~18］；三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型是由同一個(gè)ID的數(shù)據(jù)庫(kù)和三維模型文件構(gòu)成的。在程序中的數(shù)據(jù)庫(kù)里，以某一ID命名的三維幾何模型具體描述了以該ID命名的幾何節(jié)點(diǎn)的幾何內(nèi)容，承載這一ID的數(shù)據(jù)庫(kù)I表格里記錄了節(jié)點(diǎn)的用戶信息，這里面具體包括了時(shí)間和屬性和UserID，三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型在能夠在數(shù)據(jù)層面得以順利實(shí)現(xiàn)的表現(xiàn)就是該節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生。

綜上所述，通過(guò)分析時(shí)空過(guò)程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了時(shí)空過(guò)程可視化模型構(gòu)建流程，構(gòu)建了時(shí)空過(guò)程可視化模型，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空過(guò)程的可視化。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型的性能，分別引入文獻(xiàn)［4］的時(shí)空過(guò)程可視化模型和文獻(xiàn)［5］的時(shí)空過(guò)程可視化模型進(jìn)行對(duì)比。其中，兩種方法均為較為先進(jìn)、應(yīng)用較為廣泛的方法，表現(xiàn)能力較為豐富，與之對(duì)比能夠凸顯本文設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選擇擬合程度和動(dòng)態(tài)度。其中，擬合程度為構(gòu)建的可視化模型與實(shí)際發(fā)生情況的吻合程度，能夠體現(xiàn)設(shè)計(jì)方法的模擬精確性。動(dòng)態(tài)度為構(gòu)建的可視化模型的表達(dá)的豐富程度，以圖片、視頻、音頻等多媒體手段的應(yīng)用效果評(píng)分為判定標(biāo)準(zhǔn)，能夠體現(xiàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)時(shí)空過(guò)程可視化模型的生動(dòng)形象程度。

三個(gè)時(shí)空過(guò)程可視化模型的擬合程度對(duì)比結(jié)果如表2所示。

從表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在擬合程度測(cè)試中，基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型的擬合程度是最高的，其次是文獻(xiàn)［5］的時(shí)空過(guò)程可視化模型，擬合程度最差的是文獻(xiàn)［4］的時(shí)空過(guò)程可視化模型，原因是基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型在對(duì)時(shí)空過(guò)程進(jìn)行可視化過(guò)程中，先對(duì)時(shí)空過(guò)程進(jìn)行了模擬，使得時(shí)空過(guò)程達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)可視化的平滑效果，從而提高了基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型的擬合程度。

表2 時(shí)空過(guò)程可視化模型的擬合程度對(duì)比結(jié)果

三個(gè)時(shí)空過(guò)程可視化模型的動(dòng)態(tài)度對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 時(shí)空過(guò)程可視化模型的動(dòng)態(tài)度對(duì)比結(jié)果

從圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在動(dòng)態(tài)度測(cè)試中，基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型的動(dòng)態(tài)度是最高的，文獻(xiàn)［4］的時(shí)空過(guò)程可視化模型的動(dòng)態(tài)度是最低的，原因是基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型選擇的時(shí)空視覺(jué)變量可以建立三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型，根據(jù)三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)了時(shí)空過(guò)程的可視化步驟，從而大大提高了基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型的動(dòng)態(tài)度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于感知特征的時(shí)空過(guò)程可視化模型構(gòu)建，在對(duì)時(shí)空過(guò)程進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上，考慮到時(shí)空過(guò)程可視化會(huì)受到感知特征和視覺(jué)變量等因素的影響，選擇了合適的時(shí)空視覺(jué)變量，通過(guò)建立三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建了時(shí)空過(guò)程可視化模型，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空過(guò)程的可視化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文構(gòu)建的時(shí)空過(guò)程可視化模型不僅具有更高的擬合程度，在動(dòng)態(tài)度測(cè)試中還具有更好的優(yōu)勢(shì)。在今后的研究中，還需要盡量將多媒體數(shù)據(jù)和不同種類的屬性數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，研究一種多源時(shí)空過(guò)程的可視化方法，為時(shí)空過(guò)程可視化提供可靠的技術(shù)支持。