三维环境矢量数据可视化研究

王婧一++赵宸立++罗辉++邓晨

摘 要：该文从GIS发展角度出发，以二三维一体化作为研究背景，以地图符号论为指导，分别从符号论角度、二三维环境下差异及计算机图形学角度对矢量数据可视化进行了分析，提出了自己的研究思路.

关键词：三维环境矢量数据 可视化 数据匹配 坐标转换

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0094-01

1 研究现状

从地图学发展过程来看，二维GIS发展成熟，在数据结构、存储、管理、空间查询及分析等方面具有无可比拟的巨大优势。而三维GIS在人机交互，实时渲染等方面有很好的效果。但两者皆有其缺点，二维GIS由于其符号的抽象性，无法表现出逼真的的地形环境，三维GIS出现时间短，发展不够完善，不能够实现较高层次的信息查询，基于拓扑关系的分析及相关属性方面的管理，目前，将二维GIS强大功能和三维GIS直观显示进行有机结合主要有以下三种模式：

（1）二三维切换模式。

（2）二三维联动模式。

（3）基于紧密型二三维结合GIS。

2 矢量数据可视化分析

2.1 矢量数据可视化符号论基础

在传统二维地图上，视觉变量包括形状、尺寸、亮度、密度、色彩，而到了三维环境中，视觉变量有了新变化。三维地图符号的视觉参量与二维地图符号的视觉参量存在差异，由状态、动态变化和操作3个方面的视觉参量组成。状态方面的参量与平面地图的静态视觉参量类似，然而，由于表达手段、技术的不同，参量描述与传统静态视觉参量也略有差异，主要包括形状、尺寸、色彩、亮度、纹理、空间造型等6个方面的参量。

2.2 二维环境与三维环境的差异

传统二维平面地图的认知方式是通过对地图的阅读获取关于地理实体的位置、大小、距离、方向、相互关系等空间信息，主要运用表象形式进行编码和解译。使用地图时，读者对空间信息的定位是使用外部参考框架，方向固定，。二维地图是对地理空间的简化和再现，然而二维平面地图不够生动；用户对二维地图的认知主要依靠人的视觉；VR技术在空间信息可视化中的应用为我们提供了一种新的认知环境——虚拟地理环境，是地图在数字化时代的延伸和拓展， 是数字地图支持下的一种新的空间认知工具。具体说来，三维环境与二维环境有如下几个方面的不同。

（1）投影方式不同，把三维场景中图形显示到二维平面多进行透视投影，而在二维场景中，一般只是进行简单的正交投影即可。

（2）绘制引擎不同，二维场景绘制时一般只要用GDI或GDI+二维引擎即可，而三维场景绘制时多采用OpenGL、OSG、D3D等三维引擎。

（3）漫游方式不同，在二维场景中，只能进行简单的近大远小缩放和上下左右漫游，到了三维场景中，观察方式变得更加丰富，如可以进行翻转、旋转等。

（4）应用环境不同，二维环境多应用于二维GIS或二维电子地图显示，三维场景多应用于三维GIS或逼真的虚拟环境表达。

（5）坐标系不同，二维环境中使用的X-Y坐标，三维环境中使用X-Y-Z坐标；

（6）数据模型不同，二维环境中多使用矢量数据和栅格数据，三维环境多使用DEM与纹理。

正因为两者环境存在差异，将矢量数据在三维环境中可视化必须解决二三维环境下一体化的问题，如坐标的转换问题、数据匹配问题等。

2.3 矢量数据可视化图形学基础

计算机图形学为我们在理论上提供了大量的算法理论，具体包括以下几点。

（1）线型生成技术为线状要素建模提供了有力支撑。

计算机图形学中的平行线生成算法、虚线生成算法可以为线状要提供很好的借鉴作用，规则曲线和自由曲线生成为线状要素显示提供了很大帮助。

（2）面域填充算法为面状要素建模提供了很好的思路。

面域填充算法包括扫描线填充算法、种子填充算法、图案填充算法等，尤其是图案填充算法为面状要素建模提供了很好的算法基础。

（3）几何变换特别是三维图形几何变换为矢量数据在三维场景中的显示起了很大作用。

2.4 矢量数据可视化思路

由前面的符号论分析可知，二维地图符号在三维可视化过程中并未过时，相反，还对三维符号发展起到借鉴作用，二维地图符号在三维环境下仍然可以使用；同时三维环境下地图视觉变量有了新的变化，如增加了纹理、空间造型等，这也启示我们可以在三维环境下使用新的视觉变量，比如，使用纹理进行矢量地图符号建模。

二维与三维环境存在差异，在认知上，二维环境相对于三维环境而言，不够生动，缺乏进入感等，这也是将矢量数据在三维环境中进行可视化的必要性。二三维环境的主要差异有投影方式、漫游方式、坐标系及数据模型，投影方式不同会导致显示效果不同，漫游方式不同会导致符号绘制后不同视角会有不同的显示，如图1所示，各类符号在不同视角下显示有明显不同，以视点逼近为例，点状符号将逐渐占据整个屏幕；同样，线状符号不同线型之间距离拉大；面状符号随着视点的变化其内部填充的图案也变得十分稀疏；这些变化都影响了人的空间认知，而这都是可视化需要解决的问题；坐标系不同则必须要考虑统一坐标系，以及不同坐标下的坐标转换；数据模型的不同则还需要考虑数据模型的匹配问题。

计算机图形学提供了大量的成熟的算法和理论知识，可以为符号建模、要素显示提供思路，OSG的强大功能可以减少工作量。

综上所述，矢量数据可视化思路如下。

（1）综合运用各种视觉变量，实现点状要素、线状要素、面状要素建模。

（2）根据图形学相关算法，解决地图符号在三维环境中的应用问题。

（3）利用相关技术（如RTT技术），解决各要素在不同三维场景中的匹配问题，如三维平面，三维球面，三维地形。

参考文献

[1] 危拥军.二维地图与三维可视化的关系[J].测绘科学技术学报，2007（12）.

[2] 徐智勇.三维地图符号视觉参量研究[J].武汉大学信息学报，2006（6）.

[3] 游雄.空间数据可视化[D].中国人民解放军信息工程大学，2007.

[4] 王家耀.地图学原理与方法[M].科学出版社，2006.endprint