（环境科学专业论文）可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 a b s t r a c i s o i l 朗v 幻n m 锄t a lb 刹删d 砌u ei so n eo f l l l 乏l i | lm a d ( so f 妇? 雌彝o | 1 a l 册访聊曲锄t a l q u a i i 够d p ，r 甜吐s y 幽m l 缸i c 龃ds c i e m i f i cs t l l d y 粕d 锄闭y s i so f l e i l 锄、，i r 。n m e m 面 b a c i 【g r o u 耐v a l u el 均瞎柚v e 哆i i i l p o n a l i tm 朗i l i n g 如rc 0 n d l l i 吐i n ga 踮岱s m e m0 fs o i l 晌姗e m 面q 嘶w 蛾o i i t 粕a 鲥c u l t l l 蹦啊o n 以p 1 锄i l i i l 吕p r c v 咖i n g 觚d c o i l 扛d lo f nc o m 柚：l i i i 确i l ，柚dp m 啊d i l l g i l 伽、，i 】r 0 】响1 伽【t a l 平脚甑yi n d e x e s 缸g 嗍l 矗) o d si l l c 0 砸i d 咖i t ) ，t 0t 1 1 es t i p u l a t i 0 潞i i l e 砌舢e n t a lp h n d p i e ”s p e c i f i e db yw i o t h ec o n 职i t 盯啊锄i l i z a t i o n 俐啪l o 舒a n dm e d e v e l o p m e i i t0 fc o 嘶i v es c i e i 删 n l es t u d ym e t h o d0 f i l 鲫汹e m a lb a 啦聊m d 砌u e ，an o v e ls c i e i i t i f i cs t u d v m 删“a p p l i c 撕o n0 fv i 卿血厕o nm a pi i i t 咧i 蛐i o g ) ri i ls t u d y0 f n 眺啪e l i t a lb a d 崦f o l m dv a l u e i sd e 鲫如e d i h e 啊s u a l i z a t i o ns o f t 啪1 1 ei su s e dt 0m a k et i 圮 i l 伽而r o m 玳删b a d 窜删v a l u ev i s 删，t l l es p a d i s t r i b u ：t i o nm l eo ft l l e n 眺姗e r i t a lb 蛳dv a l u ea i l di t s 嘲撕0 n s h i p 硫h 鲫i m o r p i h o l 嚼c ，懒l l i ca n d g e o l 嘶c a lf h c “潞a 代d e 印l y 柚她e di l lc o m l ) 讥硝0 n 嘶廿lt h eg e o g 阳p 1 1 i cd a 土ab a 踺柚d f i r 谢l yt h es 础伽忻r 0 彻1 伽 t a lb 蚝r o m dv a h ei sc o m p r e h 加s i v e l y 鹬s s e d 1 1 l i si sa s c i 硎6 c 呻s t 0r e a 曲ab o w l e d g ed i 删删d 獭峨0 n 恤b a s i so f h l 曲a n s s p a t i l ：瑚【i n g 觚d0 p 锄u pan e w 印p r o a c ht o 廿l es t u d y0 nr e 萄o n a l i l 朋啊枷m 伽t a l b a c 赶伊州词呻 h e r 岛w i c t lc 0 i i l j 肿蜘函v ea n a l y s i so ft h es o 丑锄v i r 0 枷伽【t a lb a c l ( g 唧m dv 柏u ei n z 岣i a n g 精池私柚e ) 【锄p l e ，廿l e 啊s u ；兆锄i 册m a pi i i t e 5 卿i o nt i e c l h l o l o g yi su s e dt 0 v i 鼬a l 妇n l ed a 船o f t h eg e 幻黟a p l l i c 伽v i r o n m e ma n dt h es o i l 即：v i n m e i i t a lb a c k 鲫咖d v a l u e i nz h 向i a l l 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n sa m a d e a r l dt h ed e v e l o p m e m0 fu o f c a m ) 卿l l i cv i s u 础医吐i o ni l la i l a l y 2 觚o n 幻i l 伽而r 咖m 踟切ib a c k 卿im dv 面u e 卸d e v a l u a t i o ni sd i s c u s s e da n d p r 0 s p e c t e d k 匆咖一s ：s 甜饥、衲酬b a c i ( 8 雕m d 砌u e c a n 0 鲫p 1 1 i cv i 刚i z 撕 s p a d a 土a m u h i 捌【m 瞰s i o n a l g e 0 刚c a li m e q 删o n 哟g r a p t l i c 锄a l y z d a t a i i l i i l i 】【l g 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名脚日 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权浙江大学研究 生部办理。 研究生签名鼬导师签名：坶 日期：塑：垒 浙江大学硕士学位论文 可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 1 1 土壤环境背景值概述 第一章前言 1 1 1 土壤环境背景值的概念 在环境科学中，背景值表征大气、水、土壤、岩石等环境要素在自然界的存在与发 展过程中形成的本身固有的化学组成和结构特征刚。土壤环境背景值是指土壤在其自然 成土过程中形成的物理、化学特征【2 1 1 ，也就是在不受或很少受人类活动影响和现代工业 污染与破坏的情况下，土壤原来固有的物质组成和结构特征。但是人类活动与现代工业 发展的影响己遍布全球，很难找到绝对不受人类活动和污染影响的土壤，只能去寻找影 响相对较少的地方。因此本文所说的环境背景值在时间和空间上的概念都具有相对的含 义。同时，不同自然条件下发育的不同的土类，同一种土类发育于不同的母质母岩，其 土壤环境背景值也有明显差异。就是在同一地点( 土类、母质母岩均同) 采集的样品， 分析结果也不同。这就说明土壤本身的结构与化学组成是非常不均匀的。所以土壤元素 的环境背景值是统计性的，即按照统计学的要求进行采样设计与样品采集，分析结果经 频数分布类型检验，确定其分布类型，以其特征值表达该元素背景值的集中趋势，以一 定的置信度表达该元素背景值的范围，可以说土壤环境背景值是一个范围值，而不是一 个确定值嗍。 1 1 2 土壤环境背景值综合分析的目的和任务 如上所述，人类活动与现代工业发展已经使土壤成分受到影响，这在我国的经济发 达省份愈加明显。因此，土壤环境背景值分析除了对各种元素的丰度值作统计分析之外， 应加强对各种元素的空间分布特征及其与其它环境因素之间相互关系的分析。这是一种 全面深入的、综合性的科学分析，它基于区域内的自然环境和社会环境特点，从不同成 陆时间、母质沉积条件和工农业发展水平入手，揭示地貌类型、地质状况、土壤质地和 人为活动对土壤环境背景值分异的影响，评价区域性环境质量，为环境区划、环境规划、 环境管理提供科学依据。同时，研究土壤背景值的区域分异规律和相关关系，分析影响 土壤背景值的各种因素及主要因素，探索各类污染物在土壤中的迁移转化规律，并建立 4 浙江大学硕士学位论文可视化地图集成支持下壤环境背景值研究 土壤背景值研究地理信息系统，进而预测、预报环境污染的发展与变化趋势，为制定农 业规划、防治土壤污染、合理规划工农业发展提供科学依据。土壤环境背景值综合分析 还能为绿色食品提供符合国际贸易组织中“环境原则规定的土壤环境质量指标，利于 发展生态农业。 土壤环境背景值综合分析的主要任务是在获取区域内土壤环境背景值的基础上，收 集地质、地形、土壤、土地利用、经济等资料，对土壤环境背景值进行综合分析，获取 土壤环境背景值中各元素的空间分布规律、土壤环境背景值与环境要素的相互关系及其 土壤环境背景值的变化方向，评价研究区域的土壤环境质量。 1 1 3 土壤环境背景值综合分析的工作流程 土壤环境背景值综合分析过程包括以下几个步骤： ( 1 ) 准备工作。包括组织研究班子，落实工作职责，制定评价计划，收集有关的资 料和图件。 ( 2 ) 选择与土壤环境背景值关系密切的主要地理要素。影响土壤环境背景值的要素 多种多样，要对这些要素进行分析排队，根据调查区域的经济与自然情况，选择其中最 重要的几项，作为综合分析的项目。 ( 3 ) 制定土壤环境背景值数据采集计划。一般应参照国际通用的方法和国家颁发的 相关专业技术标准，结合调查区域的特点，确定土壤环境背景值数据采样点的密度、分 布规律、采集原则等。 ( 4 ) 土壤环境背景值数据采集。首先按照已定的布点计划，遵循野外采点原则，采 集样土；然后对样土进行加工，用规定的测试方法测定各种土壤化学元素的含量；最后 对测定的数值进行数理统计，获取土壤环境背景值数据。 ( 5 ) 地图可视化。确定地图的主要内容、比例尺、表示方法，使用地图可视化集成 技术，编制与土壤环境背景值关系密切的主要地理要素的专题地图。 ( 6 ) 土壤环境背景值数据可视化。根据获取的土壤环境背景值数据，采用专题数据 可视化方法，在专题地图上叠加土壤环境背景值图形，反映土壤环境背景值与相关地理 要素的内在关系，为综合分析奠定基础。 ( 7 ) 土壤环境背景值综合分析和土壤环境质量综合评价。采用地图多维分析法，从 空间维和属性维二个方向去深入分析土壤环境背景值与相关地理要素之间存在的某些内 在关系及相应的规律；采用经验指数和法，评价各个采样点的土壤环境综合质量，编制 土壤环境质量图。这是一个通过视觉感知，经过人的大脑思维，结合已有的多学科知识， 获取隐知识的知识挖掘过程。 s 浙江大学硕士学位论文 可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 ( 8 ) 总结归纳分析结果。 1 2研究现状 1 2 1国内外土壤环境背景值研究现状 ( 1 ) 国外土壤环境背景值研究现状 国外土壤环境背景值的调查研究首推美国。美国地质调查局s l l a c 埘e 仕eh t 等 分两个阶段，以8 嘶n x8 弛n 间隔在美国大陆本上采集了1 2 1 8 个土壤和地表物质( 剖 面深度2 0 锄) 。在第一阶段( 1 9 6 1 一1 9 7 1 年) 对8 6 3 个样点采集样品。以光谱半定量 为主，分析测试了3 5 个元素。第二阶段( 1 9 7 1 1 9 8 4 年) 又补采了3 5 5 个样品。前后 共分析了近5 0 个元素。s h a d d e 呛h t 等( 1 9 8 4 ) 发表了“美国大陆土壤及其它地 表物质中的元素浓度的专项报告l 州。1 9 8 8 年美国地质调查所又完成了阿拉斯加州土壤 环境背景值的调查研究报告。至此，美国完成了全国土壤背景值的调查研究，是国际上 进行该项研究规模最大和系统性最强的专题研究。 英国的英格兰、威尔士土壤调查总部于1 9 7 卜1 9 8 3 年按网格设计，间隔5 k m 采集 一个表土，在英格兰和威尔士共采集了6 0 0 0 个样品，采用王水消解，消解液用i c p a e s 测定了1 9 个元素( p 、k 、c a 、m ；、n a 、f e 、越、砸、z n 、c u 、m 、c d 、c f 、p b 、 c o 、m o 、m n 、b a 、c s ) 。苏格兰m 撇1 1 l a v 土壤研究所在苏格兰采集1 0 0 0 个土样，用直 流电弧发射光谱法测定了8 种元素( c f 、c 0 、c u 、p b 、m n 、m o 、n i 、v ) 。并用酸消解 原子吸收测定z n 、c d 、h g ，提出了英国土壤中部分元素的含量水平。 日本在1 9 7 8 1 9 8 4 年间在全国2 5 个道县采集表土和底土样品6 8 7 个，用h n o h s o h c i o 消解法，测定了c u 、p b 、z n 、c d 、c r 、m n 、n i 、缸八个元素，并给出了 背景值的表达方法。 其它国家，苏联、罗马尼亚、加拿大、挪威等3 0 多个国家和地区也都开展了土壤环 境背景值的研究，涉及元素各不相同，但累计达6 0 余个。值得指出的是，英国和日本测 得的元素的含量是酸溶解量而不是全量，报告的某些元素含量可能比土壤中实际含量要 偏低。美国研究的元素最多，所以分两期完成例。 ( 2 ) 国内土壤环境背景值研究现状 7 0 年代中期，由中国科学院有关研究所会同环境保护部门在北京、南京、广州等地 区开展的土壤环境背景值研究，标志着我国土壤环境背景值研究的开始。接着，农牧渔 6 浙江大学硕士学位论文可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 业部组织中国科学院、农业研究部门、环保部门和大专院校共3 4 个单位，于1 9 7 8 年对 北京、天津、上海以及东北、华东、西南、西北的部分省、自治区( 共1 3 个省、市、自 治区) 的主要农业土壤和粮食作物中的九种元素的含量进行了研究。1 9 8 2 年，土壤环境 背景值调查研究被列入我国“六五重点科技攻关项目，中国环境监测总站负责组织有 关部门和单位在我国东北、长江流域和珠江流域几个主要气候带的典型区域开展了土壤 和水体环境背景值研究，获得了c n 、p b 、z n 、c d 、n i 、c r 、地、翘八个元素的背景值， 并通过深入、系统的研究，总结出土壤环境背景值调查研究的各种技术规定和方法刚。 “七五期间，我国在全国范围内开展土壤环境背景值研究，获得了4 0 余种元素的 土壤环境背景值，完成中华人民共和国土壤环境背景值图集的编制，提出了一系列 研究报告。沿海的主要城市开展了更为详细的调查，有些城市编制了简单的地图集【3 l l 。 这是一次研究范围最大、涉及项目最多、最为系统完整的土壤环境背景值研究，在世界 范围内亦尚属首次。 此后，上海、广西北海市等一些地方都开展了针对当地环境特点的、更加全面深入 的区域性土壤环境背景值研究1 5 5 】阁，为环境区划、环境规划、环境管理提供依据。还有 一些科研单位利用数理统计的方法，相继开展了对某种或多种土壤化学元素分异规律的 研究，尤其重视对土壤中重金属污染状况的研究，取得了可喜的成果【3 jf 4 j 【l o l 【2 i j 嗍。 1 2 2 土壤环境背景值研究领域的拓展 随着生活水平的不断提高，人们对环境质量的要求也越来越高。土壤是人类环境组 成的重要因素，作为人类赖以生存发展所必需的生产资料，它的环境质量决定植物产品 的质量和数量，对人类的生存产生极大的影响。作者认为，对土壤环境质量状况的描述 仅仅靠一组数据是满足不了要求的。我们不能把土壤环境背景值数据简单地当作为调查 的最终成果，而把它堪称深刻认识和全面、深入研究土壤环境背景值的媒介。 近十年来，科学技术的飞速发展大大地促进了各学科研究技术的不断提高和研究领 域的进一步拓展。在土壤环境背景值研究领域，由于计算机技术的深入应用，我们对土 壤环境背景值的研究也就可以不再局限于数理统计的方法，而是可以用可视化技术对土 壤环境背景值数据进行多方位的研究。 ( 1 ) 土壤环境背景值的空间分布规律。根据土壤环境背景值数据，结合调查区域的 实际情况，研究各个采样点土壤环境背景值之间的水平变化规律和同一采样点上不同层 次的土壤环境背景值之间的垂直变化规律。 ( 2 ) 土壤环境背景值与自然地理要素的相互关系。在没有受到人类活动与现代工业 发展的影响的条件下，土壤环境背景值的变化与地质条件、土壤成分等密切相关，如不 7 浙江大学硕士学位论文 可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 同自然条件下发育的不同的土类，同一种土类发育于不同的母质母岩，其土壤环境背景 值也有明显差异。根据地质、土壤等自然地理要素的变化情况，结合土壤环境背景值的 变化，找出相互之间的依赖关系。 ( 3 ) 土壤环境质量综合评价。人类活动特别是现代工业发展，已经影响许多地方尤 其是经济发达地区的土壤环境背景值，所以，土壤环境背景值的变化，特别是与工业污 染有关的土壤元素值的变化，可以反映土壤受污染情况。我们可以确定一些元素值指标， 对每个采样点的元素值进行评价，划分土壤环境质量级别。 ( 4 ) 土壤环境背景值发展趋势的预测。随着人类活动与现代工业发展，相应区域的 土壤环境背景值也将缓慢地发展变化。而人类活动与现代工业发展的结果主要反映在土 地利用的变化过程中，所以，根据土地利用的变化情况，可以从一定程度上预测壤环 境背景值的变化。 1 3 土壤环境背景值可视化的意义 从认知科学的角度出发，数据可视化可以帮助科研人员获得大量地理信息，转化为 所研究的地理对象、地理现象、地理事件生动的视觉信息，通过对这些信息的分析理解， 诱发出新的思想，以致做出新的发现。 土壤背景值可视化后以图像的形式反映在大脑中，通过大脑对图形图像思维的心智 处理，获取有关土壤环境方面的综合性信息。这个心智处理过程以地图为基础，在其它 手段( 如不同角度观察、相关知识支撑等) 帮助下，逐步获取关于土壤背景值的认识规律。 在这个过程中，土壤背景值可视化主要发挥两大突出作用： ( 1 ) 极大地提高地图信息量，为知识发现提供良好的土壤背景值分析平台。计算机 可视化技术使我们能够在2 维平面的地图上利用透视学原理用3 维表面建模技术表达地 球表面的起伏变化，使地形的立体形态得到更好的反映，人们能更好地研究土壤背景值 的空间形态分布。同时，通过分层集成可以在地图上表示更多层次的地学信息，形成海 量信息。这样，地图上各种空间实体的空间位置、属性等，都被有机的体现出来，为土 壤背景值分析提供了更全面的信息。 ( 2 ) 改进了土壤背景值研究的手段及过程，形成。地图可视化获取信恩综 合分析评价地图可视化再分析一的不断发现知识的快速循环过程。在土壤背景 值可视化条件下，可以从多维角度去解译土壤背景值的内在规律，也可以对土壤背景值 进行反复的分析，获取多层次信息。本文对土壤环境背景值的研究，先进行可视化地图 集成，再通过地图分析获取土壤环境背景值的分布规律等信息，然后利用这些信息对土 8 壤环境进行综合评价，接着再次地图可视化，又通过综合分析得到土壤环境质量方面的 信息。 9 浙江大学硕士学位论文 可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 2 1 可视化技术原理 2 1 1 可视化的概念 第二章可视化与地图 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 是指在人脑中形成对某物( 某人) 的图像，它是一种心智处 理过程，能促进对事物的观察力及建立概念等网嗍。h a b e r 和m c n a b b 指出，可视化是 一系列的转换，就是将原始模拟数据转换成可显示的图像，其目的在于将信息转换成可 被人类感知系统理解的某种形式田l 。在西方的文献中，可视化这个词的使用可追溯到至 少4 0 年以前矧。到了2 0 世纪8 0 年代，美国国家科学基金会在一份报告中提出了具有 新含义的科学计算可视化湖。科学计算可视化是通过研制计算机工具、技术和系统，把 实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像， 将抽象要领图形化，从而可进行数据探索和分析，便于理解现象，发现规律，帮助人类 更主动地认识世界渊湖。计算机技术的广泛应用，促进了人们与计算机的直接交流，赋 予了人们对物体进行仿真并且实时交互的能力。 “用图像图形来表示数据一是可视化的基本思想旧田l 。简要地说，可视化，就是利 用计算机图形技术和方法，对大量的数据进行处理，显示成形象、直观、具体的图像、 图形，使研究人员能观察和模拟，从而丰富了科学发现的过程，给予人们深刻与意想不 到的洞察力。可视化技术的应用，使很多领域的科研人员的研究方式产生很大的变化l i 。 历史证明，人类的视觉在人类的科学发现中发挥过杰出的作用。通常在可视化方面， 关键技术的出现，就是重大科学发现的前奏。如显微镜在生物学发展中的作用，就是明 证。人类的可视化功能，允许人类对大量抽象的数据进行分析。新的数据开发工具，可 以大大拓展我们的视力。人的创造性不仅取决于人的逻辑思维，而且取决于人的形象思 维。表面上看来是杂乱无章的海量数据，只有通过可视化变成图形和图像，才能激发人 的形象思维，从中找出十分宝贵的隐知识，为科学发现提供依据。 2 1 2 可视化技术内容 可视化技术主要包括数据建模技术、并行处理技术、可视化的人机交互技术、实时 浙江大学硕士学位论文可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 动态处理技术、虚拟现实技术等等【1 1 1 。 ( 1 ) 数据建模技术网：数据建模主要是针对不同的数据处理对象、不同用户的需求 或系统设计目的，选择或设计不同的数学模型或算法对数据进行可视化预处理，如生成 二维、三维或四维时空数据以及表面重构或面向物体的重构。 ( 2 ) 并行处理技术：并行处理技术已成为解决计算机可视化的重要技术途径。由于 计算机可视化数据处理对象庞大，数据模型或算法复杂，单纯地提高单个处理器的运算 能力和处理能力正在变得越来越难，多个c p u 的并行处理技术，提高服务器处理能力和 运算速度，是计算机可视化的关键技术之一。目前，业界比较关注的并行处理技术主要 有s 船技术、m p p 技术、0 0 姒技术、u 瑚a 技术和群集技术等。 ( 3 ) 可视化的人机交互技术：传统的计算机人一一机界面( 如键盘、鼠标器、图形、 用户界面以及流行的w i n d 明s 等) ，将用户和计算机视为两个独立的实体，而将界面视为 信息交换的媒介，由用户把要求或指令输入计算机，计算机对信息或受控对象作出动作 反馈。可视化的人机交互技术则通过硬件、软件和外围设备( 多种功能传感器) 的有机 组合，通过计算机和各种人机界面与机交互，为用户提供逼真的三维视感、听感、触感 和嗅感的感受，可通过自身的技能在这个仿真环境里进行交互操作。从而在精神感觉上 进入环境。 ( 4 ) 实时动态处理技术；时空过程实质上是一系列沿时间轴的时空目标的变化过程， 包括量变和质变。相应的时空数据也会实时动态的发生改变。实时动态处理技术主要是 针对不同时刻的时空数据、根据用户的需求或系统设计目的，选择或设计时空数学模型 或算法进行实时动态处理。 ( 5 ) 虚拟现实技术嗣：虚拟现实技术h l l i a lr 船l 毋，简称u 又称临境技术或人 工环境，是8 0 年代后期兴起的计算机图形新技术，它通过计算机生成逼真的三维视觉、 听觉、触觉等感觉形式的虚拟世界，使人完全沉浸于种可以操作控制的、特殊的三维 图形环境，实现特殊的目的。交互( h i i 舶磁i o n ) 、沉浸( h i l m e r s i o n ) 、想象( m l a g i 删曲n ) 通常被认为是虚拟现实的三个基本特征。从某种意义上说，虚拟现实技术是计算机仿真 与视觉技术的延伸。从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给 用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方 便用户的操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。 可视化技术适用于任何有一定数据存在的场合，其基本原理如图2 一l 所示【l 。 浙江大学硕士学位论文 可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 图2 一l 可视化技术原理 数据预处理：将原始数据进行过滤，去掉噪声，剔除数据中已经存在或可能存在的 粗差，并进行适当的修改、调整，附加一些标记的过程。由于数据来源不同，造成数据 格式多样化，因此要进行数据格式转换，使之符合特定的标准。必要时还应根据实际情 况，进行一定程度的数据压缩。 模型建立：使数据具有合适的图像或图形范式。它将经数据预处理后的数据映射成 想象中的物体的几何图元，是物体对象及其属性的最初几何描述。 模型描绘：经过分析研究处理，采用光学方法、几何空间映射法、实物化方法、特 征可视化方法等可视化方法，将几何图元描绘成静止或动画形式的图形或图像。 2 1 3 可视化技术的应用 可视化技术的应用十分广泛，几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信和 商业等各种领域，人类通过视觉感受激发自己的创造性思维，促使这些领域的技术飞速 发展。下面是可视化成功应用的几个例子网。 ( 1 ) 医学 医学数据的可视化，已成为数据可视化领域中最为活跃的研究领域之一。医生利用 非侵入诊断技术如c t 、m r j 和正电子放射断层扫描( 唧) 等技术，可以较易获得病人 有关部位的一组二维断层图象。利用可视化软件系统，对上述多种模态的图像进行图像 融合，可以准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间 的空间关系，从而及时高效地诊断疾病。 在可视化技术的基础上可以进一步实现放射治疗、矫形手术等的计算机模拟及手术 规划。利用可视化技术就可以在重构出的人脑内部结构三维图像的基础上，对颅骨穿孔 位置、同位素置入通道、安放位置及等剂量线等进行计算机模拟，并选择最佳方案。同 1 2 浙江大学硕士学位论文可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 时还可以在屏幕上监视手术进行的情况，从而大大提高手术的成功率。 ( 2 ) 油气勘探 利用可视化技术可以从大量的地质勘探数据或测井数据中，构造出比较典型的等值 面、等值线，显示其范围及走向，并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系。还可以 根据地质现象、盆地模型、地震地质解释、黑油模型等的相关数据，构建直观的二维、 三维图形，逼真地反映地层结构，建立地层界面，处理地层界面关系。这样，专业人员 可以对复杂地层可进行任意切割，局部放大，进一步探明地层的内在因素，得到矿藏是 否存在、矿藏位置及储量大小等重要信息。英国的p ( 迟1 碴e 鹞有限公司开发的可视化软 件 可以进行地震数据处理、测井多井评估、模拟油气的储存和生产过程。不仅能确定油 气储存的位置，而且便可以跟踪油气的运动，便于确定开采油气的最优路径。 ( 3 ) 气象预报 气象预报的准确性依赖于对大量数据的计算和对计算结果的分析。一方面，科学计 算可视化可将大量的数据转换为图像，使预报人员能对未来的天气作出准确的分析和预 测。另一方面，根据全球的气象监测数据和计算结果，对全球的气象情况及其变化趋势进 行研究和预测。如美国国家海洋和大气局( n o a a ) 的w 胁a c i l l c e d 和d 3 d 三维可 视化软件系统，可以将从气球、地面站、雷达、飞机和卫星等收集来的大量数据进行显 示和处理，并在此基础上及时跟踪和评估当地的重要气象情况，从而及时准确地作出天 气预报。 ( 4 ) 地学 可视化在地学中的应用更加广泛，它直接导致地学中许多技术的革命性改变。在地 图制图中，基于可视化的数字地图制图技术已经完全取代过去的手工地图制图，使地图 的质量不断提高，地图的生产周期大大缩短，并且出现了许多地图新产品；在地理信息 系统界，随着科学可视化( v i s c ) 的发展，促使科研人员将获得的大量地理数据，转化为 所研究的地理对象、地理现象、地理事件生动的图像、声音、动画，通过对这些信息的 分析理解，诱发出新的思想，以致做出新的发现。 可视化技术也为地理信息提供了两方面的应用领域：一是为用户提供过去没有的空 间认知工具，如电子地图和虚拟环境等；二是可视化用于优化、更新地理空间数据库本 身，并强化数据的直接应用，如用于检测数据精度，数据挖掘( d a t an l i i l i i l g ) 和知识发 现等。 1 3 浙江大学硕士学位论文可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 2 2 地理信息可视化 2 2 1 地理信息可视化概念 从认知科学和视觉思维的角度出发，地理信息可视化可以被理解为：为人类感知地 理信息和视觉思维而进行的可视图形的表示过程、方法和工具，它着重研究计算机与地 理信息的理解、表达和传输之间相互协调的人与计算机的机理。 随着计算机技术的快速发展，人们直在研究用计算机模拟大脑思维活动，但是即 使巨型计算机也无法准确的实现这样的模拟，如视觉感官模拟。后来，很多学者和研究 人员在人工智能、认知科学及各自的学科领域提出了在数字化条件下人的作用的重要性。 王珏、戴汝为在回顾人工智能发展史之后，认为建立人机协作环境是今后的主要着眼点， 并提出了走综合集成之路的结论陋l 。 从4 0 0 0 多年前地图问世以来，地图一直是人们表达、传输地理信息的主要工具，1 9 8 7 年心理学家l a r k i n 的研究从认知的角度较全面地解释了世界性谚语“一图抵万字 的道 理嗍。在科学计算可视化的概念提出的时期，正值地图学领域建立地图数据库、影像数 据库的高潮，数字化技术已经逐渐改变了传统地图的面貌。地理信息的海量存储和管理 是摆在人们面前的问题，存储在计算机中的地理信息如何还能继续保持传统地图带给用 户的视觉感受，并在此基础上做出判断决策? 如果在这个过程中，更多的处理工作要交 由计算机在用户无法看见的情况下来完成，这让用户肌l 理和方法上都难以适应。地理 信息可视化的提出正好解决了这个新问题。地图学家们在提出地理信息可视化的同时， 对地理信息可视化进行了讨论。主要从认知角度去理解可视化，认为可视化首先是一种 人的认知行为。地理信息可视化的提出也说明人在计算机辅助的情况下依然起到主导作 用。制图人员在传统地图学的实践中所培养的如图形理解、心象构成、地图分析、地图 设计等能力，在可视化的条件下仍然有用武之地，地图工作者创造性的形象思维，再次 受到重视网。 同时，对数字地图来说( 这里将存储于数据库中的有组织的空间数据称为数字地图i 唧 可视化大大扩充了地图的家族，出现了电子地图、动态地图、赛博地图【铌l 等新的地图类 型，扩大了地图的功能。数字地图的可视化技术也促进了地图表示法的深化，在描述环 境、解释客观规律上较之传统地图有重大的突破。 正因如此，地理信息的可视化在一定意义上就可以被看作是数字时代的地图学，活 跃了数字技术条件下的测绘技术，并强化了以空间数据为基础的各分支学科的联系。 1 4 浙江大学硕士学位论文 可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 2 2 2 地理信息的二维可视化表达 在二维平面上，用计算机形象表达地理信息数据的基本方式有两种，即矢量数据结 构和栅格数据结构。矢量数据结构是2 0 世纪六、七十年代发展起来的面向点、线、面等 地理特征的数据结构，构成地物形状和位置的二维几何坐标通过数据链表连接，数据结 构具有独特的精练性，在目前的g i s 领域占主导地位。栅格数据结构用二维离散的规整 网格表示地物形状和位置。地图数据库中常用的数据结构有：矢量结构，栅格结构，以 及矢量栅格混合结构。表2 一l 对矢量、栅格两种数据结构的优缺点进行了比较。 表2 一l 矢量与栅格在地理信息显示中的优缺点对比【q 比较内容矢量栅格 数据精度 较高 没有矢量数据高 数据精练，数据量较小，数据量较大，与地理环境的复杂 数据量大小及处理速度大小与地理环境的复杂程度关系不大，只与面积有关， 程度关系密切往往需要大量的内存空间 连续的，只对物体的几 离散的，能对像素进行块( 窗口) 数据取值方式 何坐标操作操作 数据共享的便利性较差较好 屏幕空间失真没有经常 图形操作能通过边界填充能进行彩色、纹理处理 数字图像采样不能十分容易 量测( 如长度、面积) 量测结果是解析的量测结果是离散近似的 描述拓扑关系较容易较困难 面向目标和主要空间对 较好不明显 象 投影变换较容易较困难 形象表现力和实录能力较弱较强 空问叠置分析等 较困难 较容易 三维立体图像表达 能力较差能力较强 矢量数据和栅格数据可以相互转换。矢量数据向栅格数据的转换称为矢量栅格化， 目前的g i s 软件都具有此功能。栅格数据向矢量数据的转换称为栅格矢量化，它比矢量 1 5 浙江大学硕士学位论文可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 栅格化困难得多，大多靠人工方式实现， 干预。 2 2 3 地理信息的时态表达 也有少数g i s 软件具有此功能，不过需要人工 自2 0 世纪8 0 年代末期开始，地理信息数据的时态研究成为地理信息系统界的一个 研究热点。国外有些专家相继提出和讨论了用快照方式、复合方式以及事件方式来进行 时态数据结构和数据库的设计。国内也有专家在类似方面进行了大量的研究和实践。在 实践中，研究人员逐渐将2 维数据、3 维数据的定义延伸到4 维，即把时间也看作一个 坐标轴，构成所谓的4 维空间1 6 】。 当然，时间轴与欧几里德空间中的一维、二维、三维的坐标轴虽然有一定的联系， 但也有一定的区别。时间轴与其它坐标轴有一定的共性，p i 9 0 t 和h a z e h 0 i l ( 1 9 9 2 ) 提出时 间轴是连续的、线性排序的、对其它轴来说是正交的。虽然，在时间上可以进行前推、 后推，但时间不能有分支1 6 j 。 地理信息系统界对时态的可视化问题的研究并不多。地图上最常见的是用不同时间 的图形或图像的重叠表示，或者借助轨迹线等方法描述地理数据的时态部分特征。随着 计算机技术和图形学的发展，现在经常借助多媒体技术显示地理数据时间维。即将按时 间序列由地理数据或由地理模型生成的图像，中间缺少的帧由内插的方法补齐，通过单 帧动画工具如s i l i c o ng 豫p k c s ，m o v i 锄a l ( e r 和m 旺| ( 1 视屏记录工具产生后处理的动画。 2 2 3 基础地理信息可视化 在地理信息界，基础地理信息指的是地球表面上的地理要素的位置、属性、数量特 征、质量特征、分布状态及相互关系等方面的综合性信息。而这些地理要素也往往是指 地形图上的几大类要素。 基础地理信息可视化，主要就是将数据库中的基础地理信息内容，依照地图制图标 准进行符号化处理并显示，将人们不能直观理解的数字信号转换成由点、线、面组成的 图形，传输数字所要表示的内容。目前来说，二维平面上的地形图是基础地理信息可视 化的主要表示形式。 。 地形图是地球表面的物体和现象的综合体现，其内容比较复杂。总体来说，基本内 容包括：数学要素、自然地理要素、社会经济要素和整饰要素四部分内容。数学要素在 地图中起到控制作用，保证了地图必要的精度，包括地理坐标网或平面直角坐标网、测 量控制点、比例尺等；自然地理要素反映地区的自然现状，描述地理景观和自然条件， 1 6 浙江大学硕士学位论文 可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 有水系、地貌、土质植被等；社会经济要素反映了人类社会活动的成果，有居民地、道 路、境界、独立地物、管线等，般配以一定的符号来表示；注记整饰要素包括各种注 记和图廓间、图廓外的图形，有助于读者读图和用图。 在计算机可视化条件下进行地形图的制作方面主要可以分为四个阶段：编辑准备阶 段，主要包括收集分析评价和确定编图资料，根据编图要求选择地图投影比例尺等；数 字化阶段，将具有模拟性质的图形和具有实际意义的属性转化为计算机可接受的数字； 数据处理和编辑阶段，是制图的核心，对数字化的信息作规范化处理并且为了编图的需 要进行数据处理概括选择等符号绘制；图形输出阶段，将数据转化为图形，可以在屏幕 上显示也可以通过绘图仪打印。 在一个地理信息系统中，基础地理信息主要是服务于系统的分析功能，在建立数据 库的时候已经根据系统的设计和规则标准确定了资料的来源并完成先期的处理，各种格 式的数据源数字化后按数据库的组织结构存入数据库，可视化的工作主要就是要将数据 库中的数据按要求选择出来并进行制图编辑然后配以符号显示。也就是说，在地理信息 系统中的可视化的工作主要集中在数据处理和编辑阶段、图形输出阶段。 地形地貌的表示是基础地理信息可视化过程中的一个重要内容。地貌的可视化方法 有数种，但从计算机可视化角度看，等高线法、分层设色法和晕渲法才是地貌可视化的 代表，本文将在第三章重点论述。 基础地理信息可视化还有另一种途径拍摄实地景观照片，然后制作成影象地图。 可以通过两种方法逼真表示地形：一种是将航片或卫片映射到数字地面模型上，建立实 际地形的逼真显示。另一种是用一定的光照模型模拟光线照射到地面时产生的视觉效果， 经过明暗处理产生具有深度质感的灰度浓淡图形并用数学方法模拟表面的颜色和纹理。 2 3 地图可视化 2 3 1 地图可视化理论 地图是地理现实世界的表现或抽象，是以视觉的、数学的或触觉的方式表达地理信 息的传输工具。地图制图作为一种认识方法是一个创造性的认识和发现规律的过程和一 种形象思维工具，它协助大脑将零散的空间知识加以整合；同时，它也是种强化线索 的方法阴。地图学则是研究以图形的、数学的和触觉的形式反映空间关联信息的结构、 传输和利用的科学，它包括在制作地图及有关空间信息产品中从数据获取到最终产品利 用的所有阶段。 1 7 浙江大学硕士学位论文可视化地图集成支持下土壤环境背景值研究 科学计算可视化的理论和技术对地图的可视化表达、分析的研究和实践产生了很大 的影响。国际地图学会( i c a ) 在1 9 9 5 年成立了一个可视化委员会，并在1 9 9 6 年与国际计 算机器图形协会( a l ：ms i g g r a p h 玲作，开始一个名为“c a n a m i e 酣的研究项目，探 索计算机图形学的技术与方法在地图学和空间数据分析方面的更有效应用，使科学计算 可视化与地图可视化的连接和交流更加紧密，并进一步研究如何从地图学的观点和方法 来促进计算机图形学的发展1 4 。 关于可视化在地图学中的作用，在地图学界存在不同的观点。国际制图协会t a v l o r ( 1 9 9 4 ) 提出了著名的现代地图学概念图解刚，他用一个包括认知、交流和标准化的三 角形图表达现代地图学的概念基础( 图2 _ - 2 ) ，认为可视化是现代地图学的核心。标准化 是现代地图学的一个重要基础，强调计算机技术用于地图制作时要符合地图的专业规则。 可视化具有交互和动态的特征，它包含交流与认知分析，这种交流方式虽然以可视交流 为主要，但声音、触觉等非可视交流交流方式也不可忽视。地图可视化和多媒体技术将 对传统的地图学交流传输理论模型产生重要的影响。地图可视化的认知涉及人的空间模 式识别和图形形象思维的能力，而地图可视化中的分析则被认为是比交流更加具有意义 的因素嘲。所以，现代的地图学者不应该是单纯的地图设计专家，应该加强地图分析的 研究。 认知( 分析可视与非可视) 标准化( 新计算机技术、新多媒体技术) 图2 - - 2 地图可视化三角形( t a y l o r ，1 9 9 4 ) 而地图学家e a c l r e n ( 1 9 9 5 ) 则设计了个立方体，即 地图学 表达地图应用 空间以及可视化和交流传输在立方体空间中不同的位置和作用嗍( 图2 - 3 ) 。他强调可 视化与交流传输在地图学中所处的地位不同，发挥的作用也不一样。交流传输具有表达