第三节 可视化与虚拟现实

1、地理信息系统的可视化与地理信息系统的可视化与虚拟现实虚拟现实一、基本概念一、基本概念1 1、可视化：、可视化： 可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程是一种转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而是一种转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们。递和接收它们。2 2、科学计算可视化、科学计算可视化 是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生

2、的是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。方法和技术。3 3、空间信息的可视化、空间信息的可视化 是指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、是指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示，并进行交互处理的并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显

3、示，并进行交互处理的理论、方法和技术。理论、方法和技术。 空间数据库空间数据库处理处理二、空间信息可视化的形式二、空间信息可视化的形式1 1、地图：、地图： 硬拷贝：纸质或其它介质地图；硬拷贝：纸质或其它介质地图； 软拷贝：屏幕上的电子地图。软拷贝：屏幕上的电子地图。2、多媒体地学信息、多媒体地学信息 综合、形象地表现空间信息所使用的文本、表格、声音、图像、图综合、形象地表现空间信息所使用的文本、表格、声音、图像、图形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是空间信息可视化的重要形式。空间信息可视化的重要形式。3、

4、三维仿真地图、三维仿真地图4、虚拟现实、虚拟现实 它是由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人机交互它是由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人机交互系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。 三、空间数据可视化的过程三、空间数据可视化的过程 预预处处理理从符号库读从符号库读取符号信息取符号信息 符号化符号化 从字符库读取从字符库读取汉字及字符信汉字及字符信息息 地图输出地图输出 色彩库色彩库色彩信息色彩信

5、息 从从GISGIS数据库数据库中检索出的中检索出的要素、要素、特征特征及及定位信息定位信息 四、电子地图四、电子地图1 1、概念：、概念：1 1）电子地图）电子地图 是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上，并能是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上，并能在屏幕上实时显示的可视地图，又称在屏幕上实时显示的可视地图，又称“屏幕地图屏幕地图”、“瞬时地图瞬时地图”。2 2）电子地图集）电子地图集 是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，互

6、相加强。图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，互相加强。2 2、电子地图与、电子地图与GISGIS的区别：的区别： 电子地图包含了电子地图包含了GISGIS的主要功能，但不是全部功能。侧重于可见实体的的主要功能，但不是全部功能。侧重于可见实体的显示，其中较完善的空间信息可视化功能和地图量算功能是一般显示，其中较完善的空间信息可视化功能和地图量算功能是一般GISGIS所欠缺所欠缺的。但是相对而言的。但是相对而言, , 一些电子地图一些电子地图( (集集) ) 难予使其可视子空间均具有统一的难予使其可视子空间均具有统一的空间数学基础空间数学基础, , 因而空间分析相对因而空间分析相对G

7、ISGIS薄弱，这也是两者的分水岭。薄弱，这也是两者的分水岭。 电子地图（集）是一种新型的、内容广泛的电子地图（集）是一种新型的、内容广泛的GISGIS产品，而电子地图（集）产品，而电子地图（集）系统则是一些内容广泛、功能各异的新型系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GISGIS系统。系统。五、动态地图五、动态地图1 1、概念：、概念： 动态地图是能集中、形象地表示空间信息的动态地图是能集中、形象地表示空间信息的时空变化状态和过程的电子地图。它的产生和发展是时空变化状态和过程的电子地图。它的产生和发展是时空时空GISGIS的发展的必要基础和前提。的发展的必要基础和前提。2 2、特征和作用：、特

8、征和作用： 可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。3 3、表示方法、表示方法1 1）利用传统的地图符号和颜色等表示方法，如运动线表示气流、行军等路线。）利用传统的地图符号和颜色等表示方法，如运动线表示气流、行军等路线。2 2）采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示）采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示 用闪烁、跳跃、色度、亮度变化等手段反映运动中物的矢量、数量、空间和时用闪烁、跳跃、色度、亮度变化等手段反映运动中物的矢量、数量、空间和时间变化特征。间变化特征。3 3）采用连续快照方法作多幅或一组地图。这是采用一系列状态对应的地

9、图来表现时空）采用连续快照方法作多幅或一组地图。这是采用一系列状态对应的地图来表现时空变化的状态。变化的状态。4 4）地图动画）地图动画六、虚拟现实技术六、虚拟现实技术1 1、概念：、概念： 虚拟现实（虚拟现实（Virtual RealityVirtual Reality）是一种最有效地模拟人在自然环）是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。展和集成的产物。 本质上，虚拟现实就是一种先进的本质上，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口或人机交互界计算机用户接口或人机交互界面

10、，是物理现实的仿真面，是物理现实的仿真。通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据。通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图像、声音和触摸感受，利用多种传感设备使用户转换成图像、声音和触摸感受，利用多种传感设备使用户“投入投入”到到该环境中，用户可以如同在真实世界那样该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理处理”计算机系统所产生计算机系统所产生的虚拟物体。的虚拟物体。 虚拟现实技术：又称虚拟现实技术：又称灵镜灵镜技术。是指通过技术。是指通过数字头盔、数据手套、数字头盔、数据手套、数字外衣，以及三维立体显示器、三维鼠标、立体声耳机数字外衣，以及三维立体显示器、三维鼠标、立体声耳机等使人能等使

11、人能完全沉浸计算机生成创造的一种特殊三维图形环境，并且人可以操完全沉浸计算机生成创造的一种特殊三维图形环境，并且人可以操作三维图形环境，实现特殊的目的。作三维图形环境，实现特殊的目的。 虚拟现实技术是虚拟现实技术是计算机硬件、软件、传感、人工智能、心理学计算机硬件、软件、传感、人工智能、心理学及地理科学发展的结晶及地理科学发展的结晶。它是通过计算机生成一个逼真的环境世界，。它是通过计算机生成一个逼真的环境世界，人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。 它的出现彻底改变了用户和系统的交它的出现彻底改变了用户和系统的交互方式，创造了一种完全的、令人信服的幻互

12、方式，创造了一种完全的、令人信服的幻想式环境，人们不但可以进入计算机所产生想式环境，人们不但可以进入计算机所产生的虚拟世界，而且可以通过视觉、听觉、触的虚拟世界，而且可以通过视觉、听觉、触觉，甚至嗅觉和味觉多维地与该世界沟通。觉，甚至嗅觉和味觉多维地与该世界沟通。 这是一种具有巨大意义和潜力的技术，这是一种具有巨大意义和潜力的技术，正在迅速的发展之中。正在迅速的发展之中。2、VR硬件：硬件： VR的硬件目前并不定形，主要有以下几种(1)(1)图像生成器图像生成器： 它的作用是快速进行图形运算；(2)(2)操纵和控制设备：操纵和控制设备：实现位置跟踪和控制的鼠标器，跟踪球和游戏杆；数据手套，其手

13、指部分装有传感器；数据紧身衣；最新的操纵是通过眼睛和思维操纵，这是通过测定神经系统 的微小电流来操作的；(3)(3)位置跟踪装置：位置跟踪装置：机械盔甲：提供快速准确的跟踪；超声波传感器；光学位置跟踪器；惯性跟踪器；(4)(4)立体视见装置立体视见装置：采用偏光眼镜或屏幕分割或立体镜产生图像的左右视差等手段来产生立体。 (5)头盔：产生立体图像或二维地图。头盔：产生立体图像或二维地图。 3、VR的硬件级别的硬件级别 1）初级VR是以PC机或低档工作站为硬件基础；2）基本VR是在初级VR上，增加立体观察器，3D或6D鼠标或游戏杆和数据手套等；3）高级3D是在上述基础上增加图像加速器，帧缓存等，对

14、于PC机则是必须增加3D加速卡和3D音卡；4）沉浸式VR，其中必须增加沉浸显示装置，如多个大型投影式显示器，还可以增加触觉、力感和接触反馈等交互设备。5）驾驶舱仿真器：这是一个封闭式的虚拟环境，设备个人化并较为昂贵；6DIVE（Distributed Interactive Virtual Environment）分布式交互虚拟环境，这是一个Internet上开发基于多个网络用户的虚拟环境、其用户界面及地域广阔，用户众多，分布式交互，共享性高；基于其享式或3D综合环境等应用系统上的实验平台，这完全称得上是一个小型的世界；7SIMNET和作战仿真互联网（Defense Simulation In

15、ternet）是目前世界上最大的VR项目，目的是使不同的仿真器可在网络上互联，用于部队的联合训练和演习，即位于德国的坦克仿真器可与位于美国的坦克仿真器一起联合进行军事演习。 上述7种VR，硬件部分一级比一级复杂、投入也高得多。4 4、软件系统、软件系统 共分两类：一类是工具包，即程序库，往往需要程序员根据具体需要来进行编程；另一类是创作工具，后者不需要复杂的编程，有较多不同层次的商品软件: 1 1免费免费VRVR：这些是VR系列的入门级产品，代表产品为Rend386、Maltiverse。一般可从国际互联网上免费下载。 2 2低价低价VRVR程序：程序：代表产品为Dimension Inter

16、national 的Virtual Reality Stud10（VRS）。 3 3中档中档VRVR软件包软件包：它们一般可称是优秀的专业软件包，而且仅要求计算机作为基本硬件，这类代表产品有Vitus 的Virtus Walkthrough, Quick Time Vr以及Sense 8的World Tollkit For Windows。 4 4高价高价VRVR软件：软件：是高档的精彩的VR产品，需要多种硬件支持。代表产品有Straylight公司的MotoVB, Dimension, International 的Superscape VRTB等。5 5、VRVR的分类的分类 VR的类型是

17、根据它的交互性质来分的，也即是根据它能实现人的视感、听感、触感、嗅感和传感器的程度和质量来区分。根据目前所见资料，可分下列几种：1 1世界之窗（世界之窗（WOW: Window on World SystemWOW: Window on World System） 它仅用显示器和音卡来显示虚拟世界，它的衡量标准是“看起来真实，听着真实，物体的行为真实”；2 2视频映射视频映射 它在上述WOW基础上把用户的轮廓剪影作为视频输入与屏幕二维图形合成，屏幕上显示用户身体和虚拟世界的交互过程；3 3沉浸式系统沉浸式系统 完全的VR系统把用户的视点和其它感觉，完全沉浸到虚拟世界中，它可以是头盔加其它交互硬

18、件，也可以是多个大型投影仪产生的一个洞穴； 4 4遥视、遥作遥视、遥作 遥视把用户的感觉和真实世界中的远程传感器、遥测仪连接起来，并用机器人，机器手进行远程操作。实际上，阿波曼登月计划和网络会诊，网络手术已显现了这方面的实际进展；5 5混合现实混合现实 遥现和虚拟现实的结合产生了混合现实和无缝仿真，例如脑外科手术时，脑外科医生看到的是由真实场景，预先得到的扫描图像和实时超声图像组合而成的场景；领航员则在它的头盔或显示屏上既看到电子地图和数据，又看到真实景象。v6 6、VRVR的意义的意义 世界是不能试验的，大的环境工程也不能试验。甚至小到一个雕塑、世界是不能试验的，大的环境工程也不能试验。甚至

19、小到一个雕塑、一个零件，进而一栋房屋，一项工程，大而言之一场战争，其实际运作一个零件，进而一栋房屋，一项工程，大而言之一场战争，其实际运作需要很多时间和经费，而且大型的过程无法重新进行，现在可能以在虚需要很多时间和经费，而且大型的过程无法重新进行，现在可能以在虚拟现实中进行模拟和实验，找出最佳方案。拟现实中进行模拟和实验，找出最佳方案。VRVR技术使用前景是无可估量技术使用前景是无可估量的 ， 其 意 义 是 极 其 巨 大 的 ， 它 是 影 响 整 个 未 来 的 信 息 技 术 。的 ， 其 意 义 是 极 其 巨 大 的 ， 它 是 影 响 整 个 未 来 的 信 息 技 术 。 要制

20、造好一个虚拟现实，就必须加深理解我们的现实世界，尤其是要制造好一个虚拟现实，就必须加深理解我们的现实世界，尤其是地学环境，这是不可缺的。地学环境，这是不可缺的。 地学科学是对地学环境的描写，对浩瀚信息的综合概括，层次化图地学科学是对地学环境的描写，对浩瀚信息的综合概括，层次化图形符号的模型化表达是正在迅速发展中形符号的模型化表达是正在迅速发展中VRVR的基石和向导。相对而言的基石和向导。相对而言VRVR技技术的发展，对地理信息的可视化将提出更高、更复杂的要求。术的发展，对地理信息的可视化将提出更高、更复杂的要求。7 7、VRVR技术的应用技术的应用 VR技术最先进的应用领域就是军事国防。飞行模

21、拟飞行模拟： 飞行员的飞行训练是一件十分昂贵、危险和困难的事，由于飞行费用昂贵，飞行均在高速中进行，天空中对飞行员的保护又很有限，对飞机的保护几近于零。一个细小的疏忽，就会造成机毁人亡的严重事故。 因此，世界上VR的应用均首先从飞行模拟开始。飞行员载上头盔，坐在VR装备的飞行座仓内，由VR制作的飞行气氛和电子地图及飞行仪表的显示，以及驾驶员进行操作，机械和仪表的相应运作及反馈，使飞行员在虚拟的飞行状态中进行各种训练。大大提高了飞行员训练密度、强度和质量以及降低了训练的费用。 战斗模拟：战斗模拟： VR应用不仅用于飞机，而且还用于船舰、坦克通讯及步兵演习。随着网络VR技术的出现，美军得以在被其称为“防御模拟互联网”的全球范围内实施Simnet坦克战斗计划。最先广泛应用的场合是海湾战争，Simnet几乎可以使每场战斗或战役之前在VR中进行模拟训练。海湾战场已变成大规模的电子沙盘实景，用于其中的地形环境仿真。 实际上，今后的VR技术在利用电子地图技术制作大型电子沙盘实景，给出战斗、战役的地形地貌环境，使每场战斗之前能够进行模拟实习，将大大提高战争艺术，减少伤亡，争取胜利是十分有利的。8 8、实现技术、实现技术 可以通过可以通过GISGIS软件支持的软件支持的DEMDEM功能、功能、3DMAX3DMAX，