內容簡介

地學空間信息的建模與可視化有助於幫助用戶直觀地瞭解地學信息空間分布，是進行空間信息輔助決策的重要手段。本書係統闡述瞭地學領域大規模地形、水麵及河流、真三維層狀地質體和規則體三維場、地球物理勘探數據、天氣雷達數據以及地理多維屬性信息建模和可視化的理論和方法。本書作者在地學空間信息可視化領域從事過十多年研究工作，本書內容是作者近些年來主持國傢自然科學基金、國傢科技重大專項、國傢深部探測專項、科技部科技支撐項目等多個國傢及企業項目的研究成果，抓住瞭地學空間信息建模與可視化的難點和要點，具有很好的前瞻性和實用性。本書適用於地質學、地球物理學、氣象學、地理信息係統及其他與地學相關專業本科生和研究生的教學參考書，也可作為地學領域相關研究人員的參考書。

作者簡介

芮小平，1975年生，博士（後），中國科學院大學副教授，碩士研究生導師，美國威斯康星大學（麥迪遜）訪問學者。主要從事地理信息係統理論與應用方麵的研究，研究方嚮包括空間信息可視化、基於GIS的應急決策方法、路徑優化與資源分配問題等。現為《地理與地理信息科學》雜誌編委，中國係統仿真協會會員，中國科學院大學《地理信息係統》校級優秀課程主講教師，國內外各種GIS相關主流雜誌的審稿專傢。近幾年，先後主持瞭國傢自然科學基金項目“多維空間信息可視化方法研究”、國傢科技重大專項油氣專項專題“煤層氣地麵集輸地理信息係統研究”和水專項專題“三峽庫區流域水汙染防治三維可視化平颱係統研製”、國傢科技支撐計劃專題“餐廚垃圾智能收運與調度方法研究”、國傢深部探測專項專題“深部探測數據網絡三維可視化係統”和北京市重大專項課題“房山張坊地區岩溶發育機理研究”等14項國傢縱嚮項目和5項橫嚮科研項目；參與瞭國傢973項目專題“GIS支持的人類活動條件下區域地下水係統響應”和中國科學院重大戰略性先導專項課題“煤田自燃中的碳排放”等8項。2008年獲得國傢測繪科技進步二等奬（排名第6）。已發錶論文80餘篇（其中被國際論文三大檢索機構檢收錄的論文達30餘篇），編寫GIS開發相關教材1部。獲得軟件著作權12項和國傢發明專利2項（排名第二）。 於雪濤，1984年生，博士，石傢莊鐵道大學講師。主要是從事地理信息係統的開發與應用研究，研究方嚮包括GIS在氣象學中的應用、交通地理信息係統等。近兩年主持瞭河北省自然科學基金1項，河北省社會科學基金1項。目前已發錶論文10餘篇（其中被SCI或EI檢索論文4篇），參與編寫GIS開發相關教材1部。

目錄

第1章 引言 1
1．1 可視化技術的産生 3
1．2 數據可視化 4
1．3 信息可視化 9
1．4 地理空間信息的可視化 14
1．5 本書主要內容及其框架 16
參考文獻 17
第2章 空間數據的處理 19
2．1 多重二次麯麵函數插值法 21
2．1．1 多重二次麯麵函數插值法的數學原理 22
2．1．2 多重二次麯麵函數插值的數值求解過程 22
2．1．3 多重二次麯麵函數插值的實現方法 23
2．2 基於超麯麵樣條函數的真三維數據插值法 23
2．2．1 麯麵樣條函數簡介 24
2．2．2 超麯麵樣條函數原理 25
2．2．3 超麯麵樣條函數插值算法的實例驗證 26
2．3 本章小結 28
參考文獻 28
第3章 大規模地形可視化 31
3．1 地形可視化研究現狀 33
3．1．1 基於分形技術的地形可視化 33
3．1．2 基於真實地形數據的地形可視化 34
3．2 一種基於Perlin噪聲函數的地形生成方法 37
3．2．1 Perlin噪聲函數簡介 37
3．2．2 二維Perlin噪聲函數的構造 38
3．2．3 具有多層細節的地形生成方法 39
3．2．4 用Perlin噪聲函數繪製地形的實例 40
3．3 基於Morton碼的地形簡化方法 40
3．3．1 Morton碼的基本概念 40
3．3．2 基於Morton碼的地形簡化算法 41
3．3．3 用Morton碼進行地形簡化的應用實例 42
3．3．4 基於Morton碼的地形簡化算法優缺點討論 43
3．4 基於不完全四叉樹的LOD方法 43
3．4．1 實時連續LOD的特徵 44
3．4．2 基於不完全四叉樹LOD技術的基本原理 45
3．4．3 四叉樹節點的快速訪問 49
3．4．4 基於不完全四叉樹LOD技術的研究實例 52
3．4．5 算法討論 54
3．5 一種改進的ROAM算法 54
3．5．1 ROAM算法簡介 54
3．5．2 改進的ROAM算法 56
3．5．3 應用實例 59
3．5．4 算法討論 60
3．6 基於球麵索引的三維地形可視化 61
3．6．1 連續球麵地形LOD算法――Spherical ROAM 61
3．6．2 海量地形分頁渲染技術 64
3．7 在地形上的疊加數據 66
3．7．1 在DEM上疊加紋理圖像 66
3．7．2 在DEM上疊加矢量數據 67
3．7．3 數據疊加的應用實例 69
3．8 在地形上疊加三維模型 70
3．9 本章小結 71
參考文獻 71
第4章 水麵的可視化 75
4．1 基於中心差分法的理想水麵可視化 77
4．1．1 三維水體模擬研究簡介 77
4．1．2 方法原理 78
4．1．3 應用實例 82
4．2 流動河流的三維可視化算法 84
4．2．1 河道邊界的提取 84
4．2．2 基於速度場的自適應河流模擬 86
4．3 本章小結 94
參考文獻 95
第5章 真三維空間信息可視化 97
5．1 真三維可視化的國內外研究現狀 99
5．1．1 基於麵模型的構模 100
5．1．2 基於體模型的構模 101
5．1．3 混閤建模 104
5．2 基於VRML的三維地質體可視化方法 105
5．2．1 原始數據的組織 105
5．2．2 地質體三維可視化的實現過程 106
5．2．3 在VRML環境下實現地質體三維可視化 107
5．2．4 應用實例及結論 108
5．3 基於三棱柱的層狀體可視化 108
5．3．1 數據處理與體元描述 109
5．3．2 切割點的求解 110
5．3．3 三棱柱的剖分 110
5．3．4 應用實例 112
5．4 基於切片法的規則體可視化 114
5．4．1 用切片法實現規則體體視化的基本原理 114
5．4．2 用切片法實現規則體體視化的過程 115
5．5 基於八叉樹結構的數據簡化技術 116
5．5．1 八叉樹結構的定義 117
5．5．2 八叉樹節點的快速訪問 118
5．5．3 八叉樹的優點 119
5．6 基於小波的三維數據可視化 120
5．6．1 小波變換及其基本概念 120
5．6．2 多分辨分析與Mallat算法 122
5．6．3 三維小波及其在三維數據可視化中的應用 126
5．7 本章小結 129
參考文獻 129
第6章 地球物理勘探數據可視化 133
6．1 CSAMT電法數據三維可視化 135
6．1．1 CSAMT數據格式與組織 135
6．1．2 CSAMT數據的插值方法 137
6．1．3 構建CSAMT場數據與虛擬切片滑動控製器 138
6．1．4 測綫模型的實例 139
6．2 SGY地震數據三維可視化算法 141
6．2．1 讀取地震勘探數據 143
6．2．2 建立紋理 143
6．2．3 紋理空間映射 144
6．3 重磁數據的三維可視化 145
6．3．1 讀取重力（磁法）勘探數據 146
6．3．2 建立頂點緩存 146
6．3．3 計算索引緩存 147
6．3．4 進行空間變換 147
6．3．5 頂點著色 148
6．4 綜閤地球物理資料索引結構的快速建立 149
6．4．1 綜閤地球物理資料空間索引的分割方法 149
6．4．2 綜閤地球物理資料數據結構的遞歸生成 150
6．4．3 快速空間查詢算法 153
6．4．4 快速異常範圍值空間定位算法 154
6．4．5 查詢結果的快速排序算法 154
6．4．6 地球物理資料的添加與刪除算法 155
參考文獻 156
第7章 天氣雷達數據可視化 157
7．1 天氣雷達簡介 159
7．2 713型天氣雷達數據可視化 159
7．2．1 數據及格式說明 159
7．2．2 數據的判讀 160
7．2．3 數據的顯示 160
7．2．4 結論 163
7．3 新一代天氣雷達數據可視化 163
7．3．1 雷達基數據的可視化 164
7．3．2 雷達導齣産品的可視化 170
參考文獻 176
第8章 多維信息可視化 179
8．1 多維信息可視化研究綜述 181
8．1．1 多維信息可視化技術的分類 181
8．1．2 空間多維信息可視化技術研究現狀 182
8．2 基於SOM的多維信息可視化 186
8．2．1 SOM基本原理 186
8．2．2 SOM的訓練算法 187
8．2．3 SOM的質量評估 188
8．2．4 原型矢量的初始化方法 189
8．2．5 矢量投影 189
8．2．6 用SOM實現多維信息可視化 190
8．2．7 SOM的多維信息可視化的應用實例 194
8．3 基於彈性網絡圖的多維信息可視化 197
8．3．1 彈性網絡圖 197
8．3．2 自適應彈性網絡圖 200
8．3．3 彈性網的自動學習過程 201
8．3．4 構建彈性網絡圖 202
8．3．5 用彈性網絡圖實現多維信息可視化 203
8．3．6 彈性網絡圖可視化的應用實例 203
8．4 流形學習的空間高維數據降維研究 207
8．4．1 流形學習算法介紹 207
8．4．2 等距映射 207
8．4．3 局部綫性嵌入 209
8．5 LLE-SOFM耦閤模型的多維數據可視化算法 210
8．5．1 方法原理 210
8．5．2 LLE-SOFM的應用實例 213
8．6 基於空間自相關的支持嚮量機空間聚類 214
8．6．1 方法原理簡介 215
8．6．2 基於Moran的樣本集選擇 216
8．7 本章小結 217
參考文獻 217
第9章 可視化空間信息挖掘 221
9．1 數據挖掘理論簡介 223
9．2 可視化數據挖掘技術 224
9．2．1 Keim提齣的分類體係 224
9．2．2 Card提齣的分類體係 226
9．3 可視化技術在空間信息挖掘中的應用 227
9．4 本章小結 229
參考文獻 229
附錄A Oracle Spatial的空間數據組織方案 231
附錄B 基於ArcSDE C API函數的客戶端設計方法 241
附錄C 三維場景交互性設計 249

前言/序言

前言

隨著3S技術的融閤和空間信息處理技術的發展與廣泛應用，空間數據的可視化以及基於可視化技術的空間分析、空間數據挖掘和知識發現已經發展成為空間信息處理的重要手段和關鍵技術。可視化技術的使用可以幫助我們更加全麵和準確地瞭解空間信息、分析空間規律，甚至可以為空間信息領域的生産及宏觀規劃進行輔助決策。本書筆者在地學可視化領域研究多年，將地形可視化、水麵可視化、真三維層狀地質體和規則體三維場可視化、地球物理勘探數據可視化、天氣雷達數據可視化以及具有多個專題維的多維信息可視化的研究成果整理成書，係統闡述瞭地學可視化的算法，供從事相關研究的人員參考。

全文共9章，。第1章為引言，論述瞭本書研究的背景、目的和意義，介紹瞭空間信息可視化相關的概念以及國內外研究現狀，並給齣瞭本書的總體框架。

第2章介紹空間數據的處理方法。首先，論述瞭一種適閤非網格化樣品點研究區域的插值方法———多重二次麯麵函數插值法，闡述瞭多重二次麯麵函數插值方法的數學原理和實現過程。其次，提齣瞭一種基於超麯麵樣條函數進行三維空間插值的新的三維空間插值方法，該方法將二維的麯麵樣條函數插值法進一步拓展到三維空間。同時給齣瞭超麯麵樣條函數的構造方法以及使用該方法進行三維空間插值的數值實現過程。

第3章在詳細介紹地形可視化國內外研究現狀的基礎上，對基於DEM數據的地形可視化算法進行瞭深入研究，主要內容如下包括：①基於Perlin算法生成三維隨機地形；②根據Morton碼編碼思想實現地形DEM數據無損壓縮，在此基礎上進一步建立LOD模型，提齣一種基於不完全四叉樹的實時連續LOD技術；③對ROAM算法進行改進，提齣“先分塊後構模”的思想，並采用非等腰直角三角形作為地錶模型的基本單元，采用數組的方式存儲二叉樹節點信息，運用計算機位移運算提高二叉樹的訪問速度；④對大尺度地形數據采用球麵索引的方式進行構建，采用一種視點相關的全球地形LOD模型SROAM建立基於球體的三維場景承載平颱；⑤闡述瞭在DEM數據上疊加點、弧段、多邊形等矢量數據的方法，介紹瞭在三維地球上疊加三維模型的算法。

第4章主要介紹瞭湖麵（海麵）和河流水麵的三維可視化方法。模擬湖麵時，在兼顧真實感和效率的前提下，采用中心差分方法建立瞭理想水體的運動方程，進而提齣瞭一種模擬水麵三維運動效果的方法。該方法首先將水體網格化，使用布朗分形運動的形態構建整個水麵。接著利用簡化的流體力學方程作為水體運動的驅動因子控製各個網格處的水體高度，再通過中心差分法平滑水柱之間的高度差，從而得到連續波動的水波模型。在此基礎上，從紋理映射與LOD層次模型構建兩個方麵討論瞭較大水域運動水麵的仿真方法。河流模擬方麵，提齣瞭一種基於河流速度場的河道自適應流動水體的可視化方法。該方法應用流體力學原理，實時計算穩定水流的速度，構建河流的速度場，然後運用速度場驅動並約束滿足泊鬆碟分布的精靈紋理在河道內移動，通過對精靈紋理進行混閤與渲染，使重構的水麵沿著河道真實、自然地流動。

第5章在詳細介紹真三維空間實體可視化研究現狀的基礎上對真三維的層狀體和規則體數據可視化進行瞭研究。對於層狀體數據，根據不同的用戶需求，筆者將其可視化類型分為兩種：一種類型隻顯示層狀體的外錶麵，用戶看不到層狀體內的內部結構；另外一種類型則用戶不僅能夠看到三維實體的外部形態，而且能夠看到實體的內部結構。針對第一種情況，提齣用規則網格和兩層之間的三角網構建封閉的層狀體。針對第二種情況，筆者采用三棱柱作為構建層狀體的基本體元實現層狀體的可視化。該方法首先將原始的數據經過預處理形成各個層上下對應的網格高程數據，然後連接相鄰層上下對應的網格形成四棱柱，將四棱柱沿網格對角綫分開，形成三棱柱基本體元。提齣瞭一種通用的三棱柱數據結構，以該結構為基礎把三棱柱剖分的情況分為完全剖分、特殊剖分和僞剖分三大類，並給齣瞭三類剖分的特點以及各自包含的三棱柱剖分和重組方法。對於規則體數據，筆者采用介於直接體繪製和麵繪製之間的切片法來實現其可視化，用雙綫性插值的方法獲取切割麵上的屬性值，並用顔色編碼來錶示屬性值。本章最後分彆探討瞭八叉樹結構和小波算法在規則體可視化中的應用，給齣瞭用八叉樹結構和三維小波算法壓縮規則體數據的一般方法。

第6章介紹瞭常見物探數據的可視化方法，主要針對CSAMT電法數據、SGY地震數據和重磁數據給齣瞭可視化繪製的方法，同時也針對勘探區綜閤運用多種地球物理方法進行探測的情況及各類地球物理數據空間分布特點，采用一種改進的四叉樹結構，建立對綜閤地球物理數據的空間索引，利用該數據結構實現綜閤地球物理數據快速空間查詢，並在此基礎上，實現大規模綜閤地球物理數據精細尺度下的物探數據高效三維可視化。

第7章主要介紹瞭我國氣象行業常用的天氣雷達數據可視化的方法。首先簡要介紹瞭目前我國主要裝備的天氣雷達，包括713型數字化天氣雷達和新一代天氣雷達即多普勒天氣雷達。然後對713型雷達數據的格式、判讀及顯示優化的方法做瞭詳細探討和研究。由於新一代天氣雷達數據包括多個型號，且數據類型包括雷達基數據和雷達導齣産品，筆者先以新一代天氣雷達中的CINRAD/CB型雷達的基數據為例，重點研究探討瞭雷達反射率可視化方法以及迴波區域的提取方法。然後以雷達導齣産品中的19號基本反射率産品為例，研究探討瞭徑嚮結構的基本反射率産品反演為矢量shp類型和柵格img類型迴波圖像的可視化步驟和方法，並對兩類可視化方法的優缺點做瞭簡單的對比分析。

第8章首先介紹瞭多維空間信息可視化的研究現狀，然後詳細介紹瞭SOM和彈性網絡圖理論在多維空間信息可視化中的應用。SOM是一種非綫性的多維數據可視化方法，它能夠很好地保持數據之間的鄰居關係，而不是保持數據項之間的距離關係。SOM的原型矢量可以看成是樣本數據的代錶，也就是說通過降維以後，SOM原型矢量獲得的可視化信息與原始數據是保持一緻的；此外，我們也可以將SOM看成數據的模型，可以將數據與這個模型進行比較，也可以根據模型反演各種樣本數據。構造彈性網絡圖的原理與SOM很類似，它用網絡圖上的節點近似錶示原始的多維數據點，而網絡圖上的節點由一個能量最小的光滑麯麵決定。網絡圖的基本單元可以取多種形狀。彈性網絡圖的構造是自適應的，可以實時根據新加入的數據對網絡圖進行調整。原始數據通過在彈性網內部坐標上的投影實現可視化。

第9章論述瞭可視化數據挖掘的基本概念和常用方法，探討瞭可視化技術在空間信息挖掘方麵的應用前景。

本書由國傢科技重大專項課題“煤層氣田網絡化管理技術及應用軟件”（2011ZX05039-004）、國傢科技支撐計劃項目課題“密閉式生活垃圾與餐廚廢棄物收運裝備與智能調控係統開發”（2012BAC25B01）、河北省自然科學基金“京津冀地區強對流天氣下多場因子驅動的風暴體外推方法研究”（D2016210008）和河北省社會科學基金“京津冀地區強對流開天氣氣預警及應對策略研究”（HB15SH015）資助齣版。

作 者

20122016年5月