二三維一體化環(huán)境中的空間數(shù)據(jù)可視化研究

劉文杰

摘 要：信息時(shí)代的來臨使傳統(tǒng)的二維信息表達(dá)不能滿足新的需要，計(jì)算機(jī)的發(fā)展使顯示和描述物體的三維幾何特征和屬性特征成為可能，研究二維環(huán)境下地圖信息的有效表達(dá)是當(dāng)前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)在空間三維可視化經(jīng)過前期的發(fā)展以后重視對(duì)二維地圖符號(hào)系統(tǒng)的特點(diǎn)在新條件下的作用研究，是地圖制圖科學(xué)螺旋式上升的辯證觀。該文詳細(xì)探討了三維環(huán)境中二維地圖符號(hào)中優(yōu)勢(shì)，論證了三維可視化環(huán)境與二維地圖符號(hào)的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：三維環(huán)境 二維 地圖符號(hào) 可視化

中圖分類號(hào)：p208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（a）-000-02

信息時(shí)代的來臨使傳統(tǒng)的二維信息表達(dá)不能滿足新的需要，計(jì)算機(jī)的發(fā)展使顯示和描述物體的三維幾何特征和屬性特征成為可能，研究二維環(huán)境下地圖信息的有效表達(dá)是當(dāng)前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)地理環(huán)境的描述從傳統(tǒng)的二維地圖發(fā)展到電子地圖和三維虛擬地理環(huán)境。地理信息的表達(dá)從二維到三維是一次飛躍，在虛擬的三維空間里也產(chǎn)生了三維地圖符號(hào)。二維地圖符號(hào)系統(tǒng)作為成熟的地圖表達(dá)方式在三維可視化環(huán)境中仍然具有用武之地。二維地圖符號(hào)系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，其體系成熟，易于認(rèn)知，在電子地圖系統(tǒng)中易于實(shí)現(xiàn)。

1 三維地理環(huán)境中二維地圖符號(hào)

1.1 有利于空間認(rèn)知

在三維地理環(huán)境中使用傳統(tǒng)的地圖符號(hào)有利于空間認(rèn)知，有利于空間方位的確定。眾所周知，在三維地理環(huán)境中視覺對(duì)地理信息往往是以透視圖的形式獲取的。在透視圖中，很難進(jìn)行空間距離的量測(cè)和空間位置的確定，距離感不好把握。如果在三維環(huán)境中加上一些傳統(tǒng)的二維地圖符號(hào)就可以很好地解決這個(gè)問題。如圖1所示，在三維中加入以灰色線條表示的境界符號(hào)就很好地起到定位和方位認(rèn)知的作用。尤其是在一個(gè)陌生的環(huán)境，這種作用更加突出。

1.2 有利于空間認(rèn)知的連續(xù)性

在三維地理環(huán)境中使用傳統(tǒng)的地圖符號(hào)有利于空間認(rèn)知的連續(xù)性。這個(gè)問題涉及生理學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉。根據(jù)地圖符號(hào)的定義，確定地圖符號(hào)語義信息的過程就是地圖符號(hào)與所代表的概念之間的約定過程，而這種約定已為研究人員和大眾所熟悉并接受。如人們一看到兩側(cè)平行的黑線，中間套有灰色的符號(hào)自然就想到這是條公路而不是其他的符號(hào)。

1.3 有利于目標(biāo)的識(shí)別及信息的有效傳遞

傳統(tǒng)的二維地圖符號(hào)大家都比較熟悉，因?yàn)樵谛”壤叩娜S可視化環(huán)境下，目標(biāo)的識(shí)別還是要通過符號(hào)化的途徑來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榇藭r(shí)的地理實(shí)體有可能肉眼是無法識(shí)別的，此時(shí)的符號(hào)就是對(duì)空間實(shí)體目標(biāo)的抽象、放大和突出表示。以地圖的制作為例來做證明。將航空照片改繪為地圖是測(cè)繪學(xué)的經(jīng)典技術(shù)。為什么要增加這道工序而不把航空照片拿來當(dāng)?shù)貓D用，就是因?yàn)榈貓D與照片相比，可以將地面諸現(xiàn)象加以分類，強(qiáng)調(diào)重要的物體，用符號(hào)突出表示；可以將照片上沒有的內(nèi)容如地名、境界線加繪在上面；可以在地圖上增加定量指標(biāo)，將對(duì)地面的整體認(rèn)知和數(shù)量指標(biāo)相結(jié)合以強(qiáng)化對(duì)地區(qū)的認(rèn)識(shí)等。地圖的這種科學(xué)概括方法，也就是當(dāng)今建立可視化圖像必須注意采用的方法。所以說在三維可視化環(huán)境中也存在大量的符號(hào)抽象、設(shè)計(jì)和表達(dá)，如圖2所示。

1.4 有利于隱藏信息的表達(dá)

有很多非地理信息是帶有空間屬性的，在地理環(huán)境的三維可視化中又無法直接顯示出來，要借助于特定的符號(hào)系統(tǒng)來表達(dá)，例如人口、經(jīng)濟(jì)、文化、商業(yè)等方面的信息，這些在專題方面的信息多是如此。因?yàn)椴徽撌窃诙S電子地圖還是三維可視化環(huán)境中，這些隱藏的與空間位置有關(guān)的非地理信息是很難說得清是三維還是二維的。這種情況下，在二維電子地圖中這些具有成熟體系的，設(shè)計(jì)精美的專題符號(hào)系統(tǒng)不妨直接在三維可視化中應(yīng)用。

二維符號(hào)在三維可視化環(huán)境中的應(yīng)用具有與在二維可視化環(huán)境中不同的特點(diǎn)。三維可視化環(huán)境一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是仿真，要盡可能地從感官上反映真實(shí)環(huán)境。二維符號(hào)在三維可視化環(huán)境中的應(yīng)用要把握簡(jiǎn)潔性、輔助性與和諧性的特點(diǎn)。

2 三維可視化環(huán)境與二維地圖符號(hào)的關(guān)系

三維地理信息系統(tǒng)的研究是建立在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模型、三維地圖的表示、三維空間分析與應(yīng)用以及三維數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)之上的。三維空間信息的可視化研究是實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，具有十分重要的地位和作用。三維地圖是對(duì)二維地圖在三維方向的拓展，包括地圖設(shè)計(jì)及其原則、符號(hào)體系、地圖內(nèi)容的表達(dá)等。三維地圖是從平面地圖出發(fā)，借鑒電子地圖的符號(hào)系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)地圖信息的三維化。對(duì)三維可視化環(huán)境與傳統(tǒng)二維地圖符號(hào)的關(guān)系研究具有特別重要的意義。

首先，三維可視化環(huán)境與傳統(tǒng)二維地圖符號(hào)的關(guān)系是繼承與發(fā)展的關(guān)系。三維地圖符號(hào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是對(duì)二維地圖符號(hào)系統(tǒng)理論體系的繼承并有所發(fā)展。伴隨著三維地理信息系統(tǒng)而出現(xiàn)的三維地理信息的顯示與輸出是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域，不僅需要在技術(shù)層面進(jìn)行研究，還需要對(duì)其相關(guān)的理論體系進(jìn)行研究。由于二維的專題地圖符號(hào)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一整套設(shè)計(jì)理論與實(shí)現(xiàn)方法、技術(shù)，所以，不能把二維符號(hào)中有效表現(xiàn)專題要素的理論與方法全部舍棄。相反，還需要在對(duì)專題信息二維表達(dá)的基礎(chǔ)上繼承與發(fā)展。對(duì)有些能夠很好表現(xiàn)專題屬性數(shù)據(jù)的二維專題地圖符號(hào)，可以以適當(dāng)?shù)男问嚼^續(xù)在三維地理信息系統(tǒng)中使用。

其次，并不是所有三維可視化環(huán)境中的符號(hào)都需要設(shè)計(jì)成三維的。人們構(gòu)建三維地理環(huán)境的一個(gè)主要目的就是能夠準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)特定的空間地理環(huán)境，來滿足特定的認(rèn)知和應(yīng)用需求。在這里能夠滿足需求是一個(gè)根本原則。三維地圖符號(hào)的應(yīng)用能夠使空間感更加強(qiáng)烈，但往往需要消耗大量的計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間來進(jìn)行調(diào)用和渲染。另外，由于三維地圖符號(hào)設(shè)計(jì)上的差別，人們還很難形成整套的識(shí)別體系，效果并不一定好。所以，傳統(tǒng)的二維地圖符號(hào)還是具有很大的用武之地。例如，前面所說的應(yīng)用棕色線條表示的境界符號(hào)就完全能夠起到人們對(duì)行政區(qū)劃認(rèn)識(shí)的要求。在二維電子地圖中的注記，在三維可視化環(huán)境中往往不需要設(shè)計(jì)成三維立體的，設(shè)計(jì)成其與計(jì)算機(jī)屏幕平行的二維符號(hào)就完全可以滿足三維需要。

最后，二維專題地圖符號(hào)理論體系對(duì)三維符號(hào)體系的構(gòu)建具有借鑒和指導(dǎo)作用。二維專題地圖符號(hào)的抽象與形象的矛盾理論擴(kuò)展到三維領(lǐng)域里，對(duì)專題制圖符號(hào)的重新歸類與概括是專業(yè)本身要研究解決的問題，也是整個(gè)地圖符號(hào)系統(tǒng)的一個(gè)重要的基礎(chǔ)研究工作。要對(duì)地圖內(nèi)容及符號(hào)體系的三維化方法、原則和理論進(jìn)行研究，結(jié)合人類認(rèn)知相關(guān)的生理學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等科學(xué)知識(shí)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)設(shè)計(jì)制作出更適宜人們理解的符號(hào)庫。

3 結(jié)語

現(xiàn)代技術(shù)給予了三維地圖符號(hào)研究和開發(fā)的可能性，地圖科學(xué)本身的發(fā)展也對(duì)三維地圖符號(hào)提出了要求。三維地圖符號(hào)能非常直觀形象地向人們顯示其所表達(dá)的內(nèi)容。它在數(shù)字條件下表現(xiàn)方法的信息突破，是對(duì)原有地圖符號(hào)的發(fā)展。在空間三維可視化經(jīng)過前期的發(fā)展以后重視對(duì)二維地圖符號(hào)系統(tǒng)的特點(diǎn)在新條件下的作用研究，是地圖制圖科學(xué)螺旋式上升的辯證觀。二維地圖符號(hào)系統(tǒng)對(duì)三維可視化地理環(huán)境系統(tǒng)、三維專題地圖制作、數(shù)字景觀地圖等領(lǐng)域都有著很好的借鑒作用，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代地圖制圖學(xué)理論與技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。

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