动态现象的时空数据建模与多维可视化
  • 【摘要】

    本文研究的对象是动态现象,即地下、地表和地上(与地球表面有密切联系的大气圈)变化多端的自然现象,如沙尘暴、云、雾、霭、烟、污染气体扩散、龙卷风以及洋流等等.我们所指的动态现象一般是一个动态、形式多样、富于变化、边界模糊的开放性复杂系统,运动无约束,通常以液态或气态的形式呈现.动态现象不同于通常的移动对象,移动对象是有明确边界、有规律地刚性运动的地物.动态现象与人类的生活息息相关,直接或间接地影响着... 展开>>本文研究的对象是动态现象,即地下、地表和地上(与地球表面有密切联系的大气圈)变化多端的自然现象,如沙尘暴、云、雾、霭、烟、污染气体扩散、龙卷风以及洋流等等.我们所指的动态现象一般是一个动态、形式多样、富于变化、边界模糊的开放性复杂系统,运动无约束,通常以液态或气态的形式呈现.动态现象不同于通常的移动对象,移动对象是有明确边界、有规律地刚性运动的地物.动态现象与人类的生活息息相关,直接或间接地影响着人类的经济、政治、军事和社会活动. 随着地球信息科学的发展,人们对地球信息的研究已打下了坚实的基础,GIS在防灾减灾、环境保护、军事应用、资源管理、工程建设和交通导航等诸多领域已经获得广泛的应用.目前,地理信息系统(GIS)对地理信息的关注偏重于静态地物和移动对象,缺乏动态的表现和连续的演化、推理机制.动态现象都是动态发展变化的,现在的地理信息系统对其发展过程的表达无能为力,大多是以二维、静态的形式表现出来,损失了大量的信息.一般的时态GIS,只是在空间维数上加上时间维,时间维作为空间对象刚性运动的基准,不适合于对动态现象的连续变化过程的描述. 要对动态现象的时空数据进行组织和管理,就必须建立动态现象的时空数据模型,因为数据模型既是时空数据库的核心,也是GIS中对地理实体和现象进行信息描述和表达的基础和根本.目前的时空数据模型还不能有效地对动态现象连续变化过程中产生的时空数据进行组织和管理.本文研究的目的是建立表现事物和现象连续发展过程的机制,对动态现象的海量时空数据进行有效的建模和时空表达,进而对动态现象的时空数据进行组织和管理,在GIS中实现动态现象的可视化,并与实际应用系统融合. 本文主要开展以下4个方面的研究: 一. 在地理信息学科中引入对复杂动态现象的过程进行描述的机制,将连续动态变化对象的行为模型嵌入到现有空间信息表达体系中,建立适合于多维动态现象的时空数据模型.基于空间信息认知,从概念模型和时空语义的角度,探讨了动态现象的描述和表达机制,建立了动态现象的BM-STDM时空数据模型、逻辑模型和实现框架.将空间物体和现象的行为或变化纳入到空间信息认知中,从时间和空间认知的角度,定义了事件、状态、持续事件、瞬态事件和事件点等概念,并阐述了四维时空地理参照系;利用行为模型来对动态连续变化对象的演化发展过程进行的描述. 二. 研究复杂动态现象的时空数据的管理和组织方法.行为模型描述动态现象的时空行为特性,能对空间对象的时空数据的变化过程进行高度的概括.描述了3类动态现象的行为模型.以城市中污染气体在大气中的扩散过程建模为例,构建了污染气体扩散行为模型,阐述了行为模型的构建过程和方法.以行为模型和时空数据模型为基点,将行业应用模型嵌入到GIS的应用体系中.借鉴模型库的研究方法管理行为模型,构建了GIS的时空数据模型与专业应用模型库的接入和调用技术.本文提出了利用八叉树技术对空间数据进行组织与存储方法,并讨论了对时空数据进行快修改、更新、销毁等操作和查询分析方法. 三. 研究动态场数据的四维时空可视化技术.文中建立了复杂现象的多尺度表达的LOD模型,以满足不同的应用和可视化条件的需求,在三维虚拟地球场景中进行复杂动态现象多尺度模拟和表达.采用物理模型模拟获得实验数据.借鉴计算机图形学中的新技术,研究动态现象的场数据的实时四维绘制技术,提出了时空数据的动态分区投射法绘制技术,并与光线投射法和基于GPU硬件的三维纹理映射法等适合于场数据的多维实时可视化的方法进行实验比较. 四. 解决复杂动态现象与具体应用系统的集成问题.将前面的时空数据模型和多维实时绘制技术融合到GeoGlobe虚拟地球平台环境中,搭建实验系统.研究动态现象多维表现方法在应用系统中的嵌入机制,对动态现象的数据和行为模型进行管理和调度.以城市中污染气体扩散为例,实验和验证本文中提出的理论和方法. 本文的研究内容对在GIS中进行动态现象的时空数据建模和表达做出了初步的探讨,在地球空间信息研究领域对连续动态变化事物的研究进行了有益的尝试和探索.实验验结果表明,本文提出的BM-STDM时空数据模型能对污染气体扩散等现象的时空数据进行有效的管理和组织,能很大程度地的减小空间存储量.通过引入行为模型,使得现有空间信息表达体系实现了描述连续动态变化的对象,并可以将各种行业应用模型无缝地嵌入到GIS的应用体系中来.实验结果显示,本文提出的场数据的多维动态绘制技术-动态分区投射法,对于在虚拟地球场景中进行动态现象的可视化具有较好的绘制效果和更优的整体性能,并能达到实时可视化的要求.本文中的研究成果可以在具体的应用系统中实现,解决了实时、动态、三维绘制和调度等问题,能对标量场和矢量场数据进行动态可视化,实现了动态现象与虚拟地球场景的无缝融合和多尺度表达. 本文的主要创新点体现在: 1) 提出了能描述事物或现象连续动态变化的时空数据模型.探索复杂动态现象的时空数据的管理和组织方法,提出了基于行为模型的时空数据模型(BM-STDM),实现了对动态现象进行时空数据建模和时空表达,能对动态现象的海量标量场和矢量场时空数据进行有效的管理和组织,空间存储量很小,并可以对相应的时空数据进行快速的访问和查询分析. 2) 提出了将行业应用模型嵌入到GIS中的机制和框架.提出了行为模型的概念,从认知上以行为模型为基点将行业应用模型嵌入到GIS中,使行业应用模型与GIS的结合在语义上更加完整,在实现上有具体的融合方法和框架. 3) 建立了复杂动态现象的LOD模型,实现了复杂动态现象多尺度表达.动态现象的时空信息数据量和计算量非常大,绘制方法复杂,在有限的计算、存储和绘制能力的可视化环境中,多尺度的表达LOD模型能反映独立的数据集特征,可以综合和平衡绘制效率、真实感和信息量之间的矛盾,提高可视化和数据分析效率. 4) 提出了适合于动态现象的四维时空绘制算法,实现了在虚拟地球环境中对复杂动态现象的实时多维可视化.研究动态现象多维表现方法在应用系统中的嵌入机制,以污染气体扩散为例在虚拟地球平台中进行实时再现,解决了动态现象嵌入到虚拟地球平台时的无缝融合、实时动态绘制和调度等问题. 地理信息技术发展的趋势是向网络和多维发展,其中动态现象的研究是多维GIS研究的新高点,本文的研究为动态现象的表达、时空数据组织管理和可视化做出了有益的尝试,地理信息技术的发展必将促使未来的数字地球更加动态和精致. 收起<<

  • 【作者】

    何正伟 

  • 【学科专业】

    地图学与地理信息系统

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    武汉大学

  • 【导师姓名】

    吴华意

  • 【学位年度】

    2009

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    时空数据模型%连续变化过程建模%虚拟地球场景%多尺度表达模型%多维绘制技术