三、地理信息系统的可视化与虚拟现实1三维空间制图模型地理实体的模型就其复杂程度而言,可以分为三类:线框模型、面模型和实体模型。(1)线框模型①线框模型的定义线框模型主要使用直线、折线、曲线等来表示物体的棱边形体特征。线框模型表示顶点信息和边的信息。这些边可能是所有顶点中每两个点间的连线,也可能是这些连线中的一部分。②优缺点这种模型的主要优点是简单,易于生成各种投影视图。但它仅仅给出了物体的框架结构,而无法给出物体的表面信息。(2)面模型①面模型的定义面模型是在线框模型的基础上增加了有关面与边的拓扑信息而得,主要使用多边形、曲面等物体的各个表面单位来表示其形体特征。该模型给出了顶点的几何信息及边与顶点、面与边之间的二层拓扑信息。②优缺点与线框模型相比,面模型具有较丰富的形体信息,但它并未指出该物体是实心还是空心,哪里是物体的内部和外部等信息,因此仅适用于描述物体的外壳。(3)实体模型⏺①实体模型的定义实体模型常用多面体、球体、锥体等基本体素及并、交、差等运算来描述物体。②实体模型的表示方法a.体素模型体素是指通过某种组合操作构成复杂实体的简单实体。组合操作有并、交、差等。每一体素在参与组合操作之前必须经历某种变换(包括比 例、平移、旋转等),使它从被定义的状态变换到被组合状态。b.边界表示法在边界表示法中一个实体通过包围它的曲面片或平面多边形的集合(边界)来表示,一个实体的边界必须将实体内部的点和外部的点区分开 来,因此实体的边界完整地定义了该实体。c.四叉树和八叉树四叉树和八叉树分别是用层次式的二维或三维空间子域划分来代替大小相等、规则排列的二维或三维单元阵列的一种高效方法。2数字高程模型的构造(1)网格表面构造两种构造光滑表面的方法。①Bezier表面a.Bezier表面的定义Bezier表面有一个特征多面体。Bezier表面的一般方程⏺式中:Pij为特征多边形的(m+1)×(n+1)二维阵列; Bim(u)和Bjn(v)定义为曲线的基函数。b.Bezier曲面的性质第一,Bezier曲面特征网格的四个角点正好是Bezier曲面的四个角点;第二,Bezier曲面特征网格最外一圈顶点定义Bezier曲面的四条边界; 曲面边界的跨界切线矢量只与定义该边界的顶点及相邻一排顶点有关; 其跨界二阶导矢只与定义该边界的顶点及相邻两排顶点有关。第三,几何不变性; 第四,对称性;第五,凸包性。②B-样条表面B-样条表面可以通过一个特征多面体来定义式中:Pij为定义特征多面体的顶点;Nik(u)和Njl(v)是和8一样条曲线一样的基函数。(2)隐藏线和隐藏面的消除①隐藏线和隐藏面的定义隐藏线是指由于物体自身遮挡或相互遮挡而无法看见的线条。隐藏面是指为显示物体表面信息而消去的物体本身的背部或被其他物体遮挡的面或面的一部分。②消隐算法分类:a.物空间消隐算法⏺通过在定义物体的三维空间中对有关集合元素进行计算和比较,确定什么是可见线(面)、什么是隐藏线(面),然后仅显示可见线(面), 从而实现消隐。b.像空间消隐算法通过把景物看做由几个多边形平面组成的集合,对显示设备每一个像素进行判断,决定哪个面应该在该像素上显示,从而实现消隐。3虚拟现实的设计与实现(1)虚拟现实技术①虚拟现实技术的定义虚拟现实技术是指采用各种技术,来营造一个使人感觉置身于类似于现实世界的环境中。②虚拟现实技术特征 a.立体感的视觉效果; b.存在感;c.多感知性;d.闭环交互方式; e.动态显示。(2)真实感图形与纹理贴图真实感图形是指将模拟场景的三维描述变成二维灰度列阵的过程得到的灰度浓淡图像,具有相片观察效果。纹理贴图是指在三维物体表面上加绘细节时指定的不同图像。(3)光照模型和光线跟踪⏺①光照模型是指模拟物体表面的光照物理现象的数学模型。②光线跟踪是指沿着到达视点的光线的反方向跟踪,经过屏幕上每一个象素,找出与视线相交的物体表面点P0,继续跟踪,找出影响P0点光强的所有光源,算出P0点上精确的光线强度。(4)视差原理与体视图的生成①视差原理的定义视差原理是根据人眼的左、右视点能够对同一事物分别生成两幅图像, 产生视差效果,从而对事物的远近程度做出判断。②体视图生成方法a.用编程的方法,分别生成左右视点的图像;b.另一种方法是利用现成的三维软件,生成左右视点的图像。⏺8.2课后习题详解1GIS产品有哪些表现形式?各适合在什么情况下使用? 答:(1)按输出的载体类型分类:①常规地图(是印刷在纸张、塑料薄膜等材料载体上的,是GIS产品的重要输出形式)②数字地图(一种新的以计算机为存储和显示载体的地图形式)(2)按输出的内容和形式分类:①全要素地形图(在内容上通常全面表达水系、地貌、植被、居民点和独立地物等地理要素,采用统一坐标系统地图投影和分幅编号,比例尺系统,以及统一的编制规范和图式符号,属于国家基本比例尺地形图)②各类专题地图(突出表现一种或者几种自然或社会经济要素的地图)③遥感影像地图(及时提供准确,综合大范围的各种资源环境数据,成为GIS重要数据源之一)④统计图表与数据报表2简述GIS图形输出的内容是什么? 答:(1)图形坐标系与颜色模型:①图形坐标系统(地球表面世界坐标系、输出设备的物理坐标系)②颜色模型与颜色空间(RGB、CMYK、HSV颜色模型)③GIS图形数据结构与数据库;(2)输出的几何变换:①二维图形变换⏺②地图投影变换(3)地形图与专题地图的输出组织形式:①透明图层与影像图层②专题地图的符号系统(点位、线、面状符号)3试述GIS图形输出的组织形式及地图图面配置的内容和要求。答:(1)地形图与专题地图的输出组织形式①透明图层与影像图层GIS数字地图通常以图层形式进行组织,每一个图层包含地图的一个不同要素,常放在不同图层中。图层是透明的,各图层叠加在一起构成完整的一幅地图。②专题地图的符号系统专题地图符号系统中的符号可以分为点位符号、线状符号和面状符号 等。专题地图特征的表达时运用不同地图符号来实现的,符号在图上的位置取决于它所表现的实体的位置,符号的形状的大小取决于实体的质量和数据特征。(2)地图图面配置的内容和要求地图图面配置包括:各种大小或类型的地图的配置;地图的图名、图 例、比例尺、统计图表、照片、影像、文字说明等的位置与大小;专题要素与底图要素的配合与取舍;专题内容与图廓的关系等。4试述面状符号图的制图原理及方法步骤。

答:以一组平行晕线的绘制为例,说明面状符号的制图方法和步骤如下:

(1)根据制图要素专题内容的数据序列和制图目的,进行专题数据的统计分析和分级;

⏺

(2)建立与专题数据分级结果相对应的制图单元的多边形边界数据文件;

(3)确定晕线参数,包括晕线方向、密度、强度和结构等;

(4)提取制图区域的一个原始多边形边界文件,其坐标数据为(xi, yi),i=1,2,3,…,N。设在该多边形边界内填绘晕线,则操作步骤为:

①坐标变换。

②确定各条晕线与多边形边界线的交点。

③晕线交点的整理。

④晕线的配对和输出。

5简述RGB颜色模型与CMYK颜色模型各自的特点。答:(1)RGB颜色模型

①工业界的颜色标准;

②通过对红(R)绿(G)、蓝(B)三色通道的变化以及相互叠加形成各种颜色;这个标准几乎包括了人类视线所能感知的所有颜色;

③是目前运用最广的颜色系统之一。

(2)CMYK颜色模型

①以红、绿、蓝的补色青、洋红、黄为原色在加上黑色构成的颜色模型;

②CMYK颜色模型中的三种颜色是通过从白光中减去某种颜色来规定的;

③青色、洋红和黄色称为颜色的三元色,黑色用于直接生产灰度;

6什么是图形变换?简述二维图形变换的基本原理。

⏺

答:(1)图形变换

图形变换是计算机绘图基本技术之一,利用它可以用一些很简单的图组合成相当复杂的图,可以把用户坐标系下的图形变换到设备坐标系下。利用图形变换还可以实现二维图形和三维图形之间转换,甚至还可以把静态图形变为动态图形,从而实现景物画面的动态显示。

(2)二维图形变换的基本原理

①几何变换,在计算机绘图应用中,经常要实现从一个几何图形到另一个几何图形的变换。例如,将图沿某一方向平移一段距离;将图形旋转一定的角度;或将图形放大;反之把图形缩小等等。这些图形变换的效果虽然各不相同,本质上却都是依照一定的规则,将一个几何图形的点都变为另一个几何图形的确定的点,这种变换过程称为几何变换。

②几何变换的规则,是可以用函数来表示的。由于一个二维图形可以分解成点、直线、曲线。把曲线离散化,它可以用一串短直线段来逼近; 而直线段可以是一系列点的集合,因此点是构成图形的基本几何元素之一。

③二维平面图形的几何变换,是指在不改变图形连线次序的情况下,对一个平面点集进行的线性变换。

④二维平面图形变换的结果,有两种,一是使图形产生位置的改变;另一种是使图形产生变形,例如把图形放大。对二维图形进行几何变形有五种基本变换形式,它们是:平移、旋转、比例、对称和错切。

7在计算机绘制透视立体图过程中,如何进行隐藏线的处理?你还能举出其他一些处理隐藏线的算法吗?

答:隐藏线处理方法大致可以分为两大类:物空间消隐算法和像空间消隐算法。物空间消隐算法通过在定义物体的三位空间中对有关集合元素进行计算和比较,确定什么是可见线、什么是隐藏线,然后显示可见线从而实现消隐;像空间消隐算法则是通过把景物看做由几个多边形平面组成的集合,对现实设备每一个像素进行判断,决定哪个面应该在改像素上显示,从而实现消隐。

8什么是虚拟现实?它在GIS可视化中的意义及发展前景如何?

⏺

答:(1)虚拟现实

也称虚拟环境或人工现实,是一种由计算机生成的高级人机交互系统, 即构成一个以视觉感受为主,也包括听觉、触觉、嗅觉的可感知环境, 演练者通过专门的设备可在这个环境中实现观察、触摸、操作、检测等试验,有身临其境之感。

(2)虚拟现实在GIS可视化中的意义及发展前景

虚拟现实技术引入GIS将使GIS更具吸引力,采用虚拟现实中的可视化技术,在三维空间中模拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体,GIS 用户在客观世界的虚拟环境中将能更有效地管理、分析空间实体数据。因此,开发虚拟GIS已成为GIS发展的一大趋势。随着虚拟技术的发展和虚拟现实硬件价格的降低,使得开发成本低廉的虚拟现实软件包成为可能,如用户可通过Virtual GIS软件在三维环境中观察和分析GIS数

据。KollerD等开发的一个实时三维GIS可使用户在编辑、分析复杂的地形数据库时产生一种临境感。

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⑦商业与市场

商业设施的建立要充分考虑其市场潜力,地理信息系统的空间分析和数据库功能可以解决这些问题。房地产开发和销售过程中也可以利用GIS 功能进行决策和分析。

(2)地理信息系统的发展前景

随着地理信息科学的发展,地理信息系统的应用领域将不断扩展,横向和纵向协调发展,GIS的空间分析能力将大大提高。

6你对地理信息系统社会化的发展趋势是怎么理解的?

答:地理信息系统的社会化是指GIS技术的应用已经深入到社会公共生活的领域,与人们生活密切相关。大众化是社会化的主要方面,它是指GIS技术已经融入到人们的日常生活中,改变着人们的生活。利用GIS 可以把空间信息按坐标组织起来,进而分析其空间分布规律,进行决策支持,数字地球是GIS社会化的顶点。公众在日常生活中使用着地理信息系统,如汽车导航,旅游等。GIS应用和其他应用紧密结合在一起, 已经成为人们日常生活不可缺少的一部分。从应用角度来看,GIS的社会化意味着每个人都可以方便的使用其功能。从应用开发角度看,GIS 社会化的标志是GIS产业的形成和分化,形成专门的数据生产厂商。

7叙述地理信息系统的几个主要发展阶段,它们的标志性进展及其对地理信息系统发展的影响。

答:(1)地理信息系统开拓期萌芽

二十世纪60年代计算机广泛应用,1963年Roger Tomlinson开创了世界上第一个地理信息系统即加拿大地理信息系统(CGIS),Tomlinson 被誉为地理信息系统之父。

(2)地理信息系统的巩固和发展期

二十世纪70年代,计算机发展到第三代,推出了大容量直接存取设备- 磁盘,而且通过计算机屏幕直接监视数字化操作,ESRI公司开发了著名的ArcInfo软件,这一个阶段还先后召开了一系列地理信息的国际学术讨论会。

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8.3名校考研真题详解一、名词解释

1虚拟现实技术[江西师范大学2013年研]

答:虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境,并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统(包括VR软件和VR环境数据库)和VR输入、输出设备等组成

2数字地球[南京大学2006研]

答:数字地球是一个以地球坐标为依据的、具有多分辨率的海量数据和多维显示的地球虚拟系统。数字地球可看做是对地球的三维多分辨率表示、它能够放入大量的地理数据。数字地球的建立需要有信息高速公路和计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存贮技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术作为技术支撑。