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虚拟地理环境的多维数据模型与地理过程表达

         虚拟地理环境(Virtual Geographical Environments, VGE)是地球表层空间——“地理环境”在计算机空间的映射。地球表层空间是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域,是地球上物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程作用最复杂的区域[1]。VGE定义为包括作为主体的化身人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境,包括计算机、网络等软硬件环境、数据环境、虚拟图形镜像环境、虚拟经济环境和虚拟社会、政治、文化环境,其中化身人类表示现实世界中的人与虚拟世界中的化身相结合后的集合整体[2,3],它与现实地理环境一样,将是一个包含空间系统、生态系统和社会系统的开放、复杂性巨系统。对于地理科学而言,最初VGE只是作为地理学研究成果的展示部分,随着VGE研究的深入,它已在很大程度上影响了地理学研究的方法、手段和思维方式,即VGE 多维和动态的空间分析参与到地理过程研究中,VGE已在一定程度上影响到地理学的研究范式[4,5]。

        1 虚拟地理环境的表达

    近年来,计算机图形学、科学计算可视化和虚拟现实技术的发展为研究者提供了直观处理研究结果的技术方法,被公认为是科学研究过程的重要组成部分。它在计算机空间(Cyberspace)中为研究者开辟了一个具有沉浸感的虚拟环境,实现了三维空间和时态数据的可视化,并使研究者既能在虚拟环境中交互地操控研究对象,又可以在仿真模拟等科学计算过程中实时地得到正在处理的动态过程的反馈。随着地理科学各分支学科、地理信息科学、地球系统科学的发展,科学计算可视化和虚拟现实技术也在地理科学研究中得到巨大发展[6—9],具体表现在VGE 学科研究进展上。
    建立VGE系统的关键在于其空间数据模型的建立[10—12]。VGE 主要由建立地球表层空间数值模拟的地理环境可视化与虚拟现实模型、空间数据模型和专业模拟数学模型三大子系统组成。其中, 空间数据模型是专业模拟数学模型和可视化模型的基础。在二维地理信息系统时代,基础软件平台研制和应用系统设计开发一直沿用20世纪70年代以来提出的传统空间数据模型与建模方法,在现实世界空间实体和相互间关系及时空变化的描述与表达、计算机环境下的数据组织、空间分析等方面均有较大的局限性。VGE是以真三维空间数据表达为目标,其空间数据组织不仅是点、线、面目标间有限的简单拓扑关系,而是要真实有效地表达现实三维空间实体及其相互间的拓扑关系。因此探索能够有效进行空间关系表达和空间数据动态存取的空间数据模型成为VGE表达的重要研究方向[13,14]。

        2 一维与二维虚拟地理环境

    广义上VGE包括一维、二维、三维及多维虚拟地理环境。一维VGE是指20世纪50年代末地理学研究开始计量运动以来,地理学研究领域引入统计学方法,通过构造一系列统计量来定量描述地理要素的空间分布特征,如较普遍地应用各种概率分布函数、平均值、方差、标准差、变异系数等统计特征参数以及简单的一元线性回归分析方法等。用数学方法对地球表层空间进行量化表达是当时地理学研究的一个新发展,逻辑思维在地理研究中达到一个新高峰,并构建了一个不可视的VGE。60年代末期到70年代末期,电子计算机和相关学科的发展使人类最擅长的形象思维和逻辑思维得到很好的结合,基于统计学应用的地理要素空间分布特征,按照时间序列或空间序列以散点图、折线图等方式进行表达,从而完成一维VGE的构建。
    一维VGE的表达模型与其所反映的地球表层空间相比,存在高度的抽象、离散和简化。通常将时间序列离散化为万年、年、月、日等时间断面粒度;将空间范围规定在一定尺度内,即在某一尺度讨论的事物在另一尺度转变为另一种现象;将地理过程离散为若干个互不连续的地理快照(snapshot),其表达模型离散为二维表格。
    地图是二维VGE的代表,与人类文明一样有着悠远的历史。 地图是地学研究中时空分析与表达的有效手段,是科学深加工后的创新知识载体[15],更是人类空间形象思维的再现,是最早实现“可视化”的VGE。 从长沙马王堆三号汉墓出土的公元前168年以前编制的地图到近几十年方兴未艾的GIS电子地图,地图将三维真实世界抽象到二维平面,在地理要素的空间分布和相互作用及地理过程研究发挥了重要作用。
    二维VGE 的表达模型是以计算机图形化要素与相应的属性数据关联实现对地球表层空间的表达。20世纪60年代,计算机图形学发展之初,地理学者就尝试利用计算机图形完成对土地利用数据的表达,随后GIS 的发展为地图这一古老的研究工具赋予了新的生命力,出现了地图代数(map algebra)与地统计学(geo-statistics),使地学进入了可计算时代。地统计学将一维VGE 表达的地理过程通过确定其空间变异性、空间自相关性及多项空间统计学参数,采用不同的空间数据内插方法将离散点上的数据扩展到二维平面;地图代数则实现了地球表层空间不同图层矢量数据的空间交、并运算和栅格数据的若干图层代数运算,从而实现了在二维平面上将地理要素与现象可视化及不同空间要素的空间运算。

        3 三维虚拟地理环境表达模型

    三维VGE描述的是真三维地球表层空间,比二维GIS复杂得多,这不仅是增加一个第三维坐标的问题,而且涉及计算机图形学的三维图形显示、空间的三维拓扑建立与维护等复杂操作。三维VGE的研究对象可以归纳为点、线、面、体, 其中线不仅包括二维GIS中的平面曲线,还包括三维特有的空间曲线, 而不仅包括二维平面,还有三维中的空间曲面,而体则是三维中特有的研究对象[16,17]。在三维VGE中,体的表达尤其复杂,其中规则体元包括结构实体集合(CSG-tree)、体素(voxel)、八叉树(octree)、针体(needle)和规则块体(regular block)5种模型,规则体元通常用于水体、污染和环境问题建模。非规则体元包括四面体格网(TEN)、金字塔(pyramid)、三棱柱(TP)、地质细胞(geo-cellular)、非规则块体(irregular block)、实体(solid)、3D-Voronoi和广义三棱柱(GTP)8种模型,非规则体元均是有采样约束的、基于地层界面和地质构造的面向实体的三维模型,一般应用于较复杂的地球表层空间三维对象及地理过程计算中涉及的不规则、不均匀的几何实体[18]。
    三维VGE空间模型建模方法研究是目前虚拟现实和VGE领域研究的热点,其主要建模方法有准三维模型和真三维模型;模型构建有面模型(facial model)、体模型(volumetric model)和混合模型(mixed model)。其中,准三维模型是指地球表层空间某点F=f(x,y,z),任一对(x,y)的z有多个值(z[,1],z[,2],…,z[,n]),此类模型属面元模型,其表达对象只具有面属性,而没有体内属性值存在,一般多用于城市三维建模;真三维模型是指地球表层空间某点F=f(x,y,z[,i]),任一对(x,y)的z不但有多个值(z[,1],z[,2],…,z[,n]),而且其表达采用三维矢量体元数据结构,表达对象有体内属性值,一般用于地质矿山等复杂地质体的表达。
    3.1 面表达模型
    VGE处理的对象是地理空间数据,这些空间数据的来源是多种多样的,数据中包含很多地理现象和地理过程的科学规律和现象。这些科学数据都是离散的采样数据,它们有很多属性,主要有空间范围、投影信息、数据来源、维数、定义域的维数、组织形式、时间特性及数据量等。其中数据的时间特性表示数据是否与时间相关,是否表示随时间变化的地理过程;数据的维数表示标量数据、向量数据及高维的张量数据等;数据定义域的维数分为一维、二维、三维数据等,具有时间属性的数据具有第四维特征;数据的组织形式分为有网格数据和无网格散乱数据等。
    VGE中基于面模型的建模方法侧重于三维空间实体的表面表示,如地形表面(DEM)、地质层面、城市构筑物(建筑物)及矿山开采的轮廓与空间框架,面表达模型比较注重三维面纹理的表达。面表达模型所模拟的表面可以是封闭的或非封闭的。基于采样点的TIN模型、Lattice模型和基于数据内插的Grid模型,通常用于非封闭表面模拟;而B—Rep模型和Wire Frame模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。Section模型、Section—TIN混合模型及多层DEM模型通常用于地质层面之间内部构模。通过表面表示形成三维空间目标轮廓,其优点是便于显示和数据更新,缺点是没有区域拓扑描述和所表达面内部属性的记录而难以进行三维空间查询与分析,多用于三维空间演示系统。

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