基于空间关系约束的虚拟高速铁路场景建模研究

在虚拟地理空间中开展复杂科学实验和管理分析,是目前及未来发展的一个重要趋势。本文对高速铁路场景中的线路、地物和地形对象的关系进行了详细分析,提出了基于空间关系描述的虚拟高速铁路场景建模方法。通过XML标记语言对线路、地物和地形的空间关系进行统一描述,引导和规范场景建模过程中的模型点位计算和地形处理过程。详细讨论了虚拟高速铁路的场景建模流程、场景对象空间关系定义、模型点位计算方法以及地形处理方法,并选择案例区域进行试验。试验结果表明该方法能够有效地理清虚拟场景中各种对象间的关系,从而可以快速建设符合现实标准的、具有高度仿真感觉的虚拟高速铁路场景。     

基于全景图像的空地一体虚拟地理环境构建方法

与基于空间几何数据生成的虚拟视景不同,全景图能提供与现实世界一致的全视野体验,提高虚拟地理环境的视觉逼真度。本文设计了空地一体的虚拟地理环境构建方案并提出空中全景获取技术,研究全景图球面建模与全景信息编辑技术,使用LOD技术结合遥感影像和全景图数据构建虚拟地理环境,提出全景图像多尺度显示模型以及同全球虚拟场景融合的漫游与交互方法。通过在教学、科研中应用以及登封地区实验,验证了方法的有效性。     

基于3Ds Max与Sketch Up的联合三维建模方法及其应用

提出了运用三维建模软件3Ds Max和Google Sketch Up对校园内地物进行联合建模的新方法。将该方法应用于虚拟三维校园建设,通过对模型进行三维场景的导入与规划,从而创建一套完整的三维场景;运用C#语言及Arc GIS Engine组件进行二次开发,实现了系统的三维浏览、属性查询、动画制作等基本功能。实验表明:本文提出的联合建模方法融合了3Ds Max软件和Sketch Up软件的优点,避免了多软件建模造成的格式不匹配问题,缩短了建模周期,降低了场景建模的难度。为大范围三维场景的快速构建提供了一种便捷的解决方案。     

虚拟钻孔控制的三维地质体模型构建方法

在三维地质体模型构建过程中所采用的数据多为钻孔数据,而研究区域内原始钻孔数据通常数量有限且分布不均,难以构建出既能够准确地反映研究区域地质构造,又具有良好可视化效果的三维地质体模型。针对此问题,本文对虚拟钻孔概念进行延伸,提出了用于三维地质体建模不同阶段的三种虚拟钻孔概念,并基于此设计了一种虚拟钻孔控制的三维地质体模型构建方法。首先,根据原始钻孔数据空间分布特征,自适应地确定插值点位,并采用克里金插值算法构建插值加密虚拟钻孔;其次,根据尖灭规则构建尖灭处理虚拟钻孔,采用改进的自适应蝴蝶细分算法构建细分光滑虚拟钻孔;最后,利用原始钻孔、插值加密虚拟钻孔、尖灭处理虚拟钻孔,以及细分光滑虚拟钻孔构建研究区域内符合地统计学规律且具有C¹几何连续性,可视化效果良好的三维地质体模型。与将虚拟钻孔作为专家知识补充手段的传统建模方法不同,该建模方法将虚拟钻孔引入三维地质体构建的各个环节中作为核心的算法中间单元,有效简化了建模算法的实现过程,确保了算法的稳定性与高效性。     

基于Bayes网络的多粒度时空对象地理过程演化建模——以新安江模型为例

多粒度时空对象具有多粒度、多类型、多形态、多参照系、多元关联、多维动态、多能自主特点,可用于直接描述从微观到宏观的现实世界。基于时空对象建模理论构建多尺度地理对象耦合演化的集成表达是多粒度时空对象模型支撑地理分析与建模的关键。本文基于多粒度时空对象建模理论,在概率图和条件概率表的基础上发展了一种基于Bayes网络的地理过程演化表达和建模方法。该方法将多粒度时空对象作为Bayes网络节点,根据多粒度时空对象间的关联关系构建Bayes网络,利用Bayes概率表达多粒度时空对象间关联关系的作用强度,并通过更新算子和概率图模型描述要素特征状态的动态变化。基于此方法,选取新安江模型,进行多粒度时空对象地理过程建模和模拟实验。采用呈村1989—1995年水文数据为训练数据,1996年水文数据为模拟数据,通过降水面、蒸发面、产流面和汇流面构造Bayes网络并模拟产流量和汇流量状态;实验结果表明本文方法不仅可以对水文过程进行演化建模,并且可以较好地模拟水文过程中的产流量和汇流量变化,正确率达97.5%和95.9%。     

高逼真度虚拟森林环境的半球成像方法模拟分析

半球成像方法可广泛应用于植被结构参数及冠层光合有效辐射测量等领域。高逼真度虚拟森林环境的半球成像方法模拟及验证可用于定量评估半球成像方法测量精度及地面验证研究。但高逼真度虚拟森林环境下半球成像方法模拟面临场景复杂度高、面片数巨大、模拟效率低等难题。首先,论文以高逼真度虚拟森林环境构建原理建立了不同林分密度、树木分布模式、场景大小及树木种类等特征的虚拟森林环境库;然后,在采用光线跟踪算法开展半球成像方法模拟时,对比分析了4种数据结构分割平面搜索方法,即空间中分法、对象中分法、启发式排序法和启发式BIN分区法,结果表明,启发式排序法性能最佳;最后,以高逼真度虚拟森林环境库,对比分析了传统方法、Kdtree、BVH、Octree 4种数据结构方案组织、管理单树几何模型及虚拟森林场景两级数据集效率,并选择场景节点遍历数、单树几何模型节点遍历数、单树几何模型遍历数、面片遍历数及平均计算时间等参数作为衡量数据结构组织方案性能的定量化指标,研究发现Kdtree数据结构方案较其他3种数据结构方案更为优越,因此,其可作为高逼真度虚拟森林环境库的半球成像方法模拟之首选。     

地形场景的地理空间认知与内容表达

地球表面空间承载着诸多地理实体,随着时空大数据时代的到来,以还原论为基础、以独立分层建模为特征的传统信息描述方式越发难以描述地形及其关联环境要素所具有的海量信息、产生的复杂相互作用和呈现的时空变化规律,相关研究亟需以系统和整体的角度考察研究对象。针对这一问题,本文从场景学的视角对地形本体及关联环境要素的内容和相互作用开展系统的地理空间认知,提出了地形场景的概念,用于整体性地描述地形场景中的实体、联系与时空变化过程;分析了地形场景的要素构成和逻辑结构,使用时间、地点（空间）、事物、事件、现象为核心的更加整体化、语义化和逻辑化的要素对地形场景进行描述;对地形场景对象及其信息的内容构成进行解析和整理,创建了以“要素-对象-信息”为核心的结构描述框架,并对地形场景未来的发展与可能的技术应用进行了展望。地形场景的提出是场景学概念从整体表达朝向整体研究的一次探索,为进一步进行地形问题的场景化求解和表达奠定基础。     

地质断层三维建模的表达式方法

针对地质断层三维建模及可视化领域中现有技术存在的模拟断层局限性、插值困境等问题,本文提出了断层表达式方法建模方法。首先,以地质断层构造的形成机制为理论依据,分析构造断层表达式所需要运算对象和算子,构建表达式规则,并运用上下文无关文法对表达式规则进行形式化描述;然后,对断层原始勘探数据进行规范化,形成构建断层表达式所需要的断层二维数据表,从中提取构建断层表达式的运算对象集合和算子集合,形成断层表达式;最后,对断层表达式进行计算,形成断层地质体抽象模型,并结合相关勘探数据运用相关算法及图形库等工具进行三维地质建模及可视化。实验以包含多条断层的达连河地质体数据为基础进行实验验证,建模结果与真实地质情况符合。实验结果表明,断层表达式建模方法解决了现有技术的局限性问题,避免了对地层断裂区域的插值运算,从而解决了插值困境等问题。     

基于兴趣场模型的符号化三维地图表达方法

针对目前三维地图的重要目标选取与突出表达效果不佳以及若采用符号化实景三维模型表达存在的建模成本高、数据量大等问题,提出符号化三维地图表达的技术方法。该方法利用自发地理信息数据构建空间兴趣场模型,描述用户对地理信息兴趣程度的空间分布,进而对三维地图符号进行分类。以三维地图场景构建为基础,通过视点控制对三维地图进行符号化表达,实现符号化三维地图的细节层次表达。本文结合实例对比分析了符号化三维地图,结果表明该方法提高了三维地理空间模型的认知效果和应用效果。     

基于可视范围的图像检索方法

图像是视觉所及环境的自然再现,具有表达直观、内容丰富的特性,其已成为GIS空间数据采集与应用中一种重要的可视数据源。随着硬件终端的高速发展,集成的传感器愈加丰富,多源传感器信息融合已成为移动GIS数据釆集的发展趋势。针对移动终端获取方位角偏差问题,本文重点阐述了基于移动终端的重力传感器与磁力传感器获取镜头拍摄朝向的算法,并基于EXIF图像格式实现了图像元数据、定位信息、方位信息一体化采集生成可定位图像。针对现有可定位图像以点代面建模方式的不足,本文以镜头视野范围AOV（Angle of View）模型为基础,提出了以图像元数据、位置信息以及方位信息构建图像可视域的方法,并采用多级网格方式对图像可视域面状特征建立空间索引,实现基于可视域的图像检索。在此基础上,针对福建省野外遥感核查采集的8022幅可定位图像,采用点建模及可视域建模2种方式建立检索图像集。从检索速度、检索结果2个方面进行对比分析,表明基于可视域图像检索方法不仅能检索出拍摄位置在检索区域内的图像,还可检索出拍摄位置在检索区域外但实际拍摄场景在检索范围内的图像。同时,通过多级空间网格索引可提升6.22-8.64倍检索速度。     

一个可定位视频对象的地理空间表达框架

可定位视频是包含位置信息的视频,它的地理空间表达是集成视频与GIS的关键问题。针对视频添加位置标签空间语义单一的不足,设计了一个可定位视频的地理空间表达框架。该框架包括视频帧与视频片段2个层次,在扩展OGC空间数据库几何要素标准基础上,分别定义了3类共7种对象描述可定位视频的空间信息。（1）视频位置（点）,描述视频帧及视频片段拍摄位置及相机姿态;（2）视频轨迹（线）,描述视频片段拍摄轨迹;（3）视频平面视域（面）与立体视域（体）,分别描述视频帧及视频片段拍摄场景二维与三维空间范围。该框架包含了主要空间对象类型,空间表达范围较为完备,同时支持视频帧、视频片段等不同层次数据,在不改变现有数据结构基础上,实现视频数据与GIS松散耦合与有机集成。本文讨论了视频对象空间数据获取方法,定义了逻辑模型,并以可视化与检索为例进行应用分析。结果表明,该框架扩展了现有空间数据标准,易于实现,在地理可视化、视频检索及分析挖掘方面具有应用价值。     

多粒度时空对象关联关系基本问题初探

多粒度时空对象关联关系描述现实世界客观实体之间存在的各种关系及其相互影响,是对实体间关联、作用关系的表达,按照其描述主体的不同主要分为时间关联关系、空间关联关系、属性关联关系和综合关联关系。本文从全空间信息系统的背景出发,对多粒度时空对象关联关系的基本概念进行了阐述,明确了其形式化表达方式和分类。在此基础上,对关联关系的构建和管理进行阐述和分析,说明了静态构建方式和动态构建方式的适用场景。关联关系通过约束作用和行为传导机制来维持数据世界的一致性和联动,本文最后对关联关系的约束类型及其定义和关系-行为传导机制进行了简要说明。     

政区多粒度时空对象建模及其Geodatabase实现

全空间信息系统是将现实世界抽象为由多粒度时空对象组成的数据世界,对动态且复杂的现实世界中的各类时空实体对象进行表达、分析等。时空数据模型是时态地理信息系统（TGIS）核心,在一些特定领域上取得了较好的应用效果,对时空对象的时态信息进行了一定程度的表达,但仍旧无法完整地描述时空对象的变化以及联系。本文在分析时空数据模型的研究现状和存在问题的基础上,以全空间多粒度时空对象建模为指导思想,以北京近百年来的政区演变为例,分析了政区的基本特征,进而将政区看作是多粒度时空对象,探索了多粒度时空对象的建模方法,对政区进行了多粒度时空对象表达,并采用可视化表达的方法进行了实验验证。结果表明：多粒度时空对象建模能较好地反映政区的空间特征、属性特征和时间特征,反映其在时空上的演变过程以及便于更好地支持时空对象的查询、分析和可视化表达等。     

交通地理信息系统中的时空动态分段模型研究

动态分段技术是交通地理信息系统(GIS-T)中一项重要的线性要素动态显示与分析技术,该文提出了一种时空动态分段模型,使动态分段系统的组成成分融入时态因素,并将属性的时态信息作为属性信息表的字段存储,通过时态地理信息系统技术完成物理段的时态变化。利用统一建模语言(UML)的类图设计方式开发了物理模型,描述了时空动态分段模型中对象之间的关系,并定义了必要的属性和操作;同时基于线性参照系统(LRS)表达空间实体的方法,概括了模型中所涉及到的主要拓扑关系。实验表明,时空动态分段模型弥补其他模型将时空参考分为时间参考和空间参考所产生的不足,而且更明确地将多重属性和物理实体有机结合起来。     

多粒度时空对象行为特征的描述方法研究

多粒度时空对象的行为特征是描述全空间信息系统中不同对象之间控制与响应的重要方面,是体现时空实体相互作用、动态变化、多能自主的核心,是全空间信息系统作为一个"活"的信息系统的亮点所在。本文面向全空间信息系统,对多粒度时空对象行为的基本概念、触发方式、分类方式、描述框架进行了阐述,在此基础上,提出了多粒度时空对象行为特征的总体形式化描述方法,并分别从行为能力、环境影响因素、行为触发条件、行为作用对象和行为计算模型5个方面对对象的行为特征进行详细描述,为全空间场景中多粒度时空对象的行为建模提供了基本思路。     

基于Web GIS的数字社区空间管理与应用——以北京市回龙观小区为例

随着我国城市化水平的不断提高,在城市中出现了大量的住宅社区,并引入了社区智能管理系统,但在数字社区建设过程中,通过地理信息技术进行社区的空间管理、信息查询和定位分析的研究案例还不多见,本文主要通过地理信息技术和空间数据库技术,利用WebGIS方法,以北京市回龙观居住小区为研究实例,将空间信息融入社区管理系统中,实现对社区空间信息的有效管理,并探讨其在技术上的可行性及实现的途径和主要方法。     

Assessing the influence of highway and high-speed railway construction on local climate using Landsat images in karst areas

Large-scale transportation infrastructure construction in ecologically vulnerable areas such as the karst region of Southwest China requires estimation method for better project design. This research was carried out on a four-lane highway(the Guilin-Guiyang highway, G76) and a two-lane highspeed railway(the Guilin-Guiyang high-speed railway,GGHSR) in karst areas in Guizhou and Guangxi provinces. The highway and high-speed railway were constructed in the 2010 s and covered by Landsat images whose multispectral information could be used for research purposes. In this study, the severity of the impact and the CO_2 emissions from the G76 and GGHSR construction were evaluated. Landsat images and field meteorological measurements were applied to calculate the surface functional parameters(surface temperature and surface wetness) and heat fluxes(latent, sensible and ground heat flux) before and during the highway and high-speed railway construction; the amount of CO_2 emissions during the G76 and GGHSR construction were determined by using budget sheets, which record the detail consumptions of materials and energy. The results showed that the decrease of water evaporation from the highway and high-speed railway construction can reach up to 26.4 m~3 and 20.1 m~3 per kilometer, which corresponds to an average decrease in the vegetation cooling effect of 18.0 MWh per day per highway kilometer and 13.7 MWh per day per high-speed railway kilometer, respectively. At the meantime, the average CO_2 emission densities from the G76 and GGHSR construction can reach up to 24813.7 and 36921.1 t/km, respectively. This study implied that extensive line constructions have a significant impact on the local climate and the energy balance, and it is evident that selecting and planting appropriate plant species can compensate for the adverse effects of line constructions in karst mountain regions.     

多粒度时空对象可视分析体系初探

可视分析是用户进行数据认知、知识探索的重要工具和方法。全空间信息系统中以多粒度时空对象来进行现实世界实体的抽象和建模,并将其作为特征分析与计算的核心。本文从全空间信息系统的背景出发,对多粒度时空对象可视分析的概念进行阐述,并分析其流程与特点,在充分考虑全空间信息系统应用场景的基础上,提出了"场景—任务—实施方法"的方法体系,并对各实施方法的技术进行了讨论。最后以大数据交通为例,对多粒度时空对象可视分析在交通领域中的应用作了展望。