虚拟地理环境知识工程初探

地理知识在虚拟地理环境（Virtual Geographic Environments,VGE）的科研与应用中发挥着极为重要的作用。现有地理知识工程研究整体处于初步探索阶段,且尚未在虚拟地理环境中展开。作为新一代GIS研究的科学方法和技术,虚拟地理环境具有典型的多领域、多协同、多交互、多模型及多感知的特点,但还亟需系统深入地了解VGE地理知识工程的特点、机理及关键技术。本文首先综述了国内外现有知识工程及地理知识工程研究现状,进而提出了VGE地理知识及VGE知识工程的概念和定义。在此基础上,本文分析了VGE地理知识有别于通用知识的特点,并提出了VGE地理知识的分类。最后,针对VGE地理知识工程的构建阐述了需解决的关键问题。本文基于VGE知识工程的初步探索,尝试为智能虚拟地理环境系统的构建提供理论基础,以促进虚拟地理环境中地理知识的快速转换和融合,为解决地理科学“数据丰富但知识贫乏”的问题提供一个可行的研究方向。     

面向虚拟地理环境的空间信息共享研究

虚拟地理环境作为一种基于地理研究并提供地学分析的三维可视化的地理空间信息平台,需要解决物理存储分散、数据格式多样的空间信息资源的共享问题。本文研究了虚拟地理环境下的空间信息及其元数据的组织管理方式,定义面向对象思想定义简单的空间信息对象实体,通过对其进行迭代和组合来表达复杂空间信息对象,设计出具有元数据信息的空间信息对象XML描述方案。研究了如何构建集中式的空间信息对象管理与分布式的空间信息服务相结合的空间信息共享体系架构,通过提供对空间信息对象的浏览、分析、操作的Web服务,使得虚拟地理环境在网络中进行资源交换、信息共享、协同工作以及提供决策能得以实现。     

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。     

从地理信息系统到虚拟地理环境的认知转变

自20世纪60年代初以来,地理信息系统引领了地理信息的分析与服务。然而,由于地理学家对于地理过程开展多维模拟的需求,同时许多大型工程需要对于不同方案的后果事先开展模拟评估,为此中国学者们在世纪相交之际开始了对于虚拟地理环境的探索。本文从地理信息系统到虚拟地理环境的认识上的转变着手,分析了虚拟地理环境的演进过程、当前的阶段定位与挑战,着重探讨了虚拟地理环境研究的新态势：基于虚拟地理环境的地理空间认知研究、虚拟地理环境与实验地理学新方向、大数据背景下的虚拟地理认知实验方法和虚拟地理环境与地理知识工程,并给出最新研究思路。     

山地城镇虚拟地理环境构建及规划设计实践

我国山地城镇约占全国城镇的一半,在当前平原向山区发展的进程中,山地城镇可持续发展需要虚拟地理环境等新理念和集成技术的支撑。面向山地城镇规划设计的特点和需求,基于虚拟地理环境相关理论和技术方法,本文提出了规划设计、测绘地理信息、岩土工程、生态保护等多学科交叉;规划设计师、GIS分析师、政府部门、项目业主、公众等多角色参与;地理表达、地理分析、地理设计、地理模拟、地理评估多环节结合;紧密结合规划设计过程和虚拟地理环境模拟评估的山地城镇规划设计技术框架。结合重庆悦来会展城规划设计实践对框架的特点优势开展进一步探讨,为山地城镇规划设计工作提供了参考。     

面向虚拟地理环境的多源异构数据集成方法

当前,虚拟地理环境(VGEs)的发展已经走向以数据库和模型库为双核心的知识共享平台阶段。地理数据及模型共享研究是虚拟地理环境发展过程中,不可逾越的难点问题;由于对地学分析及地理建模的研究还处于探索阶段,故适合于VGE下模型集成共享的多源异构数据集成研究还鲜有涉及。本文针对地理数据异构的特殊性,分析了虚拟地理环境中多源数据的异构特性,主要体现在数据含义、模式、数据模型、词法及语义等五个方面。另外,提出了面向虚拟地理环境的数据表达模型(DRM),该模型提供了一种公共的数据组织方法,使用户可以无歧义地定义地理数据,解译其他各种数据,并研究了多源异构数据的集成方法;同时,提出了多源异构数据集成的流程及体系框架,主要包括地理数据解析、地理模型与数据的交互、模型解析、运行及结果输出等;并重点分析了多源异构数据,及其到模型集成的转化过程。最后,开发了原型系统和多源异构数据的集成验证。实验结果表明,该方法能够较好地集成多源异构数据。     

基于案例推理和知识图谱的WRF气象模拟知识推荐研究

地理模拟作为地理环境模拟与认知的重要方法,是挖掘地理知识、揭示地理规律的重要手段。气象模拟,作为重要组成部分参与到地理环境模拟的诸多方面,影响到地理环境的系统模拟和复杂问题求解。而气象模型专业性强、模拟知识复杂,涉及到输入数据、模拟方案设置等诸多方面,所以如何高效管理及共享气象模拟知识成为亟需解决的问题。本文应用案例推理和知识图谱,统一异构的气象模拟知识,研究顾及语义和图结构相似度的气象模拟知识推荐方法,以提高气象模拟知识的共享能力。(1)本文基于中文气象模拟文献资料抽取了气象模拟知识,以模拟案例为载体,在知识图谱中构建气象模拟知识库;(2)构建气象模拟案例相似度评估模型,实现顾及语义和图结构相似度的气象模拟知识推荐,该模型一方面利用经过气象模拟语料库训练的Bert(Bidirectional Encoder Representations from Transformers)语义模型挖掘气象模拟知识案例的语义特征,另一方面提取存储在图谱中模拟案例的结构特征,并通过AHP(Analytic Hierarchy Process)层次分析法进行权重设置,从而准确的衡量气象模拟案例的相似度。...     

地学知识图谱的定义、内涵和表达方式的探讨

在地学图谱和地学信息图谱的基础上,本文提出了地学知识图谱的概念,并介绍了地学知识图谱的基本框架、特征和理论意义。地学知识图谱将地学知识以虚拟空间坐标的形式反映在地图上,用以展示地理对象特征空间分布,揭示出一些隐含的规律。它是对地理知识形式化的图形表达,具有语法和语义特征,因此,有可计算性。它的基本组成要素和结构由所表达的内容决定。地学知识图谱,不仅是一种知识表达和数据挖掘的手段,也是空间认知的一种方式和结果。     

面向大规模空间Agent建模的分布式地理模拟框架

基于Agent建模的地理模拟是认识和理解动态地理现象的有效方法,但随着地理模拟的规模和复杂性不断增加,模型的计算问题开始凸显。分布式并行仿真是解决大规模Agent复杂模拟计算的途径,然而已有研究基于Agent建模/仿真软件构建并行仿真系统的方式并不适用于具有高移动与行为交互的空间Agent建模及其模拟过程的实时可视化。为解决这个问题, 本文提出了一个分布式地理模拟框架DGSimF,用于大规模动态空间Agent模拟,支持模拟过程的实时表示与分析。设计了一个简单但高效的时空数据模型建模空间Agent,支持直接基于Agent行为建模集成地学模型,采用了时间微分方法协同各计算节点行为的执行,实现以“任务并行”的方式进行分布式计算以提高仿真性能,构建了基于三维地球渲染引擎的虚拟地理环境,提供模拟过程的实时可视化。最后,以“红蓝对抗”案例进行了实验验证,对不同模拟计算量和不同客户端数量下的仿真性能进行了分析,结果表明DGSimF可以为具有时空特征变化与行为交互的大规模空间Agent模拟提供一个有效的平台。通过扩展计算节点,DGSimF可以有效地缓解复杂模拟计算的压力问题,并且仿真性能较高,在实验中并行效率保持在0.7以上。     

基于钻孔数据的水文地质层的三维地学模拟研究——以常州-武进地区为例

分析了三维地学模拟的研究现状,提出利用体视化技术进行水文地质层的三维地学模拟,并以常州—武进地区为研究实例,对水文地质层的三维建模、体数据生成及体视化进行了详细阐述。最后对体视化技术在地下水研究中的重要价值作了总结与展望。     

虚拟地理环境中基于多模式的多人动作捕捉方法

虚拟地理环境对人类理解、探索地理现象以及发现地理现象之间的联系起到很重要的作用。在基于VR技术的虚拟地理环境中更高效,更自然的交互对虚拟地理环境系统的可用性以及理解、探索地理现象的效率至关重要。当前,人机交互中更自然便捷的交互依赖于动作捕捉技术,而现有的基于单种捕捉模式的动作捕捉方式,易受到遮挡、定位漂移等的影响,捕捉精度受到限制,并只能捕捉单个人的动作,不能满足虚拟地理环境对动作捕捉技术提出的特殊需求。针对单种模式的动作捕捉设备应用于虚拟地理环境受到的限制,本文分析了虚拟地理环境系统中的交互需求以及其对动作捕捉技术提出的特殊需求,创新性的提出了一种基于多种动作捕捉模式以捕捉多人动作的方法。本文方法集中于如何融合基于多种模式的多台设备的动作数据,描述了多人动作捕捉框架及其涉及到的技术,在动作捕捉效果上具有明显提升,能够捕捉多人动作,并开发了原型系统对此方法进行了验证。     

虚拟地理环境中沉浸式多人协同交互技术研究及实现

在VGE的发展过程中,自然高效的人机交互一直是其研究的核心内容之一,但在当前众多VGE应用案例中,用户仍然是基于传统的人机交互界面与VGE进行交流,这导致了：① 用户的沉浸感不高;② 多人在VGE中协同交互的需求无法得到有效满足。因此,为了实现VGE中的沉浸式多人协同交互,本文首先综述了VGE中人机交互技术研究和应用现状,并简要阐述了动作捕捉技术发展历程、基本原理及其在提高VGE用户交互沉浸感上的优势。在此基础上,对VGE中沉浸式多人协同交互系统进行了重点设计,主要包括分析了基于动作捕捉技术的沉浸式多人协同交互模式及其对应的交互动作语义,提出了多人协同冲突控制机制,以及着重介绍了VGE中沉浸式多人协同交互系统的结构和功能。最后,以北京大学为例开发了虚拟燕园辅助规划设计原型系统,并进行了实验。研究结果表明,沉浸式多人协同交互技术的交互效果受到用户认可,它在提高化身之间及化身与VGE之间的协同交互方面具有明显的优势,可应用于地学教育、城市规划、应急救援和军事指挥等领域,具有良好的应用前景。     

面向室内应急疏散标识的VR眼动感知实验与布局评估

在室内应急疏散的背景下,理解人们如何感知应急疏散标识以及他们的感知如何影响疏散行为十分重要。虚拟地理环境基于虚拟现实（VR）技术构建的沉浸式多维信息空间,是一个符合人类感知认知规律的三维、动态、可交互空间。而基于虚拟地理环境的虚拟地理感知/认知实验,则可以提供一个可定量观测的可控虚拟实验环境,通过设计多种实验方案,定量地获取与空间感知、认知行为相关的客观实验数据。本文将沉浸式虚拟环境与眼动追踪技术相结合,设计了VR眼动感知实验,以室内通道为例,采用定量观测、数据统计、可视化分析等方法,对不同虚拟火灾逃生场景下的疏散时间、眼动注视点、个体移动轨迹数据进行了处理与分析,最后对室内应急疏散标识布局进行评估并提出合理建议。实验结果表明：① 女性参与者比男性更容易被逃生起始位置干扰,拥有较差的虚拟空间感;② 3种场景类型（无标识无烟雾、有标识无烟雾、有标识有烟雾）在疏散时间之间存在明显差异,应急标识、烟雾与逃生起始位置对疏散时间有显著性影响;③ 通道墙贴标识的感知率最高为0.929,在火灾逃生中最容易被识别;④ 安全出口标识感知率最低为0.333,眼动注视点大多在安全门而非安全出口标识上,因此需要提升安全出口标识的视觉吸引力;⑤ 室内通道微观环境的不同（例如通道长度）对应急标识注视时长的变化有较大影响;⑥ 安全出口附近的标识布局、设计有待改进。虚拟眼动感知实验为评估室内应急疏散标识的合理性和布局优化提供了一个有效的科学途径。     

Design and implementation of a 3D ocean virtual reality and visualization engine

In this study,a 3D virtual reality and visualization engine for rendering the ocean,named VV-Ocean,is designed for marine applications.The design goals of VV-Ocean aim at high fidelity simulation of ocean environment,visualization of massive and multidimensional marine data,and imitation of marine lives.VV-Ocean is composed of five modules,i.e.memory management module,resources management module,scene management module,rendering process management module and interaction management module.There are three core functions in VV-Ocean:reconstructing vivid virtual ocean scenes,visualizing real data dynamically in real time,imitating and simulating marine lives intuitively.Based on VV-Ocean,we establish a sea-land integration platform which can reproduce drifting and diffusion processes of oil spilling from sea bottom to surface.Environment factors such as ocean current and wind field have been considered in this simulation.On this platform oil spilling process can be abstracted as movements of abundant oil particles.The result shows that oil particles blend with water well and the platform meets the requirement for real-time and interactive rendering.VV-Ocean can be widely used in ocean applications such as demonstrating marine operations,facilitating maritime communications,developing ocean games,reducing marine hazards,forecasting the weather over oceans,serving marine tourism,and so on.Finally,further technological improvements of VV-Ocean are discussed.     

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。     

基于城市园林树木景观三维模拟的绿视率估算方法

城市生态景观功能主要是绿色植物对人的视觉作用。绿视率被认为是一种比较好的衡量绿色空间视觉感受的描述因子。目前绿视率的估算主要基于静态的图像或者街景数据,而绿视率是一种动态的量,不同视点有不同的值,且植物是生长变化的。因此,本文提出一种基于数据和模型综合驱动的园林树木三维模拟景观的绿视率计算方法,其利用虚拟地理环境、虚拟植物等技术,通过道路、建筑物等硬质景观数据和树木模型驱动,建立城市园林树木三维景观;根据视觉成像原理,构建虚拟相机,模拟不同视点园林景观的视觉图像,然后识别表征植被信息的像素,从而计算绿视率。本文研发了园林树木景观三维模拟及绿视率估算原型系统,并以城市道路树木景观为例,模拟分析了机动车道中车辆乘客可获得的绿视率,与街景图像提取的绿视率值相近。该方法和系统可用于包含时间变量的不同生长阶段园林树木景观的绿视率评估,支持交互设置不同的视点参数,估算城市任意位置和任意方向的绿视率,评价过去、现在和未来的园林景观绿化质量,以人的视觉感知角度为城市绿地规划提供参考。     

虚拟GIS及其虚拟可视化技术研究

虚拟GIS作为虚拟城市建设的关键技术之一,已经成为当前GIS研究领域的研究热点。本文以东华理工学院为研究区域,探讨虚拟现实技术与GIS技术相结合的VR-GIS技术,建立了校园虚拟仿真环境,实现研究区的3维动态可视化显示,为校园漫游和校区规划提供全新的技术支持,进而对城市环境规划、交通旅游等方面的发展有一定的借鉴意义。     

长期演进项目中基于移动白组织网络的虚拟多输入多输出用户配对算法研究

在长期演进项目的虚拟多输入多输出系统中,为了保证用户公平性的同时得到更大系统容量,在分析移动自组织网络和虚拟多输入多输出系统模型的基础上,提出了一种长期演进项目中基于移动自组织网络的虚拟多输入多输出配对算法。仿真结果表明,该算法得到的系统吞吐量是单输入多输出系统的3倍多,是随机配对策略的2．5倍,相比正交配对策略也平均提高了20％。同时在用户的公平性方面,还保证了低吞吐量用户的公平性。