楊永崇，李 梁

(西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

智慧城市地理空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)探討

楊永崇，李 梁

(西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

從智慧城市、大數(shù)據(jù)時代的要求與地圖的獨特分析功能出發(fā)，探討了大數(shù)據(jù)時代對地理空間信息及其可視化的要求和技術(shù)。對智慧城市建設(shè)時期的地理空間數(shù)據(jù)而言，不僅要求內(nèi)容更全面更詳細(xì)、表達更直觀更仿真、建模結(jié)構(gòu)化或?qū)嶓w化，而且要求向室內(nèi)空間與室外空間融合、地上空間與地下空間融合、過去數(shù)據(jù)與現(xiàn)在數(shù)據(jù)融合、現(xiàn)在數(shù)據(jù)與未來數(shù)據(jù)融合的方向發(fā)展。

智慧城市；大數(shù)據(jù)；地圖；地理空間數(shù)據(jù)；可視化

大數(shù)據(jù)是智慧城市的核心要件，智慧城市正是從大數(shù)據(jù)中獲取信息和知識才變得智慧起來。圖表是有效組織數(shù)據(jù)、協(xié)助研究人員對數(shù)據(jù)進行探索的重要手段[1-3]。在科學(xué)研究史上，門捷列夫發(fā)明的元素周期表改變了化學(xué)家的思維方式，推動了新元素的發(fā)現(xiàn)。天文學(xué)家發(fā)明的對星體分類的“光譜——亮度圖”促成了中子星的發(fā)現(xiàn)。因此，除數(shù)據(jù)挖掘之外，模擬仿真、數(shù)學(xué)優(yōu)化等工作同樣是加工數(shù)據(jù)、產(chǎn)生洞察的重要技術(shù)手段[4]。

地圖是對刻畫與描述地球表面的各種現(xiàn)象的數(shù)據(jù)的可視化表達，它可以幫助人們感知地理世界(描述世界、認(rèn)識世界)、記錄地理世界(詳細(xì)記錄、長久保存)和認(rèn)知地理世界(空間思維、空間分析)。因此，地圖是一種空間分析的模型，是一種基于空間聯(lián)系的空間思維體系[5]。例如，約翰·斯諾通過地圖發(fā)現(xiàn)倫敦霍亂原因，德國氣象學(xué)家魏格納從世界地圖發(fā)現(xiàn)大陸漂移學(xué)說等。應(yīng)用地圖可視分析發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)背后的特征規(guī)律體現(xiàn)了形象思維的重要。地圖被認(rèn)為是改變世界的十大地理思想方法之一。

地圖作為地理學(xué)家的第二語言，在研究地學(xué)特征規(guī)律、揭示地理過程機理、挖掘空間分布模式方面承擔(dān)兩大功能：一是作為分析表達工具探求地理學(xué)中的科學(xué)問題；二是作為載體傳播工具交流傳輸?shù)貙W(xué)研究成果。大數(shù)據(jù)時代，地圖的獨特功能將為大數(shù)據(jù)的分析提供一個全新的空間分析視覺[6]；同時，也對地理空間數(shù)據(jù)的可視化提出了更高的要求。

在需求和技術(shù)的雙輪驅(qū)動下，智慧城市建設(shè)正在加速走向新常態(tài)，精準(zhǔn)規(guī)劃、精確實施、精密診斷、精細(xì)管理和精明決策已成大勢所趨[7-8]。對城市大數(shù)據(jù)則提出了更“大”(表示全面而詳細(xì))的要求，對城市地理信息而言則意味著不僅要求內(nèi)容更全面更詳細(xì)、表達更直觀更仿真、建模結(jié)構(gòu)化或?qū)嶓w化，而且要求室內(nèi)空間與室外空間融合、地上空間與地下空間融合、過去數(shù)據(jù)與現(xiàn)在數(shù)據(jù)融合、現(xiàn)在數(shù)據(jù)與未來數(shù)據(jù)融合。因此有必要探討智慧城市地理空間數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)。

1 地理信息可視化技術(shù)

1.1 內(nèi)容更全面更詳細(xì)

人們對地理信息的需求已從原來概括性較強的地圖向越來越詳細(xì)(全面、細(xì)致、精確、直觀且美觀，抽象和綜合程度低)的方向發(fā)展，即地圖的比例尺越來越大，地理實體的屬性信息越來越詳細(xì)[9]。

傳統(tǒng)地圖通常都是概括和抽象地表達地理信息的，在地物方面主要是表達較大和較重要的地物。隨著電子地圖的普及和人類對地理信息需求的增長，由于電子地圖不受比例尺和圖面空間的限制，人們對地圖上地物內(nèi)容的要求越來越詳細(xì)了，如在數(shù)字化城市管理中，它要求把地面上所有的城市部件無論大小都要反映到地圖上；另外對地理實體的屬性信息的要求也越來越多了，不僅要求區(qū)分部件的基本屬性，還要求將城市部件的權(quán)屬、材質(zhì)等其他各種屬性信息都要表達出來。這是精致化規(guī)劃管理、精細(xì)化服務(wù)管理和精準(zhǔn)化調(diào)控治理的需要，總之，地理空間大數(shù)據(jù)必然是全面和細(xì)致的[10](如圖1所示)。

圖1 越來越詳細(xì)的地圖

1.2 表達更直觀更仿真

傳統(tǒng)的線劃地圖是模擬的二維地理空間模型，由于用符號表達較為抽象，使得地理信息的應(yīng)用受到限制。隨著三維建模技術(shù)的不斷進步，實景三維技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)運而生，三維地理空間模型已越來越普及，大大擴展了地理信息的應(yīng)用范圍。人們對地理模型的需求已逐步從二維模型轉(zhuǎn)向三維模型，傳統(tǒng)的三維建模將會被全要素三維建模取代(如圖2所示)。而全要素的城市三維，將會是智慧城市的一個數(shù)據(jù)空間基礎(chǔ)。所謂全要素城市三維，就是要把地表的所有東西進行分類、分層。

1.3 建模結(jié)構(gòu)化或?qū)嶓w化

現(xiàn)在很多的地理空間數(shù)據(jù)都是無結(jié)構(gòu)的，只有DLG是有結(jié)構(gòu)的。沒有結(jié)構(gòu)就不能進行檢索和產(chǎn)生知識，如衛(wèi)星片、航拍片、全景照片、記載點云、車載點云，甚至街景工廠所生產(chǎn)的三維模型也是沒有結(jié)構(gòu)的。這種無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)被老百姓稱之為一張皮，里面沒有任何結(jié)構(gòu)，很難進行檢索，很難產(chǎn)生知識。如圖2所示。

圖2 城市三維模型

結(jié)構(gòu)化就是要把點云或像元抽象出來，抽象為所謂的點線面，同時要分層分類，便于結(jié)構(gòu)化分析管理。另外要對象化、實體化，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要對后端開放。從傳統(tǒng)的三維模型來看，它是必須要結(jié)構(gòu)化的[11]。首先就是要分層分類，然后要管理到實體，最后每個實體都要有自己的結(jié)構(gòu)線，就是所謂的三維矢量。圖3就是在三維場景中查詢?nèi)我庖粋€實體屬性信息。

圖3 三維場景下查詢房產(chǎn)信息

1.4 室內(nèi)空間與室外空間融合

人們對地理信息的需求已從原來的室外地理信息向室內(nèi)外結(jié)合的地理信息方向發(fā)展，GIS技術(shù)正在與BIM技術(shù)融合。室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展需要室內(nèi)外的地理空間模型，因此需要建立室內(nèi)空間模型技術(shù)體系及室內(nèi)外空間模型融合的技術(shù)體系(如圖4所示)。

圖4 室內(nèi)外結(jié)合的三維場景

1.5 地上空間與地下空間融合

隨著城市地面空間越來越狹小，城市地下空間利用越來越受到關(guān)注，正被納入城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的范疇[12]。地下空間信息可視化不僅要將地下建筑物內(nèi)的空間信息可視化，而且還要將地下建筑物的位置、形狀及與其他地物的關(guān)系信息可視化。因此人們對地理信息的需求已從原來的地上地理信息向地上空間與地下空間融合的地理信息方向發(fā)展。圖5就是地上和地下結(jié)合的空間模型。

圖5 地下通道結(jié)合地上環(huán)境的三維場景

1.6 現(xiàn)在數(shù)據(jù)與過去數(shù)據(jù)的融合

隨著地理信息源越來越豐富，人們對地理信息的需求已從原來的管理查詢向挖掘分析的應(yīng)用方向發(fā)展。隨著各種遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，地理信息源越來越多，各行各業(yè)建立的行業(yè)或部門GIS也已完成，人們對地理信息服務(wù)的需求已從原來的管理查詢逐漸演變成分析和知識的挖掘，以輔助規(guī)劃和決策。傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫都是按照不同時代建立不同版本的空間數(shù)據(jù)庫，很難清晰反映一個地理空間隨時間變化的過程，也就很難分析出空間數(shù)據(jù)隨時間變化的規(guī)律[13]。這就需要建立具有時間比例尺的時態(tài)空間數(shù)據(jù)庫，可以看到一個地理空間內(nèi)，每個地理實體產(chǎn)生、發(fā)展和消失的過程，從而可以清晰地分析這個地理空間隨時間變化的過程(如圖6所示)。

圖6 具有時間比例尺的時態(tài)地圖

1.7 現(xiàn)在數(shù)據(jù)和未來數(shù)據(jù)的融合

數(shù)據(jù)可視化不僅用于探索性數(shù)據(jù)分析，也是傳遞分析結(jié)論的重要手段。將規(guī)劃和設(shè)計效果可視化，即建立虛擬規(guī)劃和設(shè)計的三維地理空間模型，是討論規(guī)劃和設(shè)計效果的基礎(chǔ)條件。在表達精細(xì)的地理空間規(guī)劃和建設(shè)設(shè)計思想時，傳統(tǒng)的二維地理空間模型不能形象地表達規(guī)劃和設(shè)計對象的空間立體形態(tài)，人們曾嘗試用效果圖即2.5維地理空間模型來表達，但因為無法對三維場景進行360°旋轉(zhuǎn)查看，依然不能全面表達，所以建立三維虛擬規(guī)劃模型是必然的趨勢。另外，將規(guī)劃結(jié)果與真實的城市結(jié)合進行仿真，使優(yōu)化后的方案更能契合城市運行現(xiàn)狀(如圖7所示)。

圖7 規(guī)劃仿真乃至規(guī)劃與現(xiàn)實融合

2 結(jié)論與展望

地理信息可視化是一種認(rèn)知模式，它可以幫助人們認(rèn)知地理世界(用戶對現(xiàn)實世界的認(rèn)知模型(知識))，從而認(rèn)識地理信息的本質(zhì)特征和運動規(guī)律。智慧城市地理空間數(shù)據(jù)在城市大數(shù)據(jù)中具有重要的空間框架和空間參考的作用，對于從城市大數(shù)據(jù)中產(chǎn)生洞察具有重要的影響。

社會在跨越發(fā)展，信息化對地圖提出了新的要求。雖然近二三十年來地理信息行業(yè)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展?？墒?，依然不能完全滿足社會的要求。隨著大數(shù)據(jù)應(yīng)用的不斷深入，對地理空間數(shù)據(jù)及其可視化的要求必將更加多樣和復(fù)雜，這也正是地理信息科學(xué)的使命所在。

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Discussion on the Geo-spatial Data Visualization Technology of Smart City

YANG Yongchong,LI Liang

(College of Geomatics, Xi’an University of Science and Technoligy, Xi’an 710054, China)

Based on the needs for the smart city and big data era as well as the unique analysis function of maps, the requirements and technical essentials of geospatial information and visualization for the big data era are discussed in detailed. In the period of the smart city construction, it is necessary for the spatial data not only to posses more comprehensive and detailed content, more direct expression and modeling and materialization, but also capable to develop towards the direction of data fusion, which includes the fusion between indoor spatial data and that of outdoor, the intergration between data underground and that of above the surface, the combination between previous data and that of the current as well as future.

smart city; big data; map; geo-spatial data; visualization

楊永崇，李梁.智慧城市地理空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)探討[J].測繪通報，2017(8)：110-112.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0265.

2017-01-17

國家自然科學(xué)基金(51409204)

楊永崇(1966—)，男，博士，教授，主要從事地理空間信息可視化技術(shù)與方法的教學(xué)、科研及應(yīng)用方面的工作。E-mail：yang-yongch@163.com

李 梁。E-mail：1013104542@qq.com

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A

0494-0911(2017)08-0110-03