3．地理空间可视化

    对于空间数据的图形显示和表达是地理信息系统的重要功能之一。但是，在地理信息系统发展的初期阶段，由于受计算机硬件技术和计算机图形学技术的限制，地理信息系统的大量的工作是对于颜色的配置、多边形填充等图形显示算法的研究。随着计算机硬件技术、三维真实感图形学、科学计算可视化等计算机技术的发展，空间数据的图形表达也从二维静态的图形显示发展到动态的交互的三维可视化及虚拟现实技术。

    地理空间可视化是把获取的各种地理空间数据，经空间可视化模型的计算分析，转换成可被人的视觉感知的计算机二维或三维图形图像，并可对生成的影像进行二维或三维的空间查询或地学模型的计算分析。地理空间可视化包括地理空间二维可视化和地理空间三维可视化。

    地理空间二维可视化，是把二维的地理空间数据转换成二维计算机屏幕上的图形图像，由于在相同的空间维数（二维空间）上映射，所以只需把地理大地坐标系与屏坐标系相对应即可。

    地理空间三维可视化，是把三维的地理空间数据转换成二维计算屏幕上的图形图像，是属于从三维空间到二维空间的映射，需要一系列的计算机图形学处理技术。

    在平面图中，对于连续变化的场因子图通常用等值线来描述，如地形高程等。尽管等值线的描述方式在地面可视化应用中十分有效，但是，具有精心设计的彩色颜色查找表，并根据颜色的渐变来表达连续变化的场因子的彩色编码数字化影像，将更有利于对现实世界的可视化表达。而在彩色影像上再叠加等值线，则可以表达更加丰富的空间信息。

    我们可以利用山体阴影技术来增强平面图中的地表影像的表达效果。一般来说，阴影的形成都与光源相关，光线不能照到的区域即形成阴影。阴影技术在传统的制图学中，特别是在制作地形图时得到了应用。同样，阴影技术也可用于任意具有（x，y，z）三维形式的数据描述，式子中（x，y）用于描述地理坐标，z值是一场值，如磁场密度等。阴影自动生成的计算方法并不特别复杂，在许多地理信息系统软件中都可以见到。

    立体透视显示是形状和表面纹理表达的一种有效方法，在立体透视图中，物体的大小与其和观察者之间的距离成反比。图形显示系统通常应用表面的“Wire-frame”模型来构造立体透视图。Wire-frame是一系列与原始格网的行、列平行的，通过立体透视转换而被显示的轮廓线。这些平行线在人类视觉感知的距离范围内随着距离加大而逐渐汇聚。三角剖分（如Delaunay triangulation）所形成的三角形格网也可作为Wire-frame的一种。其它一些手段也可用来增强地面表达的真实感程度，如：消隐技术、剔除边缘、地表颜色赋值、反射特性、纹理、仿真光照源等。有效的图形叠加操作也可通过把一个表面放置在另一表面的Wire-frame上来完成。Wire-frame模型可以被旋转，并从不同位置对其进行观察。大型Wire-frame显示的交互计算过程十分耗时，主要时间集中在消隐计算上。

    在透视投影中，为了使计算机生成的立体图能逼真地反映现实世界中的物体，必须消除由于光路的阻挡而不可见的物体的隐藏边和面。消除隐藏边、面的算法很多，例如：Z缓冲器算法，跨距扫描线算法，区域子分算法等。

     Z缓冲器算法，即深度缓存（Depth Buffer），它保存每个像素的深度值。深度通常用视点到物体的距离来度量，这样带有较大深度值的像素就会被带有较小深度值的像素替代，即远处的物体被近处的物体遮挡住了。

    下面简单介绍地理空间三维可视化的仿真光照模型方法。

    三维空间的物体具有二个特性：一是几何特性，即它在空间的位置；另外一个就是它的光亮度和颜色。三维立体显示只有考虑这两点特性，才能产生真实感的图形。

假设物体不透明，物体表面呈现的颜色仅由其反射光决定。通常把反射光考虑成环境反射、漫反射和镜面反射三个分量的组合。环境反射分量假定入射光均匀地从周围环境入射至景物表面并等量地向各个方向反射出去，而漫反射分量和镜面反射分量则表示特定光源照射在景物表面上产生的反射光。

物体表面反射的光亮度=环境反射分量+漫反射分量+镜面反射光分量。再考虑距离的影响，则物体表面反射的光亮度I可表示为：

其中：Ipa均匀入射的漫反射光亮度（背景亮度）；Ipd为光源垂直入射时入射光的光亮度；θ：光源入射角；φ：光通量，一般认为常数；

程度；ρ：反射率。