摘要

　　地学现象与地学本质规律密不可分，可视化可表现地理现实世界的现象。地学专家关于具有空间分异特点的地学现象的图形图像思维方式，是地学研究与实践的重要特征。本文试着探求关于地学可视化的研究发展脉络，并且初步建立了理论、技术及其应用框架。本文在以下方面作了研究：

　　初步建立了关于地学可视化研究的总体框架。地学可视化包括地图可视化、地理信息系统（GIS）的可视化及其专业应用领域可视化。地图可视化与GIS可视化是地学可视化理论和技术的二个基础部分。地学多维图解是GIS可视化的高一级发展阶段。地图可视化中的信息交流传输模型和地理空间认知决策分析模型的研究，将从理论上促进地学多维图解模型的进一步发展。基于虚拟现实技术的虚拟地理环境是地学可视化理论技术发展的最终目标。

　　提出面向对象的可视数据模型，并对可视数据模型的地理对象属性进行了分类。根据地理现实世界的现象与本质密不可分、相辅相成的关系特点，可视数据模型更加强调了地学的图形图像表现，即每一个地理对象具有丰富可调的视觉参数。地理对象属性包括元数据、对象内部属性和对象外部属性。对象内部属性又包括本质属性和感觉属性。本质属性包括地学知识、地学时空分析模型、地理空间关系、地理时间、地理属性。感觉属性包括视觉、听觉、力觉、触觉、嗅觉等属性。提出了基于对象和基于场的地学构模方式，而地理信息的“位体”模式是试求建立基于对象和基于场模式的中间桥梁。

　　对地学可视化技术原理进行了系统论述，并在软件算法上进行了实践。运用分形方法模拟了地形、植物树木等不规则、自相似自然景观；运用多分辨率法和并行处理技术加快图形的处理。

　　基于虚拟现实技术，提出虚拟地理环境概念。虚拟地理环境为地学工作者提供了一个虚拟实验室，它可以让地学专家进入到地学数据中，把注意力集中于地学问题上，并强调了人的感知性和融入沉浸感，也就是强调了地理现实世界现象对于规律认识的重要性。而它的网络特性，使得众多的地学专家可同时在一个虚拟实验室，进行交流和讨论，并可进行具有重复性特征的信息模拟实验，从而加速地学理论和实践的成熟和发展。

　　建立了地学多维图解模型。地学图解包括解释与解读，它强调图形图像包含与呈现的地学现象与规律，而不是图形图像的制作技术。地学多维图解模型包括地学可视对象数据库、地学三维可视化、地学知识库(推理机)和地学专家。

　　在自主开发的地学三维可视化系统Geo3DVision的基础上，对地学多维可视化系统进行了总体设计和面向对象的数据模型设计。

　　对浙江瑶琳洞的三维形态重建，作了初步实验。应用面向对象技术和计算机纹理映射技术较为成功地表现了复杂的洞穴微景观对象如石笋、石钟乳等。

　　关键词：可视化，地学图解，可视数据模型，动态交互，虚拟地理环境

目 录
序 言..................................................................1
1 地学可视化研究框架.....................................3
1.1 科学计算可视化......................................3
1.2 地学可视化.............................................4
1.2.1 地图可视化......................................4
1.2.2地理可视化.......................................7
1.2.3 GIS的可视化....................................8
1.2.4地学多维图解...................................8
1.2.5虚拟地理环境...................................9
1.3 结论.......................................................9
2 面向对象的可视数据模型...........................11
2.1可视数据模型概念提出.........................11
2.2面向对象技术的应用.............................12
2.2.1地理现实世界概念构模.................12
2.2.2可视数据模型中地理对象属性分类...................................13
2.3体三维可视数据模型.............................15
2.3.1体三维面向对象处理.....................15
2.3.2 体三维数据空间结构....................16
2.3.3瞬时动态时空模拟.........................19
2.4 小结与讨论...........................................20
3 地学可视化技术原理...................................21
3.1三维真实感图形显示.............................21
3.1.1坐标变换，投影变换.....................22
3.1.2 三维立体显示中隐藏点的消除....24
3.1.3 光照模型.........................................24
3.1.4 纹理映射.........................................25
3.2地学分形模拟.........................................25
3.2.1地形分形模拟.................................26
3.2.2植物树木的计算机生成.................27
3.3计算机动态与地学分析.........................28
3.3.1 动态地学分析的空间认知与信息流...........................28
3.3.2海量地学数据快速处理方法.........29
3.4地学网络可视化与虚拟地理环境.........32
3.4.1地学网络可视化.............................32
3.4.2 虚拟现实与虚拟地理环境............32
3.5 小结与讨论...........................................34
博 士 后 出 站 报 告
4 地学多维图解模型.....................................36
4.1地学图解的内涵.....................................36
4.2地学多维图解模型.................................40
4.2.1地理时间、地理空间、地理属性、地理参考系.................................40
4.2.2模型框架.........................................41
4.2.3地学多维图解系统.........................43
4.3初步实验................................................43
4.4 小结与讨论...........................................44
5 地学可视化软件系统...................................46
5.1 科学可视化软件系统............................46
5.2 地学三维可视化系统............................49
5.2.1 Geo3DVision系统特点...................49
5.2.2 GEO3DVISION系统功能.................50
5.3 地学多维可视化系统............................52
5.3.1 总体设计方案................................52
5.3.2 数据模型设计................................55
5.4 小结与讨论...........................................58
6 瑶琳洞三维重建...........................................59
6.1洞穴三维重建的概念和方法.................59
6.2可视数据模型.........................................60
6.2.1洞形类对象.....................................60
6.2.2 微景观类对象................................61
6.3 三维可视化...........................................62
6.4 应用实例...............................................62
6.4.1 瑶琳洞简介....................................62
6.4.2 瑶琳洞三维显示与分析................63
6.5 小结与讨论...........................................64
结 语..............................................................66
致 谢................................................................70
个 人 简 历....................................................71
参 考 文 献....................................................74

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