可视化技术研究

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可视化技术研究范文第1篇

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[5]Bigheader.World Wind技术手册[R].2007.

[6]童晓冲，贲进，张永生.全球多分辨率数据模型的构建与快速显示[J].测绘科学，2006，01.

可视化技术研究范文第2篇

关键词：数字地球平台 可视化算法 可视化技术

中图分类号：F224 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）11-0054-03

1 数字地球与数字地球平台

数字地球是一个无缝的覆盖全球的地球信息模型。把分散的信息按照地理坐标组织起来，既能体现出地球上各种信息的内在有机联系，又便于按照地理坐标进行检索和利用。数字地球是信息化的地球，它包括全部地球资料的数字化、网络化、智能化和可视化的过程。其核心思想是利用数字化手段整体性地解决地球问题，并最大限度地利用信息资源。数字地球从数字化、数据建模、系统仿真、决策支持一直到虚拟现实，是一个开放的复杂的巨大系统，是一个全球综合信息的数据系统工程。数字地球的特点是空间性、数字性和整体性，它有自己的理论体系、技术体系、应用体系、工程体系[1]。

以Google Earth和World Wind为代表的数字地球平台（Digital Earth Platform），是一个集地球空间数据采集、存储、传输、转换、处理、分析、检索、表达、输出为一体的服务和决策支持系统。数字地球平台以多分辨率空间影像数据为基础，以统一的坐标投影系统为框架，以开放的XML为数据交换标准，以空间数据为支撑，以三维可视化技术为手段，以分布式网络为纽带，为建立基于空间信息的各类应用提供有力的工具[2]。

2 基于数字地球平台的数据管理

2.1 数字地球平台的选择

数字地球平台一般均采用金字塔层级结构对影像和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）进行分级分块。金字塔是一种多分辨率层次模型，从金字塔的底层到顶层，其分辨率越来越低，对应的层级数据量也越来越小。在地形场景的绘制时在保证显示精度的前提下为提高渲染速度，不同的场景区域需要不同分辨率的数据。金字塔层级结构的建立为减少数据访问量、提高系统的效率及性能提供了技术上的保障。随着影像和DEM数据量越来越大，为提高实时缩放和渲染的速度，快速获取不同分辨率下的数据，往往对原始的影像和DEM建立其金字塔层级结构。在构建地形金字塔的层级结构时，首先把原始的地形数据作为金字塔的底层，即第0层，并对其进行分块，形成第0层的层级块矩阵。在第0层的基础上按每2×2个像素合成一个像素的方法生成第一层，并对其进行分块，形成第1层的层级块矩阵。依次按照此种方法构建整个层级的金字塔，结构如图1所示。

由于四叉树结构的生成和维护相对比较简单，且当空间数据对象分布比较均匀时，基于四叉树的空间索引可以获得比较高的空间数据插入和查询效率，因此其成为空间数据库中常用的索引之一。在生成空间四叉树索引结构时需要确定工作区域的边框坐标，即空间四叉树的根节点。空间对象插入空间数据库时如果某一节点中的空间对象达到某一阈值，则需将当前节点分解成2d个子节点（其中d为空间的维数）以使每个节点中包含的空间对象数小于给定的阈值。金字塔层级结构和线性四叉树索引方式相结合的数据组织管理方式保证了海量地形数据实时可视化，如图2所示。

World Wind是一款采用了先进的流传输技术的可视化三维数字地球浏览器，主要面向科学研究工作者，软件用C#编写，调用微软SQL Server数据库Terrain Server实现地形三维的显示；同时，World Wind也是一个开放的软件，提供了开放的地理信息框架，允许用户修改World Wind本身的代码，在此基础上进行二次开发。基于开放性的考虑，本系统选择World Wind作为数字地球的开发的基础平台。数字地球平台的运行界面如下图3所示。

2.2 基于数字地球平台的数据管理

电磁法勘探是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和解决地址问题的地球物理勘探方法。电磁法勘探法用于寻找金属、非金属矿床、勘查地下水资源和能源，解决某些工程地质及深部地质问题。电磁法勘探过程中的装置示意图如下图4所示。

由上图4可见，测试完毕后，每个测点对应得到一组一维的测试数据，一条测线的测量数据可显示为二维图形，一个测区的数据可以生成三维图形。

系统采用的数据管理策略为数据文件与KML（keyhole markup language，keyhole标记语言）文件相结合的方式。KML是一种采用扩展标记语言（XML）语法与格式的语言，KML使用包含名称、属性的标签来确定显示方式，数字地球平台对于KML文件的解析就是通过解析这些标签得来的。因此，系统将诸如点坐标、经纬度及高度等属性信息写入KML文件；而二进制格式的数据文件保存的则是详细测量信息，二者通过经纬度坐标信息、测点名称等属性可一一对应起来。

2.3 基于数字地球平台的测点信息管理

可见，作为空间信息支持下的GIS系统，数字地球平台可以有效地组织和显示地理信息数据，在此基础上进行测区选择与测线部署优化，能够监控野外勘探施工质量。

3 基于数字地球平台的数据可视化

现有的三维可视化软件开发包种类较多，支持的语言包括C++，Java，IDL脚本语言等，支持的开发环境比较齐全。OpenGL是较多采用的图形库，但它的函数功能复杂多样，对于图形的投影、颜色、纹理、光照等方面的设置繁琐、编码量大，不易短时间内掌握。Open Inventor是一个建立在OpenGL 基础上的对象库，开发人员可以任意使用、修改和扩展对象库。Open Inventor由一系列的对象模块组成，通过利用这些对象模块，开发人员可以花费最小的编程代价，开发出能充分利用强大的图形硬件特性的程序。

在Windows环境下，以.NET为开发平台，采用Open Inventor进行三维地质数据的可视化处理可以大大简化开发的过程，而且开发者无需过多关注图形的优化显示，就可以得到极为逼真的图形显示效果。

克里金内插法：为了更好地发挥Open Inventor的各项图形模块功能，前期对数据的处理非常重要，需要将离散、不规则的数据插值处理成规则的网格数据。运用图形仿真方法，插值的过程就是建立所研究变量完整的数学模型的过程。数据场可视化常用的插值方法一般有距离加权反比法，多项式最小二乘法等。在地质统计学中克里金插值方法获得了广泛的应用[3]，从统计意义上来说，是从变量相关性和变异性出发，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的一种方法；从插值角度讲是对空间分布的数据求线性最优、无偏内插估计的一种方法，本文采用了普通克里金（Kriging）插值方法进行数据的预处理。

4 结语

数字地球平台以高分辨卫星影像为基础，利用无缝拼接技术使影像连续，采用高精度DEM正射校正使其空间位置准确，在此平台上不仅可以显示地形的构造信息，还能够实现油气勘探信息的集成化、可视化综合管理与应用。可见，作为空间信息支持的GIS系统，数字地球平台是地球科学研究重要组成部分和重要依托，可以有效地组织、显示数据。可视化数据的前期处理非常重要，还需要不断研究寻找速度快、误差小、复杂度低且适合地质数据特点的插值算法。

参考文献

[1]承继成，郭华东，薛勇，数字地球导论[M].北京：科学出版社，2007.

[2]苗放，叶成名刘瑞，孔祥生，李康荣，徐松浦，张远红，新一代数字地球平台与“数字中国”技术体系架构探讨.2007，11（32）：157-158.

[3]丁光华，刘嘉勇，孙克强.基于XML的信息隐藏方法[J].计算机工程，2008，34（6）：155-157.

[4]刘瑞，苗放，叶成名.基于数字地球平台的油气工程技术应用[J].成都理工大学学报（自然科学版），2009.

可视化技术研究范文第3篇

关键词：流场数据可视化线卷积积分双线性插值

中图分类号：TN957.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

1引言

科学可视化是融合了图形学、计算机视觉、数据管理、图像处理和人机交互等多学科的一门新兴的综合学科。科学可视化的方法在发展到一定程度后可以与相关的领域结合应用，这可将科学实验结果以及大规模的计算数据直观地呈现出来，为用户挖掘数据中的深层信息提供极大的便利。由于自然界没有直接可用的表现矢量数据的可视化的表达模型，目前针对这类数据还没有找到一种可以通用的技术。然而海洋水体中采集的数据大部分为矢量场数据，矢量场的可视化对理解复杂的流体制意义重大，所以寻求有效的解决方案是十分必要的。

矢量场中的特征各有不同，通常特征对流场数据描述的精确度与特征的维数正相关，因此常选取维数相对较高的特征来描述流场。对于这类特征，其可视化方法大致分为四种方法。直接法：直接将相应特征的数据表现出来，不进行分析操作，此方法直观、易懂、运算量相对小。几何法：在流线上指定一系列点，记录这些点的运动轨迹；基于这些轨迹来绘制几何对象。基于特征的方法：提取数据中被用户视为有意义的部分，对这一部分信息进行可视化操作。基于纹理的方法：将向量场的局部性质呈现给可视化向量场，这类方法可以在一些复杂的流场中，绘制出一个具备很多细节的密集连贯的可视化结果。基于纹理的可视化可以依赖的技术可归纳为点噪声技术、线积分卷积（LIC）、纹理平流和运用GPU的技术等。本文选用基于纹理的线卷积积分（即LIC方法）实现海洋流场数据的可视化，为海洋领域的研究提供新的方法。

2 关键技术

2.1双线性插值

由于采集的海洋流场数据点是离散且无特殊规律可循的一个离散的点集，而计算机在处理无规则的数据时有很大难度，因此为了流场数据可视化的顺利进行，对海洋流场数据进行预处理是必不可少的。本文的数据预处理工作采用双线性插值法进行。双线性插值，又称为双线性内插，是含有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想是在两个方向分别进行一次线性插值。

如图1所示，设要得到未知函数 在点 的值，假设函数 在 四个点的函数值是已知的。第一步，沿着 轴的方向采用线性插值的方法进行插值操作，经过这一步操作可以得到 的坐标值。第二步，沿着 轴的方向进行线性插值，得到 的坐标。这样就得到所要的结果 。

2.2龙格库塔法

在求解微分方程的众多方法中，龙格库塔法是一种较为常用，精度也较高的方法。因此，龙格库塔方法在工程领域的应用也较为广泛。泰勒公式和用斜率作为近似表达微分，是龙格库塔算法的两大特征。其主要思路是将积分区间上计算出几个点的斜率进行加权平均，得到的结果作为下一组计算参考。根据预先计算的点的个数不同，龙格库塔算法可以分为二阶龙格库塔法、四阶龙格库塔法等。

2.3 线卷积积分

LIC（Line Integral Convolution，线卷积积分）是流场纹理方法中最主要的一种技术，其主要思路是以矢量场数据的噪声纹理为根据进行低通滤波，生成具有矢量方向相关性的纹理图像。输出图像中每一点的像素值如下：

其中， 是输出图像中像素 的灰度值； 是噪声图像中像素 的灰度值； 和 分别是沿流线正向、反向第 步的像素位置； 和 分别是正向和反向流线的积分步数； 表示反向流线的权值。

LIC方法基于运动模糊的图像处理，在流场数据的方向上进行卷积滤波，使得结果可以表现出流线的空间相关性。LIC算法可以提高处理数据的效率，每一个像素点的速度矢量也能较为快速的得到。

LIC通常选择白噪声作为输入纹理，本文也是这么操作的。采用卷积积分的方法得出每一个像素点的输出纹理值。第一步，针对成像区域中的每一个像素点，沿着其流场的正、反两个方向进行积分操作，这的积分操作是对称的。通过这过程可得到该点的流线。第二步，每个像素点对应的输入噪声值根据选取的卷积核参与卷积，得到的结果作为输出纹理的像素值。

3海洋流场数据可视化设计与实现

本文设计了基于LIC的海洋流场数据可视化的流程如下：

首先，从数据文件中读取出海洋二维流场可视化数据。将读取处的数据存入预先定义好的的数据结构中；建立均匀网格的结构化数据模型，然后对数据运用线性插值法进行预处理，使流场数据均匀的分布在二维网格上。本文定义一个新的数据结构，其数据组成包括经度位置、纬度位置，在经度方向的速度大小和在纬度方向的速度大小。

第二，输入噪声确定为白噪声，同时设置好流线的控制参数。其中，步数设置的在进行卷积运算的次数，即通过几步可以生成所需的整条流线；步长设置的是每一次运算所选取的数据点移动的距离大小；流线总长度设置的是卷积运算次数的最大值，即何时强制终止此次运算。

第三，经过上述处理的各个像素点，根据LIC算法原理分别沿着正向、反向进行流线计算。这里采用龙格库塔算法对各像素点进行流线计算。完成流线计算后进行卷积操作，得到对应像素的纹理值。最后输出的像素值是纹理值与颜色值融合的结果。

第四，将运算的结果以图像的形式显示出来。本文采用的是OpenGL的方法。

为验证该方案的有效性，本文选取某海域的一组海洋流线数据，对该数据集运用双线性插值进行预处理，将该海域划分分为361 x 723的网格数据，每个数据点记录13个时刻的流线数据，构成数据集大小为361x 723 x 13的数据集用以本文功能的检验。在Visual Studio 2008的控制台程序运行后，得到如图2所示的绘制结果。

4 讨论

本文运用线卷积积分的方法，实现了海洋流场数据的可视化。由于本文的设计是在基于单机实现的，但在实际工程应用中，面对的数据通常是规模庞大的，因此计算能力不足时需要解决的问题之一。目前的研究尚不能妥善地解决这个问题。在接下来的工作中，进一步提升计算效率，采用分布式的方法是需要努力的方向。

参考文献

[1]Brian Cabral， LeithLeedom. Imaging Vector Fields Using Line Integral Convolution[J]. Lawrence Livermore National Laboratory. 1997.

可视化技术研究范文第4篇

1.科学计算可视化技术研究背景

科学计算可视化作为一个研究领域开始于1987年，它首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出并形成的。它将大量枯燥的数据以图形图像这种直观的方式显示出来，使观察者可以准确地发现隐藏在大量数据背后的规律，从而帮助人们更好地理解和分析这些数据。

VISC的研究包括两方面：一是VISC工具的研究.即如何把科学数据、数值图像转化成可视图形与可理解信息的算法和工具；二是VISC应用研究，即把可视化工具应用于科学和工程的各个学科的方式和方法。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域。科学计算可视化技术的意义重大，它大大加快了数据的处理速度，使每日每时都在产生的庞大数据得到有效的利用；实现人与人、人与机器之间的图像通讯，增强了人们观察事物规律的能力；使科学家在得到计算结果的同时，知道在计算过程中发生了什么现象，并可以改变参数，观察其影响，对计算过程实现引导和控制。

2.科学计算可视化技术在现代教育方法中的应用

信息时代，学习是一种社会活动，个人不能脱离社会环境孤立地学习，抽象、多维信息的处理能力显得日益重要，如果把科学计算可视化与教育有机地结合，教育与社会需求之间的差距将得以缩小，因为科学计算可视化本身是对客观对象的模拟，所构建的学习环境与实际生活情境相关。科学计算可视化的沉浸性和交互性为学习者提供了可以直接交互的三维立体空间，并将学习者置于主动学习的中心地位，有利于学习者知识的建构。

2.1虚拟现实技术制造“真实”感受

虚拟现实可以彻底打破时间的限制，对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。例如，利用虚拟实验系统，学生可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。虚拟现实的沉浸性和交互性，使得设备与环境塑造更接近于真实，有利于学生的技能训练，如军事作战技能、外科手术技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等。

美国巴尔的摩Johns Hopkins大学的化学工程系教授卡尔威在计算机网络上建立了一个虚拟实验室，模拟各种实验，让工程系的学生通过计算机网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题。例如，通过一个虚拟的钻油实验，学生可以知道某个位置的油井的深度，从而估计油层的形状及所需费用。

2.2计算机动画展现“实物”效果

计算机动画在教育方面有着广阔的应用前景。有些基本概念、原理和方法需要给学生以感性上的认识，在实际教学中有可能无法用实物来演示。这时借助计算机动画把各种表面现象和实际内容进行直观演示和形象教学，大到宇宙形成，小到基因结构，无论是化学反应还是物理定律，使用计算机动画都可以淋漓尽致地表示出来。

另外计算机动画在网络游戏、文化娱乐等方面也有着广阔的应用前景。基于PC的三维游戏正在不断增加，其制作也离不开三维动画技术。开展三维数据场可视化技术研究，探索提高体绘制质量、速度的理论和关键技术，对于完善可视化理论、拓展体绘制的应用领域等都具有重要的理论和实践意义。

3.科学计算可视化技术对于现代教育方法的价值及意义

从教育的发展过程看，任何一种新技术、新媒体的出现，都会引起教育上的革命。例如，纸和印刷术的出现，广播和电视技术的发展，计算机和网络技术的发展，都曾引起了教育在质的飞跃。毫无疑问，科学计算可视化与教育相结合，也一定会在教育领域中产生质和量的飞跃。因此，探讨科学计算可视化与教育相结合的理论依据，无论是对教育的发展，还是对科学计算可视化技术自身的发展都是必要的，也是现实可行的。利用计算机动画技术，可将科学计算过程以及计算结果转换为几何图形或图像信息并在屏幕上显示出来，以便于观察分析和交互处理。计算机动画已成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具，即“科学计算可视化”。

实现科学计算的可视化具有多方面的重要意义。它可以大大加快数据的处理速度，使庞大数据得到有效利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到在传统的科学计算中发生的现象，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具；同时，还可以实现对计算过程的引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件，并观察其影响。总之，科学计算的可视化将极大地提高科学计算的速度和质量，实现科学计算工具和环境的进一步现代化，从而使科学研究工作的面貌发生根本性的变化。

可视化技术研究范文第5篇

[关键词]GIS三维；可视化技术；输电线路；运维；应用

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0277-01

前言

GIS三维可视化技术是指以计算机技术处理图像为基础，将获取的信息转换为三维图形，并且在显示屏上显示出来的一种技术手段。目前，GIS三维可视化技术在输电线路运维中的应用非常普遍，利用GIS三维可视化技术可以为输电线路的运维提供一种新型的管理理念和方式，这对于输电线路运维的决策和方案具有决定作用。因此，现阶段研究GIS三维可视化技术在输电线路运维中的应用显得至关重要。

一、线路走廊危险地物的检测

根据我国有关输电线路运维有关法律法规的要求，输电线路的线路走廊中各种地物的安放应该符合一定的安全距离。因而需要对线路走廊的危险地物进行检测，首先应该测量各种线路走廊地物到输电线的距离，这个距离至少应该满足保证输电线路安全运行的距离要求，当然，不同的地物要求与输电线的距离要求也不一样，因而需要将地物进行分类。其次，将地物分类完成后，还需要对输电线与绝缘子之间的结合点进行处理。最后，还需要测量和计算所有地物与输电线的距离，以保证输电线与地物的距离能够符合安全输电运维的要求。一旦发现某种地物到输电线的距离不满足安全输电运维的要求，GIS三维可视化技术可以提供自动报警，这样维护人员就可以及时对输电线路进行维修。当然，在对输电线路的使用距离进行检测时，应该充分考虑外界环境因素的影响，尤其应该考虑到当地最大风和最高温度的情况。因此，必须根据GIS三维可视化技术采集到的数据，对当地的风速和温度等条件进行预测，进而为建立输电线路模型提供有效的依据。

二、线路走廊地形地貌变化检测

在输电线路的线路走廊内，由于地形、风速和温度等外界因素，当然，输电线的杆塔高度由于可能会发生坍塌、滑坡和位置偏移等问题。很显然，这些因素对输电线路的安全问题埋下了极大的隐患。因此，在输电线路运维的过程中，需要采用GIS三维可视化技术对这些因素进行分析，首先需要比较准确地观察到线路走廊地形地貌变化对输电线路运维的影响，从而使得输电线路安装人员及时发现这些隐含的环境问题，从而为制定输电线路运维的方案提供依据。因此，采用GIS三维可视化技术对线路走廊地形地貌变化进行检测对于提高输电线路的安全运维具有现实意义。

三、输电线路三维可视化管理

目前，传统的三维数据采集的手段还比较落后，主要还是以人工测量为主。但是，随着我国科学技术的不断发展，GIS三维可视化技术可以准确地测量出三维走廊的地形、地貌和塔杆的位置等，从而更加方便地为输电线路的运维提供数据支持。采用GIS三维可视化技术采集到的数据还可以通过有关软件进行处理后，就可以产生精度更高的数字模型。基于GIS三维可视化技术采集到的数据，我们可以精确地建立三维模型，以匹配实际的输电线路的运维方式。同时，在建立三维数据模型时，还应该考虑输电线路运维地区的房屋和树木等因素。这样才能保证建立的三维模型更加准确，还能减少后期制定输电线路运维过程中对数据的处理量。因此，GIS三维可视化技术可以清楚地反映外界的三维真实情况，从而使得输电线路运维工作人员更加准确地了解整条输电线路的情况，进而实现对输电线路的三维可视化管理。

四、树木砍伐评估和管理

输电线路的运维穿越树林是非常常见的现象，尤其是在一些山区，因而需要评估输电线路穿越树林的面积和高度等。传统的估计方法不仅成本较大，而且估计的数据不够准确，进而给后期的输电线路运维过程带来了很大的不便。但是，GIS三维可视化技术为估计树林的面积和高度提供了有效的估计手段。同时，GIS三维可视化技术还能准确地获取树林的很多结构信息，主要包括树林的几何特征等。通过GIS三维可视化技术获取的树林信息，有助于我国对输电线路穿越的树林进行管理，尤其是当需要砍伐一定量的树木时，GIS三维可视化技术采集的信息可以提供准确的砍伐量。但是，目前我国利用GIS三维可视化技术在树木砍伐中的应用还处于起步阶段，尤其与西方发达国家相比，这方面的技术还存在较大的差距。因此，我国利用GIS三维可视化技术实现对树木砍伐进行全方位的估计和管理还有很长的距离。

五、输电线路的增容分析

为了进一步提高输电线路的载流容量，首先，我国需要考虑温度对输电线路材料造成的影响；其次，当输电线路的载流量增大后，还需要考虑由于在载流量的增大而需要重新考虑输电线与地面的距离。同时，利用GIS三维可视化技术对线路走廊进行快速扫描，可以准确地观察到线路走廊的三维空间位置，再利用计算机软件技术对采集的数据进行处理后，就可以为输电线路运维提供有效的依据。目前，我国已经开发了很多监测输电线路的设备，但是只有GIS三维可视化技术最受欢迎。因此，利用GIS三维可视化技术实现对输电线路的增容进行分析显得非常重要。

六、总结

总而言之，GIS三维可视化技术在输电线路运维中的应用是一项系统化的工程。由于我国研究和利用GIS三维可视化技术的起步比较晚，尤其与西方发达国家相比，我国在应用GIS三维可视化技术方面还存在很大的差距。但是，近年来我国在利用GIS三维可视化技术在输电线路运维中的应用也取得了一定的成果。为了更好地将GIS三维可视化技术应用于输电线路中，因此，现阶段研究GIS三维可视化技术在的输电线路运维中的应用具有非常重大的现实意义。以上是本人的粗浅之见，但是由于本人的知识水平及文字组织能力有限，因此文中如有不到之处还望不吝赐教。

参考文献

[1] 阳锋，徐祖舰.三维激光雷达技术在输电线路运行与维护的应用[J].南方电网技术，2013，3（2）：62-64.