环境et加速器

收稿日期:2002209228;修订日期:2003201224基金项目:中国科学院地理科学与资源研究创新前沿项目(CX10G2D00203202);国家教育部出国留学基金(2000)作者简介:陈小钢(1962-),男,浙江杭州人,副研究员,曾在荷兰、博茨瓦纳、澳大利亚学习、工作和研究.
主要从事空间信息可视化、空间认知和虚拟环境研究,已发表论文、地图集30余篇(部).
Email:chenxg@igsnrr1ac1cnorxgchen-un@yahoo1com虚拟地理环境和地学认知检验———以澳大利亚维多利亚省卡集洼汇水盆地为例陈小钢(中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)摘要:虚拟环境技术以GIS图形图像数据、景观纹理等信息为输入,利用高性能的计算机图形设备和技术,生成具有近似真实感受效果的模拟环境,便于认知主体以更自然的交互方式、更直观的视景、更逼真的感受探索虚拟环境,形成对现实环境的正确认识,开发空间智能.
本文以澳大利亚维多利亚省卡集洼(Cudgewa)汇水盆地为实验地,应用虚拟环境技术,模拟现实环境.
然后,应用认知科学的方法,检验虚拟环境技术应用的有效性、虚拟地理环境的真实性和环境认知的可靠性,为虚拟环境技术的地学研究提供方法论基础.
关键词:虚拟环境技术;地理环境模拟;地学认知中图分类号:P208;TP39119文章编号:100020585(2003)02202452081研究背景地理环境的表达和认知,始终是国内外地学,尤其是地图学、认知科学、人工智能等领域普遍关注的热点[1~3].
它不仅关系到地图学及其相关学科的本质,而且,也牵涉到一个古老的哲学问题,即现实与抽象、真实与表象的关系问题.
几十年来,地图学家始终在探索不同的表达方式如何更真实地反映现实,如何增强人们对现实的认识,如何确认表达的真实性和认知的可靠性.
传统的地图学普遍采用二维图形表达方式,通过对环境要素的选取、分类、简化、夸张和符号化等过程,单向传输地理环境的静态信息,而无法直观地表现三维、动态变化的环境要素.
现代地图学利用电子地图和多媒体信息,采用动态表达和人机交互方式探索地理环境规律.
然而,地图表达方式仍然不够直观,人们必须借助图例去理解抽象符号所表达的含义.
近年来,在地理信息科学、地图学与测量学、计算机图形学和科学可视化技术的交叉、融合发展之下,出现了虚拟地理环境技术.
它以GIS数据、景观纹理等信息为输入,利用高性能的计算机设备和先进的地学计算、分析和显示技术,生成模拟环境,更真实、直观地表达了地理环境,图形计算和三维显示动态、实时,人机交互方式更加自然.
在配置多种辅助设备条件下,它能使用户体会到身临其境之感受,从而拓展和增强了人们对环第22卷第2期2003年3月地理研究GEOGRAPHICALRESEARCHVol122,No12Mar1,20031995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.
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境的感知和认识能力,提高了空间认知水平.
目前,虚拟地理环境技术被认为是一种认知技术[4,5],改变了地理环境表达和空间知识获取的传统方式[6~8],在自然资源管理、城市规划、作战演练等应用领域显示出重要的价值和巨大的潜力[9~13].
关于地理环境的表达,美国宾夕法尼亚大学地理系的研究人员在前人的基础上,提出了用虚拟地理环境技术增强地理环境表达的四大"I"要素[14],即Immersion、Interactivity、Informationintensity和Intelligence.
第一个"I",表现为一种被环境所包围、身心融入环境的状态;第二个"I",表现为一种以用户为中心的界面设计方式和在虚拟环境中保持方位和定向的能力;第三个"I",表现为一种呈现现实世界真实性的信息强度;第四个"I",表现为一种帮助认知主体解释虚拟环境的智能水平,用于模拟人在虚拟环境中的行为.
然而,什么是现实环境,如何认识现实环境,如何更有效地表达现实环境,如何检验环境表达的真实性,如何完善对现实环境的表达这些问题始终受到国际上普遍的关注,不少已被列入国际间跨学科合作研究的日程表中[15].
卡集洼(Cudgewa)是澳大利亚维多利亚省东北部重要的汇水盆地,近年来,由于木材超量采伐和过度放牧,加剧了水土流失和土地退化,已引起各方面的关注.
本文试以卡集洼汇水盆地为实验地,应用虚拟地理环境技术,构造模拟现实的环境系统,为用户提供更直观的视景、更自然的交互方式、更逼真的身心感受,探索和认识现实环境演变的过程,尤其是帮助用户加深理解生态的多样性、环境的休闲娱乐功能和美学价值,并为当地居民提供参与环境优化决策的可视化平台.
然后,应用认知科学的理论和方法,检验虚拟现实技术应用的有效性、虚拟地理环境的真实性和环境认知的可靠性,从而为虚拟地理环境技术的应用研究提供方法论基础.
作者曾获2000年国家教育部出国留学基金资助,在墨尔本大学GIS与环境模拟研究中心进行了为期一年的访问研究.
感谢项目负责人Dr1IanBishop、Dr1RayGreen,以及景观规划研究生RahimHamid完成的部分环境建模和用户验证工作.
本文在此合作研究的基础上完成.
2研究和开发概述本项研究的目标是应用环境可视化软硬件系统,进行环境要素的建模和环境模拟;然后,检验虚拟环境的真实性、虚拟环境技术的有效性和环境认知的可靠性,为环境模拟建立认识论意义上的客观和真实,并为今后的相关研究奠定基础.
211系统硬件配置系统采用SGI图形工作站,配置4个CPU,256Mb内存,50G硬盘,242bit图像显示卡,图形加速器,21英寸1280*1024(SXGA)监示器,动态影像输入输出设备.
此外,还包括遥感图像处理设备和GIS数据处理、数据库建设、图形显示、可视化分析所需的工作站或PC.
212研究和开发方法研究开发的主要流程如图1.
虚拟环境系统由环境建模、环境渲染和环境可视化模块构成,在IRIX(SiliconGraph2ics)操作系统下用C语言开发,结合IRISPerformer和OpenGL[16],并基于PoeticDimension(ImmersionStudio,Toronto)和自主开发的PA系统[17],完成实时的三维系统.
ArcView312246地理研究22卷1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.
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图1研究开发流程Fig11Workflowoftheresearchanddevelopment及ArcGIS810用于各种数据格式转换、环境要素提取、二维图形显示和三维可视化等,SmartImage和ERDAS进行影像处理、配准和镶嵌,Photoshop610用于环境纹理生成及格式转换,AdvancedVisualizer用作环境建模.
运行中,PA系统读取由ArcView312或ArcGIS810输出的栅格文件(ASCII或DXF),并转换成目标文件,形成地理环境的模拟景观.
场景由3台配置NvidiaGeForce图形卡的高端台式计算机生成,第4台主机用作服务器,控制网络数据流以及信息交换.
在基于TCP/IP的网络环境中、在高性能的计算机支持下,系统实现三维复杂模型的实时计算,交互控制和动态显示模拟环境.
近似身临其境的感受可通过3台投影仪构建的135度屏幕视景中获得[18].
213环境可视化功能本应用系统提供飞行和步行两种可视化模式,鼠标为主要人机交互界面,可实现对场景的实时控制、模式切换、环境的交互探索和分析.
环境可视化的主要功能包括:1)空中飞行:控制鼠标改变航向、航速、高程和姿态,可从空中任意视点观察地面.
2)地面行驶:操纵鼠标可改变行进方向和速度.
可根据地形改变行驶姿态,顺着起伏的地形行驶,与地面的高度保持恒定.
3)跟踪:可改变DEM在三个轴向上的位置和方向,视点可随时设定至DEM的边缘或中心.
4)视觉效果:用户可任意定义变量,系统根据内部索引进行转换,形成正确的视觉效果图.
5)放大或缩小:调节图形界面上的水平比例尺,可随意放大或缩小场景或物体.
也可以调节DEM垂直比例尺,以突出地形.
6)增强和减弱:根据视点至模型中心的距离,可任意改变显示区的分辨率,从而提高和降低场景生成的效率.
3数据处理和环境建模卡集洼汇水盆地的环境数据主要包括三类,即基础地理数据、专题属性数据和遥感影像数据.
为了将这些原始数据加工成适合于环境模拟和可视化分析的格式,我们分别采用下述方法,用交互结合自动方式完成[19]:311数据处理1)基础数据:主要包括生成DEM的等高线、河流、溪流、道路和边界线,覆盖40km*40km,以1dgn形式提供,转换为ArcViewShape格式,分层组织.
2)专题数据:主要包括植被类型和分布密度图,为ArcViewShape格式.
在ArcView2期陈小钢:虚拟地理环境和地学认知检验2471995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.
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环境下,经空间分析操作,生成植被类型密度栅格图,以10m为单元格网.
3)遥感影像:以基础地理数据为基准,完成航空影像的配准、拼接和镶嵌.
4)最后,所有上述数据显示在统一参考坐标系下,裁切成8km*9km的实验范围.
312环境要素组织1)要素分级表1环境基本要素构成Tab11Componentsofbasicenvironmentalelements一级环境要素地形水系植被人工建筑二级环境要素丘陵、台地、盆地等河流、小溪等胺树、柳树、松树等房屋、农舍、篱笆、道路等2)数据组织地形数据为DEM,植被、树木和建筑物的相对高度和定位数据来自于GIS基础数据库(ArcView格式)、野外考察记录和航空影像判读.
建筑物的结构,如房屋,由多边形表面组成,面由多个顶点构成,顶点则由一组(xn,yn,zn)坐标表示.
表2房屋多边形数据结构Tab12Datastructureforhouses房屋多边形顶点1V1,V2,V3,V42V1,V4,V8,V5……表3多边形顶点数据结构Tab13Datastructureforvertices多边形顶点坐标V1x1,y1,z1V2x2,y2,z2……313环境要素建模1)地形:用ArcView三维扩展模块,从原始10m等高线分别生成10m、50m和500m格网大小的DEM模型,满足不同地面分辨率的要求,并输出成ASCII栅格文件(1asc),专用程序可将其转换成Alias2Wavefront(1obj)格式文件.
2)植被:植被类型密度图的处理需结合DEM模型,不同的DEM高程单元分别赋予不同的植被类型密度网格单元,在ArcView环境下输出成ASCII栅格文件(1asc),专用程序将其转换成1obj格式的建模文件.
3)树木:利用配准并镶嵌的航空影像和DEM模型,判别植被稀疏地区的独立树种,并确认其空间位置.
在ArcView环境下,栅格化空间定位文件,乘以DEM,合并属性表后完成环境建模文件.
纹理来源于实地拍摄的数字影像.
4)房屋:房屋的定位类似于树木,但还需半自动方式构建结构、贴面.
5)边界:表现为连续的由铁丝网构筑的篱笆.
首先建立10m长、1m高的篱笆模版,输出成1dxf文件.
用Photoshop建立篱笆纹理,转换成1rgba格式文件(用于透明化处理),叠加到模版上,并应用于所有的篱笆.
6)道路:类似于篱笆的处理,生成的1dxf文件转换为1obj格式文件,再经道路宽度赋值处理.
用Photoshop建立表面纹理.
248地理研究22卷1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.
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314环境模拟和可视化PA系统读取由ArcView或ArcGIS输出的栅格文件,并转换成目标文件,实时运行计算、动态交互和场景渲染,形成三维虚拟景观,逼真地模拟了真实环境,包括地形、水体、植被、道路、房屋、篱笆和天空等,不同程度地显示近景、中景和远景的环境细节.
以下三组图像分别对比了植被、房屋和道路等环境要素的二维图形表达与三维场景模拟的差异.
图2a(见图版1)为植被类型平面图,图2b为模拟的植被环境;图3a为房屋和农舍的平面图,图3b为以图3a中的视点创建的模拟环境;图4a为道路、篱笆边界的平面图,图4b为对应视点下生成的模拟环境.
4模拟环境的检验近年来,虚拟环境技术的应用日趋普遍,它所模拟的景观有助于人类克服自身体能和智能的局限,开发空间认知潜力,认识环境,解决空间问题.
然而,由于现实世界的多样性和动态复杂性增加了人们对其认识的难度,加上计算机软件技术和硬件设备的局限性,模拟的环境只能是设计者对复杂世界的局部认识和有限表达.
而这种局部抽象的表达是否真实和可信、是否满足科学研究或环境规划、决策的需求,尚需各类用户的认知检验.
关于模拟环境真实性的确认,目前主要的问题在于我们对模拟景观之于真实景观感受差异性的认识仍然缺乏理论依据.
国内有关虚拟环境技术的研究往往止步于虚拟环境建模、三维显示和动态交互,而对模拟环境的真实性、可靠性、用户可接受性方面的研究,尚未见相关的报道.
在国外,这方面的研究包括对比景观的现实照片与计算机生成的模拟景观,以确认模拟景观的真实性.
但所有这些研究依然比较零星,缺乏系统性[20].
本项研究在虚拟环境建模、三维显示和动态交互的基础上,进一步对虚拟环境的真实性和可靠性进行地学认知测试与评价实验,力求证实模拟环境对人们认识现实环境的作用,建立虚拟环境技术在地学应用研究中的方法论基础.
411实验目的地学认知测试与评价的目的是检验虚拟环境的真实性和环境认知的可靠性,着重于:1)了解认知主体对模拟景观真实性的感受,回答是不是、像不像和真实感等问题;2)了解认知主体对环境地物的察觉和辨认,回答是什么、什么样、有没有差别等问题;随着实验的深入,还将进一步了解主体对空间位置的定向和距离判断,以及对环境要素属性的归类、相互关系的推断和内在规律的认识与解释;3)对认知主体问卷回答结果的一致性检验,确认实验方案、过程和环境认知可靠性.
412实验方法1)实验环境、认知主体和对象:现阶段的实验限定为静态的模拟环境,在封闭教室的大屏幕上投影计算机生成的模拟环境图像和现实环境照片.
认知主体为墨尔本大学景观设计规划和地学测量工程系的63名四年级本科生和研究生,按问卷要求和屏幕投影,回答相应的提问.
实验对象要求能广泛代表当地自然环境的主体面貌,特征明显,易于辨认,样本分布于三类视距场景,即远景(>5km)、中景(1~5km)和近景(<1km).
本阶段实验的首选要素为植被及其环境背景.
2)实验过程a.
第一组实验先显示若干幅实验区实景照片,然后,每隔10秒,随机播放模拟影2期陈小钢:虚拟地理环境和地学认知检验2491995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.
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像,要求认知主体对模拟影像的真实性和美学感受进行排列和打分;b.
第二组实验显示几组同一场景、可供对比的模拟影像和现实照片,要求认知主体比较和解释模拟影像和现实照片的相似性和差异性;c.
第三组实验评估虚拟环境对现实环境认知的满意程度和可靠性.
先选择植被的个体,要求认知主体辨认树木纹理、高矮、针叶/阔叶类型,识别树木的生长状况(长势优、良、一般、不良、差)和生长阶段(初期、中期、后期),推断树木的名称和所属的植被类型,并分析植被所处的生态环境、环境要素之间的相互关系和相关的环境问题.
并进一步回答关于认知的难易程度和影响认知水平的因素等问题,如模拟环境的清晰度、视距的远近、要素的细节程度以及认知主体所具有的环境背景知识等,并对模拟环境的美感和现实性打分.
下一阶段,将在三维、动态和交互环境下,设定飞行、步行观察模式和几种环境参数,进行动态模拟环境的用户满意度和地学认知的有效性测试.
413实验结果和结论最后,对实验数据进行统计分析,并对结果做出科学评判和解释,最终完善整套评价方法和技术,以保证为公众提供参与环境规划决策的可视化平台的适用性和可靠性.
根据本阶段对实验结果的分析和认知主体的综合调查,可以得出以下结论:1)虚拟现实技术与GIS数据融合所建立的模拟环境,是增强地理环境表达的一种必然趋势,是环境表达走向数字化真实感的重要手段和方法.
近似身临其境的虚拟景观增强了人与环境的交互能力,有助于用户更自然地、更直接地获取环境知识,开发地学空间认知潜力,并参与环境优化决策.
2)卡集洼(Cudgewa)汇水盆地静态模拟环境的用户验证结果表明,该虚拟环境具有较高程度的现实感和较普遍的用户满意度.
图5b(见图版1)是真实环境(图5a)的模拟,模拟环境的远景要素显示出最高的真实度,其次为中景,最后是近景.
3)采用普通遥感或正射数字影像作纹理,都能加强环境的真实感,但后者的高精度和高分辨率更具有优势,能增强近景要素的真实感.
若要使环境表达更加接近现实,应a)表达更多的环境要素;b)叠加真实的环境要素纹理影像;c)弥补前景细节表达的缺陷.
这就要求GIS数据具有较强的现势性、高精度以及满足应用需求的空间与属性分辨率.
随着计算机性能的提高,对环境的模拟将会更加真实.
4)在动态交互环境下进行多模式和多环境参数的各类用户满意度和地学认知的有效性检验,将会使结论更加接近事实,更具有系统开发的理论指导意义和方法论基础.
5结论与展望本项研究综合了虚拟环境技术和GIS分析功能,建立了澳大利亚维多利亚省东北部卡集洼(Cudgewa)汇水盆地实验区的环境模型,为帮助当地用户认识环境演变、参与环境优化决策,提供了可视化平台.
同时进行的虚拟环境的真实性和可靠性的地学认知检验,不仅为环境模拟建立了认识论意义上的客观性和真实性,有助于深入认识虚拟现实技术应用的良好前景和挑战性问题,而且为今后的相关研究提供了正确的方法论基础,深化了虚拟环境技术在地学中的应用研究.
目前检验结果的主要问题是部分可靠性检验的一致性不够高,可能与航空影像和数字250地理研究22卷1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.
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照片的时相差异以及认知主体的反应定势有关,有待于在下一阶段的实验中加以完善.
如何表达动态变化要素,模拟植被的生长和环境的变化;如何建立和突出明显地物,提供更强的导航功能;如何提高动态交互水平,增强地学认知;如何加强可靠性研究实验,并对其结果给以充分的确认,为系统的深入开发提供理论指导,是今后研究的重点.
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Explorationongeo2environmentsimulationandcognitiveverification:acasestudyatCudgewacatchmentinVictoria,AustraliaCHENXiao2gang(InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)Abstract:ThispaperintroducesapreliminarystageofthisdevelopmentwithCudgewacatchmentinNortheastofVictoria,Australiaasacasearea:thebuildingofthe3DmodelsfromGISdatasets,con2structionofdifferentsimulatedenvironments,andagroupsurveyofthecognitiveverificationofsimu2latedenvironments1Ourresearchdevelopmentinvolvesthefollowingmajorphases:1)creationofgeo2databaseandtexturelibrary,2)dataprocessing,3)3Dmodeling,simulatingandrendering,4)interactivevisual2izationand5)effectivetesting1InthePCenvironment,ArcView312(andmorerecentlyArcGIS8)withmulti2extensionsisusedfordataformatconversion,featuregeneration,twodimensionalmappingandthree2dimensionalvisualanalysis1SmartImageandERDASOrthobasehavebeenusedforaerialphotoprocessing,registrationandmosaicing,andPhotoshop610fortexturecreationandimageformatconversion1Thereal2time3DsystemhasbeendevelopedusingPerformerandOpenGLlibrariesunderIRIX(SiliconGraphics)operatingsystems1Immersionisprovidedbytheuseofthree2screensandthreeprojectorstogivea135degreefieldofview1Further,wehaveundertakenan"acceptabilityoflandscapesimulation"survey1Subjectswithvariousbackgroundswereincludedatdifferentstagesofsurvey1Presently,63undergraduateandgrad2uatestudentshadresponded1Theywereexposedtopairsofstaticcomputer2simulatedimagesandrealdigitalphotographs1Theseshoweddifferentcombinationsoffore,middleandbackgroundvegetation,buildingsandfences1Themajortaskswereinclusiveofcollectingsufficientdataontheunderstandingofsimulation,theperceptionofscenicbeautyandthedegreeofrealism1Aseriesofquestionsabouttheidentificationoffeaturesandcognitiveunderstandingandlevelofeaseofinterpretationofimageswereasked1Thedifferenceofcognitiveaspectswillbeidentifiedandexplained1Asthetestsdevelop,dynamic,interactive,semi2immersivesimulatedenvironmentinflyordrivemodewillbeprovidedwithdifferentsettingsofparameterstotesttheeffectivenessandacceptabilityofconstructionofvirtualland2scapes1Keywords:virtualenvironmentaltechnology;geographicenvironmentalsimulation;geo2cognition252地理研究22卷1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.
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