基于感知特征的時空過程可視化模型構建*

郭霄漢 遲遠英 丁治明，2

（1.北京工業大學 北京 100124）（2.中國科學院軟件研究所 北京 100190）

1 引言

時空過程可視化三維動態技術研究是關于信息表達和傳輸的理論、方法與技術的一門學科，是一次對計算機科學技術的大膽挑戰，是一次時空三維可視化傳輸方法的理論突破［1］。時空過程可視化三維動態技術研究是多門學科的結合，包含了計算機圖形學、計算機數字技術、地圖學、認知科學、信息傳輸學與數據庫技術。時空過程可視化三維動態技術廣泛應用于信息輸入、處理、查詢與分析等環節，對經濟建設、城市發展提供客觀方向預測，成為環境保護和災害監測的輔助管理工具［2］。時空過程可視化三維動態技術能夠幫助決策者預測事物發展趨勢，了解不同時空的尺度實地情況，并掌握其規律，有利于科學地做出正確的決策輔助決策者管理，避免因為錯誤預測和監管缺失而導致的盲目建設，有效提高了社會效益與經濟效益。

目前對于時空過程可視化研究，主要包括時空事件過程可視化、時空數據圖形可視化和時空空間實體過程可視化等方面。以實際事件作為線索，利用三維數據模型對時空對象進行組織模擬，并記錄其可視化的過程與狀態時空數據圖形可視化主要是對于時空數據采集可視化方法與實時信息靜態可視化方法的研究［3］；時空空間實體過程可視化是通過特殊時空對象遷移過程可視化，例如洪水決堤空間實體可視化過程、海洋冰川溫度場的實體空間過程可視化等；時空過程可視化技術能夠從大量的信息資源中推算出事物發展的規律與趨勢，描繪出與實際事物的聯系，有效地提高人們的洞察力。當前，有學者對此提出了研究方法，如文獻［4］提出構建時空過程可視化模型，利用時空數據，時空過程，視覺變量，視覺感知，可視化等層次構建了模型，能夠有效表達時空要素的位置，形態，還可以描述事件中的時空過程及時態變化。文獻［5］提出構建群體時空行為可視化分析模型，根據室內空間結構和定位數據特征，分析群體時空分布和移動模式的關聯，結合數據結構分析和可視化方法構建了可交互的時空可視化分析模型。時空數據可視化是表達時空要素信息的一種描述方式，它能有效地描繪出時空要素的動態發展過程，并展現空間實體過程的位置、形態，而傳統的方法對時空過程的可視化擬合效果和動態性方面均難以滿足當前需要［4］。為此，提出了構建基于感知特征的時空過程可視化模型。對時空數據進行分析處理，感知數據的特征變量，據此，刻畫時空過程，如時空要素的位移、擴張、收縮、停滯等。本文討論的感知特征即為視覺感知特征，主要是利用人類視覺系統，模擬人類對信息的感知能力，處理時空變量，如空間特征、拓撲關聯特征、屬性特征、時態特征、次序、數量和大小等。以期，借助人類視覺感知特征能夠全面地描述時空過程中的時態信息，實現時空過程的表達。

2 時空過程可視化模型構建方法設計

2.1 模擬時空過程

時空數據經由時空篩選模式生成動態可視化的效果，這僅僅是空間數據最常規的伴隨時間的更替而變化的，等同于將快速照片播放的動態可視化，由于時間的前進方式是跳動跨越的，造成可視化效果與真實偏差很大，不能很順暢地展現時空過程。

分析探究了在感知特點的基礎上進行時空過程的模擬方法，去真正帶來超清仿真的順滑的動態化可視效果。不僅要對時空數據進行動態的可視化，而且要與軌跡動畫和幀動畫技術相結合，提取Tb前一時間與Te后一時間之間的時序間隙的感知特效，具體公式如下：

其中，A(t)表示特征提取函數或變量在t時刻的值。

在數據模型中抽取兩個模擬時段即“出現過程”和“消失過程”，對相鄰時空數據之間的變化進行模擬，完成數據的順利過渡，實現對整個時空過程順暢的模擬演練［5］。房屋建設的動畫模擬開始到結束整個時段的變化，規避房屋直接突然成型的斷條切換。

上面提及的時空過程模擬方式，對時空的縫隙及“時間裂痕”進行了有效彌補，其結果不僅僅保留了原始數據的準確性，同時還能夠保證時空過程的平滑可視化。

為了反映出時空過程的平滑效果，將感知特征應用到時空過程模擬中，采用時序間隙提取時空過程的感知特征，將相鄰時空數據的變化過程模擬出來。

2.2 選擇時空視覺變量

視覺變量是地圖符號組成的基礎部分，能夠有效幫助地圖增強表達效果，有助于提升地圖符號信息的有效傳達［6］。視覺變量的定義是能帶來視覺變化的基本圖形和色彩。

視覺變量適合描述時空要素的位置移動、擴增、消失等過程。根據時空過程的可視化標準以及開發基礎，對時空視覺的變量統一分為三部分，即空間、屬性、時態視覺變量［1］。

空間視覺變量由多種因素組成，其中有形狀、大小、方向、方位、密度和構架等；色彩、亮度、飽和度、紋理構成了屬性視覺變量；時態視覺變量涵蓋了發生節點、時間、順序、變化速度和頻率。

可視化過程要求根據時空過程的不同去描述相符的視覺變量，并且組合起多樣的視覺變量去描述多種類型的時空過程，由此可見，時空信息的呈現的質量受所選視覺變量的質量影響。時空過程可視化視覺變量統計表如表1所示。

表1 時空過程可視化視覺變量統計表

利用視覺變量的定義，提高時空數據變化過程的傳達效率，通過劃分時空視覺變量，為時空過程選擇合適的視覺變量，采用多種視覺變量組合的方式，消除時空信息表達質量的影響因素，實現時空視覺變量的選擇。

2.3 設計三維時空過程數據模型

采集方法和形式不盡相同，同一個地區采集來的地理信息就會是多元化的，由此帶來了多元化的時空數據，比如DRG地圖、遙感影像、DLG矢量、CAD成像數據等的數據格式都是多種多樣的，維數、坐標、信息都是多元化的，對時空數據的解析以及數據特點的研究，可以看出需要一定的時空數據模型去具體定義時空數據進而實現GIS的研究與應用，并且在計算機中對多元化的時空數據去定義、儲存、傳送和可視化［7］。時空數據具備三維動態可視化的特征、以及數據動態不斷創新、三維動態可視化已然實現的情況，研發了三位時空數據模型，可以適用于影像、矢量等多元數據。三維時空數據模型結構如圖1所示。

圖1 三維時空數據模型結構圖

三維時空數據模型的最小單元對象可以簡單理解成對地形、河流、道路、建筑物等地理事物的某一個具體狀態的數據。用統一的時空過程標識將多個不同時態的對象串聯起來形成一個時空過程［8］。每一個時空過程中的時間點或者片段由具體狀態對象表示，狀態對象用自己的ID來區分。每個狀態對象包含三種信息，其一是以三維幾何模型為主體的空間信息，其二是以持續時間的起始時間記錄為主體的時間信息，其三是用以儲存那些非時空信息相關的屬性信息。

由于時空過程數據的采樣方式不同，必須采用時空過程數據模型，來描述時空過程，根據可視化的特點，設計了三維時空過程數據模型。

BAEP檢查，其突出優點是各波有相對固定的起源，潛伏期恒定，不被受檢者的意識狀態及鎮靜劑所影響，所得結果的重復性強［12］。對孤獨癥患兒進行BAEP檢測，可以了解患兒的外周聽神經和腦干功能活動的變化，為該病的診斷與治療提供客觀依據。

2.4 構建時空過程可視化模型

對于多源時空數據的內容及特征進行分析研究，根據三維時空數據庫模型將數據源滲透到數據模型中的空間、時間、屬性信息的每一部分當中去，歸納出這一時空建模程序，該程序適用于DEM、DOM、DLG等多種數據源［9~10］，時空過程可視化模型構建流程如圖2所示。

圖2 時空過程可視化模型

Step1：拆分與獲取。

針對不同種類的數據源進行內容拆分成三類信息，首先是坐標、影像、數理、圖形等與空間相關的數據信息；其次是包含時間、對過程的描述、周期性等的與時間有關的信息；最后是其他數據信息。同時從以上各種類型中獲取空間、時間、屬性源的數據。

Step2：時空系統標準化。

針對不同數據源的時空信息進行統一的標準化歸類，將空間、時間坐標系統、時間、屬性語義統一標準化，更加適用于所需求的系統數據。

Step3：三維模型建立。

在空間信息的內容基礎上，統一的空間參考為參照［10~11］，建立起三維立體模型，舉例來看，三維地形模型是采用DEM和DOM紋理制作而成，三維建筑物模型是運用CAD底圖和真實收集出來的建筑物的外形與肌理建立。

Step4：同步運行，時間映射。

Step5：構建三維時空數據對象。

將映射后的數據庫時間、語義、格式統一的屬性信息建立獨有的ID并且錄進數據庫，用UserID對現有的時間關聯關系中的同一時空過程上的數據進行記錄；將數據庫表中相呼應的ID命名的節點附加到三維幾何模型的最頂端，組建起空間數據與屬性、時間數據的關系的映射［17~18］；三維時空數據模型是由同一個ID的數據庫和三維模型文件構成的。在程序中的數據庫里，以某一ID命名的三維幾何模型具體描述了以該ID命名的幾何節點的幾何內容，承載這一ID的數據庫I表格里記錄了節點的用戶信息，這里面具體包括了時間和屬性和UserID，三維時空數據模型在能夠在數據層面得以順利實現的表現就是該節點的產生。

綜上所述，通過分析時空過程的特點，設計了時空過程可視化模型構建流程，構建了時空過程可視化模型，實現了時空過程的可視化。

3 實驗對比分析

為了驗證基于感知特征的時空過程可視化模型的性能，分別引入文獻［4］的時空過程可視化模型和文獻［5］的時空過程可視化模型進行對比。其中，兩種方法均為較為先進、應用較為廣泛的方法，表現能力較為豐富，與之對比能夠凸顯本文設計方法的優越性。實驗指標選擇擬合程度和動態度。其中，擬合程度為構建的可視化模型與實際發生情況的吻合程度，能夠體現設計方法的模擬精確性。動態度為構建的可視化模型的表達的豐富程度，以圖片、視頻、音頻等多媒體手段的應用效果評分為判定標準，能夠體現設計方法對時空過程可視化模型的生動形象程度。

三個時空過程可視化模型的擬合程度對比結果如表2所示。

從表2的實驗結果可以看出，在擬合程度測試中，基于感知特征的時空過程可視化模型的擬合程度是最高的，其次是文獻［5］的時空過程可視化模型，擬合程度最差的是文獻［4］的時空過程可視化模型，原因是基于感知特征的時空過程可視化模型在對時空過程進行可視化過程中，先對時空過程進行了模擬，使得時空過程達到了一種動態可視化的平滑效果，從而提高了基于感知特征的時空過程可視化模型的擬合程度。

表2 時空過程可視化模型的擬合程度對比結果

三個時空過程可視化模型的動態度對比結果如圖3所示。

圖3 時空過程可視化模型的動態度對比結果

從圖3的實驗結果可以看出，在動態度測試中，基于感知特征的時空過程可視化模型的動態度是最高的，文獻［4］的時空過程可視化模型的動態度是最低的，原因是基于感知特征的時空過程可視化模型選擇的時空視覺變量可以建立三維時空數據模型，根據三維時空數據模型，設計了時空過程的可視化步驟，從而大大提高了基于感知特征的時空過程可視化模型的動態度。

4 結語

本文提出了基于感知特征的時空過程可視化模型構建，在對時空過程進行模擬的基礎上，考慮到時空過程可視化會受到感知特征和視覺變量等因素的影響，選擇了合適的時空視覺變量，通過建立三維時空數據模型，構建了時空過程可視化模型，實現了時空過程的可視化。實驗結果顯示，本文構建的時空過程可視化模型不僅具有更高的擬合程度，在動態度測試中還具有更好的優勢。在今后的研究中，還需要盡量將多媒體數據和不同種類的屬性數據結合在一起，研究一種多源時空過程的可視化方法，為時空過程可視化提供可靠的技術支持。