可视化技术研究(精选8篇)

可视化技术研究篇1

关键词：异构计算机；软件移植；可视化仿真；指令系统

微机已经广泛应用于各种控制系统、智能仪器仪表、智能家电等领域。单片机性价比的提高，使单片机成为嵌入式系统的主流芯片。

目前，控制系统开发的常用方法是在pc机上编写和调试单片机系统程序。虽然，国内外有不少单片机开发系统，但由于单片机与pc机体系结构不同，用单片机指令编写的程序无法直接在pc机上运行，因此，系统开发时要有仿真器、编程器等专用设备，程序运行不能脱离单片机开发装置。因此，基于单片机的系统开发，源程序调试工作非常复杂，操作繁琐，调试结果的显示不够直观。针对上述情况，研究异构计算机软件移植可视化仿真技术，设计独立于单片机开发装置的可视化仿真系统，应用于控制系统和嵌入式系统的开发和实验具有重要的意义。本文在研究异构计算机软件移植可视化仿真技术的基础上，实现了在ibm-pc机上运行51系列单片机指令的可视化仿真系统，该仿真系统完全独立于单片机开发装置。

1 软件移植概述

1、1 软件移植方法

计算机系统层次模型[1]说明了各层次之间的关系及程序的执行情况。指令在计算机中执行的过程，实际上是指令由系统的高层逐级向低层转换的过程，从应用语言级直到微程序语言级，最后产生各种控制命令，驱动计算机的硬件完成指令功能。高层语言转换为低层语言的实现方法有翻译法和解释法：翻译法是将高层程序变换成低一层等效程序，其处理流程可描述为

while(excutingflag)

{ 取指令；

分析指令；

转换成本层指令并保存；

}

执行转换后的指令；

上述流程中变量excutingflag为执行程序是否结束标志，其值为0表示程序结束。翻译法又分为动态翻译和静态翻译。动态翻译在程序运行过程中，将被仿真的指令逐条转换成仿真程序代码；静态翻译是代一次将所有被仿真的程序转换为仿真代码后执行。解释法是低层机器仿真高层机器级语句或指令，即对高层机器级语言进行解释并执行。其处理流程可描述为

while(excutingflag)

{取读指令；

分析指令；

解释执行；

}

翻译法速度快，但编程和调试困难；解释法易实现和调试，但速度慢。异构机之间的软件移植实际上也可以看成是将一台机器上所描述的语言在另一台机器上从高层向低层转换的过程。要实现异构机之间的软件移植，可以采用模拟和仿真两种方法[1]。模拟就是用一台机器（宿主机）的机器语言解释另一台机器（虚拟机）的指令系统来实现软件移植方法。但是这种方法运行速度显著降低、实时性差、编写程序困难。仿真是用微程序（宿主机）直接解释另一种机器（目标机）指令系统的方法。这种方法速度快，但微程序机器结构依赖于传统机器级结构，开发人员需要了解微程序机器的逻辑结构，当两种机器结构差别较大时很难仿真。

1、2 软件移植步骤

在实际应用中，为了解决异构计算机之间软件移植问题，可以根据设计人员的需要开发指令仿真系统。指令仿真系统开发的一般步骤为

(1) 分析仿真计算机和被仿真计算机的系统结构、指令系统、指令功能和指令结构；

(2) 需求分析，编写程序模块和各模块流程图；

(3) 选择合适的编程语言并编写程序；

(4) 程序调试和优化；

2 数据结构描述

数据结构描述关系到程序运行效率。在实际应用中，我们设计的仿真系统主要解决在ibm-pc机上执行由mcs51系列单片机指令系统所编写的汇编源程序，在分析mcs51单片机内部结构[2]的基础上，根据c语言的特点，同时兼顾程序运行的效率，合理地描述了系统设计所需的数据结构。

2、1 程序存储器结构

mcs51内部虽然只有4kb的程序存储器，但在实际应用中可以在外部扩展至64kb，其内部有一个16位的程序计数器pc可寻址64kb以访问程序存储器。根据单片机指令结构[2]及c语言的数据类型关系，并考虑到程序仿真时并不会用到所有的存储单元，因此采用链式存储结构。程序存储器的数据结构描述如下：

typedef struct progmem

{ char opcode;

unsigned label;

//该条指令如果有标号，则存放其地址

char opnum1;

char opnum2;

char opnum3;

pmem recaddr;

//存放当前指令的地址

pmem nextis;

//指向下一条指令的地址

}memdata, *pmem;

pmem pc;

在结构体中，几个字符型变量分别用于存放指令的操作码和操作数，并用结构体指针变量存放当前指令及下一条指令的地址。仿真系统将单片机源程序翻译成目标代码放在程序存储器（结构体）中，通过结构体类型的指针变量可以访问程序存储器中的指令。

2、2 数据存储器结构

mcs51将工作寄存器、端口和数据存储器统一编址，存储空间为256b。堆栈区设在30h~7fh，由堆栈指针sp指向栈顶。内部ram，除了工作寄存器、位标志、堆栈以外的单元，其余都可以当一般数据寄存器使用。如果内部数据存储器不够用，可以外接数据存储器，扩展至64kb。内部数据存储器在程序调试时需经常查看单元内容，且数量不大，因此将内部数据存储器定义为数组，堆栈指针定义为整型，并初始化为30h。

char dataram[256];

int ramsp=0x30;

数据存储器单元的地址和数组的下标对应，这样在程序调试时，如果要查看内部数据存储器的内容，只要查看数据相应元素的值即可。另外定义一个结构体类型，模拟外部扩展的数据存储器，结构体定义如下：

typedef exdataram

{ char data;

unsigned addrram;

//存放存储单元的地址，用于查询

exrampt exdatap;

}ramdata, *exrampt;

如果用到外部数据存储器，则将数据存在动态链式存储结构中，由于仿真程序运行时使用本机的存储器，因此其地址与仿真的单片机的地址不同，用一个变量addrram存放数据存储器的地址，以便于地址单元内的数据查询。

3 软件移植的可视化仿真

软件移植可视化仿真系统，不仅要完成汇编指令的功能，而且应该根据要求查询程序执行后各寄存器的内容、端口的状态和运行结果。在系统开发过程中，我们详细分析了单片机指令格式[2]和计算机执行指令的过程[3]，并根据仿真的速度要求，通过比较各语言的特点，选用visual c++语言和80x86汇编语言，采用c语言环境下的在线汇编技术，用解释法实现可视化指令仿真系统。

3、1 软件移植过程

解释法完成异构机指令仿真，需要对源程序中的每一条指令执行如下操作：

step1 对指令从右向左扫描，如果有注释，则去掉注释；

setp2 对指令从左向右扫描，如果有标号，则去掉标号，并记录标号所在位置；

step3 将无标号和注释的指令从左向右逐步分离出操作码和操作数；

step4 保存操作码和操作数；

step5 分析操作码的功能并执行该指令。重复执行以上步骤直到程序结束，对分离出的操作码和操作数存入结构体progmem定义的变量中。实现这一过程的函数结构如下：

pmem stringsplit(char *istructionstring)

{ iscode_num=new memdata;

⋯

if(scan_char==’;’)

{ 去除分号后的内容; }

if(scan_char==’:’)

{ 保存该指令所在单元地址; }

if(scan_char==’ ’)

{ 保存空格前的字符串; }

//得到的第一个字符串为操作码

⋯

return(iscode)

}

该函数入口参数为指令字符串，返回指向保存该指令的结构体变量的指针。生成目标代码和执行指令的过程可以用switch语句或事先设计函数跳转表实现[4]，本文采用switch语句实现，实现函数结构如下：

void getcode(pmem incode)

{ ⋯

switch(opcode)

{ case code1: excucode1()；break;

case code2: excucode2(); break;

⋯

case coden: excucoden();break;

}

⋯

}

以上代码中excucoden的入口参数为指令的操作码和相应的操作数。

3、2 可视化仿真的实现

可视化仿真系统应该提供一个集成开发环境，在此环境下可以编辑新的汇编程序和打开已经存在的源程序，并能将用被仿真计算机语言所编写的源程序汇编（编译或解释）成ibm-pc所能识别的代码及执行所需的操作，根据需要查询相应存储器单元的内容和端口的状态并显示查询结果。本系统在实现集成开发环境时，设计一个文本窗口，在窗口内输入的每条指令占用一行，程序输入后，选择工具菜单中的“执行”命令，则对窗口内的指令逐行扫描，完成对程序的解释执行。程序执行分单步执行和连续执行，如果是单步执行，则执行一条指令后显示相应存储单元或寄存器的内容。连续执行，则在执行完所有的指令后，弹出一个对话窗口，根据实际，可以查看所有数据存储器和特殊功能寄存器的内容，或者输入要查看的寄存器或内存单元的地址，显示相应单元内容，结果显示采用十进制或二进制。对于端口状态，显示数据为二进制形式。结果的可视化查询对于存储器和寄存器采用不同的技术，为每一个寄存器设置一个文本框，用以显示对应寄存器的内容，而所有程序中涉及到的存储单元的内容显示在同一个文本窗口中。

4 结束语

本文介绍的可视化仿真系统的开发技术，使用图形用户界面（gui），实验结果表明，该方法显示直观、结果查询方便，而且应用vc环境下在线汇编技术，编写的程序代码占用系统资源少，又能保证系统运行效率。虽然本文以ibm-pc和单片机作为应用实例，但是详细分析其它异构计算机的体系结构和指令功能，使用本文提出的软件移植的可视化仿真技术，不仅可以解决各种系统开发中的难题，而且可以解决各种异构计算机之间的软件兼容性和移植性问题。

参考文献

1 张吉锋, 徐炜民, 严允中、 计算机系统结构、北京：电子工业出版社，1997

2 徐君毅，张友德，余宝洪等、单片微型计算机原理与应用、上海：上海科学技术出版社，1990

可视化技术研究篇2

关键词： 物联技术； MES； 可视化； SOA

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0049?03

MES（Manufacturing Execution System）制造执行系统[1?2]，是为了防止上层计划管理与底层车间信息数据的断层而产生的，MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理，并根据当前的准确数据对车间进行指导和处理，在整个企业信息化集成系统中起到承上启下的作用。然而MES存在很多数据无法挖掘获取并有效利用的问题，使生产控制、质量控制、数据实时更新以及历史数据统计方面存在管理缺陷，因此对这些数据的有效管理是关键部分，可视化管理可帮助企业更直观的挖掘隐藏的数据并有效管理企业。“制造物联”是MES更高阶段的必然表现形式如图1所示。

“制造物联”与MES的侧重：

（1）MES侧重生产业务管理，制造物联更关注产品要素与制造活动管理；

（2）MES侧重提升过程管理能力，制造物联更侧重提升制造交付能力；

（3）MES侧重制造环节，制造物联则扩展到售后、再制造等产业环节；

（4）MES表现形式多为“系统”，制造物联表现为“平台”；

（5）MES立足企业，制造物联则强化了企业间协同。

MES拥有企业制造过程的实时和历史数据，数据量大，维度多，质量信息也难以有效、直观地表示。为了提高MES系统的交互性和可视性，引入可视化技术[3]和制造物联技术，设计面向制造物联的MES可视化系统[4]，使管理者有效管理生产车间，帮助企业减少成本、提高产品质量和服务质量。

1 系统需求

随着企业生产技术水平的不断提高，企业产品种类趋向多样化，客户需求趋向个性化、对产品的质量要求高，客户及企业间的需求信息、响应信息动态变换快[5]，这些信息贯穿于产品的描述、设计、生产、销售以及回收过程中，如得不到准确有效地管理和控制，给企业和客户都会造成损失，为了更好的满足客户需求、实现企业信息化，目前企业制造过程中主要还存在以下需求：

（1）数据可视化方面。MES系统之所以能有效的监控整个车间的生产过程，主要是通过对制造过程中的原材料、车间设备、工艺状态、生产进度和质量等生产信息进行实时管理实现的，面对动态变化的大量数据信息，之前系统显示的结果比较抽象，难以发现隐含信息，而像质量管理过程和生产管理过程等子系统都要根据这些数据信息进行筛选、分析和控制，因此，利用可视化技术将其转化为图表、图像和表格等形式展示，便于管理者有效分析、控制和管理。

（2）可视化交互方面。车间的装配质量管理系统和过程控制管理系统交互性差，只能管理者单方面的接收问题并解决后才可继续运行生产，影响企业生产效率。

（3）实时处理方面。企业客户数量大，产品种类多，质量信息变化快且来源多，生产过程、工艺流程和工时数据动态变化快，管理者如不能及时地接收这些信息，企业的生产经营将蒙受损失。所以企业能及时正确地传达和响应这些生产过程、设备和质量信息。

针对上述需求，结合物联技术，研究MES可视化系统[6]，通过部署多个传感器节点，利用RFID标签定位技术[7?8]，追踪物料单品在生产线上的装配制造过程，设计交互界面，使企业实现车间生产数据在各方面应用的可视化管理，为企业节约成本、创造更多的价值。

2 系统架构

针对MES在制造业车间的应用情况及反应出的问题，结合物联技术，提出了基于物联技术的MES可视化系统基本架构，如图2所示。

依据架构图可知，系统的层次主要分为3大部分：车间现场控制层、执行监控层和车间可视化管理层。

车间现场控制层主要利用OPC技术[9]、PLC技术[10]和条码/RFID识别技术等物联技术实现I/O控制、数据采集和设备集成等功能。

执行控制层可以实时监控各工位设备的运行状态，设备出现故障可以立即发出警告，提示生产现场管理人员及时排除故障；也可以接收工作站反馈的质量控制、性能分析的结果信息，指导现场工作人员进行改进生产作业，执行详细工序计划的指令，安排生产线准时完成生产任务。

车间可视化管理层利用可视化技术、SPC技术实现生产过程控制、质量控制，最后在管理层以图表、图像形式将过程控制数据、质量控制数据、实时更新的数据和历史统计的数据可视化展示，让管理者更直观地管理生产现场。最后，可通过接口管理平台实现与ERP，MES，PDM，CAPP等系统信息集成与共享。

3 可视化MES系统的功能模型

通过对上述系统架构图的分析，并结合装配车间的现场情况，将MES可视化系统的功能模型总结如图3所示。

3、1 生产控制可视化

生产控制可视化可以用来查看生产进度，防止生产事故，监测流水线的生产情况，阻止生产线因异常情况而停止流转，并可查询和追溯当时操作人员的详细信息，提高生产效率，具体可有生产工序可视化、生产工时可视化、车间布局可视化和工艺流程可视化等功能模块组成。

3、2 质量控制可视化

质量控制可视化由质量标准可视化、质量检测可视化和质量追溯可视化组成，通过质量标准，对采集数据进行自动判断，异常情况进行报警，并追溯检测问题根源，及时控制并合理改善管理，实现质量的实时在线观察和控制。

3、3 数据实时更新

利用数据采集设备，实时采集设备数据、物料数据和人员信息数据等，并通过构建数据软硬件平台系统，实时更新展示数据，方便管理人员有效管理装配过程。

3、4 历史数据统计

企业数据库存储车间现场的所有数据，对历史数据有效统计，以图表或图像形式展示，便于管理人员直观查询和统计、分析设备状况、人员信息状态状况和物料状况等信息，出现问题时可利于追溯查询问题根源。

4 系统实现

SOA是一种通过使用和组装构建模块来概念化、设计和构建应用程序的方法，每个构建模块被表示为一个可重用的服务，通过SOA技术的应用，将提高软件的可重用性，改善MES系统过于个性化和升级困难的问题，提高系统的构件速度，降低构件成本。所以本系统采用SOA架构。采用C#，、NET开发，企业数据库采用ORACLE数据库管理，利用GDI+、OWC等绘图工具和Dundas数据可视化技术，完成交互图形图表的绘制和数据可视化的呈现，用可视化的方式高效管理车间装配过程。

5 结 语

本文分析了制造业中MES系统存在的不足，引入物联技术，提出了基于物联技术的MES可视化系统，通过系统架构分析系统的功能模型，使装配车间的生产控制、质量控制和数据实时更新和历史统计都可视化展示，改进了生产过程中组装线和工艺流程的混乱、质量反馈问题的滞后和交互，使管理者有效管理车间，使企业降低成本，高效高质量生产。

参考文献

[1] 赵栋，陈呈频，兰秀菊，等、基于MES的可视化质量管理系统[J]、轻工机械，2011，29（2）：123?127、

[2] MESA International、 MES explained a high level vision， white paper number 6 [M]、 Pittsburgh： MESA International， 1997、

[3] 孙晓梅，韦晓凯，曹从咏、基于物联网的军事装备信息可视化系统研究[J]、交通信息与安全，2012，30（4）：7?9、

[4] 王鸿玲，糜玉林、信息可视化技术在军事中的应用[J]、舰船电子工程，2008（3）：12?14、

[5] 吴锋，侯平智、制造可视化及关键技术[J]、现代制造工程，2009（4）：134?136、

[6] 陈达文、基于物联网的供应链可视化管理[J]、物流工程与管理，2011（3）：110?112、

[7] 孟晓明、基于RFID的物流信息管理系统模型研究[J]、微计算机信息，2006（6）：266?268、

[8] 李为为，周汝胜、基于RFID的物流过程监控及可视化管理系统分析与设计[J]、物流科技，2010（5）：19?21、

可视化技术研究篇3

关键词：真三维 地籍 产权

中图分类号：P273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0007-02

1 地籍管理现状

目前我国城镇地籍管理是以宗地为基础的二维平面地籍管理方式，主要记载国土资源在二维平面空间的信息。二维基础数据已覆盖了全国大部分省市，而且在应用上形成了较完善的体系。以地表权利为核心的地籍，其理论基础是同一宗地在垂直方向上的权籍一致性。在二维平面空间，通常采用投影方式或根据建筑面积分摊方式，将三维权利实体投影到二维平面上，以投影或分摊的方式来代表其权益范围进行登记。

2 存在的问题

随着城市和人口的不断集聚，城镇人地矛盾日趋紧张，为集约用地，土地利用的立体化趋势越来越明显。以地表为核心的国土权利法规和地籍管理方式，已经不能满足人们对三维空间的占用与使用，特别是当与同一土地表面、地下相关的空间归属权不同时，基于二维地表的传统土地登记和地籍系统将无法清晰的界定土地的权利空间。几个使用者共同使用一块地并且相互之间界线难以划清的情况定为一宗地，称为共用宗地。大多数的共用宗地只是在水平面上无法划清界线（如地下管线、高层建筑），比如在对城市中林立的高层建筑进行内部权利划分和管理时，利用二维空间数据难以满足应用需求。一方面国土主管部门无法对其权属进行清晰管理，另一方面权属界定由于没有明确的保障，引发了很多权属争议事件。

3 地籍管理新要求

国土资源是一个多维度、多空间的概念，包括了土地、矿产、地质风貌及其所承载的基础设施和生产生活环境。还有其他很多领域，涉及到地表、地上及地下，如城市土地立体利用、立体地价评估、空间权、地下空间权的使用等，都必然会涉及到土地的三维特性，也有必要在国土资源管理中得到反映。从税收地籍、产权地籍和多用途现代地籍的演变过程可以看到国土资源利用模式变迁的轨迹，但这个变迁过程仅停留在国土资源平面利用的范畴。从资源利用效率来看，国土资源利用由粗放型逐渐向集约型转变，这个变化也必然要在国土资源管理中得到体现，而直接体现这一变化的方式就是建立三维国土资源模型。

4 三维技术

目前三维市场主要有3种主流三维构建模式：传统建模、三维实景（街景）、全景真三维建模。

人工建模通过单个建模再场景整合，经过多年发展技术成熟，主要表现在三维场景的美观上。但技术路线决定了数据先天的缺点。（1）由于虚拟建模，造成了大量城市信息缺失，即使精细建模也只是对重要建筑、重要区域进行精细表达，无法做到城市完整信息的真实还原。（2）精细建模的模型可以用Lidar来保证，但其纹理多通过人工拍照获取，对于高层建筑纹理基于通过复制形式贴上去、这就决定了三维模型上每个点的精度无法保障。

三维实景即为街景，2007年goolge为解决虚拟三维建模向真实的三维影像过渡，而提出一项技术。街景是一种通过街景车拍摄街道两旁360°的照片，然后将这些照片经过处理上传至网站，供访问者浏览。这与2D平面地图形成了强烈的对比，使原本无聊的地图更加生动，更有阅读性和娱乐性。但街景作为过渡性技术，其他技术特点也局限了其应用的范围。（1）街景只是沿街的信息，无法对整个城市空间进行完整的体现，如非沿街区域、小区内、院内，即使沿街区域，由于中国城市沿街植被较多的特点，也无法对沿街的信息进行完整的采集。（2）街景做为360°拼接的照片，无法对空间体进行三维旋转浏览、三维空间分析，也决定了其应该范围只能局限在互联网（公众浏览）、城管（沿街部件管理），无法在GIS行业进行深入应用。

全景真三建模通过航空摄影的方式获取多角度倾斜影像和激光点云数据，快速自动化的建立地面三维模型，真实反映城市三维影像，作为近几年快速成熟的新技术，其真实、完整、高精度三维数据受到越来越多地理空间信息应用单位的追捧。

在全景真三维影像建模生产工艺中，机载激光雷达技术（Lidar）是保证数据精度的关键。机载激光雷达技术是集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元 （IMU）/DGPS差分定位技术于一体，该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，素有“精度之王”的美誉，作为近几年在测绘领域快速获取空间数据的新型技术，成为三维城市建设的一把利器。激光扫描对天气情况要求低，雾霾天也可以进行作业，这在国内当前天气环境下无疑是最好的选择，其高精度的特点也保证了三维数据精度的可靠性，长久以来三维建设因为没有测绘精度保证，三维应用都停留在展览、显示等层面，没有深度的行业应用。全景真三维技术也真正解决了长久以来三维数字城市建设“中看不中用”的尴尬局面。

基于3种主流的三维技术本身特点，针对大量国土资源土地登记、征收、出让、开发等管理要求，全景真三维建模无论在是数据的精度上保障地籍权属清晰界定、土地登记管理，还是在为其它各部门数据共享、构建国土管理”一张图”，都有先天的技术优势。

5 真三维国土资源管理

5、1 二三维地籍管理

随着城市聚集效应加强，土地利用强度越来越大，城市空间向立体化利用延伸，各综合性大楼、建筑综合体、地下停车场、地下商场、通信设施等遍布地上、地表、地下空间，由于分层开发利用，造成分层属性不同的权利人，给当前基于二维宗地的地籍管理制度提出了挑战。

采用二维地籍与三维地籍的混合管理模式，二维地籍登记中不能解决的复杂权属情况则能够通过三维系统进行登记，形成二维宗地平面与三维体宗地的混合管理方案。

5、2 不动产登记

我国的不动产登记是由土地、房屋、水利、海域、林业及农村承包土地组成的。目前土地登记制度中存在着大量的土地利用登记缺失状况。诸如商业高层建筑内部权属信息复杂、建筑顶部建造的通信设备、日益增多的电缆设施等。

建立基于倾斜影像和Lidar的真三维模型，Lidar直接获取模型三维坐标，三维登记地籍图通过界址点、界址线、界址面描述宗地的立体几何特征，并具有明确的方向性，三维宗地以体宗地为基本单元，用体积度量，精确描述立体空间中的三维产权体。按照不同楼层的实际情况进行地籍登记。通过这种方式将建立三维地籍库，反映三维产权体的基本情况，相比传统二维地籍库的信息要丰富许多，能够清晰的界定地表、地面、地下立体空间的权利，如图1所示。

5、3 三维地籍综合管理

利用三维地籍库，系统能够进行综合查询，实时准确的掌握任意体宗地的平面和空间土地登记情况，当输入土地使用者名称时，系统会自动切换到需要查询的宗地，用三维立体图像展现积宗地土地利用情况，并采用列表方式显示土地使用者名称、土地坐落、宗地面、土地证号等信息。同时，该功能还能显示共用宗地中土地使用者的基本用地信息，如宗地分割登记情况，当鼠标指向小区内某栋建筑物的任意区域时，系统就会自动告知该土地使用者的名称、分摊土地面积、土地用途、土地使用期限等主要信息。该功能将实现空间产权的清晰化管理，能够真实反映土地利用的空间分布情况。

5、4 地籍动态监管

通过实时动态监控系统，能够自动跟踪和监控新增建设用地审批项目，审批地块颜色会随着项目的进展而变化，清晰地显示建设项目获批后，宗地空间内部建筑物及权籍信息的变更过程，在建设方案的建筑高度、容积率等指标与登记信息发生出入后，系统将自动报警，真正有效地实现了对土地利用审批项目的全周期、立体化监管。

6 结语

全景真三维地籍管理作为国土行业最新的信息化手段，按照地理三维坐标组织管理空间信息，将地下、地表、地上等要素的空间信息和属性信息进行准确划分界定，生成真实的三维场景，为建立城市空间信息与国土资源管理登记提供了高效的三维模拟平台。基于三维可视化环境的土籍登记、信息查询统计分析，为业务部门和各级领导提供精细化的工作平台和科学的决策支持，极大提高了国土部门管理水平和工作效率，为城市经济发展和建设发挥着巨大的经济效益。

参考文献

[1] 艾东，朱彤、土地立体利用与三维地籍[J]、国土资源科技管理，2007，24（5）：126-131、

可视化技术研究篇4

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、

可视化技术研究篇5

关键词：水利水电工程 建筑信息模型BIM 可视化仿真

前言

本文以水利水电工程的施工动态过程作为研究对象，使用基于BIM技术的计算机仿真技术和三维可视化技术对水利水电工程的动态施工过程进行演示模拟，并且结合动态可视化信息管理技术和方法对水利水电工程的动态施工过程进行研究。探索基于BIM技术的计算机仿真技术和三维可视化技术应用于模拟水利水电工程的施工动态过程的可行性。本文主要包括了以下内容：1、BIM简介；2、 BIM技术在水利水电工程中的应用；3、可视化建模研究。

1、BIM简介

BIM（Building Information Modeling）指的是建筑信息模型，它就是通过数字化技术，在计算机中建立一座虚拟的建筑，一个建筑信息模型就是提供了一个单一的、完整一致的、逻辑的建筑信息库。

BIM技术作为一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，可以利用参数模型对各种项目的相关信息进行整合，并且可以使信息在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中得到共享和传递，让工程技术人员对各种建筑信息加以判断，作出正确的理解并提出高效的应对，使设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体拥有协同工作的基础，达到提高生产效率、节约成本与缩短工期方面的目的。BIM一定是贯穿在建筑整个生命周期中，使设计数据、建造信息，维护信息等大量信息保存在BIM中，在建筑整个生命周期中得以重复、便捷地使用。下图显示了在建筑设计、建造、维护的整个过程中，围绕的核心就是BIM。

2、 BIM技术在水利水电工程中的应用

2、1 水利水电工程施工导流三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程在对导流进行设计和管理的施工过程中，一般需要使用大量的数据和图形信息。譬如水坝地区的水文、地形、地貌、地质资料和枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各式各样的数据和图纸。如何对这些错综复杂、数量繁多的信息进行高效、快速的取得、管理，是提高设计效率和施工管理水平的关键。施工导流的方案设计作为施工组织设计的重要环节，它的设计过程及其复杂，并且设计出来的导流方案没办法做出实际的、直观的比较。所以在水利水电工程导流设计中实现BIM水利水电工程施工过程可视化仿真技术可以形象直观的表达出导流设计的实际效果，有着重大的现实意义。

2、2 利用BIM可视化仿真展示混凝土坝施工过程的三维动态过程

由于需要注意施工现场温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力等因素的作用，在对混凝土坝进行施工时，需要根据施工现场温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力对将混凝土坝使用一定的原则进行分缝分块浇筑。但是对混凝土坝浇筑的数量大，通常需要浇筑上千上万快混凝土，并且由于混凝土坝进行浇筑的施工约束条件过于复杂，就造成人工安排浇筑顺序和进度是一件难度较高的事。现在通常在一般的水利水电工程中使用的是凭经验用类比的方法，按照每月升高的浇筑层数和混凝土浇筑强度的指标来作为施工计划的参照指标。但是使用每月升高的浇筑层数和混凝土浇筑强度的指标作为参照指标没有系统的定量技术分析，使得在对大坝施工的过程中无法准确的判断施工各阶段的进度和混凝土坝升高过程是否能达到大坝施工的要求。

因为由于计算机和系统仿真技术的出现，特别是系统仿真技术的不断发展，使得我们可以在计算机上将混凝土上坝施工的动态过程真实的模拟出来。通过对不同的混凝土施工方案进行模拟，观察产生的施工动态过程，然后根据不同施工方案下混凝土施工进程的模拟的各项定量指标进行预测，然后制定出一个科学、合理、准确的混凝土坝施工进度计划。通过在计算机系统上输入各种可影响浇筑施工的变量，建立一个混凝土坝的施工系统模型，在这个模型的基础上建立一个可模拟水利水电工程的仿真计算软件。然后使用这个软件对水利水电工程进行模拟建设，通过输入可实行的机械配套方案和相应的施工技术参数，可以计算出机械配套的数量最优比、机械的最优利用率、每月的混凝土浇筑强度，并且还能获取对应的施工方案下对大坝进行浇筑施工的详细规划进度表。

3、可视化建模研究

建立一个能形象的、准确的展示工程施工的动态过程的三维数字模型是能实现水利水电工程动态施工仿真信息的可视化查询和分析功能的一个重要前提。这个数字模型应当具备能够展示施工现场一些静态和动态信息，譬如施工现场的地形地貌、施工工程建筑物和施工设施的分布位置、材料运送途径等具体信息。实现水利水电工程的可视化仿真是利用Navisworks软件和其他建模技术完成的，这种可视化仿真的建立由初数据的收集分析、数字模型的建立，然后使用Navisworks对其进行渲染。水利水电工程建筑的施工技术将直接关联作用到水电水利的效益和产生的影响，它并不只是简单的一个工程而已，它是构成整个水电水利工程的一个重要要素。

结束语：

BIM建筑信息模型在工程中的应用，使得建筑行业引发了第二次革命，它在工程中的应用不仅降低了成本，还使得工程从规划设计到施工、运营管理各阶段的质量有所提高。BIM的不断发展，使得水利水电行业也引入了BIM理念。本文通过基于BIM技术对水利水电工程施工进行可视化仿真研究，真实准确的反应出水利水电的工程动态施工过程和仿真数据。

参考文献：

[1] 徐东扬、基于数字技术的建筑方案设计研究：[硕士学位论文]、湖南、中南大学、2010

可视化技术研究篇6

关键词：可视化；数学探究可视化；教育价值

以图形的方式认识世界是人类最便捷的认识方式之一。视觉能力是我们获取世界信息的重要能力。人类进化过程中、人脑最先接触图像而后才接触文字。每一种技术的发明都使人类上述的这种理解世界的认识方式与互动方式产生深刻的变化。从本质上看。以动态影像图形语言为特征的视觉文化代替以静态文字符号语言为特征的印刷文化就像口语文化转移到印刷文化一样。这又是社会发展的重大飞跃。数学理解需要视觉的感知。特别是几何图形的性质，复杂的计算过程、函数的动态变化过程、几何证明的直观背景等，若能运用信息技术来直观呈现，使其可视化。将会有助于学生理解。促进对形与数的联系的认识。利用信息技术将现实中的复杂数据以动态影像图形的方式表现出来、这种可视化技术促进我们开展数学探究教学。

一、可视化

可视化的英文单词是Visualization。它来自英文的Visual，原意是视觉的、形象的。可视化是将不可见或抽象的信息用有意义的图像、视觉效果或图片来表示，使这些信息在人们的感觉和想象中可视。事实上。将任何抽象的事物、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。可视化描述为数据与可洞察表达之间的一种映射。这种可洞察既可体现为视觉、听觉或触觉、也可体现为以上感官的一种综合。在计算机软件和多媒体资料的帮助下、将被感知、被认知、被想象、被推理的事物及其发展变化的形式和过程。用仿真化、模拟化、形象化、现实化的方式，在教学过程中尽量表现出来。它是学生借助信息技术在头脑中形成图像的一个过程。并且以获得更好的数学理解和激励数学发现过程为目的来使用这些图像。

Zazkis，Dubinsky和Dautermann提出：可视化是一种行为。在此行为中个体在内在结构和通过感官所获得的事情之间建立牢固的联系。一个可视化的行为可以由任何对象或程序的意识建构所构成。这种意识建构是个体联系了他对外部所感知的对象或活动。可选择的是，在诸如纸、黑板或计算机屏幕这些外在媒介上、一个可视化行为可以构成以诸多对象或活动的建构。个体可以把这些对象或活动与他(或她)头脑中的一个或多个对象或活动视为一体。概括地讲，可视化是研究如何把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解信息的方法。其目的主要是为了高效地处理科学数据和解释科学数据。因为科学数据越来越多，人们来不及处理：其次是因为目前信息交流手段贫乏，可通过视觉化信息来弥补语言符号信息交流之不足。

美国CEP在报告中对可视化的定义是：可视化是一种计算和处理的方法，它将抽象的符号(数据)表示成具体的几何关系、使研究者能亲眼看见他们所模拟和计算的结果。使用户看见原本不能看见的东西。;圈可视化技术尚待人类进一步研究与开发。它在多媒体技术发展的基础上，必将获得更开阔的前景。

二、数学探究可视化

一个数学对象蕴含着多个要素，需要学生从多种角度、多个侧面进行分析研究。利用可视化技术能够展示出同一数学对象不同方面的特征。学习者可以从不同侧面来探究数学对象，可以从多个维度来分析思考数学对象，将不同方面的信息进行有效组合、建立联系、从而能够全面深刻地理解数学对象，把握数学对象本质特征。

数学探究可视化是指：利用信息技术等工具以多种方式灵活地向学生提供学习背景的影像、图表、图像等资料。展示数学问题；开展数学实验，完成数学猜想；动态显示数学研究对象变化过程，使数学抽象性质具体化，促进学生理解数学本质；加强学生深入思考并创造性地解释、描述数学信息。使可视推理与代数推理结合，创造性地解决问题。

数学探究可视化将实现数学探究信息在外部世界和学生大脑之间的转换。通过多种媒介手段或表示方法，把抽象的、视觉上不可见的数学知识转化为可见的图形、图表的一种实践过程，在这个过程当中，人的内在的数学知识结构和外在的可视代表物建立起了密切的联系、从而导致对数学探究问题认识的更深层的洞察力、提出新的假设去检验、促进数学学习和数学科学的发展。在没有新的思路时，学生可以求助于信息技术的帮助，经过对数学问题可视化。进行猜想，获得对问题新的理解，得到启发。重新选择、修改问题解决策略圈。所以，数学探究可视化应该是帮助学生联想数学概念、原理和解决问题的方法。美国学生早就利用交互程序在探究圆锥曲线上非常有效地解决了曲线概念的抽象与曲线图像的直观这一问题。为学生学习和理解曲线的性质和特点提供了思维的载体。

数学探究可视化主要包含以下几个方面：

（一)数学问题可视化

数学探究的源头是问题。利用信息技术所具有的丰富视听表征为学习者创设易于发现问题的良性认知环境。视觉系统为我们提供了一种新的、主观的、非理性的、具有情感的、印象主义的思维景象，提供数学问题背景，促进数学问题产生。将数学问题以动态的方式呈现在学生面前，提供丰富而动感的图像、图形，使数学问题具有生动性、直观性和形象性。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力、这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来超越自己的能力获取信息。发挥自己创造性的思维，高效率地提出问题和解决问题。

教师利用信息技术编辑影视片段，可以制作色彩斑斓的动态画面、呈现丰富生动的信息、通过色彩对比、动静对比、伸缩对比形象直观地阐述数学概念生成过程。其表现手法显得活泼有趣，往往能吸引学生的注意，激发学生的学习兴趣。在线段、射线、直线;课例中，老师利用信息技术创设教学情境：通过观看足球比赛、学生打滑梯场景及七巧板拼图动态过程的影像资料，揭示本章将要学习的主要内容；伴随着优美的竖琴音乐，一架华丽的竖琴画面展现在学生的面前。学生观察绷紧的琴弦以及手电筒射出的光线、笔直的铁轨等图片，引发学生思考，抽象得出本节所学内容、引出课题。通过学生熟悉的场景和事物引出所学内容。使学生感受到数学就在我们身边，数学离不开生活。渗透善于观察生活中的数学的学习意识。

（二)数学猜想可视化

猜想是数学探究教学过程中一个重要环节。对猜想不能轻易地加以肯定与否定，要用科学的态度来对待猜想与发现。通过数学实验说明猜想的正确与否，再通过严格的证明来说明猜想是成立的。或者通过举反例来否定猜想，这种研究意识的形成和建立，有助于学生真实并主动地进行数学探究活动。

基于信息技术的可视化促进学生提出新的数学猜想，便于学生检验猜想，因此这样的方法更快地促进数学探究教学的发展。Devhn相信在数学家的推理过程中计算机能够扮演重要的作用，例如，在等式中看到改变一个参数的影响可以对产生新的猜想做出贡献。学生在使用计算机开展数学实验可以发现数个与计算机的可视反馈有关系的猜想。这些猜想既不在学生头脑内也不在它们之外、而是产生在计算机屏幕上。学生可以通过计算机屏幕上的图像可视地确认了他们的猜想、这些猜想来自于他们用不同方法所做的实验。推动试验成为分析学生理解数学知识和完成探究学习任务的重要工具州。拖动鼠标的过程使学生能够在原来经验的基础上探索新的数学规律，猜想生长;在拖动鼠标的过程。拖动让学生在几秒钟之内在计算机屏幕上看到猜想、论证问题很多样例图形，拖动给学生提供及时的信息反馈。学生关注计算机屏幕上图形中各个元素之间的关系。

再通过变换、测量、做图等工具处理图形。给出特例和反例。发现图形变化的规律性。

在正多边形定义的推广‘分数’多边形;课例中、利用几何画板等教育软件对图形几个部分进行颜色对比、平移或旋转变换，学生能够猜测图形的一些抽象性质。学生利用几何画板的多种颜色显示功能和动态变换功能、经过对图形中线段颜色对比分析，成这个一般规律。

当我们研究问题的时候，可以利用信息技术直观形象展示数学对象的构造与变换过程。透过可视化信息展示出数学思维过程，反映出数学本质。在探索问题时，可以通过参数赋值等方法来构造数学对象的特例、然后连续变化参数来变换数学对象，经过观察、思考、尝试等具有创造性的数学可视化活动。来猜测数学规律，并且探寻论证结论的切入口。因此，信息技术使得数学对象可视化，使得数学关系显性化。能够展示和发展数学思维。

三、数学探究可视化的教育价值

（一)数学创新思维的触发点

澳大利亚著名数学教育家、前国际数学教育大会主席Bishop教授断言：明显的是在数学课堂上的所有方面强调可视化描述是有价值的。;可视化对数学发现过程是极其重要的。可视化通常体现了数学知识本身和图片之间的转化，它有能力向观看者描述资料的特征、刺激使用者大脑中的联系，这将促进学生更深层的数学洞察力水平的提高。数学问题一旦从静态提升到动态，常常会出现新的现象和新的问题，会成为数学创新思维的触发点。最有效的信息传播媒介是图像而不单单是靠听觉。信息图像化本身就满足了每一位学生的不同需要，使其能以各自不同的方式和各自不同的进度来对图像化的信息进行个别化与理性化的筛选和理解，图像化的信息本身就给学生提供了一个同步进行的可控宽频带通道，而单纯1：3授是无法达到这一点的。教师利用可视化手段充分调动学生的视听器官。从而获得最佳的认知效果。利用可视化技术，一些数学探究问题的答案立刻可以直观地呈现出来，使人耳目一新，并为进一步的理论探索和拓展提供了导向。

（二)提高数学学习的有效性

任何抽象的概念都与具体的事物有着某种内在的联系。将抽象的内容用具体的东西进行形象化。有利于学生对知识的理解和掌握。数学探究教学以可视化的信息作用于学生，使学生在最佳的学习条件下进行学习。形成直接对学生视觉和听觉器官共同进行作用的情况。促进学生的数学认识过程的形成和发展，利于学生数学学习。由于可视化教学能在有限的时间内提高教育信息传递的效率和质量，在课堂教学中使学生能利用多种感知手段获取各种表象，从而丰富学生的想象力，扩大学生的信息量，促进数学创造力的形成。提高学习效率和教学效果。

（三)学会欣赏数学

基于动态几何的平台，运用跟踪、轨迹、变换和迭代等功能，容易创作千变万化的美丽的图案。利用信息技术可以创作动态的百变数学艺术作品，一个看起来简单的图像，观察者自己调整参数后、可以产生无穷无尽的不同效果：利用《几何画板》软件，给赋予不同的数字或拖动点F。欣赏到枝叶茂盛;、运动变化的勾股定理树，如图5所示。学生通过黄金分割网站看到教材以外建筑师如何将黄金分割用在巴特农(Pa=henon)神庙、埃费尔铁塔、金字塔等建筑物中；学生欣赏米勒(Millet)的《拾穗者》、达•芬奇的《最后的晚餐》和《蒙娜丽莎》等艺术品时。看到艺术家将黄金分割巧妙地运用于绘画和雕刻之中。这与在传统教学条件下教师只是依靠语言描述建筑物和艺术品中黄金分割的教学效果相比是有很大的不同。

可视化技术研究篇7

关键词：

中图分类号： TP391、9 文献标识码： A 文章编号：2095－2163（2011）03－0031－05

A Study on Application of 3D Visualization Technology in Digital Forestry

WU Wenjin， WANG Nihong

Abstract： Three-dimensional (3D) visualization of Digital Forestry is a hot topic in the field of forestry and puter graphics、 From simple 3D modeling of trees to aid rationalization of forest spatial structure, refreshingly different forest trade conception and production management mode are provided by 3D visualization technology、 The six kinds of application situation of 3D visualization technology in the digital forestry, namely tree model, virtual forest type map, growth model, forestry fire simulation, pest and disease monitoring, forest spatial structure are summarized, and the important role of 3D visualization technology in forestry production, operation, management, decision-making and so on are analyzed in this article、 There are large amount of information, wide range and plex relationship in forest resource, so furthering research on 3D visualization of forest resource are also needed、

Key words：

0 引言

美国前副总统戈尔在1998年1月提出“数字地球即一种可以嵌入海量地理数据的多分辨率和三维的地球的表示，可以在其上添加许多与所处的星球有关的数据”，近年来随之兴起了“数字中国”、“数字城市”、“数字校园”等概念。“数字林业”是国家林业局在2001年提出的，这是“数字化”理念在林业方面的应用，其概念被明确为“系统地获取、融合、分析和应用数字信息来支持可持续森林经营管理的科学、技术和艺术”[1]。

三维可视化技术是使用计算机图形学图像处理技术为基础，将地球表面某一地域的数据信息转换为三维图形或图像的形式在屏幕上显示出来，并进行交互式处理的一种新技术。目前， “数字林业”的三维可视化是林学和计算机图形学领域研究的一个热点，从简单的林木三维建模到辅助进行的林分空间结构合理化，三维可视化技术都提供了一种全新的森林生产经营理念和方式，这对未来的森林管理与决策起着至关重要的作用[2]。

下面介绍三维可视化技术在数字林业中的应用领域。

1 树木模型三维可视化

树木的三维可视化是指利用科学的计算方法，将自然界中千变万化的树木形态转换为直观的几何图形，并将描述其生理结构、生长过程的复杂数据在计算机中进行直接的计算和模拟，即将树木结构的描述方法与几何参数反演成具体的林木空间形态，在此过程中可以采用光照、纹理、渲染等手段对林木图像进行绘制。准确而逼真地实现树木形态的三维虚拟显示是三维可视化技术在数字林业应用中的基础。结合森林空间结构特征信息，可为研究树木生长趋势和木材的收获评价等森林经营决策提供可视化的、精准的决策标准。

由于树木形态复杂，所以对模拟技术和系统开销有较高的要求， 而且树木生长具有生理确定性和长势不确定性的双重特性，至今，树木三维可视化还没有得到一个完善的具有林业研究意义的三维模型。为此，众多大学、研究机构的学者们对这个问题提出了自己的见解并进行了尝试[3]。

李庆忠等提出了一种L系统与IFS相互融合的植物形态模拟新方法，既能通过 L系统模拟出植物的随机生长的规律和拓扑结构，又可以利用IFS 来模拟植物各基本组成部分的自相似性和丰富的纹理、质地特性，得到比较自然和具有真实感的植物模拟效果[4]。郝卫亮等运用递归调用分形自相似结构的方法构造了树木的三维模型，采用分枝结构的随机抖动与双缓冲技术，既解决了模型的真实感，又解决了实现速度问题，简洁高效，具有普遍应用性，而且能生成形象逼真的树木图形[5]。张佳佳等基于树木的形态结构特征，使用分形迭代系统构建树木的整体结构形态，并用参数化曲线模拟树木枝条的自然弯曲状态以及在弯曲过程中枝条半径的变化，实现了树木形态结构的三维可视化[6]。吕梦雅等将阈值分析法与改进的种子点区域增长算法相结合，引入起飞着陆算法，实现了枝干结点的自动匹配，并在此基础上实现了基于手持相机双视点图像的树干三维重建系统[7]。向南平等利用GIS的组件ArcObjects提供的Scene viewer Control控件，在单株树木的三维可视化模型基础上应用 GIS数据，得到实时森林景观三维模拟系统[8]。Pradal等在Python程序语言基础上设计了一个用来创建、模拟和分析3D虚拟植物的开源图形工具包――PlantGL，提供了一套表示不同规模植物结构的几何模型[9]。

林分的可视化是基于林木三维可视化的，目前主要有3种模式：基于规则几何体的模型、基于树的三维造型、使用树木模型和软件集成的方法实现林分三维可视化。随着计算机技术的发展， 逐渐出现了各种林分可视化系统。可视化系统不仅可以反映林木的基本空间结构，也可实现动态漫游， 让参与者有身临其境的真实感受。

2 虚拟林相图三维可视化

随着计算机图形学、虚拟现实及三维仿真技术的飞速发展，林相图的制作经历了二维林相图、数字林相图、虚拟三维林相图三个发展阶段。

传统的林相图制图、成图周期长、精度低、投入高、比例尺固定、成果单一、资料难以保存；小班数据库资料和图面材料分离，无论今后森林资源数据如何变化，图面资料都不会随之变动；信息量不足，真实感差，实用性不强[10]。而虚拟林相图能够直观、准确、交互地在计算机上模拟大面积森林所在的地形、树种组成、树高、起源、分布等信息。因其有机地结合了二维林相图的宏观性、整体性、简洁性和三维虚拟场景的局部性、真实性的优点，同时又克服了二维林相图的三维信息缺乏和三维虚拟林相场景漫游的方向迷失感，所以真正做到了两者的优势互补[11]。

虚拟林相的最大特点是直观性，以活立木的形式来表现林相信息，可以为数字林业提供信息，又能为森林旅游提供宣传工具。Lim等使用虚拟现实模拟语言（VRML）开发了一个森林景观可视化系统，能够实现漫游仿真和三维图像渲染，从而辅助森林管理经营进行正确地决策[12]。2003年，罗传文以上甘岭林业局为研究对象，制作了包括三维图像显示、属性数据处理和导航三部分组成的虚拟林相图[13]。2006年，曲林以一个三维虚拟林相程序TERRAIN的制作过程为例，介绍Visual C＋＋开发平台上基于OpenGL图形库的三维虚拟林相图制作方法。董斌等以北京市妙峰山林场为例介绍了数字三维林相图的构件技术。通过不同颜色表达不同树种的分布，克服了纸质林相图树种分布不直观、界限不明显的缺点，实现了森林的规划设计、抚育、更新和管理的可视化[10]。卢双珍等利用数字高程模型以及ArcView、ArcMap、ERDAS等软件，进行三维林相图的制作研究，实现了从二维林相图向三维林相图的跨越[14]。孙海洪等实现了三维虚拟林相的显示、放大缩小和漫游等功能，为林业规划显示系统的开发提供模块和技术支持[15]。

基于地理信息系统技术构建数字三维林相图是未来林业制图的重要发展方向之一。利用数字三维林相图可以直观地查询小班的林种分布、树种结构、面积、土壤、坡度、坡向、土壤厚度、土壤质地等，可以非常容易地实现森林的规划设计、抚育、间伐、更新和管理。随着计算机软硬件技术的不断发展，数字三维虚拟林相图的构建过程会越来越简单，从而使这项技术从理论走向实践，真正实现林业的数字化、定量化、可视化、网络化和信息化。

3 生长模型三维可视化

三维可视化生长模型是通过对树木构筑型和林分生长模型的研究，基于木本植物的生理特征与计算机的高速运算功能，模拟真实树木在自然环境中的生长过程，并在以往研究数据与经验基础上，对当前林业实践进行准确指导、评价、预测的计算机三维模型[16]。

研究森林生长规律，指导森林经营活动，是林业研究的一个重要方面。随着数学模型和计算机模拟技术的发展，使树木生长得到更好的模拟。学者们对树木枝条的生理特性和空间分布状态的研究更加细化，使树木模拟研究逐渐向定量化和动态化发展[17]。

实现林木生长的三维重现，便于对树木生长进行科学有效的表达。许炜敏等以VS2005为平台，采用VB、NET语言，利用ArcEngine的一系列应用接口和控件，结合林场小班图层、立地因子、数字高程模型（DEM）、不规则三角网（TIN）、遥感影像等数据，根据不同立地条件贡献值以及林龄进行蓄积量计算，实现了基于ArcScene的杉木林蓄积量可视化表达，动态演示了杉木林依据立地因子和生长模型的蓄积量生长分布过程[18]。芦海涛等以水曲柳为例，采用逐步回归的技术建立水曲柳单木生长模型，为水曲柳的生长和经营提供参考和依据[19]。李忠国等在分析我国暖温带中山区和北亚热带高山区日本落叶松生长情况的同时，在模型中加入了代表区域特征的哑变量来建立日本落叶松人工林生长模型，为科学经营奠定了基础[20]。

林分生长模型是根据已知的林分初始信息及环境因素计算出林分生长过程中的各种参数或数据。根据林分生长模型来指导营林生产已成为林业集约经营的一项重要技术。景向欣通过实测数据结合树木生长的生物学特性、枝条生长模型、节子（死枝）预测模型、叶量预测模型建立了树木动态三维可视化模型系统，有助于经营者选择有效的经营措施[21]。向玮等以落叶松云冷杉林为对象，建立分树种的矩阵模型，并模拟不同采伐方案对木材生产、树种和林分结构多样性及碳贮量的综合影响，为多目标森林经营决策提供方法和依据[22]。

4 林火模拟三维可视化

森林火灾是森林经营中最严重的自然灾害之一，与普通的火灾相比，具有突发性强、难以控制、恢复期长等特点，同时林火的燃烧与地形、风向等环境因素关系密切。一旦发生，极易形成高强度的树冠火和地表火，严重危害森林资源、环境和扑火人员生命安全，不仅会造成巨大的经济损失，而且会对生态系统和气候造成不可忽视的影响。随着计算机技术的飞速发展，尤其是计算机图形和虚拟现实技术的发展，使得三维表达真实感事物成为可能。利用三维真实感图形表达不仅能实时显示受灾面积、火势蔓延的方向、火势大小，而且能给人以真实的感觉和可视化的画面[23]。

林火蔓延是一个多相、多组分可燃物在各种气象条件（温度、湿度、风向、风力等）和地形影响下燃烧和运动的极其复杂的现象。林火蔓延模型是指在各种条件简化的条件下，对其进行数学上的处理，从而导出林火行为与可燃物的性质、气象因素、地形因素等参数间的定量关系式。利用这个模型来预测将要发生或正在发生的林火行为，指导日常的林火管理和突发的森林火灾等工作，从而使林火能以最少的人力、物力及在最短的时间内扑灭[24]。如何建立恰当的火焰模型，生成具有真实感的火焰效果，一直是计算机图形学领域的研究热点。自从1946年Fons首先提出林火蔓延的数学模型以来，世界上出现了许多防火模型，其中，以Rothermel模型最成熟，运用最广泛。

虚拟的林火蔓延模型包括对林火造型的三维模拟、对林火的蔓延过程进行模拟以及林火与其它环境因素进行交互的三维模拟等方面内容。具有代表性的林火造型模拟技术有粒子系统、纹理合成及基于物理的模拟等 3种技术。黄华国等在分析林火蔓延的现有模型的基础上，整合数字高程模型、气象因子、树种因子的三维曲面元胞自动机模型，设计数据提取、加工、应用框架，开发出能够进行林火蔓延三维模拟的软件系统[25]。李建微等在构建大场景虚拟森林景观的基础上，以福建漳浦林区为实验区，采用Rothermel模型和Huygen原理，以改进的粒子系统方法，对在不同的风速和坡度下的林火进行三维模拟。该模型能够仿真在火场不同位置的林火扩散行为，既能实时地显示受灾的面积、火势蔓延的方向、火势大小，且能给人以真实感[23]。姚林强在分析近几年来国内外对火焰模拟技术发展的基础上，充分考虑林火自身的燃烧机理和造型特征，提出一种基于变形的粒子系统模型，以满足林火仿真在实时快速、真实感等方而的需要[26]。张超基于Rothermel林火蔓延模型，利用Huygen原理模拟火灾现场，结合三维GIS平台，实现林火行为的三维可视化。该模型能够准确反映不同位置的风速、坡度及其他因素的影响，使临场决策人员能够更加快速、形象地获取火场参数，从而提高灭火的效率[24]。Hoang等提出了一个沉浸式火灾模拟和可视化系统VFire，将用户置身于虚拟环境中，使其在各种条件下模拟实时火灾，并通过采取措施进行火灾扑救工作[27]。Parsons等提出一个新的模型FUEL3D，合并管道模型理论（PMT）和简单的三维递归分支方法来模拟树冠火，连接详细的可燃物模型和详细的火灾模型，并与传统的可燃物和火灾模型进行对比，从而提出火灾行为建模和生态意义[28]。Castrillón等提出基于3D虚拟环境的火灾预测应用程序和火灾模拟引擎，允许几个用户同时连接的远程模块，根据天气和风力数据同时整合地形空间信息和植被类型来模拟和可视化地面火灾的蔓延过程，来监测真实火灾事件[29]。

随着计算机技术和地理信息系统技术在林业中的应用，结合三维可视化模拟技术可以建立不同的林火蔓延预测模拟和分析管理信息系统，使用可视化的方式可呈现林火燃烧和蔓延过程、危害范围和火警预测，为防灾、减灾提供决策工具。

5 病虫害监测三维可视化

森林病虫害是指造成森林植物生长发育不良或死亡的病害和虫害，其传播途径广、蔓延速度快、防治难度大、治理成本高， 至今尚未找到经济有效的根治方法，对森林、生态、社会等方面造成了巨大的损失。中国是受森林病虫害严重危害的国家之一，年均受灾面积是年均火灾面积的214倍，于是又称为“不冒烟的森林火灾”。根据不完全统计，森林病虫害的种类约有8 000多种，其中经常对森林产生严重危害的就有200多种。因此，为了实现林业资源经营和发展的可持续化，人类需要对森林病虫害进行真实有效的预测。

传统的病虫害监测常采用随机模型、过程模型以及邻域规则模型，其时效性差，不能进行大范围的动态监测，更无法进行灾害扩散的空间预测。随着3S技术、三维可视化技术的发展，传统的监测手段得到了扩充，使得测报由传统的时间尺度上升到空间尺度[30]。例如，某地区受到病虫的侵害，在数字地形模型（DTM）或数字高程模型（DEM）上叠加遥感影像图和道路、河流、居民点等辅助信息，就可以模拟该区域的真实地形和场景，使相关研究人员能够更详细地掌握受灾区的实际情况。此外，某些软件中有模拟飞行的功能，使相关研究人员可以进行非实地的地理勘察和动态观测，从而使其有一种身临其境的直观感觉[31]。

唐玮嘉等设计出适合云南省松材线虫病管理和预警的应用软件，探索出一条能够比较容易被广大林业技术人员接受和使用的松材线虫病调查、管理和预测预警的新思路， 从而提高云南省松材线虫病管理的科技含量和决策水平，对于线虫病的有效监测及预警具有重大意义，并且有助于决策部门及时制定预防措施和防治措施[32]。未来的森林病虫害监测应该朝着多元化的方向发展，即在自身预防、治理等传统理论作为基础的前提下，运用空间信息技术，建立生物学、生态学、病理学、昆虫学等各相关领域的专家系统，最终形成一个完善、科学的监测系统，进而对生产实践进行指导。

6 森林空间结构三维可视化

目前的森林可视化与空间结构研究是相对独立进行的，表现在：一方面，森林可视化研究侧重于如何逼真地实现森林的三维虚拟显示，但很少引入基于树木坐标的空间结构指数进行空间结构分析，因此只可见森林，不知其空间结构特征，对森林经营辅助决策意义不大；另一方面，空间结构研究侧重于描述森林的空间结构状况或进行不同指数的比较，缺乏给森林经营者提供直观的信息。森林可视化固然可以直观再现森林，但森林经营者往往还需要掌握森林空间结构信息，因为这两方面信息对森林经营决策至关重要[33]。

森林的空间结构反映了森林内物种的空间关系，即林木在水平地面上的分布格局及其属性在空间上的排列方式；决定着林分中光、温的分布以及气体运动，对林木生长和经营的可能性等都有着重要的影响。因此，森林空间结构是森林经营的基础，在森林恢复与重建、结构与功能调控中具有重要意义。

森林空间结构主要包括：空间分布格局、竞争、混交三个方面。其中，三维可视化技术的应用主要就在空间分布格局方面，即在计算机上实现林分生长的视觉化、图形化和立体化，实现数字林木和数字森林。三维可视化这个强大的工具不但作为恢复和管理的视觉参考点，而且作为一个了解过去、现在和未来森林景观状态变化的辅助措施。Stoltman等使用3DNature软件将威斯康星洲的预结算森林进行可视化，将其与目前的森林状况进行对比，进而发现存在的一些变化[34]。Tyrv?]inen等考察了两种潜在的改进协作城市森林规划与设计的方法，包括基于计算机的可视化方法和示范森林与景观实验室，通过研究发现这两种方法的应用会实现森林规划和设计的重大改进[35]。森林资源管理规划必须解决生态、经济和社会可持续所关注的问题。Falc?bo等将决策支持工具与计算机可视化技术相结合，提出了森林景观动态模拟的可视化工具，能提供有效的实时导航能力，从而评估景观水平的森林管理的影响[36]。通过分析多种经营行为对林分空间结构、种群密度、竞争态势、林木更新所产生的影响，能促进工作人员调节经营方案，选择合理的经营措施，从而实现科学合理的经营管理[37]。

对基于空间结构的经营方案进行优化设计，是数字林业研究的一个重要方向。张成程通过构筑树冠三维模拟模型，结合可视化软件3DTree来探讨林分空间结构优化可视化经营和模拟不同间伐强度的采伐可视化经营。以空间优化指标来选择采伐木，模拟林木动态生长对采伐空间的填充过程，并探讨采伐所形成林窗动态变化曲线，以此为落叶松人工林的空间优化的可视化经营提供参考[37]。章雪莲提出基于GIS把森林可视化和空间结构分析结合起来进行研究的一套技术方法[33]。以浙江省天目山部级自然保护区内的常绿阔叶林为例，建立了基于树木纹理贴图的树木三维模型；将Voronoi图引入森林空间结构研究，改进了传统的森林空间结构指数计算方法；开发建立了森林可视化与空间结构分析系统，在计算机上实现森林可视化与空间结构分析，为森林经营决策提供可视化的、精准的信息，为常绿阔叶林的保护、恢复与重建提供技术支持与理论依据，对实现森林可持续经营有着重要意义。

7 结束语

树木模型三维可视化技术准确而逼真地实现了树木形态虚拟显示，林分三维可视化是在单木可视化的基础上发展起来的，为森林景观三维虚拟仿真提供了条件；直观、准确、交互的虚拟林相图可以使森林的规划设计、抚育、间伐、更新和管理更加便利；利用生长模型可以快速地模拟林分生长状况，为选择合理的竞争指标和应用不同的方法来建构竞争指标提供了依据；林火模拟能够及时避免和有效减少火灾带来的灾害，同时结合通视域分析等信息可以建立合理的防火设施；三维可视化技术扩充了传统的病虫害监测手段，使得预测和治理由传统的时间尺度上升到空间尺度；空间格局的研究是和森林经营管理结合最紧密的应用方式，在森林恢复与重建、结构与功能调控中起重要的指导作用。

森林资源信息量大、涉及面广，而且相互关联，各类信息复杂，对于那些没有经过培训或者在森林管理方面没有经验的人员很难理解，在林业中应用三维可视化不仅可使公众更好地理解和接受森林管理行为的动机和意图，而且对相关工作人员制定森林管理策略也是必不可少的[38]。但森林资源三维可视化的工作量很大，对各类复杂自然景物的建模、算法的优化、空间分析及制定有效的经营管理策略等方面的研究还需要不断深入。

三维可视化技术应用在数字林业中，不仅可使人们身临其境地漫游在森林中， 也可通过模拟选择最优的经营方式， 减少林业工作者传统作业的工作量，避免经营失误带来的经济和环境的损失，有助于林业管理人员在虚拟的环境下及时了解和掌握森林资源现状和动态变化过程，如森林火灾的蔓延过程和病虫害的侵害趋势等。同时，还能提供不断更新的相关森林资源信息， 如地类、树高、蓄积量和相关的统计结果，为相关森林资源规划管理方案的制定提供高效、准确的辅助决策；而且对影响森林资源分布、演替的其他相关因素可进行综合宏观分析研究，从而推进森林资源培育、保护、利用的合理化，协调生态系统的和谐与共存发展。

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可视化技术研究篇8

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