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景观可视化及应用
来源:艾特森环艺作者:艾特森网址:http://www.ettersen.com/h-nd-11-2_307.html

   景观可视化是20世纪70年代末提出并得到迅速发展的一门技术,在发达国家,景观可视化已经在各个行业得到广泛的应用,并且成为科学研究成果的直观形象表达以及与公众进行有效交流的重要手段。我国长期以来对景观的可视化没有引起足够的重视,景观可视化的研究和应用刚刚起步,与发达国家存在较大的差距;同时,随着计算机图形和图像技术的不断进步,景观可视化技术得到进一步的发展。对景观可视化技术的全面理解和认识是促进其应用的关键。

1 景观可视化的概念

 可视化(visualization)属于虚拟现实(Virtual reality)的一部分,是一个崭新的技术领域,其基本含义是将科学计算机中产生的大量的非直观、抽象的或者不可见的数据,借助计算机图形学和图像处理的技术,以图形图像信息的形式,直观、形象地表达出来,并能进行交互处理,便于人们进行理解和感知。可视化的概念有着极丰富的含义,所有从不可视信息岛可视信息的转化问题都应该属于广义上的可视化问题。也有人认为可视化是一种计算方法,它将符号信息转换为几何信息,为人们提供了一种变不可见为可见的方法,便于研究者观察他们的计算或模拟结果,丰富了科学发现的过程,可视化包含了二个方面的内涵:一,数据、模型和关系的可视化;二,景观河变化环境的可视化。目前景观可视化还没有一个确切的感念,鄙人认为,景观可视化是在计算机软硬件技术、图形图像处理技术、遥感和地理信息系统技术的支持下,将景观要素的三维空间表达(包括显示、查询、浏览等)过程。

2  景观可视化技术的发展

  景观可视化是信息技术发展到一定阶段的产物。近二三十年随着计算机软硬件技术的发展,使人们对复杂的自然系统进行模拟成为可能。可视化技术逐步成为分析在不同管理措施下,景观格局及其动态变化的有用工具盒手段。

景观可视化技术的发展可以分为以下4类:1,静态模拟,如照片,可以让人们从某个观察点观察某个地点;2,动态模拟,主要是由静态图像序列构成的计算机动画;3,类比,传统的类比可视化工具包括平面图、截面图、素描图、绘画、蒙太奇照片和物理模型。这种技术最早发明与公元465年的希腊,经过几百年的发展,最后成为建筑设计师表达规划和设计思想的有利手段。在类比技术中,只有物理模型允许人们从不同的观察角度来进行观察。4,数字模拟,随着地理信息系统技术的发展,传统的景观类比表现手法逐渐被地理信息系统取代,20世纪80年代早期,进行了大量的用现有地图制作3D模型的实验,结构与真实景观存在较大的差异。20世纪末,才出现了有效的工具来真实再现3D景观,从而使景观的可视化成为可能。

3  景观要素的三维可视化表达

 1 地形

    地形是可视化景观的重要组成要素之一,当前三维地形的建立大致有三种方法;一是基于分形的全自动生成方法;二是基于分形的半自动生成法和基于真实数据的地形生成法。这种方法创建的地形模型通常用于游戏制作、虚拟场景的构建等领域;三是基于真实数据的三维地形模型可以从已有的各种分辨率的DEM中获取,也可以通过高分辨率遥感影像的立体像中产生。为了使生产的三维地形看上去更逼真,通常采用纹理映射(Texture Mapping)技术。纹理是指物体表面的细节,一般用一个二维数组代表一个字符位图,该字符位图可以是用程序生产的各种图形,也可以是数字化图像,纹理映射就是将给定的纹理图像映射到空间实体表面,是真实感图形生产的有效途径。遥感影像(如TM、SPOT等)常常被作为地貌纹理图像叠放到DEM上,从而使地形的三维空间表达更逼真。此外,随着搞空间分辨率卫星遥感(如QuickBird、Ikonos等)技术的发展,正射影像(DOM)与DEM的结合,使地形的可视化更形象,著名的Google Earth也是采用可这一技术。三维地形的实时显示通常采用LOD(Level of Delails)技术。

2  植被

  植被的数字模拟是进行三维可视化的先决条件,由于植被物体本身的复杂性和景观中植物的多样性,是植被建模成为景观可视化中最困难的工作。植被可以再个体水平或景观水平上进行模拟。在个体水平上需要对植物体各部分的形状进行详细的描述;在景观尺度上植被通常用地形纹理来表现。在景观可视化中,常把前景植被模拟为三维植物体,而把背景植被表示为纹理图。


3 水

 水是一种动态景观要素,现有的遥感和地理信息系统软件在显示三维水体时,都是把水体当作同一高程平面的水面来处理。但是,由于地表的高低起伏和下垫面条件的差异,使得空间上连续的地表径流高程并不相等,现有的遥感和地理信息系统软件无法显示具有高程差异的连续水体。对水体可视化的表达,不仅要能显示某一时刻的水文现象,而且能表达某个时段内完整的水文过程,具有动态显示的功能。获取水体表面形状数据时地表水体三维显示的关键,水深数据时重要的地表形态数据,它一般保存在栅格数据文件中,并与DEM的空间位置相对应。某一点的水面高度是该店水深和高程之和,水体的三维显示实际上就是水面高度的三维显示。为了追求水体可视化表达的真实感,通常需要对水体进行渲染,同事还要考虑水体的折射、反射和散射等光学特征来实现。

4  人工构件

  人工构件包括建筑物、道路、立交桥、雕塑等,其中建筑物是最主要的人工构件。可视化景观中表达建筑物,包括人工构件模型的建立和构件表面纹理数据的处理等,是一个非常费时费力的过程。建筑物模型通常是由基于CAD系统的软件构建的,也有是根据采集的建筑物的图像数据参考建筑物的尺寸比例来搭建的。纹理是构件人工构件三维模型的另一十分钟的方面。

5 动物和人

 由于在地理空间中的可移动性,人和动物的三维可视化比静态的植被更难更复杂,因此,长期以来,在景观可视化过程中,人和动物要素往往被忽略。但是,从广义的动态学观点来看,人和动物是影响人类对景观的视觉感知的重要因素,其在真实景观中存在与否,直接影响人们对景观的评价。随着计算机软硬件技术的发展,使得人体和动物模型的创建取得了长足的进步。

6  大气和光

  大气和光线主要影响其他景观要素在景观中的视觉表现,例如太阳的位置和光线强度、大气和天气条件都会影响物体表面的色度、饱和度和亮度。在景观可视化中,通常雾要表现的是云和雾。云的可视化最简单的方法是把云的纹理影响直接映射到(天空)中;雾的可视化表现的简单方法是根据能见度的高低来相应地降低影像源的饱和度。然而这些简单的方法并不能完全有效的表现复杂的天气条件,随着粒子系统的发展,使得大气效果的模拟更加形象和逼真,可以再模拟不同类型的云层、雨雪,可以进行实时可视化。

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