数字可视化（精选十篇）
数字可视化 篇1
数字图像处理课程是我系电子信息工程、广播电视工程和光学信息科学与技术专业的一门主干专业基础课，重点培养学生对数字图像概念、关键技术的认识和数字图像处理在各个领域中的应用。传统的数字图像处理课程的教学手段枯燥无味，无法直观地向学习者展示图像处理效果，但是如果使用可视化系统配合PPT课件，就会使教学过程由古板变生动，抽象变具体，深奥变浅显，沉闷变愉悦，不仅能激发学生的学习兴趣，更能加深学生理解。随着时代的发展，信息的多样化，可视化的制作日显新颖。
数字图像处理可视化系统使用Matlab，主要在于Matlab的图形用户界面赋予制作者极大的想象空间，这使得可视化系统灵活多变，交互性极强。运用Matlab制作数字图像处理可视化系统不仅能够完成数字图像处理的大部分内容，还能将图像信息向学习者传达多层次的信息。使用可视化系统能把被处理后的图像直观、形象和逼真地展现出来，同时数字图像处理重点在于对图像的具体操作，运用Matlab制作的可视化系统，文字简练，可视化系统画面简洁，能够吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。因此，将数字图像处理可视化系统引入数字图像处理课程教学有其优越性。
2. 数字图像处理可视化系统设计
2.1 系统特色
数字图像处理可视化系统严格按照教学内容要求编制，包括大量的演示子模块，每个演示子模块均严格按照章节内容编制，方便学生参照教材案例灵活改变有关参数，观察产生的效果。同时，学习者还可参考可视化系统提供的部分代码参与编程来加深对数字图像处理实际应用的认识。本可视化系统界面形象生动，使用方便，交互性强，具有较强的扩展能力。
2.2 功能设计
本可视化系统包括图像基本操作、亮度变换与空间滤波、频域处理、图像复原、彩色图像处理、图像压缩和形态学图像处理七个子模块构成，其整体设计界面如下图所示。
2.2.1 图像基本操作子模块。
通过该子模块的演示让学习者初步了解灰度图像、索引图像或彩色图像的读取及各类图像之间的相互转换;图像的简单几何变换，如镜像、任意倍率缩放、任意角度旋转等;图像的jpg格式的保存等基本操作。
2.2.2 亮度变换与空间滤波子模块。
通过对读入的多幅图像进行的加、减、乘和除等操作了解图像作为矩阵进行基本操作和执行的前提条件。再对读入的任意一幅图像进行亮度变换、直方图均衡化、直方图匹配、线性空间滤波和非线性空间滤波等处理。
2.2.3 频域处理子模块。
通过对各类图像进行傅里叶变换，再使用各类频域滤波器滤波演示图像的频谱，说明图像的频域特性。通过观察图像纹理特性在频谱中的反映，如：频谱中若低频分量丰富，高频分量较小，表明图像具有较平坦的纹理;若低频较少，高频丰富，则图像的纹理较复杂。通过观察图像的相位谱、幅度谱及分别只用相位信息或幅度信息还原的图像，认识相位信息的重要性。通过观察滤除部分高频分量或低频分量后恢复的图像，进一步理解高频、低频分量对一幅图像的作用效果。
2.2.4 图像复原子模块。
图像恢复是指在保真度原则下，尽量恢复退化图像的本来面貌。本模块演示了数种图像恢复常用方法，包括直接逆滤波、维纳滤波、约束的最小二乘滤波、使用L-R算法的迭代非线性复原和盲去卷积。对同一幅退化图像分别采用以上方法，也可用同一种方法处理不同的退化图像，比较复原结果，从而了解各方法的针对性及局限性。
2.2.5 彩色图像处理子模块。
通过对读入的RGB彩色图像到NTSC、YCbCr、HSV、CMYK和HIS等彩色空间的转换，了解各种彩色空间的各个分量的实际意义。接着对转换后的某个彩色分量的图像进行空间域或频率域的操作，分析同样的操作对灰度图像和彩色图像是否会产生同样的效果。最后对读入的任意灰度图像进行强度分层和灰度级到彩色变换两种常用伪彩色图像处理。
2.2.6 图像编码子模块。
编码的目的是进行数据的压缩，消除冗余数据。该模块主要模拟JPEG图像的编码过程：先采用行程编码方法，将具有相同值的连续串用其串长和一个代表值来代替，然后将图像分成8*8的小块，对小块进行DCT变换或小波变换并进行量化，恢复时乘量化表并计算与原始图像的均方误差。通过该子模块的模拟，学习者了解到编码的整个过程，并修改亮度掩膜表来对图像进行压缩，分析压缩效果，进一步掌握图像编码的实际意义。同时，对常用的一些编码算法，如香农-范诺编码、算术编码、行程编码和预测编码进行仿真，并对上述方法的编码效果与JPEG编码效果进行分析对比。
2.2.7 形态学图像处理子模块。
该子模块主要通过改变结构元素的形状和大小，分析基于数学形态学运算的处理函数对数字图像进行膨胀、腐蚀、开或闭运算、形态滤波、提取边缘或骨骼、细化和粗化等形态学运算各种形态学运算的运算效果。
3. 结语
使用Matlab开发的数字图像处理可视化系统不仅可以让学习者直观地了解数字图像处理的实质，加深对数字图像处理的理解，改善教学的薄弱环节，而且可以作为相应内容的补充，让学习者能更好地学到数字图像处理知识。因为在Matlab中数字图像处理有着极大的便利性，所以运用Matlab的GUI制作数字图像处理可视化系统有着一定的优越性。
参考文献
[1]Rafael C.Gonzalez著.阮秋琦译.数字图像处理[M].北京:电子工业出版社, 2009.
[2]章毓晋.图像工程[M].北京:清华大学出版社, 2006.
[3]王秋雨.Matlab图像处理的几个应用实例[J].福建电脑, 2011 (11) :6-7.
[4]林志庆.数字图像处理系统的设计与实现[J].福建商业高等专科学校学报, 2012 (3) :99-103.
数字可视化 篇2
在生产或生活中应用数字高程模型内插时,最关键的问题就是怎样选取恰当的内插方法来满足高程数据建模的需求.不同的DEM内插方法随地貌地区和采样点方式的不同存在不同的.误差.本文使用Visual Basic语言将数字高程模型内插方法编写成一套能够快捷方便的获取内插点高程的内插软件系统,可以使应用人员直接捕捉地面点高程,并获得地形的可视化信息,由此可以直观地观察到在同一地区相同采样点方式的条件下采用不同的内插方法引起的内插精度等质量方面的优劣区别,从而获取最优的内插方法,有效地满足DEM的生产、质量控制、精度评定和分析应用等各个环节.
作 者：杨雯 刘洪利 胡卓玮 狄彩云 YANG Wen LIU Hong-li HU Zhuo-wei DI Cai-yun 作者单位：杨雯,刘洪利,胡卓玮,YANG Wen,LIU Hong-li,HU Zhuo-wei(首都师范大学资源环境与旅游学院,北京,100037)
狄彩云,DI Cai-yun(中国电子科技集团公司第54研究所,石家庄,050081)
跨越式前行的可视化数字 篇3
视频媒资库现有视频96.5万余条，其中新闻类视频16.6万条、体育类视频4.6万条、综艺类视频8.8万条、影视剧类视频12.8万条、纪录片2.9万条、动画片1.8万条、专题类视频28.4万条、外语类视频18.9万条，累计时长达48.3万小时。
日均1.2万条、1000小时。
CNTV的视频制作能力日均1.2万条，1000小时，是中国最大的网络视频生产机构。
210多个国家。
CNTV全球内容分发网络包括全球数十个自建站点，站点分布国家70个，服务器超过200，000台，存储能力超过2000TB，内容分发网络可以覆盖210个国家和地区。
4亿用户。
CNTV网站最高日独立访问者（UV）达到4000万人，日常稳定在2000万人/天。网站月度独立访问用户数近4亿人，单月覆盖中国网民总数超过80%（中国网民总数源自中国互联网络信息中心（CNNIC）2012年7月发布的5.38亿人）。
2300万人。
CNTV移动客户端产品群全平台下载用户近2300万人，其中CNTV网络电视台同名客户端iPhone平台用户数894万人，iPad平台用户431万人，稳居全国电视媒体同类产品首位
5500万人。
移动传媒开通、运营了公交、快客、民航、饭店频道、广场（上海、广州、北京）、列车、国航机舱电视頻道、港中旅办证大厅电视终端，覆盖全国重点一线城市及其他各大中城市，覆盖用户数约5500万人。
4000万。
2012年奥运期间，CNTV更是发挥独家直播及多终端传播优势，全程直播赛事近3000场、节目时长近5600小时，其中独家网络直播超过2200场、时长近5000小时，赛事直播单日独立访问人数突破4000万，创造网络电视直播新纪录。
149路/1920个。
CNTV提供149路电视频道网上直播、1920个电视栏目网上点播，是全国最大的网络电视直播和点播平台。
11个语种。
6种外语包括英语、西班牙语、法语、阿拉伯语、俄语、韩语、以及蒙古族、藏族、维吾尔族、哈萨克族、朝鲜族5种少数民族语言。
57个子台。
CNTV共有57个中文专业台/频道，6种外国语言，3种少数民族语言，2个海外本土化网站，7种互动应用。如：新闻台、经济台、体育台、综艺台等。
305个原创栏目。
截止2012年12月，CNTV创建了305个中文原创栏目以及原创试听栏目21个。如：明星来了、微视频网络征集、CCTV网络春晚征集大赛等形成了具有特色的服务性、互动性鲜明的视频栏目。
数字时代数据可视化的类型及其特征 篇4
一、概念
数据可视化 (Data Visualization) 起源于1960年计算机图形学。在狭义上, 数据可视化是指人们通过特定的软件工具, 用更清晰直观、更易理解的图形图表方式来呈现数据, 从而实现对数据的深入挖掘。广义上, 数据可视化实现了科学可视化领域与信息可视化领域的统一。科学可视化 (Scientific Visualization) 是指利用计算机图形学来创建视觉图像, 帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式, 比如利用医学数据 (核磁共振或CT) 研究和诊断人体。信息可视化 (Information Visualization) 指的是将非数字的信息进行可视化, 用于表现抽象或复杂的概念、技术和信息。本文主要以数据可视化的狭义概念为依据, 数据的内容囊括科学可视化、信息可视化等所有被记录下来的数据。
二、数据可视化的类型及其特点
从商业到医疗, 从政府到教育, 处处可见数据可视化的身影。无论是哪种类型, 可视化的宗旨都是以简洁易懂、省时高效的方式来呈现数据内容。以下将从表现形式的角度出发, 对数据可视化进行分类并阐述其特征。
(一) 静态可视化
1. 统计图表。
统计图表能可视化定量的数据结果, 呈现基本信息, 态度客观中庸, 清晰直观, 是数据可视化中最基础和最常见的应用, 如饼图、柱状图、折线图等。形式较为稳定, 为阅读者熟知所以具有自明性。但它很难具有创新性, 不易激发阅读者兴趣, 也不易引起共鸣, 而且统计图表在面对复杂或大规模异质性数据时往往显得力不从心。
2. 主题图。
相对于传统的主题图表, 如地图, 现代的主题图更关注事物之间的关联性。如2007年网络趋势地图, 作者通过改造东京地铁图, 将站点设计成地铁站, 结合大量的暗喻和巧合来建立信息之间的联系。其次, 现代主题图更具有趣味性与故事性, 增加了信息的可读性, 如政治杂志《Reportage》中的国旗图表, 将国旗作为图表、国旗中的元素作为图例, 美国国旗红色部分代表支持伊拉克战争, 白色部分代表反对伊拉克战争, 蓝色部分表示不知道伊拉克在哪。同时, 现代主题图往往具有信息集成性, 如一条微博, 可包含文字内容、图片、音频、视频、发布时间、发布平台、发布地点等多种信息。
(二) 动态可视化
1. 实时更新可视化。
可视化在信息实时更新方面也表现得很出色, 比如机场航班信息牌、股票跌涨等, 这类可视化方案突出了即时性、动态性、真实性、准确性及持续性特征。Aaron Koblin和Valdean Klump的“飞行模式”追踪在24小时之内美国和加拿大机场抵达和离开的飞机状况并将其可视化, 实时地显示了飞机的飞行进度。2001年Rom and Son为IBM开发了一套屏幕信息收集器, 雇员们工作效率越快, 屏幕上发光的点就走得越快, 实时展现团队劳动的成果, 并起到了激励员工的作用。
2. 动画视频。
第一, 动画视频往往用于数据展示, 具有强烈的话题引导性。第二, 数据以图片、文字、声音、动画等多种方式输出, 动画视频的综合性与多媒体体验方式为观众带来新的视听感受, 由过去的阅读式转向收听式、收看式。第三, 它具有科普性与趣味性, 更易激发观众兴趣, 引起观众共鸣, 如飞碟说的作品《钓鱼岛的前世今生》等。第四, 其虚拟性也使得观众能看到以前看不到的事情发展过程或事物内部构造, 如《一千种死法》就利用动画技术模拟再现了死亡发生时人体内部是如何受到创伤的。第五, 动画与真人相结合的方式则更具有科技感与创新性, 将这种方式应用到个人简历的制作中就是个不错的选择。
(三) 交互可视化
1. 基于web的点选交互。
互联网中的点选交互可视化作品往往展示多维数据或从不同维度展现同一部分数据, 具有实时性与很强的操作性, 用户可自由地探索感兴趣的数据。如展现英国历史的《互动历史年表》, 不仅有明确的时期划分、事件展现, 还呈现出历史时间的密度, 用户还可以点击“Take a journey”来动态浏览历史流。不仅如此, 数据可视化也不再是专业人士的“独宠”, 只要喜欢, 普通用户也可以通过一些软件, 如SAP的Crystal Dashboard, 来创作出交互可视化方案。目前发布的互动式在线视频Touch Cast以一种看似视频但又感觉如同网页的方式来重新思考互联网, 它可以在视频中加入能直接互动的视频APP, 用户可以通过视频APP将Twitter、Facebook、You Tube等插入视频画面中, 可称得上是web平台的革新式互动数据可视化方式。
2. 基于虚拟技术的体验式交互。
技术对于艺术创作的变革带领我们进入了一个追求“物我合一”的时代, 设计者越来越注重人机互动, 强调人的参与。以运动产品为例, 目前, 阿迪达斯推出的mi Coach科技训练装备智能足球, 从外观上看与普通足球并没有什么不同, 这并不会转移运动员的注意力;但其内部包含了一套非常特殊的传感器, 运动员所有与足球接触的数据都会通过传感器进入中央控制器来将数据进行统一分析, 通过蓝牙4.0可以将这些数据第一时间传输到用户的i OS设备上, i OS应用还可以模拟足球的飞行轨迹, 并且在i Phone或i Pad上以3D的方式展示给用户, 直到用户踢出了自己满意的轨迹为止。这种可视化方式更强调个性化与人本, 具有智能化、准确性、即时性、游戏性的特征。
3. 作为艺术的交互可视化。
数据收集方式从过去的被动式发展到博客时代的主动式, 再到现在数字时代的自动式, 人类的一切活动都以比特的形式被记录下来, 可以说人类也是数据的一部分。当今, 数据可视化已不仅仅是一个展示工具, 更成为一门新的艺术出现在我们的生活中, 带给我们新的审美感受。在国外某机场, 人们登机信息中身份证号码或者护照号码中的四位数字被自动输入系统中, 每通过一位乘客, 机场LED大屏幕上就会根据不同的数字增加不同的图形, 作品因用户的参与不断趋于完整。这种新媒体艺术作品不但具有创新性与动态性, 而且具有随机性与变动性, 它回击了关于新媒体疏离人情的质疑, 它使得普通人成为艺术作品的一部分, 强调人参与的重要性, 艺术来源于生活, 来源于大众。
三、数据可视化的未来
(一) 形式与内容相统一
数据可视化的主要目的是借助图形化手段更高效和清晰地交流信息, 但这并不意味着它的表现仅仅只是拥有华丽的视觉外观而已, 更重要的是要把握住良好的外观和内在功能性之间的平衡关系, 不仅要对复杂枯燥的数据进行视觉的设计, 而且还要对带有各种专业性质的数据的分析、理解、抽象并对其进行提炼, 与内容相匹配的形式才是合适的形式。第一, 可视化必须非常容易理解, 即使是孩子也能明白其表达的意思。第二, 它的视觉元素是用来帮助理解信息含义而存在的, 弱化视觉上的信噪比, 简洁明了且无歧义。第三, 它表达的应该是那些被隐藏的、平时不易发现的、同时又是正确的、给人带来启发的信息。同时, 可视化应从最初的功能性、技术性追求最终转入内在的文化性上, 这才是发展的长远之道。
(二) 个性化数据生活
不经意之间, 数据已成为我们生活不可或缺的一部分。或许在不久的将来, 从我们每天睁开眼的那一刻起, 个性化的信息推送就会接踵而至, 手机等移动设备将成为无微不至的数据管家。它不仅仅告诉我们今天的温度, 甚至会告诉我们应该穿哪件衣服, 衣服和哪个包搭配。数据可视化的目的不仅仅是美观精致, 更重要的是有效地为每个人提供有效的数据分析从而优化生活质量。另一方面, 数据可视化应该更关注特殊人群的生活, 比如针对色盲人群的可视化方案应考虑到色盲人士对色相的辨识能力较弱, 但却对明度、饱和度非常敏感, 从而确定合适的配色方案。优秀的数据可视化并不是要让人惊异于它崭新的形式和素材, 而应该让人惊异于它居然来自看似平凡的日常生活, 并且让我们的生活更加精彩。
摘要：数字时代, 信息爆炸使得我们生活的各个领域都呈现出数据爆发式增长的趋势。人类对分析世界的渴望使得数据可视化成为人们视野中的焦点。从商业到医疗, 从政府到教育, 处处可见数据可视化的身影。数据可视化的主要目的是借助图形化手段更高效和清晰地交流信息, 不同的数据可视化方式功能不同, 带给受众的审美感受也不同。
关键词：数据可视化,可视化类型,可视化特征
参考文献
[1]Victor, Mayer-Sch?nberger, Kenneth, Cukier.大数据时代[M].浙江人民出版社, 2013.
[2]徐昊, 宋辰.数据之美[J].计算机世界, 2013 (32) .
[3]Vitaly Friedman.Data Visualization:Modern Approaches.Smashing Magazine, 2007-08-02.
[4]Julie Steele, NoahIliinsky.数据可视化之美[M].祝洪凯, 李妹芳 (译) .机械工业出版社, 2011.
[5]Tricia Austin, Richard Doust.新媒体设计概论[M].上海人民美术出版社, 2012.
[6]Jason Shang.互动式的在线视频TouchCast发布, 可在视频加入能直接互动的vApp[DB/OL].36氪关注互联网创业, 2013-06-29.http://world.kankanews.com/tech/2013-06-29/1980125.shtml.
[7]张晓微.阿迪达斯推出智能足球, 各项数据可无线传至手机[DB/OL].腾讯数码, 2013-05-29.http://digi.tech.qq.com/a/20130529/002374.htm.
数字可视化 篇5
摘要：针对数字逻辑电路中基本概念多且抽象及工程实践性强的特点，如何设计教学内容与环节，使学生在有限学时中掌握其实际应用知识，以提高学生的综合实践与工程应用能力，是数字电路实验教学需要解决的重要問题。知识可视化与项目驱动法等先进教学工具与方法已应用于数字电路实验教学，并取得良好的实验教学效果。
关键词：知识可视化；项目驱动法；虚拟仿真；数字电路
【中图分类号】G642.0
基金资助：
[1]南昌工程学院校级教改课题（课题编号：2014JG002）
[2] 2014年江西省大学生创新创业计划专项基金项目
0 引言
数字电路是电子信息类、通信类、自动化类、计算机类等专业的必修课程[1]，是概念性、实践性、工程性都很强的专业基础课。该课程的教学，是以培养学生的专业素质和实践能力为目标，以培养学生的工程应用能力为核心。如何设计教学内容与环节，使学生掌握更多的实际应用知识，以提高学生的综合实践与工程应用能力，各高校都在其教学大纲中设计了重要的实验环节。目前，大部分高校的实验内容主要以验证性实验为主，以综合设计性实验为辅。笔者认为，综合设计性实验选题设计的质量优劣，直接关系到数字电路的实验教学质量的高低，进而影响学生的学习积极性及学习效果。
针对数字电路中基本概念的“多、杂、抽象”及器件类型的“多、繁、广”的特点[1-2]，本文提出利用知识可视化技术与项目驱动教学法开展数字电路课程的理论与实验教学，将多且抽象的理论概念用知识可视化技术展示出来，便于概念的理解与掌握，同时以项目驱动的教学方式调动学生主动学习的积极性，激发学生的创新与实践能力，培养学生的创新意识与协作精神。以上先进教学工具与方法在数字电路实验教学中的应用在南昌工程学院通信工程系已取得良好的教学效果与口碑。
1 知识可视化与项目驱动法
Martin和Burkard于2004年提出的知识可视化（Knowledge Visualization）已成为全球教育工作者的研究热点[3-4]。知识可视化是指利用可视化技术将抽象复杂的知识转化为易于被认知接受的视觉图像，能够减少认知负荷，便于知识的理解、传播和创新。简而言之，知识可视化是为了帮助学生通过自主学习的方式获取知识或者理解知识，将专家的知识结构展现给学生的一种途径，也指所有用来建构和传递复杂见解的图解手段。
项目驱动法是指在教学过程中以项目为基线或核心进行教学内容的展开，把相关的知识点融入到项目中的各个环节中，逐层推进项目[5]。通过对项目问题的深化或功能扩充，进一步拓宽知识的广度与深度，直至得到一个完整的项目解决方案，从而达到学习知识、培养能力的目的。因此，项目驱动法的基本特征为“项目为主线，老师为主导，学生为主体”[6]。显然，项目驱动法可将枯燥的知识转变为生动的技术实现，利于学生理解和掌握所学知识，培养学生的解决问题与创新能力。
2 案例分析
在数字电路实验的综合设计性实验环节，笔者采用知识可视化与项目驱动法进行教学。显然，项目选题才是综合设计实验的关键，而知识可视化仅是工具与手段。项目驱动法的项目任务应尽可能包含多种设计方案，而且要求具有典型性，其目的是既利于每个学生在设计过程中具有多种选择，极大扩展学生的发散思维，激发学生的创造力，又能发挥教师的引导作用，突出学生的主体创造作用。而知识可视化技术只是一种知识表征工具，以期实现抽象的数字电路概念知识的图表化、直观化及可视化，进而便于理解与掌握。
下面以笔者实验教学的具体实例——七分频逻辑电路系统设计，简述知识可视化与项目驱动法在数字电路实验教学中的应用。
七分频逻辑电路系统设计的具体要求为：实现输入时钟脉冲的七分频输出，其中输出占空比任意；时序电路形式为异步或同步；触发器类型为D或JK触发器，组合逻辑器件任意，利用实验室平台进行设计及示波器测试系统输出波形。
1）电路系统建模
众所周知，逻辑系统设计的关键工具就是可视化的状态图[1]，因此本设计也采用状态转换图进行系统的建模。由数字电路原理可知，仅需三位触发器即可实现输入脉冲的七分频，用最高位触发器的输出作为系统输出[1]。本文任意选择两种状态转换过程以说明知识可视化技术在本设计中的应用，如图1所示。
显然，由图1的两个建模方案中的状态转换图可知，方案1的占空比为 ，方案2的占空比为 ，输出为非对称的矩形波，从而以可视化的形式说明了占空比（Duty Cycle）的基本概念。电路系统建模是否合理，可利用Multisim等虚拟仿真软件进行模型验证。
2）电路系统结构设计
学生收到任务后，充分发挥各自的发散性思维，提出了多种电路设计方案，大致概括为以下三类，并选取典型案例加以说明：
明显地，由图2可得，选择不同的触发器类型可实现相同的功能；由图3可看出，D触发器构成异步电路比同步电路要简单的多，而且可靠，但其设计技巧性较强，主要因异步电路设计自由度较大[2]；而由图4可得，不同的电路状态选取，得到的电路结构复杂度与设计成本也完全不同。结合以上的知识可视化技术，综合不同实例可看出，数字电路中的异步与同步、最简与非最简、JK触发器与D触发器等抽象概念都在学生的综合设计性实验的创造性设计过程中熟悉并掌握。
3 结束语
知识可视化与项目驱动法等先进教学工具与方法可在数字电路实验教学过程中取得良好的教学效果。知识可视化将抽象复杂的概念通过易于接收的视觉图表表示出来，便于学生的对知识点的理解与掌握。而项目驱动法将学生的学习模式由被动学习转为主动学习，且改变原来单调的授课方式，极大的释放了学生的学习潜能，激发了学生的创新意识。当然，知识可视化表现方式与项目设计质量的优劣直接影响其在数字电路教学中的应用效果，因此知识可视化表现形式与项目设计需要重点思考与把握。如何更好的发挥知识可视化与项目驱动法的潜在优势，需要不断地完善数字电路相关知识的可视化形式，不断地提高项目设计深度与广度。
参考文献：
[1]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M]，北京：高等教育出版社，2006.
[2]刘金锦 等.“数字电子技术基础”课程改革探索与实践[J].工业与信息化教育，2015（3）：24-26.
[3]张霞.知识可视化研究综述[J].软件导刊（教育技术），2013（2）：8-11.
[4]Eppler，M.J.，Burkard，R.A. Knowledge visualization： towards a new discipline and its fields of application. http：//www.bul.unisi.ch/cerca/bul/publication/com/pdf/wpca0402.pdf.
[5]盖颖.项目驱动教学法在现代汉语教学中的应用[J].教育探索，2009（8）：53-54.
[6]冯强，白珍.项目教学法在工业设计专业教学中的实践[J].大学教育，2015（7）：144-145.
作者简介
数字可视化 篇6
Matlab是美国MathWorks公司推出一种集数值运算、符号运算、可视化建模和图形处理等多种功能于一体的优秀图形化语言。它包括小到方程求解、多项式的运算、数学的极值计算, 大到金融、工业系统仿真和统计等诸多领域都得到了广泛应用。Matlab系统不仅提供大量涉及各个工程领域的工具箱来简化科学计算、工程设计和分析等工作, 而且提供具有自身特点的编程语言, 可以轻松地实现大量数据的分析、处理和显示任务。
一般而言, 工程设计中总希望将数据或设计结果用图形来表示, 以使数据的特征或性能能够直观的体现出来。对于一般的高级语言程序来说, 绘制图形, 尤其是根据计算结果得到不规则图形是一项较为复杂的工作, 用户只有在对该语言有较为深入的了解后才能迅速准确的绘制所需的图形, 而MATLAB面向对象的图形设计技术, 用户无需了解图形实现的细节内容, 有时甚至只需要一条简单的指令, 便可以轻松实现原始数据或处理后数据的绘制任务。
目前, 基于其他软件和工具生成三维地形模型已经实现, 如:基于OpenGL (开放性图形库:Open GraphicsLibrary) 三维图形库的、基于CDT (约束狄洛尼三角网:ConstrainedDelaunayTriangulation) 理论的、基于GIS (地理信息系统:GeographicInformationSystem) 三维可视化的, 但其过程都较复杂, 对理论知识有较深的要求。本文尝试一种新的方法, 将轻松实现三维地形模型。
2 模型的建立
利用中自带函数和将已有的地形三维数据x, y, z运用相关命令赋给以上函数, 然后函数会自动生成相应的曲面图和网格图。Matlab中函数建立三维模型是基于不规则三角网 (TriangulatedIrregularNetwork, TIN) 模型的。
生成TIN的关键是Delaunay三角网的产生算法, 下面先对Delaunay三角网和它的偶图Voronoi图作简要的描述。
Voronoi图, 又叫泰森多边形或Dirichlet图, 它由一组连续多边形组成, 多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平分线组成。N个在平面上有区别的点, 按照最近邻原则划分平面:每个点与它的最近邻区域相关联。Delaunay三角形是由与相邻Voronoi多边形共享一条边的相关点连接而成的三角形。Delaunay三角形的外接圆圆心是与三角形相关的Voronoi多边形的一个顶点。Delaunay三角形是Voronoi图的偶图。
对于给定的初始点集P, 有多种三角网剖分方式, 而Delaunay三角网有以下特性:
1) 其Delaunay三角网是唯一的;
2) 三角网的外边界构成了点集P的凸多边形“外壳”;
3) 没有任何点在三角形的外接圆内部, 反之, 如果一个三角网满足此条件, 那么它就是Delaunay三角网;
4) 如果将三角网中的每个三角形的最小角进行升序排列, 则Delaunay三角网的排列得到的数值最大, 从这个意义上讲, Delaunay三角网是“最接近于规则化”的三角网。下面简要介绍Delaunay三角形产生的基本准则:
有公共边的Voronoi多边形称之为相邻的Voronoi多边形 (如图1细实线所示) , 连接所有相邻Voronoi多边形的生长中心所形成的三角网称为Delaunay三角网 (如图1粗实线所示) 。此定义是从它们二者诞生的先后顺序入手的, 如图1所示。
Delaunay三角形产生准则的最简明的形式是:任何一个Delaunay三角形的外接圆的内部不能包含其他任何点[Delaunay1934]。
Lawson[1972]提出了最大化最小角原则:每两个相邻的三角形构成的凸四边形的对角线, 在相互交换后, 六个内角的最小角不再增大。
Lawson[1977]又提出了一个局部优化过程LOP (LocalOptimizationProcedure) 方法。先求出包含新插入点p的外接圆的三角形, 这种三角形称为影响三角形 (InfluenceTriangulation) 。删除影响三角形的公共边, 将p与全部影响三角形的顶点连接, 完成p点在原Delaunay三角形中的插入。
将某点集P转成TIN, 最常用的方法是Delaunay三角剖分方法, 生成过程分两步完成:
1) 利用P中点集的平面坐标产生Delaunay三角网;
2) 给Delaunay三角形中的节点赋予高程值。
TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络, 区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上, 该点的高程值通常通过线性插值的方法得到 (在边上用边的两个顶点的高程, 在三角形内则用三个顶点的高程) 。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型, 在整个区域内连续但不可微。
TIN的数据不仅要存储每个点的高程, 还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系, 三角形及邻接三角形等关系。有许多种表达TIN拓扑结构的存储方式, 一个简单的记录方式是:对于每一个三角形、边和节点都对应一个记录, 三角形的记录包括三个指向它三个边的记录的指针;边的记录有四个指针字段, 包括两个指向相邻三角形记录的指针和它的两个顶点的记录的指针;也可以直接对每个三角形记录其顶点和相邻三角形) 。每个节点包括三个坐标值的字段分别存储坐标这种拓扑网络结构的特点是对于给定一个三角形查询其三个顶点高程和相邻三角形所用的时间是定长的, 在沿直线计算地形剖面线时具有较高的效率。当然可以在此结构的基础上增加其他变化, 以提高某些特殊运算的效率, 例如在顶点的记录里增加指向其关联的边的指针。
不规则三角网数字高程由连续的三角面组成, 三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点, 或节点的位置和密度。不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置, 因而它能够避免地形平坦时的数据冗余, 又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。
在MATLAB中, Delaunay三角网是函数自动根据内部命令生成的, 将三维点集输入后, 即可插入到相应的三角网中。
3 程序的设计
通过可视化的技术, 使得常规测量和GPS测量等数据在计算机上可以真实的模拟再现相应环境的三维地形, 设计人员可以在三维立体模型上进行线路的踏勘、选线等各种设计, 如同亲临现场一样。同时也使设计者充分发挥自己的聪明才智, 将设计进行的尽善尽美。
运用Matlab提供的用户图形界面 (Graphical UserIneterface, GUI) , 设计了从读取原始数据到最后三维可视化显示的界面, 用户可以轻松的选择数据文件然后到三维可视化显示。
3.1 设计思路如图2所示
第一步:采集三维地形数据;
第二步:导入MATLAB系统, 建立三维模型;
第三步:三维地形的显示。
3.2 主界面
程序的主界面:一个绘图区, 一个显示文件路径的edit和三个用于保存数据的edit, 四个按钮分别为:`读取文件', `绘图', `保存', `关闭'。`绘图'按钮的部分代码如下:
4 实例
以实际某山区的一份三维地形数据为例, 该数据为1000组, 3000个点, GPS测量, 生成以下三维数字地形模型。
图3是立体的曲面图, 该图逼真显示了该段地形、地貌特征, 并且用不同颜色填充表面, 加上设置了灯光效果, 使得立体感更加强烈。
图4是立体的网状图, 用三角网格的形式显示地形, 网格随高度不同也表现出了不同颜色, 充分反应了地形凹凸不平的特点。
5 结束语
利用Matlab进行数字地形的模拟, 生成的大范围的三维立体模型使得在此立体模型上进行工程设计成为可能。并且用户不需要了解图形实现的细节内容, 就可以完成三维图形的可视化工作, 它具有效率高、算法易于实现等特点, 在工程设计中将克服目前二维设计不直观、作业周期长、工作量大、重复性工作多等缺点, 大大减轻工作人员的工作量、节约投资。对三维地形模型可视化的研究和应用, 不仅能推动铁路、公路勘测设计一体化、智能化的进程, 同时也是作战环境仿真研究的重要组成部分, 是未来战场数字化的基础性工作, 具有极其重要的军事意义。
参考文献
[1]SUP, ROBERTL, SCOT DRYSDALE.A Comparison ofSequential Delaunay TriangulationAlgorithms[J].Compu-tational Geometry, 1997, (7) :361-385.
[2]李志林, 朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社, 2001:34-56.
[3]陈慧群, 陈少克.一种基于格子分块的快速Delanay三角剖分算法[J].计算机与数字工程.2007 (2) .
[4]刘永和, 王燕平, 齐永安.一种快速生成平面Delanay三角网的横向扩张法[J].地球信息科学, 2008 (2) .
[5]马智民, 罗斌.Delaunay三角网构建DEM整体优化算法[J].长安大学学报 (自然科学版) , 2008 (5) .
[6]赵岩, 张子平.一种动态构建Delauay三角网的算法[J].测绘工程, 2008 (6) .
[7]林雪松.MATLAB7.0应用集锦[M].北京:机械工业出版社, 2005 (9) .
[8]郑阿奇.MATLAB实用教程[M].北京:电子工业出版社, 2004 (5) .
[9]李志林, 朱庆.数字高程模[M].武汉:武汉出版社, 2001:64-71.
[10]张铮.MATLAB程序设计与实例应用[M].北京:中国铁道出版社, 2003.
数字可视化 篇7
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Arc Objects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———Plant GL,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Open GL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Arc View、Arc Map、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Arc Engine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Arc Scene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覿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觔o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]。以浙江省天目山国家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。
数字可视化 篇8
随着PDM系统和协同数字化设计在企业的推广, 越来越多的设计人员开始通过网络传递电子图纸, 为了保证CAD图纸在传输过程中的完整性, 验证签名人身份的真实性和确保签名的不可抵赖性, CAD图纸的可视化数字签名技术应运而生。
在CAD图纸的可视化数字签名过程中, 图纸经签名后, 正常情况下是不允许被改动的, 然而, 可视化数字签名是在图纸被打开的情况下进行的, 难免会有图纸被改动的事件发生, 并且, 签名信息作为图形文件的一个属性隐藏在图纸中, 签名实体的增删理论上是修改了图纸, 但实际操作过程中, 图纸被看成没有被改动。因此, 需要一个机制有条件地防止图纸被修改。
2 设计
CAD图纸完整性是指图纸从一个节点到达另一节点再从该节点流出的整个过程中图形内容没有发生变化。修改动作发生后, 只有通过执行保存命令才能在结果上破坏图纸的完整性, 因此可以分两步确保CAD图纸的完整性: (1) 判断图形内容是否被改动; (2) 根据判断结果决定图纸能否保存。
在可视化数字签名系统中, 签名实体作为图纸的一部分存在, 而签名信息则隐藏于签名实体中, 对图形内容的计算将忽略签名实体, 图1描述了图形内容是否改变的简单判定过程。
图1中的“签名信息”是用户签名时存在签名实体中的, 其中包含的散列值hash是签名时图形内容经hash运算处理的结果, 一旦图纸被改动, hash的值一定会变化, 从而可以通过对散列值的比对来判断图形内容是否更改。
开始运行保存命令之前, 首先检测图纸是否被改动, 如果没有被改动, 则执行保存命令;如果图纸发生了更改, 则调用函数Veto () 终止保存命令。
3 实现
以Objectarx 2005+VS2002对AutoCAD2005进行二次开发为例, 编程语言C++对可视化数字签名系统中的CAD图纸完整性保护的实现进行详细介绍。
3.1 保存命令的监测
在Objectarx工程中添加一个类SaveReactor, 继承基类A-cApDocManagerReactor。在类视图中, 选择“按类型分组”, 然后在如图2所示的树结构中找到函数documentLockModeChanged, 右键实现基类这个方法。
在SaveReactor.cpp文件中, 找到函数documentLockModeChanged, 编写代码如下:
当CAD准备运行“QSAVE”、“SAVE”和“SAVEAS”命令时, 调用函数IsInfoModified检测图纸是否被改动, 如果图纸已被修改, 函数返回“true”, 调用veto () 终止待执行命令。
3.2 图形内容检测
发现有保存命令要运行时, 系统将调用IsInfoModified函数来检测图形内容是否有更改。此次实例中, 图纸一旦经设计签名, 图形内容将不能被改动, 即有设计签名时才进行图形内容的检测, 部分代码如下:
如果存在设计签名, 则将目前图形信息与设计签名实体中的信息进行比对, 检测图纸是否被更改, 其中, 签名实体中的信息表示如下:
这些信息存于签名实体的扩展属性中, 验证图形信息是否变化时, 首先读出密文、公钥等信息, 然后将它们与图形信息info的哈希值一同作为参数传递给函数CryptVerifySignature, 部分代码如下:
如果CryptVerifySignature返回真, 说明图形内容没有被修改, 此时IsInfoModified返回假, 反之。
4 结语
在实际工程应用中, CAD图纸的完整性保护非常重要。在此所采用的方案能够防止图纸被改后的保存动作发生, 保证了工程图纸的完整性;同时, 实现该方案的是一个独立的ARX文件, 不影响可视化数字签名系统其他功能。实践证明, 该方案简单易行, 能很好地保证图纸在可以签名的情况下图形内容的不可修改性, 在一定程度上保障了CAD图纸在网络传递过程中的安全性。
摘要：CAD图纸可视化数字签名系统中, 图纸的完整性保护极为重要。从可能改变图纸的保存命令出发, 通过截获保存命令设计了一个图纸完整性保护方案, 并以图形软件AutoCAD2005为载体, 编程实现了可视化数字签名系统中CAD图纸图形信息的过滤计算, 然后用数字签名技术的解密算法来验证图形数据的一致性, 确保了CAD图纸在可以被有条件改动情况下的完整性。
关键词：CAD图纸,数字签名,完整性
参考文献
[1]肖立峰, 杨文斌.基于AutoCAD的工程图纸可视化数字签名[J].江苏大学学报, 2006, 27 (5A) :24-26.
[2]谷利泽, 杨义先.在AutoCAD环境中实现可视化数字签名[J].计算机应用研究, 2004, 21 (7) :41-42.
[3]甘辉.利用ObjectARX与MFC实现应用程序开发[J].研发与制造, 2007, (1) :85-87.
数字可视化 篇9
由模拟对讲机所组成的传统调度系统已经逐渐暴露出不足, 不能完全满足安保工作的需求, 采用数字对讲机逐步取代传统的模拟对讲机是一种趋势[2]。而且, 目前市场上与数字对讲机相关的可视化调度软件也普遍存在以下一些问题: (1) 软件采用传统的菜单式用户界面, 即使实现了可视化, 但是操作非常复杂; (2) 显示不够直观, 人机界面古板; (3) 缺少更方便快捷的短信息发送机制; (4) 没有实现“一键通话”的功能等等。
因此, 传统的对讲机可视化调度软件已不能完全满足安保工作的需求。安保指挥调度迫切需要一种新的针对数字对讲机的可视化调度软件, 它可以使指挥更精确、敏捷、高效、全时段、全方位和全覆盖。
1 基本概念
1.1 数字对讲机及其特点
数字对讲机是采用数字技术进行设计的数字对讲机。数字对讲机则是将语音信号数字化, 要以数字编码形式传播, 也就是说, 对讲机传输频率上的全部调制均为数字。只有直接采用数字信号处理器的对讲机才是真正意义上的数字对讲机, 而采用数字控制信号的对讲机 (如集群系统的对讲机) 则不属于数字对讲机。数字对讲机有许多优点, 首先是可以更好地利用频谱资源, 与蜂窝数字技术相似, 数字对讲机可以在一条指定的信道上如25KHZ装载更多用户, 提高频谱利用率, 这是一种解决频率拥挤的解决方案, 具有长远的意义。其次是提高话音质量。由于数字通信技术拥有系统内错误校正功能, 和模拟对讲机相比, 可以在一个范围更广泛的信号环境中, 实现更好的语音音频质量, 其接收到的音频噪音会更少些, 声音更清晰。最后一点是, 提高和改进语音和数据集成, 改变控制信号随通讯距离增加而降低的弱点, 与类似集成模拟语音及数据系统相比, 数字对讲机可以提供更好的数据处理及界面功能, 从而使更多的数据应用可以被集成到同一个双向无线通讯基站结构中对语音和数据服务集成更完善、更加方便。这三大特点使得数字对讲机将成为未来对讲机技术发展的必然趋势[3]。
1.2 可视化
可视化是2O世纪80年代后期出现的一门新技术, 其作用是把某些比较复杂繁琐的文字和数据进行转换, 成为直观的图形或者图像, 以便能让人们形象地理解数据的过程, 它是对数据或者文字的补充表达和提升。信息可视化就是利用计算机的支撑、交互, 以及对抽象数据的可视表示, 来增加人们对抽象信息的认识[4]。随着信息技术的不断发展和对无线通讯需求的不断提高, 客观上要求将数字对讲机的信息进行可视化的操作。借助数字对讲机为用户提供完备的二次开发接口, 允许用户或第三方厂商开发更丰富的应用软件来扩展对讲机功能。这样就可以依据自身需求开发可视化应用服务。
1.3 Ribbon的风格软件及其特点
随着Office2007的兴起, 微软让人们看到了Ribbon风格的窗体[5]。Ribbon功能区包含一些用于创建、编辑和导出仪表板及其元素的上下文工具。它是一个收藏了命令按钮和图示的面板。它把命令组织成一组“标签”, 每一组包含了相关的命令。每一个应用程序都有一个不同的标签组, 展示了程序所提供的功能。在每个标签里, 各种的相关的选项被组合摆放在一起。Ribbon风格的软件构架, 外形更加华丽, 而且跟传统的菜单式用户界面相比较, Ribbon风格界面的优势主要体现在如下几个方面:
(1) 所有功能有组织地集中存放, 不再需要查找级联菜单、工具栏等等;
(2) 更好地在每个应用程序中组织命令;
(3) 提供足够显示更多命令的空间;
(4) 丰富的命令布局可以帮助用户更容易地找到重要的, 常用的功能;
(5) 可以显示图示, 对命令的效果进行预览, 例如改变文本的格式等;
(6) 更加适合触摸屏操作。
Ribbon风格的软件界面使得用户操作更加方便友好。因此, 越来越多的软件开发商开始抛弃传统的菜单式界面, 转而采用Ribbon界面。
2 解决方案
2.1 硬件平台的组成结构
调度平台组成结构图如图1所示, 本文所述的数字对讲机调度系统方案采用一台计算机、一台数字集群车载台和若干台数字对讲机组成硬件平台。其中计算机与车载台通过专用数据线连接, 并且运行新的数字对讲机可视化调度软件。在使用数字对讲机或车载台之前, 需要用电脑通过对讲机专用数据线把需要使用的频点、ID号、组号等相关参数信息输入到对讲机中, 这个过程称为写频。数字对讲机在写频后通过频道旋钮来选择需要使用的频率。
2.2 软件功能实现
可视化调度软件如图2所示, 软件采用Ribbon风格的应用程序框架。所有与调度指挥相关的按键以Ribbon功能区的形式呈现, 不再需要查找级联菜单, 大大减少了操作复杂度。这样就为调度指挥人员提供一个简洁明快的操作平台, 人机界面友好。可以支持单呼、组呼、全呼功能, 键盘操作大大提高了对讲机短信编辑、收发效率, 对讲机与中继台之间中英文信息显示更为直观。
所有人员 (对讲机) 以树状列表的方式显示在可视化调度软件中, 以特殊颜色标识出当前系统内在线的人员, 便于管理、调度。用户信息树状列表具备查询功能, 通过输入对讲机ID号或者用户名就可进行查询。
调度软件运行支持数据库, 所有对讲机控制功能都将写入数据库, 包括对讲机基本信息、呼叫控制记录、短消息收发、开机注册、关机注销、GPS定位信息、报警记录、操作员登录的权限信息。
可视化调度软件能支持显示网络地图和数字地图, 网络地图有Google Maps, 离线地图格式有Map Info。每台对讲机内置GPS功能可随时定位, 并将GPS信息上传至可视化调度软件, 软件根据GPS信息在地图上显示出每个对讲机的正确位置。一旦有突发事件, 可视化调度软件可以根据对讲机发送的紧急消息快速定位事件发生地点, 第一时间发布紧急情况信息, 指挥周边的工作人员。调度员还可以通过数据库记录的GPS信息, 对某个对讲机使用人员的行进路线进行轨迹回放。
支持用户输入和修改对讲机基本信息 (名字、性别、对讲机号、组号、电话、手机) , 支持用户注册 (注册名、密码、权限) , 并根据不同的权限开发不同的功能。为确保系统的安全性和资源使用的合理性, 提供权限管理机制, 由系统管理员根据需求为操作员分配权限, 特殊的功能只有管理员级别才能拥有, 如在数字对讲机遇窃、非法占用信道资源等情况发生时, 管理员可以通过遥毙的方式使其不能正常工作。被遥毙的数字对讲机激活后又可恢复正常使用。
软件支持键盘来实现PTT功能, PTT就是“一键通话” (Push-To-Talk) , 一按就可以通话, 是移动通信里快速建立通话的业务。在当今信息化时代, 人们总希望一按某一个键就立即可以通话, 而不像公众移动电话那样先拨11位数, 还要等待一段时间后才能通话, 若遇对方正在通话还不知何时可以通话, 不论你有多么急的事都只有耐心等。数字对讲机一般都设计了PTT键, 但与对讲机配套的调度软件却没有这个功能。于是, 本文所述软件根据调度员的操作习惯, 专门设计了计算机键盘上的按键作为调度软件的PTT键。调度指挥人员只需面对屏幕按下/松开按键就可以进行语音呼叫/取消呼叫。采用该方式进行语音呼叫将大大提高指挥调度的效率。
3 小结
基于Ribbon风格的数字对讲机可视化调度软件结合实际工作流程, 实现信息高效调度, 系统贴合用户需求, 融合电子地图、集群调度、数据服务等信息服务, 创新性地开发出一键呼叫、群发信息、群组呼叫、定位、轨迹回放等功能, 将时间、空间、人力有机联动, 实现高效的可视化调度。其强大“一键通话”功能满足了安保工作的语音通信集群调度要求, 友好Ribbon风格的界面使得数字对讲机调度过程、地图的显示、数据操作融合为一体, 而且大大提升了用户的交互性, 并且预备了功能扩展的接口。
参考文献
[1]何迈, 刘俊勇.智能电网可视化调度系统的实验设计及其实现[J].实验室研究与探索, 2011 (9) :83-88.
[2]李侠宇.国内数字集群的发展和技术比较[J].移动通信, 2007 (Z1) :19-22.
[3]数字对讲机.百度百科[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/3657911.htm.
[4]李连晖.可视化调度系统[J].农村电气化, 2011 (2) :40-41.
数字可视化 篇10
集装箱作为现代物流的主导载体, 给世界散杂货运输带来了一场革命。以多式联运的形式把海路、铁路、公路、内河水路等多种运输方式有机地结合, 构成连续的、综合性的一体化的货物运输网络, 实现了“门到门”运输。然而这种优势的背后所隐藏的弊端却常常被忽视。集装箱作为货物运输的媒介在完成货物运输、给客户带来方便的同时成为空箱, 空箱的再利用需要不会产生任何效益的空箱调运。空箱调运成为长期以来困扰航运企业的老大难问题。
集装箱的周转必须经过拆与装的过程, 而拆箱和装箱通常发生在不同的时间、不同的地点。货主为了装运货物产生空箱需求, 附近的港口、堆场、中转站将空箱运到货主所在地。如果上述地点缺少空箱, 就需要从其他地点调运、或从系统外的租箱点租借。当货主的空箱需求满足后, 空箱装入货物成为重箱, 经公路、铁路、内河运输到目的地港。重箱卸下后再经公路、铁路或内河运输到客户所在地, 重箱卸完货物后成为空箱, 空箱将被运往附近的港、场、站以备再次使用, 或还给租箱点。上述集装箱的流向与流程取决于空箱/重箱的需求与供给分布以及海运与内陆集疏运体系的运行模式等。
分析上述空箱流程, 造成空箱调运的客观原因是港口进出箱量的不平衡、进出箱型的不平衡、港口集疏运能力低等。另一方面, 人为因素形成的货流不平衡所引发的集装箱的供需矛盾也是另一重要原因, 主要体现在集装箱空箱管理的组织与调度水平方面。本文将着重从这方面着手, 为集装箱空箱调运决策的智能化与可视化奠定基础。
2 空箱调运决策与调运网络
2.1 空箱调运决策
集装箱空箱调运本质上属于运输规划与物流调度方面的问题。其核心要解决3个方面的决策问题:
1) 从何处调运空箱, 即决定空箱从供应点到需求点的流向与路径。
2) 调运多少空箱, 即确定需求点与供应点之间空箱的流量。
3) 在何时调运空箱, 即决策调运空箱的时间。
上述3个方面的决策都需要对空箱调运网络的数字刻画作为基础。
2.2 环渤海湾空箱调运网络及节点参数
选取环渤海地区的6个主要集装箱港口:大连港、营口港、秦皇岛港、天津港、烟台港及青岛港。选取的航线形式为典型的往返型航线。各港口影响空箱调运的参数包括各港间的距离、航行时间、集装箱租金费率、重箱与空箱存储费率、重箱与空箱装卸费率、重箱与空箱运输费率、各港口空箱的余箱或缺箱状态、各港口空箱需求量、各港口空箱供给量、各港口可能的租箱量等。
2.3 相关研究综述
国际贸易活动的不平衡性导致港口间的集装箱空箱供需模式不同, 这就导致了集装箱空箱调运问题[1]。地区间经济贸易的不平衡性以及航运公司集装箱管理水平存在差异, 这些都使得空箱调运在整个集装箱运输系统中占据了大量比重[2]。根据英国德鲁航运咨询公司2002年的调查和估算[3], 在全球的集装箱运量2.01亿TEU中, 空箱的运量为4 100万TEU。以平均288美元/TEU的空箱调运费计算, 班轮公司大概要多支出110亿美元来完成空箱的运输问题, 其中还不包括在多式联运铁路和公路的运输费用。目前全球空箱调运量占集装箱总运量的20%以上, 到2010年全球空箱调运费用将达到500亿美元[4], 船公司将精力集中在揽货和重箱承运上得到的运费收益被不合理的空箱调运费用浪费掉。集装箱空箱调运已成为集装箱运输一个重大难题。
在数字刻画方面, 杨忠振和孙卓[5]利用VB中标准的数据库和接口, 查询和维护由Access创建的数据库, 他们设计的城市道路交通管理信息系统包含2种不同类型的数据库:路段路口信息数据库及交通事故数据库。汤雪茜和陈天伟[6]利用VB编程技术和MapX控件相结合的手段, 设计出了桂林市综合信息系统。该系统将桂林市的综合信息进行存储, 管理员需要对系统定期的进行修改, 删除和更新数据。
地理信息系统 (GIS) 是能够收集、管理、查询、分析、操作以及表现与地理相关的数据信息的计算机信息系统, 其中, 显示数据信息即为信息可视化[7,8]。GIS应用一般有2种情况[9]:利用GIS处理数据;在GIS 基础上2次开发, 形成专用GIS。现已成功应用于资源管理、城市管理和交通运输等诸多领域。Jeremy & Pongrid[10]在分析有噪声问题的地区时, 利用Mapinfo软件设计出了1个能检测道路网存在的潜在问题的系统。这个系统由于使用了Mapinfo软件进行存储、管理、分析和展示地理数据, 所以能够预测道路上行驶的车辆发出噪音的所影响到的区域。胡国超等[11]基于GIS建立了1个广州市的物流管理信息系统, 实现了现代物流技术与GIS技术的有机结合。与传统物流管理系统相比, 该系统用详尽的电子地图替换原有的系统区域简图, 在可以对电子地图进行放大、缩小、漫游、查询、添加实体等操作的基础上, 实现区域内信息的可视化。
本文首先基于Access为空箱调运网络构建关系数据库, 实现整个调运网络的数字刻画, 然后基于MapInfo绘制环渤海地区的空箱调运网络电子地图, 进而实现可视化。
3 基于Access的环渤海湾集装箱空箱调运网络的数字刻画
3.1 对空箱调运网络数字刻画的需求分析
空箱调运网络的数字刻画就是用数据对构成空箱调运网络的节点以及航线的运行参数所进行的描述。
鉴于对空箱调运网络的数字刻画是为空箱调运决策服务的, 因此, 要设计的数据库不仅要能保存数据 (如港口固有数据, 港间数据, 每日的空箱预算量) , 还要便于实现以下功能:数据库基本表的显示、数据维护、数据查询和统计。
3.2 数据库基本表的设计
基于上述需求分析, 将空箱调运决策相关数据分成3类, 根据3个不同的主题, 存放在3张基本表里。分别是:
1) 港口固有数据基本表。存放的数据包括:港口代码、港口名称、空箱余缺状态、租箱费率、存箱费率、装卸费率。
2) 港间数据基本表。存放的数据包括:港口序号、始发港、终到港、航行时间、运费率。
3) 每日空箱预算量基本表。存放的数据包括:港口序号、港口名称、空箱需求量、空箱供给量、最大可能的租箱量。
在此基础上, 建立各表间的关系。
3.3 基本表及数据库窗体的创建
分别将3个基本表的显示, 数据维护, 数据查询和统计功能做成窗体。
将3个数据库通过窗体格式的文件, 呈现给空箱调运的决策者。并将3个基本表中的每条记录都作为窗体展示给用户, 便于空箱调运的决策者对当前记录的修改, 当然也可以查看当前记录之外的记录。也可以根据基本表创建查询结果, 然后再把查询结果做成窗体格式, 包括按行查询、按列查询、交叉表查询、以及参数查询。还可以创建统计功能的窗体, 如图1所示, 该图统计的是各港口的余箱与缺箱状况。创建的时候需要在利用图表向导直接创建窗体, 而不是先根据基本表创建图表再将图表做成窗体格式。
最后, 创建整个空箱调运数据库的窗体, 其构成如图2所示。
4 基于Mapinfo的空箱调运网络可视化
4.1 网络相关数据的获取
要想把Access数据库中的数据附加给Mapinfo中的对象上, 首先是给Mapinfo中的对象建表, 表中的字段要和数据库中的字段完全一致, 然后在Mapinfo的table菜单下, 选择import, 出现1个对话框, 将文件类型选择成MS Access Database (*.mdb) , 就出现了数据库中的表, 选择和当前Mapinfo中工作的表对应那个数据库表, 将数据添加到绘图软件中。
4.2 绘制图层
MapInfo是美国MapInfo公司出品的桌面地理信息系统软件。它的含义是“Mapping + Information (地图+信息) ”, 即地图对象+属性数据。
本文利用该软件为环渤海湾的空箱调运网络绘制3个图层。
第1个图层是区域图层, 目的是展现港口城市所在的地理位置。地图是参照1个底图描绘出来的, 而这个底图源自1张中国地图。只有把中国地图保存成MapInfo识别的图片类型之后, 才可以成为能被利用的底图。环渤海湾地区涉及的省市有辽宁省, 河北省、山东省、北京和天津, 这些区域出现在了区域图层, 见图3所示。
在此之后, 需另建1个图层, 取名为“港口图层”。相对于区域图层描绘的是“面”而言, 港口图层就是“点”。6个港口城市以点的方式出现在该区域相应的位置上, 并用船形标志表示港口。这个图层中各个港口的属性值是可以输入到Mapinfo软件里进行保存, 提取和利用的, 也可以利用MapInfo自带的地理编码功能来打开Access中的数据源, 进行查看和修改等操作。
第3个图层是“航线图层”。航线图层是最增强可视化效果的图层。它是1个“线”层。图4选取的是往返型航线, 用左侧的线表示去程的航线, 右侧的线表示回程的航线。其中, 回程没有在营口港挂靠, 这是基于现实航线的客观要求。
4.3 创建专题地图
MapInfo软件中的专题图创建是比较特殊的1种制图, 因为它是在地图上显示的, 不是单独显示的1张图表。所以在MapInfo软件里, 创建专题图又被称为对地图进行渲染。
专题地图分6种:范围值图, 等级符号图, 点密度图, 独立值图, 直方图和饼图。范围值专题图用来显示数值和地理位置之间的关系。如想展示各省份人口密度的时候, 或者各城市人均收入的时候, 范围值专题图就很有用, 它能用颜色的深浅来表示值的高低。等级符号图就是用等级符号来表示数据, 大的符号代表的数据大, 小的符号代表的数据小。点密度图也能表示数据与区域的关系, 只不过点密度图还能够检查区域中数据的粗略数目, 因为每个点代表1个数量单元, 点数乘以数量单元代表的数值, 就是该区域内的数据值。独立值专题图显示的是图中数据的定量信息, 它用不同的符号, 代表不同的数值, 而不代表数值范围。
例如:为“港口”表中的数据创建1个独立值专题图。独立值专题图的特征在于它不仅能代表数字, 还能代表其他类型的数据。比如本例中“港口”表中有一个字段是港口对空箱的需求状态, 分为两种状态, 分别是“缺箱”, “余箱”, 这些数据不是数字, 不能用来创建其它类型的专题图, 只能创建独立值图。
如图5所示, 专题图的结果是, 所有取值为“缺箱”的港口都以深色的图标出现了, 所有取值为“余箱”的港口都以浅色的图标出现了。这就是独立值专题图的可视化效果。
如果想要加标注的对象的属性是数字类的, 那可以选择其他的专题图, 比如等级符号图, 数据大的对象的标注图形大, 数据小的对象的标注图形小。由于上个例子中选择的是给属性是文字说明类的对象加标注, 只能选独立值图, 1种颜色代表1种情况。
5 结束语
本文对集装箱空箱调运网络进行了数字刻画, 基于Access关系型数据库存储属性数据, 构建空箱调运网络的数据库, 在此基础上, 基于GIS软件中的MapInfo存储空间数据, 并据此制作电子地图, 实现了空箱调运网络的可视化。为集装箱空箱调运决策的智能化奠定了基础, 并为调运结果的可视化进行了有益的尝试。进一步的研究是在空箱调运网络的基础上, 同时考虑该网络节点与航线上的重箱运输, 对空箱与重箱的综合运输网络进行数字刻画, 进而实现整个集装箱运输决策的智能化。
摘要：在对包括空箱在内的集装箱运输网络分析的基础上, 基于Access构建了环渤海湾集装箱空箱调运数据库, 实现了该区域空箱调运网络的数字刻画, 并基于Mapinfo使该调运网络进一步可视化。
关键词：集装箱,空箱调运,数字刻画,可视化
参考文献
[1]丁敏, 孙文一, 顾伟红.集装箱空箱调运的启发式算法优化研究[J].中国航海, 2008, 31 (1) :75-78
[2]刘志谦.集装箱空箱调运分析[J].港口科技, 2008 (4) :32-35
[3]周武, 王正.解决空箱调运问题的途径[J].中国水运, 2005 (10) :30-31
[4]赵道致, 黄健.基于海陆运整体成本的集装箱空箱调运优化研究[J].北京交通大学学报, 2008, 7 (4) :48-52
[5]杨忠振, 孙卓.基于GIS的城市道路交通管理信息系统[J].交通与计算机, 2002, 20 (5) :18-21
[6]汤雪茜, 陈天伟.基于组件式GIS的桂林市公共综合信息系统设计[J].科技信息, 2009 (3) :444-445
[7]丁楠.GIS技术的发展与研究[J].大众商务, 2009 (3) :96
[8]王华金, 蔡虔.数据挖掘可视化技术综述[J].科技广场, 2009 (1) :235-237
[9]田共, 陈晓明.在天津港口规划中应用GIS的思路[J].水运科学研究, 2007 (3) :47-51
[10]Jeremy W, Pongrid K.The experience with user~friendly environmental evaluation software in thecity of Khon Kaen, Thailand[J].Road and Trans-port Research, 2001, 10 (2) :15-28