智慧城市地理空间数据可视化技术探讨

杨永崇，李 梁

(西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054)

智慧城市地理空间数据可视化技术探讨

杨永崇，李 梁

(西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054)

从智慧城市、大数据时代的要求与地图的独特分析功能出发，探讨了大数据时代对地理空间信息及其可视化的要求和技术。对智慧城市建设时期的地理空间数据而言，不仅要求内容更全面更详细、表达更直观更仿真、建模结构化或实体化，而且要求向室内空间与室外空间融合、地上空间与地下空间融合、过去数据与现在数据融合、现在数据与未来数据融合的方向发展。

智慧城市；大数据；地图；地理空间数据；可视化

大数据是智慧城市的核心要件，智慧城市正是从大数据中获取信息和知识才变得智慧起来。图表是有效组织数据、协助研究人员对数据进行探索的重要手段[1-3]。在科学研究史上，门捷列夫发明的元素周期表改变了化学家的思维方式，推动了新元素的发现。天文学家发明的对星体分类的“光谱——亮度图”促成了中子星的发现。因此，除数据挖掘之外，模拟仿真、数学优化等工作同样是加工数据、产生洞察的重要技术手段[4]。

地图是对刻画与描述地球表面的各种现象的数据的可视化表达，它可以帮助人们感知地理世界(描述世界、认识世界)、记录地理世界(详细记录、长久保存)和认知地理世界(空间思维、空间分析)。因此，地图是一种空间分析的模型，是一种基于空间联系的空间思维体系[5]。例如，约翰·斯诺通过地图发现伦敦霍乱原因，德国气象学家魏格纳从世界地图发现大陆漂移学说等。应用地图可视分析发现隐藏在数据背后的特征规律体现了形象思维的重要。地图被认为是改变世界的十大地理思想方法之一。

地图作为地理学家的第二语言，在研究地学特征规律、揭示地理过程机理、挖掘空间分布模式方面承担两大功能：一是作为分析表达工具探求地理学中的科学问题；二是作为载体传播工具交流传输地学研究成果。大数据时代，地图的独特功能将为大数据的分析提供一个全新的空间分析视觉[6]；同时，也对地理空间数据的可视化提出了更高的要求。

在需求和技术的双轮驱动下，智慧城市建设正在加速走向新常态，精准规划、精确实施、精密诊断、精细管理和精明决策已成大势所趋[7-8]。对城市大数据则提出了更“大”(表示全面而详细)的要求，对城市地理信息而言则意味着不仅要求内容更全面更详细、表达更直观更仿真、建模结构化或实体化，而且要求室内空间与室外空间融合、地上空间与地下空间融合、过去数据与现在数据融合、现在数据与未来数据融合。因此有必要探讨智慧城市地理空间数据的可视化技术。

1 地理信息可视化技术

1.1 内容更全面更详细

人们对地理信息的需求已从原来概括性较强的地图向越来越详细(全面、细致、精确、直观且美观，抽象和综合程度低)的方向发展，即地图的比例尺越来越大，地理实体的属性信息越来越详细[9]。

传统地图通常都是概括和抽象地表达地理信息的，在地物方面主要是表达较大和较重要的地物。随着电子地图的普及和人类对地理信息需求的增长，由于电子地图不受比例尺和图面空间的限制，人们对地图上地物内容的要求越来越详细了，如在数字化城市管理中，它要求把地面上所有的城市部件无论大小都要反映到地图上；另外对地理实体的属性信息的要求也越来越多了，不仅要求区分部件的基本属性，还要求将城市部件的权属、材质等其他各种属性信息都要表达出来。这是精致化规划管理、精细化服务管理和精准化调控治理的需要，总之，地理空间大数据必然是全面和细致的[10](如图1所示)。

图1 越来越详细的地图

1.2 表达更直观更仿真

传统的线划地图是模拟的二维地理空间模型，由于用符号表达较为抽象，使得地理信息的应用受到限制。随着三维建模技术的不断进步，实景三维技术、虚拟现实技术应运而生，三维地理空间模型已越来越普及，大大扩展了地理信息的应用范围。人们对地理模型的需求已逐步从二维模型转向三维模型，传统的三维建模将会被全要素三维建模取代(如图2所示)。而全要素的城市三维，将会是智慧城市的一个数据空间基础。所谓全要素城市三维，就是要把地表的所有东西进行分类、分层。

1.3 建模结构化或实体化

现在很多的地理空间数据都是无结构的，只有DLG是有结构的。没有结构就不能进行检索和产生知识，如卫星片、航拍片、全景照片、记载点云、车载点云，甚至街景工厂所生产的三维模型也是没有结构的。这种无结构的数据被老百姓称之为一张皮，里面没有任何结构，很难进行检索，很难产生知识。如图2所示。

图2 城市三维模型

结构化就是要把点云或像元抽象出来，抽象为所谓的点线面，同时要分层分类，便于结构化分析管理。另外要对象化、实体化，数据结构要对后端开放。从传统的三维模型来看，它是必须要结构化的[11]。首先就是要分层分类，然后要管理到实体，最后每个实体都要有自己的结构线，就是所谓的三维矢量。图3就是在三维场景中查询任意一个实体属性信息。

图3 三维场景下查询房产信息

1.4 室内空间与室外空间融合

人们对地理信息的需求已从原来的室外地理信息向室内外结合的地理信息方向发展，GIS技术正在与BIM技术融合。室内外无缝导航定位技术的发展需要室内外的地理空间模型，因此需要建立室内空间模型技术体系及室内外空间模型融合的技术体系(如图4所示)。

图4 室内外结合的三维场景

1.5 地上空间与地下空间融合

随着城市地面空间越来越狭小，城市地下空间利用越来越受到关注，正被纳入城市规划、建设和管理的范畴[12]。地下空间信息可视化不仅要将地下建筑物内的空间信息可视化，而且还要将地下建筑物的位置、形状及与其他地物的关系信息可视化。因此人们对地理信息的需求已从原来的地上地理信息向地上空间与地下空间融合的地理信息方向发展。图5就是地上和地下结合的空间模型。

图5 地下通道结合地上环境的三维场景

1.6 现在数据与过去数据的融合

随着地理信息源越来越丰富，人们对地理信息的需求已从原来的管理查询向挖掘分析的应用方向发展。随着各种遥感技术的广泛应用，地理信息源越来越多，各行各业建立的行业或部门GIS也已完成，人们对地理信息服务的需求已从原来的管理查询逐渐演变成分析和知识的挖掘，以辅助规划和决策。传统的空间数据库都是按照不同时代建立不同版本的空间数据库，很难清晰反映一个地理空间随时间变化的过程，也就很难分析出空间数据随时间变化的规律[13]。这就需要建立具有时间比例尺的时态空间数据库，可以看到一个地理空间内，每个地理实体产生、发展和消失的过程，从而可以清晰地分析这个地理空间随时间变化的过程(如图6所示)。

图6 具有时间比例尺的时态地图

1.7 现在数据和未来数据的融合

数据可视化不仅用于探索性数据分析，也是传递分析结论的重要手段。将规划和设计效果可视化，即建立虚拟规划和设计的三维地理空间模型，是讨论规划和设计效果的基础条件。在表达精细的地理空间规划和建设设计思想时，传统的二维地理空间模型不能形象地表达规划和设计对象的空间立体形态，人们曾尝试用效果图即2.5维地理空间模型来表达，但因为无法对三维场景进行360°旋转查看，依然不能全面表达，所以建立三维虚拟规划模型是必然的趋势。另外，将规划结果与真实的城市结合进行仿真，使优化后的方案更能契合城市运行现状(如图7所示)。

图7 规划仿真乃至规划与现实融合

2 结论与展望

地理信息可视化是一种认知模式，它可以帮助人们认知地理世界(用户对现实世界的认知模型(知识))，从而认识地理信息的本质特征和运动规律。智慧城市地理空间数据在城市大数据中具有重要的空间框架和空间参考的作用，对于从城市大数据中产生洞察具有重要的影响。

社会在跨越发展，信息化对地图提出了新的要求。虽然近二三十年来地理信息行业已经取得了长足的发展。可是，依然不能完全满足社会的要求。随着大数据应用的不断深入，对地理空间数据及其可视化的要求必将更加多样和复杂，这也正是地理信息科学的使命所在。

[1] 安东尼·汤森. 智慧城市——大数据、互联网时代的城市未来[M].北京：中信出版社，2015.

[2] 维克托·迈尔-舍恩伯格，肯尼思·库克耶. 大数据时代——生活、工作与思维的大变革[M].杭州：浙江人民出版社，2013.

[3] 梁军.“大地理”情境下的GIS应用趋势探讨[J].超图通讯，2015(47).

[4] 郑毅. 证析——大数据与基于证据的决策[M].北京：华夏出版社，2012.

[5] 周成虎. 全息地图时代已经来临——地图功能的历史演变[J]. 测绘科学,2014,39(7):3-8.

[6] 周成虎. 地图与大数据[R].[S.l.]:第三届中国地图文化大会，2016.

[7] 李德仁. 展望大数据时代的地球空间信息学[J]. 测绘学报,2016,45(4):379-384.

[8] 李德仁,邵振峰. 信息化测绘的本质是服务[J]. 测绘通报,2008(5):1-4，32.

[9] 王增宁. 瑞典定向运动面面观[N]. 中国测绘报,2005-08-16(003).

[10] 艾廷华. 大数据驱动下的地图学发展[J]. 测绘地理信息,2016(2):1-7.

[11] 秦雯. 南昌航空大学虚拟校园三维建模[D].南昌：南昌航空大学,2013.

[12] 张洪林. 对长春市人防工程建设与城市地下空间开发利用的探究[J]. 改革与开放,2014(21):23-25.

[13] 骆剑承,胡晓东,吴炜，等. 地理时空大数据协同计算技术[J]. 地球信息科学学报,2016,18(5):590-598.

Discussion on the Geo-spatial Data Visualization Technology of Smart City

YANG Yongchong,LI Liang

(College of Geomatics, Xi’an University of Science and Technoligy, Xi’an 710054, China)

Based on the needs for the smart city and big data era as well as the unique analysis function of maps, the requirements and technical essentials of geospatial information and visualization for the big data era are discussed in detailed. In the period of the smart city construction, it is necessary for the spatial data not only to posses more comprehensive and detailed content, more direct expression and modeling and materialization, but also capable to develop towards the direction of data fusion, which includes the fusion between indoor spatial data and that of outdoor, the intergration between data underground and that of above the surface, the combination between previous data and that of the current as well as future.

smart city; big data; map; geo-spatial data; visualization

杨永崇，李梁.智慧城市地理空间数据可视化技术探讨[J].测绘通报，2017(8)：110-112.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0265.

2017-01-17

国家自然科学基金(51409204)

杨永崇(1966—)，男，博士，教授，主要从事地理空间信息可视化技术与方法的教学、科研及应用方面的工作。E-mail：yang-yongch@163.com

李 梁。E-mail：1013104542@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)08-0110-03