2 - 北京大学可视化与可视分析研究组

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2 - 北京大学可视化与可视分析研究组

2013 年 可 视 化 研 讨 会

地 理 时 空 数 据 可 视 化

龚 建 华

2013/7/12

中 国 科 学 院 遥 感 与 数 字 地 球 研 究 所

浙 江 中 科 空 间 信 息 技 术 应 用 研 发 中 心


• 背 景

• 地 理 遥 感 要 素 数 据 可 视 化

• 自 然 地 理 过 程 可 视 化

• 人 文 地 理 过 程 可 视 化

• 地 理 遥 感 大 数 据 可 视 化 分


遥 感 ( 传 感 器 ) 监 测 网

NASA’s Sensor Web

• 未 来 15 年 , 我 国 将 发 射 30 余 颗

对 地 观 测 卫 星 ( 减 灾 、 环 境 、 国

土 资 源 、 测 绘 等 遥 感 业 务 化 运 行

体 系 )

• 高 分 辨 率 对 地 观 测 专 项 190 亿

Information

Information

User


LIDAR 三 维 测 绘

测 绘 卫 星

无 人 机 测 绘

飞 艇 测 绘


数 字 地 球 、 数 字 城 市 + 物 联 网 ( 云 计

算 )

智 慧 地 球


、 智 慧 城 市


http://www.solarviews.com/eng/earthint.htm


地 理 环 境 概 念

地 理 环 境 是 指 人 类 生 存 与 发 展 的 地 球 表 层 , 它 包 括 作 为 主 体 的 人 类 社 会 以 及 围 绕 该 主

体 存 在 的 一 切 客 观 环 境 , 是 由 自 然 地 理 环 境 和 人 文 地 理 环 境 ( 经 济 环 境 和 社 会 文 化 环 境 )

相 互 联 结 、 相 互 作 用 的 系 统 整 体 ( 刘 南 威 等 1998, 胡 兆 量 等 1998 )。

地 球 表 层 的 空 间 范 围 一 般 是 上 至 同 温 层 的 底 部 , 下 到 岩 石 圈 的 上 部 , 指 陆 地 往 下 5-6 公

里 , 海 洋 往 下 约 4 公 里 ( 钱 学 森 1994 )。

• 自 然 地 理 环 境 又 称 自 然 环 境 , 是 指 人 类 赖 以 生 存 和 发 展 的 自 然 界 , 由

地 质 、 地 貌 、 土 壤 、 生 物 、 气 候 、 水 文 等 自 然 要 素 组 成 ;

• 人 文 地 理 环 境 又 称 人 文 环 境 , 是 指 人 类 在 自 然 环 境 的 基 础 上 , 通 过 一

系 列 社 会 活 动 形 成 的 一 种 人 类 物 质 财 富 和 精 神 财 富 在 地 球 表 面 的 分 布

现 象 , 它 由 社 会 化 了 的 人 口 、 民 族 、 宗 教 、 聚 落 、 风 俗 、 文 化 及 政 治

、 经 济 、 国 家 、 政 党 和 社 会 团 体 等 人 文 要 素 组 成 。



海 岸

喜 马 拉 雅 山 脉

美 国 登 月 飞 船 阿 波 罗 17

拍 摄 的 地 球 照 片 , 1972


沙 漠

草 原

雅 鲁 藏 布 大 峡 谷

香 港


植 物

动 物

人 类


台 风

地 震

战 争

洪 水


• 背 景

• 地 理 遥 感 要 素 数 据 可 视 化

• 自 然 地 理 过 程 可 视 化

• 人 文 地 理 过 程 可 视 化

• 地 理 遥 感 大 数 据 可 视 化 分


北 京 地 区 大 气 环 境 监 测 超 级 站 数 据 集 成 与 可 视 化

系 统

三 维 中 科 院 遥 感 所

超 级 观 测 站

虚 拟 仪 器

中 国 科 学 院 三 期 创 新 重 大 方 向 性 项 目

( 2007-2008 ) “ 北 京 地 区 大 气 环 境 监 测 行

动 计 划 ” 中 超 级 站 数 据 集 成 与 可 视 化 系 统 中

科 院 遥 感 所 超 级 观 测 站 、 三 维 场 景 、 虚 拟

仪 器 、 以 及 观 测 数 据 实 时 管 理 与 可 视 化 分

析 。


超 级 站 大 气 环 境 监 测 仪 器 以 及 参 数 实 时 可 视 化


• Pollution data visualization in North-East area in China.


交 通 站 视 频 实 时 传 输 以 及 交 通 流 量 可 视 化


Visualization System of Oceanic Information

海 洋 环 境 要 素 信 息 可 视 化 系 统


Dynamic Display of Circumfluence


Display of wind

speed and direction


2006-11-10 灾 前 四 川 安

县 茶 坪 河 SPOT5 融 合

影 像 河 道 提 取

灾 中 四 川 安 县 茶 坪

河 UAV 河 道 提 取

2008-05-19

灾 后 四 川 安 县 茶

坪 河 UAV 河 道

提 取 2008-12-23


全 球 植 被 指 数 时 空 分 布 变 化 可 视 化


Animation of Tsunamis Induced by the 2004

Indian Ocean Earthquake.


IKONOS Perspective Image of Phangnga Coastal

Laem Krang Yai – Ban Bang La On : IKONOS_29 Dec 2004


中 国 流 感 的 多 维 动 态 可 视 化


• 背 景

• 地 理 遥 感 要 素 数 据 可 视 化

• 自 然 地 理 过 程 可 视 化

• 人 文 地 理 过 程 可 视 化

• 地 理 遥 感 大 数 据 可 视 化 分



洪 水 演 进 过 程 建 模 与 三 维 可 视

采 用 元 胞 自 动 机 技 术 结 合 水 力 学 中 的 圣 维 南

方 程 对 洪 水 河 道 演 进 进 行 了 模 拟 研 究 , 并 依 照 虚

拟 地 理 实 验 中 的 相 似 性 原 理 对 其 进 行 相 似 度 评 估

, 搭 建 用 于 演 示 的 三 维 可 视 化 仿 真 系 统 。

∂h

∂t

+

∂hu

∂x

+

∂hν

= 0

∂y

(1)

∂u

∂t

+ u

∂u

∂x

∂u

+ ν

∂y

+

g

∂z

∂x

+

g

n

2

u(

u + ν

4 / 3

h

2

2

)

1/ 2

2

∂ u

= ν (

2

∂x

+

2

∂ u

)

2

∂y

(2)

∂ν

+ u

∂t

∂ν

∂ν

+ ν +

∂x

∂y

g

∂z

∂y

+

g

2 2

n ν ( u + ν

4 / 3

h

2

)

1/ 2

2

∂ ν

= ν ( +

2

∂x

2

∂ ν

)

2

∂y

(3)


汶 川 地 震 肖 家 桥 堰 塞 湖 溃 坝 模 拟

堰 塞 湖 全 溃 情 况 下 的 演 进 模 拟 , 约 33 分 钟 演 进 到 晓 坝 镇 , 约 59 分 钟 演 进 到 桑 枣

镇 , 约 2 小 时 46 分 演 进 到 安 昌 镇 , 直 接 影 响 为 下 游 晓 坝 和 桑 枣 , 而 对 安 昌 、 黄

土 、 花 荄 、 界 牌 等 4 镇 影 响 较 小 , 洪 水 在 河 道 中 演 进 。


辽 宁 浑 河 沈 阳 城 市 段 洪 水 演 进 模 拟 与 可 视 化


辽 宁 浑 河 沈 阳 城 市 段 洪 水 演 进 模 拟 与 可 视 化


珠 江 口 地 区 霍 乱 弧 菌 水 中 的 生

长 繁 殖 、 扩 散 传 播 可 视 化


元 胞 自 动 机 具 体 算 法

1. 根 据 设 定 的 模 拟 各 参 数 ( 如 时 间 间 隔 、 流 域 水 量 、 基 本 增 长 因 子 、 元 胞 大 小 等 ) 对 流 域 地 图 进

行 格 网 划 分 ; 然 后 依 据 初 始 环 境 因 素 数 据 以 及 污 染 点 初 始 浓 度 对 模 型 进 行 初 始 化 。

2. 采 用 8 邻 域 的 Moore 型 邻 域 关 系 进 行 元 胞 演 化 。

3. 根 据 元 胞 内 的 状 态 ( 如 温 度 、 叶 绿 素 、 其 他 细 菌 等 含 量 ) 计 算 出 各 元 胞 内 的 自 增 长 系 数 。 根 据

扩 散 因 子 计 算 该 段 时 间 内 中 心 元 胞 与 8 邻 域 元 胞 之 间 的 扩 散 浓 度 变 化 量 。

4. 根 据 各 自 元 胞 处 的 水 流 方 向 和 流 速 计 算 在 该 段 时 间 内 中 心 元 胞 与 邻 域 元 胞 之 间 进 行 的 水 量 交 换

量 , 并 依 据 交 换 的 水 量 所 占 元 胞 含 水 量 的 比 率 计 算 随 水 流 平 移 的 浓 度 。

(1 ) 计 算 上 游 元 胞 与 下 游 元 胞 间 的 水 流 交 换 量 , 考 虑 到 流 速 乘 以 过 水 断 面 面 积

就 是 流 量 , 则 元 胞 的 每 一 步 长 内 的 水 流 交 换 量 的 计 算 过 程 如 下 :

式 中 Q 为 交 换 水 量 , V 为 流 速 , q 为 流 量 , S 为

河 流 过 水 断 面 面 积 , S cell

为 元 胞 水 断 面 面 积 , h

为 水 深 , F c

为 流 域 总 流 量 , R f

为 支 流 所 在 流 域 流

量 比 率 , W cell

为 元 胞 宽 度 , Δt 为 时 间 步 长

(2 ) 计 算 浓 度 交 换 量 :

ΔM 为 浓 度 交 换 量 , M cell

为 元 胞 内 浓 度 , Q cell

为 元 胞 含 水 量


消 化 道 疾 病 传 播 可 视 化 分 析


香 港 深 湾 路 滑 坡 过 程 三 维 可 视 化 模 拟


黄 土 高 原 小 流 域 淤 地 坝 淤 地 过 程 可 视 化


Visualization of

Typhoon Movement

台 风 移 动 过 程 可 视 化 图


台 风 三 维 流 线 可 视 化

台 风 流 线 和 体 渲 染 叠 加 可 视 化


• 背 景

• 地 理 遥 感 要 素 数 据 可 视 化

• 自 然 地 理 过 程 可 视 化

• 人 文 地 理 过 程 可 视 化

• 地 理 遥 感 大 数 据 可 视 化 分


智 慧 城 市 人 群 活 动 模 拟 与 可 视 化

研 究 了 微 观 环 境 中 人 群 行 为 的 建 模 算 法 , 以 社 会 力

模 型 为 基 础 , 修 正 了 墙 力 算 法 , 提 出 了 拐 角 处 的 Ring 模

型 、 邻 居 场 模 型 、 视 域 限 定 算 法 等 一 系 列 的 关 键 算 法 ,

以 室 内 ( 自 动 扶 梯 ) 和 室 外 ( 街 道 ) 为 例 , 初 步 实 现 了

人 群 行 为 的 模 拟 与 可 视 化 环 境 。


基 于 多 智 能 体 的

SARS 在 医 院 中 传

播 过 程 模 拟 与 可

视 化


SARS

住 院 病 人

SARS 潜 伏 期 患 者

医 务 人 员

易 感 者

SARS 病 人

基 于 个 体 的 医 院 内 SARS 传 播 模 拟


智 能 体 结 构 介 绍

• 本 系 统 智 能 体 结 构 如 下

– 智 能 体 的 身 份 信 息 如 下 :

• 医 生

• 护 士

• 住 院 病 人 ( 非 呼 吸 道 病 人 )

• 住 院 病 人 ( 呼 吸 道 病 人 )

• 门 诊 病 人 ( 非 呼 吸 道 病 人 )

• 门 诊 病 人 ( 呼 吸 道 病 人 )


智 能 体 结 构 介 绍

• 本 系 统 智 能 体 结 构 如 下

– 智 能 体 的 健 康 状 况 如 下 :

• 健 康

• 病 源 接 触 者

• 感 染 者

• 轻 微 病 人 , 发 烧

• 中 度 病 人 , 咳 嗽

• 重 度 病 人 , 病 重

• 超 级 传 播 者

• 治 疗 者


时 空 一 体 化 的 日 程 行 为 模 型

• 智 能 体 行 为 结 构 如 下 :

– 医 生 智 能 体 的 行 为 如 下 :

• 在 指 定 时 间 段 内 , 医 生 智 能 体 从 所 在 的 医 护 室 出

发 巡 查 病 房 ;

• 巡 查 指 定 数 量 的 随 机 病 房 , 在 病 房 间 活 动 ;

• 病 房 巡 查 结 束 后 , 医 生 智 能 体 回 到 最 初 所 在 的 医

护 室 , 并 在 房 间 内 随 机 运 动 ;

• 巡 查 过 程 中 , 医 生 智 能 体 可 以 随 机 地 进 行 上 / 楼

, 到 其 他 层 的 医 护 室 中 进 行 活 动 ;


时 空 一 体 化 的 日 程 行 为 模 型

• 智 能 体 行 为 结 构 如 下 :

– 护 士 智 能 体 的 行 为 如 下 :

• 在 指 定 时 间 段 内 , 护 士 智 能 体 从 所 在 的 护 士 站 出

发 巡 查 病 房 ;

• 巡 查 指 定 数 量 的 随 机 病 房 , 在 病 房 间 活 动 ;

• 病 房 巡 查 结 束 后 , 护 士 智 能 体 回 到 最 初 所 在 的 护

士 站 , 并 在 房 间 内 随 机 运 动 ;

• 巡 查 过 程 中 , 护 士 智 能 体 可 以 随 机 地 进 行 上 / 楼

, 到 其 他 层 的 医 护 室 / 护 士 站 中 进 行 活 动 ;


时 空 一 体 化 的 日 程 行 为 模 型

• 智 能 体 行 为 结 构 如 下 :

– 病 人 智 能 体 的 行 为 如 下 :

• 在 指 定 时 间 段 内 , 病 人 智 能 体 在 病 房 内 随 机 运 动

;

• 病 人 智 能 体 离 开 病 房 , 前 去 当 前 楼 层 的 厕 所 ;

• 病 人 智 能 体 回 到 原 来 的 病 房 内 ;

• 在 病 人 智 能 体 去 厕 所 过 程 中 , 病 人 智 能 体 可 随 机

去 不 同 楼 层 的 病 房 看 望 病 友 ;


1000 个 智 能 体 的 多 楼 层 间 的 传 播 模 拟


R

P

S i

E I f

I h

P d

D

潜 伏 期

自 由 期

治 疗 期


疾 病 传 播 网 络 分 析

• 实 现 疾 病 传 播 网 络 可 视 化 分 析

– 单 一 病 人 的 父 子 传 播 者 分 析 ;

– 单 一 病 人 的 传 播 代 系 分 析 ;

– 所 有 发 病 病 人 的 传 播 网 络 分 析 ;

– 发 病 病 人 - 感 染 者 的 传 播 网 络 分 析 ;

– 超 级 传 播 者 分 析 ;


父 子 传 播 网 络 分 析

分 析 传 播 节 点 的 传 播 者 和 被 传 播 者 网 络


传 播 网 络 代 系 分 析

分 析 传 播 节 点 的 代 间 传 播 变 化

二 代 传 播 网 络 分 析

三 代 传 播 网 络 分 析


模 拟 数 据 与 真 实 数 据 的 验 证

140

120

100

80

60

实 际 累 计 发 病 值

模 拟 累 计 发 病 值

40

20

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19


3D visualization of space-time path (After Shaw SL and Yu


A space-time path is a useful means for

visualizing a person's daily movement in

space and time ( after Mei-Po Kwan )

These space-time paths of a sample

of individuals in Lexington,

Kentucky, were constructed using

data collected by GPS ( after Mei-

Po Kwan )

http://geog-www.sbs.ohio-state.edu/faculty/mkwan/Gallery/STPaths.htm

( Feminist Visualization, Mei-Po Kwan)


国 家 科 技 重 大 专 项 艾 滋 病 和 病 毒 性 肝 炎 等 重 大 传 染 病 防 治 " 传

染 病 多 维 信 息 集 成 分 析 与 传 播 风 险 预 测 技 术 研 究 " ( 2009-

2010 ), 课 题 号 : 2008ZX10004-012


重 点 863 项 目 “ 地 理 空 间 的 三 维 建 模 和 分 析 软 件 及 其 应 用

示 范 ” 与 国 家 十 一 五 支 撑 项 目 “ XXX 人 群 模 拟 与 评 估 系 统 ”

• 研 究 内 容 : 系 统 仿 真 与 可 视 化 子 模 块 主 要 包 含 三 个 部 分 , 第 一 个 部 分 是 人

群 疏 散 三 维 仿 真 仿 真 与 可 视 化 , 第 二 个 部 分 是 毒 气 扩 散 的 仿 真 与 可 视 化 ,

第 三 个 部 分 是 人 群 疏 散 的 二 维 示 意 图 。


• 背 景

• 地 理 遥 感 要 素 数 据 可 视 化

• 自 然 地 理 过 程 可 视 化

• 人 文 地 理 过 程 可 视 化

• 地 理 遥 感 大 数 据 可 视 化 分


Google Earth: 数 字 地 球 ,6 亿 用 户

Virtual Earth : 数 字 地 球

IT 界 两 巨 头 : Google 与 微 软 加

入 GIS 并 竞 争 , GIS 的 快 速 发 展

GIS for Everyone


全 球 体 三 维 模 型 、 可 视 化 表 达 、

地 学 过 程 模 拟 ( 下 一 代 数 字 地 球

平 台 与 全 球 制 图 学 )

“ ”

中 科 院 遥 感 地 球 所 一 三 五 项 目 : 全 球 空 间 信 息 系 统 ( 突 破

二 ), 全 球 与 区 域 遥 感 反 演 参 数 的 时 空 数 据 、 产 品 ( 突 破 三 )


智 慧 城 市 大 规 模 人 群 活 动 可 视


( 可 计 算 人 地 关 系 , 虚 拟 地 理 实 验 )

“ ”

中 科 院 遥 感 地 球 所 一 三 五 项 目 : 传 感 网 时 空 数 据 与 智 慧 城 市

( 培 育 方 向 )


嘉 善 县 城 区 实 时 人 口 分 布

基 于 2011 年

11 月 04 日

至 2011 年

11 月 10 日

一 共 7 天 的

浙 江 嘉 善 县

移 动 公 司 基

站 监 测 汇 总

数 据


智 慧 城 市 大 数 据 可 视 化 分 析

( 结 合 多 维 可 视 化 分 析 与 信 息 图 谱 )

“ ”

中 科 院 遥 感 地 球 所 一 三 五 项 目 : 时 空 大 数 据 可 视 化 分 析 ( 培

育 方 向 )


遥 感 大 数 据 可 视 化 分 析

时 间 序 列 影 像 + 不 同 空 间 分

辨 率 + 不 同 光 谱 波 段 ( PB 级

影 像 数 据 融 合 和 可 视 化 知 识 挖

掘 )

“ ”

中 科 院 遥 感 地 球 所 一 三 五 项

目 : 时 空 大 数 据 可 视 化 分 析

( 培 育 方 向 )


Thank You! 谢 谢

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