关键词：虚拟场景三维可视化ArcGIS
中图分类号：P208文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0029-02
在三维图形世界中，可视化技术可以直接操作具有形体的信息，直接和计算机交流。该技术以一种直觉且自然的途径统一了人和机器的力量，这无疑促进了人们工作效率的极大提高。利用具有仿真、三维的且具有实时交互功能的可视化技术，人们可以用以前无法想象的手段在三维图形世界中充分展示自己的创造性或信息获取。三维可视化软件大都依赖于计算机图形学和可视化技术的发展，美国Skyline软件，美国ERDAS公司的IMAGINEVirtualGIS，国内灵图的VRMap等，是比较专业的三维可视化系统软件或平台。由于建筑物三维景观模型能够对区域建筑环境进行再现，在计算机屏幕上，不仅可以看到生动、逼真的建筑模型，而且还可以实现漫游、量测、查询等一系列操作，在建筑领域的GIS中有重要意义[1]。它给我们的体验更逼真，为人们因种种原因不能或不方便直接观察宏观世界以及微观世界的运动变化规律，提供了很大的便利和观察的可能。该论文旨在建立某区域的建筑群的三维虚拟景观模型，实现全方位展示该区域的整体形态和主要功能区细部特征，使公众仅仅通过飞行浏览和鼠标点击即可“身临其境”地了解该区域的概貌和其中感兴趣的各方面相关介绍信息，同时提供有价值的咨询信息和全数字实体模型。
1该研究的相关理论
1.1可视化
利用计算机图形学、地图学和图像处理技术，把数据转换成图像或图形，通过屏幕显示，并进行交互处理的理论、技术和方法，就叫可视化（Visualization）[2]。其本意是使事物被视觉所感知。它把数据或符号变成几何图形，便于研究人员对其模拟和计算过程进行观察。该技术向用户提供灵活、有效使用信息的手段和方法，从而以多形式、多视角、多层次、综合地表现空间环境信息，具有信息表达形象化、直观化，操作简单便利等，以便推广应用该系统。可视化在地理信息系统中主要有地理信息的可视化表示、地图数据的可视化表示、空间分析结果的可视化表示。
1.2TIN
利用不规则三角形面片构造地质模型的方法即TIN。广义来讲，TIN表面法是所有基于三角形面片构造地质模型方法的统称，可用Delaunay三角剖分。以某种相对合理的方法把某一区域中随机分布点联系起来，建立较为完美形态和完善功能的三角形网络，这就是TIN表面法的特点。
2数据源与数据库
2.1输入数据
该文使用的核心数据源是某区域的CAD平面图，包括道路、操场、绿地、主体建筑物分布等信息。先把AutoCAD的平面图导入ArcMap里，选择合适的投影（这里以Beijing_1954_GK_Zone_19N为投影），按照原来的坐标进行配准，然后在分析系统需求的基础上，通过合理的取舍，运用ArcGIS的AreCatalog模块[3-4]新建相应的点、线、面等图层并设置好投影，再用ArcMap软件将栅格图的各个地理要素数字化，得到新的该区域的二维矢量数据。经过综合取舍建立了16个图层，如图1所示。数字化后的矢量结果图如图2所示。
实体属性数据的输入一般可根据实际情况，采集、整理地物相关属性数据。录入属性数据时，特别要注意的是点高程的录入，高程点的分布用地统计分析GeostatisticalAnalyst工具分析之后，必须要接近正态分布。由于数字高程模型（如TIN等）是依据点的高程建立的，所以点的高程直接影响到模型的变化。本文通过对系统的需求进行分析，将该区域空间数据按其空间特征细分为点、线、面等实体类型，把与地理空间有关的对象抽象为建筑物，道路、植被，水系等通用概念。Geodatabase的设计完成后，利用ArcCatalog开始建立数据库。
2.2TIN模型的建立
通常从多种矢量数据源中进行TIN模型[5-6]的创建，创建TIN的数据源可用点、线与多边形作为要素。创建TIN的操作如下：（1）对创建TIN所要使用的要素图层进行选择；（2）选择、合成要素；（3）设置输出路径及名称。
2.3纹理贴图的贴图采集和处理
在贴图处理三维可视化中的地物时，主要用到的纹理数据包括建筑物的顶面、侧面、草地、操场、围墙、树木、路灯及雕塑等纹理[7]。三维空间对象建模用真实影像数据，这样三维可视化的逼真度可大大提高，用户实时漫游时身临其境的感觉也大大增强了。三维建模中所需的纹理贴图数据获取的方法主要有使用扫描仪扫描已有地物的图片、搜集可用的纹理图片、人工制作和地面摄影等。如图2-1所示为纹理处理流程图。
3建筑群可视化模拟的实现与操作
3.1数字建筑群的建立
可视化是指人脑中形成某事物图像的一种心智处理过程(mentalprocess)。可视化技术是把计算机中的数字信息转变为直观的图形图像信息，使得研究者能够形象直观地观察到，即看到传统意义上不可见的事物或现象，同时还提供模拟和计算的视觉交互手段［2］。可视化技术是集科学与工程计算、计算机图形学、图像处理、人机界面等多学科和技术于一体的现代化技术。可视化的核心技术包括:1)将科学计算中产生的数据及结果转化为图形或图像;2)基于面向对象技术的图形用户界面的设计，即可视化建模的实现。可视化的过程模型如图1所示。三维可视化作为可视化的重要组成部分，侧重于以三维的手段反映客观世界，属于科学计算可视化的范畴［3］，在地学领域有着广泛的应用和发展前景［4-7］。三维可视化技术已经渗透到各个学科中去，如地理学、资源环境学、测绘学、海洋学、建筑学、生物医学等，它的应用为这些学科的科学研究提供了极其有用的帮助，促进了这些学科的发展。比如，三维可视化技术在建筑、交通、医学等领域的应用可以提高决策者的预见性，避免不必要的浪费和损失;在动画和虚拟世界领域，三维可视化技术带给了我们强烈的视觉冲击;其仿真技术的应用，提高了我们在医学手术实施、机械制造加工、矿物开采加工、水利设施建设等的精准度和效率。目前三维可视化技术已广泛应用于城市规划、电力、交通、矿业等各个领域，但在水利行业尤其是工程设计方面却很少［8］，三维可视化技术广泛应用于水工设计将大大提高水利水电工程建设的效率和研究水平。
2水利水电工程三维可视化技术
2．1研究现状
目前，水利水电工程设计已经开始从二维CAD设计逐步向三维CAD设计转变。计算机三维建模与可视化模拟技术已开始应用于水利水电工程的设计、施工等各个阶段，如枢纽布置、施工总布置等。天津大学的钟登华等［9-11］从单独研究水利水电工程地质、水利水电工程建筑物及水利水电施工三维可视化建模入手，逐步提出了对工程可视化辅助设计(VCAD)理论的构成体系和实现方法;黄河勘测规划设计有限公司的李斌等［12］、天津大学的顾岩［13］、广西河池水利电力勘测设计研究院的黄尚磊［14］提出了基于CATIA软件的水利水电工程三维设计方法;三峡大学的田斌等［15］、中国葛洲坝集团公司的陈立新［16］对三维空间数据、地形、地物模型的建立以及对施工过程三维模拟技术做了相关研究;武汉大学的陶铁铃等［17］、电子科技大学的魏鲁双［18］、河海大学的杨威［19］、天津大学的张社荣等［20］分别开发了拱坝、重力坝优化设计可视化系统。水利水电工程三维可视化设计已得到国内专家、学者越来越多的重视，并取得了一定的成果，但目前还未形成一套完整的理论体系和软件成果，整体上仍处于探索阶段。
2．2技术路线
按照工程设计流程，水工设计实现三维可视化就要求工程设计条件可视化，设计建模过程可视化，计算分析过程可视化和设计成果可视化。这里可视化是三维工程设计的核心，数字化则是实现可视化设计的基础。目前，地质、地物三维建模是水工三维可视化的基础和研究重点，当前这方面的研究工作主要包括地质、地物的三维空间数据模型，地质、地物模型的整合和匹配三方面。1)构造三维地质模型常用的数据结构包括NURBS结构、B-Rep结构、TIN模型等。基于以上三种模型，钟登华等提出了以NURBS结构为主、结合TIN模型和B-Rep结构的混合数据结构。徐卫亚等［21］提出了基于裁剪NURBS-B-Rep半边结构的三维混合数据结构。2)地物模型都属于静态空间数据结构，包括空间位置、形状和空间拓扑关系等信息［15］。区别于一般的几何模型，地物模型尚需反映其属性信息，并且要确保几何图形及其属性一一对应。对于大规模的地物建模而言，采取单一的建模技术是不能完善地对其进行描述的，针对不同的建筑物，应分别采用有针对性的建模技术，建立相应的三维可视化数据模型。常用的建模技术有实体CAD图形建模技术、特征建模技术和参数化实体建模技术。近年来，利用以上三种技术，许多学者都建立了相应的地物模型。刘东海［22］提出了交互式的参数化图形建模技术。李景茹等［23］提出了基于GIS三维实体化参数模型。蔡宜洲等［24］提出了元件装配法对水工建筑物进行组装式建模。3)地质实体是水利水电工程建设的基本载体，必须将地质模型和地物模型统一起来，才具有实际意义。地物与地形匹配常用的方法有两种［9］:方法一是直接将地物搁置在地形表面上，其优点是简单实用，缺陷是在视景显示时，会出现“争夺Z值”的现象，即同一个Z值上可能有多个面;另一个方法是在生成地形的不规则三角网格前提下逐渐加入地物模型，与地形整合在一起。要实现三维可视化水工设计，除了需要专业的水工知识和工程设计技术外，必要的计算机技术也是不可或缺的，最基本的包括:1)图形建模技术;2)交互技术;3)可视化技术;4)图形学技术;5)软件工程技术。三维可视化的设计有一定的过程，水工三维可视化设计的过程见图2。该图也可详细反映水工三维可视化设计理论和技术的构成体系。
2．3应用效果
地形地质三维可视化为水利水电工程建筑物选址、布置、设计和施工等各方面提供多方面可行的地质分析手段。更为重要的是，利用仿真三维实体技术建立的三维地貌可以实现三维模型的任意剖切分析;可对任意部位的体积、表面积进行精确的计算;可实现对山体进行旋转、切剖面、开挖等操作。三维设计在工程设计领域的应用彻底改变了二维图纸表现和三维实际形态之间进行思路转换的设计模式。它的应用将大大提高设计质量和效率。参数化工程三维模型不仅使工程建筑物建模变得简单易行，而且在工程方案需要调整修改时其更加快速、灵活、准确。已有成果的重复利用率大幅度提高，在减少设计错误和返工现象同时，又缩短设计周期，极大地提高了工程设计工作的效率和质量。工程精确数值模型的建立，使得精确计算坝体工程量、各坝段各截面的面积、各点的坐标以及体积变得方便快捷。对建筑物及地质分类建模后，不仅能够计算不同材料的用量，同时为概预算及施工期业主的材料供应计划提供科学的依据。采用三维动态布置施工平台，在设置明确的制约条件的前提下，能够方便准确地生成水利水电工程施工场地布置困难的地形相应的平面、剖面图。采用三维可视化模拟技术不但能充分、更直观地考虑多种可行方案，而且能快速、方便地进行进度分析，并能定量地分析各种施工措施对工程进度的影响。
2．4实例应用
在溪洛渡水电站，因思公司以C#开发语言和access数据库等为基础建立溪洛渡施工信息管理系统，它不仅在前期对大坝的整体进行三维可视化，还将大坝整体的细部构造分解出来，让溪洛渡工程的参建者可以很透彻地剖析溪洛渡大坝的各个细部，方便查看监测仪器埋设布置以及对细部的结构分析。
2．5应用前景
集成化、智能化、网络化、协同化是三维设计的发展方向。应努力实现远程协助设计、自动协同设计、集成协同设计，充分体现设计的团体性、交互性、协作性，建立跨学科的、以人际合作关系为基础、协同工作、合作设计的新格局。水工三维设计是工程设计的必然趋势，三维技术在机械、电子、航班、航天以及建筑等部门得到了广泛的应用。把三维设计应用到水利水电工程上，可以实现真正意义上的工程方案优化及多方案的比较，对于提高工程的技术指标和品质、降低工程造价、缩短设计周期、提高设计质量均可起到重要作用。
3结语
摘要：[HTK]文章简述了目前数字图书馆馆藏资源的可视化现状及现有的可视化技术，分析了馆藏时间结构模型、馆藏学科分类结构模型、馆藏等级结构模型，提出了数字图书馆馆藏资源可视化服务系统设计方案，并重点介绍了系统的总体架构设计、结构模块设计、覆盖率模块设计、利用率模块设计及数据通信与接口模块的设计。
中图文分类号：G250文献标识码：A论文编号：1003-1588（2015）06-0080-03
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收稿日期：2015-04-30
作者简介：[HTK]莫耀评（1975―），南宁职业技术学院图书馆馆员。[FQ）][HT]
把查询到的馆藏资源数据信息以视觉的形式展现出来，达到数据信息资源的沟通和传达直观化，即是图书馆馆藏资源的可视化技术。馆藏数据资源的可视化使读者不但可以了解数据的最基本特点，还能看到以多种技术手段展现的目标信息，这样用户可以很明确地了解到其所需求的目标数据信息的状态。
[BT3]1数字图书馆馆藏资源可视化现状分析
1.1大数据时代给资源可视化带来的挑战
世界权威组织机构统计的调查曾指出：网络产生数据信息资源以每年50%的速度在增长。随之出现的云计算技术也点燃了人们对大数据的研究热情，在图书馆馆藏资源可视化技术的研究过程中，大数据所占的比重也越来越大。图书馆馆藏信息数据资源不仅数量在不断增加，其复杂程度也在不断增强，因此如何将大量纷繁复杂的馆藏资源信息数据清晰直观地展现在用户面前是当前图书馆馆藏资源可视化研究的一大挑战。
海量且结构复杂的数据信息的存储、传输、并行化和不确定的量化等是可视化研究的难题所在。首先，馆藏资源数据信息的存储所存在的问题是数据数量大、结构复杂，因此存储时所需要的相应空间就大，对空间结构的要求较严谨。其次，馆藏资源数据信息的传输对所需传输速度和所占宽度要求更高。目前图书馆馆藏资源的传输速度难以满足用户需求是大数据下馆藏资源可视化技术研究的难点。
1.2馆藏资源越来越丰富引发的问题
目前即使互联网发展迅速、应用广泛，可在一些领域特别是在科研院所，首选的信息资源还是图书馆馆藏资源。因为图书馆经过这么多年的积累和沉淀不仅有浓厚的文化氛围，更有系统的专业知识和丰富的馆藏资源，这是互联网资源无法可比的。
随着人们对与数字图书馆相关的多媒体大数据信息研究的深入，图书馆与网络技术的结合也逐渐成为一种趋势。现在，人们对馆藏资源可视化的研究主要包括可视化检索研究与可视化检索结果研究。数字图书馆信息资源可视化的过程中，馆藏资源的数字化也是个大问题，有些资源的保存介质是很久以前的纸，这些信息数据的数据库录入工作并不容易，在很大程度上影响到数字图书馆馆藏资源的可视化过程。
[BT3]2数字图书馆馆藏资源可视化现有技术研究
2.1基于几何的数据可视化技术
数据的表达形式采用几何或几何投影的方法称为基于几何的信息数据可视化，该方法的采用使用户能很容易找到目前信息（见图1）。从图中可以发现，信息量大且复杂的数据比较适合基于几何的数据可视化技术。因为该技术能清晰地表达出大量复杂数据之间的逻辑关系，能为用户勾勒出一幅流程清晰、逻辑明确的几何图像。当然该方法也有不足之处，有时由于信息数据过于复杂，数据量又特别大，这样勾画的几何图像有重叠的可能，这样一来用户会很难读懂图形的含义。
2.2面向像素的数据可视化技术
可视化系统VisDB开发应用充分证明了面向像素数据可视化技术的强大优势。该技术原理简单易懂，如图2所示，右边设为一个数据项，经过某种映射变换对应到特定的屏幕上，与这个屏幕上的像素对应，一个数据项能对应几个屏幕上的窗口表示不同的数据属性值。
[3]有两种方法可以实现面向像素的信息资源可化技术，一种是单独查找，另一种是利用查找。第一种方法主要是对数据项进行排序，排序的依据是数据项的属性值，然后在显示屏上显示排序后的数据值，这种方法使用起来既方便又有很有效果。第二种方法通过数据值与所查目标数据的一致程度对颜色进行匹配。该方法的流程非常切合实际，它采用特定的距离函数来估算数据项的属性值和查询值从而得到匹配值。这种方式能如实地反映两者之间的符合程度，距离函数的值越小说明所查找的数据越接近目标信息数据。
2.3基于图标的数据可视化技术
[3]把数据集中的各个数据项都映射成图标的方式被称为基于图标的数据资源可视化技术，该技术在可视化技术中也是非常重要的。这种技术中的图标部分是由数据项的维数决定的，数据项是几维该图标就有几部分，图标的部分与数据项的维数是一一对应的关系。
近年来，基于图标的可视化技术不断发展，并逐渐形成多个分支，其中最典型的当属Chemoff-faces，它是目前基于图标的可视化技术中应用最广的。通过应用该技术能将数据项的两个维度映射当作显示的两个坐标，其他的维度映射成具体的形状。
2.4基于层次的数据可视化技术
[2]该项技术比较适合应用在层次关系比较明确的数据集合中，这一点从基于层次的数据可视化技术的名称中就能看出。树图是基于层次的数据可视化技术的一种，具有代表性。该技术中树上的每个节点代表着数据项的属性值，各个子节点相加的和等于父节点的值。该技术能够把复杂的数据集进行分层处理，能够理顺数据的结构。
[BT3]3数字图书馆馆藏资源可视化结构模型研究
3.1馆藏时间结构模型
数字图书馆馆藏时间结构模型主要是对馆藏时间顺序的研究，该模型有助于对数字图书馆的各类图书信息进行整理和规范。通过对馆藏资源信息的整理能够发现馆中图书量的增长情况，能够如实反映图书馆的图书使用情况。
3.2馆藏学科分类结构模型
随着现代信息技术的不断发展变化和科学技术学科间的交叉及渗透，在高校及相关教育部门内出现了各种各样的学科分类新标准，更值得一提的是，这些学科还在不断地细化及分解。馆藏数据信息资源学科分类在很大意义上是为了观察并及时反映图书文献资源的内容和信息能否为现代信息化教育事业、科学技术研究及社会职业分工等提供一些数据，为决策者服务。馆藏资源学科分类模型可以利用图书分类信息表去了解城市图书馆及高新图书馆内文献的学科覆盖范围，特别是重点学科文献的种类和数量的变化情况，为图书管理者对图书文献的使用及采购决策提供依据。
3.3馆藏等级结构模型
现代数字图书馆馆藏数据资源由于管理和科研的需要被人为地划分为一些特定的等级，如目前比较流行的划分原则有图书馆藏的作用、图书馆特定的相关功能需求、图书阅读人员的文化水平情况等。图书馆藏数据资源信息等级结构模型不但能表现出现存图书文献资源的利用情况，还能反映出阅读者对知识文化需求的解决情况。世界各地的图书馆管理者对馆藏数据文献资源的等级具有各不一样的划分标准，目前我国较多地方的图书馆部门及相关院校的图书馆机构采用五等级法，即划分为甲、乙、丙、丁、戊级。现阶段教育部对大多数本科院校馆藏数据资源的评估主要是依据其藏书的数量评定的，如大于180册/人为A级，大于150册/人为B级，大于100册/人为C级。我们可以通过这些馆藏数据资源的等级结构模型来分析图书馆内阅读者的平均可借阅文献种类和数量，同时还能看出这些数值随着时间的推进或是随着馆藏资源学科信息分类后的变化情况，能更好地实现馆藏资源的可视化。
[BT3]4数字图书馆馆藏资源可视化服务设计
4.1可视化服务总体架构设计
笔者在考虑图书馆学习者的实际需求的情况下，在原来B/S系统的基础上设计了一种面向用户的可视化服务构架。该系统是在图书馆馆藏资源的基础之上设计的一种面向用户的可视化服务架构，主要有可以用来展示可视化服务所有类型的服务效果情况的前台浏览器UI；可以作为请求馆藏所有数据资源的可视化服务情况的中间数据通信部分；可以用来组织、整理监控馆藏资源数据库和其模型库的后台服务器部分（见图3）。
如上图所示，图书馆馆藏可视化服务系统需要设计的模块有：结构可视化设计、馆藏资源覆盖率可视化设计、馆藏资源利用率可视化设计及数据模型管理及其通信部分设计等。
4.2图书馆藏结构可视化模块设计
针对现代图书馆内馆藏资源的结构及其数据模型的可视化主要是在几何元素的基础上建立的可视化相关理论技术。目前较多利用的方法是平行坐标法，但具体实现这种方法的工具是报表，这是因为馆藏数据资源模型的影响因素较多、纵横坐标的参数值特别复杂且具有不确定性。但这种方法使用的报表的结构形式与以往其他形式的老版本报表有很大不同，主要体现在此报表有动态变化的数据、趋势性的参数值、报告和表格融合成一体的结构。
馆藏资源数据结构模型的可视化报表的图表内容包括图书的种类数量、每类型图书的册数量、各种类型之间的比例关系、平均每人可借的最大数量图书比例等。报表中的图和表分布代表不同的意思，其中条状的图形表现的是图书的类型数量和册数量；线状的图形表示的是比例情况。值得一提的是，图书馆可视化报表方便了人们对每个维度表示内容的数据形式的了解，还具有直接联机打印数据可视图片的功能。
4.3数据通信与接口模块的设计
要想实现图书馆馆藏数据的可视化，前台界面效果和系统后台管理服务器应直接连接起来，其需要系统具有数据资源间的相互通信及其间的数据接口。此模块设计中的数据接口功能主要是：①利用对集成电路芯片的封装来显示图书馆馆藏资源信息数据。②由外观页面显示平台对上面的数据接口进行数据和信息的技术访问。③资源服务系统平台的数据接口接到访问信息后便与后台服务器进行数据和资源信息的交互，实现数据的相互传递。其中，可视化系统平台提供的数据服务形式是已经经过封装后的具有相对统一的标准格式的数据，其通过服务器再传递到前台显示界面内，此时具有可视化特定显示要求的信息数据已被传递结束（见图4）。
[T0523.TIF，B]
[TS（][HT5”SS][Z]图4数据通信接口模块框架图[TS）]
图书馆馆藏资源信息可视化服务系统设计因为有了数据通信接口这个特定的模块，从而使系统内部前后台的设计研发具有相对可以分开的效果，因此使用过程中如果发现系统有任何不足和需要改进的地方，都可以对此可视化服务系统进行性能优化和功能改进以及系统信息扩展。
[BT3]5结论
随着可视化技术的不断发展和逐步完善，数字化图书馆馆藏资源的可视化也会逐渐成熟。并且，可视化技术的应用将会进一步提高数字图书馆信息服务系统的服务能力，从而使其能更好地发挥数字图书馆信息服务的功能。
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关键词：三维建模，分形理论，山体，仿真
0.引言
随着信息技术的逐步发展和社会要求的逐步提高，虚拟现实的研究领域开始转向山体、水域等不规则形态的实体。而由于计算机处理能力有限，地形数据获取困难，可视化处理复杂，三维显示效果缺乏真实感等问题逐渐显现。本文以山体为例就不规则形体的可视化过程进行研究，探讨一种不需要实体数据，计算机可视化技术与数学分形理论相结合的三维地形可视化的处理方法。
虚拟地形的可视化具有随机性和复杂性，在对山体的三维建模过程中，首先对山体的实际形态进行研究，针对虚拟地形数据的特点进行参数设置和纹理映射，利用计算机可视化技术，创造性的融入分形技术，实现对山体的建模。同时利用分形理论实现山体表面树木的覆盖，达到仿真的效果。
本文探讨的山体的三维建模方式，是基于笔者题为《连云港地区虚拟现实研究》的基础上的，在对其虚拟现实的研究过程中对山体的建模采用的是3DsMAX与VRML相结合的方式进行的。
1.分形理论概述
随着社会科技的进步，分形理论从最初的研究自然界和非线性系统中的不光滑和不规则的几何形体逐渐发展为研究人类社会经济活动中存在大量的现象。分形理论着重研究自然界和社会活动中普遍存在的无规则而具有自相似性或统计自相似性的系统或现象，如弯弯曲曲的海岸线，起伏不平的山脉，粗糙不堪的断面等。这类客体不具备特征尺度，用不同倍数的放大镜去观察它们，其相貌是相似的，并且这个性质不随观察位置的变化而变化。自相似性普遍存在物质系统的多个层次上，物体或几何图形的维数的变化可以是连续的，即其维数可以不是整数[2]。
而以山体、河流等不规则几何形体为主要内容的地球系统，其时空展布具有分形的特点。普通的数理理论中的均匀、连续及光滑边界条件下的问题求解方法远不能满足地学问题的研究需要，分形理论的出现为研究类似地球系统这样的复杂系统提供了一种新的研究方法。
2.虚拟现实三维山体建模方法初探
在对山体进行三维建模时可以使用强大的三维建模工具3DsMAX或是虚拟现实建模语言（VRML）进行。对于地形数据，还可以借助VRMAP进行拉伸从而实现三维实体的可视化仿真。
笔者在进行《连云港地区虚拟现实研究》时考虑采用强大的三维建模工具和虚拟现实建模语言相结合的方式进行，所收结果不尽如人意（如图1所示）。为此，探索更加符合地形数据特征的三维建模方式有助于更加清晰地对地理实体进行分析研究，从而真正实现地形数据的三维可视化。在可视化的基础上借助虚拟现实建模语言VRML强大的扩展性能，结合JavaScript脚本实现三维实体的放大、缩小、漫游、查询等人机交互功能。
考虑到地形数据的复杂性及其获取的难度，在进行山体的三维建模时还可以采用三维建模软件SketchUp对场景进行三维建模，使用遥感图作为底图，在底图的基础上对相应的山体进行拔高，利用等高线形成基于现实的虚拟场景图（如图2所示），在SketchUp软件中可同样对所选场景进行放大缩小漫游等操作，但是实现场景仅能对山体底部的轮廓相对应，与山体实际自相似的层次”结构不相吻合。科技论文。
关键词：大数据时代；高职教育教学；新模式
中图分类号：G718文献标识码：B文章编号：1672-1578（2017）04-0017-01
我国已经进入大数据时代高速发展阶段，在大数据发展形势下，很多东西都能被数据化，包括行为的数据化以及情感的数据化，为人们的生产生活提供了较大的便利。在此情况下，高职院校也应顺应时展的趋势，充分利用信息技术进行教学模式改革。改变教学方式、考试评价方式以及教育管理方式等。这种教学模式的改变对学生学习具有重大的影响。
1.大数据时代高职院校教学信息化所存在的问题
在大数据发展的情况下，高职院校顺应信息技术发展的趋势，在教学中充分利用大数据的优势，改变教学模式，促使教学效率提高。但就目前而言，学校教学信息化仍存在着一系列的问题，教学模式转变存在着阻碍[1]。主要表现在以下几个方面。（1）学校构建网络平台的同时，没有强化其在教学中的具体应用，使其使用效率大大降低。（2）网络后台使用不通畅，在对课程进行信息建设的过程中没有考虑学生实际应用情况，教师与学生在后台很难互动。（3）没有及时地更新资料。在进行资源课程设置时，有些的资料已经完全过时，资料的更新速度慢，不能满足学生学习需要，这些问题都会影响高职院校教学模式转变。
2.大数据时代高职教育教学新模式探讨
2.1构建优质的教育教学平台。在大数据时代，高职院校要不断地改变教学模式以适应社会发展的需要。首先，高职院校要利用信息技术建立完善的教学资源数据库。在过去，学校所掌握的资源素材较少且单一，只有教案、PPT课件以及教材练习题等。这些资源都没有考虑学生的实际需求。因此，在进行教学模式改革过程中，要从学生的需要出发建立一个好的校园资源数据库，促进学生学习效果的提高。在创建过程中重视其创新性，增加"微课"、"慕课"、"电子书籍"以及"在线测试"以及"线上线下交流互动"等内容，最终构建一个优质的教育教学平台，通过这个大平台促进高职教育教学模式优化。
2.2采用多样的教学模式。在大数据时代背景下，教师也要不断地改变教学方式，更新观念，尝试使用较为先进的教学方式，如：翻转课堂等。实践方式如下。
2.2.1创建教学资源，引导学生前置学习。在上课前，利用数据对学生的特点进行分析，以分析结果为基础进行课堂教学资源构建，主要包括创建微视频，设计学生课堂练习题、学生课后任务等。在制作过程中要结合学生的个体差异性，从而选择确当的教学策略，以适应不同的学生学习。其次，重视学生前置学习。教师可以录制相应的微视频，学生在上课前观看微视频，从而形成一个基本的知识概念。教师借助数据平台考察学生的课前学习掌握情况，并综合学生的学习情况，进行知识讲解。
2.2.2组织课堂教学活动，重视平台信息反馈。学生在观看教师制作的微课视频以后，教师要从知识呈现的角色中转变为学生的指导者。学生通过观看微课视频已经掌握了基础性的知识，对于微课视频学习还存在着不同疑问或者想法的同学，教师可以针对性地进行解答。对于多数同学提出的疑问，教师要在全班范围内进行集中性的解决。通过课堂教学，教师观察学生的学习情况，促进师生间的互动，将更多的学习时间留给学生，重视学生的主体地位，提高学生的创造能力[2]。在教学结束后，教师还应重视反馈信息，通过平台反馈功能，对学生的表现进行点评，并在此基础上提出更完善的学习方案，巩固学生所学知识，促进学生对知识的理解。
2.3发挥移动设备的优势。在大数据时代背景下，大多数学生都拥有智能手机，网络连接的便捷程度更高。智能终端提供更多的网络支持，通过数据线等方式就能将信息传达给学生。同时，手机具有良好的互动功能，如短信、视频、QQ、微信等都属于社交性软件，软件中添加了强大的音频、图像以及画面功能。在此发展背景下，高职院校应该看到手机的优势，因为通过手机移动设备学习已经完全突破了时间以及空间的制约，能有效的利用信息，让学生随时随地地进行网上学习，具有良好的学习实效性[3]。所以，高职院校在进行教学模式改革的过程中，可以充分地发挥手机APP的优势，不同的专业可以下载各自的APP，供学生进行课后学习。如：英语学科，学生可以下载"英语流利说"、"BBC""百词斩"等手机APP。学生在课后可以借助这些APP进行英语知识学习，促使学生学习效率提高。
3.结语
综上所述，高职院校要充分利用大数据的优势，探索新的教学模式，促进教学水平的提高。如：结合学生的需求，构建优质的教学平台，供学生信息浏览与解答疑惑。采用多样的教学模式，充分挖掘教学资源，制作课前微课视频，引导学生前置学习，然后在此基础上开展教学活动，对学生的学习结果进行评价。最后，充分地发挥移动设备的优势，通过下载手机软件的方式，方便学生随时随地的学习，突破时间与空间限制，最终促进学生学习效率的提高。
参考文献：
[1]李建新.唐小燕.基于大数据的高职学生个性化培养应用研究[J].科教文汇，2015，69（03）：55-63.
关键词：工程地质三维建模与可视化地质信息
1前言
现有的地理信息系统(GIS)都主要表达二维的地表地物的图形和属性信息，要扩展到真三维包含地下地质结构的地质信息系统还有差距。一个大型地质工程项目从可行性研究阶段、初步设计阶段到详细设计阶段，乃至到工程施工与运行阶段，往往积累了大量的地质资料，用三维模型图形图像来表达和解释如此庞大的资料，比光靠数据库和图表图纸等传统手段来得有效的多。建立工程地质体的三维模型，处理岩层界面与结构面组合关系，逼真反映地下主要地质结构全貌，将为工程地质工作者分析研究工程地质现象和发现掌握岩土体结构规律，提供一种崭新的研究手段和研究方法。
国外三维地质建模和可视化研究发展较快。加拿大阿波罗科技集团公司推出的三维建模与分析软件MicroLYNX，通过对离散点采样、钻探采样和探槽采样等空间数据的处理，产生剖面、块和面等模型，确定矿藏分布和等级变化并计算矿藏储量。加拿大GemcomSoftwareInternationalInc.公司开发的Gemcom软件通过钻孔、点、多边形等数据，利用实用的图形编辑和生成工具，显示钻孔孔位分布，运用不规则三角网建立表面和实体模型，运用多义线圈闭岩层和矿体边界进行储量和品位分析，提供了交互操作功能并允许用户根据自己的经验和专家知识勾画地质模型，实现任意剖面切割任意角度观察和实体与实体或实体与表面的交切与布尔运算等。国外软件主要是瞄准采矿工程，能够较好地满足采矿工程活动中的矿产资源勘探和评价、地下矿井和露天矿坑设计和规划、矿产资源管理和采矿生产管理等需求。美国Kinetix公司开发的3DStudioMAX，Alias/Wavefront公司开发的Maya和微软公司开发的Softimage等大众化的三维建模软件，在构建工业和建筑模型与动画制作方面有其独到之处，但交互查询的功能较弱，与工程勘测数据库结合并应用于工程地质三维建模方面还有较大距离。
张菊明等对风化带分布、多层地层等地质信息的可视化和断层错断岩层的表达和显示的算法[1,2]进行了较为深入的研究，为工程地质三维可视化软件的开发准备了数学基础，并借助AutoCAD平台实现了复杂三维地质图形的显示。国内的灵图VRMap地理信息系统软件有较强的地形模拟和地表地物的查询功能，但不是真三维的地质建模工具。北京东方泰坦科技有限公司开发TITAN三维建模软件，基于框架建模的思想，利用平行或基本平行的剖面数据，建立起三维空间复杂形状物体的真三维实体模型，但目前只是初步的三维建模与图形处理的引擎，在面向具体专业时，需要添加或扩充专业模块，比如工程地质专业模块等。
纵观国内外几种软件的研究与开发现状，它们为工程地质三维建模与可视化打下了很好的技术基础，提供了很宝贵的开发经验。但是，对于工程地质专业的地质体建模与可视化分析的针对性不强，不能够很好地满足工程地质生产与研究的专业功能需要。因此本文将从分析工程地质的三维建模和可视化的关键技术问题入手，简单描述作者在工程地质三维建模和可视化方面的初步开发研究成果。
2关键技术问题分析2.1离散数据的插值与拟合
工程地质复杂地质体中的各种地质信息，包括地表地形、地下水位、地层界面、断层、节理、风化带分布、侵入体及各种地球物理、地球化学、岩土体的物理力学参数或数据的等值面(线)等，都可以看作是三维空间中的函数，它们的拟合函数要根据实际勘测数据建立，实测数据越丰富，越能够真实描绘出这些信息的空间分布规律。地表地形测量数据、地下水位埋深测量信息等的单值曲面图形生成可归结为双自变量离散数据的插值和拟合，多值曲面如倒转褶皱和空间等值面等，则应采用多参变量插值等其他一些较复杂的方法。空间曲面插值函数有以下构造方法，如与距离成反比的加权方法(Shepard方法)，径向基函数插值法(Multiquadric方法)[3]，平面弹性理论插值法[1,2]等，它们同样适用于单个连续地层界面、地球物理勘探数据、地球化学勘探数据以及岩土体物理力学参数在地质体空间的分布。
2.2三维数据结构
工程地质体一般是不规则形体，在计算机图形学中曲线和曲面总是分别通过很多微小直线段和微小三角面逼近来模拟地层岩性界线和岩层曲面，即岩层界面（和地表曲线、地下水位面等地质层面界线）和岩层曲面都分别是许多微小直线段和微小三角面的集合。地质体三维空间数据结构是工程地质三维建模和可视化的基础，这就要求必须具备有效的分层的三维数据结构，能够确保人机交互和查询的实现。
2.3曲面求交
地质体中存在大量各种层面，当出现地层不整合、断层错断岩层、地层尖灭和地下水出露于河谷地表等情形时，就自然会遇到曲面间求交的问题；地质体三维模型的上部边界是地表曲面，通过数学方法拟合出的岩层面或地下水位面不应超出地表曲面，即超出部分不应显示。同样的，当显示多层地层时，下面的每一岩层应以其上一岩层为边界。因此，为了可视化地层界面必须要解决地层面与地表、断层面和其他地层面的求交问题。另一方面，在剖面图成图时，地质界线的绘制是通过显示剖面(平面)与各种地质界面(曲面)求交所得出的交线。因此曲面求交包括地质界面（层面）之间的相交，和地质界面与剖面的相交两类问题。
2.4三维拓扑结构分析
从地质学角度看，拓扑是地质对象间关系的表格，拓扑表存储层位间上覆、下伏和交切(被断层切割后地层的拓扑表达)等的地层学关系及地质空间位置关系。拓扑也可视为允许这些地质关系合理储存的数据结构。例如，考虑多层地层，上一个岩层的底面和与其相邻的下一个岩层的顶面是上下岩层这两个实体的公共部分或共享边界，它们之间的拓扑关系就是相邻和同一的关系，在存储数据时只存储上一个岩层的底面或其相邻的下一个岩层的顶面，即相邻岩层的边界曲面可以存为一个地层曲面，大大减少数据存储量。评价地质模型系统的优缺点往往决定于描述地质对象所用的拓扑结构[4]。
2.5可视化技术
工程地质复杂地质体可视化，是利用计算机技术将工程勘测获得的数据，转换为形象直观的便于进行交互分析的地下地质结构空间形态的立体图和剖面图形，其基础是工程数据和测量数据的可视化〔5〕。利用可视化技术可以从庞大的地质勘测数据中构造出地质工程中对于边破稳定性和地下硐室变形破坏等起关键作用的岩层和结构面，并显示其范围、走向和相互交切关系，帮助工程地质人员对原始数据做出正确解释，继而为工程地质分析具体问题提供决策支持。
3工程地质三维可视化技术的初步开发与应用3.1研究框图工程地质复杂地质体三维建模与可视化的研究框图如图1所示。
基于离散采样数据的插值与拟合的思想，即将离散数据转化为连续曲线曲面,工程地质复杂地质体三维建模与可视化的过程是，从勘探数据库中提取各种地质信息的坐标位置及岩土体的物理力学参数，通过不同的拟合与插值函数得到地质层面(曲面)和地质实体的三维计算机图形显示，表达地质信息在研究区域内的分布规律。生成地质岩层面和地质实体后，实现从任意角度观察建立的模型，实现根据指定的剖面走向、倾向和倾角生成垂直剖面。
3.2初步开发与应用3.2.1工程勘测空间数据库管理在收集整理现场勘测数据后录入金沙江某水电工程勘测空间数据库各分项数据表，这些数据表不仅包括地质信息的位置数据，更重要的是提供属性数据。
以地层岩性数据表为例，要求录入钻孔编号、岩层起始深度、岩层终止深度、层厚、岩性（地层名称）、地层代码（地层年代）、岩层走向、岩层倾向、岩层倾角、接触关系、地质描述等数据。随着工程勘测的进展，能够方便地修改补充和管理勘测数据。图2是工程勘测数据库中钻孔地层系统数据表的管理界面。
3.2.2三维浏览通过孔口坐标和测量数据等的离散数据的拟合和插值法绘制坝址区的右岸地表曲面网格（图3），进而可在三维图形环境中进行虚拟现实浏览观察（图4）。
3.2.3三维地质立体图利用工程勘测数据，建立了坝址区右岸三维立体地质图。该坝址区自上而下地层岩性组合为：第四系崩坡堆积物，侏罗系泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，三叠系上统厚至巨厚层状细至中粒砂岩，三叠系上统薄至中厚层状粉细纱岩、粉砂岩，三叠系上统中厚至厚层状中粗砂岩。通过有限的工程勘测数据得出的立体图，能够较好地满足工程地质的精度。图5表达了该坝址区右岸三维地质图。
3.2.4三维可视化查询通过图形与工程勘测数据库中的属性数据的链接，实现可视化查询地层岩性和其他工程地质信息，最终完成向三维地质信息系统的转变。图6是一简单的被断层错断的水平多层地层模型，通过模型的每个地层实体名称与数据表中的岩石名称字段对应链接，能够查询地层的岩性，地质年代，起止深度和地质描述等工程地质人员关心的地质信息。
4结论
(1)运用先进的可视化技术与交互图形技术建立数据库，存储和管理现场勘探实测和试验数据，建立工程地质体的三维模型，工程地质工作者可随着勘察或研究工作的不断深入细致，对研究(工作)区域随时补充信息来自动显示地质信息在研究(工作)区域内的分布，从而不断提高模型精度，并且利用模型反馈回来的信息及时发现已有勘察工作中的不足，从而及时修改勘察或研究工作方案，指导下一步勘探或研究工作的实施。
(2)工程地质三维建模与可视化的深入研究，可以充分利用已有现场勘探实测或试验数据，达到节约投资减少勘察或研究成本的目的。当现场勘探和试验数据资料不足情况下，通过对已有数据的插值与拟合到建立三维模型，可以推断和预测未知区域或研究较少区域的地质信息或岩土体物理力学参数的分布趋势，从而为减少勘探工作量提供科学的可靠的依据，达到节约花费，为生产或研究部门产生直接经济效益的目的。
(3)工程地质岩土体是复杂的不规则形体，存在各种地质岩性层面、结构面以及各种空间分布的地质与力学信息，完全表达地质信息的空间分布及岩层和结构面间的位置关系，工程地质三维建模与可视化研究是大有作为的。
参考文献：
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【关键词】隐蔽工程；选厂数字化；三维数字模型
近年来，各行业企业对现代化经济运营管理模式重要性的认识不断加深，并加大了现代化经营管理模式的创新探索，矿山企业在创新理念指导发展中对新型管理模式的探索尤其典型。矿山企业在创新发展中立足于资源不可持续现状进行了技术、装备、管理、效益等综合化的管理系统探索，以统筹全面推进企业资源开发与经济运行。本文以新型矿山企业选厂隐蔽工程建设为例，着重分析探讨隐蔽工程建设规划中的信息技术特点与要点。
1基础数据的整合处理
现阶段，众多现代化的新型企业在选厂隐蔽工程构建工作中均基于数字化互联网软件信息平台技术与企业实际情况进行了数字化技术应用说明与管理文件制定，如部分矿山企业选厂隐蔽工程数字化管理模式建设过程中制定了“基础数据收集、整合、分析处理及管理规范说明”等，该类说明、指导性文件为选厂隐蔽工程数字化工程建设提供了数据整合、收集工作指导，也最大程度的保证了数字化隐蔽工程建设资料与数据收集、整合的完整性、有效性与准确性。
1.1基础数据内容
现代企业工厂建设工作中会涉及到选厂地表与地形、工厂生产作业场地、地下管线、厂区供电线路等基本设备与设施，构建信息化的选厂隐蔽工程要实现完善的统筹化的管理，需要在隐蔽工程基础信息收集与整合管理中掌控选厂隐蔽工程建设相关的资料信息，主要包括选厂地表资料、场地资料、相关信息挡案和各种线路资料等。
1.2数据收集与分析处理
选厂场地的地表装置与设施资料的获取一般借助GPS测量设备进行实际的测量，并就测量数据构建起宏大的、系统的信息框架，进而为数据的建设提供信息指导与依据。矿业、工厂或企业选厂隐蔽工程建设均具备不断深入更新的特点。选厂场地中地下设施信息的获取是依据设计图纸与施工信息等资料。选厂隐蔽工程数字化建设应用中多是整合信息形成三维化的数据模型，进而进行统筹数字化运行管理。
2数字化模型构建与实际应用
2.1三维可视化数字模型的构建
在基础信息收集与整合工作中要依据地表地形信息资料进行科学标高赋值，在实际信息资料的基础上计算出对等、科学的图纸信息数据，进而构建制定符合实际的三维地表地形模型，以为后期选厂隐蔽工程数字化建设提供信息基础。
2.1.1地表设施三维可视化模型构建
地表地形三维数字化模型的构建工作中以图纸信息中二维地表坐标等信息进行科学计算转换，后在数字化可视模型建设中进行对等的高程赋值，形成三维模型。
2.1.2地下管线系统矢量化
工厂、矿山选厂建设过程中为保证正常的生产与生活，需要在场地区域内铺设多种管道设备，常见的管道设备有电力、排水、热力、通信等，另外不同行业的选厂隐蔽工程建设还包括不同的地下管道设备，如矿业企业选厂建设中必备供水、回水，矿浆工艺管线等。需要注意的是在地下管线设备三维可视化数字化工作中要将不同用途的地下管道进行区别分类，进而在数字化模型构建中建立完善的图标，增加模型的可读性。地下管线设备的矢量化最大的特点便是颜色区别管理，这也是地下设备三维可视化的基础。
2.1.3地表数字模型与地下矢量模型的整合
三维数字化模型图表的应用还需要地表与地下三维图复合处理，这是制定三维数字化模型形成的最后环节。在选厂隐蔽工程数字化建设应用中选取任一点三维坐标进行空间处理，形成三维复合处理，该种模型处理方法还能间接优化选厂隐蔽工程建设方案，减少建设投资。
2.2三维数字化模型的应用
选厂隐蔽工程三维数字化模型应用需要涵盖模型建立与储量计算、选厂隐蔽工程规划与设计、统筹管理等环节，笔者以矿山选厂隐蔽工程数字化模型应用为例，着重分析了三维数字化模型的应用与实践要点。
2.2.1可视化模型构建与储量计算
矿业选厂隐蔽工程数字化建设工作多是在获取地质勘察数据的基础上进行信息整合与管理，进而指导矿床地质模型的构建。矿床可视化模型的构建在地质图件编制管理与研究的基础上计算矿床储量，为矿业工厂资源开发规划提供有效的优化指导。
2.2.2选厂隐蔽工程规划与设计科学度提升
矿业选厂三维模型构建过程中要进行地质储量计算，该计算工作中以规划与设计软件为主要工具，能够为选厂规划与设计提供优化思路，进而为选厂生产计划的动态化调整、完善提供指导。将三维可视化模型应用于选厂隐蔽工程数字化建设中利于资源的合理利用，对于科学、系统的经营管理模式运行作用十分突出，还能降低生产成本。
现阶段，三维数字化模型的应用不断推广，选厂隐蔽工程数字化建设过程中建设三维化的管控模型能够有效利用整个工程原始数据，并提升工程统筹管理的科学化水平。
3隐蔽工程的系统优化布局
选厂隐蔽工程数字化模型建立工作是以工程规划方案为基础，充分利用各种信息化技术与三维可视图来进行工程优化布局。
现阶段，矿业工厂或企业在选厂隐蔽工程建设中多是借助于Surpac数据处理软件进行信息处理，该信息处理平台在应用中能够为工程规划方案优化提供隐蔽工程整体布局可视图，进而提供选厂内物流流畅程度、占地情况、运输距离、安全保证、功能区规划等基本信息，为选厂隐蔽工程数字化建设方案优化提供科学的信息指导。此外，选厂隐蔽工程数字化工程建设中能够借助三维可视化图表进行优化布局，还能最大程度的实现场地利用与成本最低化。
4选厂隐蔽工程数字化研究成果总结
选厂隐蔽工程数字化经验研究表明隐蔽工程数字化建设能够借助可视化的三维模型来指导隐蔽工程布局，从根本上改善厂区内各环节基础设施建设状况，尤其能够改善选厂内部的交通设施条件。数字化的应用模型应用中矿业等各领域选厂隐蔽工程建设中能够提供不同的厂址方案，对于提升选厂方案的科学化水平作用突出，这些信息化的数字指导有利于选厂隐蔽工程建设成本控制。
选厂隐蔽工程数字化还融入了同步更新系统，能够保证工程建设数据库的动态化，这样能够为隐蔽工程建设提供科学、实用的指导。
选厂隐蔽工程数字化建设过程中着重针对场地地表与地下设备进行了可视化模型设计，为选厂隐蔽工程建设提供直观化的管控平台，也增加了选厂隐蔽工程建设工作中的技术含量，为现代化项目管理运营模式的构建与应用提供便利基础。
5结语
本文着重分析了选厂隐蔽工程数字化应用要点与特点。选厂隐蔽工程数字化建设主要是在收集、整合信息、分析处理的基础上构建可视化的三维模型，进而借助可视化的数字化模型指导选厂隐蔽工程建设，并为隐蔽工程建设提供方案优化信息指导与参照，这种数字化的管理运行模式已经成为当前各领域选厂隐蔽工程建设工作中的主流，能够为选厂隐蔽工程建设科学化水平提供保证，值得实践推广应用。此外，笔者认为在选厂隐蔽工程数字化建设工作中经过借助信息化的管理技术不断总结经验，并在经验完善过程中优化提升选厂隐蔽工程建设规划方案的科学化水平。
参考文献：
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城市设计是一种广泛开展的关注城市规划布局、城市面貌、城镇功能，尤其是城市公共空间的城市规划业务。其传统的建模方式基于SketchUp、AutoCAD、3DMax、Maya等软件平台，存在建模过程复杂、科学性不足、数据更新不足、效率低等问题。对此，本文探讨了基于参数化建模的三维城市设计方法，采用新兴的建模软件城市引擎（CityEngine），与具有强大分析功能的ArcGIS相结合，高效快速地将2D数据转换为3D数据，最终实现城市设计的参数化、数字化、可视化，并提高城市设计的效率和科学性。
一、传统建模方法存在的问题及研究现状
目前，城市设计传统建模方法存在的问题有：
一是三维可视化不强。现有城市设计主要基于平面二维设计的方法，完成方案之后，再开展三维建模。由于可视化不强，在对方案进行评价时，无法观察到很多方案细节。此外，在设计方案时，设计师往往只能凭借经验，无法在一个虚拟的环境下感受建筑的尺度、比例、色彩对比等。
二是建模过程复杂。通常来说，城市设计要对一定区域内所有建筑进行三维建模，数量巨大任务繁重。传统建模对单栋建筑可以做到很精细的程度，对于大量建筑群就显得力不从心。同时，由于还要考虑到城市建筑风格、建筑色彩等问题，需要花费大量精力在建筑外表面上进行设计，无疑加大了建模的工作量。
三是群众参与性不高。传统城市设计是自上而下的方式，由设计方设计并交甲方（政府）评审，根据甲方意见修改设计，广大群众无法有效参与到设计之中。
目前国内对城市三维建模及可视化有一定的研究。刘增良、杨军、张保钢（2009）探讨了目前主流的三维建模技术方法，并且在实际的三维规划中对各类三维建模技术进行了综合应用[1]；阎凤霞、张明灯（2009）提出三维数字城市构建和实现方法[2]；冉磊、高磊、张宇琳、杨艳峰（2010）又进一步论述了三维数字城市建立的路线、技术流程及数据处理过程，最后探讨了数据更新和维护及三维数字城市技术在城市规划中的应用[3]；王法（2011）以奉化市为例，对城市三维仿真建模的基本技术路线和方法进行探讨和研究，为三维地形、模型、参加的优化在城市规划中的应用提供了方法[4]。
在三维建模方法，应用最多的是基于3DGIS系统。单楠（2009）采用SketchUp和ArcGIS相结合的方法进行了三维GIS的开发，并在小区三维可视化管理系统中得到了应用[5]；吴学强、孙建刚、李想（2013）将ESRICityEngine用于大庆石油储库的场景建模中，提出基于规则的建模平台，使得使用者只需要改变模型的参数就可以创造出更多的模型或者不同的设计方案[6]。
从目前国内的研究现状上分析可以发现以下两个问题：
一是研究中涉及到三维建模与城市设计的很少。大多数研究是基于三维建模的城市，以及数字城市的发展。对于如何让参数化三维建模在城市设计中起到作用，如何通过三维建模在区域场景中直接开展规划设计，并且能够实现可视化等问题的研究，涉及度以及深度都远远不足。
二是城市规划领域三维建模对新技术研究不足。目前城市规划领域的研究大多是基于SketchUp、ArcGIS及其拓展程序，而这些软件在使用过程中都有一定的局限性。对于当前城市设计中面临的种种问题，亟需引入新的技术方法，来打破传统设计理念的桎梏。然而，国内对新技术的研究却还没有大的突破。
二、基于城市引擎CityEngine的三维城市设计方法
（一）基本原理
参数化建模（ParametricModeling）是用专业知识和规则来确定几何参数和约束的一套建模方法，通过简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型。本文的研究是将参数化建模建立在CityEngine这一软件平台上。
CityEngine是基于规则进行建模的软件，它的建模速度快，规则模型可重用性强，基于工作流场景画面显示流畅，并能实时、动态、有效地优化城市设计场景模型。
将CityEngine与ArcGIS相结合，协调建模。首先在ArcGIS中将建模所需的二维数据处理好，通过Geodatabase文件导入模型基底到CityEngine中；然后将已经整理好的规则应用于基底，这时初步的模型就建立起来。这里的规则是指预先对模型进行的各项定义，如建筑风格、建筑层数、道路宽度、绿化布置等，这是CityEngine的核心部分，存储在规则文件.Cga中；接着就要在CityEngine中通过修改参数来修改模型，并在这个过程中反复修改方案。在CityEngine中，一组参数对应一个规则，每个规则所建立的模型也不同，因此我们通过应用不同的规则来直观地观察不同方案的合理性；同时CityEngine也为使用者提供了大量科学的分析，如日照分析、视域分析、天际线分析等，通过这些分析来调整方案，达到建模与方案设计同步进行，并使二者产生积极的互动，最终通过参数化及可视化的方式，完成整个城市设计。
（二）方法应用
1.准备工作
（1）二维数据
将CityEngine与ArcGIS相结合，实现二维数据到三维数据的转换，在建模之前要构建模型基底（图1），主要在ArcGIS中进行，以AutoCAD辅助。
（2）规则
应用CityEngine为城市设计建立模型，其高效性来源于规则的使用，在真正建立模型前，要建立相应的规则库。城市引擎CityEngine建立的模型可以实现共享，因此规则的来源之一就是采用其他设计者已经建立好的规则；另外也可以预先按照设计要求自己设定规则，例如要建立一个高12米、层高为3米的建筑，就可采用以下语句：
Attrheight=12
Lot——>extrude（height）Mass
Mass——>aplit（y）（～3：Floor）*
城市设计建模所包含的要素十分丰富，建筑、道路、绿化等都需要准备相应规则，而且规则不能过于单一，要建立多个规则以供修改方案使用。
2.模型建立
将ArcGIS中的二维数据通过GeoDatabase文件导入到CityEngine场景中，拖入规则到指定地块，快速建立模型（图2、图3）。
3.模型优化
为了达到三维建模辅助城市设计的目的，要开始在CityEngine中调整模型，以到达最优设计。
调整模型的方法有三种：一是在检阅视图（Inspector）中修改。当我们想要调整某栋建筑的高度时，可以选中该建筑，再在同步弹出的Inspector工具栏中调整高度参数，或者重新输入新的高度数值。二是在规则的定义中修改语句。先将规则文件进行调整，然后重新加载进CityEngine的场景中。如：修改建筑的规则高度改变最初所设定的高度，修改语句attrheight=18，在规则中将原来建筑的高度由12m改为18m。三是在规则交互视图（ModelHierarchy）中修改规则参数。CityEngine中规则文件的可视管理使我们可以很方便地改写视图参数，调整规则视图的组块结构就可以高效直观地增减或删改规则。
4.模型分析
CityEngine中提供了多种专业分析，来辅助城市设计，进行方案的修改。如参照阴影分析（ShadowAnalysis）可以调整建筑高度、建筑密度等参数；通过天际线分析（SkylineAnalysis）可以改变建筑布局、建筑高度等，由此进一步完善城市设计方案，使最终的方案更加科学，这是在普通的建模软件中无法实现的操作。
5.成果输出，完成城市设计
方案的设计和修改与模型的建立实现良性互动，当方案最终确立后，最终的效果图也同步完成。
三、结论与展望
将CityEngine、ArcGIS等先进数字技术应用于城市设计，可以弥补传统城市设计中的不足之处：
第一，参数化建模大大提高城市设计效率。EsriCityEngine可以利用二维数据快速创建三维场景，而且对ArcGIS的完美支持，使很多已有的基础GIS数据不需要转换即可快速实现三维建模，减少了系统再投资的成本，也缩短了三维GIS系统的建设周期。
第二，规则的应用使城市设计走向可视化、科学化。CityEngine最关键、最强大的功能之一，是通过提供可视化的、交互的对象属性参数修改面板来调整规则参数值，比如房屋高度、屋顶类型、贴图风格等，可以立刻看到调整后的效果。
第三，使用CityEngine进行建模实现城市模型共享。CityEngine基于WebGL技术，大多数的浏览器都无需安装插件便可直接使用。此外该软件与当前主流的GIS平台ArcGIS紧密集成，让使用者可以在工作中轻松使用海量的3D城市模型。
CityEngine开启了全新技术应用领域，新技术的出现使得规则化大规模快速城市建模成为了可能，这将大大提高城市设计的建模高效化、分析科学化、三维可视化，并对于提高公众参与度具有重大意义，使城市设计在新技术应用的领域上升到更高水平。
参考文献：
[1]刘增良，杨军，张保钢.面向城市规划的三维建模技术探讨与应用[J].北京测绘，2009（2）：1—3.
[2]阎凤霞，张明灯.三维数字城市构建技术[J].测绘学刊，2009，32（2）：93—96.
[3]冉磊，高磊，张宇琳，杨艳峰.三维数字城市技术在城市规划中的应用[J].城市勘测，2010（2）：99—101.
[4]王法.城市三维仿真模型建模方法研究——以奉化市为例[J].科技信息，2011（7）：64—65.
1虚拟地理环境的表达
近年来，计算机图形学、科学计算可视化和虚拟现实技术的发展为研究者提供了直观处理研究结果的技术方法，被公认为是科学研究过程的重要组成部分。它在计算机空间（cyberspace）中为研究者开辟了一个具有沉浸感的虚拟环境，实现了三维空间和时态数据的可视化，并使研究者既能在虚拟环境中交互地操控研究对象，又可以在仿真模拟等科学计算过程中实时地得到正在处理的动态过程的反馈。随着地理科学各分支学科、地理信息科学、地球系统科学的发展，科学计算可视化和虚拟现实技术也在地理科学研究中得到巨大发展[6—9]，具体表现在vge学科研究进展上。
建立vge系统的关键在于其空间数据模型的建立[10—12]。vge主要由建立地球表层空间数值模拟的地理环境可视化与虚拟现实模型、空间数据模型和专业模拟数学模型三大子系统组成。其中，空间数据模型是专业模拟数学模型和可视化模型的基础。在二维地理信息系统时代，基础软件平台研制和应用系统设计开发一直沿用20世纪70年代以来提出的传统空间数据模型与建模方法，在现实世界空间实体和相互间关系及时空变化的描述与表达、计算机环境下的数据组织、空间分析等方面均有较大的局限性。vge是以真三维空间数据表达为目标，其空间数据组织不仅是点、线、面目标间有限的简单拓扑关系，而是要真实有效地表达现实三维空间实体及其相互间的拓扑关系。因此探索能够有效进行空间关系表达和空间数据动态存取的空间数据模型成为vge表达的重要研究方向[13，14]。
2一维与二维虚拟地理环境
广义上vge包括一维、二维、三维及多维虚拟地理环境。一维vge是指20世纪50年代末地理学研究开始计量运动以来，地理学研究领域引入统计学方法，通过构造一系列统计量来定量描述地理要素的空间分布特征，如较普遍地应用各种概率分布函数、平均值、方差、标准差、变异系数等统计特征参数以及简单的一元线性回归分析方法等。用数学方法对地球表层空间进行量化表达是当时地理学研究的一个新发展，逻辑思维在地理研究中达到一个新高峰，并构建了一个不可视的vge。60年代末期到70年代末期，电子计算机和相关学科的发展使人类最擅长的形象思维和逻辑思维得到很好的结合，基于统计学应用的地理要素空间分布特征，按照时间序列或空间序列以散点图、折线图等方式进行表达，从而完成一维vge的构建。
一维vge的表达模型与其所反映的地球表层空间相比，存在高度的抽象、离散和简化。通常将时间序列离散化为万年、年、月、日等时间断面粒度；将空间范围规定在一定尺度内，即在某一尺度讨论的事物在另一尺度转变为另一种现象；将地理过程离散为若干个互不连续的地理快照（snapshot），其表达模型离散为二维表格。
地图是二维vge的代表，与人类文明一样有着悠远的历史。地图是地学研究中时空分析与表达的有效手段，是科学深加工后的创新知识载体[15]，更是人类空间形象思维的再现，是最早实现“可视化”的vge。从长沙马王堆三号汉墓出土的公元前168年以前编制的地图到近几十年方兴未艾的gis电子地图，地图将三维真实世界抽象到二维平面，在地理要素的空间分布和相互作用及地理过程研究发挥了重要作用。
二维vge的表达模型是以计算机图形化要素与相应的属性数据关联实现对地球表层空间的表达。20世纪60年代，计算机图形学发展之初，地理学者就尝试利用计算机图形完成对土地利用数据的表达，随后gis的发展为地图这一古老的研究工具赋予了新的生命力，出现了地图代数（mapalgebra）与地统计学（geo-statistics），使地学进入了可计算时代。地统计学将一维vge表达的地理过程通过确定其空间变异性、空间自相关性及多项空间统计学参数，采用不同的空间数据内插方法将离散点上的数据扩展到二维平面；地图代数则实现了地球表层空间不同图层矢量数据的空间交、并运算和栅格数据的若干图层代数运算，从而实现了在二维平面上将地理要素与现象可视化及不同空间要素的空间运算。
3三维虚拟地理环境表达模型
三维vge描述的是真三维地球表层空间，比二维gis复杂得多，这不仅是增加一个第三维坐标的问题，而且涉及计算机图形学的三维图形显示、空间的三维拓扑建立与维护等复杂操作。三维vge的研究对象可以归纳为点、线、面、体，其中线不仅包括二维gis中的平面曲线，还包括三维特有的空间曲线，而不仅包括二维平面，还有三维中的空间曲面，而体则是三维中特有的研究对象[16，17]。在三维vge中，体的表达尤其复杂，其中规则体元包括结构实体集合（csg-tree）、体素（voxel）、八叉树（octree）、针体（needle）和规则块体（regularblock）5种模型，规则体元通常用于水体、污染和环境问题建模。非规则体元包括四面体格网（ten）、金字塔（pyramid）、三棱柱（tp）、地质细胞（geo-cellular）、非规则块体（irregularblock）、实体（solid）、3d－voronoi和广义三棱柱（gtp）8种模型，非规则体元均是有采样约束的、基于地层界面和地质构造的面向实体的三维模型，一般应用于较复杂的地球表层空间三维对象及地理过程计算中涉及的不规则、不均匀的几何实体[18]。
三维vge空间模型建模方法研究是目前虚拟现实和vge领域研究的热点，其主要建模方法有准三维模型和真三维模型；模型构建有面模型（facialmodel）、体模型（volumetricmodel）和混合模型（mixedmodel）。其中，准三维模型是指地球表层空间某点f＝f（x，y，z），任一对（x，y）的z有多个值（z[,1]，z[,2]，…，z[,n]），此类模型属面元模型，其表达对象只具有面属性，而没有体内属性值存在，一般多用于城市三维建模；真三维模型是指地球表层空间某点f＝f（x，y，z[,i]），任一对（x，y）的z不但有多个值（z[,1]，z[,2]，…，z[,n]），而且其表达采用三维矢量体元数据结构，表达对象有体内属性值，一般用于地质矿山等复杂地质体的表达。
3.1面表达模型
vge处理的对象是地理空间数据，这些空间数据的来源是多种多样的，数据中包含很多地理现象和地理过程的科学规律和现象。这些科学数据都是离散的采样数据，它们有很多属性，主要有空间范围、投影信息、数据来源、维数、定义域的维数、组织形式、时间特性及数据量等。其中数据的时间特性表示数据是否与时间相关，是否表示随时间变化的地理过程；数据的维数表示标量数据、向量数据及高维的张量数据等；数据定义域的维数分为一维、二维、三维数据等，具有时间属性的数据具有第四维特征；数据的组织形式分为有网格数据和无网格散乱数据等。
vge中基于面模型的建模方法侧重于三维空间实体的表面表示，如地形表面（dem）、地质层面、城市构筑物（建筑物）及矿山开采的轮廓与空间框架，面表达模型比较注重三维面纹理的表达。面表达模型所模拟的表面可以是封闭的或非封闭的。基于采样点的tin模型、lattice模型和基于数据内插的grid模型，通常用于非封闭表面模拟；而b—rep模型和wireframe模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。section模型、section—tin混合模型及多层dem模型通常用于地质层面之间内部构模。通过表面表示形成三维空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新，缺点是没有区域拓扑描述和所表达面内部属性的记录而难以进行三维空间查询与分析，多用于三维空间演示系统。
3.2体表达模型
在自然环境和计算模型中，许多对象和现象只能用三维数据场表示，对象体不是用几何曲面和曲线表示的三维表面模型，而是以体素为基本造型单元。例如，泥石流或山体滑坡不仅是地层表面构造发生变化，其深层地质构造十分复杂，如果仅用几何表面表示，不可能完整显示各种表层下山体构造内部不规则、不均匀的几何实体，则只能用于泥石流或山体滑坡三维演示而不能用于对其地理过程的描述和演化机理的研究。在三维空间数据场中，空间实体坐标由（x，y，z）表示在一种数据结构中，而不是把垂直方向的第三维信息简单抽象成一个单一属性值来处理，即通常的假三维与真三维的区别。体绘制（volumerendering）的目的在于提供一种基于体素的绘制技术，它有别于传统的基于面的绘制技术，能显示出对象体丰富的内部细节。从计算机图形学角度看，体绘制直接研究光线穿过三维体数据场时的变化，得到最终的绘制结果，所以体绘制也被称为直接体绘制；从体表达模型来讲，体绘制技术要求的是基于三维空间数据的体数据模型，三维空间体被剖分成基于规则或不规则的体元加以描述；从结果图像质量上，体绘制优于面绘制，但从交互性能和算法效率上，面绘制优于体绘制，这是因为面绘制采用传统的图形学绘制算法，其数据量远远小于体绘制所需要的数据量，现有的交互算法和图形硬件以及图形加速技术能充分发挥作用。从地理学研究的地理过程与地理变量之间的关系来讲，基于体元的体表达模型远优于面表达模型，通过对体元的描述可以对三维空间任意点赋予与其在自然环境中相同的属性、方法和事件，这有利于构建基于数理模型的虚拟三维空间。
3.3多维数据模型的转换与构建
vge是一个真实的三维环境，需要对三维空间点、线、曲面和体对象进行描述、分析和表现。无论是面表达模型还是体表达模型，都既有能明确描述空间拓扑关系的矢量数据模型，又有基于栅格的镶嵌数据模型。其中面数据模型侧重于三维空间表面纹理的表示，如起伏地形表面，通过表面纹理的表示形成三维空间目标构建与表达，其优点是计算速度快，便于空间对象的表现和数据更新。由于除组成表面的点外，其余空间点不具有属性值，不利于三维空间分析和对象体内部细节的表达，而地理过程和地理要素更多是基于对象体内部空间结构和地理变量之间的相互作用，因此对地理过程研究而言，三维体模型数据更有利于提示地理变量间的相互关系与作用。体数据模型侧重于三维空间体的表示，如滑坡、潮流、气流、云团等。通过对体细节的描述实现三维空间目标表示，其优点是适于空间操作和分析，简单的空间代数运算和拓扑分析易于进行，但不利于空间对象的表现，需要占用大量的计算和显示资源，计算复杂且空间运算过程中会产生大量分布零碎的无用体细胞。因此，在vge中需要综合面表达模型和体表达数据模型的优点，形成能同时描述空间点、线、面、体对象的综合数据模型，实现各种数据模型之间的相互转换。
数据模型是gis软件的基础，也是vge工程的核心，数据模型的转换是高效率完成各种运算、实现多种应用功能的基石。与二维空间数据模型的相互转换相比，三维空间数据模型之间的相互转换要复杂得多，尤其是表面模型与体模型的相互转换，这需要通过三维剖分、三维内插、曲面拟合、体元追踪等技术予以实现，而这些技术是有待研究的难题。
4基于地理过程的三维及多维虚拟地理环境表达
4.1地理过程
地理过程是指地理事物随时间的推移而出现的动态变化过程。反映这种“时间断面”上地理事物动态演化过程的基本事实、概念、原理、规律等的知识，即地理过程知识。地理过程主要包括地理循环过程、地理演变过程、地理波动性变化过程和地理扩散过程4方面。
（1）地理循环过程是指地理事物在一定空间领域内周而复始地运动或变化的过程。表现形式主要有：1）“运动式循环”：即地理事物在循环过程中，按“初始位置一系列运动环节系统发展到新的位置”这一模式进行，如大气环流、水循环、大洋环流等。2）“演替式循环”：即地理事物按“初始状态一系列新旧更替的变化阶段“恢复”原来的状态”这一模式进行，如地壳中的物质循环、生态系统的物质循环等。地理循环过程的vge表达关键是结合地理循环发生的空间区域，认清构成地理循环过程的运动环节或变化阶段；同时联系构成地理循环过程的运动环节或变化阶段，阐明地理循环过程产生的原动力、条件及循环过程的地理意义。
（2）地理演变过程是指地理事物随时间的推移而出现的新旧更替、盛衰消长等的变化过程。地理演变过程既有经历时间尺度较长的渐变型演变过程（如湖泊的演变过程、岩石的风化过程等），也有经历时间尺度较短的骤变性演变过程（如气团的变性、锋面的生长与消亡等）。vge中地理演变过程的表达离不开两个基本要素：1）地理事物在一定时间尺度内新旧更替、盛衰消长的顺序或阶段；2）发生地理演变过程的原因或条件。
（3）地理波动性变化过程是指地理事物的数量在一定时间尺度内持续变化的过程，如河流流量的月变化与年变化、气温的日变化和年变化、农作物产量（某一时间内）的变化等。地理波动性变化包含了时间和地理数量两个要素，一般情况下其变化以时间、地理变量以及若干个要素间的相互依存关系的角度进行。传统地理表达采用文字或统计图表加以描述；在vge下将时间轴作为主控制轴，表达地理波动性变化可以清晰地表达地理变量与时间及地理变量相互之间的复杂关系。
（4）地理扩散过程是指地理事物由某一中心或源地向四周扩散的过程，如污染物质由源地向周围的扩散、洪水演进过程等。地理扩散过程主要由以下因素组成：1）扩散的中心或源地；2）扩散的方向；3）扩散的范围或强度；4）发生扩散的驱动力。
4.2地理过程的虚拟地理环境表达
基于地理过程的vge表达就是将上述4种地理过程在计算机空间用数理模型加以描述，用vge方法加以表达，从而为研究地理过程提供一个创新平台和研究角度，使研究人员沉浸在可重复实验的地理环境中。
地理学问题的研究往往是依据知识积累和已有的经验，依靠研究人员的感知和认知能力全方位地获取研究对象的信息。在vge中计算机能够处理研究主体所能感受到的、在思维过程中接触到的地理过程。地理学尤其需要专家图形图像思维能力和想像力，虚拟现实与科学可视化（visualization）技术相结合，可将抽象的地理数据转换成直观易解的图形、图像，迅速地建立不同数据之间的空间联系和物理关系，以达到研究的目的。虚拟地理实验则将使长时间尺度和空间尺度的地理过程在虚拟空间中实现重复和模拟检验，从而加速地理学理论的成熟和发展。
近年不少学者围绕vge空间数据模型做了大量研究，提出了许多创新性的三维空间数据模型。但一般囿于各自的专业领域，鲜有针对描述地理过程，尤其是自然地理过程的空间数据模型，也限制了vge在地理学研究中的应用。如李德仁等提出了基于八叉树和四面体格网的混合数据模型；李青元借鉴二维gis和三维几何造形理论，提出了基于点、边、环、面、体的3d矢量数据模型；陈军等摈弃基于四面体的三维矢量数据结构模型的弊端，提出了基于单纯形剖分的拓扑空间数据模型；针对地质钻孔和地层分布特点，houlding提出了适于层状地质体建模的三棱柱（tp）模型、三棱柱体（tpv）模型、广义三棱柱模型（gtp）以及似直棱柱（artp）模型等[19]。上述关于地学建模的研究大多集中在对研究客体的建模方面，对地理过程建模考虑较少，即使涉及也是把两者割裂开来，没有实现一体化建模。因此，针对地理要素空间分布与地理过程的特殊性构建以描述地理过程为目的的三维地学模型是vge发展的当务之急。
在应用方面，城市规划和建筑学设计发展较为成熟，vge技术和gis技术紧密结合，实现了三维计算机图形图像处理技术的不断深入发展。gis是数字地球的核心技术之一，它综合、集成不同自然与区域的空间数据和属性数据，根据事物的地理坐标对其进行管理、检索、评价分析、结果输出等处理；在图像分析、拓扑空间查询、三维实体叠加分析等方面有自身优势。
5结语
【关键词】相似理论模型；状态监视；非参数模型；相似度运算
最近两三年在浙能集团的统一规划下，多个电厂安装了故障预警系统，故障预警系统采用相似理论模型技术。相似理论技术是一种非参数模型技术，它的明显优势是不需要事先知道复杂传感器数据的特征及其内部原理，而直接用数据本身建立传感器数据之间的相互关系。本文介绍非参数相似理论模型背后的数学原理，它与参数化模型相比在复杂数据分析中具有的优势。
1.非参数模型
状态监视使用的模型技术通常有第一原理模型和经验模型两种。第一原理模型需要对建模对象有深刻的认识，当模型复杂性增加时，很难对模型对象进行正确的认识和模拟。经验模型则完全由数据驱动，用数据来描述系统行为。如果进一步对经验模型进行细分，则可以进一步分为参数化模型和非参数模型。
参数化模型和非参数模型的区别可以描述如下。参数化模型可以用如下函数关系描述：
yi=f(β,xi)+?着i(1)
其中，向量β＝（β1，β2，K，βP）为事先指定的函数f(・)的系数。xi为一系列的输入参数，?着i为随机量，用于排除数据中的噪音干扰和模型错误。
例如：y=■+β1x1+e■+?着，则β=[β0,β1，β2]T,x=[x0,x1，x2]
非参数模型可以用如下函数关系描述，其中函数f(・)未指定任何系数。
yi=f(x)+?着i(2)
非参数模型直接估计f(・)而不是去估计系数，也就是说，在非参数模型中f(・)是作为完全未知的“黑盒子”处理的。
2.相似理论模型
相似理论模型是为状态监视专门设计的多变量无参数的基于多维插值的模式重构技术。模型估计值（或重构后的模式）是训练数据样本多维插值后产生的。多维插值后的结果可以比较准确地反映训练数据。在实际的状态监视系统中，由于采样率很低或者采样周期不规则，以及传输到状态监视系统的数据通常要经过信号过滤、A/D转换和压缩，从而进入系统的数据与原始数据相比会有某种程度的改变，所以对复杂数据的数据分布和平滑度做事先的假设通常会引起很多错误，而假设训练数据为没有错误（即训练数据全部为设备正常运行数据）则会更加合理和可靠。
相似理论模型技术是基于“相似度运算”（在下面的数学公式中用“?茚”表示相似度运算）的，相似度运算比较实际值向量与“状态”矩阵（在下面的数学公式用符号“D”表示）中包含的每一个向量的相似度。实际值向量为状态监视系统从实时数据库中读取的设备的一组相关传感器在某个时间点的读数。例如，假设凝泵的模型中包含了机组出力、凝泵电流、凝泵转速、轴承温度四个传感器，则实际值向量为这四个传感器的在某个时间点的数值向量，如（600，129，5600，55）。“状态”矩阵为反应设备所有正常运行的由历史运行中的一系列实际值向量组成的一个矩阵。例如：
60048040030013512010080550050004800420057545048
为凝泵的一个“状态”矩阵，矩阵的每一列为一个历史训练数据向量，矩阵的列数为历史训练数据向量的个数（M个），矩阵的行数等于每个向量中包含的传感器个数（L个）。假设状态矩阵D为：
D=[x(n1),x(n2),x(n3),…,x(nM)](3)
其中状态矩阵的列向量为x(nj)=[x1(nj),x2(nj),x3(nj),…,xL(nj)]T，它为这组传感器在nj时刻的数值向量；而xi(nj)为传感器i在nj时间的数值。两个实际值向量的相似度运算的结果为相似度得分（标量）。相似度运算为非线性运算，但是可以扩展到矩阵运算中，其中相似度得分为两个矩阵中的每两个向量的相似度计算的结果（向量的相似度运算有点类似于矩阵相乘，但具体算法有所不同）。因此，给定一个包含L个传感器的输入向量xin(为一个实际值向量)，则可以根据如下公式来确定传感器的估计值向量xest。
xest=D×w(4)
估计值向量xest为存储在状态矩阵D中的所有向量的线性组合。其中权重系数向量w通过如下公式计算。
w=■(5)
■＝（DT?茚D）－1・（DT?茚xin）＝G－1・a(6)
相似度运算“?茚”参见[3]和[4]。
公式(6)可以分解为如下几步：
（1）将状态矩阵D计算并转化为插值矩阵G，即
G－1＝（DT?茚D）－1
（2）计算输入向量xin与状态矩阵中的每个向量的相似度并得到一个相似度得分向量，即
a＝（DT?茚xin）
（3）将相似度得分向量a转化为一系列的权重系数■，即
■＝G－1・a
状态矩阵D通常由一组包含设备的全部运行工况的参考数据创建。状态矩阵中的列向量的选择应该覆盖设备的全部正常工作范围。状态矩阵中的列向量数取决于模型中传感器的个数和设备正常运行时的易变程度。
3.结论
相似理论模型使用历史数据来定义一组传感器正常运行特性和范围，它不是简单的上下限报警，而是包含了传感器之间的相关性的偏差值报警。历史正常运行范围可以用来重构模式并为模型中的每个传感器产生预测值（估计值），然后用传感器估计值与实际值比较，看是否在统计学上有明显偏差，如果有明显偏差，并且偏差持续了足够长时间，则认为传感器的实际值偏离了正常运行范围，相关的设备可能偏离了正常运行状态。
相似理论模型可以用于包含大量传感器的复杂设备和系统的建模，由于相似理论模型没有对用来建模的数据的分布和线性度进行任何假设，并且没有引入任何参数，因而相似理论模型技术是一种通用的建模器，只要传感器之间在一段时间内存在相关性，就可以使用相似理论模型技术来建模。
【参考文献】
［1］Wegerich,S．"SimilarityBasedModelingofVibrationFeaturesforFaultDetectionandIdentification",SensorReview,Vol.25,Issue2,2005.
作者简介：罗林发（1981―），男，福建人，毕业于上海电力学院，大学本科，从事电厂设备状态监视的研究。
陈飞（1983―），男，上海人，毕业于上海电力学院，大学本科，从事电厂设备状态监视的实施工作。
[关键词]GIS；可视化；数字高程模型
[作者简介]李原存（1986—），男，东华理工大学测绘工程学院土地资源管理专业硕士研究生，主要研究方向为土地信息技术。（江西南昌330013）
一、引言
土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础，是不可再生的自然资源。土地的总面积是有限的，同时，一定区域内不同利用方式的土地也是有限的。我国是一个农业大国，人口众多，土地资源分配不平衡，山地、丘陵多，平地较少，后备耕地资源不足且耕地质量差。20世纪90年代，我国城市化进程加快，为了满足城市发展用地的需求，大量耕地被征用转为建设用地，致使耕地流失严重，给我国的粮食安全和土地的可持续利用带来了不利的影响。
土地整理能有效地增加耕地面积和提高耕地质量，改善农业生产条件，成为新时期协调人地关系，缓解人地矛盾，促进土地利用动态平衡的主要措施，受到政府的高度重视。土地整理是一项复杂的系统工程，可分为前期研究阶段、规划设计阶段、施工设计阶段，以及工程施工阶段。在整个过程中涉及自然、经济、社会等诸多因素，需要多技术支持。近年来，国内的一些学者对土地整理及其规划技术进行了大量研究，改进了传统的整理方法，促进了土地整理体系的建立和完善。
GIS技术作为计算机空间科学的一个分支，在计算机技术快速发展的背景下也有了突破性的发展，其强大的空间分析功能，空间插值等功能，在土地评价、土地利用规划、土地分等定级等方面得以广泛的应用。近年来，众多学者开始研究将GIS技术引入到土地整理过程中，使土地整理在GIS平台上直接进行，借助于GIS技术的图形编辑功能和空间分析功能建立虚拟地理环境可视化模型，使土地平整、农田水利、道路、其他土地整理规划设计直接在可视化模型下进行并取得了良好的效果。
可视化技术作为一门新兴的实用技术，由于能直观、动态、多角度地表达地学现象，已在城市设计、水土保持、土地监督、土地整理等领域发挥着日益重要的作用。它不仅可以应用到土地整理的规划设计阶段，还可以应用到土地整理潜力评价和土地整理效益评价当中。目前已有一部分学者研究将可视化技术运用到这两个方面并且取得了一些成就。本文是关于可视化技术在土地整理运用方面成果的总结。作者希望，本文不仅为读者提供有关土地整理可视化研究成果的综述，让读者了解可视化技术在土地整理过程中运用的方法，还能从中找出可视化技术在土地整理中运用的新方法，拓宽可视化技术在土地整理中的运用方式。
二、国内外研究概况
（一）国外研究现状概述
土地整理的概念首先出现于德国巴伐利亚王国的法律中，德国、法国、前苏联、加拿大沿用至今，日本称为土地整治（整备）、台湾称为土地重划。
各国学者从不同的角度对土地整理做出不同的定义，同时各国土地整理的任务与研究内容的侧重点也有所区别。德国的土地整理工作在19世纪主要是将分散、零碎的农地集中连片，改善农业生产和劳动条件；20世纪90年代，土地整理趋于综合化，以自然资源和人文景观合理规划协调农业利益与自然保护和景观保护集中于一体。在土地整理可视化技术方面，由于国外的GIS技术发展较早，空间分析与图形编辑功能改进较快，德国在此基础上以GIS为开发平台建立了土地整理信息系统，将土地整理各种数据、图件和权属状况等资料存储于该系统，实现了对土地整理数据与图件的可视化查询与编辑、分析等操作。此外，近年来三维GIS概念的提出？熏使可视化技术在土地整理中运用趋于三维图形的显示，土地整理的各种数据也可以在三维GIS技术的支持下实现3D分析。
（二）国内研究现状概述
我国是开展土地整理最早的国家之一。我国殷周时期的井田制，以及后来的屯田制，北魏时期的均田制可以视为土地整理的雏形。国土资源部将土地整理定义为：按照土地利用总体规划与城市规划所确定的目标和用途，采取行政、经济、法律、工程技术手段，对土地利用现状进行综合整治、调整改造，以提高土地利用率，改善生产、生活条件与生态的过程。我国的土地整理工作的开展主要集中在农地整理，解决农业生产中的土地利用问题，改善农业的用地环境，从而提高农业用地的利用率、产出率，维护景观、生态环境的平衡。
目前我国可视化技术在土地整理的运用主要是借助计算机辅助制图（CAD）软件实现的，单体设施施工图主要是与相关行业的专家协同工作绘制的图形。预算则是根据规划和单体设施工程一起计算得到的结果。但是GIS技术的成熟与快速发展及在交通、电力、电信、城市规划等方面的成功运用，使一些学者开始研究把土地整理建立在GIS平台上实行操作。其中一部分学者把土地整理规划设计的基础数据、规划成果，通过GIS二次开发建立特定的空间信息系统，分图层、分区域，形象地显示地理数据，并运用空间分析可视化技术，直观显示分析过程，为土地整理提供了辅助决策。此外，国内的一些先进的学者在接触到三维GIS的理念后开始研究土地整理的三维可视化，通过获取的整理区的地理数据进行3D分析建立整理区数字高程模型，再在此模型上进行分析整理操作，最后重建数字高程模型，显示整理后的土地利用状况。这种技术目前来说在国内应用还较少但却是以后土地整理可视化的发展方向，并且这种可视化技术能很好地、直观地、动态地、真实地显示整理后的状态，对土地的整理工作提供了很大的帮助和支持。
三、相关文献回顾
当前可视化技术在土地整理中的应用总体上可以分为两个方面：即土地整理三维可视化和二维可视化显示。其中三维可视化在土地整理中的应用还处于刚刚起步阶段。而二维可视化技术却已经应用在了土地整理潜力评价、土地整理适宜性评价和土地整理规划设计中，下面就对以上几种可视化技术在土地整理中的应用进行相关回顾。
（一）土地整理潜力评价可视化
这种整理潜力评价可视化的大致方法为先把土地整理综合潜力分为三步进行。第一是整理区景观改善潜力可视化表达与分析。运用ARCGIS软件的叠加分析将核心景观区、一般景观区、缓冲区需要整理的耕地进行叠加，用遥感影响分析植被指数，根据设定的评分标准对各区域耕地进行景观改善评分。第二是耕地提高潜力可视化表达与分析。耕地质量提高评分体系根据实地调查的数据与预期理想粮食产量的差值来评分。运用Fieldcalculate计算各村耕地质量提高潜力分值，根据评分结果绘制耕地质量提高潜力分析图。第三是耕地面积增加潜力可视化表达与分析。按照耕地的坡度（5度）分别选取典型样区，调查耕地中其他农用地之和占耕地面积的比例，以及整理后其他农用地面积之和占耕地面积之比例，以耕地面积增加比例为依据设定评分标准，根据评分结果绘制耕地面积增加潜力分析图。随后整理地块的不同位置，引进专家决策意见给各评价因子赋予权值，然后对各评价因子进行加权叠加，结果为土地整理综合潜力评分，根据评分结果绘制土地整理综合潜力分析图。最后提取整理区的高程点，运用ARCGIS中ARCTOOLBOX模块中的3D分析功能，建立TIN生成整理区DEM，选择土地利用现状图，土地整理规划图遥感影像作为纹理，根据三维显示需要设定颜色。这样土地整理的综合潜力就在三维地形图显示出来了。
（二）土地整理适应性评价可视化
整理适应性评价化的基本方法是将整理区的的等高线进行栅格化处理，接着利用ARCGIS对高程点文件进行插值处理，然后用ACTOOLBOX模块下的3D分析对已经进行过插值过的高程数据进行处理生成整理区的数字高程模型，这就为土地整理适宜性评价提供了依据。根据整理区的现状，对整理区进行栅格化处理，按照一定的标准划分栅格单元，每个栅格单元作为土地整理潜力评价单元，接下来根据整理区的具体条件确定整理土地的主导制约因素，建立适宜性评价因子。对整理区土地利用现状图数字化，然后对数字化的数据栅格化，以便于加权评价。在获得各评价因子栅格数据的基础上利用ARCGIS软件根据评价模型对各评价单元进行空间叠加运算。利用ARCGIS重分类功能将土地整理的适宜性分为基本适宜（>75）、度适宜（50-75）、临界适宜（25-50）和不适宜（
（三）三维可视化在土地整理规划设计中的应用
这种三维可视化的土地整理规划设计可以模拟出整理规划后的地物场景，具有较强的立体感、真实感。其主要的方法是提取整理区的高程点，在ARCGIS的ARCTOOLBOX模块下用3D分析创建TIN生成整理区的数字高程模型，然后按照田、水、路、林、村分类进行整理规划设计。在农田平整中调用出已经建立好的TIN文件，以规划后每个田块的ID号作为划分TIN文件的单位，从数字高程模型中读取待平整田块的高程值，计算平均高程作为田块的理想高程，通过ID号检索待平整区域，以设计田块的高程值对待平整区域的高程点的属性值进行修改，修改后重建TIN就得到了农田平整后的数字高程模型。道路与沟渠设计的实现，在ARCTOOLBOX模块下调用整理后的道路和沟渠的线数据，运用空间分析的功能对线数据进行加宽使其变为面数据，然后在ARCSCENE中将缓冲区分析后的道路和沟渠数据加载到TIN表面。这时要对道路的基础高程进行选择，选择TIN作为它的基础高程。然后生成整理后的数字高程模型，最后调用三维符号库里的符号对重建的数字高程模型表面上的地物进行替换，这样就形成了整理规划后的三维立体景观图。
四、结论
上述的三部文献都建立了整理区的数字高程模型，很好地模拟出了整理区的地形状态，为项目的进行提供了可靠的依据。在第一部文献中，作者将可视化的技术引入到了土地整理潜力评价当中，不仅实现了评价过程的可视化，还实现了评价结果的可视化，不仅实现了评价结果的二维可视化，还实现了评价结果的三维可视化，这种设计方式很好地直观地显示了整理区内整理潜力的高低，对整理工作具有重要的指导意义。在第二部文献中，作者将整理区的三维平面图形进行栅格化的处理划分成评价单元，并且通过实地调查选取了影响项目区整理工作的限制因素和主要的评价因子，并且通过评价模型对评价因子进行分析，得出了每个评价单元的适宜程度，而且通过二维图形显示出来，这种方法很好地将整理区的适宜程度展现在二维平面图上，但是没有实现评价结果的三维可视化。因此，三维可视化技术在土地整理适宜性中的应用是这方面的研究方向。上述的第三个文献中作者打破了传统的利用CAD进行整理设计，而是运用ARCGIS建立整理区的数字高程模型，在模型中进行整理设计。特别是在田块整理过程中打破了传统的只能设计田块形状的束缚，在数字高程模型下进行田块的整理不仅可以整理其形状还可以进行田块平整，并将结果以三维图形的形式显示出来，直观动态地看到整理后的田块的形状和高度。此外，对于道路沟渠的设计，通过空间分析将其转换成了面状文件并加载到数字高程模型中，打破了传统中只能用线文件表示沟渠和道路的束缚，在数字高程模型中很真实地模拟出了道路的路面状况。这些创新的设计都是值得我们学习的地方。数字高程模型的建立可以很直观、动态地模拟出项目区的地形起伏状况，为整理工作提供了可靠的依据，上述的三篇文献中也都在项目开始时构建了数字高程模型，可见三维可视化技术在土地整理方面的应用是今后此方面的研究热点和重点。
[参考文献]
[1]李睿璞，卢新海，马才学.基于GIS的农用地整理三维可视化[J].农业工程学报，2010，（5）.
[2]许榕焓，张海涛，陈家赢.基于GIS与虚拟现实技术的土地整理规划研究[J].数学的实践与认识，2010，（4）.
[3]李睿璞.基于RS、GIS土地整理的应用研究[D].武汉：华中农业大学，2008.
[4]孙华生，郭熙，李耀兰.基于GIS的耕地整理潜力分析[J].广东土地科学，2004，（2）.
[5]陈家赢.基于虚拟地理环境三维可视化模型的农用地土地整理规划设计[D].武汉：华中农业大学，2007.
“数字黄河”工程是一项复杂而且庞大的系统工程。它需要多学科、多技术的支撑，主要是在各类水利数据基础上围绕水利技术，应用遥感、地理信息系统、全球定位技术、宽带网络技术、大容量数据存取和处理技术、智能化信息提取技术、动态互操作技术、科学计算技术、可视化和虚拟现实与仿真技术等，对黄河流域的资源、环境、经济等各个复杂系统的各类信息进行数字化，通过数据整合、虚拟仿真进行信息的集成应用，为黄河的治理开发、重大问题决策提供科学支持和可视化表现。
“数字黄河”工程覆盖了黄河流域及其相关地区，涉及到黄河治理开发的各项业务，其建设包括信息采集、传输、存储、信息标准与管理、应用系统等。“数字黄河”工程总体框架（如图2-1所示）主要包括基础设施、应用服务平台、应用系统以及标准规范体系和工程保障体系等。
总体框架
基础设施主要是完成各类信息从采集到数据的处理和存储全过程的软硬件的有机组合，是“数字黄河”工程建设的基础。通过分布于黄河上下的各水文站点广泛采集“数字黄河”工程所需的基础数据，通过覆盖全河的宽带计算机网络，快捷、实时地将采集的数据传输到数据存储与处理系统。
应用服务平台是“数字黄河”工程资源的管理者，也是服务的提供者。它由数据仓库、知识库、模型库和数据存取接口、应用服务中间件等部分组成。应用服务平台是一个开放的资源共享、应用集成以及可视化表达的公用服务平台，是业务应用的重要支撑。
在可视化的应用服务平台基础上，开发了防汛减灾、水量调度、水资源保护、水土保持、工程建设与管理、电子政务等应用系统，为治黄业务提供专业决策支持和信息服务。基于三维仿真技术的应用，为黄河决策会商提供了三维可视化的功能。
政策法规、标准规范体系等是实现“数字黄河”工程的保障和支撑。在项目建设的同时，从制度上和组织上落实了对工程建设的管理，建立严密的工程建设组织管理体系、工程运行维护管理体系，更重要的是建立一套符合黄河流域信息化建设特色的标准规范体系。
工程之间的逻辑关系
“数字黄河”工程的基本组成部分:基础设施、应用服务平台、应用系统在逻辑上是一个整体，是高度关联的。图2-2描述了它们之间的相互逻辑关系及它们各自的内部逻辑关系。