地學(xué)空間信息的建模與可視化有助于幫助用戶直觀地了解地學(xué)信息空間分布，是進(jìn)行空間信息輔助決策的重要手段。本書系統(tǒng)闡述了地學(xué)領(lǐng)域大規(guī)模地形、水面及河流、真三維層狀地質(zhì)體和規(guī)則體三維場(chǎng)、地球物理勘探數(shù)據(jù)、天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)以及地理多維屬性信息建模和可視化的理論和方法。本書作者在地學(xué)空間信息可視化領(lǐng)域從事過十多年研究工作，本書內(nèi)容是作者近些年來(lái)主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家深部探測(cè)專項(xiàng)、科技部科技支撐項(xiàng)目等多個(gè)國(guó)家及企業(yè)項(xiàng)目的研究成果，抓住了地學(xué)空間信息建模與可視化的難點(diǎn)和要點(diǎn)，具有很好的前瞻性和實(shí)用性。本書適用于地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、氣象學(xué)、地理信息系統(tǒng)及其他與地學(xué)相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的教學(xué)參考書，也可作為地學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究人員的參考書。
芮小平，1975年生，博士(后)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師，美國(guó)威斯康星大學(xué)(麥迪遜)訪問學(xué)者。主要從事地理信息系統(tǒng)理論與應(yīng)用方面的研究，研究方向包括空間信息可視化、基于GIS的應(yīng)急決策方法、路徑優(yōu)化與資源分配問題等。現(xiàn)為《地理與地理信息科學(xué)》雜志編委，中國(guó)系統(tǒng)仿真協(xié)會(huì)會(huì)員，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)《地理信息系統(tǒng)》校級(jí)課程主講教師，國(guó)內(nèi)外各種GIS相關(guān)主流雜志的審稿專家。近幾年，先后主持了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“多維空間信息可視化方法研究”、國(guó)家科技重大專項(xiàng)油氣專項(xiàng)專題“煤層氣地面集輸?shù)乩硇畔⑾到y(tǒng)研究”和水專項(xiàng)專題“三峽庫(kù)區(qū)流域水污染防治三維可視化平臺(tái)系統(tǒng)研制”、國(guó)家科技支撐計(jì)劃專題“餐廚垃圾智能收運(yùn)與調(diào)度方法研究”、國(guó)家深部探測(cè)專項(xiàng)專題“深部探測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)三維可視化系統(tǒng)”和北京市重大專項(xiàng)課題“房山張坊地區(qū)巖溶發(fā)育機(jī)理研究”等14項(xiàng)國(guó)家縱向項(xiàng)目和5項(xiàng)橫向科研項(xiàng)目；參與了國(guó)家973項(xiàng)目專題“GIS支持的人類活動(dòng)條件下區(qū)域地下水系統(tǒng)響應(yīng)”和中國(guó)科學(xué)院重大戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)課題“煤田自燃中的碳排放”等8項(xiàng)。2008年獲得國(guó)家測(cè)繪科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(排名第6)。已80余篇(其中被國(guó)際論文三大檢索機(jī)構(gòu)檢收錄的論文達(dá)30余篇)，編寫GIS開發(fā)相關(guān)教材1部。獲得軟件著作權(quán)12項(xiàng)和國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)(排名第二)。
于雪濤，1984年生，博士，石家莊鐵道大學(xué)講師。主要是從事地理信息系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究，研究方向包括GIS在氣象學(xué)中的應(yīng)用、交通地理信息系統(tǒng)等。近兩年主持了河北省自然科學(xué)基金1項(xiàng)，河北省社會(huì)科學(xué)基金1項(xiàng)。目前已10余篇(其中被SCI或EI檢索論文4篇)，參與編寫GIS開發(fā)相關(guān)教材1部。
第1章 引言 1
1.1 可視化技術(shù)的產(chǎn)生 3
1.2 數(shù)據(jù)可視化 4
1.3 信息可視化 9
1.4 地理空間信息的可視化 14
1.5 本書主要內(nèi)容及其框架 16
參考文獻(xiàn) 17
第2章 空間數(shù)據(jù)的處理 19
2.1 多重二次曲面函數(shù)插值法 21
2.1.1 多重二次曲面函數(shù)插值法的數(shù)學(xué)原理 22
2.1.2 多重二次曲面函數(shù)插值的數(shù)值求解過程 22
2.1.3 多重二次曲面函數(shù)插值的實(shí)現(xiàn)方法 23
2.2 基于超曲面樣條函數(shù)的真三維數(shù)據(jù)插值法 23
2.2.1 曲面樣條函數(shù)簡(jiǎn)介 24
2.2.2 超曲面樣條函數(shù)原理 25
2.2.3 超曲面樣條函數(shù)插值算法的實(shí)例驗(yàn)證 26
2.3 本章小結(jié) 28
參考文獻(xiàn) 28
第3章 大規(guī)模地形可視化 31
3.1 地形可視化研究現(xiàn)狀 33
3.1.1 基于分形技術(shù)的地形可視化 33
3.1.2 基于真實(shí)地形數(shù)據(jù)的地形可視化 34
3.2 一種基于Perlin噪聲函數(shù)的地形生成方法 37
3.2.1 Perlin噪聲函數(shù)簡(jiǎn)介 37
3.2.2 二維Perlin噪聲函數(shù)的構(gòu)造 38
3.2.3 具有多層細(xì)節(jié)的地形生成方法 39
3.2.4 用Perlin噪聲函數(shù)繪制地形的實(shí)例 40
3.3 基于Morton碼的地形簡(jiǎn)化方法 40
3.3.1 Morton碼的基本概念 40
3.3.2 基于Morton碼的地形簡(jiǎn)化算法 41
3.3.3 用Morton碼進(jìn)行地形簡(jiǎn)化的應(yīng)用實(shí)例 42
3.3.4 基于Morton碼的地形簡(jiǎn)化算法優(yōu)缺點(diǎn)討論 43
3.4 基于不四叉樹的LOD方法 43
3.4.1 實(shí)時(shí)連續(xù)LOD的特征 44
3.4.2 基于不四叉樹LOD技術(shù)的基本原理 45
3.4.3 四叉樹節(jié)點(diǎn)的快速訪問 49
3.4.4 基于不四叉樹LOD技術(shù)的研究實(shí)例 52
3.4.5 算法討論 54
3.5 一種改進(jìn)的ROAM算法 54
3.5.1 ROAM算法簡(jiǎn)介 54
3.5.2 改進(jìn)的ROAM算法 56
3.5.3 應(yīng)用實(shí)例 59
3.5.4 算法討論 60
3.6 基于球面索引的三維地形可視化 61
3.6.1 連續(xù)球面地形LOD算法——Spherical ROAM 61
3.6.2 海量地形分頁(yè)渲染技術(shù) 64
3.7 在地形上的疊加數(shù)據(jù) 66
3.7.1 在DEM上疊加紋理圖像 66
3.7.2 在DEM上疊加矢量數(shù)據(jù) 67
3.7.3 數(shù)據(jù)疊加的應(yīng)用實(shí)例 69
3.8 在地形上疊加三維模型 70
3.9 本章小結(jié) 71
參考文獻(xiàn) 71
第4章 水面的可視化 75
4.1 基于中心差分法的理想水面可視化 77
4.1.1 三維水體模擬研究簡(jiǎn)介 77
4.1.2 方法原理 78
4.1.3 應(yīng)用實(shí)例 82
4.2 流動(dòng)河流的三維可視化算法 84
4.2.1 河道邊界的提取 84
4.2.2 基于速度場(chǎng)的自適應(yīng)河流模擬 86
4.3 本章小結(jié) 94
參考文獻(xiàn) 95
第5章 真三維空間信息可視化 97
5.1 真三維可視化的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 99
5.1.1 基于面模型的構(gòu)模 100
5.1.2 基于體模型的構(gòu)模 101
5.1.3 混合建模 104
5.2 基于VRML的三維地質(zhì)體可視化方法 105
5.2.1 原始數(shù)據(jù)的組織 105
5.2.2 地質(zhì)體三維可視化的實(shí)現(xiàn)過程 106
5.2.3 在VRML環(huán)境下實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體三維可視化 107
5.2.4 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)論 108
5.3 基于三棱柱的層狀體可視化 108
5.3.1 數(shù)據(jù)處理與體元描述 109
5.3.2 切割點(diǎn)的求解 110
5.3.3 三棱柱的剖分 110
5.3.4 應(yīng)用實(shí)例 112
5.4 基于切片法的規(guī)則體可視化 114
5.4.1 用切片法實(shí)現(xiàn)規(guī)則體體視化的基本原理 114
5.4.2 用切片法實(shí)現(xiàn)規(guī)則體體視化的過程 115
5.5 基于八叉樹結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化技術(shù) 116
5.5.1 八叉樹結(jié)構(gòu)的定義 117
5.5.2 八叉樹節(jié)點(diǎn)的快速訪問 118
5.5.3 八叉樹的優(yōu)點(diǎn) 119
5.6 基于小波的三維數(shù)據(jù)可視化 120
5.6.1 小波變換及其基本概念 120
5.6.2 多分辨分析與Mallat算法 122
5.6.3 三維小波及其在三維數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用 126
5.7 本章小結(jié) 129
參考文獻(xiàn) 129
第6章 地球物理勘探數(shù)據(jù)可視化 133
6.1 CSAMT電法數(shù)據(jù)三維可視化 135
6.1.1 CSAMT數(shù)據(jù)格式與組織 135
6.1.2 CSAMT數(shù)據(jù)的插值方法 137
6.1.3 構(gòu)建CSAMT場(chǎng)數(shù)據(jù)與虛擬切片滑動(dòng)控制器 138
6.1.4 測(cè)線模型的實(shí)例 139
6.2 SGY地震數(shù)據(jù)三維可視化算法 141
6.2.1 讀取地震勘探數(shù)據(jù) 143
6.2.2 建立紋理 143
6.2.3 紋理空間映射 144
6.3 重磁數(shù)據(jù)的三維可視化 145
6.3.1 讀取重力(磁法)勘探數(shù)據(jù) 146
6.3.2 建立頂點(diǎn)緩存 146
6.3.3 計(jì)算索引緩存 147
6.3.4 進(jìn)行空間變換 147
6.3.5 頂點(diǎn)著色 148
6.4 綜合地球物理資料索引結(jié)構(gòu)的快速建立 149
6.4.1 綜合地球物理資料空間索引的分割方法 149
6.4.2 綜合地球物理資料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的遞歸生成 150
6.4.3 快速空間查詢算法 153
6.4.4 快速異常范圍值空間定位算法 154
6.4.5 查詢結(jié)果的快速排序算法 154
6.4.6 地球物理資料的添加與刪除算法 155
參考文獻(xiàn) 156
第7章 天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化 157
7.1 天氣雷達(dá)簡(jiǎn)介 159
7.2 713型天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化 159
7.2.1 數(shù)據(jù)及格式說(shuō)明 159
7.2.2 數(shù)據(jù)的判讀 160
7.2.3 數(shù)據(jù)的顯示 160
7.2.4 結(jié)論 163
7.3 新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化 163
7.3.1 雷達(dá)基數(shù)據(jù)的可視化 164
7.3.2 雷達(dá)導(dǎo)出產(chǎn)品的可視化 170
參考文獻(xiàn) 176
第8章 多維信息可視化 179
8.1 多維信息可視化研究綜述 181
8.1.1 多維信息可視化技術(shù)的分類 181
8.1.2 空間多維信息可視化技術(shù)研究現(xiàn)狀 182
8.2 基于SOM的多維信息可視化 186
8.2.1 SOM基本原理 186
8.2.2 SOM的訓(xùn)練算法 187
8.2.3 SOM的質(zhì)量評(píng)估 188
8.2.4 原型矢量的初始化方法 189
8.2.5 矢量投影 189
8.2.6 用SOM實(shí)現(xiàn)多維信息可視化 190
8.2.7 SOM的多維信息可視化的應(yīng)用實(shí)例 194
8.3 基于彈性網(wǎng)絡(luò)圖的多維信息可視化 197
8.3.1 彈性網(wǎng)絡(luò)圖 197
8.3.2 自適應(yīng)彈性網(wǎng)絡(luò)圖 200
8.3.3 彈性網(wǎng)的自動(dòng)學(xué)習(xí)過程 201
8.3.4 構(gòu)建彈性網(wǎng)絡(luò)圖 202
8.3.5 用彈性網(wǎng)絡(luò)圖實(shí)現(xiàn)多維信息可視化 203
8.3.6 彈性網(wǎng)絡(luò)圖可視化的應(yīng)用實(shí)例 203
8.4 流形學(xué)習(xí)的空間高維數(shù)據(jù)降維研究 207
8.4.1 流形學(xué)習(xí)算法介紹 207
8.4.2 等距映射 207
8.4.3 局部線性嵌入 209
8.5 LLE-SOFM耦合模型的多維數(shù)據(jù)可視化算法 210
8.5.1 方法原理 210
8.5.2 LLE-SOFM的應(yīng)用實(shí)例 213
8.6 基于空間自相關(guān)的支持向量機(jī)空間聚類 214
8.6.1 方法原理簡(jiǎn)介 215
8.6.2 基于Moran的樣本集選擇 216
8.7 本章小結(jié) 217
參考文獻(xiàn) 217
第9章 可視化空間信息挖掘 221
9.1 數(shù)據(jù)挖掘理論簡(jiǎn)介 223
9.2 可視化數(shù)據(jù)挖掘技術(shù) 224
9.2.1 Keim提出的分類體系 224
9.2.2 Card提出的分類體系 226
9.3 可視化技術(shù)在空間信息挖掘中的應(yīng)用 227
9.4 本章小結(jié) 229
參考文獻(xiàn) 229
附錄A Oracle Spatial的空間數(shù)據(jù)組織方案 231
附錄B 基于ArcSDE C API函數(shù)的客戶端設(shè)計(jì)方法 241
附錄C 三維場(chǎng)景交互性設(shè)計(jì) 249
