数据应用技术：数据融合在地理信息系统应用中的重要性

（一）多种数据的融合技术

数据融合这一概念是20世纪70年代提出来的，当时它并未引起人们的足够重视。随着社会的全面进步与发展，军事、经济与社会诸领域均面临许多复杂的情况，需要新的技术途径对反映这些情况的多种数据进行综合地消化、解释和评估，因此人们越来越认识到数据融合的重要性。数据融合最早用于军事领域，它被定义为是对多传感器的数据进行探测、互联、估计及组合的多层次多方面的处理过程，用以帮助指挥员准确地识别敌方目标、判断战争态势和潜在威胁等。在世界上几次现代局部战争中，特别是在海湾战争中，数据融合技术发挥了强大的威力，从而引起了全世界的普遍关注。数据融合是一门对多种数据进行分析、综合的数据处理技术，它通过协同利用多种数据来获得对同一事物更客观、更本质的认识，是整合信息资源、实现信息共享的重要技术手段。由于信息技术的高速发展和广泛应用，人们在整合、利用各种信息资源的过程中迫切需要解决数据融合的问题。目前，数据融合的研究主要体现在多传感器数据及GIS空间数据的融合上。对于建设“数字城市”来说，GIS空间数据的融合显得更为迫切和重要。从GIS的应用开发角度看，数据融合是指将来源于分布式空间数据库中类型不同、结构不同、环境不同的原始数据，经过提取、分析、转换和综合形成新的数据的处理过程。这里的数据融合与前面所提到的数据集有着本质的区别：集成是指多种数据的聚集，聚集后的数据没有发生质的变化仍保留着原来的数据特征；而融合则是指多种数据的合成，合成后的数据发生了质的变化，它改变了原来的数据特征，并产生一种与原数据特征不同的新型数据。GIS的空间数据是多种数据的重要体现，其按数据结构可分为栅格数据和矢量数据，按表现形式可分为数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）、数字栅格地图（ORG）和数字线划地图（OLC）。GIS空间数据融合的主要内容有栅格数据之间的融合、栅格数据与矢量数据之间的融合和矢量数据之间的融合。栅格数据之间的融合是指遥感影像之间的复合，这一技术已经成熟，应用也较普遍。栅格数据与矢量数据之间的融合是指遥感影像图与数字线划图的叠加，这种融合相对简单，常用的GIS软件都能实现。矢量数据之间的融合是指数字线划图之间的融合，这种融合对多种矢量数据的融合来说比较复杂。因为它不仅要融合其中的图形数据和属性数据，而且要融合图形数据各元素之间的拓扑关系，此外还要融合图形数据与属性数据之间的链接关系，这是全世界都在进行攻关的难题。多种数据的融合包括多种分辨率、多维、不同类型数据的融合。这是一个复杂的过程，将融合得到的数据进行可视化的三维显示时复杂性尤为突出。如数字高程模型与经处理的遥感影像进行融合产生的三维立体景观影像问题就很复杂。远程融合系统指在不同地点的个人共享一个相同的虚拟环境，不存在时间和空间的距离感。系统中的每个用户都可以同时共用操纵数据、利用数据并共同参与仿真。

（二）分布式虚拟现实技术

1.概念

科学技术的发展改变着人类的思维方式、学习方式、工作方式、生活方式与娱乐方式。为了适应未来信息社会的需要，人们不仅要求能通过打印输出或显示屏幕的窗口，在外部去观察信息处理的结果，而且还希望能通过人的视觉、听觉、触觉，以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，获得身临其境的体验。这种信息处理方式已不再是建立在单维的数字化的信息空间上，而是在建立在一个多维化的信息空间，建立在一个定性与定量相结合，感性认识和理性认识相结合的综合集成环境，而虚拟现实技术将是支撑这个多维信息空间的关键技术。（虚拟现实产生的基础）归根结底就是要把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所接触到的除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息。虚拟现实是从英文Virtual Reality一词翻译过来的。国内也有人译为“灵境”或“幻真”。虚拟现实是一项融合了计算机图形学、人机接口技术、传感技术、心理学、人类工程学及人工智能的综合技术。不同的学者对虚拟现实技术的有不同的论述：虚拟现实通常是指用头盔显示器和传感手套等一系列新型交互设备构造出一种包括与之有关的自然模拟、逼真体验的技术与方法的计算机软硬件环境，人们通过这些设备以自然的技能（如头的转动、身体的运动）向计算机输入各种命令，并得到计算机对用户的视觉、听觉、触觉等多种感官的反馈。所以在一般出版物上，虚拟现实与头盔显示器、传感手套联系在一起。虚拟现实技术不仅仅是带着头盔显示器和传感手套的技术，应包括与之有关的自然模拟、逼真体验的技术与方法。是要创建一个好似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其上的和谐人机环境，是一个有多维信息所构成的可操纵的空间。它的最重要的目标是真实的体验和方便的自然人机交互。虚拟现实是一种人与通过计算机生成的虚拟环境可自然交互的人机界面，是指利用计算机和一系列传感辅助设备来实现的使人能有置身于真正现实世界中的感觉的环境，是一个看似真实的模拟环境。虚拟现实的具体含义是：①虚拟现实是基于计算机图形学的多视点、实时动态的三维环境，这个环境可以是现实世界的真实再现，也可是超越现实的虚构世界；②操作者可以通过人的视觉、听觉和触觉等多种感官，直接以人的自然技能和思维方式与该环境交互；③操作过程中，人是沉浸在虚拟环境中的主体，而不是窗口外部的观察者。由上可见，虚拟现实为人们提供了一种全新的人机交互方式。虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算机技术和人的行为学研究等多项关键技术，是这些技术高层次的集成和渗透，是多媒体技术发展得更高境界，为人们探索现实世界中由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律，提供了极大的便利。虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、运动等行为的人机界面技术。

2.虚拟现实系统的基本特征

第一个特征是沉浸，让参与者有身临其境的真实感觉；第二个特征是交互，通过使用虚拟交互接口设备实现人类自然技能对虚拟环境对象的交互考察与操作；第三个特征是构想（想象），强调三维图形的立体现实。这三个基本特征反映了人在虚拟现实系统中的主导作用。首先，要使参与者有真实的体验，这种体验就是沉浸或投入，即全身心地进入。就是产生虚拟世界的幻觉。理想的状态时使用户难以分辨真假的程度。系统必须提供多感知的能力，提供人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至是味觉和嗅觉。其次是提供方便的丰富的基于自然技能的人机交互手段。使用户能对虚拟环境进行实时的操纵，并能从虚拟环境中得到反馈的信息。实时性是非常重要的，如果交互时存在较大的延迟，与人的心理体验不一致，就谈不上自然技能的交互，也很难获得沉浸感。为达到这个目的，高速计算与处理必不可少。最后，因为虚拟现实是对对某一特定领域、解决某些问题的应用。为了解决这些问题，不仅需要了解应用的需求，了解技术，还要有丰富的想象力，作为虚拟世界的创造者，想象力已经成为虚拟现实系统设计中关键的问题之一。

3.虚拟现实的实现技术

虚拟现实是在计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感技术、语言处理与音响技术、网络技术、和高性能计算机系统等信息技术的基础上发展起来的，是这些技术更高层次的集成和渗透。大的方面可分为两部分：基础建模与显示交互。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，应用动态环境建模技术能获取实际环境的三维数据，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。目前可采用虚拟环境建模工具或VRML等专用虚拟环境建模语言来完成建模。当然可以用OpenGL建立模型库或开发专门的建模工具。也可借助CAD、3DSMAX普通三维建模工具，先建立起三维模型，再编程或借助于相应工具的方法，将模型导入到虚拟环境中。

（三）空间智能体技术

智能体是自主地感知环境并作用于环境，从而为实现设定的目标集或任务。是实现智能化数据获取，信息融合以及知识发现功能的基本单元。具有自控制性、自主性、自适应性、自发展性的特点。

（四）数字神经网络技术

数字神经网络技术是由微软公司提出的，主要是指利用互联网和集成的软件创造新的协作方式，加快信息流通和保证准确性，以确保能做出快速、正确的决策。城市系统也向生态系统与人类社会系统一样，有自组织功能。如同人的神经系统一样遍布全身，传递内部与外部的信息，汇总到神经中枢，经过分析与决策后，再通过神经系统，传达到全身各个部位做出适当的反应。神经网络方法的原理是模拟人脑的神经元结构，由多个非常简单的处理单元（神经元）按某种方式相互联结而形成。基于神经网络的数据挖掘工具对于非线性数据具有快速建模能力，其挖掘的基本过程是先将数据聚类，然后分类计算权值，神经网络的知识体现在网络连接的权值上。神经网络具有对非线性数据快速拟合的能力，可用于分类、聚类、特征挖掘等多种数据挖掘任务，在信号处理、模式识别、人工智能、决策优化与分析建模方面有广泛的应用。

（五）互操作与超链接

互操作指异构环境下两个或两个以上的实体，尽管它们实现的语言、基于的模型和执行的环境不同，但它们都可以相互通讯和协调运行，以完成某一特定的任务。是信息共享和系统集成的基础，这些实体包括应用程序、处理对象和系统运行环境等。互操作是一个比较复杂的问题，它既需要基础理论的研究与核心技术的开发，又需要各个组织机构之间的协调与配合。互操作对软件业来说意味着界面的开放，它要求软件的生产者开放其数据的内部结构，以便系统的建设者能够开发用于互操作的接口。互操作对用户来说意味着在各系统之间可自由地交换数据，并能协调地进行数据处理。互操作的技术问题可以从网络链接、数据模型和应用程序三个方面来说明。网络链接涉及到传输介质、交换设备和通讯协议，它的互操作须解决各通讯协议之间的接口问题。数据模型既有同构数据又有异构数据，它的互操作须解决异构数据之间的转换问题。各系统的应用程序是多种多样的，它的互操作须解决在网络环境下各应用程序协调进行数据处理的问题。互操作在“数字城市”的建设中占有显著地位，它是“数字城市”实现信息共享和系统集成的重要技术途径。

超链接起源于万维网，它是万维网的精华和魅力所在。因特网的普及得益于万维网的超链接技术，它将世界各地的网站通过IP地址超链接起来，建立了分布在不同地点各网站之间的联系，把本来处于孤立状态的大量信息点组成一个有机的整体，使人们在任何时间、任何地点都能共享网站上的信息资源。超链接的概念是定义一个定位点，它指明了一个网页的确定位置，便于超链接跳转时的定位。超链接就像一个信息向导，它带领访问者在万维网里浏览用户所需要的信息。万维网能够超链接的是超文本信息。未来的“数字城市”将拥有庞大的信息资源，它也需要超链接技术将这些资源联系起来。从硬件技术和网络协议上来说，超文本链接的问题已经解决，但是“数字城市”涉及的信息种类繁多，结构复杂、环境各异，特别是地理空间信息，它的超链接远没有超文本链接那么简单，还需技术人员对现有的超链接技术作进一步地开发，以便用户能利用新的超链接功能在“数字城市”的信息海洋中尽情遨游。如此看来，超链接是人们对“数字城市”进行信息浏览的重要技术支撑。

（六）三维城市模型

1.地理信息应用模型内涵与功能

通常把现实世界中的某些事物及其联系叫现实原型，则模型是对现实原型的一种抽象或模拟。抽象或模拟不是简单的复制，而是强调原型的本质，即抓主要矛盾，摒弃次要矛盾，正所谓取其精华，去其糟粕，因此模型即反映本质又具有抽象化与简单化的特点。从这个意义上讲，自然科学中的概念公式、定律、定理等，社会科学中的学说、原理，甚至汉字等都是一种模型。目前模型的定义大致有几种：①模型是对实际系统的描述、选型、模仿或抽象；②模型是以实物、图形或符号来代表一个真实系统或一项工程及其组成部分之间的相互关系，以便使问题和目标具体而明确，并求得最优解答；③模型是指对某一系统的简单描述，或其部分属性的模仿；④模型是一种过程或行为的定量或定性的代表，它能显示对所考虑的目标具有决定性意义；⑤模型是对客观事物的特征及其变化规律的一种表示或抽象，而且往往是指对事物中那些所要研究的特定属性的定量抽象；⑥模型是对现实现象或过程或其中某一部分的任何一种概念性描述都是一种模型；⑦模型是研究情况的有关性质的模拟物。如图、标本、沙盘等。

地理信息模型应具备的功能：①简化地理系统的结构，描述和认识地理系统的构造，把所关心的问题抽取出来；②汇集数据，综合系统的大量的具体数据，发现内在规律，如回归模型、相关分析模型；③模拟系统过程，预测系统未来变化，如系统预测模型、系统动态学模型等；④解释事物变化结果的必然性；⑤验证假说和理论，形成新的理论，如空间相互作用模型。

2.地理信息应用模型分类

根据分类标志的不同有不同的分类：

（1）根据考虑时间因素与否分类：可将模型分为静态模型与动态模型。在模型中不加入时间因素是静态模型如运输模型、投入产出模型；在模型中加入时间因素是动态模型如经济计划模型、时间序列模型等。

（2）根据考虑随机项因素与否分类：可将模型分为确定性模型与随机模型。确定性因素不考虑随机项，不考虑随机因素的影响，认为影响因素是确定的；由于随机因素的存在，不考虑随机因素的影响对地理系统来说是不可能的，因此随机模型应用极其广泛。

（3）根据模型的用途分类：可将模型分为理论模型、预测模型、模拟模型、最优化决策模型等。理论模型用来进行理论推导，阐明各种地学理论；预测模型主要用来预测未来状态与发展方向；模拟模型用于模拟在同环境条件下系统的运动轨迹，以分析其动态特征并进行多方案比较，也带有预测性质；最优化决策模型用于优化决策，一般由目标函数和约束条件组成，通过计算机按照一定的最优化算法搜索迭代求出使系统目标最优的最优解，提供各种决策方案。(www.xing528.com)

（4）根据模型表达的关系分类：①基于物理和化学原理的理论模型，如地表径流模型、海洋和大气环流模型等；②广泛用于地学领域的基于原理与经验的混合模型；③基于变量之间的统计关系或启发式关系的经验模型。

（5）以构成模型元素的存在形式分为物理模型与抽象模型。

1）物理模型（仿真模型、形象模型）：是保留现实对象系统的外形特征，根据其结构，对其尺寸放大或缩小，用实物构造成的模型。如沙盘、手机模型等。

2）抽象模型：指用文字、图表、符号等对现实事物及其联系进行一定的抽象描述，以达到从整体上认识和把握对象的目的等。如信息系统中的数据模型、人口系统中的预测模型等。

（6）根据定性与定量对研究对象认识的深刻程度分为概念模型、结构模型、数学模型。

1）概念模型：概念模型是最抽象的模型，一般采用定性分析，根据要研究的系统和目标，将研究问题抽象成一些概念，以描述对象系统的主要特征，多用语言或方框图表达，是一切深化模型的基础。如将公交系统抽象为人、车、路子系统。

2）结构模型：从宏观层次上反映组成系统的元素与元素间的相互关系。多用图表来反映复杂结构。如层次、关系模型。

3）数学模型：用数字、字母、其他符号来描述现实系统原型。通常表现为定律、定理、公式、算法与图表等。数学模型的定义有：用数学语言模拟现实的模型；是关于部分现实世界和为某种特殊目的而做出的一种抽象、简化的数学表示；用数字、字母、其他符号构成的描述问题的等式或不等式，或用图表、图像、框图、结构图、数理逻辑等来描述系统特征及其内部与外部联系的模型；是对系统构成元素及元素间相互关系的一种定量描述。数学模型用于解释特定现象的现实状态，或预测对象的未来状态、变化或提供处理对象的最优决策或控制等。

3.地理信息应用模型的建立

把模型理解为一定对象的状态、结构及其属性的简化表示。模型的构造必须经过抽象分析的过程，即经过对现实原型摒弃次要过程的过程。不同的模型的创建不尽相同，但总的可分为以下几步：①分析问题确定模型类型，对要研究的问题，也可以说是现实原型要分析其对象及其结构的本质属性，确定模型类型；②分析问题的主要因素和主要关系，确定模型变量，确定模型的基本类型后，准确选取模型的变量，包括变量的类型、变量的个数；③进行正确抽象，即研究问题模型化，指使用恰当的数学概念、数学符号和数学表达式，形式化地表达所研究的问题；④对模型求解，将问题模型化后，就需要对模型求解，确定模型中的各种参数；⑤对模型进行检验。

4.地学分析模型

（1）地理信息统计分析模型。因地理要素具有随机性，因此需要用处理随机现象的数学方法概率论与数理统计。用概率论与数理统计的方法构建的分析模型就是统计分析模型。常用的有：

1）相关分析，相关分析就是要建立相关关系，揭示要素之间的密切程度，讨论相关误差。但狭义的相关分析是对相关系数计算与检验。两要素、多要素的相关关系；正相关、负相关；直线相关与曲线相关等。

2）回归分析，回归分析就是要建立回归分析模型。简单的也可用图像法做回归线。一元线性回归模型的建立是用基于最小二乘法来实现。多元线性回归方程仍是用基于最小二乘法来实现，需要构建正规方程组，通过矩阵进行计算得到。非线性回归模型的建立，一般都是通过某种途径将其转化为线性关系，在运用建立线性回归方程的方法进行。

3）聚类分析，研究对多要素事物的分类问题的数量方法。基本原理是根据样本自身的属性或特征的相似性、亲疏程度，按某种相似性或差异性指标，用数学方法定量地确定样本之间的亲疏关系，并按这种亲属关系程度对样本进行聚类。常用的方法有系统聚类法、动态聚类法、模糊聚类法。

4）主成分分析，变量太多，会增加分析问题的难度与复杂性，在实际问题中，多个变量间具有一定的相关关系，如果对变量之间进行相关关系研究，将关系密切的变量种选择一个即可，这样变量就少了。主成分分析就是解决这种问题的一种方法。主成分分析是把原来多个变量划分为少数几个综合指标的一种统计方法，是一种降维处理技术。

（2）空间分析与系统结构模型。地理信息科学涉及大量的空间分析与系统结构问题：①空间相互作用分析模型，空间接近度分析，空间叠加分析，空间趋势面分析；②网络分析模型，最短路近分析，选址问题分析；③系统动力学模型，是美国麻省理工学院福瑞斯特教授首创的一种运用结构、功能、历史相结合的系统仿真方法；④细胞自动机模型；⑤投入产出模型。

（3）规划与决策模型。规划与决策是城市与环境研究的重要问题。①最优规划模型，任何规划问题都有两个基本问题，规划目标和约束条件。规划目标是规划方案优劣的准则，解决该类问题的方法就是最优规划问题，线性规划问题，多目标规划问题；②最优区位模型，单点选址模型，多点选址模型；③预测模型；④战略决策模型。

5.三维城市模型的建立

三维城市模型是数字城市空间数据基础设施建设的重要内容，目前，建立三维城市模型主要有以下几种方法（朱庆等，2004）。

（1）基于二维GIS建立三维城市模型，城市二维GIS包含有丰富的数据源，如房屋、道路、水系、高程、绿化、公共设施等。建立三维模型就要充分利用这些位置、高度和属性信息，通过一定的技术处理建立三维模型。但是，现有的二维GIS中除了二维数据以外，并不具有直接完整的三维信息和纹理信息，还需要实地采集纹理，对于特殊建筑物的三维模型还需要重新构建。由于目前大多数城市都建立了各种各样的二维GIS系统，因此，利用二维GIS数据建立三维城市模型，是一种经济快捷的有效途径。

（2）基于影像建立三维城市模型，随着近年来高分辨率遥感技术和计算机图形图像处理技术的发展，数字摄影测量被普遍认为是当前最适于用来获取大范围高精度三维城市模型的主要手段。基于摄影测量的建筑物三维重建的两个重要环节同时也是限制其提高自动化的瓶颈是：确定建筑物初始位置和确定建筑物类型，其他诸如确定朝向、精确定位、人机交互策略等都有赖于这两个问题的首先解决。从影像自动识别和提出建筑物不仅是摄影测量与遥感领域的难题，也是计算机视觉与图像理解研究的重点之一。

（3）基于激光扫描的三维城市建模，激光扫描测量通过激光扫描器和距离传感器来获取被测目标的表面形态，通过一系列技术处理，从而进行各种量算和建立三维模型。激光扫描系统作为一种主动的非接触测量手段，在生成真实世界物体的计算机三维模型方面得到了越来越广泛的应用，在地面上集成车载激光扫描系统用于三维城市模型建设已成为激光扫描技术发展的一个方向。

（4）CAD建模方法，CAD技术产生于20世纪50年代后期，应用比较广泛，在图形处理与三维建模方面具有独特的优势，已成为三维城市建模的一个重要数据源。使用CAD、3DS、3DMAX等设计软件，能够逼真表示规划设计成果的精细结构和材质特征，不仅能表示物体外观，而且能充分展示物体复杂的内部形态。但是，由于CAD建模大多涉及手工操作，工作量大，成本高。