视觉变量相似性驱动的时空数据符号化渲染方法研究

In the current research of spatio-temporal data symbolization, the presentation of the spatial-temporal changes is not exhaustive. There is less study on visual variables and the method of symbolization concerning “visual clutter and overplotting”. There is also a lack of research on the effect of the graphic lows of symbolization to the rendering pipeline, especially the rendering models for spatio-temporal data of large volume and high update rate. A concept model for spatio-temporal description concerning life-cycle, time, spatial position, geometry, properties will be designed in this research project. In this model, the gradual and sudden changes are also considered. Point, line, flow line and polygon symbols will be designed with embedded kernel density function. Consequently, the corresponding rendering method for spatio-temporal data will proposed. Under the conditions of orthographic projection or perspective projection, the graphic lows of symbolization concerning the viewpoint change and terrain are discovered from the angle of the visual variable similarity of symbol space and image space. This study will design an active caching mechanism for the subprocess of rendering, a fusion algorithm and a rendering method for symbol rendering with the moving, extending, shrinking, fading and other effects. This study also builds a rendering model of spatio-temporal data of large volume and high update rate. The usability of this method will be proved by the analysis of contrast experiments and the eye movement experiments. This study will change the presentation contents from spatial distribution to spatial-temporal changes, converts the presentation means from map projection to multiple views, and alters the presentation scale from division map to seamless scene.

当前时空数据符号化研究对时空变化的描述不完备，顾及“视觉混乱与超载”的视觉变量与符号化方法研究较少，符号化方法内蕴图形规律对符号化渲染的影响研究不足，缺少面向大数据量、高更新率的时空数据符号化渲染方法。本项目综合考虑时空对象生命周期、时间、空间位置、几何与属性，顾及渐变与突变，设计时空变化描述的概念模型。设计嵌入核密度函数的点、线、动线与面符号，提出时空变化的符号化方法；从符号空间和像空间视觉变量相似性的角度，解析透视与正射投影下，顾及视点变化与地形的符号化方法内蕴的图形规律，设计符号化渲染子过程的主动缓存机制、符号融合算法；设计符号的移动、扩展、收缩、渐隐等动态绘制方法，构建支持大数据量、高更新率时空数据符号化渲染模型。通过对比实验和眼动实验分析符号化方法的可用性。本项研究有利于推动符号化方法由描述空间分布走向描述时空变化、由地图投影到多视图表达、由分幅地图到无缝场景。

近年来，随着对地观测技术、传感器和网络传输技术的快速发展和普及，具有空间位置的自然环境与社会经济数据近几十年快速增长，形成了数据量大、更新率高的时空数据集。如何对其进行科学的符号化以及高效的符号化渲染是当前面临的巨大挑战。当前的研究主要集中在如何改进线性数据流和固定控制流以提高可视化性能上。比如：利用并行计算、硬件加速等技术来改进可视化效率。但依然缺少高效的符号化渲染方法。本项目针对大数据量时空数据的符号化与渲染方法展开研究。. 本项目提出一种基于相似性理论的新的符号化方法。受制图规则的影响（例如主视觉变量原则），符号在形状、大小和角度等视觉变量方面趋于相似。在可视化管线中，相似的符号具有相似的绘制操作（如三角剖分），存在大量的计算冗余和数据冗余。据此，本项目提出一种视觉变量相似性驱动的可视化方法，利用相似性度量来发现并剔除可视化过程中的各类数据冗余和计算冗余。基于相似性理论，本项目设计了GPU环境下点线面地图符号的绘制方法，能够显著提高矢量地图的绘制效率；针对矢量数据的LOD渲染问题，提出一种梯形网格数据结构，支持对矢量数据的高效化简与绘制；针对时空多变量可视化问题，引入隐喻理论（经验相似与同现），利用方位隐喻、本体隐喻和结构隐喻将单变量符号耦合为多变量符号，归纳了隐喻符号的若干设计规则，能够丰富时空数据可视化的理论，为时空数据的探索性分析提供了新的理论和方法支持。. 本项目提出的新的符号化方法和算法成果有利于丰富现有时空数据符号化方法、提升大数据量时空数据的渲染效率。有利于推动符号化方法由描述空间分布走向描述时空变化、由地图投影到多视图表达、由分幅地图到无缝场景。在智慧城市、地球模拟器、国防建设、资源管理等领域具有潜在的应用价值。