专家报告丨吴立新教授：多维多尺度空间数据可视化技术及应用

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2021第九届高校GIS论坛，国际欧亚科学院院士、中南大学教授吴立新在论坛作特邀报告《多维多尺度空间数据可视化技术及应用》。

以下内容根据报告内容整理（未经本人确认）：

吴立新教授作特邀报告

1.从局地二维到地球多维

计算机技术的蓬勃发展推动了空间数据可视化技术的不断革新。3500年前，平面期的古人记里提到制图六体，这是一种基于平面的表达和描述。500年前进入球面期，人们认识到地球是圆的，开始采用数学的方式来表达地球。50年前有了计算机，人们进入数字期，有了电子地图、谷歌地球，在数字环境下来表达空间诉求。近十五年来又发生了革命性的变化，人们的表达能力大幅度提升，所表达的数据已经不限于地球表面了，包括地球内部、外部，甚至地球全息表达。

用一张简单的图来描述一下空间数据在表达和发展的历史过程中的尺度与维度演化过程。横轴是尺度，从局部到区域到全球，纵轴是空间的维度，从二维到2.5维再到全球三维。在这样一个3×3的技术图里面，其他部分都有了相应的成就、方法和理论体系。但是，如何在全球三维的尺度下描述表达这颗星球的完整内容，是摆在本世纪GIS人面前的一个新命题。

2.多维多尺度可视化需求

地球系统科学与对地观测集成系统的发展导致我们对传统的表述方式已经不满足了，需要追求一种新的方式。在过去二三十年，世界上有一些学者开始用球面上的格网来描述这个世界，提出了多种多样的格网形式。但这些工作都是对于地球表面而言的，不能满足大地球科学的需要。那么，我们就要寻找新的空间模式来实现二维和三维、模型与制图、粒度与精度、内部与外部、数据与模型、内外与表面这六个基本问题的统一或集成。

新的格网体系必须要满足以下七个方面的基本要求：整体性、结构化、层次性、确定性、唯一性、可度量、自适应。地学要求全球无缝覆盖、壳元空间结构、层次格网剖分、格网粒度均衡、统一空间编码、兼容经纬地心、地形格网细分。

在国家基金重点项目的支持下，我们提出了基于流形空间格网的数据组织与可视化方法。我们根据切西瓜的启示提出了新的分切方式，不是按照过去按照平面切分，而是既有平面，也有锥面、圆面。采用这样的方式，可以对一颗球无限等层次的剖分下去，形成球体对照八叉树的格网。如果需要研究地球表层，还可以对地球表层进行深度的细分，再在格网上按照精度套下去，就可以形成基于八进制的，有象限、有结构编码的体系。

3.球体格网数据组织与可视化

在这样一种模式下，要表达点线面的对象，其实就是利用空间临近关系进行集合，我们还可以表达对象的动态现象，基于点线面之间的关系来表达拓扑临近关系。地球平均半径是6370公里，我们通过球体退化八叉树的方式把这个值往外推，可以推到12800公里，基于这个来设计剖分体系，在每个层次上的格网力度、大小、厚度都可以进行精确地计算。这套体系在设计时有一个基本的原则，要与现有的体系要能够连接，这个连接的纽带就是ESSG，地心地库系，通过它可以实现所有数据的转换。

后来我把这项工作带到了GEOSS地球观测联盟，把网格剖分方式作为GEOSS的数据集成框架，出了白皮书。在此基础上，自然就要谈可视化了，数据转换后如何来表达多圈层、大规模的数据呢？我们可以把多圈层、多主题的数据放在一起，进行可视化表达。多圈层中有一个叠影，可以采用调整和半干预的方式，来表达不同方式、主题的参数。

4.基于ESSG的可视化实践

我们做了可视化实践，对全球地壳结构、全球海洋温度场、全球电离层温度、全球大气层温度进行建模，一看就知道什么地方发生了什么样的演变。把多圈层、多参数进行集成的可视化，更有利于认知地球系统的一些总体规律，我们开展了一些典型应用，比如汶川地震多圈层、多参数扰动的时空关联性可视化分析。

全球空间数据关联服务。我们开发了数据经营工具，通过工具自己直接找数据，重新组织后按照用户的申请推送他所要的数据。比如，现在大家用的搜索引擎只能看到数据，但不能得到。我们把DEM组织以后，你告诉他需要什么数据，比如需要DEM数据，就把DEM写出来，就可以下载下来了。

地球系统耦合过程模拟。我们国家在考虑一件大事情，就是地球系统的模拟。大连理工大学的唐春安教授做了一些很好的工作，他的成果描述了地球内部的演化过程，他希望和我们的格网体系结合起来，把地球内部厚度的变化展现出来，来模拟全球的演化，这项工作正在推进过程中。非常高兴的是，我们的这项工作申请了国家的发明专利，由于在国际上的应用和大家的认可，今年很荣幸地获得了第22届中国发明专利的优秀奖。

5.《空间数据可视化》教材

受教指委的统筹，李院士牵头，我参与编撰了全国高校地理信息科学教学丛书，《空间数据可视化》这本书用于空间数据可视化的本科生教科书，分为五个章节，每一章后面都有相应的思考题，如果有老师们想回去开这门课，就可以用这本教材。

我们要认知、感知这个世界，到底是感知决定认知？还是相反？在这里我试图回忆一下李先生的演讲，所谓空间尺度与空间维度，皆因人类认知与表达世界的能力而变，它就在那里，等着你去读懂。不同的人、时间、年代，读懂的方式和效果不一样。大数据、云计算、人工智能时代、空间数据多维多尺度流形表达、有序组织、格网计算与可视化分析是必然趋势。一定会走到大道至简、返璞归真、顺其自然、得大自在的阶段。

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