利用三维可视化技术将机场建设过程以三维全景的方式直观地展示出来，可以帮助人们建立全局观念和模拟直观感，对实现精益化管理具有重要意义^[1]。同时，随时间动态变化的信息化模型对现场的施工起到了指导和管理作用，促进了建设过程中各部门的共同协作^[2]。

建设过程可视化的一种方式是将带有地理位置信息的照片或视频资料按照时间顺序组织存储在数据库中，通过动态调度，再现建设过程^[3]。由于二维影像不能完整地展示地理要素的空间位置关系，会造成解译困难。另一种方式是利用建筑信息模型(building information model, BIM)、4D技术、仿真技术、虚拟现实等，将地理要素的变化过程展示出来，实现建设过程可视化。如王婷等^[4]以某公共建筑工程为背景，使用Navisworks软件关联建设场景中三维要素的BIM模型和施工进度计划文件，实现了建设过程的动态演示和可视化管理；Liapi^[5]将三维数据库和时间进度结合，使用4D技术实现了道路要素的建设过程可视化；张正峰等^[6]建立了地形和小区建筑物的三维数字模型，通过仿真计算得到施工工期、关键路径等信息，将小区的建设过程以三维动态的形式演示出来。以上技术实现了地理要素变化过程的三维动态展示，弥补了二维影像的不足，但是建模过程复杂，工作量大，尤其是BIM模型，包含建筑几何、空间关系、以及建筑构件的数量和质量等要素生命周期中的所有信息，不利于效率的提高和非专业用户理解。

机场建设是一种人为因素驱动的、以视觉特征变化为主的动态地理过程，地理要素是动态地理信息的载体。笔者认为地理要素的变化可以通过尺寸、形状、纹理等视觉变量^[7]的变化进行描述。目前，视觉变量在描述动态地理现象中的有效性已逐渐得到验证，如Jenny等^[8]用颜色和尺寸变量描述地球表面以规则栅格形式呈现的抽象时空数据的值的大小变化，并以LANDIS-Ⅱ和NDVⅠ为例，模拟了这两个抽象属性随时间变化的三维动态变化过程。基于此，本文分析了机场建设过程中发生变化的地理要素的特征，提出一种视觉变量控制的复杂地理场景变化过程可视化方法。将动态模型集成在三维场景中，完成场景层次的建模，将机场建设过程中地理要素之间的时空关系表现出来。

机场建设中地形、道路、建筑物等基础地理要素的出现、突变和消失表现为要素视觉特征和抽象特征随时间的变化过程，实现机场建设过程的三维动态可视化，需要将各类要素在空间和时间上进行叠加，构建三维时态场景。本文对三维场景进行了分层次剥离，即场景的组成单元是要素的动态模型，要素的组成元素为视觉变量，对建设过程进行动态分层次解析，将机场建设过程中复杂地理场景及要素的变化分解成特征一致的模式，建立三维时态场景的层次模型。

1) 变量层次。变量是引起视觉差异的本质因素，是层次模型的底层单元，包括形状、细节层次、尺寸、颜色、阴影、纹理、方向等静态视觉变量和发生时长、顺序、时间粒度和变化速度等动态变量。检测时空变化过程中引起地理要素视觉差异的变量，是建立动态模型的基础。

2) 要素层次。作为层次模型的中间级别，要素是变量的载体，同时也是构成动态场景的基本单元。每个要素具有唯一的ID，伴随其变化过程中的各个阶段，描述要素动态特征的变量组与要素一一对应。机场建设过程可视化中涉及的要素包括地形、跑道、边坡、航站楼等。

3) 场景层次。场景层次的建模是将各类要素按照叠加顺序和空间位置组织起来，在三维环境中集成，构建基于时间粒度的瞬时场景，实现三维时态可视化。场景由多个随时间动态变化的要素组成，可以根据要素ID查询到特定要素，并在场景中单独显示。地理要素在空间上的分布具有唯一性，即空间不重叠；在时间维上具有并行性，即一种要素的变化往往伴随着其他要素的变化，因此，在场景层次需要考虑多个要素的同时变化。

基于三维时态场景层次表达模型，针对机场建设过程，依次进行变量、要素和场景层次的设计和建模。首先，提取各类型要素对应的视觉变量组，并确定时态信息表达粒度；然后，对地理要素生命周期中出现、突变和消失等动态过程进行可视化设计，建立要素的动态模型；最后，根据时间和空间维的叠加规则，将动态地理模型集成在三维场景，实现了机场建设过程的三维动态可视化。

1) 视觉变量动态组合。视觉变量在信息传递过程中往往具有不同的语义，颜色由浅变深的过程通常用来表示某种属性随时间的数量增长，细节层次的提高可以表示地理实体的升级过程。本文考虑了位置、尺寸、细节层次、几何造型、颜色、纹理和方向7个变量，尝试用视觉变量描述地理要素的变化特征。其中，位置包括二维平面位置和三维高程。

真实世界中，地理要素都是以具有位置、大小、形状的复杂几何体的形式存在，而实际建设过程中地理要素的变化通常更为复杂，涉及多种视觉特征同时变化，因此在构建三维动态模型时，需要简化和抽象视觉特征和动态信息^[9]，选择符合要素变化特征和认知规律的两个或多个视觉变量组成变量组，以明确描述地理要素的变化规律，提高动态特征的概念化。

将机场中地理要素点-线形式、面形式、体形式分为3类要素，分别对应3组视觉变量组，如表 1所示。本文主要针对机场内地理要素变化过程进行建模，因此不考虑人、车等的动态变化。

表 1(Tab.1)

表 1 地理要素分类及对应的视觉变量组 Tab.1 Classification of Geographic Features and Corresponding Visual Variables

表 1 地理要素分类及对应的视觉变量组 Tab.1 Classification of Geographic Features and Corresponding Visual Variables 要素类型 视觉变量组 代表要素 点-线形式 位置、尺寸、颜色、方向 沿线分布的树、路灯 面形式 位置、尺寸、颜色、方向、纹理 道路、跑道、边坡、绿化地 体形式 位置(高程)、尺寸、细节层次、几何造型、颜色、纹理和方向 地形、建筑物

2) 时间粒度解析。研究表明，在描述地理要素随时间的变化规律和探索空间变化模式时，动态变量能帮助读者快速获取地理信息。本文考虑了发生时长、顺序、时间粒度3个动态变量，发生时长包括变化开始发生到消亡(或停止变化)的时间长短，顺序描述了事件发生过程中要素出现、突变和消失过程的先后关系，时间粒度指的是变化的最小时间分辨率，也是变化速度的决定因素，影响人们对地理变化模式和规律的认知。

机场建设通常根据实际工程时长和场景动画时长，选择对应的时间粒度，建立动态数据库，存储场景中地理要素的时间和空间特征信息。然而，建设过程中往往存在数据丢失的情况，因此，采用线性插值的方法得到缺省信息，以满足时间粒度的要求，保证可视化效果的流畅性。

3) 要素动态模型生成。基于视觉变量组和时间粒度，结合地理要素的生命周期，分类型、分阶段建立要素的三维动态模型，包括程序自动生成和人工干预两种方法。首先，程序自动生成主要用在地形要素动态建模中，机场建设中地形的变化通常表现为填挖过程，该过程主要表现了几何造型这一变量的渐变特征，采用了不规则三角网对地形信息进行初始化描述；然后，根据建设进度和时间粒度，对数据库中发生变化的区域进行修正，从而生成中间版本的数字地形模型，直至地形要素的生命周期结束。对于地面以上的点、线、面状要素采用人工干预的建模方法，通过控制视觉变量组，生成以天为间隔的动态模型，其中，关键帧使用3DMax建立的精细模型以保证可视化结果的逼真性。

4) 要素叠加与三维时态场景集成。三维时态场景构建中需要确定要素在时间域上的叠加顺序，按照叠加顺序，将要素组织在时间轴上，实现场景层次的要素集成。

本文基于地理要素在空间域上的逻辑关系确定动态模型在时间域上的叠加顺序。机场中的地理要素在空间位置上存在固有的逻辑关系，在纵向空间域上表现为从下至上分类型叠加，即地形、跑道、以及地面以上的面状目标(绿化边坡等)、体状目标(航站楼等)和线状目标(栅栏、沿线分布的行树、路灯等)依次变化。在横向空间域上表现为分片区变化，即将整个区域划分为若干子片区，各子片区依次或并行建设，如机场根据功能分为航站区和飞行区，飞行区又可根据要素类型分为跑道、广场、边坡等不规则子片区。因此，根据地理要素空间位置上的逻辑关系和要素类型，建立动态模型在时间域上的索引，再结合要素开始变化时间，确定模型在动态场景中出现的具体时间点。根据叠加顺序，将动态模型映射到时间轴上，通过动态调度，在场景中依次显示要素的变化，完成三维时态场景的构建，实现机场建设过程的三维动态可视化。

本文以吕梁机场建设为例，涉及地形、道路、跑道、路灯、边坡、树木、绿化地、建筑物、停车场等地理要素。其中，树、路灯以线形式随时间变化，道路、跑道、边坡、绿化地遵循面形式的变化规律，地形、建筑物遵循体形式的变化规则。根据要素的变化特征，选择对应的变量组，如地形要素的变化使用几何造型、高程变量组描述，道路和边坡使用尺寸和纹理变量组描述，建筑物的视觉变化使用细节层次、几何造型、纹理和尺寸变量组描述。

本文根据机场建设过程中时间域上的最小分辨率，将时间粒度确定为天，并通过线性插值，得到以天为间隔的进度信息。在此基础上，建立地理要素的动态变化模型，图 1展示了地形、跑道、边坡和建筑物的动态变化过程。

图 1(Fig.1)

图 1 地理要素动态模型 Fig.1 Dynamic Model of Geographic Features

本文根据机场中要素的空间位置关系和出现顺序，确定动态模型在三维场景中的叠加顺序。以OpenGL为三维引擎，Oracle 10g为数据库，采用Visual C++ 2010，按照叠加顺序，在三维场景中依次加载动态模型，实现了时间轴控制的地理要素变化过程可视化，开发了三维机场建设过程动态演示系统。系统界面如图 2所示，分为视窗和时间控制面板两部分，视窗区展示了建设过程中某天的三维场景；时间控制面板包括时间轴和建设进度显示，时间轴是时间维的导航工具，拖动时间轴上的时间滑块或在日历中选择日期，可以查看某天机场的建设状态。

图 2(Fig.2)

图 2 系统界面 Fig.2 System Interface

本文提出一种基于视觉变量的机场建设过程三维时态场景构建方法，首先，建立动态过程的变量、要素、场景层次表达模型；然后，提取描述地理要素变化特征的视觉变量组和时间粒度，通过控制视觉变量建立地理要素的动态模型，以描述地理要素的动态变化特征；最后，根据地理要素在空间位置上的逻辑关系确定动态模型在时间轴上的叠加顺序，构建场景动画，将机场建设过程中地理要素的时空关系刻画出来。该方法已成功应用于山西省吕梁机场，实现了机场建设过程的三维动态表达。