第7章GIS可视化及其产品输出

第7章GIS可视化及其产品输出7.1地理信息可视化理论7.1.1可视化定义7.1.2地理信息可视化概念7.1.3地理信息可视化理论7.2地理信息可视化技术7.2.1概念和形式7.2.2地理信息可视化过程7.2.3电子地图GIS为用户提供了许多表达地理数据的手段。其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图、系列图等拷贝图件，还可以通过人机交互方式来选择现实对象的形式。但要特别强调的是GIS的地图输出功能。GIS不仅可以输出全要素地图，还可以根据用户需要，输出各种专题图、统计图等。7.3动态现象可视化7.3.1动态地图概念7.3.2动态地图符号7.3.3动态电子地图分类7.3.4动态电子地图的设计7.4GIS输出7.4.1电子地图的输出7.4.2纸质地图（集）生产出版7.1地理信息可视化理论7.1.1可视化定义可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术。它的过程是一种转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们。可视化（Visualization）概念源自科学计算可视化(VisualizationinScienceComputing，简称ViSC），“科学计算可视化”概念，定义为：“一种计算方法，它将符号转化为几何图形，便于研究人员观察模拟和计算”。可视化是一种工具，用来解释输入到计算机里的图像数据和从复杂的多维数据中生成图像，它主要研究人和计算机如何一致的感受、使用和传输视觉信息。从计算机科学的角度出发，该定义侧重于复杂数据的计算机图形处理和表示，同时将人和计算机对视觉信息的感知行为作为研究对象，运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。例子。“科学计算可视化”概念提出以来，在地学相关学科受到了重视，产生了众多特定领域的可视化专业性概念。科学计算可视化与地球科学相结合产生了地学可视化，对地学数据进行视觉表达与可视分析。对地学而言，可视化技术在地图制图学已有应用，但在现代数字技术环境下，可视化的内涵与外外延都有扩展，在地图绘制、地貌晕渲、符号化、地学图谱、三维景观图等技术都有发展。地学可视化强调地学现象、事物的机理、过程、规律的视觉化表达，挖掘揭示深层的信息内容。根据不同地学领域的数据特征，结合专业原理分析和专业模型,产生了特殊地理信息可视化，例如，通过三维景观、体视化技术展示地质构造分布、发育，模拟水对水文现象的演变模拟，模拟对海洋、大气的运动过程运动规律模拟。7.1.2地理信息可视化概念对地图制图和GIS而言,可视化不是新概念。地图本身就是一种视觉产品,地图生产过程被认为是运用视觉变量对现实世界抽象、综合和表示的过程,地图读者又运用视觉思维对感受和分析地图这视觉化产品感受和分析；但在制图新技术环境下“可视化”被赋予新的内涵，地图可视化不仅仅是图形结果状态表示,更主要地是一种高级的空间数据分析行为,它刻画了一种思维过程。传输和认知模型是地图视觉化的重要内容。地理信息可视化在地图信息的认知和传输方面赋予了新的特色。“科学计算可视化”理论的丰富和技术发展对地图可视化表达和分析产生了深远的影响。近10年来，许多学术机构纷纷设立对应的研究分支，相关学科的渗透及交叉等等，都推进了地图/地学可视化研究的进程。“地图可视化”没有统一的定义。有人把“地图可视化”概括为“首要的也是最重要的一种认知行为，是人类在发展意念上表示的能力，它有助于辨别模型，创造和发展新秩序”。有人认为应该将视觉显示和图形传输的原则列入可视化的定义中，并将可视化定义成”为识别、传输和解译模式或结构目的而概要地表示信息的过程，它的研究领域包括创建、组织、操作和理解视觉表示的计算、认知和图形设计方面。视觉表示区别于那些抽象文字和公式，可以符号化、图形化和形象化地的表达”。有人定义“可视化为基于图形环境的人和计算机之间的交互，并将数据的视觉表示为景（Scene），景实际上就是将数据表示成直接感知的视觉形式”。有人从地学计算（Geocomputation）的角度考虑，认为应将可视化提升到独立学科的地位来看待。……7.1.3地理信息可视化理论数字技术、网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术的出现以及ViSC概念的提出，推动了地图认知、信息传输理论的发展，也促使我们对地理你信息可视化理论进行重新认识。多维与动态可视化技术是地学可视化最新的发展趋势。目前代表的观点主要有：①Taylor的现代地图学认知论（可视化三角形）；②MacEachren的空间表达论（可视化立方体）；③DiBiase的科学探索工具论；④Kraak的探索论；⑤龚建华等人的认知与交流融合论。Taylor（1993）将地图理论的原则放在三角形的底边，认知和传输放在三角形的另外两边，三角形中心连接处为可视化，可视化包含信息交流传输与认知分析两方面，如（见图7.1所示）。Taylor认为，可视化是现代地图学的核心，具有交互和动态特征，可视化的功能包括交流传输与认知分析两方面，同时需要计算机技术应用到地图制图中来。同时，他也指出：不能简单地将地图可视化与地图学等同起来，可视化不构成地图学的全部研究内容。从Taylor的观点来看，他强调的是“计算机技术基础支持下的地图可视化”。图7.1地图可视化概念模型MacEachren（2019）用立方体表达地图应用空间以及可视化和交流传输在立方体空间中不同的位置和作用。可视化与交流传输是处于不同的地位，发挥不同的作用。交流传输具有表达已知、面对大众、人图交互作用较低等特点；而可视化则具有呈现未知、面对个人、人图交互作用较高等特点，如（见图7.2所示）。MacEachren强调了交流与可视化在地图学中的作用。该立方体模型形象地描述了两个过程：在对地学过程、规律探索的早期，是为数较少的领域专家对地学问题探索，在逐步深化过程中认识从无知到有知，逐渐清晰化，该阶段人与图的交互频繁，通过图形绘制、分析进行多个过程图形化思考，这一过程可看着是探索发现。第二个阶段，探索结果出来后通过可视化图形载体进行交流传播，面向社会化大众交流其成果，此时与图的交互主要是接受其成果，交互操作量减少，这一阶段主要是交流传输。例如，天气预报图的制作发布就是一个典型的例子，开始气象人员要根据对各种气象相关的参量数据绘制气压形势图、风向图、云层图等，综合分析得出未来一定时间段内的天气变化，气象专家通过频繁的图形可视化思考后，其预报成果通过媒体发布，可为大多数人接受。图7.2地图应用的空间表达DiBiase（1991）把可视化描述为科学探索的一个工具，包括数据探索、假设定义、验证、综合合成、结果表达，强调地理研究过程中的地图作用，并认为可视化特征在研究过程的早期侧重于个人特征的视觉思维，后期侧重于研究结果的公众交流的视觉传输，如（见图7.3所示）。DiBiase强调了地理研究过程中可视化地图的作用。这一认识与MacEachren的立方体模型类似，都强调了可视化的两个不同阶段，只不过可视化立方体模型还考虑了交互式中参与人员的变化情况。图7.3探索型地图理论定义比较：尽管各定义表述有差异，但都强调了地理信息可视化不仅仅是图形结果状态表示，更主要地是一种高级的空间数据分析行为，它刻画了一种思维过程。在空间数据分析决策中，信息可视化是一种认知工具，传统地图可视化技术主要表达地理现象的空间分布与空间定位，解决“在何处”、“有何物”问题。在数字条件下的可视化技术更主要地在于揭示深层次的地理现象的发生规律和内在的物理机制，回答“为什么”、“怎么样”问题。这一深层次的可视化不仅是用符号简单地“装饰”地理数据的过程，还在于探究、挖掘隐藏的信息内容。空间信息表达的通常手段：文字注记（标注）＋图例表示＋专题表现＋专题制图利用GIS可视化技术表达空间信息7.2地理信息可视化技术7.2.1概念和形式地理信息可视化是指将地图学与计算机图形学、多媒体技术、虚拟显示技术和图像处理技术相结合，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示，并进行交互处理的理论、方法和技术。地理信息可视化的形式主要有地图、多媒体地学信息、三维仿真地图、虚拟现实等。它们都可以是GIS的界面。地理信息可视化技术方法主要有以下几种：（1）几何图形法:通过把三维图形透视变换映射成二维图形，用折线、曲线、网格线等几何图形表示数值的大小,包括：用等值线法表达地形、气温、降水量等；用矢量符号法表达气压梯度、梅雨峰线；用风力玫瑰图表示风力发生频率与风向；用流线箭标图法表示洋流、气旋；用等值面法表达地形起伏。集合图形法表达地理信息，如图7.4所示。图7.4集合图形法表达地理信息（2）色彩、灰度表示法:用色彩、灰度来描述不同区域的数值，例如数字图像法、区域填充渲染、地貌晕渲法等，如见图7.5所示。图7.5用数字图像、地貌晕渲表达地理信息（3）多媒体表示法：用图像、声音、动画等多媒体联合表示地学研究中的特殊现象，如地震爆发、冰山漂移、海底扩张、污染物扩散。多媒体信息主要指“综合、形象地表现空间信息所使用的文本、表格、声音、图像、图形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是空间信息可视化的重要形式。（4）虚拟现实可视化：指“由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人机交互系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用”。7.2.2地理信息可视化过程空间信息与可视化的关系是密切的。步骤：首先，从GIS数据库中检索出的要素、特征及定位信息；其次，通过预处理后，从符号库读取符号信息，从字符库读取汉字及字符信息，从色彩库读取色彩信息，即符号化步骤；第三，面向不同的应用领域输出各种形式的可视化图形（包括地图）。地理信息可视化过程如见图7.6所示。空间数据库符号库颜色库文字注记可视化图形空间数据库符号库颜色库文字注记可视化图形空间数据加工处理内容选取、综合化简空间数据加工处理内容选取、综合化简图7.6地理信息可视化过程7.2.3电子地图作为地理信息可视化的主要形式，电子地图是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上，并能在屏幕上实时显示的可视地图(有时也称为“屏幕地图”)。电子地图可以实时地显示各种信息，具有漫游、动画、开窗、缩放、增删、修改、编辑等功能，并可进行各种量算、数据及图形输出打印，便于人们使用。随着多媒体技术的发展，电子地图将与音像等内容结合起来，极大地丰富地图的表示内容，全方位、多角度地介绍与地理环境相关的各种信息，使地图更富有表现力。电子地图集，是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，互相加强。电子地图包含了GIS的主要功能，但不是全部功能。电子地图侧重于可见实体的显示，其中较完善的空间信息可视化功能和地图量算功能是一般GIS所欠缺的。但是相对而言,一些电子地图(集)难于予使其可视子空间均具有统一的空间数学基础,因而空间分析相对GIS于GIS比较薄弱，这也是两者最主要的区别。电子地图（集）是一种新型的、内容广泛的GIS产品，而电子地图（集）系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GIS系统。电子地图与纸质地图相比,最显著的特征是数据的存贮与数据的显示相分离,由此产生电子地图的一系列新特点：:动态性、交互探究性、超媒体结构。电子地图设计仍要遵循传统纸质地图的设计原则,但随着电子地图设计环境、,应用环境的改变,又具备了如下一些新的特点：1.地图符号视觉变量的扩展Bertin（1967）及其他制图专家,在对符号信息的感受性、传输性研究的基础上建立的视觉变量体系,得到了制图设计人员的广泛认可,在这个体系中,包含了符号的形状、尺寸、色彩、结构、方向、密度。在电子地图设计