六章空间数据可视化及制图

1第六章空间数据可视化及制图26.1概述6.2GIS中图形的输出6.3地图的表示和地图符号6.4专题信息和专题图6.5电子地图36.1概述可视化是指利用计算机图形图象技术，将复杂的科学现象，自然景观及一些抽象的概念图形化的过程。可视化目的是便于人们理解现象，发现规律和传播知识。可视化技术通常需要模型的支持，包含交流和认知分析，是对人脑印象构造过程的一种仿真，以支持用户的判断和理解。一、可视化（visualization)概述41、科学计算可视化可视化的概念首先有美国国家自然科学基金会员会图形图象专题组在1987年提出了科学计算可视化（visualizationinscientificcomputing)。科学计算可视化是研究如何将科学计算过程及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。1997年国际地图学会成立了可视化委员会，提出将科学计算可视化和地图可视化的连接和交流。52、空间信息可视化可视化能迅速、形象地表示空间信息，空间信息离不开可视化。因此，科学计算可视化之后，地学专家对可视化在地学中的地位和作用进行了许多研究，提出了地图可视化、地理可视化、GIS可视化、地学多维图解、地理信息的多维可视化、虚拟地理环境等概念。63、空间信息可视化的特点空间信息可视化是指利用地图学、计算机图形图象技术，将地学信息输入、处理、查询、分析数据，采用图形、图像，结合图表、文字、报表，以可视化形式，实现交互处理和显示的理论、技术和方法。所以，空间信息可视化是科学计算可视化在地学领域中的体现。空间信息可视化和科学计算可视化不同之处是空间信息可视化过程更强调数字化和符号化的概念,而且空间信息可视化描述的是地理空间内的事物，可视化过程实际上是对地理空间信息的提取和综合7空间信息可视化特点交互性通过交互性，使用户进入事件的发展之中，并得到可视化结果。信息载体的多维性实现空间信息的可视化需要用多媒体表达方式。信息表达的动态性实现空间信息的可视化可以描述空间信息的动态变化。84、空间信息可视化的应用空间位置的表示如表达空间物体的分布；空间分析的可视化描述，如缓冲区动态制图，如动态仿真图；空间信息的可视化查询，实现对空间信息的查询；面向实体的模型化显示，如DTM模型。95、空间信息可视化产品类型电子地图多媒体地图三维仿真图四维时空图交互式可视化界面106、空间信息可视化的方法传统的及新型的制图软件空间信息系统仿真系统虚拟现实117、空间信息可视化的发展在GIS的发展历程中，一开始就十分重视利用计算机技术实现空间数据的图形显示和分析，以充分直观的表示空间数据处理分析的结果。GIS可视化的发展过程：（1）二维数据的可视化主要研究二维图形的显示算法，如画线、符号库和符号化、颜色设计、图形输出打印等。12（2）2.5维图形的可视化2.5维图形的可视化以地形分析为核心，研究用二维数据表示三维数据，即将三维数据投影到二维屏幕上，显示之。2.5维图形可视化的实质是研究三维到二维数据的坐标变换、隐藏线隐藏面消除、光照模型。2.5维图形无法表示三维物体的体特征。13（3）真三维数据的可视化90年代以来，三维物体的体特征的可视化研究成了热点。从发展看GIS可视化研究着重于技术层次上，如数据模型、图形图象显示、图形图象的实时动态处理等。必须指出，为提高GIS可视化的实用性，在GIS可视化研究中一直十分注意在地形图上显示地物要素，研究点、线、面要素在三维景观上的叠加算法。14二、虚拟现实（virtualreality)1、虚拟现实（VR）虚拟现实是一门涉及众多学科的新的实用技术，它集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体。在计算机技术中，它又特别依赖于计算机图形学、人工智能、网络技术、人机接口技术及计算机仿真技术。这些相关技术的发展带动了虚拟现实技术的进步。虚拟现实是空间信息可视化进一步发展的新方式，它使人们好像进入真实地理空间环境，并与之进行交互作用。15虚拟现实的三个特征VR具有三个最突出的特征，即交互性(Interactivity)、想象性(Imagination)和沉浸感(Immersion)，称三“I”特征。以此区分与其相邻技术，如多媒体技术、科学计算可视化技术。交互性指参与者用专门设备，能实现对模拟环境的考察与操作程度，例如用户可用手直接抓取模拟环境中的物体，且有接触感，有重量感，视场中被抓起的物体也应随着手的移动而移动。想象性是VR与设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的这极大地依赖于人类的想象力，。沉浸感即投入感，其目的是力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态，有身临其境的感觉，即所谓“沉浸感”。162）虚拟地理环境虚拟现实技术、网络环境和地学结合产生了虚拟地理环境。在虚拟地理环境中，可按个人的知识、意愿、假定设计分析模型，进行交互，使在网络环境下产生身临其境的感觉。在虚拟地理环境中，利用地学分析模型可以实现虚拟模拟，从而加速相关理论的发展。17在计算机环境下，可视化的中心问题是科学家能够快速生成一系列相同或相关信息的图像。计算机屏幕上显示的影像有助于信息处理，从而提高对二维或三维空间关系和空间问题的理解。目前，可视化技术成为信息爆炸时代人类分析和驾驭信息的有力工具。在可视化技术的基础上，发展了仿真技术（simulation,imitation)和虚拟技术。“虚拟现实”是仿真技术的一种特殊形式。186.2GIS中图形的输出一、GIS中图形的输出形式GIS中图形的输出用来表示地理实体的空间特性和属性特性。1）地图GIS中图形的输出的主要形式，是空间实体的符号化模型。2）图象GIS中图形的输出的另一种形式，它也是空间实体的一种模型，但不用符号化方式，而是采用人的直观视觉变量如色、灰度、模式表示空间实体的质量特性。通常将空间划分为规则的单元，并赋予视觉变量。3）统计图表统计图表用以表示非空间信息。统计图与地图综合使用，形成以统计符号表示的专题图。4）其它19二、GIS和计算机制图GIS的发展从计算机制图和地籍管理起步。至今，制图还是GIS的重要功能之一。计算机制图的发展孕育了GIS的诞生，而GIS的发展又促进了计算机制图的进一步发展。20三、GIS环境下空间数据的多尺度显示空间数据的多尺度显示是指将同一地区图，放在远近不同的地区观测，以便观察到该地区不同分辨率、不同对象的图形，即建立不同的数据模型。空间数据的多尺度显示方法：利用系列比例尺数据进行景观生成，以得到该地区从宏观到微观、从整体到局部的显示。将同一比例尺数据简化为几个层次数据显示。216.3地图的表示和地图符号从GIS发展看，GIS行业起步于计算机制图和地籍处理；从GIS的数据源看，地图既是GIS的输入数据又是GIS数据的主要输出形式；从GIS的功能看，制图是GIS的主要功能之一；从GIS的应用看，开始以制图形式广泛被应用，但随着空间数据库的发展，表现为空间数据可视化问题。可以说，计算机制图的发展孕育了GIS的诞生，而GIS的发展又进一步促使了计算机制图的进步。22一、地图的符号和地图符号系统地图的符号是地图的语言，是在地图上表达空间对象的图形记号，它通过尺寸、形状和颜色来表示事物空间的位置、形状、质量和数量特征，是表达地理现象与发展的基本手段。高质量的地图符号丰富了地图的内容、增加了地图的可读性。地图符号系统（在GIS中的地图符号库）是具有共性的、进行了分类分级和抽象的地图符号的集合。地图符号系统明显地反映了表达对象的层次关系。23GIS中都建立地图符号库。地图符号库是将地图符号以数据库的形式存到计算机中实现数据库管理功能，从而，实现符号信息的存储和查询。在地图符号库中的符号其结构统一，便于扩充和修改。1、GIS中的地图符号242、地图符号的分类1）按定位分类定位符号、说明符号。2）按符号代表事物分类点状符号、线状符号、面状符号。25点状符号点状符号是定位于几何上的点，点状符号图形通常较规则；图形位置固定（不随位置变化）；符号大小与地图比例尺无关，但有确定的定位点和方向。如居民点、矿区、气象站等。26线状符号线状符号是定位于几何上的线，符号沿某个方向延伸，宽度与地图比例尺无关，长度与地图比例尺相关，具有具有定位线；线状符号常可进一步分解成具有单一特征的线状符号。如河流、公路、航线等。27面状符号面状符号是定位于几何上的面，它具有封闭的轮角线；符号所表达的范围与地图比例尺相关；通常在封闭区内配置点状符号、阴影线或颜色。如森林、土地等。283、地图符号的参数符号类别形状尺寸方向点状符号Ê♀ÊÊÊ线状符号面状符号294、地图符号的图元地图的点状符号、线状符号和面状符号各自有自己的特点，又有共性。相同点是都有类似的绘图参数和操作方法；不同点是构成符号的基本图素不同。301）点状符号的图元主要包括点、直线、折线、样条曲线、圆弧、三角形、矩形、多边形、子图等。2）线状符号的图元主要包括实线、虚线、点虚线、双虚线、双实线、连续点符号、定位点符号、齿线符号等。313）面状符号的图元主要是指它的不同填充，包括阴影线填充、点符号填充、位图填充。阴影线填充用不同线型，用不同间距、不同倾斜角、不同的颜色组成图案。点符号填充用不同的布点形式、不同的旋转角度等组成图案。位图填充用位图长度、位图宽度、行间距、列间距、缩放系数、旋转角组成图案。325、矢量符号库及其应用使用矢量点状符号时，符号化软件读取空间数据库，并经过预处理模块处理后得到分类特征码数据及点符号空间定位数据。其过程主要包括中心化、旋转、缩放、和绘制等。使用矢量线状符号时，将线状符号图元沿线状要素的中轴串接，其中X轴与中轴重合，在线状地物的转弯处，图元同样弯曲。使用矢量面状符号时，将填充的图符，按要求的方向和行距间隔逐行填充。336、栅格符号库及其应用使用栅格点符号时，由平移产生，对有向的点符号，经旋转和平移变换输出。使用栅格线符号时，由于线状符号走向变化，不能对信息块作整个操作，而是将栅格阵元从左到右逐列取出，并按线的走向作旋转和平移变换输出使用栅格面符号时，先在区域内全部栅格点填实，然后，同栅格符号进行逻辑与，从而得到所要求的填充图案。34二、符号的色彩地图符号的色彩可帮助人们区分图形，从而减少符号的数量，加强地图要素的分级分类能力。通常一种符号用一种色彩来表示。351）RGB表示颜色RGB三基色定理白色（RGB）=（100，100，100）黑色（RGB）=（0，0，0）RGB组成的立方体是非线性的，即两种颜色相近的程度不能简单地用欧氏距离来表示黑白GRB黄362）HLS表示颜色HLS表示更反映人类的感知。H（Hue)色度，反映颜色的分类，如纯红、品红；L(Light)亮度，反映颜色黑的程度，如白色的亮度比黑色的亮度高。S(Saturation)饱和度，反映颜色的纯度，如纯红的饱和度比粉红的饱和度高。用HLS表示后，最后还是转成RGB显示。37三、地图的注记地图上的注记是地图上文字和数字的总称，用来表示事物名称、质量和数量的特性。1、注记的分类名称注记说明事物专有名称；说明注记补充图形符号的不足；数字注记说明事物的数量特征。38单点注记给定一个点，注记方向角为零的一串字符；双点注记给定两个点，注记方向角有两点位置确定；布点注记注记一串字符，每个字符对应一个点位和方向参考线注记沿一参考线自动布点注记。对地名的自动注记，工作量和难度比较大。2、注记的方式393、地图的汉字库地图的汉字库为地图提供不同字体、不同字形、不同尺寸、不同颜色、不同排列方式的汉字。1）栅格汉字库,也称点阵汉字库。2）矢量汉字库。在地图上放大过大时，会出现折。3）TrueType轮廓汉字库。TrueType字库的字型是一组用数学方法描述的，由直线和曲线描绘的字符图形。由它组成的高质量中西文轮廓汉字库最适合地图使用，它可以提供高质量的放大和旋转字、能跨平台地工作。目前都采用TrueType汉字库，这是一种特殊的矢量汉字库也称轮廓字库。406.