第八章空间数据输出及制图课件

第八章第八章 空间数据输出及制图空间数据输出及制图 8.1 概述概述8.2 GIS中图形的输出中图形的输出8.3 电子地图电子地图8.4 地图符号地图符号8.5 专题信息和专题图专题信息和专题图8.1 概述概述 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，其目的是便于人们理解现象，发现规些抽象的概念图形化的过程，其目的是便于人们理解现象，发现规律和传播知识。总之，可视化是律和传播知识。总之，可视化是对人脑印象构造过程的一种仿真，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。以支持用户的判断和理解。可视化的概念首先在可视化的概念首先在1987年有美国国家自然科学基金会员会图形年有美国国家自然科学基金会员会图形图象专题组提出了科学计算可视化（图象专题组提出了科学计算可视化（visualization in scientific computing)，它研究如何将科学计算过程中及计算结果所产生的数它研究如何将科学计算过程中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。据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。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理，从而提高对二维或三维空间关系和空间问题的理解。空间问题的理解。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。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。1、可视化（可视化（visualization)在在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。因此，从某种意义上说结果。因此，从某种意义上说GIS的可视化研究早于科学计算可视的可视化研究早于科学计算可视化的研究。化的研究。可视化技术包含交流和认知分析，它通常需要模型的支持。如对地可视化技术包含交流和认知分析，它通常需要模型的支持。如对地图的可视化形成了虚拟地图、动态地图、交互式地图、及超地图等图的可视化形成了虚拟地图、动态地图、交互式地图、及超地图等概念。概念。2 2、仿真技术、仿真技术（simulation,imitation)可视化的技术的基础上，发展了可视化的技术的基础上，发展了仿真技术和仿真技术和虚拟技术。虚拟技术。“虚拟现实虚拟现实”是仿真技术的一种特殊形式是仿真技术的一种特殊形式3、虚拟现实（、虚拟现实（virtual reality)虚虚拟拟现现实实（Virtual Reality,VR）是是一一门门涉涉及及众众多多学学科科的的新新的的实实用用技技术术，它它集集先先进进的的计计算算机机技技术术、传传感感与与测测量量技技术术、仿仿真真技技术术、微微电电子子技技术术于于一一体体。在在计计算算机机技技术术中中，它它又又特特别别依依赖赖于于计计算算机机图图形形学学、人人工工智智能能、网网络络技技术术、人人机机接接口口技技术术及及计计算算机机仿仿真真技技术术。这这些些相相关关技术的发展带动了虚拟现实技术的进步。技术的发展带动了虚拟现实技术的进步。VR具具有有三三个个最最突突出出的的特特征征，即即交交互互性性(Interactivity)、想想象象性性(Imagination)和和沉沉浸浸感感(Immersion)，称称三三“I”特特征征。以以此此区区分分相邻技术，如多媒体技术、科学计算可视化技术。相邻技术，如多媒体技术、科学计算可视化技术。交交互互性性指指参参与与者者用用专专门门设设备备，能能实实现现对对模模拟拟环环境境的的考考察察与与操操作作程程度度，例例如如用用户户可可用用手手直直接接抓抓取取模模拟拟环环境境中中的的物物体体，且且有有接接触触感感，有有重量感，视场中被抓起的物体也应随着手的移动而移动。重量感，视场中被抓起的物体也应随着手的移动而移动。想想象象性性是是VR与与设设计计者者并并行行操操作作，为为发发挥挥它它们们的的创创造造性性而而设设计计的的这这极大地依赖于人类的想象力，。极大地依赖于人类的想象力，。沉沉浸浸感感，即即投投入入感感，是是力力图图使使用用户户在在计计算算机机所所创创建建的的三三维维虚虚拟拟环环境境中中处处于于一一种种全全身身心心投投入入的的感感觉觉状状态态，有有身身临临其其境境的的感感觉觉，即即所所谓谓“沉浸感沉浸感”。8.2 GIS中图形的输出中图形的输出 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。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）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。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）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。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。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）统计图表统计图表用以表示非空间信息。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。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）其它 二、颜色模型和颜色空间二、颜色模型和颜色空间地图的表示用颜色、符号、注记等方法。地图的表示用颜色、符号、注记等方法。R1、颜色的表示方法颜色的表示方法 黄黄1）RGB表示，三基色定理表示，三基色定理白色（白色（R G B）=（100，100，100）黑色（黑色（R G B）=（0，0，0）R G B组成的立方体是非线性的，组成的立方体是非线性的，B即两种颜色相近的程度不能简单地用欧氏距离来表示即两种颜色相近的程度不能简单地用欧氏距离来表示2）HLS表示表示H（Hue)色度，反映颜色的分类，如纯红、品红；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。反映颜色的纯度，如纯红的饱和度比粉红的饱和度高。用用HLS表示后，最后还是转成表示后，最后还是转成RGB显示。显示。黑白三、三、GIS环境下空间数据的多尺度显示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。的数据模型。1）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）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。观、从整体到局部的显示。2）将同一比例尺数据简化为几个层次数据显示。）将同一比例尺数据简化为几个层次数据显示。四、四、GIS可视化研究的发展过程可视化研究的发展过程1、二维数据的可视化、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。计、图形输出打印等。2、2.5维图形的可视化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。其实质是研究三维到二维数据的坐标投影到二维屏幕上，显示之。其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。无法表示三维物体的体特征。变换、隐藏线隐藏面消除、光照模型。无法表示三维物体的体特征。3、真三维数据的可视化、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年代以来三维物体的体特征的可视化研究成了热点必须指出，为提高必须指出，为提高GIS可视化的实用性，在可视化的实用性，在GIS可视化研究中一直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观上的叠加算法8.3 电子地图电子地图 1、电子地图的概念、电子地图的概念电子地图的特点电子地图的特点1）交互性；）交互性；2）无级缩放性；）无级缩放性；3）无缝性；）无缝性；4）共享性；）共享性；5）具有基本的计算和统计能力；）具有基本的计算和统计能力；2、电子地图的发展、电子地图的发展1）第一阶段）第一阶段 80年代以前年代以前以以CAD技术为支撑，强调图的数字化；技术为支撑，强调图的数字化；2）第二阶段）第二阶段 80年代以后年代以后以以GIS技术为支撑，强调用数据管理存储；技术为支撑，强调用数据管理存储；3、电子地图的制作、电子地图的制作 数据收集数据收集数字化数字化属性化属性化图和属性的链接图和属性的链接电子地图电子地图质量控制质量控制资料更新资料更新4、电子地图的应用、电子地图的应用1）导航和智能运输系统（车载系统）导航和智能运输系统（车载系统）2）电子地图资料库电子地图资料库3）提供网络地图）提供网络地图随着信息社会的到来，将大量使用电子地图，电子地图生产已成为随着信息社会的到来，将大量使用电子地图，电子地图生产已成为一热门行业，因此，在国外已出现著名的电子地图供应商。一热门行业，因此，在国外已出现著名的电子地图供应商。5、电子地图的供应商、电子地图的供应商 随着信息社会的带来，在社会生活中将大量实用电子地图，因此随着信息社会的带来，在社会生活中将大量实用电子地图，因此其发展及为迅速，引起商家的重视，从而在国际上出现了电子地图其发展及为迅速，引起商家的重视，从而在国际上出现了电子地图生产开发商，如生产开发商，如美国的美国的ESRI公司；公司；DELORME公司；公司；欧洲的欧洲的FELSTRA公司等。公司等。国内国家测绘局在这方面作了大量工作。国内国家测绘局在这方面作了大量工作。8.4 地图的表示和地图符号地图的表示和地图符号一、地图的符号一、地图的符号地图的符号是地图的语言，它通过尺寸、形状和颜色来表示事物地图的符号是地图的语言，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。目前基本手段。目前GIS都建立地图符号库。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，实现符号信息的存储和查询。库管理功能，实现符号信息的存储和查询。地图符号库中的符号其结构统一，便于扩充和修改。地图符号库中的符号其结构统一，便于扩充和修改。1、地图的符号及分类、地图的符号及分类地图的符号可分解为点状符号、线状符号、面状符号三种基本图地图的符号可分解为点状符号、线状符号、面状符号三种基本图形元素。注记可看作一种特殊的符号。形元素。注记可看作一种特殊的符号。点状符号图形固定（不随位置变化）；有确定的定位点和方向；点状符号图形固定（不随位置变化）；有确定的定位点和方向；通常图形较规则。通常图形较规则。线状符号具有定位线，可进一步分解成具有单一特征的线状符号线状符号具有定位线，可进一步分解成具有单一特征的线状符号面状符号具有封闭的轮角线，通常在封闭的轮角线内配置点状符面状符号具有封闭的轮角线，通常在封闭的轮角线内配置点状符号、阴影线或颜色。号、阴影线或颜色。2、地图的注记、地图的注记1）注记的分类）注记的分类名称注记；名称注记；说明注记；说明注记；数字注记；数字注记；地图注记中对制图说明内容通常不存库，地图内容注记存库。地图注记中对制图说明内容通常不存库，地图内容注记存库。2）注记的方式）注记的方式单点注记单点注记 ；双点注记双点注记；布点注记布点注记 ；参考线注记；参考线注记；二、地图符号的图元二、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。共性。相同点是都有类似的绘图参数和操作方法；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。不同点是构成符号的基本图素不同。1）点状符号的图元主要包括点、直线、折线、样条曲线、圆弧、）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、位图等三角形、矩形、多边形、子图、位图等2）线状符号的图元主要包括实线、虚线、点虚线、双虚线、双）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、齿线符号等实线、连续点符号、定位点符号、齿线符号等3）面状符号的图元主要是指它的不同填充，包括阴影线填充、）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。点符号填充、位图填充。三、地图符号的绘制三、地图符号的绘制地图符号的绘制实质是将符号坐标系中图形元素特征点坐标（地图符号的绘制实质是将符号坐标系中图形元素特征点坐标（x,y)转换到转换到地图坐标系中的坐标，并按给定顺序连线的过程。地图坐标系中的坐标，并按给定顺序连线的过程。目前，地图符号的绘制通常有矢量法和栅格法绘制两种方法：目前，地图符号的绘制通常有矢量法和栅格法绘制两种方法：1、矢量法绘制、矢量法绘制1）编程法）编程法由绘图子程序按照符号图形参数绘制矢量图。通常一类地图符号或由绘图子程序按照符号图形参数绘制矢量图。通常一类地图符号或一个地图符号编成一个绘图子程序。这些子程序组成程序库。由于一个地图符号编成一个绘图子程序。这些子程序组成程序库。由于它不便于用户扩充用得愈来愈少。它不便于用户扩充用得愈来愈少。2）符号库法（也称信息块法）符号库法（也称信息块法）通过程序调用描述符号参数的符号库参数集信息块，完成符号的绘通过程序调用描述符号参数的符号库参数集信息块，完成符号的绘制。制。如在信息块中存放图形的几何参数，如图形的长、宽、方向、夹角、如在信息块中存放图形的几何参数，如图形的长、宽、方向、夹角、半径等。半径等。（1）点符号库）点符号库点符号的图元通常由点、直线、折线、曲线、圆、椭圆、弓形扇点符号的图元通常由点、直线、折线、曲线、圆、椭圆、弓形扇形及文字组成。形及文字组成。圆、两条直线圆、两条直线 旋转一角度旋转一角度点符号库的数据结构例点符号库的数据结构例 符号符号101 符号代码符号代码 符号定位点符号定位点 符号色彩符号色彩 符号大小符号大小 图元码图元码1 参数参数1 参数参数2.101 图元码图元码2 102 图元码图元码3 103 104 符号符号102 图元码图元码1 参数参数1 参数参数2.图元码图元码2 图元码图元码3 1（2）线符号库）线符号库线符号可分解成点符号图元，沿定位线线符号可分解成点符号图元，沿定位线进行配置。进行配置。（3）面符号库）面符号库面符号库的关键是在面域内用点、线符号进行填充。面符号库的关键是在面域内用点、线符号进行填充。求交、旋转求交、旋转2、栅格符号的绘制、栅格符号的绘制栅格符号的绘制比较简单。栅格符号的绘制比较简单。点符号首先用模板形象地表示各种点符号，调用时按定位、方向作点符号首先用模板形象地表示各种点符号，调用时按定位、方向作变换；变换；线符号除了点状符号的方法，还要注意线的走向，按图象处理方法线符号除了点状符号的方法，还要注意线的走向，按图象处理方法作出变换作出变换面符号首先将论廓内填面符号首先将论廓内填“实实”，之后将填充的区域图象块同栅格点，之后将填充的区域图象块同栅格点符号进行逻辑符号进行逻辑“与与”运算，从而在区域内形成面符号。运算，从而在区域内形成面符号。四、空间实体的符号化过程四、空间实体的符号化过程将地理空间信息转换成地图输出时，必需对空间实体配置符号。将地理空间信息转换成地图输出时，必需对空间实体配置符号。空间实体符号化的过程如下：空间实体符号化的过程如下：GIS系统系统地理地理数据库数据库符号库符号库输出地图输出地图符号化符号化 实体信息实体信息符号描述信息符号描述信息空间实体空间实体符号化模块符号化模块8.5 专题信息和专题图专题信息和专题图一、专题信息一、专题信息二、专题图的分类二、专题图的分类1、按学科分、按学科分专题图专题图2、按服务对象分、按服务对象分科学参考图；科学参考图；实用工程图；实用工程图；教学图；教学图；宣传普及图等。宣传普及图等。3、专题图的比例尺、专题图的比例尺自然专题图自然专题图经济专题图经济专题图人口图人口图行政区图行政区图工业图工业图交通运输图交通运输图农业图等农业图等地质图地质图地藐图地藐图土壤图土壤图气候图气候图植被图植被图海洋图等海洋图等三、专题图的表示专题图的表示1、点符号图、点符号图 用精确定位的点状地物来表示对象的分布。用精确定位的点状地物来表示对象的分布。2、线符号图、线符号图 用不同颜色和形状的线在地图上反映事物的现象用不同颜色和形状的线在地图上反映事物的现象3、等值线图、等值线图 将相同数量指标点连线组成的一组等值线表示地区特征，如等温图将相同数量指标点连线组成的一组等值线表示地区特征，如等温图4、质底图、质底图 用不同颜色表示联续分布的现象的质量特征。如植被图、土壤图用不同颜色表示联续分布的现象的质量特征。如植被图、土壤图5、范围图、范围图 用色、线条、符号、文字等手段表示现象的分布范围用色、线条、符号、文字等手段表示现象的分布范围 如某种稀有金属如某种稀有金属的分布。的分布。6、点描图、点描图 在制图现象的表示范围内，用大小相同的点群稀疏表示分布特征在制图现象的表示范围内，用大小相同的点群稀疏表示分布特征7、分级统计图和图表统计图、分级统计图和图表统计图 分级统计图法用相对值表示现象的分布分级统计图法用相对值表示现象的分布 四、四、GIS中专题图的制作中专题图的制作1、专题图功能、专题图功能在在GIS中都提供专题图制作功能。中都提供专题图制作功能。专题图制作过程实际上是对空间对象的属性数据进行符号表达。专题图制作过程实际上是对空间对象的属性数据进行符号表达。反映定性描述数据的专题图；反映定性描述数据的专题图；反映定量描述数据的专题图。反映定量描述数据的专题图。2、专题图的要素、专题图的要素 底图要素底图要素专题要素专题要素注记及图例配置注记及图例配置装饰装饰输出输出3、专题图的制作、专题图的制作 标识码标识码 植被植被 土壤土壤 人口人口 面积面积101 农农 4500102 牧草牧草 1244103 农农 8900104 林林 456105 牧草牧草 1098106 林林 680107 农农 10987108 牧草牧草 2000109 林林 200制作定性专题图制作定性专题图制作定量专题图制作定量专题图 制作过程中首先根据图层选择属性表和属性项，再确定制作的专制作过程中首先根据图层选择属性表和属性项，再确定制作的专题图类型。题图类型。五、三维数据的可视化五、三维数据的可视化目目前前，国国内内外外关关于于地地理理信信息息三三维维可可视视化化的的研研究究主主要要集集中中在在数数字字地地面面模模型型(DTM)DTM)、数数字字高高程程模模型型(DEM)DEM)及及城城区区景景观观可可视视化化的的研研究究上上。这这方方面面的的研研究究现现在在已已取取得得了了很很多多成成果果，诸诸如如用用数数学学形形态态学学、分分形形学学、小小波波变变换换等等新新兴兴理理论论和和方方法法对对三三维维建建模模和和数数据据结结构构的的改改进进和和优化；利用先进的计算机可视化技术优化；利用先进的计算机可视化技术(AutoCADAutoCAD、3D MAX3D MAX、OpenGLOpenGL等等)对对实实验验、实实用用数数据据进进行行可可视视化化实实现现地地球球形形状状及及外外部部重重力力场场一一直直是是大大地地测测量量学学研研究究的的核核心心问问题题，目目前前，已已经经有有大大量量的的地地球球重重力力场场数数据据(如如重重力力异异常常数数据据和和高高程程数数据据等等)需需要要进进行行三三维维可可视视化表达。化表达。