第六章_地理空间数据可视化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,信息可视化技术,南京邮电大学图像处理与图像通信江苏省重点实验室,地理空间数据可视化,主讲人： 刘天亮,liutl,TEL: 18901591258,南京邮电大学图像处理与图像通信江苏省重点实验室,地理空间数据,地理信息空间数据,与普通的空间数据都描述了一个对象在空间中的位置。主要分为两类：,描述,空间对象方位的空间信息,+,空间对象的属性数据,地理信息空间,特指,真实的人类生活的空间,，因此，信息的载体、对象映射到载体的方式都非常独特,移动设备和传感器的广泛使用，每时每刻都产生海量的地理信息空间数据,1507,地图，是根据一定的数学法则，将地球或其他星球的自然现象和社会现象通过概括和符号缩绘在平面上的图形。,基于位置信息的服务,团,800,：找附近团购的,APP,Foursquare,：发现附近熟人的,APP,谷歌地图上的加油站,提要,地图投影,点数据可视化,线形数据可视化,区域数据的可视化,基于地理信息的综合信息可视化,传统地图学,(Cartography),地图的主题,疆界，地形，河流,地图的映射,球面投影，圆锥投影，等距投影,地图细节的选择,简化，合并，强调,6.1,地图映射,地理信息空间数据可视化,的,最基本步骤,是,地图映射,地图映射,:,将地理信息数据中的,地理坐标,转换成,屏幕上的坐标,按照,曲面映射过程的,优化目标,区分，地图映射主要有以下三种类型：,等角度（正形投影）,：源曲面和目标曲面（即投影前后）的任何位置的局部切向和法向方向组成的,角度保持不变,等面积投影,：地图上任何图形面积经主比例尺放大以后与实地上相应图形,面积大小保持不变,等距离投影,：在标准经纬线上无长度变形，即投影后任何点到原点的,距离,(,或测地线距离,),保持不变。比如：方位投影、反方位投影,Radical Cartography,沿经度圈或纬度圈方向的距离，投影前后保持不变的一种任意投影,。,（如果任意方向距离不变，则整个地图就无变形，这是不可能的）,图中这类情形又被称为,方位角投影,。,等距离投影,等距离投影,方位角投影,（,Azimuthal Projection,） 属于,等距投影,的一种。,地图上任何一点沿着经度线到投影中原点的距离保持不变。,等方位角投影,等面积投影,余弦曲线等面积伪圆柱投影,：,简单快速、形状特别、局部性质非常好,等面积投影,2,、,Lambert,等面积方位角投影,假定球面与平面切于一点，按等积条件将经纬线投影于平面。,（下图中切点位于,0,N 180,E,，基里巴斯（临近赤道）附近）,等面积投影,2,、,Lambert,等面积圆柱投影,用一个与地轴方向一致的圆柱切割地球，并按等面积条件，,将地球的经纬网投影到圆柱面上。,等面积投影,2,、,Lambert,等面积圆柱投影,比起经纬度投影，高纬度段被“压扁”以实现等面积投影。,等面积投影,3,、,亚尔勃斯投影：,保持面积不变的正轴等面积割圆锥投影,。,其不具备等角度特性,等面积投影,将原始区域按照等面积条件投影至圆锥表面。,亚尔勃斯投影中经纬度(,)转换成屏幕坐标,(x,y)的数学公式,等面积投影,3,、,亚尔勃斯投影,被广泛使用在着重表现面积的国家或者地区图中。,它特别适用与东西跨度较大的中低纬度的地区，,因为这些区域的形变相对较小,等角度投影,1,、墨卡特投影：,一种,正轴等角圆柱投影,等角度投影,用一个与地轴方向一致的圆柱切割地球，并按等角度,条件，将地球的经纬网投影到圆柱面上。,将圆柱面展,为平面后，获得墨卡特投影后的地图。,墨卡托,投影中经纬度(,)转换成屏幕坐标(x,y)公式,：,极点,被投影至无穷远。,等角度投影,墨卡特投影：,墨卡特投影法生成的二维投影,在地球表面上相同面积的红色,圆点被投影到二维平面后，,面积差异显著。赤道上的圆点、,任然是保持原始面积。,离赤道越远的点变大越多。,等角度投影,火星的墨卡特投影,等角度投影,2,、,Lambert,圆锥等角,投影,用一个正圆锥切于或割于球面，应用等角条件将地球面,投影到圆锥面上，之后展开圆锥。,MacEachren,和,Ganter,的模型,MacEachren, Alan M., and John H. Ganter. A pattern identification approach to cartographic visualization.,Cartographica: The International Journal for Geographic Information and Geovisualization,27.2 (1990): 64-81.,阶段一,阶段二,6.1.2,常用可视化变量,：,地理数据图形语言,大小、形状、亮度、颜色、方向、间距、高度、布局,Bertin,（,1967,年）：,地点，大小，纹理密度,/,大小，颜色，色调，饱和度，方向，形状等,MacEachren,（,2001,年）：,时间位置，时长，顺序，变化率，频率，同步性等,地理空间数据,地理信息空间数据与普通的空间数据都描述了一个对象在空间中的位置,点，线，面，空间，时空,“Fundamentally different from other kinds of data since they are inherently spatially structured in two or three dimensions”,MacEachren and Kraak,6.2,点数据可视化,点数据,点数据描述的,对象,是,地理空间中离散的点,，,具有经度和纬度的坐标，但不具备大小尺寸,地图上的地标,附近的学校,最直接可视化点数据的方法,根据坐标直接标识在地图上，圆点是最常用的标识符号,其它标识符号：向量箭头、六边形蜂窝网格,点数据可视化方法,点地图,真实世界中的空间数据点的,分布通常不均匀,，其挑战：数据密集引起世界混淆，需采用,额外维度或交互技术,增加表达效果。,美国,2000,年的人口密度地图，密集处是城市,2.5D,香港地图,点数据可视化方法,像素地图,核心思想,：将重叠的点在满足三个预设条件下调整位置：,地图上的点不重叠；调整后的位置和原始数据位置尽可能接近；满足数据聚类的统计性质,。 其缺点：地图形状经常被改变,美国电话记录的,普通地图,和,像素地图,的对比,点数据可视化方法,生成,像素地图,的,两类方法：,全局优化算法,基于递归算法的近似优化方法,递归算法采用四分数的数据结构，以四分树的根结点代表整个数据集,每个枝节点代表部分数据。,运用递归的分割算法能提高效率。,百度地图上的通达学院附近的超市,时间+地理数据,美国报业的发展,http:/www.stanford.edu/group/ruralwest/cgi-bin/drupal/visualizations/us_newspapers,向量型点数据,纽约时报将,2010,年美国中期选举的结果和,2008,年的大选进行了比较,六边形（蜂窝）网格,美国沃尔玛商店位置的可视化, Stephen Few,世界社交媒体,芝加哥人口与种族,人口密度图,香港,伦敦,英国的交通事故可视化,6.3,线形数据的可视化,线数据,线数据通常指的,连接两个或更多地点的线段或者路径,线数据,长度属性,连接关系,6.3.1,网络地图,网络地图,：一种以,地图为定义域的网络结构,，网络线段表达数据,中的链接关系和特征。,线端点的经纬度决定线的位置,，其余空间,属性可映射为线的颜色、宽度、纹理、填充和标注等可视化参数。,和点地图类似，将网络地图方法,用于大型网络数据时,，将导致,稠密的线绘制和线段重叠,。减少线段之间的,互相遮挡方法,有：,构建网络地图的层次结构,三维网络地图,集成系统,美国天然气网络分布地图,Facebook,全球用户之间的好友关系,6.3.2,流量地图,流量地图,FlowMap,:,表达多个对象之间流量变化的地图,。流出对象和,流入对象之间通过类似于合理的曲线连接，曲线宽度代表流量的大小。,与普通的网络地图,的差异：,为了最小化曲线的交叉和曲线的数量，,采用边绑定的方法,，将,同一个流出对象到不同流入对象的曲线轨迹进行聚类,，并对曲线,进行适当的变形以获得光滑的流线。,本质：基于聚类和层次结构的地理信息简化方法,。,6.3.2,流量地图,FlowMap,美国加利福尼亚州向其他各州的移民,左图,:,直接用直线箭头连接加利福尼亚州和人口流入的州,右图,:,用,Flow Map,算法生成的,flowmap,动画,从直线到曲线,实际例子,1,西北航空（美国国内航线）,实际例子,2,美国人口移动数据,实际例子,2,颜色人口移动总量,6.4,区域数据可视化,6.4.1,等值线图,又称轮廓线图,:,通过等值线显示各区域连续性数据的分布特征,等值线图的,计算方法,等值线抽取,真实数据的采样,距离场计算,所属区域中心的距离,等值线示意图，上方的,填充方块数目编码了,值的大小,等值线图,某地区的等高线图,用,surfer,与,Arcgis,生成的等高线图, 按照,地理区域的属性值对各个区域进行适当的变形,，以此克服,Choropleth,地图对空间展示的不合理性。,可以看作是,等值区域地图的变种。,“Space as an indispensable graphic variable with a large influence on what the user of a map sees” MacEachren,6.4.3,比较统计地图,Cartogram,图,比较统计图的设计,的难点：,同时满足各区域形状或面积的约束，将涉及复杂的优化过程,。,通常，基于,各区域连续几何形变的比较统计地图,效果最好，算法也最复杂。,其,基本思想,是根据,指定参数缩放多个多边形，通过优化，最终满足形状和面积的约束,。,代表性的比较统计地图：,区域缩放算法,+,矩形地图算法,Cartogram,的区域缩放算法,输入,平面多边形网格和每个区域对应的数值,目标,使变形后每个网格多边形的面积和数值成正比,最小化形状误差和面积误差的空间优化问题,CartoDraw,方法,采样扫描线算法逐渐调整多边形的顶点位置，允许交互控制形变，最小化两个误差,D. A. Keim, S. C. North, and C. Panse. Medial-Axis-based Cartograms. IEEE Computer Graphics and Applications. 25(3), 2005:6068,www.worldmapper.org,矩形地图算法,简单的标准几何图形,，更容易判断区域面积大小,RecMap,识别问题,Heilmann R, Keim D A, Panse C, et al. Recmap: Rectangular map approximations. INFOVIS 2004.,矩形地图算法用,矩形面积,准确编码美国各州人口数目，,各矩形相对位置,放映了对应,州的方位关系,多元关系地图,为了显示地理空间不同位置上的区域属性直接的多元关系，可以采用,连线、集合,等方法表达。,城市的住宅区属于同一类物业,城市的绿地则属于公共区域。,气泡集,气泡集合（,bubbleset,）方法在不改变原始节点布局和地图可视化的前提下，使用隐式曲线对每一组集合关系生成一个连续光滑的闭包，并用不同的半透明颜色显示，形成五彩斑斓的气泡（可视隐喻）。,对美国纽约下曼哈顿地区配套设施的可视化结果。其中，橙色展示的是该区的酒店，棕色区域是地铁站，紫色区域包含了该区的所有诊所。,线集,6.5,基于地理位置的综合信息可视化,赛博物理系统,Cyber physical system, CPS,CPS,系统,:,通过各种各样的,传感器设备和移动互联网,采集,地理位置信息、区域性统计属性,以及每个地理位置处采集的,时变多维多源,的测量值等信息，利用,信息技术感知、分析和融合地理空间与社会空间,。,地理信息简化,多目标标识,多源时空地理信息可视化,课后作业,简述地理信息分类方法、地图投影的投影对象类型和地图投影方法。,描述地图投影技术的难点。,简述点形数据特点与可视化方法，并比较优缺点,简述线形数据特点与可视化方法，并比较优缺点,简述区域数据特点与可视化方法，并比较优缺点,三维地图可视化,三维可视化在地理数据中,两种使用方式：,崭新的应用,旅游线路规划,移动导航,移动广告,市政规划,交通模拟,三维可视化的用法,导航,三维可视化的用法,城市的规划,三维可视化的用法,城市的模拟,三维可视化的问题,和传统的地图思想相左,传统，抽象的描绘逼真，虚拟的环境,可能带来视觉干扰,和具体应用紧密相关,视觉遮挡，错觉,距离更难估计，遮挡隐藏物体,道路被建筑物严重遮挡,理想的结果,比较一下,给予道路更多的显示空间,周围的细节都保留（转弯，标志建筑物等）,