第8章 空间数据的可视化及制图

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,8.1,概述,8.2 GIS,中图形的输出,8.3,地图的表示和地图符号,8.4,专题信息和专题图,8.5,电子地图,第八章 空间数据可视化及制图,1,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,8.1,概述,2,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（,visualization in scientific computing),。,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。,1,、科学计算可视化,3,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。,2,、空间信息可视化,4,3,、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,。,5,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。,空间信息可视化特点,6,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。,4,、空间信息可视化的应用,7,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,5,、空间信息可视化产品类型,8,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,6,、空间信息可视化的方法,9,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。,7,、空间信息可视化的发展,10,2.5,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。,（,2,）,2.5,维图形的可视化,11,（,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。,12,(4),多维信息可视化,多维信息是指变量形式为,F=f(x1,x2,xn)(n,3),的数据，每个数据含有,3,个维度以上的信息。,多维信息的可视化大都是采用降维的方式来实现。,降维的过程可以是线性的，也可以是非线性的,。非线性的降维方法认为现实数据中的大部分点集的有效维比它的空间维小，也就是说一个高维数据中往往有些维度的信息是不明显的。有效维通常由样品数据的显著因子决定。,13,多维信息可视化技术的分类,1,）基于,2,变量的多维可视化技术,2,）基于多变量的显示技术,3,）动画技术,1,）基于,2,变量的多维可视化技术研究,（,1,）参考网格法,（,2,）拟合曲线法,14,从视觉原理讲，,一条,45,度或,-45,度方向,的线段是传达曲线线性特征的最好方法。,（,3,）条带法,15,用小的图标来表示所要表达的数据，根据表达数据的不同，改变图标的形状。常用的字形法有,星绘法,（,Star plots,）和,Chernoff,面法,（,Chernoff,Faces,）。,星绘法就是从一点向外绘制呈辐条状发散的形状，有多少维就有多少个辐条，辐条的长度表示变量的大小，当变量很多时，这种方法将显得无能为力,。,2,）基于多变量的多维可视化技术研究,字形法,16,星绘法表示多维信息,Chernoff,面法表示多维信息,17,即把多维信息投影到更小的子空间去进行绘制。比较著名的投影法有,Andrews,曲线法。这种方法将每一个多维数据通过一个周期函数映射到二维空间中的一条曲线上，这种方法能够表示的信息维数较多。,投影法,18,所谓平行坐标系就是将多维空间的轴定义为互相平行的垂直线。笛卡尔坐标系的一个点与平行坐标系中的一条复合线相对应。,平行坐标系法,19,这种方法的主要思想是保证多维信息中的一个或多个独立的变量为常量，每个常量与从多维信息中获取的无限薄且和常变量轴垂直的切片相对应，从而降低多维信息的维数 。,Worlds within Worlds,20,上面所述的各种方法均可用于显示具有时间信息的动态数据序列，但是与动画技术相比，这些方法显然具有明显的局限性。下面是两种经典的基于动画的多维信息可视化技术。,(1),漫游法,(2),梯度可视化动画模型,3,）基于动画的多维可视化技术研究,21,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。,二、虚拟现实（,virtual reality),1,、 虚拟现实（,VR,）,22,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”。,虚拟现实的三个特征,23,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。,2,、虚拟地理环境,24,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。,25,仿真技术,虚拟现实技术,增强现实技术,增强现实（,Augmented Reality,）,虚实结合,实时交互,三维注册,注册所要完成的任务是实时地检测出使用者头部的位置和视线方向，计算机根据这些信息确定所要添加的虚拟信息在投影平面中的映射位置，并将这些信息实时显示在显示屏的正确位置，达到与现实场景的融合。,26,8.2 GIS,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。,1,）地图,GIS,中图形输出的主要形式，是空间实体的符号化模型。,2,）图像,GIS,中图形输出的另一种形式，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彩、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。,一、,GIS,中图形的输出形式,27,3,）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,一、,GIS,中图形的输出形式,28,二、,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。,29,三、,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。,30,地图,/GIS,数据综合,1,：,2.5,万,1,：,10,万,1,：,25,万,随着比例尺缩小，保留重要地物，以概括的形式表达，去掉次要地物目标,地图综合是地图设计制作的核心环节，蕴含着创造性思维,，,是一定程度上的艺术加工行为。,31,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。,8.3,地图的表示和地图符号,32,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。,一、地图的符号和地图符号系统,33,GIS,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,34,1,）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。,2,、地图符号的分类,35,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。,点状符号,36,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。,37,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。,38,符号类别,形状,尺寸,方向,点状符号,线状符号,面状符号,3,、地图符号的参数,39,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。,4,、地图符号的图元,40,1,）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。,41,3,）面状符号的图元,主要是指它的不同填充，包括阴影线填充、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。,42,43,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。,5,、矢量符号库及其应用,44,三维符号库,45,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。,6,、栅格符号库及其应用,46,二、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。,47,白色（,R G B,）,=,（,255,，,255,，,255,）,黑色（,R G B,）,=,（,0,，,0,，,0,）,R G B,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,R,RGB,三基色定理,1 RGB,表示颜色,黑,白,G,B,黄,48,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。,2 HLS,表示颜色,49,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。,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。,三、地图的注记,1,、注记的分类,50,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。,2,、注记的方式,注,:,对地名的自动注记，工作量和难度比较大。,51,3,、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,）,True Type,轮廓汉字库,True Type,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,True Type,汉字库，这是一种特殊的矢量汉字库也称轮廓字库。,52,在,GIS,中专题信息,是相应的属性信息,。,专题图是专题信息图形化的结果，用来反映自然、社会、经济分布特性，它是强调某一特定要素或概念（专题信息）的地图。,专题图表示的内容通常是普通地图上没有的要素和现象。如人口、气候等。,随着,GIS,的飞速发展，及专题图在经济、文化、军事等领域的广泛应用，出现了以专题图制作为主要目的的卓面,GIS,。,8.4,专题信息和专题图,一、专题信息,53,GIS,管理的地物不仅有空间位置特征，还管理非空间属性数据。因此在显示地物对象空间位置的同时，可用特定方式显示某个或多个相关属性，生成专题图。,专题图是对于地物特征或者地理要素的特定的可视化表现，用户通过专题图可将数据图形化，使属性数据直观地在地图上体现出来。,二、专题图,54,专题图的表示方法,统计方法,非统计方法,相对数量级,绝对数量级,定性数据,定量数据,各类统计图,1,、专题图的表示,55,质底（独立值）专题图,用不同颜色表示连续分布的现象的质量特征。如植被图。,等级符号专题图,以大小不同的点符号表示专题特性。,范围值 专题图,用不同颜色或图式等手段，表示现象的分布等级范围。,点密度专题图,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。,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。,等值线专题图,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。,2,、专题图的主要表示形式,56,57,根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（可以是数值，也可以是字符串），任意一个不同的值都可以用不同的符号表示。基于该类型专题图能够进行与图层同样的操作。,1,）独立值专题图,专题图的主要形式,58,59,2,）范围值专题图,根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），根据一定的规则来划分一定数目的范围，每种范围用一种符号表示。范围的数目可由用户指定，表示要分多少个范围。,其中：,点专题图用渐变颜色或点符号大小来表现图层中各个不同范围的地物；,线专题图用渐变颜色或线符号宽度来表现图层中各个不同范围的地物；,面状专题图用渐变的填充符号来表现图层中各个不同范围的地物；,60,61,3,）点密度专题图,根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），用户指定一个点所代表的数量，计算得到每一个区域所需要分布的点的数。,点密度专题图,只基于多边形图层生成。,点密度专题图,只有一个图例项，即一个点代表多少量。,62,63,4,）等级符号专题图,根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），按运算法则（线性、平方根、,LOG,）,来计算字段的值相应的点符号的大小。最后以大小不同的点符号表示专题特性。,64,对点专题图是用不同大小的点符号显示在图层中各个地物点上；,对线专题图是用不同大小的点符号显示在地物线的某一个点上；,对面专题图是用不同大小的点符号显示在图层中各个地物多边形的中心。,基于该类型专题图，改变符号的位置，能够查看符号对应地物的属性数据，不能修改空间数据。,4,）等级符号专题图,65,66,5,）统计图类专题图,基于图层相关数据表（属性表或关联表）中的几个字段或者几个表达式（最终结果是数值），根据选择的统计图类型，在相应的空间位置上生成统计图。,统计图既要反映不同位置上量的差异，也要反映一个统计图内部不同项的量的差异。,其中：,点专题图在各个地物点上显示统计图；,线专题图在地物线的某一个点上显示统计图；,面专题图在各个地物多边形的中心显示统计图。,67,68,6,）等值线专题图,将相同数量指标点连线组成的一组等值线表示地区特征。,如等温线图、等高线图等。,69,制作专题图的过程是根据某个特定的专题对地图进行“渲染”的过程。它直接引用某个点、线和面图层的数据。如利用颜色深浅或者填充线的密度来表现不同行政区（例如不同省份）的人口密度、国民素质高低、经济发展水平等,;,用不同大小的饼状图或柱状图来表现城市人口规模以及人口构成比例等。,制作专题图可以是单变量专题图（如范围、独立值、点密度等），也可以是多变量专题图（如饼状图或柱状图等）,制作专题图的变量可以是字符变量，可以是数值变量、也可以是表达式。,三、专题图制作,70,1,、专题图类型选择,专题图是对空间对象属性数据实现符号化表示。,属性数据是定性符号数据时,常用质底法（独立值）专题图。如根据空间对象的特性在空间内填充相应的色、符号、或晕线等。,属性数据是定量数值数据时,进行符号表达，常用等级符号专题图、范围值专题图、点密度专题图及分级统计图和图表统计图等表示。这时，将属性值的大小转换为不同等级或直方图的高度进行描述。,71,2,、专题图的要素,底图要素,专题要素,注记及图例配置,装饰,输出,72,a,轮廓设计,b,图名,放置在图幅中央上方，字体大小式样合适。,c,比例尺,放置在图例下方；或放置在图廓外的中央下方；或放置在图廓内图名下方。,比例尺的表示可用文字或数字。如,1:10000;,比例尺可用单位长度划分或按实地公里数划分。,d,图例,图例简要表示图中符号内容、尺寸、色彩。,e,文字说明,放置在图例或图的空处。,3,、专题图的设计,73,标识码 植被 土壤 人口 面积,101,农,4500,102,牧草,1244,103,农,8900,104,林,456,105,牧草,1098,106,林,680,107,农,10987,108,牧草,2000,109,林,200,制作定性专题图,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，再确定制作的专题图类型。,图与属性字段,4,、专题图制作例,74,75,8.5,电子地图,80,年代中期，随着,GIS,技术的发展，可视化研究的深入，以侧重空间信息表示的电子地图应运而生。它是数字化的地图，存放在数字存储介质（如磁盘、光盘）上，用以将地理事物和现象的空间分布在地图上直观的显示。电子地图强调的是空间信息的表现和显示。,电子地图，是数字化了的地图，也称数字地图。它是地图数字化与,GIS,软件工具结合的产物。它以地图数据库为基础，将地图用数字形式存储在计算机外存储器上（如磁盘、光盘、磁带等），以便进行实时显示（或打印）和查询。,网络技术的发展为电子地图提供了广阔的天地，使它的应用范围日益宽广。,1,、电子地图的概念,76,2,、电子地图的特点,交互性,无级缩放性,无缝性,可在有限的屏幕上漫游、平移、不必对地图进行分幅；,共享性,易复制和传佈,具有基本的计算和统计能力,如面积、长度,77,1,）第一阶段,80,年代以前,以,CAD,技术为支撑，强调图的数字化；,2,）第二阶段,80,年代以后,以,GIS,技术为支撑，强调用数据管理存储；,总之，,80,年代以后随着数字化地图和,GIS,发展应用、可视化研究发展、技术应用的相互爱渗透，电子地图和桌面,GIS,的基本功能界线愈来愈小。,3,、电子地图的发展,78,资料更新,数据收集,数字化,属性化,图和属性的链接,电子地图,质量控制,4,、电子地图的制作,79,5,、电子地图的应用,1,）导航电子地图,使用的技术核心是 电子地图+,GPS +,通信；,2）,多媒体电子地图,3）,地形图,4,）遥感地图,5,）,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一热门行业，因此，在国外已出现著名的电子地图供应商。,80,6,、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,:,美国的,ESRI,公司、,DELORME,公司；,欧洲的,FELSTRA,公司等。,国内国家测绘局在这方面作了大量工作。,81,