GIS可视化及其产品输出.ppt

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 Taylor的现代地图学认知论 可视化三角形 MacEachren的空间表达论 可视化立方体 DiBiase的科学探索工具论 Kraak的探索论 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 1995 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 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 在电子地图设计中 为适应其动态性 交互探究性的超体结构的特点 这一变量体系要进行扩展 包括以下性的符号参量 1 时间 Time 反映符号闪烁的频率 移动的速率 显示时间的长短等 通过符号时间变量可反映地理现象的动态特性 探究其变化规律 2 交互操作 Interaction 反映用户对符号主动操作的程度 在面向对象的符号设计中 符号对象的操作与数据是封装的 操作包含对符号的放大 旋转 隐藏 视角变换等的规定 3 写实性 Realism 与抽象性相对应 描述符号与实际地物间的语义表达形象性特征 如植被类型用典型树种外形表示 增加符号的写实性特征 4 焦点 Focus MacEachren建议将焦点列为符号变量之一 其表现为符号的视觉中心 动态性符号的变化原点 如烟雾状动态扩展符号的中心 旋转符号的轴心等 2 多任务单图幅由单任务多图幅取代这是与传统纸质地图内容表达相比较而言的 过去 地图内容在纸面的展示是多层次图形的融合 是各种用户求内容的并集 尽量提高图面载负量 是地图设计人员的初衷 对于电子地图设计而言 为克服屏幕显示的局限性和信息查询地物标识的不明确性 同时为不同专门用户提供具有排他性的感兴趣的信息 内容结构采用单任务多幅图组织形式 任务的划分可以是地图的图形层面 可以是用户的分类 也可以是表示方法的不同 视具体情况而定 这种组织丝毫不破坏跨任务的内容间的对比 电子地图可以同时显示相关任务的多幅图 或者将基于同样参考系范围的任务叠加 前者是一种串行显示 后者则是一种并行显示 单任务多图幅组织方式更能满足读图用户的需要 3 制图与读图过程的融合电子地图具有的交互式探究特点要求地图设计时 充分考虑读图者所扮演的角色 针对用户的层次和兴趣 可设计为让用户读图时3 制图与读图过程的融合电子地图具有的交互式探究特点要求地图设计时 充分考虑读图者所扮演的角色 针对用户的层次和兴趣 可设计为让用户读图时 调配自己已喜爱的颜色 选择符号 布局图面 甚至于地图综合原则的改变 如地物选取的阀值 统计数据分级 背景层面筛选量 制图与读图融合的程度是一个值得研究的课题 一般针对普通用户 地图内容表示应预先制作固定 地图形式表达方面可以让用户参与 调配自已喜爱的颜色 选择符号 布局图面 甚至于地图综合原则的改变 如地物选取的阀值 统计数据分级 背景层面筛选量 制图与读图融合的程度是一个值得研究的课题 一般针对普通用户 地图内容表示应预先制作固定 地图形式表达方面可以让用户参与 7 3动态现象可视化 7 3 1动态地图概念电子地图在计算机技术支持下显示出其独特的优越性 与传统技术相比 对地理现象可视化表达在内容和形式上都有扩展 过去纸质地图只能展现地理现象的状态性信息 而电子地图还可以跟踪描述过程性信息 即动态特征 能形象地表示空间信息的时空变化状态和过程 可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点 动态地图是对实体世界运动变化现象的动态可视化表达 随着时间的延展 实体位置移动 形状改变 属性变化 这一过程通过地图表达出来便是动态地图 另一方面 实际空间的静态现象表达到地图后 在用户看来 并不一定是静止的 典型的例子便是在模拟飞行中 用户视点沿着航线获取地形地物的动感 在目前兴起的虚拟现实VR技术中得到广泛应用 由于用户视点的改变而获取的运动变化与时间无关 只是空间状态的变化 我们称作相对变化 从以上分析可知 动态地图涉及到时间 空间两方面的变化 仅仅把动态地图看作是地理实体时态特征的表现是不准确的 动态地图可定义为 基于读图角度 可以从中获取关于地理实体空间位置 属性特征运动变化的视觉感受的地图 动态地图的表达通常采用以下方法 1 利用传统的地图符号和颜色等表示方法 如运动线表示气流 行军等路线 2 采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示 即用闪烁 跳跃 色度 亮度变化等手段反映运动中物的矢量 数量 空间和时间变化特征 3 采用连续快照方法作多幅或一组地图 这是采用一系列状态对应的地图来表现时空变化的状态 4 结合计算机虚拟现实的技术 实现地图动画效果 面向动态变化现象可视化表达的动态电子地图是一种新型的可视化 它强调动态 在线 多维特征 它对正在发生的变化或已经发生的变化通过动画 动态符号 模拟飞行等形式可视化显示 以期揭示现象的时空演变规律 分析现象的时态特征 它具有广泛的应用领域 LBS系统 导航系统 环境监测系统 智能交通等 7 3 2动态地图符号传统的地图符号设计原则是基于Bertin视觉参量体系建立起来的 依据符号的七个视觉参量 大小 色相 方位 形状 位置 纹理及饱和度来设计描述地理实体不同方面的性质特征 为了表达动态特征 需要对地图符号的参量进行扩展 引入动态特征描述 定义四个动态参量 发生时长 变化速率 变化次序 节奏 1 发生时长 1 发生时长描述观察者从视觉上对符号感知到符号消失的时间长短 通常发生时长通过划分很小的时段单位来计算 与多媒体技术中的帧的概念相应 2 发生时长反映了事件在时间轴上延展 与现象在空间X Y或Z轴上的投影覆盖范围可建立映射关系 地图设计中 发生时长可用于表现动态现象的延续过程 发生时长的帧值越大 现象生成的时间和出现的时间就越长 3 如图7 7所示 图7 7动态符号发生时长 2 变化速率 1 变化速率是一个复合参量 需要借助于符号的其他参量来表述 描述符号的状态改变速度 2 符号的状态可以是前面定义的动态参量发生时长 可以是表态参量大小 方位 饱和度等 可以借助于一阶微分公式来表达 变化速率v dg s df 其中g s 为符号s的状态 f为帧 当g s 为发生时长时 变化速率描述符号 闪烁 的快慢 图7 8表述了符号不同参量的变化速率 变化速率的大小与运动过程的快慢相一致 变化速率可以是常量 加速度为零 可以是变量 加速度为非为零 加速度大小与运动过程的平稳与激烈性相应 基于变化着的现象对人的视觉感受有较强的吸引力的事实 符号的变化速率除了用以描述地理现象的运动过程外 还可用于静态现象的重要性描述和显式定位 闪烁速率大的符号描述发射功能强的电视塔 亮度变化率大的符号描述人口流动快的区域 天气预报中用动态符号描述城市的天气的变化情况 图7 8基于符号不同参量的变化速率 3 变化次序时间是有序的 可以类似于二维空间中的前后 邻接关系建立时间段之间的先后 相邻拓扑关系 符号的变化次序描述符号状态改变过程中各帧状态出现的顺序 依据时间分辨率 可以将连续变化状态离散化处理成各帧状态值 使其交替出现 符号的变化次序可以用于任意有序量的可视化表达 升序变化对应着特征的显著性增强 降序变化对应着特征的显著性减弱 符号色相依据灰 淡红 红 蓝的次序反映天气由阴变晴 反之反映天气由晴变阴 此外 气温在四季中冷 暖 热的交替也可用符号的某个参量的变化次序来体现 4 节奏符号的节奏描述符号周期性变化的特征 它是由发生时长 变化速率以及其他参量融合到一起而生成的复合参量 同时又表现独出独立的视觉意义 用于地理信息的时态特征及变化规律的描述 节奏与静态符号的纹理相对应 构成纹理的原子符号之间的间隔对应着发生时长 原子符号的排列顺序对应着变化次序 描述节奏的参量可以进一步细分为频率 周期 和振幅 符号的节奏变化可以用周期性函数表示并用周期性曲线显示 如图7 9所示 节奏的振幅对应着地理现象变化的峰值 频率则对应着变化速度 符号的节奏参量可用于描述周期性变化现象重复性特征 也可描述质量性质 节奏越快对应的地理实体越重要 等级越高等 图7 9动态符号大小变化 a1 和灰度变化 b2 节奏曲线 地理实体的时态特征和变化规律就可由符号动态参量体现出来 地理实体在空间中生存的时间由符号的发生时长表达 位置移动 属性变化的快慢由符号的变化速率表达 在实体与符号的时态映射关系上 与空间表现一样同样存在着制图综合问题 包括时态比例尺确定 时间分辨率选取 跨越比例尺时态变化的简化或夸大等 动态符号表现动态变化可以用于历史过程的再现 同步过程的实时跟踪监控及其他用途 7 3 3动态电子地图分类 1 根据变化的主体 动态地图可视化的内容可分为专题性质变化 排放污水环境质量超标 航标灯熄灭 通过各种专业传感器获取被监控目标的性质变化信息 由无线通讯传回到电子地图上表达空间位置移动变化 运钞车行进 洪水淹没面扩展 森林大火蔓延 热带气旋移动 通过GPS或航测遥感获取目标的位置或空间状态的变化信息 2 根据运行平台 电子地图系统可分为 多目标远程监控 表现为在室内大屏幕上实时监控一定区域范围内的多个目标的变化 如110报警台 航班运行控制中心 船舶搜救报警站 污水排放环境监测站等安装的电子地图系统当前目标实时监控 表现为移动目标中安装的对当前目标的变化状态实时监控的电子地图系统 如海船驾驶舱安装的电子海图导航系统 飞机上GPS定位显示系统等 3 根据动态电子地图的时态特性可分为 对正在发生变化的实时监控对已经发生变化的过程再现对将要发生变化的模拟推演 4 根据用户感知的变化内容的真实性 动态电子地图可分为实际变化的感知 是真实变化 在实体世界发生的变化映射到概念世界 地图或地理信息系统 后 其变化映象为用户世界感知 静态现象的模拟感知 是模拟变化 实体世界的静态现象映射到概念世界 通过相对改变概念世界与用户世界之间的视点位置关系 让观察者获得静态现象的 动态 感觉 典型的例子便是 模拟飞行 观察地物景观 7 3 4动态电子地图的设计1 地理背景底图设计动态电子地图在内容结构上表现为地理背景信息与动态变化主题信息的叠加 地理背景信息为预处理存储表达的电子地图内容 为后继动态变化现象的表达提供定位支持 通过定位背景的上下文关系表达解释现象发生的过程与原因 作为定位背景的底图层就需要具备较高的可调性 以适应不同监控目标的变化表达对定位背景的动态需要 需根据监控对象的性质特征实时导出相适应的地理底图 例如 服务于船舶导航的电子海图根据水深变化有 安全区 与 非安全区 之分 电子海图上该多边形区域的划分显然不是固定的 取决于船舶的吨位与吃水深度 同样的电子海图安装在不同船上后 根据当前船的有关参数在等深线模型上实时导出不同的 安全区 与 非安全区 作为导航的定位背景 更进一步的要根据航行当天的潮位数据对水深进行改正 进而计算出当天的 安全区 与 非安全区 图7 10根据不同船舶参数导出不同安全区表达的地理背景地图 用于船舶导航 其中 a 图的安全区为15M水深 b 图则为5M水深 图面浅色调区域表示安全区 2 动态符号设计由GPS 红外探测仪 专业性传感器获取的位置 性质变化信息并不是按专业化数据形式直接显示在地图上 而是经过抽样 分类 性质分析 概括综合后由地图符号表达 通过符号参量来传递动态变化的性质 幅度 趋势等特征 当排放污水环境质量超标 航行船舶即将撞上障碍物时 通过 警戒色 鸣笛镝 等可视化 可听化方式报警 而不是显示由监测器发回的一系列环境化学指标 曾讨论过发生时长 变化次序 变化速度和节奏四个动态参量 把它们分别用于变化现象的动态符号描述 这四个参量在变化表达的 度 上具有不同的功能 用动态符号来表现变化现象 首先依据时态综合原则 抽样规则等 在符号的动态参量与实际变化的特征之间建立映射关系 地理实体的时态特征和变化规律就可由符号动态参量体现出来 依据 过去 现在和将来 三种变化 与 发生时长 变化次序 变化速度和节奏 四种动态参量在度量刻画上的对应关系 监控目标在实体空间中生存的时间可由符号的发生时长表达 属性状态的交替改变可由符号的变化次序表达 位置移动 属性变化的快慢可由符号的变化速率表达 周期性变化现象 航标灯在风力 波浪作用下的位置晃动 则可由符号的变化节奏表达 节奏所蕴涵的 振幅 与 频率 分别刻画变化的 强弱 与 速率 用动态符号参量描述监控目标的变化特性时 与空间表达一样同样存在着制图综合问题 包括时态比例尺确定 时间分辨率选取 跨比例尺时态变化的简化或夸大等 对三种时态变化 历史过程的再现 同步过程的实时跟踪 将来过程的推演 动态符号的描述参量有不同的调节功效 4 时间比例尺设计实际发生时态现象在动态电子地图表达时也要通过一定比率关系1 T实施转换 从而产生时间比例尺的设计问题 与空间比例尺不同的是 时间比例尺分母T的取值有三种情形 1 T 1 长时间段完成的变化过程在短时间内再现或推演出来 例如 在海上航行了数月的船舶 在几秒钟内将其航行过程再现出来 在一定风力作用下未来12小时内森林大火的蔓延过程通过20秒钟模拟表达出来 2 T 1 实时跟踪表达正在发生的现象 主要用于导航系统中移动目标的监控 3 T 1 变化发生的时间太短 需要延时用 慢镜头 夸大表达 例如 山体滑坡在数秒钟内完成 为详细分析山体的变化过程 需要延长时间一帧一帧地展示该过程 时间比例尺的设计取决于时间分辨率的确定 在动态电子地图中存在两种时间分辨率 是变化过程数据采集分辨率d1 是可视化表达分辨率d2 这里分辨率di定义为时间轴上的 粒度 或 刻度 数据采集分辨率d1控制对连续变化离散化采集时的抽样过程 可视化表达分辨率d2控制再现变化过程的快慢 时间比例尺分母T d2 d1 例如 导航系统中每2秒钟记录一次GPS测得的位置 在回放时每0 1秒钟显示一记录点的位置 则时间比例尺为1 20 对变化现象的实时监控 两时间分辨率相等 因此时间比例尺分母为1 表现运动变化特征的动态地图 在时间分辨率和时间比例尺控制下 存在时间综合问题 主要包括 时间分辨率的重新划分以表现运动变化的详细过程或粗略概况 随着时间比例尺和时间分辨率的变化 对变化过程细节进行选取 对变化过程重新分级或分类 依据一定模型简化变化过程的轨迹 舍弃变化的细节 由空间比例尺的改变重新定义时态特征 如在实时跟踪汽车行驶的电子地图上 当地图的空间比例尺变大时 两点间的图面距离变大 时间分辨率也要提高 这样才能保证目标移动连续与实地同步 不出现突变 空间显示有图幅载幅量限制 在动态地图的变化中有机器运行时间资源占用的限制 5 交互式操作的设计动态地图的显著特点之一便是用户阅读时的交互式操作 下面区别四种显著的动态变化过程 1 变化模拟 模拟飞行 用户的控制权最大 通过用户视点的变化实现对监控目标的变化模拟 变化过程完全由用户来设计规划 不仅可控制显示状态 对运行轨迹 变化速度 变化次序也由用户选择确定 在模拟飞行中 用户视点变化的三维路线的选定 速度 加速度 方向调整都由用户完成 是这一应用的典型例子 2 过程推演 用户的控制权减小 在输入监控目标的状态参量 运动参量后 依据一定的运动模型 实现变化过程模拟推演 用户可设计多套候选参量 但不能控制由模型决定的运动轨迹 运动速度等 3 过程再现 用户的控制权进一步减小 交互式操作表现为改变时间分辨率控制变化过程再现的快慢 暂停运行过程观察某一个时间快照 在空间上变换观察视点 获取多角度三维景观等 选择某一时间段观察局部变化过程 图7 11 a 展示了过程再现的用户操作界面和参数设置 4 实时跟踪 用户交互式操作的自由度最小 用户的操作只能在显示状态上修改参量 不能控制实体或模型的运行 对于复杂运动过程的实时表达需占用机器较多的时间资源 要让用户设定合适的数据采集时间分辨率 得到连续的变化过程而又没有数据的冗余 此外 对实时跟踪的操作 还表现在监控信息的在线式处理 根据不同级别的报警讯号作出后继决策 在什么条件下报警 由用户实时定义 图7 11 b 表示了在船舶导航报警系统中 用户对报警条件控制的操作菜单 图7 11船舶航行过程再现的用户交互式操作界面 a 和用于航行安全报警的参量设置 b 7 4GIS输出GIS不仅是一个可操作的信息处理系统 同时可以输出多种形式的信息产品 GIS输出主要有 传统的纸质地图 集 以数字形式存贮的电子地图 集 以及统计表 文本 图表 数字模型等非地图形式的信息产品 如图7 12所示 7 4 1电子地图的输出电子地图通过数字化形式贮存在CD ROM等介质中 应用时 由读图系统的界面提供符号化图形 GIS空间数据库同时也是地图内容的数字化贮存 在功能上电子地图缺乏强的空间分析 辅助决策 更多的是一个信息查询系统 但电子地图的图形可视化视觉效果比GIS强 图形符号化整饰具有一定艺术化特色和美学效应 GIS输出电子地图的主要工作就是要在图形可视化方面再加工 达到图形精美表达 通过与其他图形处理系统接口弥补其不足 可以通过以下途径输出电子地图 GIS与电子制图系统接口 通过图形数据格式转化 将GIS数据转贮到专门电子制图系统作后继处理 转换中应注意不要丧失GIS数据的属性 结构关系描述信息 与桌面出版系统接口 在EPS文件基础上处理后直接纳入到电子地图系统 如ArcView中 DTP系统中对图形分层细化 使分层隐含属性信息 适用于简单的不需拓扑结构的属性信息建立 例如 点状居民地以级别分层 按不同层将DTP数据转贮到电子地图系统中 居民地级别属性一并输入 直接利用PS文件作几何数据 通过指针连接建立PS 文件到属性文件的对应关系 PS文件的图形是按实体目标划分的 且具有很强的描述复合目标功能 为电子地图直接利用PS文件提供了可能 这需要有较好的PS文件解释程序支持 同时PS文件数据组织时顾及电子地图要求 为与属性文件连接提供准备 7 4 2纸质地图 集 生产出版在GIS全数字化技术体系下 纸质地图生产从资料处理 内容设计 符号设计 地图整饰 到出版准备 软片制作都能基于电子技术实现 在这一流程中 地图不再以纸质图形和玻璃 软片基面的形式在地图设计室 编稿室 制版印刷车间传输 取而代之的是在计算机前将地图以数字形式一次性集成处理完成 这就是现代数字技术条件下的桌面出版 DesktopPublishing 简称DTP 系统 DTP系统也称电子排版系统 是利用电子计算机技术结合色度数 色彩学 图像处理等相关技术而开发的印前处理系统 是一个开放性强的设计制版系统 在全电子环境下完成自动分色 色彩校正 彩色挂网 页间排版 需要高分辨率扫描仪 高保真显示器 高精度影像记录仪等硬件设备支持 包括开放性强的交互式操作图形设计编辑系统 从而将人的创意设计智能性行为引入到系统的运作中 完成地图分色 制片前的有关设计工作 Macintosh下的Freehand PC 机下的Coreldraw Illustrator Pagemaker 以及图形图像处理系统Photoshop AutoCAD等 都可以直接作为地图DTP系统的处理软件 1 彩色地图电子出版系统的结构彩色桌面出版系统简称为CDTP 它们系统的硬件部分包括地图数据输入设备 主机 彩样输出设备 图形数据存贮设备 激光照排机等 软件部分包括图形编辑软件 图像处理软件 设色软件 光栅图像转化RIP系统等 系统结构及数据流程表述如图7 13所示 图7 13彩色地图桌面出版系统结构 2 基于DTP系统的地图生产DTP系统将各种来源各种形式的信息资料在DTP系统中集成 包括矢量图形 图像 统计表格 ASCII 文本等 经加工RIP 光栅图像处理 后 进行分色软片输出 晒PS版上印刷机印刷 整个过程是一个人机协同的作业方式 DTP系统为设计人员提供交互式的电子作业环境和作业工具 这种集成化作业包含了地图生产的多个环节 不象传统技术方式那样编绘 清绘 分色 照像 制版诸多工艺由不同人员在不同工序下完成 图7 14DTP系统地图出版生产的工艺过程 DTP系统下生产地图作业步骤主要有 1 数据录入 地理底图通过数字化生成矢量图形 作者原图或有关的资料图扫描进入计算机后 为屏幕矢量化跟踪作准备 通过GIS的检索功能 提取空间数据库中相关的地理信息 一般的桌面出版系统图形软件不具备地图数字化功能 可通过诸如AutoCAD Arc Info与地图有关的软件进行采集 GIS的空间数据库是以大地坐标或者经纬度为存贮单位 无比例尺概念 在向DTP纸张座标系数据检索输出时 要作坐标变换 要考虑地图投影 2 地图内容选取与设计 尽管自动化的地图综合系统还不能在生产中应用 但在电子作业环境下可通过多种途径的交互式选取工具操作图形 应用标识器及几何作图 样条光滑 裁剪等工具对图形作简化 移位 夸大处理 利用DTP图形系统的电子表格处理功能自动生成统计图表 其他关于地图形式方面的设计有 色彩调配 地图符号设计 字体选择等 3 出版准备 包括图形要素分层 扫描地图线划作Bezier曲线跟踪 点 线 面符号的配赋 分层图形的叠印套印关系设定 面积普染色与范围边界线半线宽重叠度处理等 4 图廊整饰与组版 包括地图开本幅面设计 图面层次深度对图形要素分层排序 地理底面与专题要素的定位匹配 主图 附图 统计图表 图例 注记等通过缩放 旋转 镜像等进行图面布局 5 分色软片输出 包括专色版线划的分解 激光照排系统标准接口数据EPS PS 文件的转化生成 光栅图像处理RIP 分色软片CMYK及专色片的冲洗晒片 3 DTP系统地图集出版生产的同一协调原则在DTP系统下完成地图集的生产出版 需要顾及地图集统一协调原则 1 建立统一的电子作业环境 在地图集进入计算机系统作业之前 应根据地图特点和设计要求 选定统一的初始化环境参量和一致的图形生成工具 包括 选定统一的调色方式 从系统提供的RGB加色法 CMYK减色法 凡塞尔法等调色方式中选定一种 并在整个调色作业过程中保持不变 通过实验确定图形描述有关参量 包括 Bezier曲线分辨率 单线河图形渐变的速率 混和色过渡变化的级数 最细线划宽度 顾及印刷工艺可实现性 等 选定统一的注记字体 目前国内的汉字库很多 同样的字体在不同厂家的字库中有一定形式结构上的差别 应认定一种字库 图形尺寸单位 厘米 英寸 点 字号等 的统一选定 注记定位方式 字间距 段落排版方式统一设定 一般大型地图集的生产 由数十名作业员在多台终端上并行作业 应保持软件系统的设置一致 尤其是基于微机的单机用户 2 地理底图的统一设计制作 地理底图的统一是地图集一致性的重要体现 同一地区不同比例尺地理底图制定统一的图形分层原则 地物选取 图形简化 冲突关系处理等综合原则保持一致 在DTP环境下 可按从大比例尺向小比例尺逐步缩小生成底图 由于注记字大 半依或不依比例尺图形符号不是按图形缩放作同比例变化的 应保存非符号化图形 地物骨架 和符号化图形两个版本 在地物骨架图形上作比例尺变化匹配后 进行符号化整饰 地理底图作为专题信息定位参考系背景 通常由专色版分色片决定其成品图颜色 其色相在上印刷机前调配选定 在DTP设计可暂不考虑颜色 底图的数据来源可能是不同比例尺 不同分辨率 不同形式的空间数据库输出结果的汇合 集成化处理中包含了检索过滤 大地坐标向纸张版面坐标的转化 比例尺匹配等过程 3 跨图幅多任务集成比较 DTP作业环境下的图形多窗口操作工具是图幅比较的有力手段 纵向上可将各种专题内容叠置比较去发现地理现象的不一致性 如将植被图与土壤图叠置后从而发现植被分布规律 并识别出地理边界的不一致错误 横向上将相邻图幅拼接到一起 在屏幕窗口中进行接边处理 从而保证地图集在内容选取 图形表达方面的一致性 第7章结束