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1、第八章 地理信息系统产品的输出设计,第一节 地理信息系统产品的输出形式,GIS产品是指经空间数据处理与空间分析长产生的可以供专业人员或决策人员使用的各种地图、图表、图像、数据报表或文字说明等。 GIS的输出内容主要包括空间数据和属性数据两部分。 按照不同的表示，地理信息系统产品的输出形式有多种。按其载体形式，可分为常规地图和数字地图；按输出的内容形式，可分为全要素地形图、各类专题地图、遥感影像地图和统计图表、数据报表等。,1.常规地图 常规地图通常是印刷在纸张、塑料薄膜等材质载体上的地图，是地理信息系统产品的重要输出形式。它主要是以线划、颜色、符号和注记等表示地形地物。,一、按输出的载体类型分
2、类：,2.数字地图 地理信息系统的完善和发展，改变了人们对传统地图的认识以及地图的生产工艺，同时也出现了一种崭新的地图形式数字地图。数字地图的核心是以数字形式来记录和存储地图。与常规地图相比，数字地图有以下几个优点： 数字地图的存储介质是计算机磁盘、磁带等，与纸张相比，其信息存储量大、体积小，易携带。,数字地图是以计算机可以识别的数字代码系统反映各类地理特征，可以在计算机软件的支持下借助高分辨率的显示器实现地图的显示。 数字地图便于与遥感信息和地理信息系统相结合，实现地图的快速更新，同时也便于多层次信息的复合分析。 在数字地图的基础上提出了数字地球的概念，数字地球是一种能像如海量数据的多分辨率
3、的真实地球的三维描述。由此可看出，数字地球的核心思想有两点：一是用数字化手段统一处理地球问题；二是最大限度地利用信息资源。可以说，用数字形式表达得真实地球的图形，即数字地图无疑将成为数字地球的基础。,二、按输出的内容和形式分类,1.全要素地形图 全要素地形图的内容包括水系、地貌、植被、居民地、交通、境界、独立地物等地理要素，采用统一的坐标系统、统一的地图投影和分幅编号，统一的比例尺系统，统一的编制规范和图式符号，属于国家基本比例尺地形图。,2.各类专题图 专题图是突出表示一种或几种自然或社会经济现象的地图。它主要由地理基础和专题内容两部分组成。从专题图内容或要素的现实特征来看，一般包括空间分布
4、、时间变异以及数量、质量特征三个方面。专题图按照空间分布的点状、线状和面状分布大致有以下的一些表示方法：定点符号法、线状符号法、质别底色法、等值线法、定位图标法、范围法、点值法、分级比值法、分区图标法和动线法等。,3. 遥感影像地图 遥感可以提供及时、准确、综合和大范围的各种资源与环境数据，成为地理信息系统重要数据源之一。同时，在将遥感图像进行纠正的基础上，按照一定的数学法则，运用特定的地图符号，结合表示地面特征的地图，可以将遥感图像编织成遥感影像地图。 遥感影像地图具有遥感图像和地形图的双重优点。既包含了遥感图像的丰富信息内容，又保证了地形图的整饰和几何精度。遥感影像地图按其内容又可分为普通
5、影像地图和专题影像地图，两者的主要区别在于：前者表示包括等高线等地形内容要素，后者主要反映专题内容。,4. 统计图表与数据报表 在地理信息系统中，属性数据大约占数据量的80%左右。它们是以关系（表）的形式存在的，反映了地理对象的特征、性质等属性。属性数据的表示方法，可以采用前面所列的专题图的形式，同时还可以直接用统计图表和数据报表的形式加以直观表示。,第二节 地理信息系统 图形输出系统设计,地图的图形输出是地理信息系统产品的主要表现形式。因此，地理信息系统的图形输出设计直接关系到地理信息系统产品输出的质量。,1.图形坐标系与颜色模型 1.1图形坐标系统 1.1.1地球表面的世界坐标系与大地坐标
6、系 世界坐标系（world coordinates，简称WC），有时也称为用户坐标系。一般由用户自己选定，与机器设备无关。图形入库时所依据的就是这种坐标系。由于图形输出是面向用户的，也称为用户坐标系。用户坐标空间一般为实数域，理论上是连续的、无限的。,大地坐标系（geodetic coordinates）是地理坐标系的一种。大地原点是大地坐标的起算点，一般由国家或地区选定。1980年在陕西省泾阳县永乐镇设立新的大地原点，根据该点推得的坐标，定名为“1980年大地坐标”。,1.1.2输出设备的物理坐标系与逻辑坐标系 在设计、描述图形对象时，用户使用的时对象所在的世界坐标系（用户坐标系）。在输出时
7、，往往使用于设备物理参数有关的设备坐标系（device coordinates，简称DC）。设备坐标系时物理设备的输入/输出（I/O）空间。因此，设备坐标又称为物理坐标系。,在世界坐标系（WC）和设备坐标系（DC）之间定义了一个与设备无关的规范化设备坐标系（normalized device coordinates，简称NDC）。这种坐标系的每一维坐标的取值范围可以为0，1，也可以是0到65535之间的整数。为了与物理坐标系相区别，这种坐标系又可称为逻辑坐标系。,1.2颜色模型与颜色空间 颜色模型就是对一个三维颜色坐标系统的一种规定，也是这一坐标系统中的一个三维子空间。颜色模型有多种，如用于彩
8、色监视器的RGB模型；用以彩色印刷设备的CMYK模型。这里主要介绍常用的RGB模型和CMYK模型。 1.2.1RGB颜色模型 红（R）、绿（G）、蓝（B）颜色模型是计算机图形学中使用较多的RGB加色系统。三种原色是叠加性的，即把每一原色单独的贡献在一起，从而形成一种混合色。,添加原色R、G、B，是混合色与样本色匹配的配色过程可用数学公式表示为: C = rR + gG + bB 式中：C为样本式： r，g，b为C的匹配系数。,对于彩色监视器，规定产生最大亮度的的白色的匹配系数均为1，因此颜色显示其所能产生的颜色的匹配系数r，g，b满足： 0r 1，0 g 1，0 b 1,1.2.2CMYK颜色
9、模型 青色（C）、洋红（M）、黄色（Y）分别是红色、绿色和蓝色的原色加上黑色（Key）构成的颜色模型。CMYK颜色模型中的三种颜色是通过从白光中消除或减去某种颜色来规定的，如青色是从白光中间去红色得到的，品红是从白光中间去绿色得到的，黄色是从白光中间去蓝色得到的。,青色、品红和黄色又成为颜料的三原色。对那些将彩色颜料沉积到纸上的硬拷贝设备来说，CMYK模型非常重要。,CMYK颜色模型和RGB颜色模型的关系可通过下式表示：,1.3GIS图形数据结构与数据库 1.3.1二维矢量图形结构 根据空间要素种类的不同，地理信息系统中二维矢量图形结构可有不同的表达方式。,点状要素由一个表示其几何位置的坐标对
10、（X，Y）表达。 线状要素则由一组标串（X1，Y1），（X2，Y2），（Xn，Yn）表示。 面状要素则有一个首尾相连的坐标串（X1，Y1），（X2，Y2），（Xn，Yn），（X1，Y1）或多个坐标串表示。 符号和文字的位置可由几何中心的坐标表示。,1.3.2栅格图像数据结构 栅格数据是空间数据的表示方法之一，任何一面状分布的对象都可以用栅格数据逼近。栅格数据的每个元素可以用行和列唯一地标识，而行和列的数目则取决于栅格的分辨率和实体的特征。一个使用的数据处理系统，必须使组织的栅格数据符合一下基本要求： 有效地逼近分析对象的分布特征 最大限度地压缩存储的数据量 数据提取和分析的逻辑单位为数据串 栅
11、格数据易于表示面状要素，特别是地图数据与图像数据的混合处理和应用，已成为当前地理信息系统发展的主要趋势。,2.输出的几何变换 在地理信息系统的输出过程中，如何实现从用户坐标系到荧屏坐标系的变换，这就涉及到几何变换问题。在此问题给出二维图形和三维图形的主要变换类型及其变换矩阵，以及我国常用地图投影的正反解变换公式。 2.1二维图形变换 二维图形的变换主要包括比例、旋转、镜像、观察变换等。,2.1.1 平移变换 x*=x+dx y*=y+dy 其中，dx、dy分别为x, y方向平移量，相应的向量形式为： x*, y*=x, y+dx, dy,2.1.3 旋转变换 将点(x, y)旋转角 x=A.c
12、os, y=A.sin x*=A.cos(+ ) =A.(cos.cos -sin.sin) =x.con -y.sin y*=A.sin( + ) =A(sin.con +con.sin) =x.sin +y.con 矩阵为： x*, y*=x, y. con sin,-sin con,2.1.4镜像变换 镜像变换就是将平面上的二维图形绕一直线ax+by+c=0做对称变换。 镜像变换用矩阵运算表示为：,2.1.5观察变换 观察变换就是把用户坐标系中指定窗口内的图形映射到荧屏上的视图区的过程。 二维观察变换用矩阵运算表示为：,2.2地图投影变换 地图投影：就是建立平面上的点（用平面直角坐标系或
13、极坐标表示）和地球表面上的点（用纬度和经度表示）之间的函数关系。用数字式表达这种关系，就是： x = f1(,) x = f2(,) 地图投影变换就是从一种地图投影变换为另一种地图投影。其实质是建立两平面场之间及邻域双向连续点的一一对应的关系。,2.3.1地图投影类型 按照经纬形状来分类 地图投影分类表,按照变形特征来分类 地图投影分类表,2.3.2常用投影的正反解计算 在地理信息系统中，常需要将一种地图投影的坐标变换为另一种地图投影的坐标。,解析变换法 数值变换法 数值解析变换法 解析方法分为两种情况，即反解和正解。当需要将原图的直角坐标反算到地理坐标时，最常用的就是反解方法。而把地理坐标代
14、入新图投影的公式，求得新图投影的直角坐标，即为正解。 正反解计算公式p232233,3.地形图与专题图的输出组织形式 3.1透明图层与影像图层 计算机中的地图通常以图层进行组织，每一图层包含地图的一个不同部分。地图中的各种要素，如境界线、交通线、居民地等等，常放在不同图层中。图层是透明的，各图层叠加在一起构成完整的一幅地图。 遥感影像也可以作为图层进行组织。同一幅地图的遥感影像经图像配准后，可以与矢量图层进行叠合。,3.2专题图的符号系统 专题图的符号位置取决于实体位置，形状取决于实体的质量或数量特征。专题图的符号可以分为点位符号、线状符号和面状符号。 3.2.1点位符号 点位符号包括简单符号
15、、结构符号、扩展符号和统计符号，根据制作方式又分为形象符号和规则符号。象形符号采用连接散点或信息块的方法。规则图形符号通常可以通过折线和圆弧连接而成，这些折线和圆弧可以用解析几何的数学规则计算出参数。,3.2.2线状符号 铁路、公路、界线、堤坝等线状地物都采用线状符号表示，其特点是在两个点间除了趋势性的各种线划外，中间还有其他一些符号，这些线状符号可以用一组数学表达式来描述。,3.2.3面状符号 面状符号一般由晕线、简单图形或象形图形作为填充符号，在制图区域的多边形内按一定方式配置组合而成。其中，晕线是面状符号的主要形式之一，因为由晕线组成的面状符号可以由不同方向、密度、强度和结构的晕线构成丰
16、富多彩的图形，对于表示制图物体或现象的类别和数量特征具有很强的表现力。,第三节 地理信息系统 的可视化与虚拟现实,纸质地图是地理信息系统的一种重要输出形式。毫无疑问，它是可视化的产品。但是随着计算机技术，尤其是计算机图形学技术和图像处理技术的发展，一种动态的、交互式的地理信息系统可视化产品正在引起越来越多的关注，成为地理信息系统研究领域的热点之一。虚拟现实技术是实现地理信息系统可视化的关键所在。,1.三维空间图形模型 模型是用来表示实际的或抽象的物体和现象。现实世界中的地理实体可以用形象的、直观的三维空间图形的模型加以表达。地理实体的模型就其复杂程度而言，可分为三类：线框模型、面模型和实体模型。 1.1线框模型与面模型 线框模型是一种最简单的几何模型，主要使用直线、折线、曲线等物体的棱边来表示其形体特征。线框模型表示中有顶点信息和边的信息。这些边可能是所有顶点中每二点间的连线，也可能是这些连线中的一部分。,面模型是在线框模型的基础上增加了有关面与边的拓扑信息而得，主要是用多
