空间数据的可视化及制图

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1、1,8.1 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,2,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,3,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 sci

2、entific 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,4,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,5,3、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

3、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。,6,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,7,空间位置的表示，如表达空间物体

4、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,8,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,9,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,10,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

5、等。,7、空间信息可视化的发展,11,2.5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,12,（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

6、叠加算法。,13,(4)多维信息可视化,多维信息是指变量形式为F=f(x1,x2,xn)(n3)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。,14,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,15,从视觉原理讲，一条45度或-45度方向

7、的线段是传达曲线线性特征的最好方法。,（3）条带法,16,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,17,星绘法表示多维信息,Chernoff面法表示多维信息,18,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

8、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,19,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,20,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,21,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

9、画模型,3）基于动画的多维可视化技术研究,22,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）,23,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)

10、，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,24,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

11、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,25,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。,26,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

12、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。,27,8.2 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,28,3）统计

13、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,29,二、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。,30,三、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

14、比例尺数据简化为几个层次数据显示。,31, 地图/GIS数据综合,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。,32,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

15、地图符号,33,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,34,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,35,1）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,36,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,37,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。,