第10讲 空间数据的可视化及制图

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虚拟现实的三个特征
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。 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”
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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研究 参考网格法 拟合曲线法
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条带法 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。
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2）基于多变量的多维可视化技术研究 字形法
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）：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
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10.2 GIS中图形的输出
一、GIS中图形的输出形式 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。
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3、空间信息可视化的特点

更强调数字化和符号化的概念
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 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
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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。
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一、GIS中图形的输出形式 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
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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。
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点状符号 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
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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。
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2、虚拟地理环境 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。
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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。
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(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。
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（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 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
•Chernoff面法（Chernoff Faces）。
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星绘法表示多 投影法 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。
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1、 GIS中的地图符号 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，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。
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2、地图符号的分类 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。
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平行坐标系法 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。
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Worlds within Worlds 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 。
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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。
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3、地图符号的参数
符号类别 点状符号 形状 Ê ♀
Ê
尺寸
Ê
方向
Ê
线状符号
面状符号
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4、地图符号的图元 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元不同。
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4、空间信息可视化的应用

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。
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5、空间信息可视化产品类型

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
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一、地图的符号和地图符号系统
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。
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2、空间信息可视化
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。 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。
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1、科学计算可视化
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) 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
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3）基于动画的多维可视化技术研究
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
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二、虚拟现实（virtual reality)
1、 虚拟现实（VR） 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。 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。
第十讲
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
空间数据可视化及制图
概述 GIS中图形的输出 地图的表示和地图符号 专题信息和专题图 电子地图
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10.1
概述
一、 可视化（visualization)概述
可视化
定义：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 目的：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
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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。
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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。
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6、空间信息可视化的方法

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
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7、空间信息可视化的发展
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 （2） 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
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增强现实（Augmented Reality）
仿真技术 虚拟现实技术增强现实技术 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。
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—— 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。
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10.3 地图的表示和地图符号
从GIS发展看，GIS行业起步于计算机制图和地籍处理； GIS 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。