（地图学与地理信息系统专业论文）专题地图可视化符号自动生成的研究.pdf

摘要 随着计算机制图、遥感制图、全球定位系统和地理信息系统的迅速发展，地 图钓信息源和信息获取的手段、存储和检索方法、分析加工制图方法、最终可视 化产品的形式等四个方面都发生了根本性变革。这表明，在信息时代，地图与遥 感、地理信息系统将相辅相成、共同发展，而地图可视化将是地图与遥感、地理 信息系统之间的桥梁。 随着g i s 应用的不断深入，在专题地图的制作过程中，用户经常要选择各种 地图符号来满足专题地图的需要，g i s 常用软件( m a p i n f o 、a r c i n f o 、m a p o i s 、 a r c v i e w 等) 采用符号预置库的方式提供给用户各种地图符号，但这种方式存在明 显不足，一是符号选择不方便，由于预置库中的符号没有提供有效的检索手段， 即各种符号并没有和地理信息产生必要的联系，使得用户需要反复的选择试用， 直到满足专题地图的需要；二是由于专题地图反映信息量大而且变化多，预置库 中的符号往往不能满足专题地图的需要，这就需要用户自己来创作专题地图符号。 而对于一般用户来讲，用绘图软件来绘制满足需要的专题地图符号并不是很容易， 本文作者试图把专题地图符号的特征和符号创作结合起来，采用可视化编程的方 法，提供给用户一种创作专题地图的新思路和方法。 本文在吸取了现代地图学、计算机科学、计算机图形学、测绘学等众多领域 大量先进理论成果的基础上，完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 总结了采用g i s 软件制作专题地图的过程以及专题地图符号选择的方法， 分析了在地图可视化过程中地理信息的类型、特点及表示方法，科学计算可视化 及其在g i s 中的应用，地理信息可视化的实现形式与实现工具，视觉感受理论在地 理信息可视化中的应用，色彩学原理在地理信息可视化中的应用。 ( 2 ) 结合计算机图形学的有关原理，阐明地图中三维地形可视化的基本理论 和方法，包括三维地形可视化的实现过程以及透视投影变换、消隐和裁减、光照 模型、图形绘制等计算机图形学原理。 ( 3 ) 通过分析地图学中有关地图符号的各种理论，结合有关专题地图符号的 理论和现有成果，阐明了专题地图符号有关地图符号元素组成理论、设计专题地 图符号过程中有关符号元素的选择方法、专题地图符号设计的基本原则、专题地 图符号设计的基本步骤等。 ( 4 ) 根据面向对象分析( o o a ) 和面向对象设计( o o d ) 的原理和方法，利用 面向对象程序开发( o o p ) 的方法，依据专题地图符号元素的选择方法、专题地图 符号设计的基本原则、专题地图符号设计的基本步骤。提出了专题地图符号可视 化自动设计的系统框架，并实现了其中部分功能。 本文试图在如下方面创新： ( 1 ) 结合专题地图符号构成要素的规律与专题地图符号需要反映的专题要素 特征，提出根据专题要素特征来选择专题地图符号构成要素的算法，以及根据选 择好的专题地图符号构成要素来可视化自动生成专题地图符号的系统框架，最后 生成有专题地图符号专题要素特征检索的符号库的思路。 ( 2 ) 在有专题地图符号专题要素特征检索的符号库基础上，提出专题地图符 号可视化选择的思路。 关键词： 地图可视化科学计算可视化地理信息系统专题地图符号符号构成元素 面向对象分析和设计 a b s t r a c t w i t ht h e q u i c kd e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rm a p m a k i n g ，r e m o t es e n s i n g m a p m a k i n g ，g l o b a lp o s i t i o ns y s t e ma n dg e n e r a l i z e di n f o r m a t i o ns y s t e m ，b a s i c a l t r a n s f o r m a t i o nh a sh a p p e n e di nt h er e s p e c to ft h ei n f o r m a t i o ns o u r c ea n di n f o r m a t i o n a c h i e v i n gm o d e ，m e t h o do fs t o r i n ga n ds e a r c h i n g ，a n a l y z i n gm a p - m a k i n g ，u l t i m a t e v i s u a l i z a t i o np r o d u c tf o r m t h i ss h o w st h a tm a pa n dr e m o t es e n s i n g ，g i sw i l ld e v e l o p t o g e t h e r i nt h ei n f o r m a t i o ne r aa n dv i s u a l i z a t i o no fm a pw i l l c o n s t r u c tab r i d g e b e t w e e n m a p ，r e m o t es e n s i n ga n d t h eg i s w i t ht h ed e e pa p p l i c a t i o no ft h eg i s ，t h es y m b o lo fm a pi nt h es o f r v a r eo ft h e g i sc a nn o ts a t i s f yt h eu s e r sn e e d se i t h e ri na m o u n t ，c o n v e n i e n c eo fc h o i c eo ri n 吐1 e c o u r s eo fv i s u a l i z a t i o nd u r i n gt h et h e m a t i cm a p - m a k i n g t h a tn e e d su sd e v e l o pm o r e t h e m a t i cs y m b o lo f t h e m a t i cm a p t h i sp a p e rh a sf m i s h e dt h ef o l l o w i n gt a s k so nt h eb a s i so fm o d e mc a r t o l o g y , c o m p u t e rs c i e n c e ，c o m p u t e rg r a p h i c s ，t o p o g r a p h ya n ds oo n v a r i o u sa d v a n c e dt h e o r y a c h i e v e m e n t s ( 1 ) s u m m a r i n g a n d a n a l y z i n gt h et y p e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a n di n d i c a t i o nm e t h o d s o f g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ni nt h ev i s u a l i z a t i o no fm a pc o u r s e ，s c i e n t i f i cc o m p u t i n g v i s u a l i z a t i o na n di t sa p p l i c a t i o ni ng i s ，t h er e a l i z a t i o nf o r m sa n dt o o l so fg e n e r a l i z e d i n f o r m a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o n o fv i s i o n t a k i n gt h e o r y i ng e n e r a l i z e di n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o n o fc h r o m a t i c s t h e o r y i ng e n e r a l i z e di n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n ( 2 ) t oi n t e g r a t i n gs o m et h e o r yo nc o m p u t e rg r a p h i c s ，t h ea u t h o ri l l u s t r a t e st h e b a s i c t h e o r y a n dm e t h o do f3 dl a n df o r m sv i s u a l i z a t i o ni nm a p si n c l u d i n gt h e r e a l i z a t i o nc o u r s eo f3 dl a n df o r m sa n dt h ec l a i r v o y a n c et r a n s f o r m a t i o n ，v a n i s h i n g ， p r u n i n g ，c l a i r v o y a n c e ，i l l u m i n a t i o nm o d e ，f i g u r ep r o t r a c t i n g a n ds oo na b o u tt h e t h e o r yo fc o m p u t e rg r a p h i c s ( 3 ) t h ea u t h o ra l s oi l l u s t r a t e st h es y m b o lo f t h e m a t i cm a po nt h et h e o r ya b o u t s y m b o l i cc o n s f i t u t i o ne l e m e n t s ，t h em e t h o d o ft h ec h o i c eo ft h es y m b o l i cc o n s t i t u t i o n e l e m e n t si nd e s i g n i n gt h es y m b o lo f t h e m a t i cm a p ，t h eb a s i sp r i n c i p l eo f d e s i g n i n g t h e s y m b o lo ft h e m a t i cm a p ，t h ee l e m e n t a r ys t a g e so fd e s i g n i n gt h es y m b o lo f t h e m a t i c m a pe t c ，t h r o u g ha n a l y z i n ga l lk i n d so ft h e o r ya b o u ts y m b o lo fm a pa n dc o m b i n i n g t h et h e o r yo ns y m b o lo f t h e m a t i cm a pa n d p r e s e n t a c h i e v e m e n t ( 4 ) o nt h e b a s i so ft h et h e o r ya n dm e t h o do fo o aa n do o d ，t a k i n gt h e a d v a n t a g e t h em e t h o do f o b j e c t e d - o r i e n t e dp r o g r a m ，a c c o r d i n g t ot h ea b o v e i l l u s t r a t i o ni nt a s k3 ，t h ea u t h o rp r o p o s e dt h es y s t e m a t i c a lc o n s t i t u t i o no fs y m b o lo f t h e m a t i cm a p i nw h i c hs o m ef u n c t i o n sh a v eb e e nr e a l i z e d t h i sp a p e rt r yt oi n a u g u r a t et h ef o l l o w i n gf a c e t ( 1 ) t h r o u g ha n a l y z i n ga l lk i n d so ft h e o r ya b o u ts y m b o lo fm a p a n dc o m b i n i n g t h et h e o r yo ns y m b o lo ft h e m a t i cm a pa n dp r e s e n ta c h i e v e m e n t ，t h ea u t h o rp r o p o s e d t h es y s t e m a t i c a lc o n s t i t u t i o no f s y m b o lo f t h e m a t i cm a p ( 2 ) t h ea u t h o rp r o p o s e dt h o u g h to f c h o i c eo fv i s u a l i z a t i o nc h o i c eo fs y m b o lo f t h e m a t i cm a p ，o nt h eb a s i so ff a c e t1 k e y w o r d ： v i s u a l i z a t i o no f m a p ，v i s u a l i z a t i o no f s c i e n t i f i cc o m p u t i n g g e n e r a l i z e di n f o r m a t i o ns y s t e m ，s y m b o lo f t h e m a t i cm a p s y m b o lc o n s t i t u t i o ne l e m e n t s ，o o a & o o d 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机制图、遥感制图、全球定位系统和地理信息 系统的迅速发展，地图的信息源和信息获取的手段、存储和检索方法、分析加工 制图方法、最终可视化产品的形式等四个方面都发生了根本性变革。这表明，随 着科学技术的进步和时代与社会的发展，地图从内容到形式，从信息源到成图方 法，从编图到用图，都发生了根本性变革。 关于地图与地图学的变化与前景，陈述彭院士指出：“地图作为一种文化工具， 在人类的知识宝库中，将与语言、艺术并存而永生，在未来的生产与生活中将继 续发挥巨大的作用。面临信息时代的机遇与挑战，久经社会实践考验的地图学 必须作出适时的反应。不仅在工艺技术方面，而且更重要的是在应用领域和理论 研究方面，时代失落感或者自我欣赏都不符合地图学发展的历史规律和现代学术 思潮的主流。2 1 世纪的地图学，将在地球科学和信息时代的园地里更加活跃。” 因此，在信息时代，地图与遥感、地理信息系统将相辅相成、共同发展，而 地图可视化将是地图与遥感、地理信息系统之间的桥梁。 随着g i s 应用的不断深入，在专题地图的制作过程中，用户经常要选择各种 地图符号来满足专题地图的需要，g i s 常用软件( m a p i n f o 、a r c i n f o 、m a p g i s 、 a r c v i e w 等) 采用符号预制库的方式提供给用户各种地图符号，但这种方式存在明 显不足，一是符号选择不方便，由于预制库中的符号没有提供有效的检索手段， 即各种符号并没有和地理信息产生必要的联系，使得用户需要反复的选择试用， 直到满足专题地图的需要；二是由于专题地图反映信息量大而且变化多，预制库 中的符号往往不能满足专题地图的需要，这就需要用户自己来创作专题地图符号。 而对于一般用户来讲，用绘图软件来创作满足需要的专题地图符号并不是很容易 的，本文作者试图把专题地图符号的特征和符号创作结合起来，采用可视化编程 的方法，提供给用户一种创作专题地图的新思路和方法。 1 2 现代地图学的发展 把地图作为门学科，对地图的理论与方法迸干亍系统的研究，国际上实际从 2 0 世纪3 0 年代才真正开始。即以德国、法国、英国、美国和前苏联在高等学校建 立地图学专业和正式出版地图学教科书等作为标志。早期在地图学方面的研究， 主要围绕地图投影、地图设计与编辑原则、编绘和整饰方法、制印技术的问题。 其中关于地图投影理论方法的研究开始最早。裴秀的制图六体可以视作最早 的关于地图数学基础的理论总结。从托勒密最早设计普通圆锥投影开始，到1 6 世 纪墨卡托对地图投影进行探讨。2 0 世纪上半叶国内外学者对地图投影进行了大 量系统研究，发表了不少专著，地图投影理论即已建立了起来。5 0 年代，前苏联、 法国、德国、美国、波兰等国对地图编制过程中的制图综合( 地图概括) 原理与 方法开始了系统研究。6 0 年代以后，随着国家和区域综合地图集以及成套系列地 图编制的广泛开展，在专题地图和地理学综合研究的基础上，发展了专题地图与 综合制图理论。 关于地图学的定义与内涵，多数地图学家认为“地图学是研究地图的理论、 编制技术与应用方法的科学，是一门研究以地图图形反映与揭示各种自然和社会 现象空间分布、相互联系及动态变化的科学、技术与艺术相结合的科学”。 2 0 世纪7 0 年代以来，自动化、电子计算机和遥感遥测技术引进地图学，引 起地图制图技术上的革命。同时，各学科的相互渗透，尤其是信息论、模式论、 传输理论、认知理论以及数学方法引进地图学，使地图学定义也有了很大发展。 其中包括对地图的性质、实质、功能提出许多新的概念，对地图学定义也有一些 新的提法。如“地图学是用形象一符号模型再现客观实体，反映和研究自然和社会 现象空间分布、组合和相互联系及其在时间变化的科学”( 萨里谢夫，1 9 7 0 ) ；“地 图学是空间信息图形表达、储存和传递，以图形数学模型按比例缩小表现并为实 际利用目的进行解释的科学”( 什里亚耶夫，1 9 7 7 ) 等。尤其是1 9 6 8 年捷克地图 学家卡内斯尼( a k o l a c n y ) 提出地图传输的概念以后，很快为一些地图学家所接 受，当时各国地图学家发表了不少论文，提出了多种地图传输模式。法国贝尔廷 ( j b e r t i n ) 的著作图形符号学( 1 9 6 7 年第一版，1 9 7 3 年第二版) 被认为是奠 定了地图符号学的理论基础。前苏联阿斯拉尼卡什维里( a 由a c h a h h h k a l h b i i h p l ) 发表的超地图学( 或称元地图学) ( 1 9 7 4 年) 专著中系统论述了地图语言和 地图学方法，完全是从抽象的概念进行分析，包括地图的空间与时间的表达、地 图语言的语义与结构、抽象与概括的地图形式、地图模式等。美国鲁宾逊在地 图的实质( 1 9 7 8 年) 一书中论述了地图与制图、地图语言和含义、视觉与制图、 空间的要领、地图与制图结构等问题。波兰拉泰依斯基在“理论地图学中地图传 输的主要特征”一文中简要分析了信息理论、符号学、模式理论、超地图学、认 知理论、地图传输特征、地图传输模式等一些概念。8 0 年代中期前苏联著名地图 学家萨里谢夫的地图学概论和美车著名地图学家鲁宾逊与莫里森等的地图 学原理被国际地图学协会推荐为国际地图学的教科书。 7 0 年代至8 0 年代关于地图学的基础理论有过争论，主要有三种观点：一是 地图传输论观点，主张把地图传输论作为地图学的基础理论，以卡内斯尼( k o l a c n y ， 捷克) 、拉泰依斯基( r a t a j s k i ，波兰) 、鲁宾逊( r o b i n s o n ，美国) 、莫里森( m o r r i s o n ， 美国) 、鲍德( b o a r d ，英国) 为代表；二是地图符号学观点，主张作为地图语言 的地图符号学或地图语言学作为地图学的基础理论，以贝尔廷( b e n i n ，法国) 、 柳德( l u e d y ，前苏联) 为代表；三是地图模式论和地图认知论观点，强调地图信 息论、地图模式论和地图认知论在地图理论体系中的作用，以萨里谢夫 ( s s l i c h i c h e v ，前苏联) 为代表。尽管存在不同观点，但有一点是公认的，即地图 学必须引进和应用现代信息科学与横断科学中的一些概念和理论，与地图学嫁接， 发展和建立作为一门独立学科的地图学的理论基础与理论体系。 9 0 年代随着计算机制图与地理信息系统的发展又强调了数据与地图可视化， 尤其是多维动态可视化的研究。1 9 9 4 年泰勒强调地图可视化是地图传输、地图认 知和计算机技术与多媒体技术应用与方法、多媒体电子地图与互联网地图设计与 制作等进行了较多研究和探讨。 从当代地图学发展特点和趋势出发，同时在分析比较国内外关于地图学组成 与结构的各种观点的长处和不足的基础上，廖克于1 9 8 3 年提出了由理论地图学( 地 图学理论基础) 、地图制图学( 地图编制方法与技术) 、应用地图学( 地图应用原 理与方法) 三大部分构成现代地图学体系的看法( 图1 1 ) 。 1 3 可视化概念 1 3 1 可视化概述 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 是指在人脑中形成对某物( 某人) 的图像，是一个心 圉1 - 1 现代地图学体系 地图信息理论 地图传输理论 地图模式理论 地图认知理论 地图可视化理论 数学制图原理 地图语言学 地图感受理论 地图概括理论 综台制图理论 地学信息图谱理论 普通地图制图学 专题地图制图学 遥感制图学 计算机制图学 地腰印制学与计算机出版系统 多媒体电子地图与网络地图设计与制作 地图功能 地图评价 地图分析与研究方法 地图使用方法 地图信息自动分析与处理系统 地图应用 数字地图应用 理处理过程，促使对事物的观察力及建立概念等。科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni n s c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是通过研制计算机工具、技术和系统，把试验或数值计算获 得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可进行 数据探索和分析。本文将主要探讨科学计算可视化。 科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是发达国家2 0 世纪8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。1 9 8 7 年2 月，美国国家科学基金 会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议，与会者有来自计算机图形学、 图像处理以及从事各不同领域科学计算的专家t 会议认为“将图形和图像技术应 用于科学计算是一个全新的领域”，并指出“科学家们不仅需要分析有计算机锝出 的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化，而这些都需要借助于计算 机图形学及图像处理技术”。会议将这一涉及到多个学科的领域定名为 “v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ”，简称“s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ”。 这次会议以后，美国、西欧、日本各著名大学、研究所、超级计算机中心、 各大公司纷纷进行科学计算可视化理论和方法的研究，在重要的国际计算机图形 学会议上发表论文，科学计算可视化成为近年来国际学术会议讨论的一个热点问 题。皂l9 9 0 年以来，美国电气和电子工程师学会( ieee ) 每年举行一次 有关科学计算可视化的学术会议，出版论文集。自1 995 年开始，美国iee e 汇刊中又增加了一种刊物“ieee tr a n s a c t i o n s o nv i s u a l i z a t i o na n d c o m p u t e rg r a p h i c s ”。与此同时，美国、德国的超级计算机中心、研究所及大公司 着手开发用于科学计算可视化的软件系统，并形成商品推向市场。如美国st a r d e n t 计算机公司推出的avs 系统，美国俄亥俄超级计算机中心开发的a p e 系统，德 国达姆斯达特f h g a gd 研究中心开发的vi s vi s 系统等。经过短暂 的十年，科学计算可视化理论和方法的研究已经在国际上蓬勃开展起来并开始走 向应用。 1 3 2 科学计算可视化的含义 那么，什么是科学计算可视化呢? 它指的是运用计算机图形学和图象处理技 术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图象在屏幕上显示出来并 进行交互处理的理论、方法和技术。实际上，随着技术的发展，科学计算可视化 的含义已经大大扩展。它不仅包括测量数据的可视化，如用于医疗领域的计算机 断层扫描( ct ) 数据及核磁共振( m ri ) 数据的可视化，就是最为活跃的研 究领域之一。 、 科学计算可视化将图形生成技术、图象处理技术和人机交互技术结合在一起， 其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解送入计算机的图 象数据。它涉及到计算机图形学、图象处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人 视交互技术等几个领域。图1 2 说明了科学计算可视化中各相关技术的关系。 图中上部圆圈表示符号和结构信息，它可以用交互手段输入，也可从存储介 质中取出。当然，也可以从其他的符号、结构信息交换而来，这就是科学计算本 身。图中下部圆圈表示图象和信号，它可以用摄像机录入，也可以由其他的传感 器输入，并以多种硬、软拷贝的形式输出。当然，也可以由其他的图象和信号交 换而来，这就是图象处理本身。符号和结构信息通过图象生成技术，也就是计算 机图形学，转换为图象；另一方面图象和信号也可以通过计算机视觉转换为符号 和结构。从图1 2 可以看出科学计算可视化是一门与多个技术领域有关的交叉学 科。 变换 ( 科学和符号计算) 交互设备 堪 图像记录器 ( 图像处理) 图1 - 2 科学计算可视化学科分类图 ( 出自v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g tc o m p u t e r g r a p h i c s ，v 0 1 2 1 ，n o6 ，n o e l9 8 7 ) 1 3 3 实现科学计算可视化的重要意义 众所周知，计算机用于科学计算已有五十年的历史。但是，长期以来，由于 计算机硬软件技术水平的限制，科学计算只能以批处理方式进行，而不能进行交 互处理。在向计算机送入程序和数据以后，使用者不能对计算过程进行干预和引 导，只能被动地等待计算结果的输出。而大量的输出数据又只能用人工方式处理， 或者用绘图仪输出二维图形。人工处理数据十分冗繁，所花费的时间往往是计算 时间的十几倍甚至几十倍，不仅不能及时地得到有关计算结果的直观、形象的整 体概念，而且有可能丢失大量信息。因而，科学计算结果的后处理已经成为提高 科学计算质量和效率的主要问题之一。近年来，随着科学技术的迅猛发展，待处 理的数据量越来越大，来自超级计算机、地球卫星、宇宙飞船j t 扫描仪、核磁共 振仪以及地震勘探的数据与日俱增，使得科学计算数据的可视化和计算过程的交 互干预和引导日盏成为迫切需要解决的问题。 另一方面，由于近年来计算机的计算能力迅速提高，所配置的内存容量、磁 空间不断扩大，网络功能增强，许多重要的图形生成及图象处理算法均可用硬件 实现，速度大大加快。因而，运用计算机图形学及图象处理技术形象、直观地显 示科学计算的中间结果及最终结果并进行交互处理已经成为可能。 实现科学计算的可视化具有多方面的重要意义。它可以大大加快数据的处理 速度，使目前每日每时都在产生的庞大的数据得到有效的利用；它可以在人与数 据、人与人之间实现现图象通信，而不仅是目前的文字通信或数字通信，从而可 使人们观察到传统的科学计算中发生了什么现象，成为发现和理解科学计算过程 中各种现象的有力工具；它还可以使人们对计算过程实现引导和控制，通过交互 手段改变计算所依据的条件并观察其影响。总之，科学计算的可视化将极大地提 高科学计算的速度和质量，实现科学计算工具和环境的进一步现代化，从而使科 学研究工作的面貌发生根本性的变化。 由于科学计算可视化可以将计算结果用图形或图象形象、直观地显示出来， 因而许多抽象的、难于理解的原理和规律变得容易理解了( 例如，不稳定流场可 以用迹线直观地表示出来) ，许多冗繁而枯燥的数据变得生动有趣了。因而科学计 算可视化的实现将极大地促进教育手段的现代化，有利于教育质量的提高。 1 。4 地图与可视化 可视化对现代地图学的发展有着极其重要的作用，虽然对其理解还有着一定 的分岐。t a y l o r 强调了计算机技术基础支持下的地图可视化包括交流与认知分析。 m a c e a c h r e n 则强调交流与可视化在地图学中的应用，而不是地图的技术制作，并 把可视化与交流作为并列的两个要素。 在可视化的过程中，信息交流传输以及认知分析的界限并不需要很清楚地划 分。事实上，它们一直融合在一起，并具有共同作用的特点。由于可视化的两个 特点，即交流与认知分析，从而对现代地图学的理论和方法产生影响。图1 - 3 表示 了地图可视化的概念框架。 图1 - 3地图可视化的概念框架 由于可视化具有交流与认知分析的两个特点，从而使信息表达交流模型与地 理视觉认知决策模型构成了地图可视化的理论，而这两个模型将应用于计算机技 术支持的虚拟地图、动态地图、交互交融地图以及超地图的制作和应用等。 ( 1 ) 虚拟地图指计算机屏幕上产生的地图，或者利用双眼观看有一定重叠的 二幅相关地图，从而在人脑中构建的三维立体图像。虚拟地图具有暂时性，实物 地图具有静态永久性。虚拟地图和人的心智图像相互联系与作用的原理和过程， 同传统的实物地图是不一样的，需要建立新的理论和方法。 ( 2 ) 动态地图是由于地学数据存贮于计算机内存，可以动态地显示关于地学 数据的不同角度的观察，不同方法( 如不同颜色、符号等) 的表达结果，或者地 学现象随时间演变的过程等等。由于地图的动态性，地学现象的表达在时间维上 展开。所以，传统的关于纸质静态地图的符号制作、符号注记等制作理论和方法 在动态时不再完全适合。另外，人又是如何认知分析动态的信息流等需要进一步 的探讨和深入研究。 ( 3 ) 交互交融地图是指人与地图可进行相互作用和信息交流。交互地图是人 可以通过一定的途径，例如选择观察数据的角度、修改显示参数等来改变地图的 显示行为。在这个过程中，屏幕地图( 或双眼视觉立体地图) 即虚拟地图，与应 用人员人脑中相关地学知识以及直觉形成的心智图像一直处于相互作用、相互比 较、相互修改完善的信息联系和反馈状态。交融地图，是人与地图的融合程度， 也就是人在虚拟地图中的投入感和沉浸感( i m m e r s i o n ) 。地图的交互和交融性的区 别可以举这样的一个例子。如你到图书馆借书，交互性表示你借书要通过图书馆 的服务员，首先填写条子，然后服务员去找书，最后再给你。而交融性是你可以 直接进入书库进行搜寻，并发现你要借的书。虚拟现实技术是交互交融地图的发 展基础。 ( 4 ) 超地图( h y p e r - m a p s ) 是基于万维网( w w w ) 的与地学相关的多媒体， 可以让用户通过主题和空间进行多媒体数据的导航，这与超文本的概念相对应。 超地图提出了万维网上如何组织空间数据并与其他超数据( 如文本、图象、声音、 动画等) 相联系的问题。超地图对于地图的广泛传输与使用，即对公众生活、社 会决策、科学研究等产生巨大的作用，具有重要的意义。 1 5 本文主要研究内容和组织结构 本文将结合专题地图符号可视化选择系统的具体要求，系统研究地理信息在 可视化方面所涉及的有关理论、技术和方法，主要内容将按照以下结构组织： 第一章：简述现代地图的发展、可视化产生的时代背景和基本概念、地图可 视化的联系。 第二章：论述地理信息可视化的基本理论方法，并分别研究地理信息可视化 实现的方法及过程。 第三章：论述专题地图符号构成元素的组成，并讨论专题地图符号设计过程 中有关元素的选择、设计的原则及步骤等。 第四章：结合可视化技术、地理信息的特点、现代地图的发展以及地图可视 化的理论，利用面向对象程序设计的方法，开发专题地图符号可视化自动设计系 统，以实现计算机地图制图过程中的符号可视化自动设计。 第五章：结束语，总结本文的研究工作，提出在这些工作的基础上进一步工 作的计划。 第二章地图可视化方法 2 1 现有g i s 软件专题制图方法 2 1 1 计算机地图制图的基本过程 地图设计和生产工艺过程十分复杂，它的复杂程度由地图资料、地图类型、地 图比例尺、地图用途等诸多因素来决定，但归纳起来可以分为编辑准备、编辑与 设计、编绘与出版等基本阶段。对于计算机地图制图而言，其过程又与使用的硬 件和软件，数据源以及图形输出的目的、要求有关。不论是制作普通地图还是类 型多样的专题地图，只要是使用计算机地图制图的方法，都必然包括数据获取、 数据处理和图形输出三个基本阶段，这几个阶段的主要内容和相互关系如图2 - 1 所示。 匠囝因豳匠 图2 - 1 计算机地图制图一般工艺过程 2 1 2 常用g i s 软件专题地图制图的过程 ( 1 ) 获取源数据，用户可以实地测量得到数据，也可以采用现有的普通地图 作为底图，如图2 2 是某地区的土地利用图。 图2 2 某地区土地利用图 ( 2 ) 处理源数据，特别是普通地图要做数字化处理，如图2 3 是对图2 2 数字 化的结果。 图2 - 3 数字化效果图 4 ( 3 ) 在数字化的基础上，编辑专题地图的内容，如下图是使用m a p i n f o 选择 专题地图符号的示意图。 图2 - 4 专题地图符号选择示意图 ( 4 ) 专题地图内容编辑好后，进行制图综合、图幅整饰等，形成所需的专题 地图，最后输出，如图2 5 是某旅游区的供电、通讯设施规划图的部分内容。 f ：_ 、+ 。、- 0 ， ，- + ，少 二，、：、奠，、j 、确3 箬至旁 娄二型二二三 五，匕二，一、厂 ，_ 二，、f r 、 | 、 札、 ，二二睾：一 2 0 方向d 口口汐 心弋 注 纂m 4 2 3 5o 王村 = = 墨m ) =鼍专：+ e 秒 记 0 6 n 冀m o 船啊 姨黑匕譬 图3 - 1 符号构成元素 符号构成要素集合的外延是组成该集合的所有符号构成元素。符号构成元素集合 的内涵是其本质属性，即组成地图图面上一切符号( 系统) 的最小图解单元。各 个独立的符号构成元素一般不能直接在图面上构图，一个地图符号往往由几个符 号构成元素组成。如综合地表示两种以上的专题要素，就需组合运用许多符号构 成元素。符号构成元素的综合设计模式如下所述： ( 1 ) 选择选择指符号构成元素的选取。它根据下面的模糊矩阵进行操作。 每一个符号构成元素都可表示一个或几个专题要素特征。符号构成元素和其所表 示的专题要素特征之间，不宜用简单的“行”或“不行”作肯定或否定的回答， 两者之间是一种模糊关系。其中，点、线、面符号的情况又各有不同。用t c f ( t h e m a t i cc o n t e n tf e a t u r e ) 代表专题要素特征，用x 1 示要素的空间分布特， x 2 表示质量特征，x 3 表示数量特征，x 4 表示内部组成，x 5 表示等级强度，x 6 表 示时空动态，x 7 表示发展趋势。可有集合： t c f = ( x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ，x 6 ，x 7 ) 且有：s e e = p ，f ，h 1 ，h 2 ，h 3 ，s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 ，t 1 ，t 2 。d ，n l ，n 2 1 则t c f * s c e 中的模糊关系卫可表为模糊矩阵。如按点、线、面符号分别讨论， 且界定模糊关系为：优秀1 ，良好0 9 ，尚好o 8 ，可行0 7 尚可0 6 ，勉强可 行0 5 ，不好0 3 。不行0 ，则有下列三种情况： ( 1 ) 点状符号构成元素可表示专题要素特征程度的模糊矩阵为： pf i - 1 1h th is is ls ls lt i7 zd q ln l looo00o o1lo 5o 5 仉5 oo 5o 60 1 “8l 0oo 9o 0o ao o仉8 仉80 s0 alo oooooo bo aoo bo 6oo bo 8 oo _ 8o 5o boo 寺o 0 d ld - 00 7o0 b o ooo 6o 7oa b 仉b “0oo 口o 9 舭- 仉9ooo so 6o 81o 矗o s o 9口o ，o 90 t ln 口o 口 o 5o 6 仉aio 8o 8 ( 2 ) 线状符号构成元素可表示专题要素特征程度的模糊矩阵垦t 为 f 目ih lh l 晶s is ，文r l 丁id l - oooooo0oo o 0o o ll0 3o - 30o bo - 3o 6o 9o 6oo 9o 8 o 6 “仉8o 8o “b 】a 口o 薯o 9oo 9o 8 o0 矗o 。60 6ooolo bo 8oo 9o 3 仉6o 6o io 鲁ol仉7od 6o 7oo 7 。e o 7 仉60 bo 8ol0 eo 3o 矗0 5o d 仉7 o 7 仉7 仉7 仉so 5olo io - 3o eo - e1o 6 o 6 ( 3 ) 面状符号构成元素可表示专题要素特征程度的模糊矩阵旦。为： x x x x x 盖x p。 o ，o o 。 x x x x x x x 品s ，s 瓦ndn l n l o0oo00o 601 o 6oo o go o6o0 8 o 6 i l 仉50o 5o 70 ，90o b0 9 l f o 5o1“80 6oo b0 s i i o 日0 oo 9 o 8 oo 6 0 - 3 l i o ，soo仉l 仉7o go 8o b l j o 5o00 8o 7o 90 8o 8 j 符号构成元素的具体选定，需参照所表示的专题要素特征t c f ，依据所设计符 号的点、线、面形态，按用符号构成元素可表示t c f 程度的模糊矩阵r 。、r t 和r 。 来决定。一般，模糊关系值愈大，该符号构成元素被选用的可能性就愈大。选择 时，应按照曼数值，从大到小依次选择。当为0 时，构成元素不能使用。如在 旅游图上，欲表示各旅游点某年度接待游客总数，t c f 为空间分布特征x 1 和数量 特征x 3 ，在曼中，x 1 和x 3 的旦最大值对应的是p 和s 1 ，即位置和大小。可用圆 的中心表示旅游点的空间分布，用圆的大小表示游客总数。 选择既包括对全部制图内容符号构成元素的选定，也包括当一个专题要素可 用几个符号为成元素表示时，所挑选的最佳元素。 ( 2 ) 叠置或匹配叠置指两个以上符号构成元素叠合在一起的叠加组合形 式。匹配指符号构成元素的并列配合。 专题要素不仅本身具有地理空间位置等含义，而且相互之问存在各种拓扑关 系。地图信息的集合是拓扑的集合。在专题信息处理和专题地图设计中，通常用 网结构元素即结点( 点) 、弧段( 线) 和面域( 面) 之间的邻接、关联和包含关系 来描述和建立专题要素间的拓扑关系。有学者详细地研究了点、线、面间的拓朴 关系。把其分为相交、相迂( 相接) 、包含、共界、交叠、贯穿、相等和分出八大 类。实际上这八大类仍可归结到三类中去。 包含关系。指一要素包含另一要 素且有或无共同边界。其中包括三种包 合：一为轮廓不交包含( 图3 2 a ) ：二为 共界内接包含( 图3 - 2 b ) ；三为相等包含 ( 图3 2 c ，点与点、线与线、面与面皆 重合) 。 圈3 - 2 点、线、面的包含关系 丑。o。， 峨。：；，吣 日。 札 ， n 乱 m 乱辨。，叭， 精弋。o州仉o o “乱 ，。o o t鼍墨墨墨五墨 交叠关系。指两要素相互穿过或经过边界交叠。其中包括两种交叠。一为不 贯穿交叠( 图3 3 a ) ：二为贯穿交叠( 图3 3 b ) 。 分离、邻接关系。指两要素分离不相迂或邻接于边界。其中包括两种关系： 一为分离关系( 图3 4 a ) ；二为相迂外接关系( 图3 4 b ) 。 h 夕0 夕- 0 o 。oo 伪 图3 - 3 点、线、面的交叠关系图3 4 点、线、面的分离、邻接关系 专题要素间的拓扑关系，决定了符号构成元素是采用叠置模式，还是采用匹 配模式。 对上述前两种拓补关系采用叠置模式。叠置包括组成同一符号的元素叠置和 组成不同符号的元素叠置。前者如用轮廓界线表示土地类型空间分布，用界线内 的颜色表示此土地类型( 图3 - 5 a ) 。属相等包含关系，是同一符号的位置和色相元 素的叠置。后者如用绿色表示一片林地，用和其相交的一定粗细的线状符号表示 某等级的公路( 图3 - 5 b ) ，属贯穿交叠关系，是不同符号的色相、粗细和位置元素 的叠置。按照符号之间的压盖情况，叠置可分为两种形式：是许多元素套置在 一起的真叠置，元素组成的符号问不遮盖：二是许多元素套置在一起的压盖叠置， 元素组成的符号间有遮盖( 图3 6 ) 。 墼踉 图3 5 符号构成元素的叠置图3 6 真叠置和压