三维地理空间模型符号化研究.pdf

论文题目 三维地理空间模型符号化研究 专 业 大地测量学与测量工程 硕 士 生 古光伟 签名 指导老师 郭 岚 签名 摘要 随着计算机软硬件和三维可视化等技术的发展 地图的表现形式越来越多 种类也 越来越丰富 其中 基于三维地理空间模型的三维地图能够以更为直观 形象的三维方 式来对地理空间进行表达 因而逐渐受到人们的重视 然而 目前对三维地理空间模型 的设计大多停留在高仿真阶段 所建的地物模型往往不能代表一般性地物 无法重复利 用 不利于地图整体的系统性 并且在制作过程中存在大量的重复性劳动 模型数据量 也偏大 传统的平面地图通过二维符号系统来表达地理空间信息 并极大的满足了人们 对地理空间的认知需求 因此 我们可以从符号的角度来讨论三维地理空间模型的设计 三维地理空间模型符号化研究有两个重要的方面 一是如何设计三维地图符号才能 体现地理空间各方面的信息尤其是用户感兴趣的信息 二是如何对三维地图符号进行组 织和管理 本文首先对地理空间认知 三维地图符号等内容进行了研究与分析 奠定了 符号化的理论基础 之后具体探讨了三维地图符号和三维地理空间模型的设计 并结合 实例对比分析了符号化模型的作用效果 最后对三维地图符号库设计进行了研究 其中 主要的研究内容和成果有 1 以空间认知的相关理论为基础 研究了地理空间认知的过程机制 分析和比较 了地理空间信息的两种传输模式 并对三维地图空间认知规律进行了初步探讨 2 从地图学角度分析了地图符号与地理信息可视化的关系 深入剖析了三维地图 符号的定义 分类和特点 并对三维地图符号的视觉变量进行了研究 总结出三维地图 符号设计的一般原则 为三维地图符号的设计奠定了理论基础 3 以现有三维符号表达方式为基础 提出了真实感与非真实感联合表达的方式 按分类表达的思想对符号对象的选取与分类进行了详细阐述 对三维地图符号的简化设 计进行了初步探讨 通过实例分析了三维地理空间模型符号化的效果 4 研究了三维地图符号体系 对三维地图符号库的设计内容进行了分析 并提出 了三维地图符号库的一个基本框架 关 键 词 三维地理空间模型 符号化 空间认知 三维地图符号 符号库 研究类型 应用研究 万方数据 万方数据 subject symbolization of 3d geospatial models specialty geodesy and surveying engineering name gu guangwei signature instructor guo lan signature abstract with the development of computer hardware software and 3d visualization more and more map forms have appeared and the types of the map is also becoming more and more abundant among them the 3d map based on 3d geospatial model can express the geographical space by a more visual concrete three dimensional form so it has been paid more and more attention however the current design of the 3d geospatial models are most in high simulation stage and its feature model can not be on behalf of the general features and can t reuse so it hinders the system performance of the map and there are a lot of repetitive work in the production process then the model data size is also too large traditional planar map with 2d symbol system to express spatial information has greatly meet people s geospatial cognition demand therefore we can discuss the design of 3d geospatial model from the position of symbol there are two important aspects in the study of 3d geospatial model symbolization one is how to design 3d map symbol to express all aspects of the geography space information especially the user interested information the two is how to organize and manage the 3d map symbol firstly the spatial cognition and 3d map symbol has been studied and analyzed based on the theory of the symbolization then the design of 3d map symbol and 3d geospatial model has been discussed and the effect of the symbolic model has been contrasted and analyzed through the examples the design of 3d map symbol base has been studied lastly among them the main contents and results about the research are as follows 1 firstly the progress mechanism of geospatial cognition has been studied under the theoretical basis of spatial cognition then the two transmission modes of the geospatial information has been analyzed and compared and the cognitive rule of 3d map space preliminarily has been studied 2 secondly the relationship between map symbols and geographic information visualization has been analyzed the definition classification and characteristics of 3d map symbol have been studied deeply then the 3d map symbol visual variables have been studied 万方数据 and the general principle of 3d map symbol design has been summarized all of these have laid the theoretical foundation for the design of 3d map symbol 3 thirdly an expression way combining the realistic and the non photorealistic has been proposed based on the existing 3d symbol expression according to the respective express ideas the selection and classification of the symbolic target has been discussed then the simplified design of 3d map symbol preliminarily has been studied and the 3d geospatial model symbolic effect has been analyzed through the examples 4 finally the 3d map symbol system has been studied then the design of 3d map symbol base has been analyzed and a basic framework of 3d map symbol base has been put forward keywords 3d geospatial model symbolization spatial cognition 3d map symbol symbol base thesis application research 万方数据 目录 i 目录 1 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 三维地理空间模型符号化的国内外相关研究现状 2 1 2 1 三维地理空间模型表达形式的研究现状 2 1 2 2 三维地图符号设计的研究现状 4 1 3 研究目的及意义 5 1 4 论文的主要研究内容 5 1 5 论文组织形式 5 2 地理空间认知的研究 7 2 1 空间认知的相关概述 7 2 2 地理空间信息的传输模式 8 2 2 1 地理空间信息的二维传输模式 9 2 2 2 地理空间信息的三维传输模式 10 2 3 地图空间认知概述 11 2 4 三维地图的空间认知规律 12 2 5 本章小结 12 3 三维地图符号的研究 13 3 1 地理信息可视化 13 3 1 1 地图可视化 14 3 1 2 二维 gis 可视化 14 3 1 3 三维可视化 15 3 2 三维地图符号基础 16 3 2 1 三维地图符号的定义 16 3 2 2 三维地图符号的分类 17 3 2 3 三维地图符号的特点 19 3 3 三维符号视觉变量分析 20 3 3 1 三维符号视觉变量的定义 20 3 3 2 三维符号的基本视觉变量 21 3 3 3 三维符号的动态视觉变量 25 3 4 三维地图符号设计的一般原则 26 3 5 本章小结 27 4 三维地理空间模型符号化设计 28 万方数据 目录 ii 4 1 三维地图符号表达分析 28 4 2 三维地图符号对象的选取和分类 30 4 2 1 从自然地理要素中进行选取与分类 31 4 2 2 从人文地理要素中进行选取与分类 33 4 2 3 基于地图认知需求的选取与分类 35 4 3 三维模型的构建方法 37 4 3 1 地形建模 38 4 3 2 地物建模 39 4 4 三维地图符号的设计与制作 42 4 4 1 三维地图符号的简化设计 42 4 4 2 三维地图符号的制作实例 45 4 4 3 三维地图符号与地形模型叠加问题的考虑 47 4 5 三维地理空间模型符号化设计与实例 47 4 6 本章小结 53 5 三维地图符号库设计 55 5 1 三维地图符号体系研究 55 5 2 三维地图符号库概述 56 5 3 三维地图符号库设计 57 5 3 1 三维地图符号的分类 58 5 3 2 三维地图符号的构建 58 5 3 3 三维地图符号的编码 59 5 4 三维地图符号库的基本框架设计 60 5 5 本章小结 61 6 总结与展望 62 致 谢 63 参考文献 64 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1 1 研究背景 地图是一种记录和传递地理信息的图形语言 是我们了解一座城市 一个国家乃至 整个世界的重要手段 它不仅丰富了我们的视野 同时也为我们的日常生活带来了各种 便利 近些年来 随着计算机技术 尤其是计算机图形学 网络 多媒体 三维仿真以 及虚拟现实 vr 等技术的快速发展 给电子地图注入了新的活力 电子地图正在向着网 络 多媒体 三维和时态等方向发展 并随之出现了网络地图 多媒体地图 三维地图 和时态地图 其中 三维地图因其在直观性 形象性方面的优势 以及在三维地理空间 分析中的巨大潜力而备受人们关注 逐渐成为人们认识和表达地理空间信息的有力工具 三维地图是以三维电子地图数据库为基础 在计算机屏幕或相关介质上按照一定比 例对现实世界的一个或多个方面进行三维抽象描述的可视化产品 其形象性和功能性都 远强于传统的二维电子地图 目前 在网络上已经出现了实景三维地图和虚拟三维地图 实景三维地图是基于实物拍摄 数据抽象采集技术实现的 它利用卫星或者激光技术直 接扫描建筑物的长宽高 最终形成三维地图数据文件 比较有代表性的实景三维地图当 属美国 google 公司推出的 google earth 它将我们带进了一个栩栩如生 全新而广阔的 地理空间 让我们可以获得身临其境般的体验 虚拟三维地图是以现实地理数据为基础 并基于 webgis 和虚拟现实技术实现的 它通过人工拍摄的方法获取地物的外形 然后将 各孤立的单视角 3d 模型进行无缝拼接整合 最后经过虚拟美化处理而形成三维地图数据 文件 虚拟三维地图的呈现方式并不一致 各制作公司也多采用了各自不同的呈现方式 因此给用户的感受差别也非常大 当前国内主从事虚拟三维地图开发制作的有杭州阿拉 丁信息科技有限公司 广州都市圈网络科技有限公司等 网络上的实景三维地图和虚拟 三维地图通过直观的地理实景模拟 为用户提供了地图查询 出行导航等地图检索功能 但它们并不是真正的真三维地图 实景三维地图的三维效果完全出于立体影像对 因此 也称为卫星地图或遥感地图 虚拟三维地图本质上是一种 2 5 维电子地图 无法进行三 维漫游等操作 基于三维地理空间模型数据的三维地图才是我们所说的真正意义的三维地图 三维 地理空间模型 是指按照实地的大比例尺地形图 高分辨率卫星图或航拍图 通过外业 调绘实地地物的属性特征等数据 利用三维建模手段真实建立的虚拟地理环境的三维模 型 三维地理空间模型由于与现实环境几乎一致 因此能够给用户带来强烈 逼真的视 感冲击 获得身临其境的体验 用户还可以在三维场景中进行移动 选择 漫游等人机 交互操作 特别是大型工程项目的规划 设计 投标 报批 管理 通过虚拟场景的漫 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 游 能够轻易地发现一些设计的缺陷 减少了由于事先规划不周而造成的无法挽回的损 失 大大提高了工程项目的评估质量 目前 三维地理空间模型数据已大量应用于城市规划 工程设计以及景观布局等行 业 但是它作为真三维地图的基础 在真三维地图方面的发展进度仍十分有限 造成这 种现状的原因 除了科学技术的因素外 过度追求逼真的建模形式也限制了它的进一步 发展 从地图学的角度来讲 三维地图的研究重点不应该是栩栩如生的景观绘制 而应 是真正意义上的三维地理空间的地图符号化 因此 本文就三维地理空间模型的符号化 问题进行了一系列研究 1 2 三维地理空间模型符号化的国内外相关研究现状 1 2 1 三维地理空间模型表达形式的研究现状 时至今日 地图已经从传统的纸质地图发展到二维电子地图 并继续向着三维电子 地图方向发展 虽然在空间维度上只是增加了一维 但却包含了几乎所有的地理空间信 息 面对着如此海量的信息 如何才能通过三维地理空间模型去表达人们感兴趣的部分 如何才能使人们更好的洞察和理解现实世界 就显得异常重要 目前 三维地理空间模 型的表达形式大致可以分为块状模型 真实感模型和非真实感模型三种表达方向 1 块状模型表达 块状模型表达是指在大尺度情况下 基于地理要素的三维空间坐标 利用块状图形 如立方体 来表达零星或成片分布的地理要素 一般是针对于城市景观中的建筑物要素 从而实现对地理空间的宏观认知 citygml 里面定义了五类细节层次模型 lod0 lod4 其中 lod1 就是块状模型的表达 terribilini 通过在 dem 数字高程模型 上配置块状 符号模型的方法 设计了瑞士比尔地区的三维地图 1 glander 与 d liner 利用块状符号 制作了德国柏林的三维城市模型 并应用该模型对三维地图的制图综合进行了试验 2 wolff 与 asche 在三维地理空间可视化的情况下 分析了德国科隆市区的犯罪率并对其进 行三维城市建模 他们利用色调不同的颜色来反映科隆不同区域的治安状况 3 朱英浩与 张祖勋通过不规则三角网制作了烟台地区的三维块状场景模型 4 2 真实感模型表达 真实感 即与实际情况相符的感觉 仿真景观和虚拟地理环境就是通过三维模型来 表达现实地理空间中的对象 并结合了几何形态与纹理等来无限逼近现实世界 此种表 达方式就是真实感模型表达 angs sser 利用 3ds max 软件制作了德国巴伐利亚地区的三 维仿真模型 5 beck 研究了基于大尺度环境的三维城市景观实时可视化技术 并对建筑 物的真实感绘制进行了分析论述 6 d llner 与 buchholz 研究了在三维城市景观中如何 使用多细节层次模型来表达建筑物 7 李德仁院士分析比较了基于图形信息和基于影像信 万方数据 1 绪论 3 息的三维可视化技术 并认为两者的优化组合是目前地理空间信息三维可视化技术应用 的一个显著特征 能够促进适应未来空间信息服务的多样性需求 8 杨必胜分析了建筑物 模型的构建方法 并提出了一种通过分层组合来构造建筑物模型的方法 9 熊汉江 龚健 雅等人将三维矢量符号 数字地面模型和地面正射影像结合到一起 研究了数字城市的 空间数据结构以及可视化方法 10 万刚研究论述了虚拟城市景观中的几何形状与纹理映 射建模技术 11 钟登华探讨了对大型水利工程的三维仿真可视化方法 12 万剑华构建了 具有影像纹理的高仿真三维城市景观模型 13 杨锡鎏借助 ansys 有限元分析软件提取出 高速公路结构物模型的表面几何信息 并结合纹理贴图技术 实现了对结构物的仿真建 模 14 刘东海设计了坝区地形及建筑物的数字模型 并提出了基于粒子系统的大坝泄洪 及雾化降雨的三维可视化方法 15 3 非真实感模型表达 非真实感绘制 non photorealistic rendering 是计算机图形学的新兴领域和研 究重点 它主要用于模拟艺术式的绘制风格 也可用于发展新的绘制风格 与追求真实 感为主的传统计算机图形学不同 npr 受素描 油画 技术图纸和卡通动画的影响 己经 以 卡通着色 的形式出现在影视作品和电子游戏中 也出现在科学可视化 试验动画 和建筑插图中 非真实感模型表达就是基于 npr 技术 设计具有卡通 艺术等风格的三 维模型 来表达现实地理空间 目前 关于非真实感符号模型的研究正处于起步阶段 2003 年德国的 d liner 教授在研究三维城市模型的实时绘制技术时 应用了 npr 来抽象 生动的表达三维城市地理空间 在他预设的三维城市景观系统中 允许用户对笔画的颜 色 宽度以及样式等属性进行设置 其中就包含了多种卡通或艺术风格的样式 16 2005 年 d llner 与 buchholz 分析了传统真实感绘制技术在虚拟地理环境系统中的局限性 以 及讨论了利用 npr 技术创建虚拟地理环境系统的可行性 他们认为基于 npr 技术的地理 空间信息可视化是未来的一个重要发展方向 17 jobst 系统归纳了三维地图设计中的图形 变量 提出了一种比较完整的符号模型 并对基于 npr 技术制作的三维符号进行了实例 验证 18 plesa 与 cartwright 教授分析评估了非真实感三维地图在移动导航设备中的应 用效能 他们一致认为非真实感三维地图相对于传统真实感地图更利于用户使用 而且 制作难度小 数据传输快 19 jahnke 与孟丽秋讨论了非真实感三维地图的实用性 认为 非真实感三维地图结合了真实感三维地图与传统二维地图的优点 更有利于在移动环境 中使用 20 现有三维地理场景极大多数采用仿真的方式即利用真实感模型来表达地理空间 然 而真实感模型过于追求模型的 形似 而忽视了模型的 神似 这显然难以满足人们 的认知需求 非真实感模型一般是以符号的身份进行应用的 是对三维地理空间模型现 有表达形式的重要补充 因此 如何对地理空间进行非真实感符号表达就很值得研究 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 1 2 2 三维地图符号设计的研究现状 自上世纪 90 年代 随着三维可视化技术和虚拟现实技术的出现 三维符号在地理 信息三维可视化方面的应用日益频繁 三维地图符号作为三维地图的基础语言 受到了 国内外地图研究学者的高度重视 并引发了对三维地图符号设计与开发的研究热潮 下 面列举了国内外一些关于这方面的研究案例 petrovic d 将三维符号划分为几何的三维点状符号 形象的三维点状符号 三维线状 符号 三维面状符号以及三维体状符号 论述了各类符号的适用范围 并做了大量的三 维符号设计实例 21 haeberling 分析了地图符号设计的需求 提出了一种面向用户的三维 地图符号设计思路 并研究总结了三维地图的设计规则 对于规范三维地图符号设计有 着重要意义 22 bandrova 在进行三维城市地图符号的设计时 对二维符号和三维符号的 特征做了详细比较 并在此基础上系统分析了三维地图符号设计及建模的基本要求 23 危拥军对三维符号的定义 特征以及视觉变量等问题做了详细的分析论述 并认为三维 符号不是对二维符号的简单否定 而是对二维符号的完善与发展 24 付永恒论述了在三 维可视化环境下传统二维地图符号的应用特点 并认为三维地图符号的设计与应用是对 现有二维地图符号理论体系的继承和发展 后者对三维地图符号体系的构建具有重要的 借鉴和指导作用 25 朱庆提出了三维模型的设计框架 对三维模型的定位 简洁化描述 和逻辑性等内容进行了论述 26 邱茂分析了三维符号建模中的常用算法 并借助相关工 具进行了三维模型实验 27 陈向阳研究总结了三维专题制图的特点 分析了三维符号在 专题地图应用中的优势 并提出了三维专题地图中对于深度的表示方法以及符号的图形 变量 28 徐智勇等人在常规的三维符号视觉参量基础上 引入动态特征 交互操作等参 量并进行了论述 29 通过对国内外研究学者的理论文献及研究成果的学习与分析 笔者总结了当前三维 地图符号设计的三种途径 具体如下 1 利用传统地图符号进行三维扩充 在大比例尺环境下 通过对传统二维地图符号 尤其是大比例尺地图符号进行三维 扩充 然后用于地理空间的三维可视化表达 这种方法在实践中已经取得了一定效果 2 通过 dem 模型与数字影像结合 在 dem 模型上叠加数字影像可以生成立体景观图 同理 通过在 dem 模型上叠加 影像 矢量图形 也会使地表上的房屋 树木等地物 立起来 3 借助专业绘图软件 现有的专业绘图软件比如 3ds max sketchup maya multigen creator 和 auto cad 等都可以用于三维建模 以及三维地图符号的设计 它们在三维绘制中各有特点 基本 可以满足用户的不同需求 但是在数据兼容性方面仍需进一步改进 万方数据 1 绪论 5 迄今为止 在地图学中还没有形成一个系统的 完整的理论用于指导三维地图符号 的设计与制作 传统的二维地图符号相关理论仍然是三维地图符号设计与制作的重要参 考依据 因此 关于三维地图符号设计理论与方法的研究值得我们继续进行下去 1 3 研究目的及意义 现阶段 人们对于三维地理空间的模拟大多采用了高仿真形式 即利用真实感模型 来描述三维地理空间 然而真实感模型因为过于追求模型的 形似 而限制了它的重复 利用价值 其只能指代个别具体的地物 无法指代更多的地物 从三维地图的角度来看 如果符号过于仿真 则会使本该简洁实用的三维地图变成高度写实的三维景观 这样就 产生了很多弊端 比如加大了制图的工作量 增加了数据占用空间 也不利于三维地图 显示速度的提高 对于用户来说 过于仿真的三维地图其冗余信息也必然增多 不利于 突出用户感兴趣的信息 这些问题的存在都极大地限制了三维地图的推广及应用 三维 地理空间模型符号化 就是从符号的角度去研究和解决这些问题 1 4 论文的主要研究内容 三维地理空间模型符号化研究有两个重要的方面 一是如何设计三维地图符号才能 体现地理空间各方面的信息尤其是用户感兴趣的信息 二是如何对三维地图符号进行组 织和管理 本文首先对地理空间认知 三维地图符号等内容进行了研究与分析 奠定了 符号化的理论基础 之后具体探讨了三维地图符号的设计 结合实例对比分析了三维地 理空间模型符号化后的效果 最后对三维地图符号库设计进行了研究 其中 主要的研 究内容有 1 对地理空间认知相关理论的研究 2 三维地图符号的特点分析 视觉变量分析及设计原则分析 3 三维地图符号表达方式研究 4 三维地图符号对象的选取与分类 5 三维地图符号简化设计探究 6 三维地理空间模型符号化设计与实例分析 7 三维地图符号库的设计 1 5 论文组织形式 本文共分为六个章节 第一章 绪论 对论文的研究背景 研究目的和意义作了介绍 从三维地理空间模 型表达形式和三维地图符号设计等方面分析了国内外相关研究的现状 引出了本文的主 要研究内容 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 第二章 地理空间认知 论述了空间认知的相关理论 将空间认知引入到对地理空 间的表达上 分析了地理空间认知的过程机制 论述和比较了地理空间信息的两种传输 模式 对地图空间认知的过程和研究内容作了分析和总结 初步探讨了三维地图空间认 知规律 第三章 三维地图符号 通过对地理信息可视化及其三种表现形式的研究引出了三 维地图符号与三维地理空间模型的关系 深入讨论了三维地图符号的定义 分类及特点 分析了三维地图符号的视觉变量 并对三维地图符号的设计原则进行了总结 第四章 三维地理空间模型符号化设计 分析了三维地图符号的现有表达方式并提 出了一种真实感与非真实感联合的表达方式 研究了三维地图符号对象的选取与分类 提出了一种 再分类 的分类表达思想 对三维地图符号简化设计进行了初步研究 并 结合实例验证了三维地理空间模型符号化的效果 第五章 三维地图符号库设计 讨论了三维地图符号体系 对三维地图符号库设计 的基本内容进行了分析 总结了符号库设计的基本框架 第六章 总结与展望 对论文工作进行了总结 并对未来的研究工作进行了展望 万方数据 2 地理空间认知的研究 7 2 地理空间认知的研究 三维地图展现给我们的是一个直观 形象的三维地理世界 从其制作到使用无不渗 透着人们对于各种信息特别是地理空间信息的认知与表达 研究地理空间认知能够促进 地图符号体系的发展 改进地图符号的设计 在地理空间认知理论指导下建立的三维地 理空间模型和三维地图将更加符合人们的空间认知习惯 更加满足人们的认知需求 2 1 空间认知的相关概述 认知 cognition 通常是指为获取知识而进行的一个心理过程 也是人最基本的心 理过程 包括了对事物的知觉 判断 想象 记忆 感念形成等各种心理活动 30 当外 界事物作用于人的感觉器官时 人脑会捕捉到外物的信息 进而转化成思维 想象 判 断等内在心理活动 支配人的行为 从而反作用于外界事物 认知的过程就是一个如图 2 1 所示的信息加工的过程 图 2 1 认知过程 图 2 2 空间认知相关理论的关系图解 空间认知 spatial cognition 是指对客观现实世界的空间属性如形状 大小 位置 方向 距离 运动以及内部关系等的认知 是对空间信息的获取 处理 存储 传递和 解译 是获取新空间感知经验的过程 31 图 2 2 中展示了空间认知相关理论的关系 地理空间认知 geospatial cognition 是指人们在日常生活中了解和认识地理空间 进行地理空间分析与决策 包括地理空间信息的感知 编码 存储 记忆和解码等一系 列心理过程 32 地理空间认知的对象是人们生存于其中的地理空间 而不是室内空间 桌面空间等狭义空间 在地理空间认知的知识加工中 地理要素的空间属性和非空间属 性是密不可分的 对地理空间认知的研究除了地理要素的空间特征外 还有地理要素本 身的性质以及丰富的地理语意 33 因此 地理空间认知主要关注地理空间中的地理概念 位置参照 依存关系 变化规律以及与认知相关的空间信息表达 如文字语言形式和图 地图空间认知地图空间认知 地理空间认知地理空间认知 认知认知 空间认知空间认知 人脑的加工过程 外 界 信 息 的 获 取 对 信 息 进 行 编 码 存 储 信 息 提 取 所 需 信 息 使 用 信 息 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 8 解符号形式 和行为 如定位和导航 等主题 从地图学的角度来看 研究地理空间认 知就是探索地理要素概念的形成机制 如何把具体的地理要素转化为地图符号 如何把 现实地理空间归纳到符号空间 以及如何由符号空间回归到现实地理空间 34 可见 地图空间认知 map spatial cognition 就是由地图符号空间回归到现实地理 空间的认知过程 是地理空间认知的一部分 地理空间认知是现实地理空间与地图符号系统之间相互联系的桥梁和纽带 研究地 理空间认知能够促进地图符号体系的发展 改进地图符号的设计 在地理空间认知理论 指导下建立的三维地理空间模型和三维地图将更加符合人们的空间认知习惯 更加满足 人们的认知需求 因此 我们在研究如何用三维模型来描述现实地理空间 如何对现实 地理要素进行符号化的同时 研究和学习地理空间认知 地图空间认知的相关理论便非 常具有意义 2 2 地理空间信息的传输模式 信息具有可依附 可传递 可共享和可处理等特性 将所有的信息封存到一个动态 系统中 信息在里面可以进行传递与反馈 这便构成了该信息的传输模式 地理空间认 知的过程就是一个地理空间信息传输的过程 人们在该过程里扮演了重要的角色 地理空间信息泛指各种地理事物的空间几何特征以及空间要素特性的信息 地图作 为地理空间信息的一个数据集合 其载体从人类早期的石头 甲骨 木材 金属 绢 纸张一直发展到今天的磁盘 光盘和计算机等等 从而地图也由原始的手绘地图发展到 现在的机助制图 电子地图和数字城市 其表达方式大致经历了写景式地图 抽象的二 维地图和形象的三维地图 如今 地图发展又在抽象化表达与形象化表达的矛盾选择中 逐渐倾向于形象化 在地图的发展过程中 地理空间信息的传输表现出了二维和三维两种传输模式 从 对地理空间的象形描述 到抽象符号表达 再到仿真的三维地理景观 这些无不体现了 科技的进步 它的每一次进步都为人们带来了更为先进的方法和手段去观察世界和探索 世界 万方数据 2 地理空间认知的研究 9 图 2 3 古代象形地图 2 2 1 地理空间信息的二维传输模式 地图承载的地理空间信息源于制图者对现实地理空间的理解 在人类发展之初 人 们对周围地理环境的认识并不完整 也不会进行测量 制图者只是看到什么就画下什么 简单地表示了地物的位置 大小等信息 因此从出土的原始地图上我们只是看到一些简 单的象形图形 直到了 17 世纪以后 随着三角测量技术的诞生和地形测量技术的发展 地图学发展出现了一个高峰期 通过对前面这些技术的运用 人们开始按照正射投影的 方式来制作地图 地图的精度有了质的飞跃 图 2 4 地理空间信息的二维传输模式 随着人们对地理环境认识的不断深入 越来越多的地理要素和信息需要表达在地图 上 同时还要对地理要素进行分类表达 例如道路有公路 铁路 乡村小路之分 房屋 有平房 多层楼房 高层楼房之分等 如果再用绘画式的方法来表达这些内容就会非常 困难 所以地图学家们就引入了地图符号的概念 用地图符号对这些地理要素进行分类 现实世界 地图产品 符号化 读图者所理解 的现实世界 制图者对现实 世界的理解 读图者对地图符号 的理解和翻译 信息反馈 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 10 分级 用具有共同特征又相互有别的地图符号来表述地理对象 读图者经过一定的训练 后 通过对地图上符号的理解和翻译 便可以获得地图所描述的现实地理空间的信息 所以在地理空间信息的二维传输模式中 制图者要首先掌握现实地理空间的信息 并利用二维的地图符号将这些信息转译到地图上 读图者再通过对这些符号的翻译和理 解 还原成地理空间信息本身 图 2 4 展示了地理空间信息的二维传输模式 2 2 2 地理空间信息的三维传输模式 纵观整个地图发展历程 人们始终都致力于对真实三维地理空间信息的表达 例如 对建筑物模型 军事沙盘等的研究 都是为了直观的表达三维地理空间 但是由于科技 条件的限制 这些实践所表达的三维空间信息都非常有限 自二十世纪以来 随着计算 机软硬件技术和计算机图形图像技术的发展 带来了对地理空间可视化的大变革 用计 算机的图形图像来表达三维地理空间渐已成为一种趋势 通过高分辨率的数字摄影图像 卫星遥感图像以及 3s 技术等 可以获取地物真实的形状 材质和纹理等特征 运用到三 维地理空间表达上 就可以使地图用户更加直观 准确地理解地物的信息 因此 三维 地理空间表达将是今后数字地图发展的重要方向 图 2 5 地理空间信息的三维传输模式 与二维传输模式相同 地理空间信息的三维传输模式也是先把现实地理空间先当成 一个信息源 不同的是制图者会将这些信息转化为各地理要素的三维模型 利用三维地 理空间模型将现实世界的三维场景直观展现出来 地图用户可以通过观察直接理解该三 维地理场景 从中获得自己所需的信息 这是地理空间信息三维传输模式与二维传输模 式最重要的区别 因为在前者的应用上 地图用户往往不需要训练和对符号进行翻译 也能轻松识别三维地理场景 所以在地理空间信息的三维传输模式中 信息是从现实世界出发 制图者将其做成 三维地理空间模型 使信息又还原为虚拟的现实世界 如图 2 5 现实世界 三维地理空间模型 读图者直接观 察并理解 制图者对现实 世界的理解 三维场景的真实 再现 信息反馈 万方数据 2 地理空间认知的研究 11 2 3 地图空间认知概述 地图是人们进行空间认知的主要手段 同时也是人们空间认知的产物 在整个地理 空间认知的过程中 地图空间认知是一个极其重要的环节 地图空间认知的过程就是从 地图符号空间回归到现实地理空间的过程 是从人们对地图符号的感知开始的 然后又 在人脑中经历了对相关要素的表象 记忆和思维等几个基本过程 35 1 感知过程 是指 客观地图符号或者地理要素作用于人的视觉器官后 人脑产生对地图空间的主观感觉与 知觉的过程 感知过程由感开始 通过地图符号对人的视觉器官的作用 人脑可以获得 关于客观地理要素的个别属性 知觉是对各种感觉的综合 通过知觉人脑获得的是对客 观地理要素包括各种属性特征的整体映像 感知过程是地图空间认知的第一步 2 表象 过程 地图空间认知的表象过程是在感知的基础上 经过回忆 联想重现知觉的整体映 像的过程 表象是在对同一事物进行反复感知后形成的 过程中加进了人的主观因素 是人脑对客观事物的能动反应 是对知觉的概括 3 记忆过程 是指人脑对过去经历过 的地理空间环境的识记 保持和再现 是对过去信息进行存储 筛选和提取的过程 根 据作用时间的长短 可以把记忆划分为瞬时记忆 短时记忆和长期记忆 根据内容又可 分为形象记忆 抽象记忆和联想记忆等等 4 思维过程 思维过程是对地图空间认知的 高级阶段 是透过现象看本质的过程 它可以提炼关于地理要素和地理现象本质特征的 认知经验 具有间接性和概括性的特点 地图空间认知理论结合了地图学与认知科学 它是从信息论的观点出发 研究人与 地图之间的关系 包括人们如何从地图中获取空间信息 人脑如何对这些信息进行加工 存储以及在需要的时候如何提取和使用这些信息等等 通过这些研究可以总结人的认知 特点 并以此指导地图有关设计使地图达到最佳传输效果 提高地图的空间认知价值 地图空间认知理论的主要研究内容有 36 1 研究人们借助地图特别是各类电子地图进行空间认知活动时的特点 并据此指导 地图的相关设计 以充分发挥地图的空间认知作用 2 研究人们在制图和用图过程中的空间认知模式 以及形象思维在这过程中的作 用 为智能制图系统的研制提供理论支持 3 研究地图符号在地图空间认知过程中的特点和作用 特别是在三维地图符号方面 的研究 为虚拟地理环境和三维 gis 的发展提供了理论依据 4 研究地图可视化系统在地图空间认知过程中的人机交互特点 为设计符合人们空 间认知规律的人机交互界面提供理论支持 5 研究传统的纸质地图 二维电子地图 三维电子地图 虚拟地理环境等作为空间 认知工具的不同特点 以便为不同用户提供满足其空间认知需求的地图工具 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 12 2 4 三维地图的空间认知规律 地图空间认知研究的是人与地图之间的关系 所谓三维地图的空间认知规律就是指 人们在利用三维地图进行空间认知活动时所表现出的一些规律性特点 可以将其归纳为 三个方面 一是地图认知需求 二是地图信息的视觉传递效果 三是地图的操作习惯 地图认知需求可以理解为人们使用地图的目的或原因 有人曾经做过专门的网络问 卷调查 普通人群使用电子地图 90 以上是由于以下几个原因 一 需要查找一些地域 道路 建筑 单位场所等的准确名称 二 需要按名称查找一些区域 道路 建筑 单 位场所等的位置 三 需要查找公交站点或行车路线 四 需要查找附近的一些功能场 所 如酒店 宾馆 商场 银行 医院等 而城市规划管理人员使用电子地图则多与土 地上的地物分布有关系 例如植被分布 建筑楼群分布 道路分布 管网分布以及其他 公共设施的分布 他们看重的是城市结构和功能的统计分析 从这里我们会发现 人们 其实很少会通过地图去观察地理事物的详细特征 而且在现实生活中 很少有人会去关 心一个垃圾箱的形状和颜色 也很少有人会关心一棵普通行道树的高矮 甚至某些楼房 的具体外观也不会引起我们的注意 这些规律表明三维地图的设计没有必要将所有地理 要素的各方面信息都详细表达出来 而是应该从用户需求出发 突出用户感兴趣的空间 信息 地图是通过地图符号表达地理事物的 其信息的视觉传递效果主要取决于地图符号 不同的视觉因素如形状 尺寸 颜色和纹理等都会使地图符号产生不同的视觉效果 这 些视觉上的差异是我们识别符号含义和分辨符号类别的判断依据 三维模型的视觉差异 同样也影响着三维地图信息的视觉传递效果 也是识别模型和分辨模型的依据 因此 就有必要从三维模型的视觉因素方面去研究三维模型和三维地图的设计 二维地图不论从哪个角度进行浏览 其表现形式都是一成不变的 而三维地图则能 够任意旋转 人们可以从不同的角度去浏览三维地图 而且不同角度下的景象也会有所 差别 因此 三维地图的使用更具灵活性 分析人们使用三维地图的若干操作习惯和规 律 有助于改进三维地图的浏览系统 使三维地图始终以最适合人们认知特点的姿态面 向用户 便于人们进行基于三维地图的空间认知活动 2 5 本章小结 本章首先讨论了空间认知的相关理论 并从地图学角度分析了地理空间认知的过程 机制 其次对比分析了地理空间信息的两种传输模式 包括二维传输模式和三维传输模 式 然后论述了地图空间认知的过程和地图空间认知理论的研究内容 最后初步归纳了 三维地图的空间认知规律 这对后面的研究工作具有重要的指导意义 万方数据 3 三维地图符号的研究 13 3 三维地图符号的研究 二维地图都是以符号为图解语言来表达地理空间的 它们可以看作为一个个符号系 统 因此符号对于如何描述和表达地理空间就显得异常重要 虽然地图形式已经从二维 发展至三维甚至多维 但符号作为表达语言的特征并没有改变 而且从地图学的角度来 讲 三维地图的研究重点也不应该是栩栩如生的景观绘制 而应是真正意义上的三维地 理空间的地图符号化 因此有必要从三维地图符号的角度来探讨三维地理空间的表达 3 1 地理信息可视化 地理信息是地理数据所蕴含和表达的地理含义 是与地理环境要素有关的物质的数 量 质量 性质 分布特征 联系和规律的数字 文字 图形和图像等的总称 37 可视 化 visualization 是利用计算机图形图像处理技术 将数据转换成图形或图像在屏幕上 显示出来 并进行交互处理的理论 方法和技术 可视化技术最早应用于计算机科学中 并发展形成了可视化技术的一个重要分支 科学计算可视化 visualization in scientific computing 科学计算可视化把科学数据 包括测量得来的数值 图像或是计算中产生 的数字信息变为直观的 以图形图像信息表示的 随时间和空间变化的物理现象或物理 量呈现在研究者面前 使他们能够观察 模拟和计算 换句话说 可视化是一个工具 它包括了对图像的理解和综合 能够用来解释计算机中的图像数据和根据复杂的多维数 据生成图像并显示出来 它主要是研究人和计算机如何协调一致地接收 使用和交流视 觉信息 38 可视化流程可以分为五个步骤 1 收集基础信息数据 2 对基础信息数据进行筛选 和过滤 3 将筛选得到的信息进行映射 4 通过映射信息绘制图形或图像 5 在相关 介质上显示绘制的图形或图像 图 3 1 可视化流程 收集基础信息数据 基础信息的筛选和过滤 将筛选得到的信息进行映 射 通过映射信息绘制图形图像 显示绘制的图形图像 用 户 对 可 视 信 息 的 反 馈 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 14 可视化可以通俗的理解为 使其可见 那么地理信息可视化就可以理解为 使地理 信息可见 地理信息可视化就是将地理信息数据转化为直观的 便于人们理解的图形或 图像 让研究者能够观察 分析和探索地理信息所指的地理对象以及现象 从而提高了 人们对地理世界的洞察力 当代地理信息的三种表达工具分别是文字 地图和 gis 后面 两者都是对地理信息的可视化表达 因此 地理信息可视化按照表达载体和工具的不同 可以分为地图可视化 二维 gis 可视化和三维可视化 3 1 1 地图可视化 地图可视化是指对地图所描述的地理空间的可视化表达 地图在其记录与传递地理 空间信息的过程中 使用了特殊的符号语言 地图符号来抽象表达地理空间 使之具 有了风景画和照片都无法可比的科学性和可量测性的优点 地图学家主要从认知的角度 来看待地图可视化 如 scott 将地图可视化形容成 一种对意念图像的创建和操作 maceachren 等则将地图可视化理解为 首要的并且是最重要的一种认知行为 它是人类 在发展意念表达上的能力 这种意念表达有助于