地理信息系统产品的输出设计

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第二节地理信息系统图形输出系统设计第三节地理信息系统的可视化与虚拟现实 第一节GIS产品的输出形式 1 GIS产品及其类型按输出的载体类型分类常规地图 纸张地图 指印刷在纸张 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 数字地图 以计算机为存储和显示载体的地图形式 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 1 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 2 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 3 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 电子地图的基本概念 即已经数字化了的地图 可以存储在数字存储介质上 可以显示在屏幕或打印输出 显示内容可以调整 并且地图连接数据库等 基本特征 1 交互性2 无级缩放3 无缝4 动态载负量调整5 多维化6 信息丰富化7 共享性8 具有基本的计算 统计和分析功能 电子地图 电子地图 按输出的内容和形式分类l 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 它们具有统一的大地控制 统一的地图投影和分幅编号 统一的比例尺系统 1 l万 1 2 5万 1 5万 1 10万 1 25万 1 50万 1 100万 统一的编制规范和图式符号 属于国家基本比例尺地形图 图8 1 它们是编制各类专题地图的基础 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显示特征来看 一般包括空间分布 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 定位图表法 范围法 点值法 分级比值法 分区图表法和动线法等 图8 2 专题地图定点符号法举例 专题地图质别底色法举例 专题地图分区图表法举例 专题地图点值法举例 3 遥感影像地图随着遥感技术 特别是航天遥感技术的发展 遥感影像地图以成为地理信息系统产品的一种表达形式 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 可以将遥感图像编制成遥感影像地图 遥感影像地图具有遥感图象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 统计图表举例 二 网络地图和数字地球1998年1月 美国副总统戈尔在加州科学中心做了题为 数字地球 的演讲 之后 数字地球引起了各国各部门以及众多专家学者的极大关注 戈尔认为 数字地球是一种能嵌入海量数据的多分辨率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 用数字形式表达的真实地球的图形 即数字地图无疑将成为数字地球的基础 第二节GIS图形输出系统设计 图形坐标系与颜色模型图形坐标系统 颜色模型与颜色空间 地理信息系统图形数据结构与数据库 输出的几何变换二维图形变换 三维图形变换 地图投影变换 地形图与专题图的输出组织形式透明图层与影像图层 专题图的符号系统 1 图形坐标系统 l 地球表面的世界坐标系与大地坐标系 世界坐标系 worldcoordinates 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 因此图形输出时应当仍然采用用户所使用的坐标系 用户坐标空间一般为实数域 理论上是连续的 无限的 作业区的左下角的坐标值通常为非零值 我国1 50万和更大比例尺地形图采用的高斯 克吕格投影坐标系 小比例尺地图所采用的各种特定的投影坐标系 某些没有经纬网控制的地区图幅的局部坐标系等均是用户坐标系 大地坐标系 geoeticcoordinates 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 大地坐标采用由大地测量方法决定的大地纬度 B 和大地经度 L 我国从1954年起选定北京某点为坐标原点 用精密天文观测的方法测定该点的天文纬度 天文经度和该点到附近另一点的天文方位角 并把它们分别视为该点的大地纬度 大地经度和大地方位角 其他地方所有控制点的坐标 均由北京原点为起始点测算 这种平面坐标系统 称为 l954年北京坐标系 1980年改为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年大地坐标系 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 用户使用的是对象所在的世界坐标系 用户坐标系 在输出时 往往便用与设备物理参数有关的设备坐标系 devicecoordinates 简称DC 设备坐标系是物理设备的输入 输出门 I O 空间 因此 设备坐标系又称为物理坐标系 每一种图形设备都有其独有的坐标系 如图形显示器使用荧屏坐标系 其坐标原点大都在左上角 绘图机使用绘图坐标系 其坐标原点在板面的左下角等 早期的图形程序 或软件包 大多是在世界坐标系 用户坐标系 上绘图 然后直接映射到设备坐标空间 DC 显示输出 这就给设备的更换和软件的移植带来许多不便 为此 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 normalizeddevicecoordinates 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 2 颜色模型与颜色空间 RGB三原色叠加后的混合色 工业界的一种颜色标准 目前运用最广的颜色系统之一 Red 红 Green 绿 Blue 蓝 CMY CMYK用于彩色印刷Cyan 青 Magenta 品红 Yellow 黄 blacK 黑 RGB 任意色光F r R g G b B RGB色彩空间可用一个三维立方体来描述 CMY CMYK 从白光中减去某种颜色后的颜色彩色印刷中使用一些能够吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或颜料CMY空间与RGB空间互补在印刷术中常加一种真正的黑色 故CMY又写成CMYK 相减原色及其混合色 3 地理信息系统图形数据结构与数据库P228 1 二维矢量图形结构 2 栅格图像数据结构 2 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 在此分别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 1 二维图形变换二维图形的变换类型主要包括比例 旋转 平移 镜像 观察变换等 1 比例变换 比例变换就是将平面上任意一点 x y 的横坐标放大或缩小s11倍 纵坐标放大或缩小s22倍 2 旋转变换 旋转变换就是将平面上任意一点绕原点旋转 角 一般规定逆时针方向为正 顺时针方向为负 3 平移变换 平移变换是将平面上任意一点沿x方向移动tx 沿y方向移动ty 4 镜像变换 镜像变换就是将平面上的三维图形绕一直线ax by c 0作对称变换 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 通过修改窗口的位置和大小 就可以实现对画面的漫游和缩放 二维图形的几何变换 比例变换SCALE旋转ROTATE平移MOVE镜像MIRROR观察变换PAN ZOOM 2 地图投影变换在地理信息系统中 各种地图图形的输出是其产品的主要表现形式 比例尺 投影和图例是地图必须具备的三项基本要素 所谓地图投影 就是建立平面上的点 用平面直角坐标或极坐标表示 和地球表面上的点 用纬度和经度表示 之间的函数关系 用数学式表达这种关系 就是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 下面介绍地图投影的类型和常用投影的正反解计算 地图投影类型 地图投影基本上可以依外在的特征和内在的性质进行分类 前者体现投影平面上经纬线投影的形状 具有明显的直观性 后者则是投影变形的实质 首先按照经纬线形状来分类 P230其次 按照变形特征来分类P230 在我国 国家基本比例尺系列地形图 1 l万至1 50万 采用全球统一分带的高斯 克吕格投影 1 100万则采用正轨等角割圆锥投影 Lambert投影 大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也采用了这一投影 少部分采用了斜轴等距离方位投影 中国全图多采用斜轴方位投影 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 投影变换通常采用三种方法 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 当需要将原图投影的直角坐标反算到地理坐标时 最常用的就是反解方法 而把地理坐标代入新图投影的公式 求得新图投影的直角坐标 即为正解 2 3地形图与专题图的输出组织形式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 例如 第一个图层包含国家界线 第二个图层有表示各省会城市的符号 第三个图层由文本标注组成 将这些透明的图层叠加在一起就建立了一幅完整的地图 利用透明图层可以实现GlS数据的制作和管理 同时又不影响地图输出 MapInfo中利用layer表示图层 ARC INFO中是用Coverage表示图层的 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 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最或数最特征 专题图的符号可以分为点位符号 线状符号和面状符号 1 点位符号 点位符号包括简单符号 结构符号 扩展符号和统计符号图 8 7 根据制作方式又分为象形符号和规则符号 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 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 图8 9 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描述 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 专题图的符号系统举例 点符号 线符号 面符号 地图注记的种类注记的字体 字级和颜色注记的排列和配置 地图注记 地图上的注记可分为名称注记 说明注记和数字注记三种 1 名称注记说明各种事物的专有名称 如居民点名称 2 说明注记用来说明各种事物的种类 性质或特征 用于补充图形符号的不足 它常用简注表示 3 数字注记用来说明某些事物的数量特征 如高程等 地图注记的种类 地图上常用不同的字体表示不同的事物 常用的字体有宋体 等线体 仿宋体和横线体 地图上注记尺寸的大小 以照相排字机注明的规格为标准 在一幅图上 按照事物的重要程度和意义 采用不同的字级 以便使注记大小与图形符号相对应 注记的颜色只有色相的变化 颜色的选用要与注记所表示的事物类别相联系 注记的字体 字级和颜色 汉字注记通常有水平字列 垂直字列 雁形字列 注记的字向指向北方或图廓上方 和屈曲字列 注记的字向与注记文字中心线垂直或平行 等等 注记配置的基本原则是不应该使注记压盖图上的重要部分 注记应与其所说明的事物关系明确 注记的排列和配置 注记的排列和配置 图面设计包括图名 比例尺 图例 插图 或附图 文字说明和图廓整饰等 图名 专题地图的图名要求简明图幅的主题 一般安放在图幅上方中央 字体要与图幅大小相称 以等线体或美术体为主 比例尺 比例尺有两种表示方法 一是用文字 如一比四百万 或数字 如1 4000000 表示 二是用图解比例尺表示 比例尺一般放在图例的下方 也可放置在图廓外下方中央或图廓内上方图名下处 地图图幅整饰 图例 图例符号是专题内容的表现形式 图例中符号的内容 尺寸和色彩应与图内一致 多半放在图的下方 附图 附图是指主图外加绘的图件 在专题地图中 它的作用主要是补充主图的不足 专题地图中的附图 包括重点地区扩大图 内容补充图 主图位置示意图 图表等 附图放置的位置应灵活 文字说明 专题地图的文字说明和统计数字 要求简单扼要 一般安排在图例中或图中空隙处 其他有关的附注也应包括在文字说明中 地图图幅整饰 5 2地图排版布局 地图排版布局 第三节GIS的可视化与虚拟现实 三维空间图形模型线框模型与面模型 实体模型 数字地面模型的构造网格表面构造 隐藏线与隐藏面的消除 虚拟现实的设计与实现真实感图形与纹理贴图 光照模型和光线跟踪 视差原理与体视图的生成 VRML结构与虚拟现实的实现方法 空间信息的三维建模三维的GIS中空间三维信息的直接获取是一件非常困难的事情 尽管摄影测量与遥感和计算机视觉等领域在多源影像数据利用和自动三维重建方面取得了长足进步 特别是激光扫描技术 干涉雷达测量技术和高分辨率卫星图像技术等的应用 为大范围三维景观模型的快速获取提供了可能 由于各种应用的不同 多种途径的三维信息获取技术混合使用的状况将会延续相当长的时间 1 LOD模型所谓LOD levelsofdetail LOD 模型 是指对同一个场景中的物体采用具有不同细节水平 或称精细程度 的一系列模型 它广泛使用于控制场景的复杂程度并加速三维复杂场景的实时可视化描绘中 其类似于栅格影像数据处理中的多分辨率概念 即影像金字塔 LOD技术是指计算机在生成视景时 根据该物体所在位置离视点距离的大小 分别调入详细程度不同的模型参与视景的生成 2 多分辨率建模方法根据不同细节层次建模需要 可以分别采用以下不同的数据源和建模策略重建三维场景模型 根据DEM重建逼真的地形表面形态 通过叠加正射影像数据生成真实感很强的虚拟景观 直接使用CAD 3DS 3DMAX等设计数据 逼真表示规划设计成果的精细结构和材质特征 这种方法可以达到较高水平的细节程度 不仅能表示目标外观 而且还能充分展现目标的内部形态 利用摄影测量 激光扫描或其他地面测量手段采集的三维编码数据和实际影像纹理逼真表示建筑景观的现状 该方法一般不表示实体内部特征 根据不同分辨率的图像可以达到各种细节水平 广泛用于大范围场景模型的快速重建 根据建筑物的底部边界线 传统的二维线划数据如GIS中的DLG 和相应的高度属性进行三维重建 表面纹理则可以采用纹理材质数据库中的简单数据直接生成 该方法主要用于表现较低细节水平的景观轮廓特征 3 CAD与三维GIS的集成城市规划 建筑设计等领域广泛应用着基于CAD的三维建模与编辑方法 将这种方法产生的三维模型数据纳入GIS 实现CAD数据与GIS数据的集成有两个重要意义 一是城市规划 建筑设计普遍采用CAD生产 CAD数据广泛可得 二是CAD在三维模型创建与编辑上具有独特的技术优势 一些复杂而难于创建 但很实用的地物模型 如城市中的艺术建筑 交通导航所使用的航标等 利用CAD系统创建和编辑往往比较方便 因此 三维GIS的成功应用迫切需要与CAD进行有机的集成 三维景观显示 1 基于纹理映射技术的地形三维景观真实地物表面存在着丰富的纹理细节 人们正是依据这些纹理细节来区别各种具有相同形状的景物 因此 景物表面纹理细节的模拟在真实感图形生成技术中起着非常重要的作用 一般将景物表面纹理细节的模拟称为纹理映射技术 2 基于遥感影像的地形三维景观各类遥感影像数据 航空 航天 雷达等 记录了地形表面丰富的地物信息 是地形景观模型建立主要的纹理库 3 基于地物叠加的地形三维景观将图像的纹理叠加在地形的表面 虽然可以增加地形显示的真实性 但若是能够在DEM模型上叠加地形表面的各种人工和自然地物 如公路 河流 桥梁 地面建筑等 则更能逼真地反映地表的实际情况 而且这样生成的地形环境还能进行空间信息查询和管理 虚拟现实技术虚拟现实 VirtualReality VR 是计算机产生的集视觉 听觉 触觉等为一体的三维虚拟环境 用户借助特定装备 如数据手套 头盔等 以自然方式与虚拟环境交互作用 相互影响 从而获得与真实世界等同的感受以及在现实世界中难以经历的体验 随着三维信息的可得和计算机图形学技术的发展 地理信息三维表示不仅追求普通屏幕上通过透视投影展示的真实感图形 而且具有强烈沉浸感的虚拟现实真立体展示日益成为主流技术之一 虚拟现实技术场景图 VR基本特征包括多感知性 multi perception 自主性 autonomy 交互性 interaction 和临场性 presentation 自主性指VR中的物体应具备根据物理定律动作的能力 如受重力作用的物体下落 交互性指对VR内物体的互操作程度和从中