第7章-空间数据可视化.ppt

第七章空间信息可视化 地理信息工程教研室 2 主要内容 3 空间信息可视化 一 空间信息可视化的基本概念二 空间信息可视化的形式三 GIS中空间信息可视化的过程 4 空间信息可视化 一 空间信息可视化的基本概念 1 可视化 可视化是将符号或数据转化为直观的图形 图像的技术 它的过程是一种转换 它的目的是将原始数据转化为可显示的图形 图像 从而全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征 便于最迅速 形象地传递和接收它们 5 空间信息可视化 2 空间信息的可视化 是指运用地图学 计算机图形学和图像处理技术 将地学信息输入 处理 查询 分析以及预测的数据及结果采用图形符号 图形 图像 并结合图表 文字 表格 视频等可视化形式显示 并进行交互处理的理论 方法和技术 一 空间信息可视化的基本概念 6 空间信息可视化 1 地图 二 空间信息可视化的形式 7 空间信息可视化 8 空间信息可视化 2 多媒体信息 综合 形象地表现空间信息 使用文本 表格 声音 图像 图形 动画 音频 视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念 是空间信息可视化的重要形式 各种多媒体形式能够形象 真实地表示空间信息某些特定方面 作为全面地表示空间信息的不可缺少的手段 二 空间信息可视化的形式 9 空间信息可视化 10 空间信息可视化 它是利用地图动画技术 直观而又逼真的显示地理实体运动变化的规律和特点 3 动态地图 二 空间信息可视化的形式 11 空间信息可视化 三维仿真地图是基于三维仿真和计算机三维真实图形技术而产生的三维地图 它是通过三维到二维的坐标转换 隐藏线 面消除 阴影处理 光照模型等技术把三维空间数据投影显示在二维平面上所形成的 也可以进行各种三维的量测和分析 4 三维仿真地图 二 空间信息可视化的形式 12 空间信息可视化 是空间信息可视化进一步研究和发展的新方式 它是由计算机和其它设备如头盔 数据手套等组成的高级人 机交互系统 以视觉为主 也结合听 触 嗅甚至味觉来感知的环境 使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用 5 虚拟现实 二 空间信息可视化的形式 飞行模拟战斗模拟 模拟VR技术最先进的应用领域就是军事领域 13 空间信息可视化 14 空间信息可视化 制作三维电子地图虚拟现实环境与利用地理信息 制作数字地图 电子地图 在VR技术中 存放在 世界数据库 中的VR环境数据是不可缺少的部分 VR是一个正在迅速发展的技术领域 其前景无可限量 15 空间信息可视化 1 GIS可视化 GIS中空间信息可视化 实质在于如何将存贮在GIS数据库中的空间数据以可以为人们的视觉所感知的方式表现出来 其着重于技术层次上 例如数据模型 空间数据模型 时空数据模型 的设计 二维 三维图形的显示 实施动态处理 时空多维动态模拟等 目标是用图形图像呈现地学信息处理和分析的结果 三 GIS中空间信息可视化的的过程 16 空间信息可视化 三 GIS中空间信息可视化的的过程 2 GIS可视化的过程 由于计算机中存贮的数据往往不能直接满足可视化的需求 因此可视化的过程实际包含了以下几个部分的内容 确定地图内容 预处理 符号化 注记和图例配置 地图整饰地图的输出 17 空间信息可视化 确定地图内容 注记和图例配置 地图整饰 地图输出 投影变换 数据处理 符号化 数据预处理 18 空间信息可视化 确定地图内容 无论制作什么地图 首先必须根据地图用途确定地图内容 即必须确定地图上应表示哪些要素 如河流 道路等 对于专题地图来说 地图内容可分为底图内容和专题内容 在GIS的地图制图系统中 可以用人机交互的方式确定地图内容 如果是对GIS当前的分析结果制图时 当前的分析内容就是所需要表示的地图内容 当然也可以叠加上一些底图要素 数据来源于空间数据库 其手段就是通过空间数据库的检索 19 空间信息可视化 数据预处理 投影变换数据库中的空间数据或者是以地理坐标存储的 或者是以某种地图投影存储的 因此 往往需要对空间数据进行投影变换 以符合当前所需制作地图的要求 20 空间信息可视化 数据预处理 数据压缩空间数据库内几何数据是匹配于数据库比例尺的数据密度 当所需可视比例尺变化 尤其是缩小后 数据冗余很大 必须压缩 21 空间信息可视化 数据预处理 数据转换目前GIS空间数据库政出多门 不够统一规范 因而一个可视化系统很难即时适应众多空间数据库 因此必须进行必要的数据类型及格式的转换 可完成矢量转换 关系转换和栅格转换 它是由一系列特定的转换模块完成的 22 空间信息可视化 数据预处理 数据处理是指属性数据的处理 如分类和分级 和几何数据的处理 如坡度的计算等 是为地图内容的符号化所作的准备工作 23 空间信息可视化 符号化 所谓符号化 就是利用空间数据库得到的分类编码及相应符号和实体抽象后得到的定位中心点或轴线坐标数据 以形成有限可见空间内的图形符号模型的过程 根据其所处理的数据类型和符号化的方法可分为对属性数据的符号化和对几何数据的符号化 24 空间信息可视化 符号化 对属性数据的符号化 如对道路等级 人口数的符号化 可根据数据的数学属性选择相应的地图符号视觉变量对其进行表示 而几何数据的符号化很难用视觉变量原理来解释 如对地形 气压的符号化 需要用特殊的方法 如等值线 三维立体图等 来表示 常用的符号化的实现途径有两种 程序块方法和人机交互法 符号编辑器 25 空间信息可视化 程序块方式是将地图符号分解为图元 然后通过程序的方法相继调用绘制这些图元的函数 由图元的组合来实现地图符号的生成 在调用或制图元函数时 根据符号的特点和定位关系输入适当的参数 缺点 不便于修改 它的每一个符号都有一个子程序 符号变动时 须修改函数程序 继承性不强 而且操作员要会读写程序 26 空间信息可视化 画油库voidCNO1View DrawYouKu CDC pDC doublem dblTimes doublex doubley Chord3Points pDC 1 x 2 m dblTimes y x y 2 m dblTimes x 2 m dblTimes y Chord3Points pDC 2 x 2 m dblTimes y x y 2 m dblTimes x 2 m dblTimes y 画加油站voidCNO1View DrawJiaYouZhan CDC pDC doublem dblTimes doublex doubley pDC MoveTo int x 2 m dblTimes int y pDC LineTo int x int y pDC LineTo int x int y 3 m dblTimes Chord3Points pDC 1 x 2 m dblTimes y 5 m dblTimes x y 7 m dblTimes x 2 m dblTimes y 5 m dblTimes Chord3Points pDC 2 x 2 m dblTimes y 5 m dblTimes x y 3 m dblTimes x 2 m dblTimes y 5 m dblTimes 27 空间信息可视化 人机交互方式在许多图形设计软件中 都有一系列的图元绘制工具供用户选择和使用 用户采用精确输入的方法构成符号的各个图元按相互之间确定的关系有机的组合起来 并选择一定的定位点 绘制好的符号起个名字存放在相应的符号库中 当是点状符号时 调用时只要给出定位点 所要的点状符号就会自动配置上去 如果是线状符号 光标只要沿定位线移动 就形成相应的线状符号 如果是面状符号 只要给定边界 面状符号就会填绘上去 28 空间信息可视化 29 空间信息可视化 人机交互方式这种符号绘制的方法十分方便 而且便于修改 不需要编程 大大方便了用户 提高了效率 减轻了工作量 代表了符号设计和绘制的方向 在MapGis MapInfo AutoCAD icroStation等多种图形设计软件中符号都是这样绘制出来的 30 空间信息可视化 地图注记和图例的配置 点注记的自动配置一个点注记有8个方向可以配置 按优先级右 上 下 左 进行搜索不能压盖点状地物不能压盖道路交叉口 包括道路的入口和出口不能压盖境界线 且不超过其所在的区域界线 31 空间信息可视化 点注记的自动配置不能压盖其他注记 可以压盖非同色线状地物 不能压盖同色且级别较高的线状地物 允许压盖时 线状地物在压盖处应该断开 允许注记回溯 即出现压盖时 对前面已经压盖的注记进行重新定位 32 空间信息可视化 线注记的自动配置不能压盖点状地物符号 不能压盖其他注记 不能压盖境界 并在其区域界线内线要素长度超过一定值时 要分段重复注记 33 空间信息可视化 面注记的自动配置注记放在面域之外 不能压盖重要地物 境界线和注记 面积大于一定值时 要重复注记在面域内注记 一般沿水平或垂直方向或沿面域要素骨架线配置当注记在面域内配置不下时 而又必须配置在面域内时 应适当缩小注记尺寸 34 空间信息可视化 人机交互进行注记配置人机交互进行注记配置应有的功能1 选取字体2 移动字大3 拆字字色4 字的修改字间距5 增字字形6 保存旋转角7 删字内容的修改 35 空间信息可视化 GIS中的自动综合 通俗意义上的综合是思维的抽象化过程 从细到粗的思维过程 在非地图研究领域也存在 人物漫画 卡通画 文章摘要 长篇小说改编 体现两方面 保留重要内容 保留的内容以简化形式表达 什么是综合 36 空间信息可视化 地图 GIS数据综合 37 空间信息可视化 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 38 空间信息可视化 目的在于建立一个多尺度的或独立与比例尺的GIS 或者建立一种比例尺的地理数据库 供多比例尺GIS显示 分析和制图输出 而无需把所有比例尺的地图数据都入库 Goodchild在一份关于 数字地球 核心技术的研究报告中指出DE技术的核心之一是跨比例尺多分辨率数据的集成 综合 从观察全地球的10km分辨率到观察树木 汽车的1m分辨率 至少要跨越104比例尺倍率的综合技术支持 GIS地图综合的目的 39 空间信息可视化 满足GIS屏幕显示和分析需要的自动制图综合满足输出较小比例尺可视化地图产品 纸质地图 的自动综合 GIS自动综合的两类任务 图形信息的自动综合专题信息的自动综合 GIS自动综合的两类任务 40 空间信息可视化 轮廓形状的化简要素的选取图形的合并夸大移位 图形信息的自动综合 自动制图综合的基本方法 41 空间信息可视化 街区块的合并及道路拓宽 42 空间信息可视化 专题信息的自动制图综合对于专题信息而言 它的自动制图综合除了数量选取 图形化简以外 更重要的是现象的质量特征与数量特征的综合 或者说是有数据到数据的总和 其综合的结果体现在形成新的分类分级体系 43 空间信息可视化 土地利用 多边形删除剖分 44 空间信息可视化 要绘制一副完整的地图往往需要有图廓 图名 接图表 指北针 比例尺等各种图饰 这就是地图的整饰工作 地图输出 地图输出的主要任务是将地图数据处理和符号化的结果 变成输出装置可识别的信号 以驱动输出装置产生地图图形和地图注记 地图整饰 45 空间信息可视化 46 空间信息可视化 3 GIS的地图产品 按形式分 纸质地图电子地图数字地图按状态分 静态地图动态地图 47 符号库设计 一 地图语言与符号系统二 地图符号库三 地图符号设计与管理 48 符号库设计 地图 是一种信息的传输工具 它实现了从制图的地理环境到用图者认识的地理环境之间的信息传递 其间 地图语言是地图作为信息传输工具不可缺少的媒介 制图者借助地图符号语言对客观环境进行图形模拟 把自己对客观环境的认识通过地图的形式传输给用途者 一 地图语言与符号系统 地图语言 地图符号系统 1 地图语言 49 符号库设计 地图制图者 信息获取 地图语言 信息存在方式 地图使用者 信息接收 客观世界 空间信息 地图 信息载体 编码 译码 50 符号库设计 2 地图语言的构成 地图符号及其系统 在地图语言中 最重要的是地图符号及其系统 被称之为图解语言 同文字语言相比 图解语言更形象直观 一目了然 即可显示出制图对象的空间结构 又能表示在空间和时间中的变化 地图注记是地图符号的组成部分 它借用自然语言和文字形式来加强地图符号的表现效果 完成空间信息的传递 它与地图符号配合使用 以弥补地图符号的不足 51 符号库设计 地图色彩是地图语言的一个重要内容 它除了有充当地图符号的一个重要角色之外 还有装饰美化地图的功能 是地图语言的重要内容 地图上运用色彩可增强地图各要素分类 分级的概念 反映制图对象的质量与数量的多种变化 利用色彩与自然地物景色的象征性 可增强地图的感受力 运用色彩还可简化地图符号的图形差别和减少符号的数量 运用色彩又可使地图内容相互重叠而区分为几几个 层面 提高了地图的表现力和科学性 地图符号及其系统 52 符号库设计 二 地图符号库 1 地图符号库的概念 地图符号库就是将常用的符号经分类整理后以数据库的形式存储到计算机中 实现其数据库的管理功能 用于符号信息的检索 存储 修改 定义和符号的重组 地图符号库简单来说就是一个管理地图符号的数据库 它首先应该是一个结构完整 功能完备的数据库 同时还应该称为GIS的一部分 符号库管理子系统 53 符号库设计 2 地图符号库的功能 各种地图符号的存储地图符号的建立地图符号的修改地图符号的删除地图符号的显示地图符号的查询 检索地图符号的输出 调用等 54 符号库设计 3 以往符号库的设计方法及局限性 以往符号化的做法是每套系统针对具体的任务开发一套符号化软件 一个符号用一段程序来实现 符号化软件与具体系统捆绑在一起 当系统发生变化时 符号软件相应地也要变动 而且很难适应新符号的设计和制作 另外 用户在使用时 必须了解符号软件的结构及其提供的功能函数 了解这些函数的使用方法和要求 给用户带来很大的不便 55 符号库设计 1 普通地图符号的设计 三 地图符号设计与管理 点状符号图形形体相对较小点状符号图形都有准确的定位点和方向性点状符号图形固定 不随它在图幅中位置的变化而变化点状符号图形大小不随比例尺的变化而变化点状符号图形比较规划 大都是几何图形构成 点状符号的设计 点状符号的特点和构图规律 56 符号库设计 任意线段和规则几何图形称为图元 Cell 一个点状符号就以图元为基础进行设计 设计时以一个统一的坐标系 符号空间 为准 坐标系的原点就是此点状符号的定位点 其定位点的选取必须遵从图式规定 点状符号的符号描述信息 即点状符号中图元的大小 位置 相互关系 是由图元控制点与符号定位点间的关系推导出来的 点状符号的构造原理 57 符号库设计 通过对地图图式中线状符号结构的分析 符号制作系统中用来构造符号的基本图元可以是以下几种 点 直线 折线 或多边形 曲线 圆 椭圆 弓形 扇形 文字 点状符号的构造原理 58 符号库设计 点状符号库的数据存储结构 59 符号库设计 线状地图符号的设计 线状符号的特点和构图规律 线状符号是用来表示地图上长度依比例 而宽度不依比例的顺线状延伸分布的地物 如河流 沟渠 道路等符号 线状符号都有一条有形或无形的定位线 线状符号可进一步划分为曲线 直线 虚线 点状符号线等 线状符号的图形可看作若干图形组合而成 例如虚线是由短直线和空白段组合而成 60 符号库设计 线状符号的构造原理 线状符号的形状变量指的不是线状符号的整体形状 而是指构成线状符号的基本单元的形状 这个基本单元是一个区段 它可以由一些简单几何图形 图元 组成 线状符号就是多个同样形状的区段沿定位线循环配置而成的 61 符号库设计 其中符号代码是符号的标识 用来区别各符号 配置方式是区分符号类型的标识 0代表一次配置 1代表两端配置 2代表循环配置 3代表组合配置 62 符号库设计 其中位置码表示该图元的位置特征 位置码为0 图元位于循环段 位置码为1 图元位于线要素的首端 位置码为2 图元位于线要素的末端 63 符号库设计 面状地图符号的设计 面状符号的特点和构图规律 面状符号是指地图上用来表示呈面状分布的物体或物理现象的符号 它在二维图的各个方向上都能依比例表示 面状符号的特点 一般有一个有形或无形的封闭轮廓线 为区别轮廓范围内的对象 多数面状符号要在轮廓范围内配置不同的点状 线状符号或普染颜色 64 符号库设计 面状符号的构造原理 65 符号库设计 面状符号库的索引文件 面状符号库的数据文件 66 符号库设计 2 专题地图符号的设计 点状专题符号的设计 线状专题符号的设计 面状专题符号的设计 67 地图输出 一 GIS中地图输出的形式及特点二 GIS中地图的硬拷贝输出 68 地图输出 一 GIS中地图输出的形式及特点 1 GIS中地图输出的形式 GIS中地图输出的主要任务是将地图数据处理和符号化的结果 变成输出装置可识别的信号 以驱动输出装置产生地图图形和地图注记 GIS中地图输出的形式有两种 一种是屏幕显示输出 一种是硬拷贝输出 69 地图输出 计算机屏幕显示地图 70 地图输出 绘图仪 A3幅面 297 420 激光打印机 直接制版机 喷墨打印机 71 地图输出 数字直接制版机 印刷机 72 地图输出 2 GIS中地图输出的特点 GIS中的地图以地理数据库为后盾 可以不受地图分幅的限制 避免地图拼接 剪贴 复制的烦琐 在输出时的比例尺也可以在一定范围内调整 不受传统地图固定比例尺的限制 GIS中的地图可以提供远远超过传统地图的内容 供用户选择 在进行制图输出时 根据需要可以分要素 分层和分级地提供空间数据 避免了传统地图上用不用都一揽子表示在作法 特别有利于要素图和专题图的绘制 73 地图输出 2 GIS中地图输出的特点 GIS中的地图是存于介质上的数据 又具有修改更新的软件支持 只要数据来源通畅 更新起来较为方便 传统地图虽有修测和再版的制度 但更新周期过长 不能表示地面上的最新变化 GIS数字环境中地图符号的含义从符号中分离出来 计算机不能根据符号的形状与几何属性判断符号所表达的是什么实体 因此 与符号有关的内涵信息应明确地表示出来 74 地图输出 2 GIS中地图输出的特点 在GIS数字环境中 符号化的地图图形在显示时受到限制 最显著的是 电子地图在不同方向上有不同的精度控制 这是因为 电子显示设备只能在水平方向与垂直方向实施控制 这常常对地图图形显示的视觉效果产生不良影响 75 地图输出 GIS中制图输出的手段多种多样 有屏幕显示输出 打印机或绘图机纸张输出 印刷胶片输出等 由于这些输出设备在坐标系 坐标单位和颜色空间方面都不同 因此很难做到在不同的输出方式下地图符号显示的视觉效果都令人满意 76 地图输出 二 GIS中地图的硬拷贝输出原理 PostScript语言 PostScript语言是美国Adobe公司于1985年推出的具有很强的图形图像处理能力的解释性语言 PostScriptLevelI 其最大优点就是能够综合处理文字和图像 将图文信息形