地理信息系统概论-第八章PPT课件

1,.,第八章地理信息系统产品的输出设计,.,2,第一节地理信息系统产品的输出形式,GIS产品是指经空间数据处理与空间分析长产生的可以供专业人员或决策人员使用的各种地图、图表、图像、数据报表或文字说明等。GIS的输出内容主要包括空间数据和属性数据两部分。按照不同的表示，地理信息系统产品的输出形式有多种。按其载体形式，可分为常规地图和数字地图；按输出的内容形式，可分为全要素地形图、各类专题地图、遥感影像地图和统计图表、数据报表等。,.,3,1.常规地图常规地图通常是印刷在纸张、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。,一、按输出的载体类型分类：,.,4,2.数字地图地理信息系统的完善和发展，改变了人们对传统地图的认识以及地图的生产工艺，同时也出现了一种崭新的地图形式数字地图。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：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。,.,5,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。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。在数字地图的基础上提出了数字地球的概念，数字地球是一种能像如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，用数字形式表达得真实地球的图形，即数字地图无疑将成为数字地球的基础。,.,6,二、按输出的内容和形式分类,1.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、独立地物等地理要素，采用统一的坐标系统、统一的地图投影和分幅编号，统一的比例尺系统，统一的编制规范和图式符号，属于国家基本比例尺地形图。,.,7,2.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现实特征来看，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、定位图标法、范围法、点值法、分级比值法、分区图标法和动线法等。,.,8,3.遥感影像地图遥感可以提供及时、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，可以将遥感图像编织成遥感影像地图。遥感影像地图具有遥感图像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。,.,9,4.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。,.,10,第二节地理信息系统图形输出系统设计,地图的图形输出是地理信息系统产品的主要表现形式。因此，地理信息系统的图形输出设计直接关系到地理信息系统产品输出的质量。,.,11,1.图形坐标系与颜色模型1.1图形坐标系统1.1.1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，也称为用户坐标系。用户坐标空间一般为实数域，理论上是连续的、无限的。,.,12,大地坐标系（geodeticcoordinates）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。1980年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”。,.,13,1.1.2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，用户使用的时对象所在的世界坐标系（用户坐标系）。在输出时，往往使用于设备物理参数有关的设备坐标系（devicecoordinates，简称DC）。设备坐标系时物理设备的输入/输出（I/O）空间。因此，设备坐标又称为物理坐标系。,.,14,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。,.,15,1.2颜色模型与颜色空间颜色模型就是对一个三维颜色坐标系统的一种规定，也是这一坐标系统中的一个三维子空间。颜色模型有多种，如用于彩色监视器的RGB模型；用以彩色印刷设备的CMYK模型。这里主要介绍常用的RGB模型和CMYK模型。1.2.1RGB颜色模型红（R）、绿（G）、蓝（B）颜色模型是计算机图形学中使用较多的RGB加色系统。三种原色是叠加性的，即把每一原色单独的贡献在一起，从而形成一种混合色。,.,16,添加原色R、G、B，是混合色与样本色匹配的配色过程可用数学公式表示为:C=rR+gG+bB式中：C为样本式：r，g，b为C的匹配系数。,对于彩色监视器，规定产生最大亮度的的白色的匹配系数均为1，因此颜色显示其所能产生的颜色的匹配系数r，g，b满足：0r1，0g1，0b1,.,17,1.2.2CMYK颜色模型青色（C）、洋红（M）、黄色（Y）分别是红色、绿色和蓝色的原色加上黑色（Key）构成的颜色模型。CMYK颜色模型中的三种颜色是通过从白光中消除或减去某种颜色来规定的，如青色是从白光中间去红色得到的，品红是从白光中间去绿色得到的，黄色是从白光中间去蓝色得到的。,青色、品红和黄色又成为颜料的三原色。对那些将彩色颜料沉积到纸上的硬拷贝设备来说，CMYK模型非常重要。,.,18,CMYK颜色模型和RGB颜色模型的关系可通过下式表示：,.,19,1.3GIS图形数据结构与数据库1.3.1二维矢量图形结构根据空间要素种类的不同，地理信息系统中二维矢量图形结构可有不同的表达方式。,点状要素由一个表示其几何位置的坐标对（X，Y）表达。线状要素则由一组标串（X1，Y1），（X2，Y2），（Xn，Yn）表示。面状要素则有一个首尾相连的坐标串（X1，Y1），（X2，Y2），（Xn，Yn），（X1，Y1）或多个坐标串表示。符号和文字的位置可由几何中心的坐标表示。,.,20,1.3.2栅格图像数据结构栅格数据是空间数据的表示方法之一，任何一面状分布的对象都可以用栅格数据逼近。栅格数据的每个元素可以用行和列唯一地标识，而行和列的数目则取决于栅格的分辨率和实体的特征。一个使用的数据处理系统，必须使组织的栅格数据符合一下基本要求：有效地逼近分析对象的分布特征最大限度地压缩存储的数据量数据提取和分析的逻辑单位为数据串栅格数据易于表示面状要素，特别是地图数据与图像数据的混合处理和应用，已成为当前地理信息系统发展的主要趋势。,.,21,2.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。在此问题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。2.1二维图形变换二维图形的变换主要包括比例、旋转、镜像、观察变换等。,.,22,2.1.1平移变换x*=x+dxy*=y+dy其中，dx、dy分别为x,y方向平移量，相应的向量形式为：x*,y*=x,y+dx,dy,.,23,.,24,2.1.3旋转变换将点(x,y)旋转角x=A.cos,y=A.sinx*=A.cos(+)=A.(cos.cos-sin.sin)=x.con-y.siny*=A.sin(+)=A(sin.con+con.sin)=x.sin+y.con矩阵为：x*,y*=x,y.consin,-sincon,.,25,2.1.4镜像变换镜像变换就是将平面上的二维图形绕一直线ax+by+c=0做对称变换。镜像变换用矩阵运算表示为：,.,26,2.1.5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。二维观察变换用矩阵运算表示为：,.,27,2.2地图投影变换地图投影：就是建立平面上的点（用平面直角坐标系或极坐标表示）和地球表面上的点（用纬度和经度表示）之间的函数关系。用数字式表达这种关系，就是：x=f1(,)x=f2(,)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。,.,28,2.3.1地图投影类型按照经纬形状来分类地图投影分类表,.,29,按照变形特征来分类地图投影分类表,2.3.2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。,.,30,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。正反解计算公式p232233,.,31,3.地形图与专题图的输出组织形式3.1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。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。,.,32,3.2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量或数量特征。专题图的符号可以分为点位符号、线状符号和面状符号。3.2.1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，根据制作方式又分为形象符号和规则符号。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。,.,33,3.2.2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，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来描述。,.,34,3.2.3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。,.,35,第三节地理信息系统的可视化与虚拟现实,纸质地图是地理信息系统的一种重要输出形式。毫无疑问，它是可视化的产品。但是随着计算机技术，尤其是计算机图形学技术和图像处理技术的发展，一种动态的、交互式的地理信息系统可视化产品正在引起越来越多的关注，成为地理信息系统研究领域的热点之一。虚拟现实技术是实现地理信息系统可视化的关键所在。,.,36,1.三维空间图形模型模型是用来表示实际的或抽象的物体和现象。现实世界中的地理实体可以用形象的、直观的三维空间图形的模型加以表达。地理实体的模型就其复杂程度而言，可分为三类：线框模型、面模型和实体模型。1.1线框模型与面模型线框模型是一种最简单的几何模型，主要使用直线、折线、曲线等物体的棱边来表示其形体特征。线框模型表示中有顶点信息和边的信息。这些边可能是所有顶点中每二点间的连线，也可能是这些连线中的一部分。,.,37,面模型是在线框模型的基础上增加了有关面与边的拓扑信息而得，主要是用多边形、曲面等物体的各个表面单位来表示其形体特征。这种模型给出了顶点的几何信息及边与顶点、面与边之间的二层拓扑信息。,某地块的线框模型示意图,.,38,某地块的面模型数据表,.,39,线框模型的主要优点是简单，易于生成各种投影视图。但它仅仅给出了物体的框架结构，而无法给出物体的表面信息。与其相比，面模型具有较丰富的形体信息，但它并未指出该物体是实心还是空心，哪里是物体的内部和外部信息，因此仅适用于描述物体的外壳。,.,40,1.2实体模型实体模型常用多面体、球体、椎体等基本体素及并、交、差等运算来描述物体，模型复杂，但信息完整。,1.2.1体素模型CSG（constructivesolidgeometry）结构实体几何法是由Requicha和Veolcker在1977年提出的。使用这种方法，一个复杂实体可表示成为一些简单实体的某种组合。这些简单实体称为体素。,.,41,1.2.2边界表示法B-Reps（boundaryrepresentation）在边界表示法中，一个实体通过包围它的曲面片或平面多变形（通称面片）的集合（边界）来表示。一个实体的边界必须将实体内部的点和外部的点区分开来，因此实体的边界完整地定义了该实体。一个实体的边界表示必须满足一定的条件。1.2.3四叉树和八叉树四叉树和八叉树分别是用层次式的二维或三维空间子区域划分来代替大小相等、规则排列的二维或三维单元阵列的一种高效方法。,.,42,3.虚拟现实的设计与实现虚拟现实技术是近年来十分活跃的一个研究领域。它是指采用各种技术，来营造一个使人感觉置身真正的现实世界中的环境。虚拟现实技术具有以下几个特征：立体感的视觉效果；存在感；多感知性；闭环交互方式；动态显示。,.,43,3.1真实感图形与纹理贴图将模拟场景的三维描述变成二维灰度阵列的过程得到的计算机图像是一种连续的灰度曲面，由于这种图像用面来约束模型，弥补了在没有数据控制点的地方用传统线划图形表示可能出现的信息缺损。这种灰度浓淡图像使得实际地物的各种起伏特征一目了然，这种图形因具有相片的观察效果而称为真实感图形或逼真图形。,.,44,3.2光照模型和光线跟踪光照模型用于计算确定物体可见表面上每点的亮度。物体表面各点发出的光线是极其复杂的，它既与环境中光源的数目、位置、光谱组成和光强分布有关，还与物体表面的反射特征和物体表面相对于光源的朝向有关，甚至还与人眼对光线的生理与心理视觉因素有关，把这一切都通过计算机精确地计算出来是不可能的，只能用尽可能精确的数学模型来模拟光和物体的相互作用，近似地计算物体可见表面每一点的亮度和颜色。,.,45,物体表面对光线的反射区分为漫反射和镜面反射。漫反射可以认为是光穿过物体表面并被吸收，而后又重新发射出来的，它向各个方向均匀发出。镜面反射是在物体表面发生的，镜面反射光从与入射光相对于镜面法向量对称的方向上出发。理想的漫反射只产生反射光线，理想的镜面反射面只在镜面反射方向上产生镜面反射光线。根据朗伯定律，漫反射光的强度与入射光的强度及物体表面法线与入射光线的夹角的余弦成正比，即I=Il*Kd*cos0/2式中：Il为光源l的强度；Kd为漫反射系数；I为反射光强度；为入射光与表面法向量的夹角。,.,46,在环境光和点光源照明下，计算漫反射亮度的光照模型的数学公式为：I=Ka*Ia+Kd*Cl*（N*Ll）式中：Ka为环境光漫反射系数；Kd为具体光源漫反射系数；Ia为环境光光强；Il为光源的光强；Cl为光源的光强函数；N为物体表面的法向量；Ll为光源方向向量；N*Ll都取为单位的向量。,.,47,PhongBui-Tuong首先提出采用函数（cos），其中为观察方向与镜面反射方向的夹角。因此Phong光照模型的数学公式为：I=Ka*Ia+Kd*(N*L)+Ks(a)*(cos)*Cl*Il式中：Ks（a）为镜面反射系数；n称为镜面指数；Ks（a）和n都取决于物体表面的材料特性。,n,n,.,48,1967年，Torrance和Sparrow合作，提出了一个较为理论化的光照模型。对于非理想的表面，可以设想物体表面是由许多微平面组成的，为平面的朝向各不相同，愈是粗糙的表面，微平面的法向量变化愈大。Torrance-Sparrw光照模型的数学公式为：I=Ka*Ia+Kd*(N*L)+Ks(D*F*G)/(N*V)*Cl*Il式中：D为微平面法向量分布函数；G为集合衰减因子；F为纽厄尔反射函数。,.,49,当光线达到透明物体的背面时，光线能部分地穿过物体达到人的眼睛。因此模拟透明物体还需要在光照模型中添加透明项。最早由纽厄尔提出了现行透明性算法将物体表面的亮度与位于透明物体后面的物体的表面亮度作线性组合即：I=Ifront*Kt+Ibehind*（I-Kt）并定义Kt为透明系数，0Kt1，Kt=1表示物体是不透明的，Kt=0表示物体为完全透明体，Ifront为前面可见面的光强，Ibehind为其后第一个表面上的光强。,.,50,基于光线追踪算法，TurnWhitted提出了全局光照模型。在这个模型中除含有具体光源产生的漫反射项和镜面反射项外，还有产生全局光照的环境光漫反射项，镜面反射项和投射项。用数学公式表示为：I=Kd*(N*L)+Ks(a)*(N*H)*Cl*Il+Ka*Ia+Ks(a)*Is+Kt*It式