专题地图学及其理论基础课件

第一节专题地图学概述第二节专题地图制图的理论基础,第一讲专题地图学及其理论基础,一、专题地图设计概述,二、专题地图制图的基本理论,第二节专题地图制图的理论基础,（一）专题地图设计的概念,（二）专题地图设计的基本内容,（四）专题地图设计中的哲理,（三）影响专题地图设计的因素,一、专题地图设计概述,（一）专题地图设计的概念,设计（Design）-把思想上的意图表示成可见的内容。就是一种构思、造型、创造。,造型是指形态设计，主要指视觉形态，一般指形象、形式和形状设计。,产品设计服装设计,环境设计城市规划设计,信息设计专题地图设计、广告设计,（一）专题地图设计的概念,设计构思、创造,任何一幅（或一组、一册）专题地图的生产，大致可分为三个技术阶段：业务准备、编绘作业和印刷复制。,专题地图设计是专题地图制图人员在制图业务准备阶段的所有构思过程的总称。是一种创造性的智力劳动。,（一）专题地图设计的概念,专题地图设计是专题地图理论和技术的综合运用。它涉及到专题地图制图学的基本理论以及信息传输理论、心理学、生理学、心物学、色彩学和美学等方面的内容。所以，搞好一个专题地图设计方案，主要是把各方面的研究成果和新技术纳入方案中。可见，专题地图设计是一项复杂的活动过程，是一种创造性的智力劳动。,（一）专题地图设计的概念,从科学性角度来看：专题地图应该具备现势性强（最好是实时的）、具有高度适应性（适应不同空间尺度、时间尺度、分辨率和主题内容等）、交互性强、真实感强、能够反映动态、能够进行多维表达、能集成声光文字等多媒体材料、具备可添加性（随时可增加新内容、新客体）等特征。（合理、简洁、实用）从美学角度来看：成功的专题地图应该能使人眼产生愉悦的感觉，即图形色彩配置协调。（协调、层次清晰）,（一）专题地图设计的概念,从信息传输角度来看：一幅好的专题地图应该能使信息转换、传送和接收都清晰，并且简洁、层次明显。从认知角度来看：一幅高质量的专题地图应该能够使读图者将图上的内容与他头脑中已有的知识联贯起来，并能较容易地预知未来新知识。从GIS要求看：成功的专题地图应该能最大限度地支持空间数据分析和信息可视化。,（一）专题地图设计的概念,因此，无论从哪个角度看，专题地图的设计与编制，决定着一幅专题地图的表现水平和质量。同样有数据库和制图软件的支持，但并非人人都能设计、制作出优秀的专题地图作品。因此，计算机时代的专题地图专家仍然必须具备专题地图设计、编绘和应用的基本理论和专题地图美学知识的素质。,（一）专题地图设计的概念,专题地图设计的内容是什么？,专题地图制图教研室江南,地图设计,专题地图制图教研室江南,地图设计,专题地图制图教研室江南,表示方法不同,图面配置不同,等差分纬线多圆锥投影,等角正割圆柱投影（墨卡托投影）,等面积伪圆柱分瓣投影,投影不同,（二）专题地图设计的内容,专题地图的基本规格设计（投影、比例尺、幅面、图面配置）专题地图的表示内容及表示方法设计（符号及色彩设计、综合原则和指标等）专题地图的生产工艺设计（资料加工处理、成图方式、印刷方案等）,专题要素的设计,专题要素类型确定表示等级确定数据处理模型选择表示方法确定符号设计,1、专题要素分类呈点状分布的专题要素：如居民点、观测点呈线状分布的专题要素：如河流、海岸带、道路呈面状分布的专题要素：行政区划、森林呈体状分布的专题要素：地形、气温,（二）专题地图设计的内容,2、专题要素表示等级：指的是专题要素表示的详细程度或者说是专题要素各方面特征的表示。即每一个专题要素的一种详细程度规定为一个表示等级。通常专题要素表示等级可分为五级。定性表示：只表示专题要素的性质，而不说明它的类型。分类表示：要求表示专题要素的类型，分类数据可以是定性的也可以是定量的。顺序分级：只表示专题要素的等级概念，分级指标可以是定性，也可以是定量。间隔分级：用于表示专题要素的定量特征，等级之间间距是确定的。数值表示：精确地表示专题要素的数量。,三、专题专题地图设计的基本过程,顺序分级间隔分级,3、专题要素的表示方法是将专题地图中用于表示专题要素及其各方面特征的图形组合方式的分类。即某一种专题要素及其不同方面的特征可以用某一种固定的表示方法来表示。分类：定点符号法、质底法、线状符号法、等值线法、点值法、动线法、范围法、等值区域法、统计图表法。,（二）专题地图设计的内容,4、专题要素符号设计表示方法落实到图上就是进行符号设计。专题要素表示方法设计与符号设计之间的关系就是方法与手段的关系。专题要素符号设计包括符号类型设计和符号视觉变量的设计。符号类型：点状符号、线状符号、面状符号。视觉变量：形状、尺寸、方向、亮度、密度色彩。,5、专题要素数据处理专题要素数据处理是制作定量专题专题地图必不可少的环节，也是计算机专题专题地图制图的核心工作之一，是符号化的基础。,（二）专题地图设计的内容,三、专题专题地图设计的基本过程,（三）影响专题专题地图设计的因素,1、设计中的客观因素,*使用者的要求及理解程度,*使用专题地图的环境,*专题地图信息复杂程度,*技术和设备条件,*经济状况,2、设计中的主观因素,*设计者的素质知识面广度、深度思维力形象思维、抽象思维、想象力丰富创造力打破常规，善于联想，以新观念认识事物。,*技能水平,*直观判断和经验,科学合理、美观艺术、经济实用。,第一讲专题地图设计导论,设计中的主观因素,*设计者的素质（知识面、思维力、创造力）,*技能水平,*直观判断和经验,好的作品应该是：科学合理、美观艺术、经济实用。,第一讲专题地图设计导论,设计中的主观因素,*设计者的素质（知识面、思维力、创造力）,*技能水平,*直观判断和经验,好的作品应该是：科学合理、美观艺术、经济实用。,（四）专题专题地图设计中的哲理,科学性与艺术性的统一,ICAImhof说：“制作一幅艺术品虽然不是制图学的任务，但制作一幅优秀的专题地图作品要是没有艺术才能是不会成功的。”所以，一幅优秀的专题地图作品总是与它精美的艺术设计相关连的。,科学性与艺术性的统一,科学评价：合理性-正确反映地理景观的特征和规律。,简洁性-以抽象、高度概括为基础。,实用性-满足使用者的要求。,美学评价：协调性-专题地图上各要素间的关系浑然一体。,结构性-在结构上保持平衡。,清晰性-易读、层次分明。,（四）专题专题地图设计中的哲理,继承与创新,所以，要多从以往的专题地图作品中去开拓思路才能起到事半功倍的作用。设计人员应加强专业理论上的造诣、技能上的训练和艺术上的修养。,继承一切科学都有连续性。,创新要在未知领域探索，有独创性。,继承与创新,所以，要多从以往的专题地图作品中去开拓思路才能起到事半功倍的作用。设计人员应加强专业理论上的造诣、技能上的训练和艺术上的修养。,继承一切科学都有连续性。,创新要在未知领域探索，有独创性。,继承与创新,所以，要多从以往的专题地图作品中去开拓思路才能起到事半功倍的作用。设计人员应加强专业理论上的造诣、技能上的训练和艺术上的修养。,继承一切科学都有连续性。,创新要在未知领域探索，有独创性。,专题地图设计,1、专题地图设计概念,3、影响专题地图设计的因素,4、专题地图设计中的哲理,科学性与艺术性的统一继承与创新,设计中的客观因素设计中的主观因素,2、专题地图设计的基本内容和过程,专题地图设计与编制较为集中体现了地图学的核心理论和技术。,一、相关知识回顾,哪些理论呢？,（一）地图空间认知论的应用,（二）地图模型论的应用,（三）地图感受论的应用,二、专题地图制图的基本理论,地图学体系,地图学基础理论,作为地图科学体系第一层次的理论地图学对应用地图学和地图工程学将起到理论指导和趋势导向的作用。地图学基础理论的核心内容包括：地图信息传输理论地图空间认知理论地图模型论地图感受论地图符号学,基础理论,应用理论,3、地图学基础理论,地图信息传输理论阐明了地图生产与地图使用这一过程的本质。把理论地图学推向了新高潮。更多地强调传输过程中人的因素，也就是地图生产者和地图用户在地图传输中的作用。地图信息传输论的研究使地图学者的认识发生了深刻的变化。从过去只注重地图制作技术的研究开始转向对地图使用及地图用户的研究，这是一个根本性的变化。,地图学基础理论,地图空间认知理论是认知科学的重要研究领域，把空间认知系统同地图学与地理信息系统加以比较，就可以发现两者的工作原理是一样的，都是信息加工系统。,地图学基础理论,地图模型论研究再现客观实际的地图模型的各种模型化方法，如地图数学模型、数字模型和数学制图模型。地图感受论是研究视觉变量用于构图时所引起的视觉感受效果的理论，对地图设计与生产有着直接的理论指导作用，地理信息系统中空间数据可视化的视觉感受变量问题应有新的研究。地图符号学探讨地图图形的构图规律，视为一种特殊的制图语言研究其语法规则，以及符号的语义学和语用学特征。,地图学基础理论,（一）地图空间认知论的应用1、空间认知,空间认知(spatialcognition)，是研究人们怎样认识自己赖以生存的环境，包括其中的诸事物、现象的相关位置、依存关系以及它们的变化和规律。认知科学研究的目的就是说明和解释人在完成认识活动时是如何进行信息加工的。空间认知是研究空间信息的处理过程。它是认知科学的一个重要研究领域。,专题地图设计的基本理论,地图空间认知论总的指导作用（基础理论）,地图感受论直接具体的指导作用（应用理论）,地图模型论直接的指导作用（应用理论）,地图空间认知，就是利用地图学方法来实现对地理空间环境的认识。地图的空间认知行为就是利用地图进行定向、环境觉察、环境记忆等行为。,（一）地图空间认知论的应用1、地图空间认知,地图便于把统计信息与空间分布结合起来，即给统计数据以空间定位，建立一种新的集成分类的概念。,地图便于把统计信息与空间分布结合起来，即给统计数据以空间定位，建立一种新的集成分类的概念。,（1）心象地图在地图设计过程中的发挥了重要作用“心象地图（mentalmap)”也称认知地图（cognitivemap)，它是人们通过感知途径获取空间环境信息后，在头脑中经过抽象思维和加工处理所形成的关于认知环境的抽象替代物，是表征空间环境的一种心智形式。,2、空间认知与地图设计的关系,心像地图例1：马王堆地图,心像地图例1：马王堆地图,中世纪欧洲黑暗时期流行的地图统治欧洲达1000年,心像地图例2：T-O地图,（1）心象地图在地图设计过程中发挥了重要作用从地图学的角度看，地图设计者在设计一幅地图时，也有一个逐步比较、完善的过程，而过程的每一次修改方案，虽不需要也不可能都绘制出来，他只是把最后的或阶段性的成熟方案绘出样图提供评阅、审查，但是过程中的各种中间方案都是以“心象地图”的形式存放在大脑之中的，不断修改、完善，最后形成一幅新图的方案。,2、空间认知与地图设计的关系,专题地图设计过程是一种创造性的思维过程，特别是小比例尺地图、系列地图和地图集的设计与制作更是如此。地图学家要成功地设计与制作出地图、系列地图和地图集，首先要进行艰苦的地图空间认知和认知制图过程。未来地图的心象心象进行思维确定几种较好的方案的心象（可视化出来）对几种方案的分析、权衡、评价、比较最终确定一种最佳方案。,在这个过程中，认知制图和心象地图自始至终都在起作用。地图（集）的总体设计、内容及其指标体系设计、符号及表示方法设计、色彩设计等各个环节，都经历着空间认知的基本过程，而设计人员有的是自觉的，有的是不自觉的。,3、空间认知与地图设计的关系,2、空间认知与地图设计的关系（2）地图设计与编绘中充分体现了空间认知的思维过程地图空间认知的过程，包括感知、心象、记忆、思维等，而思维是核心，包括抽象思维、形象思维和灵感思维。地图空间认知的思维构成了地图空间认知的高级阶段。地图空间认知的最显著的特性就是抽象概括性。*地图符号设计*制图综合过程（放动画片）,地图符号设计,“地图符号”大多是通过对现实世界中的各种事物和现象的属性进行分析、综合、比较，抽取出现象和事物的本质属性，而形成的对某一事物和现象的概念。比如：房屋有不同材料，不同形式，不同层次的建筑；桥有各种质量的，各种形式的桥；路有各种类型，各种等级的铁路和公路。,从实地到符号,从显示个性特点到表示类的共性特征,第一讲地图设计导论,继承与创新,所以，要多从以往的地图作品中去开拓思路才能起到事半功倍的作用。设计人员应加强专业理论上的造诣、技能上的训练和艺术上的修养。,继承一切科学都有连续性。,创新要在未知领域探索，有独创性。,儿童用旅游图,成人用旅游图,（3）地图设计者必须研究用图者的空间认知规律如：一个地图的使用者是怎样靠观察一张印满符号的纸张来开拓他的内部世界的？是怎样获得关于空间诸多事物之间关系的知识的?人们是怎样以一种共同的“语言”来读一幅地图的?这些问题在进入地图设计自动化阶段必须要解决的问题，要解决这些问题单靠简单的符号视觉比较和测试是不行的，要靠以信息加工理论为基础的认知科学来开路了。,空间认知与地图设计的关系1、心象地图在地图设计过程中的发挥了重要作用2、地图设计与编绘中充分体现了空间认知的思维过程3、地图设计者必须研究用图者的空间认知规律,3、空间认知对地图设计的指导意义（1）空间认知有利于地图制图知识的总结人类专家之所以成为专家，除了他们具有一定的综合判断能力和良好的思维习惯之外，最主要的还在于他们拥有大量的专门知识以及通过长期实践亲自摸索和积累起来的经验性知识，正是这些知识，使得他们在处理问题时比别人技高一筹。这就是说，我们要探索地图学专家在地图设计制作中的思维方式，要研究知识的总结与表示。要把人和地图作为一体来研究。即地图制图专家系统。这样有助于提高地图设计生产的自动化程度。,（2）空间认知有利于地图设计自动化的实现,地图制图专家系统是一种以地图制图专家的知识和经验为中心的知识获取、知识表示和知识运用的系统，其中知识表示是核心，广泛涉及空间认知的理论与方法。在专家系统设计过程中，难度大，工作量也大的问题就是程序性知识的表达问题(人的知识可分为陈述性知识和程序性知识两类，前者主要指可以言传的知识，而后者主要是指控制技能操作的知识)，其难点在于搞清楚这种复杂的认知技能在人的头脑中是如何表达的。这是基于认知心理学、计算机技术的人工智能的一个重要领域。,数字地图环境下的地图设计，目标是建立地图设计专家系统。包括确定地图设计的前提条件、地图的数学基础、地图内容及其表示程序、地图内容的符号化、地图注记和图例配置等，只须根据用户给出的初始条件，使能自动进行地图设计，到目前为止，尚无满意的成果问世。因此，怎样运用认知科学的理论和方法，研究地图制图专家的知识总结和知识表示，并建立一个良好的人机协同界面是非常必要的。,（3）空间认知理论有利于提高地图的表现力，丰富地图的表现方法、完善地图设计理论。,虚拟地形仿真技术构造了一种可进入的三维地图环境，是作为空间认知工具的地图在数字化时代自然、合理的延伸和扩展，是数字地图支持下的一种新的空间认知工具。它扩展了地图空间认知的手段，更加符合人类空间认知的特点。,（4）空间认知理论的研究有利于提高制图者的设计水平,加强空间认知能力的训练，自觉地运用空间认知理论，因为只有具备很强的空间认知能力，具备丰富的地图制图经验和广博的地图学知识，才能将长期积累的地图制图经验总结出来，使之成为可以被形式化描述的知识，探索相应的知识表示法，选择基于知识的推理系统，研制出实用的地图制图专家系统，使之能有效的解决地图制图的问题。,（1）空间认知有利于地图制图知识的总结（2）空间认知有利于地图设计自动化的实现（3）空间认知理论有利于提高地图的表现力，丰富地图的表现方法（4）空间认知理论的研究有利于提高制图者的设计水平,3、空间认知对地图设计的理论与实践意义,用图者-如何用图？制图者-如何设计地图？,认真研究用图和制图规律，使我们更有效地掌握理论与方法，不必再花费多年的时间去理解地图学中那些“不可言传”的内容。,（一）地图空间认知论的应用,（二）地图模型论的应用1、地图模型论定义2、专题地图模型论的研究方法,1、地图模型论定义地图模型论，它是把地图作为一种模型来看待，并用模型的方法来分析研究地图的性质、描述地图的制作和应用的理论。模型是对客观事物的一种抽象和表示，地图作为模型，具有抽象模型中的符号模型、模拟模型、数学模型的特点。,（二）地图模型论的应用,波兰的地图制图学家Ratajski认为“把地图视为模型，并把它的生产过程当做一个制图学的模型化过程，在理论制图学上有特别重要的意义。这是因为它强调了地图实地的基本关系以及地图在研究和认识中作为一个工具的重要性。”,（二）地图模型论的应用,地图是客观世界的概念模型(modeloftheconception)地图的发展史证明，地图做为模型的意义并非仅仅局限于对客观存在的模写，即物质模型的范围，更主要的，地图是对客观存在的特征和变化规律的一种科学的抽象，它是一种概念模型(思想模型)，运用思维能力对客观存在进行简化和概括。而制图过程则是人类认识环境的一种抽象方法。认识是不断深化的，模型会逐步完善。从古代地图到现代地图，概括和抽象是其共存的特征，所不同的是，这种抽象随着人们认识的提高和方法的改进而逐步趋于正确。,金华府地图（清）,专题地图具有模拟模型的特点专图地图是客观世界的物质模型(modelofthereality)把地图看做是地面客观存在的物质模型(实物模型)这个概念比较简单，特别是普通地图更明显地具有这个特点。所有以地图为工具来认识环境的场合，都体现了地图做为模型的价值和意义。专题地图作为客观存在的物质模型，可以借助于各种比例尺地图扩大视野，看到广阔地域上的空间联系；地图还可以充当为各种目的而进行的地面模拟实验工具。在地图上量算面积、体积、方位和通视，以代替实地量测和观察。,地图是客观世界的物质模型,网络地图,地图模型方法：应用数学模型处理大量制图数据，用相应的制图模型表达数据处理的结果。从数据处理及制图模型的设计都应由计算机自动完成。地图数学模型：数学模型是将制图现象的特征或本质给以数学表达的数学关系式，数学模型的设计与选择主要是以数据特征，制图目的为基础的。地图符号模型：实质上就是地图模型，是用符号、文字等描述地理环境信息的某些特征和内在联系的抽象模型，是数学模型结果的一种可视化形式地图可视化。它能比较好地表达数学模型处理的结果。,2、地图模型论研究方法,数据读取,分级显示,分级评价,绘制专题地图,分级精度评价,分级总体精度评价,多属性决策评价,信息量评价,分级评价模型试验系统流程图,分级评价模型系统功能,专题数据处理分级模型,例：数据处理中用到的界限等差分级模型和间隔递增等差分级模型，数学公式分别为：,3、地图模型论与地图设计研究用于各种制图目的的数学模型的基本原理和方法。用于研究要素分类、分级的模型方法；用于研究要素之间相互关系的相关模型方法；用于研究要素动态特征的预测模型方法；用于研究空间发展变化趋势的趋势面分析法；用于研究要素内在关系和信息简化模型方法。,地图感受论研究的主要内容：人的视觉系统对图形感受的视觉过程对图形感受的视觉心理因素图形的视觉变量及视觉感受效果,多感官刺激、感知变量,视觉感受,（三）地图感受论的应用,（三）地图感受论的应用,地图感受论是把生理学、心理学和心理物理学的一些理论和及实验方法应用到地图学研究中而形成的现代地图学理论。是研究视觉变量用于构图时所引起的视觉感受效果的理论，对地图设计与生产有着直接的理论指导作用。地理信息系统中空间数据可视化的视觉感受变量问题应有新的研究。,地图感受论的研究方法：是从研究人的视觉入手，通过物理心理生理学方法对地图怎样设计才能为读者所接受的问题进行实验研究。地图感受实验主要是通过心物学的方法，寻求各种制图对象的刺激与视觉反应之间的关系。目的是找出一些指导地图设计的实验根据。,（三）地图感受论的应用,地图感受论的研究意义：目的是探索地图符号的基本视觉特性，改进地图的设计方法，提高地图的信息传输效率。完善地图学理论。涉及人的视觉功能、心理因素和认识能力等一系列非制图技术问题。实验较复杂，所得结论稳定性较差。,（三）地图感受论的应用,地图感受即地图感知，是从心理和生理学原理出发探讨人对地图的察觉、辨别、识别和解译的过程。使地图设计遵循人的认知规律，设计出满足人的视觉感受特点要求的地图作品，达到最佳的信息传输效果。,（三）地图感受论的应用,地图感受论研究的主要内容：人的视觉系统对图形感受的视觉过程对图形感受的视觉心理因素图形的视觉变量、视觉感受,（三）地图感受论的应用,1、视觉感受的基本过程,察觉,辨别,识别,解释,公路小路境界运河等高线,借助于图例,视觉感受的基本阶段：察觉：主要受生理因素的影响辨别：受生理、心理等因素影响视觉感受的高级阶段：识别：主要受认知能力的影响解译：主要受认知能力的影响察觉和辨别虽然存在有个体差异，但还是遵循一定规律。,3、地图图形的视觉感受过程,辨别中的心理学因素：表现在无目的阅读图画时受醒目符号的吸引；有目的阅读时对特定符号的注视。涉及轮廓与主观轮廓、目标与背景、视觉恒常性和视错觉等视觉心理因素。,心理学因素,Bertin的视觉变量（1）,电子地图符号的视觉变量（1）传统视觉变量使用方式变化纸质地图符号的视觉变量包括形状、尺寸、色彩、亮度、方向和密度。而对于电子地图，面对新的视觉感受环境和读图环境，以上六种视觉变量的具体应用形式和使用频率已经发生了变化。亮度变量可以归结到色彩变量中，方向变量主要用于符号所代指的地理现象本身的方向，而密度变量可以用图案纹理来代替。,（1）传统视觉变量使用方式变化目前，电子地图上常用的视觉变量是如下几种：形状变量仍然是电子地图中主要的视觉变量，用于区分地图要素的类型和表示其质量的差别。只是电子地图符号由于显示范围的限制和信息密度的降低，所以其形状更加简洁，醒目。电子地图符号按形状可分为几何符号、象形符号和文字符号。尺寸变量也是电子地图中主要的视觉变量，用于表示各种地理要素和现象的数量特征。研究最小尺寸、相对尺寸。,（1）传统视觉变量使用方式变化色彩变量是电子地图中最主要的视觉变量，可以用于表示地图要素