GIS-空间数据的可视化

第1节概述第2节地图语言与符号库第3节空间数据的可视化过程第4节电子地图、动态地图和VR技术,第七章空间信息的可视化,教学要求教学重点教学活动作业,教学要求1.掌握空间信息可视化的形式和过程2.了解地图语言的特征及符号的功能、分类、分级3.掌握电子地图、动态地图和VR技术等概念教学重点1.空间信息的可视化过程2.地图符号的设计及矢、栅地图符号库的建立教学活动在网络上，检索地理信息可视化的相关内容,了解空间信息可视化的新进展。,返回上一页,第1节空间信息可视化概述,一、可视化(Visualization)将客观现实构成人脑意象的方法和过程，或对不可直接察觉的某种东西进行直观表示。,第1节空间信息可视化概述,二、科学计算可视化概念：是指运用计算机图形学和图像处理技术，将计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。1986年NSF特别专家会议提出，1987年发表了正式的ViS(VisualizationinScientificComputing)报告，给出定义地学研究领域的关注：LawrieE等学者提出了可视化地理学(VisualizationGeography)的概念DavidHoward等研究了地理可视化的交互设计KrisiArtimo初步研究了可视化工具、GIS可视化方法,第1节空间信息可视化概述,二、科学计算可视化功能：A、人机协同处理B、科学研究成果的信息表达,(1)客观现象数据质量与结构的控制；(2)科学数据可视化计算与分析；(3)计算机图形制作与显示；(4)图像数据的计算机处理；(5)四维时空现象的模拟；(6)人机交互的可视化界面设计。,(1)制作直观化的科学图像，以阐明科学研究中的各种现象；(2)科学研究过程的模拟；(3)复杂数据的可视化处理；(4)研究成果的可视化表达。,第1节空间信息可视化概述,二、科学计算可视化科学计算可视化在GIS中的应用：A、空间位置的直观表示B、空间分析的可视化描述C、动态制图D、空间信息的可视化查询E、面向对象的模型化(ObjectModeling),空间位置可以用平面直角坐标(或地理坐标)给予精确描述利用可视化技术，借助图形、图像等多种形式形象直观地表达空间物体的分布状况,利用可视化技术，可将地理现象的空间分析过程和结果直观、形象地表现出来，随空间或时间变化的现象，如迁移、运输或区域经济发展等，均可方便地用二维或三维动画技术进行描述和表达，而且还能够模拟空间变化的过程。,是可视化技术在地图中的主要应用之一，利用三维模型及动画和仿真等可视化技术，既可以制作二维的地理现象分布图，也可以制作随时间而变化的三维地图和四维动态地图等,通过可视化的查询语言，实现对数据库内容及与之相关的图形或媒体对象进行形象化、直观化的查询操作,目前的GIS一般只具有表面模型化(SurfaceModeling)，如DTM功能，借助于可视化技术，可将表面模型化与动画制作技术相结合，实现面向对象的模型化，其进一步的发展就是虚拟现实,第1节空间信息可视化概述,三、空间信息可视化概念：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、视频等可视化形式在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。,第1节空间信息可视化概述,三、空间信息可视化空间信息可视化的特征：A交互性B信息载体的多维性C信息表达的动态性D媒体信息的集成性,是空间信息可视化技术向用户提供灵活、有效地控制和使用信息的主要手段和方法，是空间信息系统推广应用的重要前提。借助于交互性，系统用户可以自由地操纵和使用空间信息，主动地找出自己所需要的现象或事件，甚至可以介入到某一事件的发展过程中。(1)系统界面的交互性(2)信息检索的交互性(3)系统交互性,是指表达空间环境信息具有多种媒体形式，不再局限于数值、文本、图形，而是扩展到数值、文本、图形、图像、声音、动画、视频图像、三维仿真乃至虚拟现实,动态性主要是由于数据库中时间维的引入而产生的，通过对时间维的描述，并借助于可视化方法可以直观地表达空间信息的动态变化。(1)信息检索、表示的动态性(2)借助于动态地图和时间序列地图表达瞬间或某一时段内某种现象的移动、变迁过程(3)借助于视频图像真实地表现某一环境现象的实地状况,文本、图形、图像、色彩、动画、声音和视频图像等被有机地结合并连接成一个整体，从而以多形式、多视角、多层次、综合地表现空间环境信息,第1节空间信息可视化概述,三、空间信息可视化空间信息可视化的形式：A纸质地图B电子地图C多媒体地图D三维仿真地图,纸质地图包括地形图(普通地图)、专题地图及特种地图，它们既是传统地理信息的表达工具，同时也是计算机环境下空间信息可视化的一种重要而基本的可视化产品类型,第1节空间信息可视化概述,三、空间信息可视化空间信息可视化的形式：A纸质地图B电子地图C多媒体地图D三维仿真地图,是基于计算机数字处理和屏幕显示的地图。它是空间信息可视化的主要产品形式之一，大部分的空间客体信息进入计算机后都能够以电子地图的形式直观地显示在计算机屏幕上，供用户查阅,第1节空间信息可视化概述,三、空间信息可视化空间信息可视化的形式：A纸质地图B电子地图C多媒体地图D三维仿真地图,它能够以多种媒体的集成形式综合、真实地表现空间客体和现象，是空间信息可视化的一种非常重要的产品形式。,第1节空间信息可视化概述,三、空间信息可视化空间信息可视化的形式：A纸质地图B电子地图C多媒体地图D三维仿真地图,是基于仿真技术的一种三维地图，它借助于仿真技术将空间现象信息以三维的、立体的或动画的形式直观、真实地表现出来，使用户有进入真实环境之感，因而它也是空间信息可视化的一种主要和具有发展潜力的产品形式之一。,第1节空间信息可视化概述,三、空间信息可视化空间信息可视化的形式：A纸质地图B电子地图C多媒体地图D三维仿真地图E虚拟现实,它是由计算机和其它设备组成的高级人机交互系统，以视觉为主，结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，并与之交互作用。,第1节空间信息可视化概述,三、空间信息可视化空间信息可视化的基本工具：A传统地图制图软件B三维模型制图软件C地理信息系统软件D多媒体地图系统E虚拟现实,第2节地图语言与符号库,一、地图语言与地图的色彩1、地图语言地图，是一种信息的传输工具，实现了从制图的地理环境到用图者认识地理环境之间的信息传递。在地图语言中，地图符号及其系统，被称之为图解语言，它形象直观，既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，借用自然语言和文字形式来加强地图语言的表现效果，完成空间信息的传递(属于地图符号的范畴)地图色彩，既可充当地图符号的重要角色，还有装饰美化地图的功能地图的影像，是空间信息特征的空间框架(不属于地图符号的范畴)装饰图案，多用于地图的图边装饰，可以增加地图的美感，并且可以烘托地图的主题(不属于地图符号的范畴),第2节地图语言与符号库,一、地图语言与地图的色彩2、地图的色彩色彩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个“层面”，提高了地图的表现力和科学性。,第2节地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计1、地图符号的概念地图符号，是指在地图上用以表示各种空间对象的图形记号，或者还包括与之配合使用的注记。地图符号对表达地图内容具有重要的作用：是地图区别于其他表示地理环境之图像的一个重要特征是丰富地图内容、增强地图的易读性和便于地图编绘的必要前提地图符号不仅能反映制图对象的个体存在、类别及其数量和质量特征，而且通过它们的联系和组合，还能反映出制图对象的空间分布和结构以及动态变化,第2节地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计2、地图符号的基本功能能指出目标种类及其数量和质量特征；能确定对象的空间位置和现象的分布。3、地图符号的分类点状符号，当地图符号所代表的概念在抽象意义下可认为是定位于几何上的点时，称为点状符号。符号大小与比例尺无关，具有定位和方向的特征线状符号，当地图符号所代指的概念在抽象意义下可认为是定位于几何上的线时，称为线状符号。符号沿着某个方向延伸，宽度与地图比例尺可以没有关系，而长度与地图比例尺发生关系面状符号，当地图符号所代表的概念在抽象意义下可认为是定位于几何上的面时，称为面状符号。符号所代表的范围与地图比例尺有关，且不论这种范围是明显的还是隐喻的，是精确的还是模糊的,第2节地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计4、地图符号的设计设计地图符号，除优先考虑地图内容各要素的分类、分级的要求外，还应着重顾及构成地图符号的6个图形变量，即：形状、尺寸、方向、亮度、密度、色彩其中，尤以图形的形状、尺寸和色彩最为重要，被传统的地图符号理论称之为地图符号的三个基本要素。按符号的生成方式地图符号分为：矢量符号和栅格符号,第2节地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计5、地图符号库设计的基本原则必须符合国家规定的地图图式（图形、颜色、符号含义、适用比例尺）；专题地图部分，尽可能采用国家及行业部门的符号标准，有益于标准化、规范化；新设计符号应遵循图案化及整个符号系统逻辑性、统一性、准确性、对比性，色彩象征性，制图和印刷可能性等一般原则；符号库具有可扩充性。,第2节地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计6、矢量符号库和栅格符号库自学,第3节空间数据的可视化过程,空间数据可视化的过程,一、从地理数据库中检索图形数据1、按可视化的目的对一定区域，一定属性组合的地理对象进行的检索相应的必须组织属性检索、区域检索、拓朴检索和各种特定检索、组合检索得到全部应表达的地理对象这种检索最好能在可视化界面下进行，使观察全面，易于查错、编辑及修改2、根据可视化目的，进行检索出对象的质量和数量分级分类的调正、变更和合并这是对可视化要素的质量和数量上进行概括3、根据变更后的分类分级编码，确定、切换或建立相应符号库，并建立与新的分类分级编码一一对应的映射表,第3节空间数据的可视化过程,二、空间数据预处理1、投影变换当可视化目的的地图投影与空间数据库不同时，就必须进行地图投影变换，把数据具有的空间数据库地图投影转换为目的投影。2、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。3、几何数据的光滑线实体呈折线方式和光滑曲线两种方式延伸，空间数据库内几何数据一般以中心轴线上特征点离散方式存储，为正确表达呈光滑曲线延伸的要素，必须依据该曲线的离散数据进行光滑，使符号化后线状符号符合要求。4、数据转换由于目前GIS空间数据库的数据源于多种渠道，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。,第3节空间数据的可视化过程,三、地图符号化大型GIS系统一般提供符号库设计和管理功能，根据需要增加点、线、面符号。在制图输出时，根据空间实体类型从符号库中找出相应符号对实体进行符号化。符号的信息表示信息块法是目前计算机制图常用的符号构造方法。信息块是描述符号的参数集，在绘图时只要通过程序处理已存在符号库中的信息块，就可完成实体的符号化。A.直接信息法，信息块中存贮符号图形的向量资料（图形特征点坐标）或栅格资料（足够分辨率的点阵资料），直接表示符号图形的每个细节。这种信息块占用存贮空间大，但绘图程序的算法统一。B.间接信息法，信息块中只存贮符号图形的几何参数(如图形的长、宽、间隔、半径、夹角等)，其余资料都由计算机按相应绘图程序的算法解算出来。这种信息块占用存贮空间小，但需编制专门程序。,第3节空间数据的可视化过程,三、地图符号化空间实体符号化将特定地理空间信息转换成地图输出，必须对空间实体配置符号，这就要建立实体与符号库中具体符号的联系。空间实体与符号之间的关系有多种形式空间实体与符号存在宽松的联系通过对照表，建立地物类型与符号的一一对应关系，当用户要改变某种地物的显示符号时，只需修改对照表中符号标识与用户标识的对应关系，只修改一次。,第3节空间数据的可视化过程,三、地图符号化空间实体符号化空间实体与符号存在紧密的联系地物类型与符号存在直接的一一对应关系，当用户要改变某种地物的显示符号时，需要修改制图区内所有空间实体的用户标识。为满足这种关系的需要，要求符号代码与地物编码严格一一对应，符号库中符号的个数应与GIS工程的地物编码个数相同。当多种地物绘制的符号相同时，显然是不可取的。,第3节空间数据的可视化过程,三、地图符号化空间实体符号化空间实体与符号存在紧密的联系，但地物类型与符号不存在严格的一一对应关系，根据地物的属性值选择空间实体的符号这种方法适合于根据地物属性值选择绘制符号的情况。如专题地图制图、海图导航标志符号的制图等。,第3节空间数据的可视化过程,三、地图符号化图形要素的自动注记地图上的文字和数字总称为地图注记，它是地图内容的重要部分。注记本身并不是自然界中的一种要素，但它与地图上表示的点、线、面要素有关，用于表示这些要素的名称或某些质量和数量属性特征。注记一般分为名称注记、说明注记和数字注记三种注记的文字使用不同的字体、大小和颜色来表示它所关联的实体类别或性质地图上注记数量较多，它们可以位于地图中的任一部分，但是注记的排列和配置是否恰当，常常会影响读图的效果。,第3节空间数据的可视化过程,三、地图符号化图形要素的自动注记注记配置的基本原则是：不应使注记压盖图上的其他图形符号；注记应与其所说明的事物关系明确。对于点状地物，应以点状符号为中心，在其上下左右四个方向中的任一适当位置配置注记，注记呈水平方向排列；对于线状事物，注记沿线状符号延伸方向从左向右或从上向下排列，字的间隔均匀一致，特别长的线状地物，名称注记可重复出现；对于面状事物，注记一般置于面状符号之内，沿面状符号最大延伸方向配置，字的间隔均匀一致。,第3节空间数据的可视化过程,一、电子地图1概念电子地图(屏幕地图或瞬时地图)：以地图数据库为基础，以数字形式存储在计算机外存储器上，并依托于空间信息可视化系统实时再现地理信息的数字化地图。电子地图集是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地图,第4节电子地图、动态地图和VR技术,一、电子地图2电子地图(集)的基本特征能够全面继承并发展了地图科学中对地学信息进行多层次智能综合加工、提炼的优点；很强的空间信息可视化性能，具有严密的数学基础、科学而系统的符号系统、强有力的可视化界面，支持地图的动态显示，并可采用闪烁、变色等手段增强读图效果；支持空间信息的多种形式的查询、检索和阅读；支持基本的统计、计算和分析；大多数电子地图支持“所见即所得”地编辑和输出硬拷贝，支持电子出版；大多数电子地图支持多媒体信息技术。,第4节电子地图、动态地图和VR技术,一、电子地图3电子地图与GIS的区别电子地图包含了GIS的主要功能，但不是全部功能侧重于可见实体的显示不同来源的电子地图数据，难以赋予统一的空间数学基础，空间分析薄弱一些电子地图(集)难于使其可视子空间均具有统一的空间数学基础,因而空间分析相对于GIS薄弱，这也是两者的分水岭电子地图(集)是一种新型的、内容广泛的GIS产品，电子地图(集)系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GIS系统,第4节电子地图、动态地图和VR技术,一、电子地图4电子地图网址.tw,第4节电子地图、动态地图和VR技术,二、动态地图1、概念是能集中、形象地表示空间信息的时空变化状态和过程的电子地图。它产生和发展是时空GIS的发展的必要基础和前提。2、特征和作用特征：可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。作用：动态模拟，使重要事物的变迁过程得以再现它可以通过增加或减低变化速度，暂停变化以仔细观察某一时间断面，改变观察地点和视角，获取运动过程中的各种信息；实时跟踪，如在运动物体上安装全球定位系统GPS，它能够显示运动物体各时刻的运动轨迹，使空中管制、交通状况监控、疏导，战役和战术的合围、围堵，均具有可靠的时空信息保证。,第4节电子地图、动态地图和VR技术,二、动态地图3、表示方法利用传统的地图符号和颜色等方法表示例如采用传统的视觉变量大小、色相、方位、形状、位置、纹理和密度，组成动态符号，结合定位图表，分区统计图表法以及动线法来表示采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示用视觉变量的变化时长、速率、次序及节奏设计一组相应的动态符号，并加上电子地图的闪烁、跳跃、色度、亮度变化反应运动中物的矢量、数量、空间和时间变化特征采用连续快照方法作多幅或一组地图采用一系列状态对应的地图来表现时空变化的状态，这一方法在状态表现方面是较为全面的；但对变化表达不够明确，同时数据冗余量较大。地图动画适当地在空间差异中内插了足够密度的快照，使状态差异由突变变为渐变。,第4节电子地图、动态地图和VR技术,三、虚拟现实(VR)技术1、概念虚拟现实(VirtualReality)，是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。,第4节电子地图、动态地图和VR技术,三、虚拟现实(VR)技术2、VR的分类根据VR的交互性质，也即是根据它能实现人的视感、听感、触感、嗅感和传感器的程度和质量可将VR可分下列几种：世界之窗（WindowonWorldSystem，WOW）视频映射沉浸式系统遥视、遥作混合现实,第4节电子地图、动态地图和VR技术,遥现和虚拟现实的结合产生了混合现实和无缝仿真，例如脑外科手术时，脑外科医生看到的是由真实场景，预先得到的扫描图像和实时超声图像组合而成的场景；领