空间信息可视化技术及其对地图学发展的影响

1、空间信息可视化技术及其对地图学发展的影响陈广学（西安测绘研究所 西安 710054）摘 要：论文讨论了空间信息可视化的概念模型，分析了可视化与数字化的关系及空间信息可视化的根本目的和作用，并对空间信息可视化的基本方法和过程、空间信息的表达方式、空间信息可视化的产品类型及其可视化的工具和手段作了综合分析评述，最后讨论了地图与空间信息可视化的关系，以及可视化技术给地图学的发展带来的影响。关键词：空间信息 可视化 地图 地图学1 引言 科学计算可视化（ViSC）的概念提出之后，迅速发展成为一个新兴的学科，其理论和技术对地图信息可视表达和分析产生了很大的影响。国际制图协会（ICA）1995年成立可视化

2、委员会，1996年该委员会与美国计算机协会图形学专业组进行了跨学科合作，探索计算机图形学理论和技术如何有效应用于地图学和空间数据分析，促进科学计算可视化与地图可视化的交流。近年来，计算机技术发展日新月异，可视化技术也得到了迅速发展，将可视化的技术引入到空间信息科学中来，形成了我们称为空间信息可视化的技术，它集成了多个相关学科的经验和知识，如计算机科学、现代地图学、认知科学、地理信息系统等，同时，它的发展也将极大促进相关学科的发展1，尤其是它对地图和地图学的影响值得关注。2 空间信息可视化的概念模型可视化（Visualization）原本的意思是“将客观现实构成人脑意象的方法和过程，或对不可直接

3、察觉的某种东西进行直观表示”。随着信息处理技术的发展，可视化又被理解为将原始模拟数据转换成可显示的图像的过程，其转换的目的在于将信息转变成可被人类感知系统理解的某种形式。1987年，美国科学基金会的一份报告中给科学计算可视化下了一个比较完整的定义，即“可视化是一种计算方法，它将符号或数据转化为直观的几何图形，便于研究人员观察模拟和计算。可视化包括了图像综合，这就是说，可视化是用来解释输入到计算机中的图像数据，并能够将复杂的多维数据生成图形、图像的一种工具，它主要研究人与计算机怎样协同性的感知、使用和传输视觉信息”。这一定义主要侧重于科学计算中复杂数据的计算机图形处理与表达，强调了视觉信息的感知

4、行为是科学计算可视化的主要研究内容2。）博士对地图可视化提出了独到的见解，他将地图信息传输模式归结为由形式化、认知与传输构成的一个等边三角形（如图1.1），并指出可视化将是现代地图学的核心，它位于等边三角形的中心，认知和传输模型是地图可视化的重要内容，而实现直观化操作的基本手段则是计算机技术和多媒体技术3。我国地图学家高俊院士非常重视可视化技术在地图学中的应用，率先将虚拟现实（VR）技术引入到地图学的研究中来，认为虚拟环境（赛博地图，Cybermap）是空间信息可视化最有发展前景的新领域4。高俊院士根据数字化时代地图学的新特点，提出了“地图学四面体”的学科框架（见图1.2），科学分析了实地地图

5、数字地图读者两两之间的关系5。从中可以看出，数字地图地图、数字地图读者的关系中的基本纽带是可视化技术。关于空间信息可视化的概念，MacEachren(1992)定义为：运用确定的视觉表达使空间情况和问题可视化，从而最大限度地发挥人的与视觉相关的信息处理能力6。DiBiase提出了一个基于地图的地理可视化概念模型7（见图1.3）。他认为可视化研究过程分为两个阶段，前期包括地理数据可视化探索、形成假设并可视化确认，侧重于个人的视觉思维；后期可视化综合，合成至最后结果的可视化表达，侧重于研究结果的公众交流与传输（传播）。 图1.1 地图信息传输与认知模式 图1.2 地图学四面体图1.3 地图可视化的

6、概念模型 王建华对空间信息可视化给出了一个描述性定义2，他认为：“空间信息可视化是一门基于科学计算可视化、地图学、GIS和人类认知科学等，为识别、解释、表现和传输目的而直接表示空间环境信息的工具、技术和方法的学科。它的研究内容包括了空间客体信息的创建、组织、理解及表示的计算、认知和图形设计等几个主要部分，其结果可以被符号化、图形化、形象化、而且区别于那些文字和公式化的表述” 。“从认知科学和视觉思维的角度出发，又可把空间信息可视化理解为：为人类感知空间环境信息和视觉思维信息而进行的可视图形的表示过程、方法和工具，它着重研究使计算机与空间信息理解、表达和传输之间相互协调的人与计算机的机理” 。3

7、 空间信息可视化的目的和作用 笔者认为，除了数学基础之外，利用抽象化和图形化的地图符号经过综合取舍地传输空间信息，是地图的根本职能和本质特点，是地图区别于其他类型的信息传输（如语言、音乐）或者说是地图学区别于其他学科而独立存在的根本要因。所以，地图本来就是空间信息可视化的产品，地图的制作过程本来就是空间信息可视化的过程。现代技术条件下的可视化概念是相应于数字化而提出和存在的，是数字制图和GIS技术发展到一定阶段后必然涉及到的重要课题。空间信息的数字化与可视化之间存在着既对立、又统一的矛盾运动。以数字制图为例，空间信息的加工经历了图1.4所示的三个阶段。其中，AB是数字化的过程，即向电脑输入信息

8、的过程，并通过数据处理形成存在于电脑的虚地图数字地图，它可以起到类似于人脑中的虚地图心象地图的作用，既可用于空间信息的加工（分析、计算等），也可用于引导机器的行为（如自动导航、匹配制导等）； BC的过程是可视化的过程，即用于向人传输信息，使人通过视觉感受形成心象地图，并进而进行空间认知的思维加工或引导人的行为。图1.4 数字化与可视化的关系 空间数据可视化的作用，主要在于发挥人在空间信息认知中的地位和作用。尽管计算机在距离、面积、坡度等计算方面比人脑精确而迅速，但人在拓扑关系把握、空间现象的联想能力、对事物和现象本质特性的抽象和内在规律的发现方面的思维能力，是计算机难以做到的，更不用说创造力方

9、面了。可视化的目的可以概括为两层意思：第一，将空间数据分析和应用（如地图制图、GIS分析结果的输出等）的结果以可视化的方式传输给人，由人检验其正确性，正确则接受，错误则否定或修正。这时，人是评判者；第二，以可视化的图形图像这类可感知的方式显示或输出空间信息（如制成地图或提供可视的虚拟场景），人们以此为工具通过视觉传输和空间认知活动，去探索空间事物的分布及其相互关系，以获取有用的知识，并进而发现规律。这时，人是使用者。总之，可视化的作用最终仍然是要利用或发挥人脑的形象思维能力，并激发相关的创造力。只要人脑的作用不被取代，空间数据可视化（尤其是地图）的作用也就不可避免的受到重视。 在数字化时代，可

10、视化的概念与常规的地图制图可视化操作方式相比有了全新的发展。对地图学家来说，这种技术已经超越了传统的符号化及视觉变量表示法的水平，而进入了在动态、时空变换、多维的可交互的地图条件下，探索空间信息传输的有效方式和提高视觉感受功能的新阶段。新的可视化技术的引用，使地图面貌发生了前所未有的变化。例如，多媒体电子地图集图形、图像、文字、声音、视频影像等于一体，三维动态地图可充分显示地面的立体景观并展示事物和现象随时间变化的特征，进而利用虚拟现实技术可营造一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉和嗅觉的可感知和“可进入”的环境，给人一种身临其境之感。这样，就大大扩展了地图的信息传输功能，有力地提高了人们空间

11、认知的能力和水平。可视化的重要之处还在于，它可以将那些通常难以设想或难以接近的环境和事物，以动态直观的方式表示出来（借助专题制图的表现手法，但超过了专题制图的表现水平），有助于人们研究客观存在和各种自然、社会现象和空间分布，获取新知识，并进而发现以往难以找到的规律8910。4 空间信息可视化的技术、产品及工具4.1 可视化技术的基本方法可视化的基本包括点数据场的可视化、标量数据场的可视化、矢量数据场的可视化、张量场数据的可视化及其他相关可视化技术2。 （1）点数据场的可视化 点数据场可视化的实质是将N维空间中的点集投影并显示在二维平面上。比较常见的是一维、二维、三维空间点数据的可视化处理，通过

12、简单的数学模型或某些投影方法可以将相关数据表示在二维平面上。对于三维数据，可以生成计算机屏幕上的假三维立体图，并可通旋转控制操作，实现空间对象不同角度的显示。对于四维或更高维点数据场，通常采用Andrews提出的曲线分解模型进行可视化处理。基本原理是将N(N4)维空间中的N个分量值（F1,F2,F3,Fn）用一个函数f(t)表示： 将f(t)函数在范围内的曲线绘制在二维平面上，也就是将N维点用一条形状相似的曲线来表示，通过比较一组曲线，来确定N维点数据集中所含的不同信息。 （2）标量场数据的可视化 标量场数据的可视化是目前空间数据可视化中研究和应用最多的可视化方法，图形、图像的显示技术等都是基

13、于标量场数据的可视化方法来实现的。 一维标量场数据比较简单，可采用插值函数（如三次样条插值函数）来实现可视化。空间数据处理中的二维标量场包括平面网格点数据和不规则乱点数据，为了实现二维场数据的可视化，也需要拟构相应的插值函数。对于平面网格点数据，可采用双线插值函数或双三次插值函数，其基本形式如下： (双线插值函数)，0x,y1 (双三次插值函数)在空间数据处理中，常用的双三次插值函数是Bezier函数12。 对于不规则的散乱点数据，可以先将其划分为若干三角形或六角形格网等，然后再对格网上的点数据采用双线插值或双三线插值函数进行处理。空间数据处理中的DEM数据是不规则散乱点数据场处理较典型的应用

14、实例。 三维标量场数据的可视化则采用曲面构造法来实现，其基本原理是：将函数值作为空间第三维数据，利用某种曲面模型对点集拟构一张逼近曲面，将该空间曲面投影到平面上，并通过纹理、明暗处理及旋转变换等来实现第三属性的显示，甚至可以利用动画技术实现第三维属性的连续现实。 （3）矢量场的可视化 矢量是一种既有大小又有方向的量纲，对于矢量场的可视化应当将矢量的大小和方向都能够同时显示出来。在空间信息处理中，矢量场的可视化通常有两种基本技术，一种是将矢量场按一定方向进行分组，获得N个组的分量值，然后借助于标量场数据的可视化技术显示每一分量的分布；另一种方法是直接对矢量的大小和方向同时进行显示。根据空间数据处

15、理的特点和可视化的基本技术，矢量场数据的几何图形表示方法通常包括点场数据表示、线场数据表示和面场数据表示等三种。（4）张量场数据的可视化三维空间的一个二阶张量可以表示为一个3×3矩阵，因此，一个张量场是由二维或三维场中一系列类似的矩阵组成。对三维空间的二阶张量分布，Haber提出了一个方法。该方法首先求出张量的特征值和特征方向量，根据特征值的大小分出主特征方向、次特征方向和最小特征方向。具体算法见文献12。（5）其他可视化技术和方法通常用到的还有图像处理技术、动画技术和交互技术。图像处理主要用于高密度点的标量场数据分布，相关技术包括图像增强、图像特征提取和图像分割等。动画技术可以表达

16、第四维信息，特别是对于表示随时间变化的物理场非常有效，其基本原理是通过一组图像序列来显示连续的物理场变化，常用的技术是关键帧方法。交互技术在可视化中具有非常重要的地位，许多数据的特点只有通过交互才能感知到。交互技术包括与数据的交互、与图形的交互和与可视化参数的交互等。4.2 空间信息可视化的基本过程空间信息可视化的基本过程包括数据预处理、数据构模、计算机图形生成、图形输出等步骤。（1）数据预处理空间信息可视化处理的数据对象主要包括数值（属性）数据、几何数据和图像数据等。数据预处理就是对这些数据进行数据格式转换、数据变换（投影变换、几何变换、坐标变换等处理）、数据压缩与解压、图像分割与边沿检测、

17、图像提取、图像增强、图像滤波、图像平滑处理等，以满足可视化图形、图像生成的需要。（2）数据构模主要是针对不同的数据处理对象、不同的用户需求，选择或设计不同的数学模型或算法，对预处理的结果进行可视化预处理，如生成二维、三维或四维时空数据以及表面重构等，其核心技术是前面所述的几种可视化基本方法。（3）计算机图形生成即利用计算机图形学技术将各种数据生成直观、易读的计算机图形，也包括图像的明暗、阴影和纹理映射处理等13。 （4）图形输出 即将可视化处理的结果按用户要求显示在计算机屏幕上，形成二维、三维或四维直观化图形、图像；或者将生成的可视化图形直接打印出来，生成硬拷贝图；还可以输出印刷用制版胶片或印

18、版，用于大量印刷复制；也可以转换为其他相关系统可读的可视化数据文件。4.3 空间信息表达的基本方式空间信息的表达方式取决于技术的发展水平，其主要目的是为了揭示空间信息的基本特征及其规律，可归纳为如下几类。（1）图形主要是地图图形是表示空间信息的一种直观有效的方法，是空间信息可视化的重要手段。（2）图像是空间环境现象或事物的真实缩影。（3）视频图像是空间环境现象或事物的真实写照。（4）三维图像或三维动画是计算机屏幕上的真三维空间实体的图形表达或基于四维时空的动画图像，它们能够更加形象、逼真的表示客观世界的现实情况。（5）文本描述包括数字和文字描述。用于描述空间现象或事物的数量、质量、等级、名称、

19、类型等特征，或加以注解和说明。（6）统计图表主要用于表示空间信息的数值总量、分布规律、结构等。也可用于表示非定位空间信息的多维结构特征和时序变化特征。（7）音频可以直接描述、解说空间环境信息，发挥人的听觉系统的作用，可以作为空间信息可视化的辅助表现形式。（8）虚拟现实是一种更为真实的表现客观世界的可视化技术，借助相应的设备和装置，使用户有身临其境之感。4.4 空间数据可视化产品的类型根据空间信息的特征及可视化技术和方法，可以将空间数据可视化产品归结为如下几类。（1）纸质地图 以纸张为载体的地形图、专题地图、地图集等种类繁多，应用极为广泛，它们既是传统地理空间信息的表达工具，同时也是计算机环境下

20、空间信息可视化的一种重要而基本的可视化产品类型。因其具有便于携带、使用方便、可以制成较大幅面（便于感知更大区域内的空间现象和事物之间的关系）、显示方式比较符号人们的阅读习惯等优点，长期以来是地图的主要产品类型。虽然电子地图等计算机环境下新的地图品种表现出了很强的优势和活力，但对纸质地图的需求和纸质地图的出版并未因此而萎缩。在新的技术条件下，纸质地图的出版主要计算机制图软件完成数据处理和制图，由电子出版系统完成印前处理，最后通过打印机、胶片（印版）输出机或数字印刷机实现“所见即所得”的输出。（2）电子地图和多媒体电子地图 电子地图是基于计算机数字处理和屏幕显示的地图。它是空间数据可视化的主要产品

21、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。电子地图的主要特点是制作灵活、形式多样、色彩丰富、修改方便、动态和实时显示等。目前，光盘电子地图已经可以作为地图出版的产品形式之一面向用户发行。 多媒体地图是集文本、图形、图表、图像、声音、动画和视频等多种表现媒体和表现形式于一体的新型电子地图，是空间信息可视化的一种非常重要的产品形式。 （3）三维地图和赛博（Cybermap）地图 三维地图是在二维平面地图的基础上增加了高度和纹理信息的新型地图。它通常显示于计算机屏幕上、地理实体具有高程信息和表面纹理特征、并通过光照模型使人们看上去具有较强的

22、立体感。也可以对对象进行旋转操作，便于从不同角度观察空间现象和地理实体。 三维地图可进一步拓展为赛博（Cybermap）地图。即利用虚拟现实技术（VR）在数字地图或空间数据库支持下构建一种虚拟环境，人可以“进入”虚拟环境并实现以视觉为主，包括体位、听觉的全方位交互，这是空间信息可视化最有发展前景的新领域5。（4）其他产品类型 空间数据可视化的其他产品类型还包括遥感影像和影像地图、表现四维时空变换的地图、交互式的可视化界面等。4.5 空间数据可视化的基本工具根据上述空间数据可视化的特征和类型分析，具体实现空间数据可视化的工具和手段可归纳为如下几类。（1）地图制图与电子出版系统常用的数字制图与出版

23、软件及其相关系统，是实现空间数据可视化的传统的和重要的工具，包括地形图和专题图的制作、地图的输出等。借助这类软件和系统（如地质大学最早开发的MAPCAD制图软件和地图出版系统现在已发展成为MAPGIS地理信息系统软件平台、北大方正的方正智绘数字地图制图出版系统、美国INTERGRAPH公司开发地图制图出版系统、比利时的BARCO公司的制图系统、ArcInfo推出的ArcGIS Desktop、Bentley公司推出的MicroStation），可以将地形图数据经过符号化及交互编辑处理后显示于计算机屏幕上，也可以将统计数据制成直观易读的专题地图，从而形成空间数据可视化的产品形式之一电子地图。然后

24、，在借助电子出版系统的图像处理软件和图像输出技术，还可以生成硬拷贝纸质地图，或者生成地图分色制版胶片（或印刷版）用于大量印刷出版纸质地图，也可以直接连接数字印刷设备批量生产纸质地图。纸质地图是传统的、有效的、使用非常广泛的空间信息可视化形式，新技术的发展并不排斥纸质地图的出版和应用。（2）空间数据库系统和空间信息系统（GIS）软件 空间数据库系统的用户界面是使一种可视化的操作界面，系统软件具有图形生成和基本的符号化功能，以便于用户主动地、直观地操纵和使用数据库中的数据。空间信息系统（GIS）软件实现空间数据和属性数据综合处理的专用软件，通常具有空间数据和属性数据的管理功能、图形生成功能、空间数

25、据的计算和分析功能，以及对分析结果的可视化表达功能，因此它也可以作为空间信息可视化的一种主要工具。（3）三维模型制图软件借助于这一类软件（如AutoCAD、3D Studio、3D Studio MAX）可以实现逼真的三维模型，建立具有真彩色、纹理和明暗对比的直观化模型，进而可生成三维景观图、透视图、断面图乃至动画等空间信息可视化产品。将这类软件与数字地图制图软件相结合，可用于三维地图制图或三维GIS系统。（4）多媒体地图系统 是一种基于多媒体计算机技术的地图制图和管理的信息系统。借助这种系统，用户可以任意地输入、产生、操作和输出多媒体信息，从而直观、形象、真实、综合地表示和传输空间环境信息，

26、从而生成多媒体电子地图。（5）虚拟现实技术虚拟现实（Virtual Reality）是一种由计算机生成的高级人机交互系统，或称为人造环境，它是一个以视觉为主，也包括听觉、触觉、嗅觉的可感知的环境。在该环境中，操作者借助于头盔、数据手套、操纵杆等可以自由控制系统环境，进行观察、触摸、操作、检测等试验，使操作者有身临其境之感。将这种技术系统应用于空间数据可视化，可以生成赛博地图。5 地图与空间数据可视化的关系 通过分析了空间数据可视化的方式、方法、产品形式和基本工具手段等，使我们对于地图与空间数据可视化之间的关系能够有一个基本的认识。我们可以看到，空间信息（数据）可视化并没有改变“地图作为空间信息

27、认知的工具（而且是最为有效的工具）”这一基本事实。地图是空间数据可视化的最为有效的表达形式，是空间数据可视化的基本产品类型。因为，一个有效的关于空间信息的可视化表达形式，离不开严格、准确的数学基础（投影方式及坐标系统），或多或少的都要对空间现象和地理实体进行综合取舍地表示，更不能抛开利用经过抽象的符号体系表达空间实体的方法，而满足这些条件的可视化结果，显然在地图定义的范畴之内，仍然应当成为地图。例如，多媒体地图是在原有的地图和地图符号表示法的基础上，增加了图像、声音、动画等这借助多媒体技术的表示方法而已，这些技术只是扩展了地图对空间信息的表达和传输功能，辅助提高空间信息认知的效果；三维地图的生

28、成，是在二维平面地图的基础上增加高度和纹理信息，并三维建模技术使原有的地图符号具有立体效果，也没有改变地图的本质特征；利用虚拟现实技术生成的虚拟地理环境，也需要以地图数据为基础，既保留了地图的数学基础，也离不开空间现象或地理实体的综合取舍，只是在符号体系方面采用了形象化的表达方式，或者说是采用了形象和抽象结合的方式，所以，它仍然属于地图，目前被称为赛博地图。可见，空间信息可视化的概念虽然包含了严格的地图定义之外的表达空间信息的方式和手段，使地图的概念得以扩展，使地图的表现形式更加多样，但它并没有改变地图最根本的特质和功能，丝毫没有降低地图的地位和作用。任何地图表示法之外的关于空间信息的有效表示方法，要么可以引入到地图符号系统或地图表示法中来，要么只能作为空间信息认知的辅助手段。因此，我们认为地图是空间信息可视化和空间信息认知的最为有效的形式，不满足地图定义的任何其他空间信息可视化方式，也许永远不能成为空间信息认知的主流。所以，不管技术如何发达，地图将永远存在下去，正如陈述彭院士所说：“地图是永生的”。从这方面看，可视化技术是地图表现的手段和工具。这就是不能用空间信息可视化取代地图这一名词的原因。6 结论 通过上述讨论，得出的结论是：地图是空间信息传输和认知的最为有效的工具；地图是空间信息可视化最为有效的形式；可视化技术为地图更好的表达空间信息提供了新的技术手段。数字时代