地形资料可视化之比较研究：国立台湾大学地理环境资源研究所硕士

1、.PAGE ：.；国立台湾大学地理环境资源研讨所硕士论文指点教授：赖进贵地形资料可视化之比较研讨研讨生：陈伯衔 撰中华民国九十年六月第一章 绪论第一节 研讨动机看地图是一件非常有趣的事。阅读着一张地图，再加上一点点想象力，就好似本人在当地旅游一样，身历其境。随着科技的提高，计算机也被用于地图的制造上。最新的技术甚至可以让用户可以在计算机上看到立体的地图；再加上多媒体的运用，还可以提供一段当地的影片引见，辅以网络快速普及，甚至在线地图还可以提供数据库查询等等功能。Rose, ；Chrisman & Harvey, ；Wentz et al., 但是，地图最主要的功能，还是利用于传播信息，例如：地

2、形、水系、植物、动物、聚落、道路、地质、土地利用以及其他详细的数据；阅读地图，使得人们可以更便于得知所处的这个空间的信息，而不需求亲身到现场获得种种信息。而从传统中的纸张地图，到最近在计算机中运用的数值地图及地理数据系统，地形数据几乎都是其中的必备工程。而地形数据的搜集、处置、分析、展现，本来就是地理数据科学的一项中心。Hearnshaw et al., ；MacEachren et al., ；Berry et al., ；赖进贵, 令人猎奇的是，在传统的地图中是如何表现地形数据呢？这些方法包括了等高线图、晕渲图、晕滃图，除此之外，还有没有其他的方法呢？而运用新科技计算机来表现地形的地图，例

3、如立体地形图、虚拟现实、动画，又是如何表现地形呢？而这些新的地图，究竟有没有比传统的地图好用呢？人们看地图，就是为了获得一些信息，普通把这样的行为称之为认知。新的地图制造技术，有没有带给人更方便的地图认知呢？有没有使地图的认知更简易、内容更准确、丰富呢？笔者参与一场台北市新进地理教师研习营，会中有位教师表示，如今的中学生国中及高中生多表示地理学是很难学习的一门学问，这位教师也以为，本人对于等高线图部份的教学，学生学习的效果不佳，而其他的教师们也多表赞同。因此，不由令人联想到，假设新近利用的地形数据可视化方式有传统中地形表现方式所没有的优点，能否可以利用新近的地形资料可视化方式来进展教学呢？或者

4、当作是一种辅助工具呢？以上种种的疑问，形本钱研讨的研讨动机。第二节 研讨目的为了寻求以上众多问题的解答，最好的方式就是针对各种不同的地图上的地形表示法或者称之为地形数据可视化方式进展比较。本研讨针对地形的表现方法加以研讨，从传统地形的表现方式到运用新技术的地形表现方式加以整理、引见，进展了解，并设计出一份问卷，以问卷的调查结果，对不同的地形表现方式加以比较，看看新的地形表现方式，终究是不是一项华而不实的新技术，对于人们对于地形数据的了解，能不能有本质的协助 。因此，本研讨归纳出几个研讨目的：.整理从古到今、从传统地图学到新近计算机地图学及地理数据系统中所较常运用的地形表现方法。.以问卷方式进展

5、，搜集受测者判读地图的认知，以对各种地形表现方式进展比较。.以问卷分析的结果做为左证，提供教师参考，能否利用多种不同的地形表示方式，可以辅助学生学习较为困难的地形表现方式。第三节 研讨流程本研讨的研讨流程如以下图：研讨動機確定研讨目的問卷分析與討論結論與建議地形資料視覺化方式視覺化人類認知地形資料文獻回顧問卷設計第四节 研讨架构本研讨主要在比较各种地形数据可视化方式。第一章讲述研讨的动机、目的、流程以及架构。由于地形数据可视化牵涉的主要议题有地形数据、可视化、认知才干三大方面，因此，主要的研讨架构就分为以下三个面向：地形資料高度、坡度、坡向、地形特徵、起伏認知才干學習、經驗、才干、記憶、思索、

6、語言視覺化具象圖示、暈渲圖、暈滃圖、等高線圖、虛擬實境、動畫在第二章文献回想中，针对以上三个面向的课题进展文献搜集、厘清研讨方向。第一节真实世界中的地理资料，主要回想真实世界面向中地理资料的特性，进而导出地形数据的特性；再从地形丈量的观念来看地形资料，整理出常用的三种数值地形模型；最后决议决议以农林航空丈量所所消费的台湾地域公尺分辨率的数值高度模型DEM，Digital Elevation Model作为本研讨测试用的地形资料。第二节数据可视化，首先讨论学者对于数据可视化的定义；接着整理出符合此定义的传统、新近利用GIS可视化功能的各种地形展现方法，合计有具象图、鸟瞰图、晕滃图、晕渲图、分层设

7、色图、等高线图、彩色晕渲图、渔网图、立体地形图、虚拟现实、动画等种。这些地形数据可视化表现方式提供后续研讨加以讨论。第三节人类认知回想认知才干面向文献，得知人类的认知流程，以及皮亚杰认知实际中对于人类认知提出的四个阶段。以此作为根据，本研讨得以进展地形资料可视化之比较。第三章讨论本研讨的研讨方法。本研讨进展地形数据可视化之比较，首先检视各种可视化方法，而后进展问卷的设计，以验证之。第一节地形数据可视化方式中讨论文献回想中所整理的地形数据可视化方式，并简述其优缺陷。第二节问卷设计，以台湾地域公尺分辨率DEM作为真实世界地形资料，选定阳明山国家公园地域作为测试数据区，以各种地形数据可视化方式绘制地

8、形图；而为了地图绘制平台的一致性，选定了晕渲图、分层设色图、等高线图、彩色晕渲图、渔网图、立体地形图、动画、虚拟现实等八种可视化方式来加以比较，并以计算机软件加以绘制；最后选定研讨对象来发放问卷。第四章问卷结果统计与分析分为三节，就问卷的三部份问题分别进展问卷结果统计及分析，以了解地形资料可视化比较之结果。第一节为问卷第一部份根本资料的结果统计与分析，以对于受测的根本背景资料有较深化的了解。第二节为问卷第二部份地形数据可视化方式个别比较的结果统计与分析，得知受测者对于八种地形数据可视化方式个别的优缺陷的认知。第三节为问卷第三部份地形数据可视化方式综合比较，得知受测者对于八种地理数据可视化方式整

9、体性的认知。第五章结论与建议。第一节对于本研讨进展总结，提出本研讨所得到的结论；第二节那么提出建议，设计出一套教案，利用各种不同地形展现方式来辅助学生学习较为困难的地形表现方式。第二章 文献回想地图是一种传播方法徐圣谟, P., 。在传统的传播系统中包括三个要素：一为数据源Source，二为传播的管道Channel，三为收讯者Recipient。转换为地图传播来看，数据源即为真实世界Real World，传播管道那么为地图Map，收讯者那么为读图者Recipient。假设在此系统中加上制图者Cartographer，那么可构成简单的地图传播系统，如以下图：真實世界Real world製圖者的概

10、念Cartographers conception地圖Map讀圖者的概念Recipients conception图. 简单的地图传播系统整理自：徐圣谟, P., Robinson在其所编着的地图学Robinson et al., P., 中利用此重要的根底实际，据以开展出地图的传播方式。本研讨将这个简单的地图传播系统再做了更进一步解释，制图者的概念乃是将真实世界编码Encoding的认知过程，而读图者的概念那么是将地图上所阅读而得知的信息加以译码Decoding的认知过程，最后读图者建立起其所认知的世界。整个过程可以整理如以下图：讀圖者解碼Recipients Decoding地圖Map製圖

11、者編碼Cartographers Encoding認知的世界RecongnizedWorld真實世界RealWorld图. 地图信息流程整理自：Robinson 等, P., 新近的地图学开展和资料可视化data visualization的关系越来越亲密。数据可视化不是地图学的专利，包括化学、医学、工程等科学研讨皆积极推进资料可视化的运用。MacEachren (P., )以为，就地图的面向而言，数据可视化的研讨任务内涵包括地图运用的各个科学层面，从初始的资料探求调查到假说构成，及最后的结果呈现都属于它的范畴。制图者的编码过程，也可以是一种数据可视化的过程，而最后的结果呈现即是地图。在研讨观

12、念上，有效率的视觉化任务可以提供可视化的思索visual thinking和可视化传播visual communication，前者偏重在研讨者个人的信息探求exploration和假说确定confirmation的过程；而后者的数据可视化那么牵涉到群众之间的信息整合与展现。另外，地图的运用必需经过读图者译码，而译码的才干那么涉及人类的空间思索及认知才干。地图运用者在看到一张地图时，会将图上的符号和讯息转换故意中的意像，显示该地域的空间特性或地理景象。这种转换过程与个人的知识和阅历息息相关赖进贵, 。例如，一幅等高线地形图，对于普通未受过训练或学习的读者而言，能够只是一组密密麻麻的线，难以从中

13、解读出地形起伏的信息。相对地，对于一位阅历丰富的田野任务者而言，等高线图能够是田野任务所不可或缺的数据源，可以让他明了该地地形高低起伏的情形，也可以提供他准确的高程、坡度、坡向等数据。地图和读图者认知才干的关连可见普通。因此，地图这样一种传播工具，会遇到三种层面的问题：.真实世界的地理资料.数据可视化.人类的认知以下就此三层面问题分节分别讨论之：第一节 真实世界中的地理资料一、地理数据中的地形数据地理学Geography是一门研讨空间的科学。因此，地理学所要处置、表现的信息，不外乎是这些和空间有关的地理资料。地理数据的特征之一，就是它包含了空间位置及属性数据两部份。Robinson, P.,

14、；赖进贵, ；施保旭, P., ；吴秉升, 空间位置是指空间数据的大小、外形、位置及地理景象geographic phenomena间的的相互关系。按照地理数据的空间维度，可以将之区分为以下几类：.点资料：零维的地理景象，用以表示发生某一地理景象的地点。如：小比例尺地图上的城市位置、丈量控制点、亭位置等。.线资料：一维的地理数据，具有线性意义或无面积存在的地表景象。如：河川、行政区域边境、公路、管线等。.面资料：二维的地理数据，由线数据所围起的一块区域，在这区域中的各点，在某一种分类下，其资料都是一致的。如：土地利用图、地籍数据、行政区等。.容积资料：三维的地理数据，由面数据所重迭而成的空间信

15、息。如：大气组成物、海洋温度等。.时空资料：将同一地域不同时期的数据整合，即构成时间序列的数据。将前述四种数据参与时间的维度就成为四维的信息。例如：不同时期的植生分布、土地利用变化等。属性数据用来显示地理数据的本质，是对空间对象的某些值进展量测或描画的结果。按照其特性，可以分为以下四个类别：类别数据nominal data：依数据性质的不同来加以分类，数据之间并无数值大小的关系。如：土地利用型态、土壤类别。这些数据只需种类的区分，并无大小的区别。等级数据ordinal data：数据的值代表等级的大小。如国道、省道、县道等分级。等距资料interval data：例如气温、高度数据，其量度是以

16、等距的数值来表现，每一个级距的差别也相等，但是数据的零值并不是真正的零，摄氏零度只是气温的一个参考点，并不表示没有气温。这类数据彼此之间的数值不能拿来做比率，所以不能说度是度的两倍。等比资料ratio data：一种数值的数据，其数字的大小具有比例的关系。如：万人口是万人口的五倍，降雨量是降雨量的十倍。除此之外，地理景象按照其空间分布的延续性可以分成延续型和不延续型数据：延续型：地理景象的分布是延续的continuous，中间没有空隙的存在。如每一个地方都有气温存在，都一定会有高度，所以这种数据的分布是接连不断的。不延续型：地理景象的分布是由各个独立物体构成，物体间留有空隙。如房屋、建筑区的分

17、布是由各个独立物体构成，并非全面性的延续数据，所以是一种离散discrete的景象。地理景象按照其数据的变化情形也可以分成两类：平滑景象和不平滑景象。平滑的景象：地理景象的高低或大小的变化通常是一种渐进的演化，而没有明显、急遽的变化。例如气温、气压、地形面的高地起伏。不平滑的景象：地理景象的属性变化非常明确，可以明显的找出变化的分界限。例如行政区域的划分。由于真实世界中可供讨论或者绘制成地图的地理景象太多了，不胜枚举，因此，在本研讨中，仅专注于地形此一种地理景象上。在地图上常见的地形是一种地理景象的分布。此种分布是真实可见的，比较固定，它影响人类的生活，从交通到气候。地形也是一种地理景象，在相

18、关的参数上，常被思索的因子有高度、坡度、坡向、坡型、地形特征按照以上所言的地理数据的分类，地形这种地理景象，有这些特性：.地形是一种三维资料：地形是一种三维数据，因此最常用的记录方法，就是记录下他的三度空间的高度值X、Y、Z。假设再配合上不同时间所记录的高度值，那么地形就可以变成四维数据，此时画出来的图，就是一幅地形演育图。.地形是一种等距资料。地形的高度值是一种等距资料，高度零公尺并不代表没有高度的存在。.地形是延续性的。地表上每一个地点都有高度，地形也因此而成为延续性分布。.地形是平滑的。地形高低起伏的变化是一种渐进的演化，而没有明显、急遽的变化。二、数值地形模型地形计测学Geomorph

19、ometry是一门处置地景几何形貌的科学，利用定量的目的来表达地表的形貌，属于地形学的一个次领域Mark, ；赖进贵, 。地形计测的进展，是透过一组可以量度的几何参数来表现地形的特性，这些参数的求取，大都是在地形模型上进展。近年来，计算机快速开展与普及的结果，提供科学研讨者处置庞大资料与计算的才干，进而促成研讨方法与技术的更新。在地形学的领域中，计算机的运用因此促成数值地形模型Digital Terrain Model，简称DTM的成熟与普及赖进贵, 。依广义的定义，数值地形模型是指任何以数位的digital或数值的numerical方式，来表现地球外表的数据方式Mark, ; Weibel等

20、, 。狭义的来说，数值地形模型是一个构造化的数据库，以、等三维坐标来表现地形外表Welch, 。目前在GIS的运用上主要有三种常见的数值地形模型数据方式，简介如下赖进贵, ：.TIN不规那么三角网，Triangulated Irregular Network：在地形表现上，这一个方式是以临近点所围成的一个个三角面来代表地形起伏，是以面的方式来表现地形。一个TIN实践上包含了节点node、线段segment和面facet。节点是TIN的根本元素，线段是由两个相邻的节点衔接而成，面那么是由相邻的三条线段所围成。TIN所包含的节点在空间位置上呈现不规那么的外形，但在地面上，他们应是具有意义的一组点，

21、能够座落在山顶、棱线、或边坡转机的地方。而线段所座落的也应该是诸如棱线及谷系之类的地域，可以表现出地形架构的脉络。.DEM数值高度模型，Digital Elevation Model:泛指规那么网格式的DTM。沿着一组垂直正交的网格上，量取每一网格交点上的高度，而将高度登录成一个规那么矩阵的构造。点与点之间的间隔 亦代表数据分辨率的大小。.Digital Contour数值等高线：此一格式非常类似传统地图上的等高线，所不同的是，在计算机中的等高线是由一连串的离散的点所组成，而不是如地图上的模拟式的延续曲线。因此，这种数据实践上是以一连串的，坐标值加上它们的高度值来表现地形。针对以上三种数据方式

22、的综合比较，TIN的构造最能有弹性而完好的表现地形，但在数据建立时有其实行上的问题；DEM的方式具有完备的分析功能，数据构造简单明确，数据获得也非常容易，但在地形表现上不如TIN来的有弹性；Digital Contour容易获得，但其格式不易于计算机分析，适用价值不大，通常仅用以做为数据转换或暂存的格式。在普通地形计测中，实际上，地表可以以数学方程式来加以描画，进而就这个数学方程式来讨论地表的各种特性。但由于这种方程式能够太过复杂，而无法实践运用到整个地表的描画。因此，Evans明确界定出五个根本参数，分别为高度、梯度坡度、坡向、剖面曲率及平面曲率，以高度为主，其他四项参数那么为高度的导函数。

23、以数值高度模型作为数据源，可以迅速的算出高度、坡度、剖面曲率、坡向、程度曲率等等目的赖进贵, 。在台湾，最完好的数值地形模型数据是农林航空丈量所所消费的公尺分辨率DEM，本研讨以此作为研讨数据源，以其代表真实世界的地形资料，来进展后续的视觉化任务，并加以比较。又由于利用计算机地形计测，经过复杂的计算，也仅能求出地形高度、坡度、剖面曲率、坡向、程度曲率，单单利用人脑判释将无法负荷其庞大运算，因此，本研讨在经由地图判释真实世界地形资料上，仅就读图者所能得知的高度信息加以讨论，辅以坡度陡缓、地形起伏的判释，而并不要求读图者判释出坡度、剖面曲率、坡向、程度曲率。第二节 数据可视化数据可视化是传统地图表

24、现任务上的衍生，透过计算机图形所提供的各种视觉效果，辅助数据探求data exploration和假说推论hypothesis formulation等任务，并将成果以详细的图像呈现final presentation of results。MacEachren, P., ；赖进贵, MacEachrenP., 以为：地理学的可视化在这里被定义为运用详细的视觉展现方式，不论是在纸张上或是经由计算机屏幕甚至于运用其他的媒体，如此使得空间上的脉络和问题可以被看见，以便吸引人类最有力的视觉相关信息处置才干。利用此定义，可视化可以是非自动化产生的纸张地图的视觉分析、或是精细的计算机图形展现的视觉分析。

25、因此，以往传统在地图学中被讨论到的纸张手绘或印刷地图，或是新近利用GIS所展现的画面，统统都算是地理资料可视化的一环。Burrough在年给GIS的定义：一组强大的工具，可以自实践世界中进展空间数据的搜集、储存、取用、转换、以及显示。；英国环境部在年给GIS的定义：一个可以针对地球上面的空间数据进展搜集、储存、检查、处置、分析、显示的系统。施保旭, P., 。除此之外，另有不同的学者给过GIS不同的定义，而且不可否认的，数据展现是GIS重要的一环，也是重要的功能之一。在本研讨当中，将利用GIS的展现功能，来作为地理数据可视化的工具。Sheppard将现今有关GIS的可视化软件分为四种Shepp

26、ard, , 林凯发, ：.数据可视化科学可视化：将数字、图表或是平面地图数据，经过知觉的加强后，展如今平面上；.地景可视化：运用D-GIS的数据构造，在一个土地基座上展现三维地形的特征；.高真实地景可视化：利用贴图texture-mapping方式将真实的地表影像数据，按照坐标贴在地形外表数据上；.D实体模型可视化：在各个深度都具有延续属性，如各个深度的地质数据、地下水数据等等。和以往的地理数据可视化不同的是，GIS主要是处置地表和空间关系，藉由计算机强大的运算功能，运用D视觉仿真的地景可视化方式，可以到达将用户带进影像中，协助 用户对于该地域的了解与认知的效果。以往以平面表现信息的地图，有

27、其信息量缺乏、或部份信息无法表现的缺憾，运用D视觉仿真，可以表现地形的外形与高度，与人类的视觉阅历相近，作为信息的传送过程，当然更快速直接。现今的商业软件所提供的D视觉仿真，如ESRI ArcView D Analyst、PCI Fly!、ERDAS Imagine VirtualGIS，利用数值地形模型与高分辨率的地表影像套迭，都可以到达相当不错的可视化模拟效果。整理Imhof和徐圣谟对于传统地图中地形表示法的分类与引见，再配合上新近的GIS展现技术，本研讨整理出了种地形数据可视化方式，分类如下： . 具象图 . 彩色晕渲图 . 鸟瞰图 . 渔网图 . 晕滃图 . 立体地形图 . 晕渲图.

28、虚拟现实 . 分层设色图. 动画 . 等高线图这种地形数据可视化方式的详细引见，将留到本研讨第三章一并阐明。第三节 人类认知心思学中将人的认知分为六个部份来讨论Gleitman, P., ：.学习learning.觉得处置过程sense processing.知觉perception.记忆memory.思索think.言语language当人类看到一个影像的时候，这时候最先发生的事件就是觉得处置过程。由于人类是用眼睛看见的，因此，这一段觉得处置过程，最主要就是和视觉的处置有关。视觉的刺激主要光，而眼睛那么是人类搜集这种刺激的器官。眼睛接受刺激之后，将光的亮度、明暗对比、物体颜色等转化成神经讯号

29、，送往大脑去。大脑处置这些数据的过程，可以称之为知觉。根据眼睛传送过来的讯号，大脑开场判别：它是什么？，并且尝试往脑中去找寻解答，寻觅解答的过程，普通称之为思索。而存放在脑中曾经有的一些解答，称之为记忆。普通来说，记忆有三个程序：学习、储存、提取。学习能够是由他人教导而来，也可以是一种本身的阅历；将学习到的东西以不同的型式如音、意义、字母等储存下来，等到未来要用的时候在把他提取出来。提取出来的结果，通常会需求表达出来，而最常用的表达方式，就是言语了。Peterson举了以下图为例子来阐明人的认知：图. 地图上一州的认知扫瞄自Gleitman着, 在这个例子中，人们看到一幅德州的地图，是用眼睛看

30、到的觉得处置过程，构成脑中的一个具象，然后用个人知觉判别，从记忆中去比对，开场思索，最后决议的答案是：它是一州，德州，并且将它说出来。至此，一个人的认知行为就此完成。而知觉从记忆中比对，开场思索的过程，Peterson也举出了如以下图一样的例子，来阐明人类脑中复杂的一个方式。图. 确认德州外型的复杂思索方式扫瞄自Gleitman着, 因此，从以上的例子看来，没有学习就不会有记忆，没有记忆那么思索无法解答知觉，没有解答，那么认知行为就不会发生了。认知心思学有三个最主要的领域，知觉、记忆、思索，但他们之间却不太有明显的界限。Gleitman, P., 本研讨整理心里学中Gleitman对于人类的认

31、知研讨、及钟圣校对于认知心里学的深化讨论，发如今谈到知觉时，经常跨过界限进入记忆的领域，由于人类看到熟习的物体，是基于个人过去的阅历。知觉跟思索重迭的部份也很多，当人类看到地平在线的月亮，决议它一定比较大，由于看起来间隔 很远，所以是用推论潜认识的看到的。记忆和思索的界限也非常的不清楚，回想经常像是处理问题的作业，有时想不起来书借给谁了，最后决议除了小明没有他人，由于只需他对书的标题有兴趣，并且忽然想起来他来借的情形他发誓他一定会立刻还的情形还历历在目。但是假设记忆是跟思索一样，思索也是没有记忆就无法进展的，不论个人想的是什么去游览的道路、填税单的方法，都需求从各种记忆系统中提取工程出来。这些

32、都表示知觉、记忆与思索之间没有明确的界限，他们不是壁垒清楚的认知领域，而是一个认知历程的不同层面。一、皮亚杰认知实际皮亚杰提出实际将认知开展看成一个不断同化与调整的历程，此历程呵斥认知构造的重组。在人的终身中，随年龄及阅历而次第阅历四个主要时期或称阶段钟圣校, ；王文科, ：.觉得动作期sensorimotor period：又称实作智慧practical intelligence，约由出生到两岁。此时婴儿的认知行为有大部份是天性的、天赋的反射行为。.前运思期preoperational period：开场有表征的机能symbolic function，从十八个月开场，物体things曾经不再

33、是被操作的事物things-of-action，而开场成为被认知的客体things-of-knowing。.详细运思期period of concrete operation：约七至十二岁，将行动内在化，在心脑中做以前必需用实践行动动作才干做的事，即能对详细事物进展思索，而不完全依托实践的动作。.方式运思期period of formal operation：约十二岁左右开场以致成年。能对笼统事物进展运思，能将各种变量或变因如种类、关系、属性、各种事物做各种不同的组合，可从纯粹的假设演绎来推知结论。每一个认知阶段都有其特征：.前运思期的特征：a.详细性：此期儿童虽能操作符号，但仍依赖详细事物。

34、如要拨手指头算加减法。b.不可逆性。例如还不了解+=和-=是同一回事。c.执一性：只能留意事物的某一面向或细节。d.自我中心性：只能从本人的角度看事情。e.直接推理：介于演绎推理和归纳推理之间，是由特殊到特殊，不触及普遍性的推理。例如儿童没有睡午觉，却说：我没有睡午觉，因此如今不是下午。f.融杂的思索：指把任何临近的事物或事件依它们共有的个别特征链接在一同的倾向。.详细运思期的特征：详细运思期儿童的主要思索特征是具有保管概念、分类、安排系列或次序、结合律、可逆性、同一性等运思才干。这些才干在整个详细运思阶段开展的时间早晚那么不一。.方式运思期的特征：方式运思期的人主要具备有四种思索才干：a.假

35、设演绎思索：对一个问题能提出许多不同的假设，根据适时资料检验假设，然后做适当的决议。b.命题思索：能处置描画详细事物的陈说句或命题，即使命题是与现实相反的，也能假定它成立，而据以推理。c.I同一性、N逆转性、R相互性、C关联性的二度运思。d.组合思索：在处理问题时，能独立出个别的要素，并将这些要素做某种组合，来思索问题的处理。虽然如此，皮亚杰以为空间认知是一种知识和实体的构造及空间关系之内在或认知的表象。是从物体之间的观念之所构造出的空间关系为主，常以学童对于各物体的位置关系之再组织才干为主来调查或察看的方法，如利用各种物体或几何的标图形等来做各种实验，大部份以几何空间为主，无法和地理所谓的环

36、境空间混为一体欧阳钟玲,。二、人类的空间思索Gleitman以为，人怎样处理空间的问题？一个是用心像的方法。这种心像有相片的性质，是思想的一个重要工具。例如：一个司机可以利用心像找出一条快捷方式，就好似他真的在看地图一样。一个室内装潢师可以节省许多腰酸背痛，假设他可以在脑海中先安排好家具的位置之后，再实践动手去搬。另一些证据心像地图mental map。大多数人对于他居住的空间都有一个空间的概念，心思学家以为，这是由于心思地图具有图片一样性质的关系。Jonides 和 Baum 在年有一个研讨，受试者大学生要估计从校园中一个地点走到另一个地点的间隔 ，例如从宿舍到图书馆，从餐厅到体育馆。这个实

37、验结果发现，学生可以相当正确的估计出他们的间隔 ，更有趣的是估计时所用的时间跟间隔 之远近成正比，间隔 越长，估计的时间越久，就好似受试者拿着一把想象的尺在心思地图上丈量一样。就像当一个人拿一把小尺在丈量一片墙的长度时，墙越长，所需求的时间也越长。有一些空间思索有图片一样的性质，但是还有更多思索是笼统和概念性的。Gleitman举例，在Stevens 和 Coupe于 年一个研讨中，受试者要说出两个城市的大约位置，例如加州的圣地亚哥跟内华达州的雷诺请参考图.，受试者都以为圣地亚哥在雷诺的西边，其实它在东边。另一个实验是西雅图跟加拿大的蒙特利尔，受试者都以为蒙特利尔比西雅图北，其实它比西雅图南请

38、参考图.。这表示受试者的心思地图跟实践真的地图是不一样的。假设心思地图像真的地图一样有图片性质的话，受试者他们就会发现雷诺城在圣地亚哥之西，但他们现实上都答错了，而且正好相反。图. 蒙特利尔与西雅图位置图 图. 雷诺城与圣地亚哥位置图那么如何来解释受试者这个错误呢？最能够的解释就是受试者的答案是基于他对那个州或那个国家的相对位置的知识，例如内华达州是在加州的东面，而加拿大是在美国的北面。但是这个知识是笼统的、符号性的，而不是图片性的。受试者对于圣地亚哥及雷诺的知识可以以下面这三个命题表示出来：加州在内华达州的西边、圣地亚哥在加州、雷诺在内华达州。这种表达空间知识的方法很容易记错，由于他暗示州的

39、地理关系同时也适用到这一州的一切城市。但是假设这个关系是鸟的话，就不会有这个问题了。假设他们知道猫头鹰和知更鸟都是鸟的话，他们就知道他们都有翅膀、羽毛和喙。但是当然州和鸟不一样，雷诺不是一个内华达州，而是在内华达州。即是如此，大多数人们还是将空间讯息储存在这种大致差不多的概念方式上。由于将地理的数据储存在分类的标题之下，所以人类的空间知识就不能够是全是像图片一样。Bausmith和Leinhardt亦以为，建立起对于空间推论的了解，可以协助 来开展及提升地理教学，使学生了解复杂的空间矩阵如地图或其他图形化的信息展现。第四节 小结人类的认知必需先经过学习。假设没有先大约知道各种地形的表现方式，那

40、么人的认知就无从发生，也没有什么好讨论的了。例如一个幼儿园的学生，拿一幅等高线图给他看，他能够只会通知他他看到一堆圈圈，这一幅图在他的认知中，就只是一张画了一堆线及圈圈，他根本无法了解图中所代表的地形意义。因此，在本研讨中，将注重于讨论方式运思期中学生对于地图的认知行为，至于前运思期和详细运思期的认知行为，将不在本研讨关注范围中，或者留待后续研讨继续进展。参考人类的空间思索方式，本研讨希望讨论人类认知。根据以上所回想的文献看来，在读图者看到一幅地形图之后，不论其地形数据的可视化方式为何，能够都会先把它转换故意中的心像或心思地图，然后再加以判别、认知。本研讨就是希望能藉由比较几种不同地形数据可视

41、化方式，讨论在学生认知中，何者能提供丰富的信息，或者何者能最符合人类阅历、最容易判读；进而了解各种地形数据可视化方式的优缺陷。第三章 研讨方法第一节 地形数据可视化方式整理Imhof和徐圣谟对于传统地图中地形表示法的分类与引见，本研讨整理出七种地形数据可视化方式，分类如下： . 具象图 . 鸟瞰图 . 晕滃图 . 晕渲图 . 分层设色图 . 等高线图 . 彩色晕渲图配合上新近的GIS展现技术、利用计算机绘制地图，本研讨除了上述的七种方式外，另外整理出了以下四种地形数据可视化方式： . 渔网图 . 立体地形图. 虚拟现实. 动画因此，本研讨总共整理出了种地形数据可视化方式，以下分别引见之：一、具

42、象图示法iconic用粗略的图画符号来表示地形是一种很古老方法。古早的人，在描画一地形的时候，经常就是直接描画下这个地形给他们的印象或觉得。也因此，以图.的这幅古地图为例，山就像一个个馒头。更甚者，像拍照一样，如图.般，把看到的地形完好的素描画下来，也是一种地形表现方式。就图.的古地图来说，图例直接给人鲜明的意象，一看到就能明了制图者想要表达的地形，但是对于高度、坡度等地形数据的获得，那么付之阙如；图.的素描，画得好的话，一眼就可以知道所要表达的地形，但对于地形数据的获得，一样有困难。图. 古地图 图. 素描扫瞄自Imhof, , p. 扫瞄自Imhof, , p.二、鸟瞰图由于人类艺术的表达

43、才干不断添加，对于地表特征的知识亦不断扩展，具象图示表现法的效果得以不断提高。图.是年代日本人所绘制的台湾鸟瞰地图的一部份。从这个地图上，可以很明显的看出来，从宜兰到苏澳，要从海岸经过三个海湾，但是从普通的地图上，假设不去加以留意，那么很难去发现到这个现实。鸟瞰图很夸张的表示出了要经过三个海湾才干从宜兰到达苏澳，刻意强调特殊的意象，可以给人明确的印象。但除非图上有特别注明，对于高度、坡度、坡向等地形数据的获得上，一样困难。图. 台湾鸟瞰图扫瞄自庄永明编, 三、晕滃图年奥地利军官列曼Lehmann发明了一种用线符号来表示地形的晕滃法Hachure。有系统地运用短线条的宽度变化，循最大坡度方向，以

44、表示地形起伏，其平面位置与等高线的位置相垂直，晕滃线的宽度随坡度角之大小而变化徐圣谟，。这个方法，在德国叫阴影法，在英国和法国叫晕滃法。列曼法规定晕滃线粗与所在斜坡的坡度成比例，但晕滃法的种类很多，有的不依坡度变换线粗，而采同样粗的线再以间隔密度加以变化，使其与坡度成比例。此法能使人产生一种阴影的错觉，给人在光正射或斜射图面下，察看三维地外表的假象。图. 晕滃图扫瞄自Imhof, , p.从实际上看晕滃法是可度量的，各种晕滃线梯尺系统与地表坡度成比例，但是实践坡度难以准确获得。因此等高线法与晕渲法较为常用，并且常组合成定量描画且笼统逼真。整理一下前述，晕滃图可以给人察看三维地外表的假象，利用人

45、类错觉来让人知道地形的方式，藉由量测线条的粗细、长短，就可以获得地形数据。线条颜色的深浅，也可以代表向阳、背阳坡。话虽如此，但测绘不易为其缺陷。四、晕渲图晕渲图是假设光从某一方向照射入地形中，将光所呵斥的阴影效果所绘制下来而成的地形图。晕渲法适用于任何缩尺，但需求良好的绘制技术，假设为单色制图，那么不易与其他地图信息同时兼顾，否那么其他地图数据势必无法明晰易读。图. 阳明山地域晕渲图本研讨以ArcView绘制由于晕渲图缺乏计量的效果，所以军事家与工程师们比较少用，不过它的视觉效果非常良好，因此大家都希望能进一步将之开展为计量化。首先是列曼Lehmann所创之系统化晕渲法，即根据坡度大小来决议明

46、暗差别，虽在十九世纪曾风行一时，但仍难免因定性的视觉效果大于定量，很快为等高线所替代。日本人田中古郎Tanaka那么建议将等高线作有系统的明暗变化，而到达计量与视觉效果并存的目的。其他能够方法尚有多种，但都仍在实验阶段。晕渲图也可以给人察看三维地外表的假象，但只能单纯的表现地形起伏，不利于地形资料的获得。通常和其他的地形表现方式合用，作为辅助。五、分层设色图分层设色法Layer，coloring是最早小缩尺地形表示方法之一，在十九世纪末叶才被广泛运用。由于比较简单，所以比其他方法为普遍。在等高线地图的根底上，根据地图的用途、比例尺和区域特征，将等高线划分出一些层级，并在每一层级的面积内加上不同

47、的颜色来表示地貌的方法。这种方法加强了高程分布的的直观印象。颜色的配合使地图具有一定的立体感，弥补了等高线表示法的缺乏。颜色经过视觉所起的生理作用，使人们产生间隔 远近的觉得，尤其颜色中的色相和亮度影响最大。普通亮度大的暖色系颜色觉得凸出，称近感色；亮度小的冷色系颜色觉得后退，称远感色。通常在此类地图中，以暖色表示陆高，以冷色表示海深。图. 阳明山地域分层设色图本研讨以ArcView绘制分层设色法的关键是建立一个好的高度表和色层表。高度表是表达地图所用等高线间距的一种图表，而色层表是以每一层代表不同的高程带。分层设色图藉由颜色的深浅变化，也可以判读出地形起伏情况。但在小缩尺图中，等高线的简化必

48、很大，但高度简括化的等高线没有多大意义，只能表示地面高度的大致分类，设色问题与多色印刷技术亦此较困难。分层设色图保管了等高线图的优点，量测两条等值线的间距再加以换算，就可以得到地形数据。六、等高线图等高线是把许多程度面切过地面的相交线，经过正射投影到地图面上的等值线，因此，同一条等高在线的任一点，代表高度一样。等高线地图的等高线间距常是固定的，即同一张地图上，一条等高线和最近邻的另外一条等高线所代表的高度值的差是固定的。用等高线来表现地形能够是目前最普遍与最适当的一种方法。等高线地图是很笼统的，必需求经过判读之后，才干知道所表现的是何种地形；量测等高线的值可以得出地形高度信息；量测两条等高线的

49、间距再配合高度信息加以换算，就可以得到坡度地形数据；与等高线垂直的方向即该地的坡向。图. 阳明山地域等高线图本研讨以ArcView绘制七、彩色晕渲图分层设色图是将两条等高线间填满一样颜色，按照高度变化采用一系列由淡色到深色的颜色。晕渲图那么是利用光线照射的阴影效果，假设光从某一方向照射入地形中，将不同地形起伏所呵斥的阴影绘制成图，透过阴影可以显示地形。彩色晕渲图的绘制方式结合分层设色和晕渲的原理，制造彩色的地形阴影效果。这种表现方式保管分层设色图所显示的高度变化，透过晕渲又展现了地形坡度坡向变化，在地形展现上具有良好的效果。图. 阳明山地域彩色晕渲图本研讨以ArcView绘制八、渔网图：利用网

50、格状数值地形模型的数据，将每一个网格点的高度值，配合其相对应垂直相交的X、Y网，在网上绘出，构成高低起伏的立体网格，就成为一张渔网图，可以让普通读者看出地形起伏情形。由于这牵涉到大量的运算，因此，渔网图通常都交由计算机绘制。图.就是在Surfer这套软件中，用网格状数值地形模型的数据，绘制而得。渔网图可以让运用者看出地形的起伏，经由网格的换算，亦可获得高度、坡度、坡向等地形数据，但有操作上的困难及不方便的地方。在绘制上，也必需仰赖计算机，不易以人工来绘出此种图。图. 阳明山地域渔网图本研讨以Surfer绘制九、立体地形图这种地图的表现方式原理和渔网图一样，然而除了地形起伏之外，图上另外结合卫星

51、影像所提供的地面覆盖数据，贴附在渔网图之上，提供更逼真的地形展现效果。图.就是利用网格状数值地形模型，在ArcView这套软件中利用D Aanlyst模块建立立体模型，再贴上一张台湾地域的SPOT卫星影像，所绘制而得。立体地形图可以让运用者看出地形的起伏，经由贴附于上的影像数据，可以更容易的判释出地形来；但由于网格被遮盖，要像渔网图一样的加以换算来获得地形数据，比渔网图有更多实践操作上的困难及不方便的地方。图. 阳明山地域立体地形图本研讨以ArcView绘制十、虚拟现实VRML：虚拟现实是新兴的地形展现方法，可以在全球信息网WWW上表现。最常用来建立虚拟现实的一种方式，就是利用VRMLVirt

52、ual-Reality Module Language，虚拟现实模块言语进展写作。其绘制原理也类似于渔网图的画法，每一个点都有其X，Y，Z值。当运用者改动察看角度时，藉由重新绘制一幅图而使运用者可以从不同角度来察看地形。VRML属于一种动态的表现，用户可以自在旋转角度，从恣意方向和间隔 察看地形，提供良好的互动性。除非是对于计算机及文件格式有了解的人，否那么要经由换算获得地形数据并不容易，但经由相关查询技术的开展，置信在未来会有比等高线图更详细的信息可供查询。在ArcView这套软件中利用D Aanlyst模块除了可以建立立体模型外，再贴上一张台湾地域的SPOT卫星影像，所绘制可得立体地形图。

53、除此之外，亦可以输出Export成为VRML .格式，成为虚拟现实。加上插件后便可以在Microsoft Internet Explorer 或是Netscape Communicator 等因特网阅读器中进展阅读。虽然虚拟现实提供良好的互动性，但是由于需求插件的执行，或多或少也使得运用者却步，需求加以推行才干添加其普及运用性。图. 阳明山地域虚拟现实执行画面十一、动画：利用动画来表现地形，有两种方法：第一种方法就是参与时间因子思索，依序把不同时间的地形表现给运用者看，就好像亲身看着一块地形演育一样。让运用者知道这一块地形是经过怎样改动而变成如今的地形，也有助于运用者了解地形。第二种方法普通称

54、之为FLY。平面的地形表现方式，例如地形图、等高线图等，已不能满足现代人对于数据展现上的需求，由于现实空间本来就是三度空间，平面影像少了一个维度，降低了数据的真实性。随着计算机科技的提高，虚拟现实的技术可以利用二度空间的画面，呈现栩栩如生的三度空间画面，以符合人们对于现实空间的认知。FLY利用DTM数值地形模型的数据建构出三度空间模型，再将影像数据例如航空照片、卫星影像做为材质texture贴图于地形模型之上，可以建立一个动态的三度空间模型，所呈现的效果就好像由飞机上观看地面的地形景观，由远近高低不同间隔 和角度观看地面上的地形起伏。在现实生活中，可以搭乘飞机沿着特定道路，用摄影机将沿线景观纪

55、录下来。例如，沿着淡水河溯源而上，将会先看到下游的冲积平原河岸，进而由平地渐渐转变为河谷地形、高山地形，最后抵达发源地的大霸尖山。利用PCI Fly的仿真飞行功能，选择一条察看道路，利用计算机仿真飞行来产生道路沿途的延续景象，并且储存下来成为一动画档案，就好似拿摄影机搭飞机来拍摄影片一样。只需有一部计算机、相关的地形景观数据包括数值地形数据及影像数据，配合FLY的运用，就可以制造出一个地域的空中飞行鸟瞰的动画图像文件。FLY可以提供恣意飞行道路的航行，制形成不同需求的动画档案。比起出动真正的飞机摄影，FLY不仅更精简，而且更有弹性。图. Fly 动画的道路设计PCI Fly操作画面撷取FLY有

56、其优点，也有其限制。就展现效果而言，由于每段动画影片的飞行道路是固定的，运用者并不能加以改动，也因此短少和运用者之间的互动。此外，越精细的影片需求大量精细数据配合，在软硬件设备需求上也非常昂贵，受限于数据分辨率以及目前虚拟现实技术限制，FLY功能尚有许多提升改良之处。目前的成果，应属于开展初期的雏形，后续的功能和质量提升犹值得留意。图. FLY动画影片画面经由飞行或演育的动画表现，运用者可以更了解地形起伏。但对于地形数据的获得，那么完全无法得知。在动画这种地形表现方式中，读者不能像VRML普通可以自在决议察看地形的角度，缺乏和运用者间的互动，是其一大缺陷。十二、小结地形数据可视化方式牵涉到地形

57、数据、可视化、认知心思层面。综合以上所引见的这十一种地形表现方式的特点，可以发现每一种地形资料可视化方式所偏重的层面不尽一样，本研讨归纳出一些特性来：.地形数据层面上在这十一种地形表现方式上，每一种表现方式都可以显示出地势地貌。然后在信息传送的效果上，以其中几种具有具象表现方式，可以让读图者一目了然，如具象图示法、鸟瞰图、立体地形图、虚拟现实、动画等，比较能清楚显示出这种特征；在分析功能上，等高线图所提供的定量分析功能最为丰富、分层设色图可以大约显示高度值、晕滃法提供部份坡度定两信息，而其他方法能提供的定量信息那么非常有限。.可视化层面上地形表现方式是随着人类科技的提高而逐渐生长的。从最早的古

58、地图，人类能够只是拿着一颗石头把地图刻在石壁上，而素描只需求简单的纸、笔，这些地图的准确度都不高；随着科技提高，各种丈量工具的发明，绘图、印刷技术也同样的生长，人类可以绘制更准确的地图，等高线图、晕渲图、晕滃图、分层设色图，都需求有准确的数据及计算；计算机的发明，使得地形表现方式又迈入新的纪元，可以获得更准确的地形数据，绘制更详细的地图，也可以突破以往平面的限制，把立体的地形表现出来。地形数据可视化提供的信息越来越精准。最早的地形表现方式，其实是很容易绘制的，像具象图示法的地形表现方式，只需把绘图者所见到的景象给画下来就可以了；但是随着科技的提高，地图绘制要求更准确的数据，因此，需求有专业、经

59、过训练的人员来分工从事丈量、绘制、印刷，等高线图、晕渲图、晕滃图这种地形表现方式，曾经非普通人可以独立且有才干完成；计算机的出现，让人们可以运用各种软件包来从事以往只能用专业人员从事的任务，地图的绘制，只需能获得数据，再学习一下软件包，每一个人都可以绘制出一幅幅专业的地图来，因此，地形数据可视化可以说是越来越容易了。.心思层面上不同时期之间的地形表现方式，呈现了由具象到笼统再到具象的情形。最早的具象图示法地形表现方式，其实是蛮具象的，由图上就可以大致了解绘图者所要表达的地形来；但是，到了等高线图、晕渲图、晕滃图的出现，地形的表现方式其实曾经变得很笼统了，例如等高线图只用一条条等高线来表示地形，

60、晕滃图用一条条短线来代表坡度、坡向，晕渲图用明暗来代表坡度，在未经过学习之前，运用者很难去判释出这一些笼统的符号所代表的意义是什么。但是，随着科技的提高，部份地形表现方式其真实走回头路，希望让运用者一眼就可以明了所要表达的地形是什么，使地形的表现，更符合人类对于地形的印象，因此，就像虚拟现实，标榜越真实越好，动画的表现方式，也可以就直接从真实地表来拍摄，笼统的地图有时反而不容易普及。第二节 问卷设计地形数据可视化方式牵涉到地形数据、可视化、认知心思三种层面的问题。本研讨偏重于认知层面的研讨，因此必需对地形数据、可视化这两项因子加以控制，将代表真实地表的地形数据固定为常数，以各种不同的可视化方式