[GIS] 11 地图信息可视化

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【千言万语不如一张图】

1. 除逻辑数据、密码学上讲，在日常生活中，语言是一维的，语言适合描述最绝对性、抽象性的意见。用一维性的语言来描述多维环境下的复杂关系时，语言显得很苍白
2. 图的特点可以很好的展示多维的实体或复杂的关系

可视化及其意义

可视化

【什么是可视化】

1. 目视，看见，望见 --> 主动式
2. 可视化 --> 被动式：使……可被看见

【可视化的基本含义】

1. 是将科学计算中产生的大量非直观的、抽象的或者不可见的数据，借助计算机图形学和图像处理等技术，以图形图像信息的形式，直观、形象地表达出来，并进行交互处理
2. 可视化体现了交互性、多维性和可视性

【解释】在专业情况下谈的可视化，一定是指在计算机环境下的表达处理

【历史】

1. 可视化作为一个专业术语由美国国家基金会在1987年最先提出
2. 从最初的科学计算可视化发展到数据可视化、信息可视化等新的概念，内容进一步拓展

地理信息可视化

【地理信息可视化】

1. 是以地理信息科学、计算机科学、地图学、认知科学、信息传输学与地理信息系统为基础
2. 并通过计算机技术、数字技术、多媒体技术动态，直观、形象地表现、解释、传输地理空间信息并揭示其规律，
3. 是关于信息表达和传输的理论、方法与技术的一门学科

【可视化的方式】

1. 从表现内容上分
   • 地图（图形）
   • 多媒体
   • 虚拟现实
2. 从空间维数上来分
   • 二维可视化
   • 三维可视化
   • 多维动态可视化

地图是地理空间信息可视化的最主要和最常用的形式。

空间信息输出方式与类型

输出方式

地理信息系统产品输出类型

地图

地图自产生起就是可视化的产物。

【地图】

1. 是空间实体的符号化模型
2. 是地理信息系统产品的主要表现形式， 根据地理实体的空间形态
3. 常用的地图种类有点位符号图、线状符号图、面状符号图、等值线图、三维立体图、晕渲图等

图像

【图像】也是空间实体的一种模型

1. 它不采用符号化的方法，而是采用人的直观视觉变量表示各空间位置实体的质量特征
2. 它一般将空间范围划分为规则的单元（如格网），然后再根据几何规则确定的图像平面的相应位置，用直观视觉变量表示该单元的特征

统计图表

【统计图表】非空间信息可采用统计图表表示

1. 统计图常用的形式有柱状图、扇形图、直方图、折线图和散点图等
2. 统计表格将数据直接表示在表格中，使读者可直接看到具体数据值

可视化的一般原则

地图语言的三要素

1. 地图符号
2. 色彩
3. 文字注记

视觉变量

【视觉变量】是指能引起视觉差别的最基本的图形和色彩变化因素，又称为【基本图形变量】；

【最基本的视觉变量】J. Bertin等(法)提出6个最基本的视觉变量：形状、尺寸、方向、明度、密度和颜色；
我国地图学者在此基础上，加上“结构”、“位置”两个变量

【基本图形变量】

可视化的一般原则

符号运用

空间对象以其位置和属性为特征。

• 符号位置
  表示图上要素的空间位置。
• 视觉变量组合
  显示图上要素的属性信息：定性数据/定量数据。

【视觉变量性质】

1. 形状
   • 表征图上要素类别
   • 表征了图上数据之间的数量差别
2. 色相、色值、彩度和图案
   • 表征标称（nominal）或定性（qualitative）数据

【符号运用的原则】

1. 定位准确性
   • 正常情况下保证定位准确
   • 目标冲突情况下优先保证重要目标的定位准确
2. 易读性
   • 空间对象的属性可通过视觉变量（形状、大小、方位、色调、亮度和色度 ）的不同组合来表达;
   • 符号的布局、组合和纹理直接影响到图面的易读性
3. 视觉差异性
   • 视觉上的差异性可以提高符号的分辨能力和识别能力;
   • 符号运用过程中，要尽量使用符号视觉变量的不同组合来提高易读性;
   • 过多的符号差异会导致图面的繁杂，不利于符号的识别
4. 绝对数据与派生数据制图中的符号配置
   • 对原始数据和派生数据的符号配置需要考虑图形的可比性，如人口数据（绝对数据）与人口密度数据（派生数据）

颜色运用

【色彩的三个属性】

1. 色相
2. 色值（亮度）
3. 彩度（饱和度）

【色彩运用的原则】

1. 感情色彩
   色彩与人的情感有广泛的联系，而不同民族的文化特点和背景又赋予色彩以各自的含义和象征。制图中要充分考虑人的感情色彩和情绪，使得效果更人性化。
2. 习惯用色
   在长期的研究实践中，制图人员总结出一系列的习惯用色，有的已约定成俗，有的已形成规范。数据表达中，要充分考虑人们在长期阅图中形成的习惯和专业背景。
3. 色彩方案
   色彩的配置方案主要是通过色相、色值（亮度）和彩度（饱和度）的综合运用来表达不同制图对象的属性信息。
   【分类】
   • 按色彩：单变量、双变量、三变量
   • 按变量：定性方案、二元方案、顺序（序列）方案、分支方案

注记运用

1. 字体变化：字体在字样、字形、大小和颜色方面变化多样。
2. 字体类型 ：在选择字体类型的时候要考虑可读性、协调性和传统习惯性。注记的可读性必须与协调性相平衡
3. 字体摆放
   【规则】
   • 文字摆放的位置应能显示其所标识空间要素的位置和范围。
   • 点状要素的名称应放在其点状符号的右上方。
   • 线状要素的名称应以条块状与该要素走向平行。
   • 面状要素的名称应放在能指明其面积范围的地方。

图面配置

【图面配置】一幅完整的地图图面内容包括图廓、图名、图例、比例尺、指北针、制图时间、坐标系统、主图、副图、符号、注记、颜色、背景等内容。

【要求】图面配置应该主题突出、图面均衡、层次清晰、易于阅读，以求美观和逻辑的协调统一而又不失人性化

1. 主题突出
2. 图面平衡
3. 图形-背景
4. 视觉层次

【视觉层次】

1. 是指将三维效果或深度引入制图的视觉设计与开发过程
2. 它根据各个要素在制图中的作用和重要程度，将制图要素置于不同的视觉层次中
3. 视觉层次一般可通过插入、再分结构和对比等方式产生

制图内容的一般安排

【主图】主图是地图图幅的主体，应占有突出位置及较大的图面空间。

1. 在区域空间上，要突出主区与邻区是图形与背景的关系，增强主图区域的视觉对比度
2. 主图的方向一般按惯例定为上北下南。但在一些特殊情况下，可考虑与正常的南北方向作适当偏离，并配以明确的指向线。
3. 移图：制图区域的形状、地图比例尺与制图区域的大小难以协调时，可将主图的一部分移到图廓内较为适宜的区域。
4. 重要地区扩大图
   • 对于主图中专题要素密度过高，难以正常显示专题信息的重要区域，可适当采取扩大图的形式处理。
   • 扩大图的表示方法应与主图一致，可根据实际情况适当增加图形数量。
   • 扩大图一般不必标注方向及比例尺

【副图】是补充说明主图内容不足的地图，如主图位置示意图、内容补充图等

【图名】是展示地图主题最直观的形式，应当突出、醒目

1. 作为图面整体设计的组成部分，可看成是一种图形，可以帮助图面取得更好的整体平衡。
2. 一般可放在图廓外的北上方，或图廓内以横排或竖排的形式放在左上、右上的位置。

【图例】图例应尽可能集中在一起，经常都被置于图面中的某一角。

• 为避免图例内容与图面内容的混淆，被图例压盖的主图应当缕空。
• 只有当图例符号数量很大，难以集中安置时，才可将图例分成几部分，并按读图习惯，从左到右有序排列。
• 对图例的位置、大小、图例符号的排列、密度、注记字体等的调节，对图面配置的合理与平衡起着重要作用

【比例尺】比例尺有数字式、文字式、线段式这三种表达方式

1. 地图的比例尺一般被安置在图名或图例的下方。
2. 地图上的比例尺，以直线比例尺的形式最为有效、实用。
3. 比例尺不是必须的

【统计图表与文字说明】

1. 对主题的概括与补充比较有效的形式
2. 能充实地图主题、活跃版面，因此有利于增强视觉平衡效果
3. 在图面组成中只占次要地位，数量不可过多，所占幅面不宜太大

【图廓】

1. 单幅地图一般都以图框作为制图的区域范围。挂图的外图廓形状比较复杂
2. 桌面用图的图廓都比较简练，有的就以两根内细外粗的平行黑线显示内外图廓
   有的在图廓上表示有经纬度分划注记，有的为检索而设置了纵横方格的刻度分划

可视化表达形式及其发展

【视觉变量的扩展】屏显电子地图：动态符号。
【考虑因素】

1. 发生时长：符号在屏幕上从出现到消失的时间
2. 变化速率：描述符号状态（方向、明度、颜色等）改变的速度
3. 变化次序：符号及其内部像素变化的先后顺序
4. 节奏：是对符号周期性变化规律的描述

地图符号的设计与应用

1. 地图符号属于表象性符号，以视觉形象指代抽象的地理概念，直观生动
2. 地图符号不仅提供符号个体的直接语义信息，而且通过一组相互联系的符号提供综合地理信息

基础地理数据的可视化表达

专题地图数据的一般表示方法

【特点】

1. 内容专一，着重表示一种或几种自然和社会要素，内容详细而完备。
2. 专题地图的内容广泛，主题多样，在自然界与人类社会中，除了那些在地表上能见到的和能进行测量的自然现象或人文现象外，还有那些往往不能见到的或不能直接测量的自然现象或人文现象均可以作为专题地图的内容。
3. 专题地图不仅可以表示现象的现状及其分布，而且能表示现象的动态变化和发展规律。
4. 常用方法：定点符号法、线状符号法、质底法、等值线法、定位图表法、范围法、点数法、统计图法和运动线法。

【表现形式】在专题地图上还常使用柱状图表、剖面图表、玫瑰图表、塔形图表、三角形图表等多种统计图表，作为地图的补充。

基础地图数据的一般表示方法

普通地图符号的建立方法

1. 矢量符号的建立
2. 栅格符号的建立

矢量符号的建立

编程法

1. 对每一个地图符号或同一类型的一组地图符号编写一个绘图子程序（带符号参数），建立符号程序库，以实现地图目标的符号化
2. 适合于能用数学表达式描述的地图符号。但程序设计量大，维护更新困难

信息块法

将一个符号离散成一个数字信息块的方法。符号信息与符号化程序相互独立。

【图元法】

1. 对地图符号进一步细分，将构成符号的规则图形单元称为图元。用一组图元的有序集合来描述符号的方法称为图元法。
2. 规定地图符号的定位点或者起始点为符号坐标系原点，线符号的控制线方向为X轴。

【图元的基本类型】点图元、线图元和面图元三类

1. 点图元:表示具有规则几何形态的图形单元
   包括椭圆形（含圆形、椭圆弧、圆弧）、三角形（含等腰三角形、等边三角形、直角三角形）、矩形（含正方形）、菱形、扇形、星形、正多边形。点图元在符号中不允许发生变形
2. 线图元
   包括折线、曲线（如Bezier曲线、B样条曲线）等；
3. 面图元
   表示用户自定义的任意多边形，包括折线型多边形和曲线型多边形两类
   

栅格符号的建立

立体透视显示

【立体透视显示】GIS的立体透视显示可以实现多种地形的三维表达

【方式】

1. 立体等高线模型
2. 三维线框透视模型
3. 地形三维表面模型

空间信息的三维建模

LOD模型

【LOD】LOD（levels of detail，LOD）模型

• 所谓LOD模型，是指对同一个场景中的物体采用具有不同细节水平(或称精细程度)的一系列模型。它广泛使用于控制场景的复杂程度并加速三维复杂场景的实时可视化描绘中。
• LOD技术是指计算机在生成视景时，根据该物体所在位置离视点距离的大小，分别调入详细程度不同的模型参与视景的生成。

多分辨率建模方法

1. DEM+正射影像
2. CAD、3DS、3DMAX等精细建模
3. 三维编码数据+实际影像纹理
4. 二维线划数据+高度属性+纹理材质数据库

CAD与三维GIS的集成

【两种数据模型】

1. 结构实体几何模型（CSG）
2. 边界表达模型(BR)

结构实体几何模型(CSG)

此模型在CAD领域中的应用最为广泛

【基本思想】：将预先定义好的简单形体(通常称为体元或体素，如立方体、球、圆柱、圆锥等)通过正则的集合运算(并、交、差)和刚体几何变换(平移、旋转)形成一有序的二叉树(称CSG树)，以此表示复杂的几何形体。

边界表达模型(BR)

理论上能够建立较大区域范围内的三维模型

意义

1. 城市规划、建筑设计普遍采用CAD生产，CAD数据广泛可得
2. CAD在三维模型创建与编辑上具有独特的技术优势，一些复杂而难于创建、但很实用的地物模型(如城市中的艺术建筑、交通导航所使用的航标等)利用CAD系统创建和编辑往往比较方便。

三维景观显示

基于纹理映射技术的地形三维景观

基于遥感影像的地形三维景观

基于地物叠加的地形三维景观

虚拟现实技术

【虚拟现实（Virtual Reality，VR）】

1. 是计算机产生的集视觉、听觉、触觉等为一体的三维虚拟环境，用户借助特定装备（如数据手套、头盔等）以自然方式与虚拟环境交互作用、相互影响，从而获得与真实世界等同的感受以及在现实世界中难以经历的体验。
2. 随着三维信息的可得和计算机图形学技术的发展，地理信息三维表示不仅追求普通屏幕上通过透视投影展示的真实感图形，而且具有强烈沉浸感的虚拟现实真立体展示日益成为主流技术之一。

【基本特征】

1. 交互性（interaction）
2. 沉浸感（immersion）
3. 想象力（imagination）

【技术工具】

1. 立体头盔
2. 数据手套
3. 数据服

三维动态漫游

为了形成动画，就要事先生成一组连续的图形序列，并将图像存储于计算机中。将事先生成的一系列图像存储在一个隔离缓冲区，通过翻页建立动画；图形阵列动画即位组块传送，每幅画面只是全屏幕图像的一个矩形块，显示每幅画面只操作一小部分屏幕，较节省内存，可获得较快的运行时间性能。

增强现实技术与地理信息可视化的结合

【增强现实(Augmented Reality，简称AR)】
混合现实技术，通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

• 增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。它不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。
• 在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它；