第8章 空间数据的可视化及制图

所以，空间信息可视化是科学计算可视化在地学领 域中的体现。
空间信息可视化和科学计算可视化不同之处是空间 信息可视化过程更强调数字化和符号化的概念，而且 空间信息可视化描述的是地理空间内的事物，可视化 过程实际上是对地理空间信息的提取和综合。
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空间信息可视化特点 交互性 通过交互性，使用户进入事件的发展之中，并得 到可视化结果。 信息载体的多维性 实现空间信息的可视化需要用多媒体表达方式。 信息表达的动态性 实现空间信息的可视化可以描述空间信息的动态 变化。
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星绘法表示多维信息
Chernoff面法表示多维信息
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投影法 即把多维信息投影到更小的子空间去进行绘制。比 较著名的投影法有Andrews曲线法。这种方法将每一 个多维数据通过一个周期函数映射到二维空间中的 一条曲线上，这种方法能够表示的信息维数较多。
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平行坐标系法 所谓平行坐标系就是将多维空间的轴定义为互相 平行的垂直线。笛卡尔坐标系的一个点与平行坐 标系中的一条复合线相对应。
可视化技术通常需要模型的支持，包含交流和认知 分析，是对人脑印象构造过程的一种仿真，以支持用 户的判断和理解。
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1、科学计算可视化
可视化的概念首先有美国国家自然科学基金会员会 图形图象专题组在1987年提出了科学计算可视化 （visualization in scientific computing)。 科学计算可视化是研究如何将科学计算过程及计算 结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行 交互式分析。 1997年国际地图学会成立了可视化委员会，提出将 科学计算可视化和地图可视化的连接和交流。
从GIS的功能看，制图是GIS的主要功能之一；
从GIS的应用看，开始以制图形式广泛被应用，但 随着空间数据库的发展，表现为空间数据可视化问题。 可以说，计算机制图的发展孕育了GIS的诞生，而 GIS的发展又进一步促使了计算机制图的进步。
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一、地图的符号和地图符号系统
地图的符号是地图的语言，是在地图上表达空间对象 的图形记号，它通过尺寸、形状和颜色来表示事物空间的 位置、形状、质量和数量特征，是表达地理现象与发展的 基本手段。 高质量的地图符号丰富了地图的内容、增加了地图的 可读性。 地图符号系统（在GIS中的地图符号库）是具有共性的、 进行了分类分级和抽象的地图符号的集合。 地图符号系统明显地反映了表达对象的层次关系。
(2) 梯度可视化动画模型
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二、虚拟现实（virtual reality)
1、 虚拟现实（VR） 虚拟现实是一门涉及众多学科的新的实用技术， 它集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技 术、微电子技术于一体。在计算机技术中，它又特 别依赖于计算机图形学、人工智能、网络技术、人 机接口技术及计算机仿真技术。这些相关技术的发 展带动了虚拟现实技术的进步。
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1、 GIS中的地图符号 GIS中都建立地图符号库。
地图符号库是将地图符号以数据库的形式存 到计算机中实现数据库管理功能，从而，实现符 号信息的存储和查询。 在地图符号库中的符号其结构统一，便于扩 充和修改。
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2、地图符号的分类
1）按定位分类 定位符号、说明符号。 2）按符号代表事物分类 点状符号、线状符号、面状符号。
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8.2
GIS中图形的输出
一、GIS中图形的输出形式 GIS中图形的输出用来表示地理实体的空间特性和 属性特性。 1）地图 GIS中图形输出的主要形式，是空间实体的符号化 模型。 2）图像 GIS中图形输出的另一种形式，它也是空间实体的 一种模型，但不用符号化方式，而是采用人的直观视 觉变量如色彩、灰度、模式表示空间实体的质量特性 。通常将空间划分为规则的单元，并赋予视觉变量。
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（2）2.5维图形的可视化 2.5维图形的可视化以地形分析为核心，研究用 二维数据表示三维数据，即将三维数据投影到二维 屏幕上，显示之。 2.5维图形可视化的实质是研究三维到二维数据的 坐标变换、隐藏线隐藏面消除、光照模型。 2.5维图形无法表示三维物体的体特征。
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（3）真三维数据的可视化 90年代以来，三维物体的体特征的可视化研 究成了热点。
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2、空间信息可视化
可视化能迅速、形象地表示空间信息，空间信 息离不开可视化。
因此，科学计算可视化之后，地学专家对可视 化在地学中的地位和作用进行了许多研究，提出 了地图可视化、地理可视化、GIS可视化、地学 多维图解、地理信息的多维可视化、虚拟地理环 境等概念。
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3、空间信息可视化的特点
空间信息可视化是指利用地图学、计算机图形图象 技术，将地学信息输入、处理、查询、分析数据，采 用图形、图像，结合图表、文字、报表，以可视化形 式，实现交互处理和显示的理论、技术和方法。
来自百度文库第八章
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
空间数据可视化及制图
概述 GIS中图形的输出 地图的表示和地图符号 专题信息和专题图 电子地图
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8.1 概述
一、 可视化（visualization)概述
可视化是指利用计算机图形图象技术，将复杂的科 学现象，自然景观及一些抽象的概念图形化的过程。
可视化目的是便于人们理解现象，发现规律和传播 知识。
虚拟现实是空间信息可视化进一步发展的新方式， 它使人们好像进入真实地理空间环境，并与之进行 交互作用。
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虚拟现实的三个特征
VR具有三个最突出的特征，即交互性(Interactivity)、 想象性(Imagination)和沉浸感(Immersion)，称三 “I” 特征。以此区分与其相邻技术，如多媒体技术、科 学计算可视化技术。 交互性指参与者用专门设备，能实现对模拟环境的考察 与操作程度，例如用户可用手直接抓取模拟环境中的物体， 且有接触感，有重量感，视场中被抓起的物体也应随着手 的移动而移动。
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增强现实（Augmented Reality）
仿真技术 虚拟现实技术增强现实技术 虚实结合 实时交互
三维注册
注册所要完成的任务是实时地检测出使用者头部的 位置和视线方向，计算机根据这些信息确定所要添 加的虚拟信息在投影平面中的映射位置，并将这些 信息实时显示在显示屏的正确位置，达到与现实场 景的融合。
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一、GIS中图形的输出形式 3）统计图表 统计图表用以表示非空间信息。 统计图与地图综合使用，形成以统计符号表示的 专题图。 4）其它
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二、GIS和计算机制图
GIS的发展从计算机制图和地籍管理起步。
至今，制图还是GIS的重要功能之一。
计算机制图的发展孕育了GIS的诞生，而
GIS的发展又促进了计算机制图的进一步发展。
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在计算机环境下，可视化的中心问题是科学家能 够快速生成一系列相同或相关信息的图像。计算 机屏幕上显示的影像有助于信息处理，从而提高 对二维或三维空间关系和空间问题的理解。 目前，可视化技术成为信息爆炸时代人类分析和 驾驭信息的有力工具。在可视化技术的基础上， 发展了仿真技术（simulation ,imitation)和虚拟 技术。“虚拟现实”是仿真技术的一种特殊形式。

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4、空间信息可视化的应用

空间位置的表示，如表达空间物体的分布；


空间分析的可视化描述，如缓冲区
动态制图，如动态仿真图；


空间信息的可视化查询，实现对空间信息的查询；
面向实体的模型化显示，如DTM模型。
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5、空间信息可视化产品类型

电子地图


多媒体地图
三维仿真图 四维时空图 交互式可视化界面
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三、GIS环境下空间数据的多尺度显示 空间数据的多尺度显示是指将同一地区图，放在
远近不同的地区观测，以便观察到该地区不同分辨
率、不同对象的图形，即建立不同的数据模型。
——空间数据的多尺度显示方法：
利用系列比例尺数据进行景观生成，以得到该
地区从宏观到微观、从整体到局部的显示。
将同一比例尺数据简化为几个层次数据显示。
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多维信息可视化技术的分类
1）基于2变量的多维可视化技术 2）基于多变量的显示技术 3）动画技术
1）基于2变量的多维可视化技术研究 （1）参考网格法
（2）拟合曲线法
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（3）条带法 从视觉原理讲，一条45度或-45度方向的线 段是传达曲线线性特征的最好方法。
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2）基于多变量的多维可视化技术研究 字形法 用小的图标来表示所要表达的数据，根据表 达数据的不同，改变图标的形状。常用的字 形法有星绘法（Star plots）和Chernoff面法 （Chernoff Faces）。星绘法就是从一点向外 绘制呈辐条状发散的形状，有多少维就有多 少个辐条，辐条的长度表示变量的大小，当 变量很多时，这种方法将显得无能为力 。
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—— 地图/GIS数据综合
1：2.5万
1：10万
1：25万 随着比例尺缩小，保留 重要地物，以概括的形式表 达，去掉次要地物目标 地图综合是地图设计制 作的核心环节，蕴含着创造 性思维，是一定程度上的艺 术加工行为。
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8.3 地图的表示和地图符号
从GIS发展看，GIS行业起步于计算机制图和地籍处 理； 从GIS的数据源看，地图既是GIS的输入数据又是 GIS数据的主要输出形式；
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Worlds within Worlds 这种方法的主要思想是保证多维信息中的一个或多 个独立的变量为常量，每个常量与从多维信息中获 取的无限薄且和常变量轴垂直的切片相对应，从而 降低多维信息的维数 。
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3）基于动画的多维可视化技术研究
上面所述的各种方法均可用于显示具有时间信 息的动态数据序列，但是与动画技术相比，这 些方法显然具有明显的局限性。下面是两种经 典的基于动画的多维信息可视化技术。 (1) 漫游法
线状符号常可进一步分解成具有单一特征的线状 符号。
如河流、公路、航线等。
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面状符号 面状符号是定位于几何上的面，它具有封闭的轮 角线；
符号所表达的范围与地图比例尺相关；
通常在封闭区内配置点状符号、阴影线或颜色。
如森林、土地等。
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3、地图符号的参数
符号类别
点状符号
形状
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6、空间信息可视化的方法

传统的及新型的制图软件 空间信息系统


仿真系统
虚拟现实
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7、空间信息可视化的发展
在GIS的发展历程中，一开始就十分重视利用计算 机技术实现空间数据的图形显示和分析，以充分直观 的表示空间数据处理分析的结果。 GIS可视化的发展过程： （1）二维数据的可视化 主要研究二维图形的显示算法，如画线、符号库和符 号化、颜色设计、图形输出打印等。
想象性是VR与设计者并行操作，为发挥它们的创造性 而设计的，这极大地依赖于人类的想象力。 沉浸感即投入感，其目的是力图使用户在计算机所创建 的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态，有身 临其境的感觉，即所谓“沉浸感”。
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2、虚拟地理环境
虚拟现实技术、网络环境和地学结合产生了虚 拟地理环境。 在虚拟地理环境中，可按个人的知识、意愿、假 定设计分析模型，进行交互，使在网络环境下产生 身临其境的感觉。 在虚拟地理环境中，利用地学分析模型可以实现 虚拟模拟，从而加速相关理论的发展。
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点状符号 点状符号是定位于几何上的点，点状符号 图形通常较规则； 图形位置固定（不随位置变化）； 符号大小与地图比例尺无关，但有确定的定 位点和方向。
如居民点、矿区、气象站等。
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线状符号 线状符号是定位于几何上的线，符号沿某个方向 延伸，宽度与地图比例尺无关，长度与地图比例尺 相关，具有具有定位线；
从发展看GIS可视化研究着重于技术层次上， 如数据模型、图形图象显示、图形图象的实时动 态处理等。
必须指出，为提高GIS可视化的实用性，在 GIS可视化研究中一直十分注意在地形图上显示 地物要素，研究点、线、面要素在三维景观上的 叠加算法。
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(4)多维信息可视化
多维信息是指变量形式为 F=f(x1,x2,…,xn)(n>3)的数据，每个数据含有 3个维度以上的信息。 多维信息的可视化大都是采用降维的方式来实 现。降维的过程可以是线性的，也可以是非线 性的。非线性的降维方法认为现实数据中的大 部分点集的有效维比它的空间维小，也就是说 一个高维数据中往往有些维度的信息是不明显 的。有效维通常由样品数据的显著因子决定。