制图输出与空间信息可视化.ppt

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1、第八章 数据输出与地理信息的可视化 一、数据输出的形式 数据的输出形式可以分为三种： 1、硬拷贝（ Hardcopy）输出 2、软拷贝（ softcopy）输出 3、电子（ Electronic）输出 1、硬拷贝（ Hardcopy）输出 硬拷贝输出是永久性的表现方式。输出信息被打印在 纸上、胶片上或类似的材料上。地图和表格通常以这种形 式输出。 2、软拷贝（ softcopy）输出 软拷贝输出是一种能在计算机屏幕上的观察的输出形 式。这种输出可以是黑白的或者彩色的，可以是文字、图 表或者是地图 /图象。由于这种输出表现在计算机屏幕上， 能够随时从屏幕上擦除，所以，这种输出是非永久操作和 正式

2、硬拷贝之前对数据的浏览，它允许操作者在形成最终 输出之前对输出结果进行加工、修饰。 3、电子（ Electronic）输出 电子输出包括各种计算机兼容文件。输出信 息存贮在计算机磁盘上、磁带上、光盘以及任 何其它计算机存贮介质上。虽然这种信息一般 都能被擦除，但是由于它用于把数据从一个计 算机系统传输到另一个计算机系统，进行其它 更多的分析、处理，并能在那里产生硬拷贝输 出，因此，我们仍认为这种输出形式是永久性 的。 二、数据输出的设备 对于输出地图、表格和图形、图像等被人们理解的数据的 设备可以分为两大类：一种是在电子屏幕上显示出 GIS的分析 结果或输出内容，如图形终端等计算机屏幕；另一种

3、是在纸张、 聚酯薄膜或其它材料上产生永久性图形或文本数据的所有装臵， 例如，打印机、绘图仪等。此外，对于计算机兼容输出形式的 设备通常有磁带机、磁盘驱动器、 CD刻盘机等以及必要的计算 机网络通讯设备。 它们按输出产品的格式又可分为：栅格输出和矢量输出两类， 并且通常与所输出空间信息的数据格式（矢量与栅格）相对应， 但栅格输出设备可输出矢量图形，矢量输出设备也可输出栅格 图形。 GIS中输出设备与系统的关系可用下图来描述。 矢量数据 栅格数据 数据格式转换 DTM数据 格网结构 TIN结构 制图模块 信息输出模块 电子屏幕显示 矢量类绘图仪 栅格类绘图仪 胶片 磁带 其它媒体 GIS中数据输出

4、设备与数据的联结（郭达志， 1997） 输出设备 1、图形显示器 图形显示器是 GIS制图过程中不可缺少的外围设备，在 数据获取、数据处理和数据输出中都起着十分重要的作用。 图形显示器包括随机扫描显示器，存贮管显示器和光栅扫 描显示器三种类型。前二种显示器只能和绘图仪一样用画 线条的方式显示图形的轮廓线，图形真实感不强。而光栅 扫描显示器不仅能显示一般的图形，而且能显示具有多级 灰度和多种色彩的图像，这就使得输出具有事实立体感的 图形成为可能。 目前，计算机配臵的图形显示器为光栅显示器。 光栅图形显示器工作流程 帧缓冲存贮器 视频接口 主机 接口 显示处理机 控制器 CRT 2、行式打印机 最

5、简单的栅格输出设备是行式打印机。行式打印机制 图就是根据计算机处理的数据，利用程序设臵打印机上的 符号，编排好打印的位臵或重叠打印一些数字、符号和它 们的组合，以制作分级统计图或类型图。 这种打印机输出的地图虽然不精致，但可显示制图内 容的地理分布，以及在利用专门绘图仪制图之前，提供概 略的样图。若打印机采用 24针打印头和多色色带，还能以 肉眼难以分辨的针点输出精度要求不高的图形，如示意图、 函数曲线图等。 3、高分辨率阵列打印机 使用静电复印原理的阵列打印机可在每英寸上打印出 400个点（即 400DPI,dots per inch）甚至更高，即以超 过 15.7点 /mm的高分辨率输出图

6、形或图像。这种打印机由 两个基本部分组成：纸张输送机和安臵细针的横架，每个 细针彼此靠得很近又能单独操作。 这种打印机的优点是速度快，一幅 40cm 60cm的地 形图在笔式矢量绘图仪上输出需要 30分钟以上，而在阵列 打印机上仅需 30秒，而且与地图的复杂程度无关。 4、笔式绘图仪 这是一种矢量类图形绘图仪，有平台式和滚筒式两种。 平台式绘图仪由放臵图纸的平面， x, y方向独立移动的笔架等组成， 而滚筒式绘图仪用在 y方向转动的滚筒代替了平面。 在笔式绘图仪中，所有的信息都由一系列 “ 绘出线段 ” 这类命令 绘出，即 “ 把笔移动 x,y点 ” 、 “ 落笔 ” 、 “ 换笔 ” 、 “

7、 抬笔 ” 、 “ 从 x1,y1点绘到 x2,y2点 ” 等命令。笔的移动值可以是绝对坐标，也可 以是坐标增量。 笔式绘图仪的灵活性和绘图速度在很大程度上取决于绘图软件， 即绘制字母和符号等复杂图形的程序功能。一般来说，绘图仪内部存 贮器中包括了预臵的基本命令、印刷体字符和一些通用符号。制图程 序只要调用这些命令就能完成复杂的图形绘制。 这类绘图仪一般都具有较好的定位精度、重复精度和动态精度， 基本能满足各种图形绘制的精度要求，而且价格低，消耗品成本低， 适用于矢量数据结构图形的输出，其最大缺点是速度慢。 5、扫描绘图仪和喷墨绘图仪 这两种绘图仪都属于栅格类图形、图像输出设备。 扫描绘图仪用

8、于制作胶片。它把光源聚焦于承片滚筒 的面上，并逐点曝光，曝光量由像元的值来控制。扫描滚 筒高速旋转，每转一周步进一定距离，如 25m。曝光量 分为 256级，对应于像元的 256个灰度级。这种扫描绘图 仪输出的栅格数据的彩色或黑白图像具有很高的分辨率， 输出结果可与高质量相机媲美，但其结构复杂，价格高。 喷墨绘图仪的构造与扫描绘图仪相似，但它不是用光 束在感光胶片上曝光，而是由喷头中的墨水通过加热汽化， 或压电陶瓷产生的压力，把墨水喷出喷嘴，印到图纸上形 成图象。目前，既有单喷头的黑白喷墨绘图仪；还有双喷 头、四喷头的彩色喷墨仪。这种绘图仪随着技术发展的成 熟，价格不断下降；加上它速度快，绘图

9、质量高等优点， 正在替代笔式绘图仪。 除以上的输出设备以外，还有许多种硬拷贝机可将栅 格图形或图像复制成硬拷贝，如激光打印机、摄影硬拷贝 机等，也是一种快速、经济的图形输出设备，但输出图幅 较小，因而较少使用。 三、地图制作的基本要求 一般的 GIS软件都具有很强的输出功能，具备 计算机地图制图的各种工具，如符号库、注记等， 特别是很强的以人机交互方式提供的图面整饰能力， 有的系统还提供制图综合的功能。用户利用这些功 能，可以得到信息丰富、表达完整、视觉效果好的 输出图。 系统能提供的图面整饰功能一般包括如下内容： 图面布臵 用来确定图框、图名、比例尺、经纬网以及 图例的位臵。通常图名臵于图的

10、上方，图例臵于图的右下 侧，说明臵于图的下方等等。 图例的创建与修改 其中包括图例尺寸的确定和位臵的 选择。 符号的填充 图斑的填充通常有两种方式，一种是根据 图斑填充图例；另一种是根据图例填充图斑，其填充内容 可包括含点状符号，线状符号填充。 文字注记 包括字型、字尺寸、间隔、方向等参数的选 择，文字注记整饰常包含有基本文字编辑功能。 制图综合功能就是根据所制图件的特征、主题、用途、 比例尺等因素，对它们之间进行内在关系的分析，从面对 某些要素进行舍去和概括，使图件反映重要问题的本质现 象，舍去非本质的现象。 随着地理信息系统用途的扩大，人们越来越感到制图 综合功能的重要，从而在某些商品化系

11、统中出现了制图综 合模块。 利用 GIS的制图功能制作地图时的基本的要求 实际上，对于地图制作，制图学具有很严格的要求，这里仅对 一些最作些说明。 1、颜色 由于颜色能够影响地图所承受信息对用户的感染力，所以，进行地 图输出时必须认真选择调配颜色。一般小面积的图斑用鲜艳的颜色， 可以引起用户更多的注意；大面积的图斑用柔和的颜色，可使之与 图面背景色相协调。 2、位臵 地图总是要标明位臵（例如：位臵的名称、省、国家）。如有可能， 应标出坐标格网。说明所用的坐标系统类型及其所有细节。 3、比例尺 地图必须附带有比例尺，否则就无法读图。比例尺可以是数值型的 （例如：比例尺 1： 100000），也可

12、以是棒式的。 4、方向标 精确的定向，对于正确地阅读地图来说是必不可少的。没有 定向的地图难以使用。因此，在地图输出产品上需要制作 方向标。 5、图名和图例 图名一般不应太长，并应清楚地显示在图上显要的地方。同 时，地图必须附有正确的图例。如果图例很复杂，可以把 图例与地图本身分离开来。在这种情况下，图例上的符号 应该同时标在地图上和标在分开来的图例内。 6、其余的信息 在图上应写出制图单位、制图日期。如有必要，也可指明所 用资料的来源（例如：卫星图象的轨道号和景序号、成象 日期；航空象片的类型、比例尺、日期；地形图的比例尺 和日期；等等）。 四、电子地图 近年来，随着计算机技术、激光技术和微

13、电子技术的 发展和应用，传统地图的表现形式和记录方式已逐渐失去 它昔日的垄断地位，一种新的表现形式 -电子地图正日 益引起人们的关注，成为 GIS的重要的输出形式。 电子地图是以地图数据库为基础，以数字形式存贮于 计算机外贮器上，并能在电子屏幕上实时显示的可视地图， 又称 “ 屏幕地图 ” 或 “ 瞬时地图 ” 。 与传统的纸质地图相比较，电子地图仍然保留了 许多传统地图的特征，例如数学基础、符号、色彩、 图式和图例等，基本制图原理也相同。 所不同的是电子地图的生产技术（包括部分的表 示方法）和存储介质发生了根本的改变。 电子地图的载体可以是软盘、硬盘、光盘、磁带 等。 电子地图的主要优点在于

14、： （ 1）电子地图数据库可包括图形、图像、文档、统计数据等多 种形式，也可与视频、音频信号相连，数据类型与数据量的可 扩展比较强； （ 2）电子地图的检索十分方便，多种数据类型、多个窗口可以 在同一屏幕上分层、实时地进行动态显示，具有广泛的可操纵 性，用户界面十分友好； （ 3）信息的存贮、更新以及通讯方式较为简便、便于携带和交 流； （ 4）可以进行动态模拟，便于定性与定量分析，具有较强的灵 活性，为地图及其相关信息深层次的应用打下了坚实的基础； （ 5）可缩短大型序列地图集的生产周期和更新周期，降低生产 成本； （ 6）与输出设备相连，可将电子地图上的多种信息制成硬拷贝。 电子地图主要应

15、用于政府宏观管理、科学研究、规划、 预测、大众传播媒介、信息服务等领域。另外，它与全球定 位系统（ GPS）相结合，在航天、航空领域、军事领域以及 汽车导行中也发挥着十分广泛的作用。 目前，在国际上影响较大的电子地图有美国世界影像电 子地图集、加拿大国家电子地图集。在美国、英国、日本等 国用于政府高层宏观决策与信息服务的电子屏幕显示系统中 均有大量的电子地图。 随着发展，众多的地理信息系统的应用成果也都以电子 地图的形式来展示。 目前，在电子地图系统方面的研究与应用在我国也取得 了一定的成果。 空间信息的可视化是现有计算机可 视化技术的具体应用，以地理环境为依托， 透过视觉效果，探讨空间信息所

16、反映的规 律知识是其真正目的。下文由北京大学空 间信息科学与技术系孙敏博士执笔，介绍 该技术的概念与应用。 一、基本概念： 可视化 (Visualization)是指在人脑中形成对某物 （某人）的图像，是一个心理处理过程，促使对事物的 观察力及建立概念等。科学计算可视化是通过研制计算 机工具、技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽 象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像， 从而可进行数据探索和分析。测绘学家的地形图测绘编 制，地理学家、地质学家使用的图解，地图学家专题、 综合制图等，都是用图形 (地图 )来表达对地理世界现象 与规律的认识和理解。科学计算可视化与上述经典常规 工作的

17、最大区别是科学计算可视化是基于计算机开发的 工具、技术和系统，而过去地学中的可视表达和分析是 手工或机助的 (计算机辅助制图 )，并把纸质材料作为地 图信息存储传输的媒介。 科学计算可视化，自从 80年代末提出以后，得 到了迅速的发展并成为一个新兴的学科。国际地图 学会 (ICA)在 1995年成立了一个新的可视化委员会， 并在 1996年 6月与计算机器图形协会 (ACM SIGGRAPH) 合作，开始一个名为 “ Carto-Project”的研究项目， 其目的是探索计算机图形学的技术与方法如何更有 效地应用在地图学与空间数据分析方面，促进科学 计算可视化与地图可视化的连接和交流。从不同的

18、 角度提出了与可视化密切相关的地图可视化、地理 可视化、 GIS可视化、探析地图学 (Exploratory Cartography)、地学多维图解、虚拟地理环境等概 念。 GIS的多维可视化是指采用 2.5维、 三维和四维等地图表现形式来反映地 理客体的多维特征，其中 2.5维形式 是图面上有隐藏部位的鸟瞰式地图表 现形式，又称 “ 假三维 ” ，例如表示 矿床的面层，可用显示为同分异状的 等值线或不规则三角网中的小块平面 来表示，而面上的高程值都不是一个 独立的变量，在任一给定的位置仅能 用一个高程值表示一个面。 三维形式则是真正的三维立体显示， 三维技术可分为基于面表示和基于体表示， 其

19、中面表示可容易地为地层及其构造提供 精确的空间描述，特别是构造复杂的地带 或岩石断层处，然而这些面仅将地表面以 下部分分成许多区域，各区域内的不同地 质条件不容易描述；体表示将整体细分成 大量的体元（ Voxels），体元及其变异 的一个主要的优点是易于表示异质特征的 整个三维分布状况。 四维是除了三维立体以外，再增加一维 属性值（一般是时间维）， GIS的时间查询能 力目前还不常见，但是地理学家可能想对某 一时刻的所有地理条件或某一时间段内的平 均地理条件进行评价，这时，就需要获得不 同时刻的数值。为了充分满足这种需要，时 间数据获取能力应该与三维模型相结合，如 分析并预报水灾、地震、暴风雨

20、及滑坡等。 地理信息的多维可视化在地球科学中具有 重要意义，它对于虚拟化研究、再现和预测地 学现象，都有突出的方法论意义。例如，在地 质科学中用真三维反映地下矿体、矿脉（如含 油体、含水体、金属矿脉等），能够帮助人们 发现用常规手段难以发现的地质现象和矿藏； 在大气科学中用四维（真三维加时间维）形式 表示气旋、龙卷风、降水云系的发生、发展和 演化过程；在地理学中用四维方式模拟整个河 床内洪水的流动、涨落、对河堤的侵蚀，以及 决堤后封决口时的水下状况，等等，都具有十 分重要的科学价值和明显的实用意义 二、地学可视化的类型 1、地图可视化 可视化对现代地图学的发展有着极其重要的作 用。 Taylo

21、r强调了计算机技术基础支持下的地图可 视化，并认为可视化包括交流与认知分析。 MacEachren则强调交流与可视化在地图学中的应 用，而不是地图的技术制作，并把可视化与交流作 为并列的两个要素。 由于可视化的两个特点，即交流与认知分析， 从而对现代地图学的理论和方法产生影响。下图表 示了地图可视化的概念框架。 地图可视化的概念框架 由于可视化具有交流与认知分析的两个特点， 从而使信息表达交流模型与地理视觉认知决策模 型构成了地图可视化的理论，而这两个模型将应 用于计算机技术支持的虚拟地图、动态地图、交 互交融地图以及超地图的制作和应用等。 虚拟地图指计算机屏幕上产生的地图，或 者利用双眼观看

22、有一定重叠度的二幅相关地图， 从而在人脑中构建的三维立体图像。虚拟地图 具有暂时性，实物地图具有静态永久性。虚拟 地图和人的心智图像相互联系与作用的原理和 过程，同传统的实物地图是不一样的，需要建 立新的理论和方法。 动态地图是由于地学数据存贮于计算机内 存，可以动态地显示关于地学数据的不同角度 的观察，不同方法 (如不同颜色、符号等 )的表 达结果，或者地学现象随时间演变的过程等等。 由于地图的动态性，地学现象的表达在时间维 上展开。所以，传统的关于纸质静态地图的符 号制作、符号注记等制作理论和方法在动态时 不再完全适合。另外，人又是如何认知分析动 态的信息流等需要进一步的探讨和深入研究。

23、交互交融地图是指人与地图可进行相互作 用和信息交流。交互地图是人可以通过一定的 途径，例如选择观察数据的角度、修改显示参 数等来改变地图的显示行为。在这个过程中， 屏幕地图 (或双眼视觉立体地图 )即虚拟地图， 与应用人员人脑中相关地学知识以及直觉等形 成的心智图像一直处于相互作用、相互比较、 相互修改完善的信息联系和反馈状态。交融地 图，是人与地图的融合程度，也就是人在虚拟 地图中的投入感和沉浸感 (Immersion)。 超地图 (Hyper-maps)是基于万维网 (WWW)的与地学相关的多媒体，可以让用户 通过主题和空间进行多媒体数据的导航， 这与超文本的概念相对应。超地图提出了 万维

24、网上如何组织空间数据并与其它超数 据 (如文本、图像、声音、动画等 )相联系 的问题。超地图对于地图的广泛传输与使 用，即对公众生活、社会决策、科学研究 等产生巨大的作用，具有重要的意义。 2、地理可视化 地理可视化是地学可视化中另一个被使 用的概念。 MacEachren开始时采用地图可视 化，但他认为地理可视化要大于地图可视化 的研究范围，如遥感图像、图表、摄影影像 等中的可视化在地图可视化中并不作为重点 研究的对象。所以，目前他倾向于采用地理 可视化，认为它包含了所有空间显示工具， 而这些所有空间显示的集合就是现代地图学 中所指的可视化。 可视化作为地理研究工具的框架描述 3、 GIS可

25、视化 从 80年代末以来，真三维 GIS及其体可视化成 为 GIS的研究热点。随着全球变化，区域可持续发 展，环境科学等的发展，时间维越来越被重视。 而计算机科学的发展，如处理速度加快，处理与 存贮数据的容量加大，数据库理论的发展等使得 动态地处理具有复杂空间关系的大数据量成为可 能，从而使得时态 GIS、时空数据模型、图形实时 动态显示与反馈等的研究方兴未艾。所以，从 GIS 及其可视化的发展看， GIS可视化着重于技术层次 上，例如数据模型 (空间数据模型，时空数据模型 ) 的设计，二维、三维图形的显示，实时动态处理 等，目标是用图形呈现地学处理和分析的结果。 二、虚拟地理环境 虚拟现实

26、(Virtual Reality)又称灵境技术， 是指通过头盔式的三维立体显示器、数据手套、 三维鼠标、数据衣 (Data Suit)、立体声耳机等使 人能完全沉浸计算机生成创造的一种特殊三维图 形环境，并且人可以操作控制三维图形环境，实 现特殊的目的。多感知性 (视觉、听觉、触觉、运 动等 )，沉浸感 (Immersion)，交互性 (Interaction)，自主感 (Autonomy)是虚拟现实技 术的四个重要特征，其中自主感是指虚拟环境中 物体依据物理定律动作的程度，如物体从桌面落 到地面等。 虚拟现实技术、计算机网络技术与地学相结合， 可产生虚拟地理环境 VGE (Virtual Geographical Environment)。虚拟地理环境是基于地学分析模型、 地学工程等的虚拟现实，它是地学工作者根据观测 实验、理论假设等建立起来的表达和描述地理系统 的空间分布以及过程现象的虚拟信息地理世界，一 个关于地理系统的虚拟实验室，它允许地学工作者 按照个人的知识、假设和意愿去设计修改地学空间 关系模型、地学分析模型、地学工程模型等，并直 接观测交互后的结果，通过多次的循环反馈，最后 获取地学规律。