1、1第九章 GIS 的可视化与地图制图一、 GIS 的地图输出产品1、什么是地图？地图是地理数据的图形表达。地图是为阅读服务的，地图产品的设计原则包括：布局合理、比例适当、负载平衡、符号化明确、图例正确、易于出版印刷等。总之有利于人们阅读地理空间特征、形状、属性及其地理关系。地图表达的内容符合特定人群的数据视图。随着技术的发展，今天的地图不仅仅局限于静态表示地理数据，能够提供动态显示地理数据。2、地理数据的输出表达类型地理信息是指地球表面的人工（道路、建筑）或自然地理特征（河流、湖泊、植被等） 。在地图方面，主要有三种表达方式：离散的适量特征描述方法，连续的图象或栅格描述方法，表面模型描述方法等
2、。（1） 离散矢量表达复杂的地物特征可分解为点、线、面三类基本图形元素。2（2） 图象或栅格表达地物可以以航空或卫星影象、栅格表达连续变化的特征。（3） 表面模型地球表面的连续起伏变化的。33、地图属性的描述地图上的空间特征都具有若干属性。他们存储于数据库，可以被访问和显示。属性类型包括：字符串属性（名称等）编码属性（分类码等）非连续的整数数值（道路的车道数等）计算的实数数值（面积、长度等）标识编码（OID 等）（1） 按分类码显示（2） 按计算量测值显示（3）按整数属性值分色显示4（4）按字符字段注记显示（5）按比例显示（6）符号库5（7）数值分类显示（1） 分类统计显示6（2） 栅格数据显
3、示A、按栅格值显示B、分类渐进色彩显示7C、按光谱显示（3） 表面模型显示A、 TIN 元素显示8B、 渲染显示渐进分色显示等高线显示9C、坡度、坡向显示10二、可视化1、可视化的概念可视化本意即是变成可被视觉所感知。在人脑中形成对某物（人）的图象，是一个心理过程，目的是促使对事物的观察力及建立概念等。2、科学计算可视化 概念 科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化，它的主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解存入
4、计算机的图像数据。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。它主要基于计算机科学的应用目的提出的，它侧重于复杂数据的计算机图形。 意义 实现科学计算可视化将极大地提高科学计算的速度和质量，实现科学计算工具和环境的进一步现代化；由于它可将计算中过程和结果用图形和图像直观、形象、整体地表达出来，从而使许多抽象的、难于理解的原理、规律和过程变得更容易理解，枯燥而冗繁的数据或过程变得生动有趣，更人性化；同时，通过交互手段改变计算的环境和所依据的条件，观察其影响，实现对计算过程的引导和控制。11 应用领域 科学计算可视化的应用领域十分宽广，几乎可包括自然科学和工
5、程计算所包括的一切领域，也自然包括空间信息领域。地质勘探：寻找矿藏其主要方式是通过地质勘探了解大范围内的地质结构，发现可能的矿藏构造，并且通过测井数据了解局部区域的地层结构，探明矿藏位置及其分布，估计蕴藏量及开采价值。由于地质数据及测井数据的数量极大且不均匀，无法依据纸面上数据进行分析，利用可视化技术可以从大量的地质勘探及测井数据中构造出感兴趣的等值面，等值线，显示其范围及走向，并用不同色彩、符号及图纹显示出多种参数及其相关关系，从而使专业人员能对原始数据作出正确解释，得到矿藏存在、位置及储量大小等重要信息。它可以指导打井作业、节约资金，大大提高寻找矿藏效率。气象预报：气象直接影响国家经济，各
6、种工程建设以及亿万人民的生活。气象预报的准确性依赖于对大量数据的计算和计算结果的分析。科学计算可视化一方面可将大量的数据转化为图像，显示某个时刻的等压面、等温面、风力大小与方向、云层的位置及运动、暴雨区的位置与强度等，使预报人员对天气作出准确分析和预报；另一方面根据全球的气象监测数据和计算结果，可将不同时期全球的气温分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以图像形式表示出来，从而对全球的气象情况及变化趋势进行研究和预测。计算流体动力学：汽车、船舶、收音机等的外形设计都必须考虑在气体、流体高速运动的环境中能否正常工作。过去必须将所设计的机体模型放入大型风洞中做流体动力学的物理模拟实验，然后根据实验结
7、12果修改设计，再实验修改，直至完成，这种做法设计周期长，资金耗费大。现在已可在计算机系统上建立机体几何模型，并进行风洞流体动力学的模拟计算。为理解和分析流体流动的模拟计算结果，必须利用可视化技术尽快将结果数据动态地显示出来，并将各时刻数据（不管是全局的、局部的）精确显示及分析，将是机体设计关键性的步骤。分子模型构造：分子模型构造是生物工程，化学工程中先进的最有创造的发展技术，今天科学计算可视化已经是学术界和工业界研究分子结构并与其相互作用的有力武器，它使分子模型构造技术发生了革命性的变化，过去的复杂和昂贵的方法，已经变成了可控性强、操作简易可靠的有效工具。例如在遗传工程的药物设计中，使用彩色
8、三维立体显示来改进已有药物的分子结构或设计新的药物，以及构造蛋白质和 DNA 等高度复杂的分子结构。 其它在医学上，在其它各方面均有广泛的运用。显然科学计算可视化在学科的广泛程度上包括了空间信息的可视化，这是因为从复杂的多维数据中产生图形是空间信息可视化的基本内容，不管是空间数据的显示，空间分析结果的表示，空间数据的时空迁移，以及每一空间数据处理的过程无一不是这一基本内容。然而空间信息的可视化与科学计算可视化毕竟存在一些不同，显著的一点即是图形符号化的概念。因此必须讨论一下空间信息的可视化。3、空间信息的可视化可视化在信息世界中具有特殊地位。在人机交互中，视觉是信息传输和接收的主要渠道，尤其对
9、于多维信息，可视化具有独特优点而13空间信息正是多维的，前面所述地质勘探、气象预报也是空间信息可视化若干典型事例，但分子模型构造显然不是，因此这两个科学概念的异同必须讨论清楚。粗略而言，科学计算可视化的学科概念更广泛一些，它从分子、原子、汽车、建筑到地球、宇宙，其可视化内容也不仅是空间信息，而且还包括频率、强度等科学研究的各项指标，其可视化的要求更加专业、单一，以其形象、逼真为最高境界；而空间信息可视化其学科范围是地学环境，其研究对象的大小颗粒是与地理相匹配的，其可视化的内容是地学环境空间中的具有环境特性的事物，与之相适应的，其可视化的要求还有对研究对象的综合抽象，有数字化和符号化的特征过程。
10、这样，从本质上讲两个概念具有不少共同之处和紧密的联系，但应用范畴和可视化要求是有差别的，因而，在实现方法技术上也有一些显著的差别。空间信息可视化是一个全新的概念，在这里，我们初步给出其定义： 空间信息可视化是指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示并进行交互处理的理论、方法和技术。 采用声音及触觉、嗅、味等多种媒体方式可以使空间信息的传递、接收更为形象、具体和逼真，但是暂时看来，有的对地理空间信息意义并不大，如嗅、味、触媒体渠道，而声音、音频媒体方式也主要起辅助作用，因而
11、有的学者把可听、可嗅、可味、可触也归入可视化，狭义的理解上应不属可视化范畴。目前，我们把它列入可视化范畴。 在上述含义下，空间信息的可视化与科学计算可视化的紧密联系和主要差别也一目了然。也可以说，空间信息可视化是科学计算可视化在地学领域的特定发展。14三、空间信息可视化的形式地图是空间信息可视化的最主要的形式，也是最古老的形式。在计算机上，将空间信息用图形和文本表示，是在计算机图形学出现的同时也就出现了。这是空间信息可视化的较为简单而常用的形式，可以说是一维形式，多媒体技术的产生和发展，使空间信息可视化进入一个崭新的时期。可视化的形式也五彩缤纷，呈现多维化的局面，并正在发展，现把空间信息可视化
12、主要形式介绍于下：1、地图：它有两种形式：纸质或其它介质地图及屏幕上的电子地图。由于计算机技术的发展，这两种形式仅是计算机上数字地图的硬、软拷贝的差别。硬拷贝的是纸质地图，软拷贝-屏幕上的电子地图比前者具有更多的优点：其制作灵活，形式极其多样，修改制作方便，周期短，色彩丰富，动态性强，查询方便、快捷。从而使人们能从不同的高度、不同的方式、不同的角度和不同的详细程度来观察空间客体信息；2、多媒体地学信息：综合、形象地表现空间信息的使用文本、表格、声音、图像、图形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是空间信息可视化的重要形式。 各种多媒体形式能够形象、真实地表示空间信息某些特
13、定方面，作为全面地表示空间信息的不可缺少的手段。3、三维仿真地图 三维仿真地图是基于三维仿真和计算机三维真实图形技术而产生的三维地图，经具有仿真的形状、光照、纹理，也可以进行各种三维的量测和分析。15164、虚拟现实 虚拟现实是空间信息可视化进一步研究和发展的新方式。它是由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人-机交互系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。17四、地学可视化的类型GIS 的多维可视化是指采用 2.5 维、3 维和 4 维等地图表现形式反映地理实体的多维特征。包括： 地图可视化 GIS 可视化 专业应用
14、领域可视化1、地图可视化类型（1）虚拟地图，在计算机屏幕上产生的地图。（2）动态地图，由于地学数据存储于计算机内存，可以动态显示地学数据的不同角度的观察，不同方法的表示结果，或者随时间的变化18结果。（3）交互交融地图，是指人可与地图进行相互作用和信息交流。交互即相互改变显示行为，交融即投入感和沉浸感。（4）超地图，多媒体地图。是与超文本概念对应的。地理可视化的范围大于地图可视化。2、GIS 可视化：主要指真三维的可视化、2.5 维、动态可视化等。3、专业可视化：专业应用领域的计算、模拟和结果在 GIS 支持下的可视化显示。4、VR-GIS（虚拟地理信息系统）虚拟现实技术和 GIS 技术的结合
15、。对于 GIS 系统来说，目前还不需要数字头盔、数据手套、数字外衣等设备，它使用虚拟现实建模语言（VRML）技术，实现 GIS 可视化的技术。是虚拟现实技术和 GIS技术结合的产物。主要是充实 GIS 可视化的技术内容。五、虚拟现实技术简介虚拟现实技术：又称灵镜技术。是指通过数字头盔、数据手套、数字外衣，以及三维立体显示器、三维鼠标、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，并且人可以操作三维图形环境，实现特殊的目的。 虚拟现实技术是计算机硬件、软件、传感、人工智能、心理学及地理科学发展的结晶。它是通过计算机生成一个逼真的环境世界，人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。
16、从本质上讲，虚拟现实技术（VR）是一种崭新的人机交互界面，是物理现实的仿真。它的出现彻底改变了用户和系统的交互方式，创19造了一种完全的、令人信服的幻想式环境，人们不但可以进入计算机所产生的虚拟世界，而且可以通过视觉、听觉、触觉，甚至嗅觉和味觉多维地与该世界沟通。这是一种具有巨大意义和潜力的技术，正在迅速的发展之中。201、VR 硬件：VR 的硬件目前并不定形，主要有以下几种(1)图像生成器，它的作用是快速进行图形运算；(2)操纵和控制设备：实现位置跟踪和控制的鼠标器，跟踪球和游戏杆；数据手套，其手指部分装有传感器；数据紧身衣；最新的操纵是通过眼睛和思维操纵，这是通过测定神经系统的微小电流来操
17、作的；21(3)位置跟踪装置：22机械盔甲：提供快速准确的跟踪；超声波传感器；光学位置跟踪器；惯性跟踪器；(4)立体视见装置：采用偏光眼镜或屏幕分割或立体镜产生图像的左右视差等手段来产生立体。(5)头盔：产生立体图像或二维地图。2、VR 的硬件级别1初级 VR 是以 PC 机或低档工作站为硬件基础；2基本 VR 是在初级 VR 上，增加立体观察器，3D 或 6D 鼠标或游戏杆和数据手套等；3高级 3D 是在上述基础上增加图像加速器，帧缓存等，对于 PC 机23则是必须增加 3D 加速卡和 3D 音卡；4沉浸式 VR，其中必须增加沉浸显示装置，如多个大型投影式显示器，还可以增加触觉、力感和接触反
18、馈等交互设备。5驾驶舱仿真器：这是一个封闭式的虚拟环境，设备个人化并较为昂贵；6DIVE（Distributed Interactive Virtual Environment）分布式交互虚拟环境，这是一个 Internet 上开发基于多个网络用户的虚拟环境、其用户界面及地域广阔，用户众多，分布式交互，共享性高；基于其享式或 3D 综合环境等应用系统上的实验平台，这完全称得上是一个小型的世界；7SIMNET 和作战仿真互联网（Defense Simulation Internet）是目前世界上最大的 VR 项目，目的是使不同的仿真器可在网络上互联，用于部队的联合训练和演习，即位于德国的坦克仿真
19、器可与位于美国的坦克仿真器一起联合进行军事演习。上述 7 种 VR，硬件部分一级比一级复杂、投入也高得多。3、软件系统共分两类：一类是工具包，即程序库，往往需要程序员根据具体需要来进行编程；另一类是创作工具，后者不需要复杂的编程，有较多不同层次的商品软件:1免费 VR： 这些是 VR 系列的入门级产品，代表产品为Rend386、Maltiverse。一般可从国际互联网上免费下载。2低价 VR 程序： 代表产品为 Dimension International 的 Virtual Reality Stud10（VRS） 。3中档 VR 软件包 ：它们一般可称是优秀的专业软件包，而且仅要求计算机作
20、为基本硬件，这类代表产品有 Vitus 的 Virtus 24Walkthrough, Quick Time Vr 以及 Sense 8 的 World Tollkit For Windows。4高价 VR 软件： 是高档的精彩的 VR 产品，需要多种硬件支持。代表产品有 Straylight 公司的 MotoVB, Dimension, International 的Superscape VRTB 等。4、VR 的分类VR 的类型是根据它的交互性质来分的，也即是根据它能实现人的视感、听感、触感、嗅感和传感器的程度和质量来区分。根据目前所见资料，可分下列几种：1世界之窗（ WOW: Windo
21、w on World System） 它仅用显示器和音卡来显示虚拟世界，它的衡量标准是“看起来真实，听着真实，物体的行为真实“；2视频映射 它在上述 WOW 基础上把用户的轮廓剪影作为视频输入与屏幕二维图形合成，屏幕上显示用户身体和虚拟世界的交互过程；3沉浸式系统 完全的 VR 系统把用户的视点和其它感觉，完全沉浸到虚拟世界中，它可以是头盔加其它交互硬件，也可以是多个大型投影仪产生的一个洞穴；4遥视、遥作 遥视把用户的感觉和真实世界中的远程传感器、遥测仪连接起来，并用机器人，机器手进行远程操作。实际上，阿波曼登月计划和网络会诊，网络手术已显现了这方面的实际进展；5混合现实 遥现和虚拟现实的结合
22、产生了混合现实和无缝仿真，例如脑外科手术时，脑外科医生看到的是由真实场景，预先得到的扫描图像和实时超声图像组合而成的场景；领航员则在它的头盔或显示屏上既看到电子地图和数据，又看到真实景象。255、VR 的意义由上已完全可以见 VR 具有极大深远的意义。它将组成人们的环境-一个极其广阔的世界级环境，它本身是共享的，协同的，分布的。这个环境是虚拟的现实，必须是真实世界的仿真，因而地理信息的可视化将是第一位的。世界是不能试验的，大的环境工程也不能试验。甚至小到一个雕塑、一个零件，进而一栋房屋，一项工程，大而言之一场战争，其实际运作需要很多时间和经费，而且大型的过程无法重新进行，现在可能以在虚拟现实中
23、进行模拟和实验，找出最佳方案。VR 技术使用前景是无可估量的，其意义是极其巨大的，它是影响整个 21 世纪及未来的信息技术。要制造好一个虚拟现实，就必须加深理解我们的现实世界，尤其是地学环境，这是不可缺的。途径几千年历史长河的地学科学，它对地学环境的描写，对浩瀚信息的综合概括，层次化图形符号的模型化表达是正在迅速发展中 VR 的基石和向导。相对而言 VR 技术的发展，对地理信息的可视化将提出更高、更复杂的要求。5、VR 技术的应用VR 技术最先进的应用领域就是军事国防。飞行模拟：飞行员的飞行训练是一件十分昂贵、危险和困难的事，由于飞行费用昂贵，飞行均在高速中进行，天空中对飞行员的保护又很有限，
24、对飞机的保护几近于零。一个细小的疏忽，就会造成机毁人亡的严重事故。因此，世界上 VR 的应用均首先从飞行模拟开始。飞行员载上头盔，坐在 VR 装备的飞行座仓内，由 VR 制作的飞行“气氛“和电子地图及飞行仪表的显示，以及驾驶员进行操作，机械和仪表的26相应运作及反馈，使飞行员在虚拟的飞行状态中进行各种训练。大大提高了飞行员训练密度、强度和质量以及降低了训练的费用。战斗模拟：VR 应用不仅用于飞机，而且还用于船舰、坦克通讯及步兵演习。随着网络 VR 技术的出现，美军得以在被其称为 “防御模拟互联网“的全球范围内实施 Simnet 坦克战斗计划。最先广泛应用的场合是海湾战争，Simnet 几乎可以使每场战斗或战役之前在 VR 中进行模拟训练。海湾战场已变成大规模的电子沙盘实景，用于其中的地形环境仿真。实际上，今后的 VR 技术在利用电子地图技术制作大型电子沙盘实景，给出战斗、战役的地形地貌环境，使每场战斗之前能够进行模拟实习，将大大提高战争艺术，减少伤亡，争取胜利是十分有利的。制作虚拟现实环境与利用地理信息，制作数字地图，三维电子地图，具有直接的联系，在 VR 技术中，存放在“世界数据库“中的 VR环境数据是不可缺少的部分。 VR 是一个正在迅速发展的技术领域, 其前景无可限量。
