1、第三章 空间数据的二维可视化方法,第一节 概述GIS空间数据可视化实质是什么?实质在于如何将存贮在GIS数据库中的空间数据以可以为人们的视觉所感知的方式表现出来。计算机中存贮的数据一般是二进制数据，不能为我们直观识别，达不到可视化的需求，因此可视化实际包含了三部分的工作：图形数据的检索及预处理符号化地图的输出。空间信息可视化的数据流图如下：,例如：要在计算机上显示长江,首先需要在GIS数据库中找到有关长江的图形数据；即：由离散点组成的河流中心线数据及所附带的宽度信息等；其次，数据必须经过必要的预处理(例如大比例尺显示可能需要进行坐标插值和曲线光滑，小比例尺显示可能需要数据压缩显示)； 三，根据
2、可视化需要，参照图式规范按比例尺符号化(例如河流哪些部分单线显示，哪些部分双线显示)； 四，在实际工作中不仅仅需要屏幕可视化，则涉及到地图输出的问题(包括打印图件、输出文件等)。,第二节 图形数据的检索及预处理,空间数据可视化是GIS中从数据输入到数据处理到数据输出全过程都不可缺乏的技术工具。也是地理分析和决策成果展示的必需手段。在空间数据可视化过程中，空间数据库是处在核心位置，统一管理初始数据，基本数据及结果数据。可视化时需根据可视化的目的，通过空间数据库的检索及预处理工作，形成能够满足可视化需要的数据,空间数据检索的工作要求:1、空间可视化数据检索是对一定区域，一定属性组合的地理对象进行。
3、可视化目的一经确定，其相应区域及要素内容也随之确定，相应的，必须组织属性检索、区域检索、拓朴检索和各种特定检索、组合检索得到全部应表达的地理对象。这种检索最好能在可视化界面下进行，使观察全面，易于查错、编辑及修改。2、根据可视化目的，对可视化要素的质量和数量上进行适应的概括。即：对检索出对象的质量和数量进行分级分类的调正、变更和合并。当然，当可视化目的所要求的分级分类与空间数据库完全一致情况下，并不需要此工作。但是由于GIS用途十分广泛，总是完全一致是不可能的，这一步不可缺少。3、根据变更后的分类分级编码，确定、切换或建立相应符号库，并建立与新的分类分级编码对应的映射表，如下图,返回,空间数据
4、预处理 空间数据从数据库中检索出来，到符号化之前的阶段，均为数据预处理阶段，它主要解决大量空间数据间的以下几方面问题：,投影变换 数据压缩 光滑 格式转换,投影变换,当可视化数据来自多种不同投影的空间数据库或可视化目的地图投影与空间数据库数据所用投影不同时，就须要进行地图投影变换，即把具有一种空间投影的数据转换为另一种空间投影数据。以空间数据库投影向可视化目的投影转换为例，设空间数据库投影为：,而目的地图投影为：,可通过解析法或数值法，求得,利用所求数字表达式，将检索后的所有数据进行转换，形成符合可视化要求的数据。,返回,解析法,该方法适用于空间数据库数据所采用的投影具有反演涵数，即对应用于3
5、-1-1式有：,代入（3-1-2）式，即,返回,数值法,当空间数据库信息采用投影方法较复杂时，难以求出投影涵数的反涵数，此时可采用图形信息内的格网或特征结点为基础，采用某多项式方程作为两种投影的变换函数，利用这些点在两种不同投影下的坐标，求取相应的多项式系数，达到空间信息转换的目的。,如双仿射变换,返回,该方法适用于转换区域少，投影变形差异不大的情况,数据压缩,数据压缩方法很多,可使用间隔取点法、垂距和偏角法，但这些方法具有舍去特征点的严重缺点；道格拉斯-普克（Douglas-peucuer）法能够保留各级特征点，因而得到广泛使用。其原理如下图，它是按一个线目标为组织单元进行数据压缩，其逻辑步
6、骤为：（1） 连接曲线首、末点为直线，直线所涵盖点序称全程；（2） 由全程各点对该直线作垂线； （3）求各点到垂足的垂距，取垂距最大且大于给定限差的点； （4）连接首点与所取点直线，及末点到所取点直线；对此两线分别递归进行（2）、（3）、（4）进程，直至再取不到点。,该方法中，取点限差由人根据可视化目的给出，为0则无压缩，限差大则压缩量大；在进行数据压缩过程中，每次均找出全程上最大特征点一个，整个线目标最后由各程最大特征点组成，且这些点具有足够大的特征偏差。,返回,数据光滑,数据光滑主要是针对曲线数据，在获取线特征点的基础上，根据可视化要求，利用一定的方法对曲线点进行加密，使得可视化后生成的光
7、滑曲线。数据光滑时的基本要求是曲线中轴线通过所有的已知特征点序列，且保证所形成的曲线在各特征点处有连续的一阶导数。 在曲线光滑方面已有大量方法，如正轴抛物线加权平均法，斜轴抛物线法，五点求导分段三次多项式插值，三点求导分段三次多项式插值、张力样条等法，它们各有特点。在此不做介绍，有兴趣可查找有关计算机图形学方面书籍。,返回,格式转换,由于空间信息来源的多样性，特别是在网络环境下，系统检索的数据可能来自于不同的数据平台，其数据组织形式具有较大的差异，为了完成空间信息的可视化表达，需要对信息进行统一化处理，便于后续的图形可视化的实现，这种将不同来源数据从格式上进行统一化处理的过程就称为数据格式转换
8、。,第三节 空间信息的符号化表达,符号化就是利用设计的符号库，将检索并经过预处理后的空间信息进行可视化表达，根据符号类别的不同，地图符号分为：矢量符号栅格符号 本节主要介绍两种符号的生成方法,矢量符号化,矢量符号是以点、线、面的组合实现图形的符号表达，它的基本绘图元素是有向线段。在实际应用中，按使用符号库方式的不同分为：符号信息块方式程序块方式,返回,符号信息块方式,符号信息块方式是将符号的有关结构信息存储在符号库中，应用时只需给出定位信息，就可以通过平移、旋转等操作实现空间信息的符号化。下面分别介绍不同类别符号的符号化方法点状符号信息块绘制 线状符号信息块绘制 面状符号信息块的绘制,返回,点
9、状符号信息块绘制,对于点状符号符号化，符号化软件读取空间数据库，并经过予处理模块处理后得到分类特征码数据及点符空间定位数据，包括：符号定位点坐标、点符旋转角、符号缩放率等。根据分类特征码读取相应记录的点状符号信息块，然后对信息块中取出的数据，顺次进行：中心化坐标平移；即把符号信息块中特征点坐标值减去信息块中符号中定位点坐标值，该符号所有线划坐标数据即归化为以定位点为坐标原点的数据； 旋转所需点符旋转角； 按所需符号比例把、处理后的数据缩放；,返回,把上述得到数据平移到点符所需位置定点，这时符号全部几何数据已化为地图空间下，而拓朴数据，抬落笔数据不变，进行点状符号各线段显示和绘制。 定位； 绘制
10、。,线状符号信息块绘制,线符号信息块是由沿符号定位轴线轴向伸展的和具有相应横向位移的线段组成。线状符号的绘制或把符号从符号空间转换到地图空间的思想是：以空间数据库中该目标定位点序串作为x轴，它是一曲线x轴或折线x轴，而相应垂直于x方向的则是y轴，符号信息块中各线段集端点坐标都以它来定位，只是由起点开始绘制的第n个线符单元其x 值应是前(n-1)个单元线符绘完后的终点x 约为（n-1）L处。线符号信息块绘制时，通过对线单元的灵活设计可以绘出各类线状符号。,返回,面状符号信息块的绘制,面状符号绘制同样步骤 读数据，读信息块； 计算晕线端点，逐行配置线符点符，由于没有弯曲处理，机械地位移即可绘出，但
11、要注意排列方式。采用信息块绘图或显示，使众多点、线、面符号绘制只分别用点、线、面三个程序，程序通用，数据复杂，它是代数方法绘图。也可以说是开放式的绘图。,返回,程序块方式,通过空间数据库检索并经预处理后的数据，调入分类特征码对应的符号绘制程序块，并把点符或线符、面符的定位数据输入，给出所要求的比例系数，旋转、行距、列距等参数，即可完成绘图工作。但是这种绘图是很难动态扩展及变更，使用人员必须是对软件设计训练有素的绘图人员。 在实际应用中，通常将两种符号绘制方法组合起来进行应用。,返回,栅格符号化,栅格符号化就是以栅格方式来绘制可视化符号，它一般采用信息块方式，主要原因一方面由于它是近年来发展起来
12、的方法，采取了开放式绘图方式；另一方面由于采用程序块方法，栅格图形变化太多，也过于复杂，程序很难编制 ； 对于栅格符号化一般涉及以下几个方面：栅格符号的缩放与旋转点状符号的绘制线状符号的绘制面符的绘制。,栅格符号的缩放与旋转,栅格符号一个很大缺点就是难以缩放。实际上缩放技术方法并不复杂，只是限于栅格须用整数表示象素，这样，一般情况下，缩放的各部分相对变形就较大。但不少情况下仍需对栅格符号进行缩放，可采用重采样方法解决此问题栅格符号旋转，一般应在缩放完成后，找到其中心，把所有栅格坐标归化到中心后，按一般的坐标旋转公式进行。这两种变换是对符号本身进行的，其结果仍可认为是符号空间中的符号。,返回,点
13、状符号的绘制,将分类特征码所对应的栅格符号信息块调入后，进行所需的缩放，定位轴线旋转后，把符号平移，使符号中心点平移到与所须符号定位处相符，即完成了点符绘制。其实质是从符号空间取点符号平移至所须位置。,返回,线状符号的绘制,栅格线状符号绘制类同矢量线状符号信息块方法，仅仅基本绘图元素为点像元,返回,面符的绘制,由于面符是一n1n2矩阵，因而首先把面区域填实，取出面内点阵，分块与n1n2面符矩阵做“与“运算完成面符绘图。当然也可再进行后续的底色及前景色彩设计。,返回,第四节 空间信息的色彩设计与输出,空间信息图形表示中，色彩是一个重要的信息表达手段，是符号化中的一部分，同时也涉及到最终地图图形的
14、输出。色彩设计是一种很困难的，也是很专门的艺术工作。由于GIS建立在计算机上，因此色彩的设计已完全改变了传统用手工在纸面上设计的旧习，采用色彩数据库及计算机设色在很大程度上改善了这一工作，但是色彩的最终结果，仍要由人的视见感受来决定。这一过程可分为：色彩的屏幕仿真设计和色彩的实现。,色彩的屏幕仿真设计,在空间数据可视化的过程中，对于点、线、面各类符号，必须选定最适宜的表达色彩，以提高可视化的效果。 色彩设计的若干规律与规则：符号化的色彩设计及选定不能随心所欲应当遵循下列几点： a国家及部门图式中有规定的要素符号，必须采用图式用色b约定俗成原则：这包括不同类型图的设色习惯及表示法。例如：等值与分
15、级统计图用连续色阶，行政区制图用四色法设色，类型图用多个连续色阶。c需要印刷出版的地图色彩设计，应符合印刷制版的要求、限定,屏幕色彩设计方法：a对有规定的符号，采用从色彩数据库中选定色彩后，绘制图形符号，并予以记录； b对于需要灵活设计之色彩，采用屏幕设色的软件系统设定所需颜色，给出图形符号，并予记录，若色彩库中无匹配色，则还应记录入色彩数据库。屏幕设色系统一般是采用红、绿、兰（R、G、B）加色法原理，通过增加或减少R、G、B中任一颜色的色度，来调制所设计色为理想色彩。其中，色度一般只为0-255共256级。,返回,色彩实现,色彩实现有两种情况：一种是色彩化仅在屏幕上进行，不需印刷制版，那末，
16、屏幕仿真设色即不需往下进行；另一种情况需要印刷制版，由于印刷制版与屏幕设色的色彩机制不同，采用的是黄、品（红）、青（Y、M、C）减色法，因此，需要建立与颜色数据库相一一对应的印刷色彩数据库。或通过理论模型和实验系数，结合实际的屏幕设色系统和印刷色彩，予以实验修正后实施。,地图的输出 空间信息图形符号化后，其结果一般是绘图数据的文件,除必须的屏幕绘图及绘图仪绘出检查外,往往必须进行适当的编辑修改,必须明确，这种修改是对图形符号进行的。目前栅格一般形式的编辑修改比较成熟，而矢量形式一般必须通过修改符号化前洁净了的数字化数据方才适当。其方法在前面已述。空间图形符号化后的地图输出有两种形式，一种是屏幕
17、显示方式，一种是绘图机绘图。目前计算机图形技术的发展,已把这两种方式融合在一起,变成一种适应众多图形输出设备的与设备无关的输出方式,绘图语句的设备无关性方式,1、采用图形核心系统（GKS）绘图软件 GKS（Graphics KernalSystem）是德国标准化协会所开发的图形系统，并被全美国家标准协会所采纳，同时也作为国际标准使用，它提供了一套二维图形基本单元子程序库(以后又发展到GKS-3D三维图形)，可通过FORTRAN 77语言调用。 2、EPS格式 EPS(Encapsulated PostScript)这是经封装的PostScript的简称, 它是一种电子排版、印刷中通用的图形矢量
18、格式标准。采用了EPS格式的绘图方式，不仅图形质量好，具有较好的设备无关性，可以不加修饰采用众多型号绘图仪、激光打印机、喷墨绘图仪设备，而且直通后续的出版印刷。,3、计算机图形接口（CGI）CGI（Computer Graphics Interface）是国际标准协会ISO TC97组提出的图形设备接口标准，它的目的是提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。CGI在用户程序和虚拟设备间，以独立于设备的方式提供图形信息的描述和通讯。它所提供的功能集包括控制功能集，独立于设备的图形图像输出功能集，以及修改、检索和显示以像素数据形式存储的光栅功能等。 4、计算机图形元文件（CGM） CGM（Comp
19、uter Graphic Metafile）也是国际标准化协会87年的标准。它是一套与设备无关的语义语法定义的图形文件格式，它主要由两部分组成：第一部分是功能规格说明，以抽象的语法描述了相应的文件格式；第二部分则描述了文件词法的三种形式的编码。,5、程序员层次交互式图形系统（PHIGS）PHIGS（Programmers Hierarchical Interactive Graphics System）是国际标准化协会1986年公布的计算机图形系统标准。它包含了下述三个方面的内容：其一是向程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；其二，它的图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用P
20、HIGS进行描述；其三是提供了动态修改和绘制显示图形数据的手段。PHIGS是具有高度动态性、交互性的三维图形软件工具库，其最主要的特点是能够在系统中高效率地描述应用模型，迅速修改图形的模型数据并予以绘制；它在图形设备之间提供了一种功能接口；在图形数据组织上，它建立了独立于设备的中心结构存储区和图形档案管理文件；在图形操作上，它建立了适应网状的图形结构模式的各种操作；在图素设置上，它即考虑三维、三维的结合又考虑了矢量和栅格图形的结合。,6、窗口系统 窗口系统是20世纪80年代以来，用户量最为广大，影响最为广泛图形用户接口环境，其中最具代表性的产品有；XWindow，MSWindows系列，它们均
21、是事实上的工业标准，具有如下特点：定义简洁；界面清晰：窗口系统通常向用户提供应用界面、编程界面和窗口管理界面；目标明确：它实现了以下的主要目标。如窗口系统与显示设备的独立性；应用程序和程序员的独立性；系统的网络透明性；支持并发显示多个应用程序；支持实现不同风格的用户界面；支持多层可变大小的窗口；实现紧凑；功能齐全：由于它实际上已成为工业标准，众多设备厂商争相为它开发自己设备的接口软件，因而它不仅成为控制光栅设备和输入设备的系统软件，而且成为绝大多数计算机外围设备标准使用的宽畅大道。使用方便：统一而一致的图形窗口界面；是与设备无关的图形接口。上述特点使窗口系统成为一个主流图形环境，并具有持续发展
22、的前景。,第五节 电子地图,随着信息管理系统、计算机软、硬件技术的发展，电子地图以它卓越性能成为地理信息科学中的新产品。电子地图是数字地图与GIS软件工具结合后的产物，它是一种处于运动状态的数字地图，这种运动状态或是输入、输出，或是显示、检索分析。它以电磁材料为存储介质，并依托于空间信息可视化系统再现。在较新的技术基础上，它使用几乎一切GIS技术工具，并且可以提供传统GIS的大范围、多要素的综合分析技术手段。这些，在电子地图集中得到更为集中的反映。电子地图集是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，互相加强。,一、电子地图(集
23、)的基本特征,1能够全面继承并发展了地图科学中对地学信息进行多层次智能综合加工、提炼的优点；2很强的空间信息可视化性能；系统而严密的教学基础，科学而系统的符号系统，强有力的可视化界面，支持地图的动态显示，并可采用闪烁、变色等手段增强读图手段和提高效果；3支持空间信息的多种查询、检索和阅读； 4支持基本的统计、计算和分析；5大多数电子地图支持“所见即所得”地编辑和输出硬拷贝，支持电子出版；6大多数电子地图支持多媒体信息技术。,二、电子地图（集）与GIS的比较,电子地图(集)极大地保留了传统地图的优点，大大地扩展了传统地图的作用范围，并包含了GIS的主要功能。其空间信息可视化功能和地图量算功能较完
24、善，而空间分析相对GIS薄弱，这是两者的主要区别。概略地说，电子地图(集)是一种新型的、内容广泛的GIS产品，而电子地图(集)系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GIS系统。,三、电子地图(集)的设计目标,电子地图可适应广泛的用户阶层，因而电子地图(集)的设计中用户的应用层次要求是主要依据和评判标准。根据不同用户的要求，通常可将电子地图分为三个层次：一般用户、行政及科研部门、其它专业用户。,一般用户,这类用户一般只需要阅读、浏览和简单查询地图，其要求一般只限于常规地图的范畴，针对这类用户的电子地图（集）应具以下功能：1.地图内容一般是普通地图的要素； 2. 能够方便的翻阅、浏览地图内容，因而要
25、求图形符号清晰，图面能够迅速翻页，漫游，缩、放功能； 3必要的检索功能：用户能够查询地图上主要要素的数据和说明；4定位检索和开窗放大：即通过定位选择某一区域，可以快速弹出该区域放大图或更大比例尺图，满足人们对感兴趣地区进一步浏览；5一般的量测：角度、面积、长度等指标能够很方便地量测。6多媒体信息浏览功能。,返回,行政及科研部门,这些部门一般把电子地图（集）作为组织、管理和显示信息、提供辅助决策的工具。因而这类用户除一般用户要求外，还需提供常用的分析模型，能适时对定位于地图（集）上的要素进行分析，能够方便地加入一些专业地图的内容，因而在上述功能基础上还需增加以下功能：,1比较功能，能同时展现多图
26、、多表、多种数据，进行在时空序列上的比较； 2制作综合性地图，利用原有基础底图生成新的评价图、规划图； 3动态模拟，提供专业性的动态变化图，展现现象的发展与变化。4提供常用的分析模型，如动态序列地图模型、统计分析、定位分析、网络分析，一些专业预测模型、规划模型； 5必要的数据传输及通讯支持，为了真正发挥作用，数据的现时性十分重要，内容广泛而又现时性强的数据只有专业部门才能收集、更新和提供，因此这一功能对于综合部门至关重要。,返回,其它专业用户,其它专业用户一般包括军事、测绘、城市管理专业，水、气、电各专业工作部门，它们的专业要求更为具体、专业性强，要求非常广泛，除上述功能外，还须要一些专业特定
27、功能及分析： 1数据提取功能； 2专题图设计制作功能，具有专门的符号库、色彩库，建立数学基础，符号化、设色、调色、图文编辑； 3专业分析功能：比如各种管道的“爆管处理及分析“，三维分析、显示功能、行军分析、“围歼“分析等。 4彩色电子出版功能。,四、电子地图集系统的结构和开发技术,电子地图集系统的结构电子地图集是一种新型的GIS产品，采用了先进的科学概念和技术方法，实现模拟信息产品与计算机矢、栅数据结合的技术优势。在发挥传统地图的优势的基础上，集成数据库技术、专业数据库、专业分析功能、计算机软、硬件于一体，其系统结构示意图如下：,地图集系统若干开发技术,1. 电子地图数据库是一个严密的统一的多
28、尺度的空间定位框架。在理论上，把系统空间上升作为GIS的重要对象，而不再是一种虚幻的、绝对的尺度空间； 2.专业数据库是类同于一般GIS的矢量结构的空间数据库，与整个电子地图集数据库空间上严密、准确地一体化叠加，实际上其空间是由电子地图数据库统一定义的； 矢栅一体在屏幕上共存、互补，图中的嵌象，象中嵌图； 迅速互相转换； 模拟数据产品和数字产品浑然一体； 矢量数据具有集成质量、数量、时间、空间和多媒体的全面特征；,3电子地图集数据库在每个尺度空间上，采用无缝无叠技术系统，使每一个尺度上，不管有多少图幅，均可连续漫游，也即均是一个完整而连续的平面，使GIS的数据输入管理、使用和输出均十分简单，出现了新的概念，根除了“拼图“接边“的需要； 4矢、栅结合的空间分析技术理论分析表明：栅格数据本身已内蕴了全面的空间关系数据，与矢量型式的目标管理优点相结合，空间分析具有全面、规范、严密、高效的优点。很明显，在此种结构下，“位“、“邻“、“近“、“势“四种空间概念得到全面的体现，相应的空间分析的难点，如动态最优路径分析，高效、优质DEM生成技术，大区域多边形多重叠置等问题迎刃而解。 5采用在上层小比例尺层次上“开窗“及下层大比例尺图上同位“开窗“加漫游技术全面代替了在同一层次上开窗的技术方法。,
