地理空间数据可视化-weiwei

1、地理空间数据可视化引言提要从地图到地理空间数据可视化地理数据可视化的方法和技术可视化思考点数据可视化线数据可视化区域数据可视化三维数据可视化时间属性可视化12,000 B.C.A stone tablet found in a cave in Abauntz in the Navarra region of northern Spain is believed to contain the earliest known representation of a landscape.3000 B.C.1507地图，是根据一定的数学法则，将地球或其他星球的自然现象和社会现象通过概括和符号缩绘在平面上

2、的图形。传统地图学 (Cartography)地图的主题疆界，地形，河流地图的映射球面投影，圆锥投影，等距投影地图细节的选择简化，合并，强调地图映射地图映射，也就是将数据中的地理坐标转换成屏幕上的坐标按照曲面映射过程中的优化目标区分，地图映射主要包含以下三种类型： 等角度（正形投影）：源曲面和目标曲面（即投影前后）的任何位置的局部切向和法向方向组成的角度保持不变等面积：地图上任何图形面积经主比例尺放大以后与实地上相应图形面积大小保持不变等距离：在标准经纬线上无长度变形，即投影后任何点到原点的距离保持不变等距离投影Radical Cartography 等方位角投影应该用什么样的映射Jenny,

3、 Bernhard. Adaptive composite map projections.Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on18.12 (2012): 2575-2582.超多多面体投影Jarke J. van Wijk.Unfolding the Earth: Myriahedral Projections. TheCartographic Journal, Vol. 45, No. 1, pp.32-42, February 2008从地图到地理数据可视化Visualization最早在地图学文献中出现：Ph

4、ilbrick, A. K., Toward a unity of cartographical forms and geographical content: Professional Geographer, v. 5, no. 5, p. 11 15, 1953现代意义的visualization在文献中出现：McCormick, Defanti, and Brown, Visualization in scientific Computing: Computer graphics. V.21, no. 6, 1987“Use of sophisticated computing tech

5、nology to create visual displayed, the goal of which is to facilitate thinking and problem solving.”可视化？炒概念？“The ability to prompt instantaneous changes in maps results not only in a quantitative difference in the number of things a user can make visible, but a qualitative difference in the way user

6、s think and in turn in the way maps function as prompts to thinking and decision making.” Wood, 1994从地图到地理数据可视化地理空间数据可视化的先行者：DiBiase, D., Visualization in the earth sciences: Bull College of Earth and Mineral Sciences, Pennsylvania State Univ. v59, no. 2, 13-18, 1990.MacEachren, A. M., and Ganter, J

7、. H., A pattern identification approach to cartographic visualization: Cartographica, v. 27, no. 2, p. 64 81, 1990.地图角色的改变传统的角色：沟通功能传递信息给大众新的角色：认知功能帮助人们思考，解决问题，做决定Freitag 1993CARTOGRAPHY3MacEachren, 1994展现已知的揭示未知的高交互性低交互性面向小众的面向大众的地理空间数据可视化的定义 “Geovisualization integrates approaches from visualizati

8、on in scientific computing (ViSC), cartography, image analysis, information systems (GISystems) to provide theory, methods, and tools for visual exploration, analysis, synthesis, and presentation of geospatial data”-International cartographic association commission (2001)地理数据可视化的推动力图形硬件和个人电脑的普及虚拟现实技

9、术爆炸性增长的数据80%的采集数据包含地理信息互联网的发展信息的聚合，地图制作门槛的降低地理空间数据可视化技术可视化思考可视化图形语言地理数据和可视化技术点数据线数据面数据三维数据数据的时间属性可视化思考例子1瓦格纳和大陆漂移可视化思考例子21854年伦敦霍乱案例很近，却很少病例MacEachren和Ganter的模型MacEachren, Alan M., and John H. Ganter. A pattern identification approach to cartographic visualization.Cartographica: The International Jo

10、urnal for Geographic Information and Geovisualization27.2 (1990): 64-81.阶段一阶段二地理数据图形语言Bertin（1967年）：地点，大小，纹理密度/大小，颜色，色调，饱和度，方向，形状等MacEachren（2001年）：时间位置，时长，顺序，变化率，频率，同步性等 地理空间数据地理信息空间数据与普通的空间数据都描述了一个对象在空间中的位置点，线，面，空间，时空“Fundamentally different from other kinds of data since they are inherently spati

11、ally structured in two or three dimensions” MacEachren and Kraak 点数据可视化点数据点数据描述的对象是地理空间中离散的点，具有经度和纬度的坐标，但不具备大小尺寸地图上的地标附近的学校最直接可视化点数据的方法根据坐标直接标识在地图上，圆点是最常用的标识符号其它标识符号：向量箭头、六边形蜂窝网格 基于位置信息的服务团800 谷歌地图上的加油站时间+地理数据美国报业的发展 向量型点数据纽约时报将2010年美国中期选举的结果和2008年的大选进行了比较 六边形（蜂窝）网格美国沃尔玛商店位置的可视化 支持多分辨率Bricks点数据Brick

12、s能更好地进行数值对比不能解决bricks重叠覆盖的问题by Stephen Few世界社交媒体芝加哥人口与种族人口密度图香港伦敦 线数据可视化线数据线数据通常指的连接两个或更多地点的线段或者路径线数据 长度属性 连接关系美国航线的可视化Facebook全球用户之间的好友关系连线绑定技术图片来源： FlowMap美国加利福尼亚州向其他各州的移民左图:直接用直线箭头连接加利福尼亚州和人口流入的州右图:用Flow Map算法生成的flowmap问题如何针对一般的流动图生成捆绑效果图？现实生活的启发公路图的优点直线分段线段高速路，国道，省道大家都熟悉道路 v.s. 线捆绑如何安排控制点和捆绑线？线密

13、度交通密度线主方向高速主干道零散的线国道，省道如何构建“交通网络图”？如何引导连接线到道路上？基本思路构建网格反映图的连接关系控制点网格的边安排路径寻找一系列控制点control edges控制网格引导边的捆绑过程不同的控制网格不同的捆绑效果揭示和强化实际流动的规律与图相配的网格有意义的结果终极目标什么样的结果是好结果？降低不必要的边交叉有类似方向的长度的边被捆绑在一起边被捆绑之后和原始直线的偏移尽量少控制网格生成法 1参照图节点的分布生成控制网格：控制网格生成法 1寻找控制点？先求交点控制网格生成法 1根据交点的分布情况生成控制点多个交点一个控制点控制网格生成法 1经过交点经过控制点控制网格

14、生成法 1交互：改变控制点个数控制网格生成法 1交互：修改控制网格问题按照点的分布来生成控制网格有时并不能生成理想的网格需要控制网格和连接线相交新的控制网格根据边的分布来控制网格的生成边的平滑后处理简单的例子具体步骤根据边的分布(original graph)(regular cells)(merged regions)具体步骤根据边的分布具体步骤根据边的分布可控变量小网格合并中不同的合并阈值(threshold = 45O)(threshold = 12O)(threshold = 5O)可控变量给定阈值后，小网格合并中不同的中间结果初步捆绑结果网格上的控制点：平滑后处理如何衡量一个曲线的质

15、量好坏？到原始直线的距离曲线的弯曲程度曲线的弯曲个数平滑后处理对于每一条线：扩大搜索面积遍历所有路径寻找最好的一条捆绑结果的绘制颜色？透明度？ 线方向？线长短？线密度？手动调整控制点位置，网格顶点位置，合并节点。动画从直线到曲线实际例子1西北航空（美国国内航线）实际例子1西北航空（美国国内航线）(colors directions)(colors lengths)实际例子1西北航空（美国国内航线）实际例子2美国人口移动数据实际例子2颜色人口移动总量区域数据可视化等值线图又称轮廓线图计算方法等值线抽取真实数据的采样距离场计算所属区域中心的距离等值线图等高线图 用surfer 与Arcgis生成的

16、等高线图 Choropleth 地图Choropleth地图（等值区间地图）可视化假设数据的属性在一个区域内部平均分布，因此一个区域用同一种颜色来表示其属性男女售房代理大比拼颜色的选择无序的数据：区分度大的颜色颜色的选择可比较的数据相同的颜色，不同的亮度，色调连续变化的颜色世界油价水平Choropleth 地图的误导 Choropleth地图最大的问题在于数据分布和地理区域大小的不对称大量数据集中于人口密集的区域，而人口稀疏的地区却占有了大多数的屏幕空间，用大量屏幕空间来表示小部分数据的做法对空间的利用非常不经济这种不对称还常常会造成用户对数据理解的错误什么是重要的？保证用户的思维连贯性相似的

17、形状，被描绘面积的邻接关系地图上的每个州根据人口做缩放 Cartogram地图Cartogram图（比较统计图）按照地理区域的属性值对各个区域进行适当的变形，以此克服Choropleth地图对空间展示的不合理性“Space as an indispensable graphic variable with a large influence on what the user of a map sees” MacEachrenCartogram的区域缩放算法输入平面多边形网格和每个区域对应的数值目标使变形后每个网格多边形的面积和数值成正比最小化形状误差和面积误差的空间优化问题CartoDraw方

18、法采样扫描线算法逐渐调整多边形的顶点位置，允许交互控制形变，最小化两个误差D. A. Keim, S. C. North, and C. Panse. Medial-Axis-based Cartograms. IEEE Computer Graphics and Applications. 25(3), 2005:6068 Cartogram的矩形地图算法标准几何图形更容易判断区域面积大小RecMap识别问题Heilmann R, Keim D A, Panse C, et al. Recmap: Rectangular map approximations. INFOVIS 2004. 北

19、京奥运会奖牌排名可视化 New York Times多元关系地图为了显示地理空间不同位置上的区域属性直接的多元关系，可以采用连线、集合等方法表达。城市的住宅区属于同一类物业城市的绿地则属于公共区域。气泡集线集三维地图可视化三维可视化在地理数据中两种使用方式：崭新的应用旅游线路规划移动导航移动广告市政规划交通模拟三维可视化的用法导航三维可视化的用法城市的规划三维可视化的用法城市的模拟三维可视化的问题和传统的地图思想相左传统，抽象的描绘逼真，虚拟的环境可能带来视觉干扰和具体应用紧密相关视觉遮挡，错觉距离更难估计，遮挡隐藏物体道路被建筑物严重遮挡理想的结果比较一下给予道路更多的显示空间周围的细节都保

20、留（转弯，标志建筑物等）基本思想扩充关键道路的宽度放大标志性建筑物的体积如何做到的引入Focus+Context的概念普通的F+C的技术并不适用具体步骤扩充道路关键性技术Seam carvingAvidan and Shamir SIGGRAPH 2007使用Seam Carving目标：给道路加入更多的空间限定条件：不能破坏其他道路的状态扩展例子扩展技术细节迭代（寻找足够多的seam）：计算加入seam的代价，选择最优的一条：Cat(D)Cat(C)Cat(B)Cat(A)ABCD扩展技术细节后处理：修补破损街区放大标志建筑物基本思想可能做法：放大整个街区，鱼眼放大我们的做法：基于网格，有针

21、对性的放大空间利用率更高，没有变形具体结果后处理如果还有少量遮挡应用例子：导航应用例子：导航应用例子：信息标记时间相关属性和时间相关的三种现象存在性变化特定特征的出现或消失地理属性变化地点，形状，大小变化主题属性变化定量的或定性的特定属性变化存在性变化使用文字标记特定时间点存在性变化扩展第三维地理属性变化运动轨迹：在二维地图上可以显示少数轨迹速度？相遇？地理属性变化扩展第三维主题属性变化Change map缺少绝对数字1983年和1990年意大利失业率的变化主题属性变化混合视图美国抢劫率时间地理分布图主题属性变化动画比较统计图很难发现特定区域的变化，比较不同区域动画的陷阱用空间表示空间，用时间

22、表示时间习惯问题变化失明（change blindness）中心凹视力和边缘视力快慢变化率多点变化习惯问题Historically cartographers actively avoided dealing with time by mapping most static things with static maps, thereby shifting the burden of dealing with the temporal phenomena to the map user. Langran 1992For thousands of years cartographers have ben perfecting the representation of dynamic spatio-temporal phenomena with static, spatial representations in the form of two-dimensional maps.Bertin, 1983变化失明（change blindness）In