地理信息可视化

11信息并揭示其规律，是关于信息表达和传输的理论、方法与技术的一门学科。地理信息系统中的空间信息可视化从表现内容上来分，有地图（图形、多媒体、虚拟空间信息可视化的基本形式和技术。空间信息输出方式与类型空间信息输出方式11.1列出了主要的图形输出设备。表11.1主要图形输出设备一览表设备图形输出方式精度特点矢量绘图机矢量线划高适合绘制一般的线划地图，还可以进行刻图等特殊方式的绘图。喷墨打印机栅格点阵高可制作彩色地图与影象地图等各类精致地图制品。高分辨彩显屏幕象元点阵一般实时显示GIS的各类图形、图像产品。行式打印机字符点阵差以不同复杂度的打印字符输出各类地图，精度差，变形大。胶片拷贝机光栅较高可将屏幕图形复制至胶片上，用于制作幻灯片或正胶片。屏幕显示显示的图形采用屏幕拷贝的方式记录下来，以在其他软件支持下直接使用。方面已经做了不少卓有成效的工作。图11.111.1计算机屏幕显示地图矢量绘图量制图设备上可以直接实现，也可以在栅格制图设备上通过插补将点、线指令转化为需要输出的点阵单元，其质量取决于制图单元的大小。常用的矢量制图仪器有笔式绘图仪，它一个为X方向，另一个是Y方向。利用一8个对角方向移图11.3 喷墨绘图

打印输出打印输出一般是直接由栅格方式进行的，可利用以下几种打印机。的墨水印在纸上而达成打印的效果，点精度达0.141mm，可打印比例准确的彩色地图，且设②喷墨打印机（亦称喷墨绘图仪：是高档的点阵输出设备，输出质量高、速度快，随GIS产品主要的输出设备（见图11.。③激光打印机：是一种既可用于打印又可用于绘图的设备，是利用碳粉附着在纸上而成地理信息系统输出产品类型中数据的表现形式，反映了地理实体的空间特征和属性特征。地图(如图，根11.。图11.4普通地图 图11.5晕渲地形图图像图像也是空间实体的一种模型（如灰11.6、11.7图11.6正射影像地图 图11.7三维模拟建筑图统计图表据直接表示在表格中，使读者可直接看到具体数据值。见图11.8，11.9，11.10。图11.11表示统计图表与地图的综合使用所形成的专题地图。图11.8 ARCVIEW制作的统计表格与直方图图11.9圆饼状统计图 图11.10直方统计图图11.11 GIS输出的专题地图（以统计符号表示人口与GDP值）可视化的一般原则符号运用路，而细实线表示低等级公路。)表征了图上数据之间的数量差别，例如，或定性（qualitative）数据，例如，在同一幅地图上可用不同的面状图案代表不同的土地利用类型。据的表达就局限在用不同的颜色和颜色阴影来显示。运用符号表达空间对象时，要注意以下几点：⑴符号的定位11.12状符号、线状符号的定位可参见地图学书籍。图11.12 符号移位1000100001010个点是一个比较难解决⑵易读性颜色和阴影要截然不同，并且形状要清晰可辨。号可以使行人和驾驶员不必读文字而获得交通信息。⑶视觉差异性提高易读性，但过多的符号差异会导致图面的繁杂，也不利于符号的识别。⑷绝对数据与派生数据制图中的符号配置颜色运用（又称色别地图上色彩的运用遵循一定的经验法则，一般有以下几个原则：⑴感情色彩：色彩与人的情感有广泛的联系，而不同民族的文化特点和背景又赋予色考虑人的感情色彩和情绪，使得效果更人性化。⑵习惯用色：在长期的研究实践中，制图人员总结出一系列的习惯用色，有的已约定成俗，有的已形成规范。数据表达中，要充分考虑人们在长期阅图中形成的习惯和专业背景。(nominaldata)(ordinal)、区间(interval)和比率(ratio)1015种易于色彩的配置方案主要是通过色相、色值（亮度）和彩度（饱和度）的综合运用来表达性方案、二元方案、顺序方案、分支方案四种等，它们又可组成不同的色彩配置方案。①单变量色彩方案定性方案：单变量的定性方案主要表示不同性质的种类，方案中的色彩亮度应该相似而不相等；二元方案：单变量的二元方案也是定性数据的一种表达，数据一般被分为两个相对的/白、红深蓝等；序列方案：序列化方案用来表达有高到低分类的序列化数据，可用序列化的色彩亮度何种，必须保证采用颜色所形成的亮度序列与数据类的顺序相关。分支方案：分支方案也称为两极方案，主要用来强调由关键点（平均值、中值、零点）向两侧扩散的量化数据显示，可用向两侧扩散的亮度阶来表示。②双变量色彩方案在交互可视化探索中，二变量色彩方案可以进行更详细的分类对比。一致性。来表示。下的小亮度色阶用来表达方案中每个大亮度色阶内的分支变量。案，因为此方案需色彩差异来表达两种变量。③三变量色彩方案三变量色彩变量通常用于表达构成百分比的和为100％的三个变量。注记运用每幅地图都需要用一定的文字或者注记来标记制图要素目、和谐的地图是制图者所面临的一项主要任务。、宽度((、大写与小写等方面的不同变化。1～2种字样，并选用另一些字体变化用于标注不同要素或符号来取得协调美观的效果±±0650 975 1,300±Meters0650 975 1,300Meters11.13下图是调整后的注记，字体均匀，图面要协调许多GIS式的、基于思维的反复调整才能最终确定（图11.1。图面配置图面配置是指对图面内容的安排。在一幅完整的地图上，图面内容包括图廓、图名、图事。一般情况下，图面配置应该主题突出、图面均衡、层次清晰、易于阅读，以求美观和逻辑的协调统一而又不失人性化。⑴主题突出制图的目的是通过可视化手段来向人们传递空间信息点，同时在线划、纹理、细节、颜色的对比上要与其他要素有所区别。11.14所示。坡度分级图 ± 坡度分级图±SLOPESLOPE0-1313-2121-2828-3535-4343-75

0-1313-2121-2828-3535-4343-750290580 1,160 1,740 2,320Meters 0290580 1,160

2,320Meters图11.14 图面内容与图例转换⑵图面平衡如图11.15所示。图11.15视觉的平衡⑶图形-背景背景并不是简单地决定应该有多少对象和和背景一样的颜色，则读者就会分不清陆地和水体（图11.1。图11.16 图形-背景关系图形背景比率的分离出来，可以使人们立即识别出陕西的形状，并将其注意力集中到焦点上。⑷视觉层次背景关系的扩展。视觉层次是指将三维效果或深度引入制图的视觉设计与开发过程，它根据各个要素在制图中的作用和重要程度，将制图要素置于不同的视觉层次中。最重要的要素放在最顶层并且离从而突出了制图的主体，增加了层次性、易读性和立体感，使图面更符合人们的视觉生理感受。视觉层次一般可通过插入、再分结构和对比等方式产生。是否带修饰，看起来都会更突出（图再分结构是根据视觉层次的原理，将制图符号分为初级和二级符号，每个初级符号赋予不同的颜色，而二级符号之间的区分则基于图案。例如在土壤类型利用图上，不同土壤类型用不同的颜色表达，而同一类型下的不同结构成分则可通过点或线对图案进行区分。再分结构在气候、地质、植被等制图中经常用到。

图11.17插入法图形配置可以将图形从背景中分离出来，如图11.18所示。使用就会很刺眼。图11.18对比法突出制图主体和重要性（陕西省）制图内容的一般安排主图中，还应注意以下的问题：①在区域空间上，要突出主区与邻区是图形与背景的关系，增强主图区域的视觉对比度。②主图的方向一般按惯例定为上北下南。如果没有经纬网格标示，左、右图廓线即指内，就可考虑与正常的南北方向作适当偏离，并配以明确的指向线。③移图制图区域的形状、地图比例尺与制图区域的大小难以协调时，可将主图的一部分移到④重要地区扩大图对于主图中专题要素密度过高，难以正常显示专题信息的重要区域，可适当采取扩大图一般不必标注方向及比例尺。副图造图等。图名间关系（如图11.1。图11.19图名位置的安排图例体等的调节，还会对图面配置的合理与平衡起重要作用（图11.2。图11.20图例位置的安排比例尺放置了比例尺，反而有可能会得出不切实际的结论。统计图表与文字说明统计图表与文字说明是对主题的概括与补充比较有效的形式。由于其形式（大小、色彩）图廓纬度分划注记，有的为检索而设置了纵横方格的刻度分划。可视化表现形式等值线显示等高线是表示地面起伏形态的一种等值线根据等高线的疏密和图形，可以判断地形特征和斜坡坡度。用等高线法表示地形，总体来说立体感还是较差的。因此对等高线图形的立体显示方(象位置移动的等位移线（如霜等（图11.2，11.2。图11.21明暗等高线图（左）和粗细等高线图（右）图11.22交通为五分钟的交通等距线分层设色显示使地图具有了一定的立体感。设色有单色和多色两种。单色是利用色调变化表示地形的高低，现在已经很少采用。，ft地用ft）为白色或紫色；海洋部分采用浅蓝到深蓝图11.23）地形晕渲显示

图11.23分层设色图置分直照晕渲、斜照晕渲和综合光照晕渲；按色调分墨渲和彩色晕渲。图11.24由DEM产生的地面晕渲图晕渲法的基本思想是：一切物体只有在光的作用下才能产生阴影，才显现得更清楚，ft11.25所示。光 光光照点 阴影斜照 直照 综合光照图11.25三种不同光源的光影成的阴影相似。光的斜照使地形各部位分为迎光面、背光面和地平面三部分。ftft体总的形态和基本走向，使之脉络分明，有利于增强立体效果。斜照晕渲立体感强，ft形结构明显，所以多为各种地图采用。其缺点是无法对比坡度，背光面阴影较重，影响图上其他要素的表示。直照晕渲又叫坡度晕渲。光线垂直照射地面后，地表的明暗随坡度不同而改变。平地只适合于表示起伏不大的丘陵地区。另一种来补充。它具备了两种晕渲的优点，弥补了两者的不足。墨渲是用黑墨色的浓淡变化来反映光影的明暗。由于墨色层次丰富，复制效果好，应用广泛。印刷时用单一的黑色作晕渲色的很少，印成青灰、棕灰、绿灰者居多。彩色晕渲又分为双色晕渲、自然色晕渲等。双色晕渲，常见的有阳坡面用明色或暖色区则有黄、棕、青、灰等色的变化，再加以明暗的区别，可构成色彩十分丰富的图面。剖面显示剖面是指地面沿某一方向的垂直截面（或断面，它包含地形剖面图和地质剖面图等。地形剖面图是为了直观地表示地面上沿某一方向地势的起伏和坡度的陡缓11.27所示从地形剖面图上可以直观地看出地面高底起伏状况。图11.27地形剖面图地质剖面图是用来显示地质构造的一种特殊地形图（专题地图显示

图11.28地质剖面图种或几种要素，使地图内容专题化、形式各异、用途专门化的地图。专题地图具有下列3个特点：素的显示则较为概略，甚至不予显示。见到的和能进行测量的自然现象或人文现象外规律。专题地图按照表现方式来分主要有以下几种：图11.28使用点位符号法的专题地图的图表有两种，一种是方向数量图表，一种是时间数量图表。③线状符号法：用线状符号表示呈线状、带状分布要素的位置、类别或等级。如河流、海岸线、交通线、地质构造线、ft脊线等，左图表示某地区湖泊水的流向情况，右图表示某地区不同级别河流的分布状况：图11.28使用线状符号法的专题地图数量的差异，也可以用连续的动线符号表示面状分布现象的动态。各地区商业发展状况：图11.28使用面状符号法的专题地图此外，在专题地图上还常使用柱状图表、剖面图表、玫瑰图表、塔形图表、三角形图表等多种统计图表，作为地图的补充。上述各种方法，经常是配合应用的。下图所示为使用柱状图来表示某地区每个城市各个年龄段的人口比例：图11.28使用柱状图的专题地图专题用图三个基本类型：①自然地图包括如地质图、地球物理图、地震图、地势图、地貌图、气候气象图、水文图、海洋图、环境图、植被图、土壤图和综合自然地理图等。历史地图、旅游地图等。下图为上海行政区划专题图：

图11.28上海行政区划专题图GIS视图、立体透视图以及各种地形模型与图像数据叠加而形成的地形景观等等。（１）立体等高线模型H=f(x,y)11.2。图11.29 平面等高线（左图）与立体等高线（右图）（2）三维线框透视模型线框透视图或线框模型是计算机图形学和CAD/CAM领域中较早用来表示三维对象的模型，至今仍广为运用，流行的CADGIS软件等都支持三维对象的线框透对象之间的关系（如点在形体内、外等）（图11.30）。图11.30 DEM三维线框透视图（３）地形三维表面模型信息，以及与遥感影像等数据叠加形成更加逼真的地形三维景观模型（图11.3。三维模型 叠加河流网络后的三维模型图11.31 DEM三维透视模型空间信息的三维建模三维地GIS和计算机视觉等领域在多源影像数据利用和自动三维重建方面取得了长足进步LOD模型所谓LOD(levelsof实时可视化描绘中。其类似于栅格影像数据处理中的多分辨率概念，即影像金字塔。LOD技术是指计算机在生成视景时，根据该物体所在位置离视点距离的大小，分别调入详细程度不同的模型参与视景的生成(如图11.35)。其实现方法如下11.35地形场景简化（据陈刚等，2001）①为物体建造一组详细程度不同的模型利用模型的简化方法或工具，对目标进行简化分级，形成一组详细程度有别的LOD(为便于描述，以下引进LOD数据模型。将一组LOD(，2给以标识（图11.3。某目标个体LOD1 LOD2 LOD3 LODn11.36某物体一组详细程度不同的数据模型②立体模型与视距间的关系约定通过计算视点与目标点间的距离求出目标的视距，为每一个被观察目标建立一组有关LOD首先判断目标的当前视距处于哪个视距段，再找到该视距段所对应的该目标LOD数据模型的标识号，调用标识号所指向的LOD模型来代表该目标参与视景生成。还可以在最近和最远处多分辨率建模方法根据不同细节层次建模需要，可以分别采用以下不同的数据源和建模策略重建三维场景模型。①根据DEM拟景观。②直接使用CAD、3DS、3DMAX等设计数据，逼真表示规划设计成果的精细结构和材质特征；这种方法可以达到较高水平的细节程度，不仅能表示目标外观，而且还能充分展现目标的内部形态。③利用摄影测量、激光扫描或其他地面测量手段采集的三维编码数据和实际影像纹理逼真表示建筑景观的现状；该方法一般不表示实体内部特征，根据不同分辨率的图像可以达到各种细节水平，广泛用于大范围场景模型的快速重建。传统的二维线划数据如GIS中的DLG)和相应的高度属性法主要用于表现较低细节水平的景观轮廓特征。基于上述不同细节层次模型的混合表示，便可以满足多尺度表示的需要。因此，可以特征。摄影测量与遥感方法便于大范围三维模型的快速重建，但不便实现“真三维进待CAD技术的强力支持。而基于各种距离的三维激光扫描得到的离散点数据建立各种复杂的表面模型正成为多分辨率建模的主要研究方向之一。CAD与三维GIS的集成城市规划、建筑设计等领域广泛应用着基于CAD的三维建模与编辑方法。将这种方法产生的三维模型数据纳入GIS、实现CAD数据与GIS数据的集成有两个重要意义：一是城市规划、建筑设计普遍采用CAD生产，CAD数据广泛可得；二是CAD)利用CAD系统创建和编辑往往比较方便。因此，三维GIS的成功应用迫切需要与CAD进行有机的集成。基于计算机图形学对三维形体的绘制与渲染方法，以下两种数据模型在CAD系统中具有较广泛的代表性：(CSG)：此模型在CAD)通过正则的()称CSG树)，以此表示复杂的几何形体。②边界表达模型(BR)：理论上能够建立较大区域范围内的三维模型。一个CAD系统往往利用了几种不同的数据模型(编辑CAD(的方便性，很少注意到对象之间的拓扑关系，但在GIS中这无疑是一个欠缺；更重要的是在GIS中的几何对象需要同时具备几何属性和语义属性，但CAD系统一般只需考虑单个模型的空间表达，追求模型在视觉上的逼真与美观，不必关心其数据量。在GIS中需要大量的三维几何模型，如不加以一定的优化和简化处理，就会带来许多问题，如数据的调度与管理、重绘刷新速度与浏览平滑度等。三维景观显示基于纹理映射技术的地形三维景观真实地物表面存在着丰富的纹理细节一般将景物表面纹理细节的模拟称为纹理映射技术。纹理映射技术的本质是：选择与DEM同样地区的纹理影像数据，将该纹理“贴”在通过DEM所建立的三维地形模型上，从而形成既具有立体感又具有真实性、信息含量丰富的DEM景物空间和图像空间三者之间的映射关系基于遥感影像的地形三维景观各类遥感影像数据(航空、航天、雷达等)记录了地形表面丰富的地物信息，是地形景观模型建立主要的纹理库。DEM(6个)的明显特征点，量测其影像坐标的精确值以及在地面的精确位置(航摄相片)DEM数据细分后的每一地面点可依透视变换参数确定其在航摄相片图像中的位置，经重采样后获得其影像灰度，。11.40（航空）正射影像+DEM(如图。不同的是由于不同图像建立相应的投影映射关系。11.41（遥感）正射影像+DEM需要说明的是，对大多数工程而言，用于建立地形逼真显示的影像数据只有航空影像于一般大比例尺的地面重建。基于地物叠加的地形三维景观将图像的纹理叠加在地形的表面DEM真地反映地表的实际情况，而且这样生成的地形环境还能进行空间信息查询和管理。对于这些复杂的人工和自然地物的三维造型，可利用现有的许多商用地形可视化系统(如Multi