第7章空间数据的可视化.ppt

,第1节 概述 第2节 地图语言与符号库第3节 空间数据的可视化过程第4节 电子地图、动态地图和VR技术,第七章 空间信息的可视化,教学要求 教学重点 教学活动 作 业,教学要求 1.掌握空间信息可视化的形式和过程 2.了解地图语言的特征及符号的功能、分类、分级 3.掌握电子地图、动态地图和VR技术等概念 教学重点 1.空间信息的可视化过程 2.地图符号的设计及矢、栅地图符号库的建立 教学活动 在网络上，检索地理信息可视化的相关内容,了解空间信息可视化的新进展。,返回上一页,第1 节 空间信息可视化概述,一、可视化(Visualization)将客观现实构成人脑意象的方法和过程，或对不可直接察觉的某种东西进行直观表示。,第1 节 空间信息可视化概述,二、科学计算可视化 概念：是指运用计算机图形学和图像处理技术，将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。1986年NSF特别专家会议提出，1987年发表了正式的ViS(Visualization in Scientific Computing)报告，给出定义 地学研究领域的关注：LawrieE等学者提出了可视化地理学(Visualization Geography)的概念 David Howard等研究了地理可视化的交互设计 Krisi Artimo初步研究了可视化工具、GIS可视化方法,第1 节 空间信息可视化概述,二、科学计算可视化 功能：A、人机协同处理 B、科学研究成果的信息表达,(1)客观现象数据质量与结构的控制；(2)科学数据可视化计算与分析；(3)计算机图形制作与显示；(4)图像数据的计算机处理；(5)四维时空现象的模拟；(6)人机交互的可视化界面设计。,(1)制作直观化的科学图像，以阐明科学研究中的各种现象；(2)科学研究过程的模拟；(3)复杂数据的可视化处理；(4)研究成果的可视化表达。,第1 节 空间信息可视化概述,二、科学计算可视化 科学计算可视化在GIS中的应用：A、空间位置的直观表示 B、空间分析的可视化描述 C、动态制图 D、空间信息的可视化查询 E、面向对象的模型化(Object Modeling),空间位置可以用平面直角坐标(或地理坐标)给予精确描述 利用可视化技术，借助图形、图像等多种 形式形象直观地表达空间物体的分布状况,利用可视化技术，可将地理现象的空间分析过程和结果直观、形象地表现 出来，随空间或时间变化的现象，如迁移、运输或区域经济发展等，均可方便地用二维或三维动画技术 进行描述和表达，而且还能够模拟 空间变化的过程。,是可视化技术在地图中的主要应用之一，利用三维模型及动画和仿真等 可视化技术，既可以制作二维的 地理现象分布图，也可以制作 随时间而变化的三维地图和 四维动态地图等,通过可视化的查询语言，实现对数据库 内容及与之相关的图形或媒体 对象进行形象化、直观化的查询操作,目前的GIS一般只具有表面模型化(Surface Modeling)，如DTM功能，借助于可视化技术，可将表面模 型化与动画制作技术相结合，实 现面向对象的模型化，其进一 步 的发展就是虚拟现实,第1 节 空间信息可视化概述,三、空间信息可视化 概念：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、视频等可视化形式在屏幕上显示 出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。,第1 节 空间信息可视化概述,三、空间信息可视化 空间信息可视化的特征：A 交互性 B 信息载体的多维性 C 信息表达的动态性 D 媒体信息的集成性,是空间信息可视化技术向用户提供灵活、有效地控制和使用信息的主要手段 和方法，是空间信息系统推广应用的重要前提。借助于交互性，系统用户可以自由地操纵和使用空间信息，主动地找出 自己所需要的现象或事件，甚至可以介入到某一事件的发展过程中。(1)系统界面的交互性(2)信息检索的交互性(3)系统交互性,是指表达空间环境信息具有多种媒体形式，不再局限于数值、文本、图形，而是扩展到数值、文本、图形、图像、声音、动画、视频图像、三维仿真乃至虚拟现实,动态性主要是由于数据库中时间维的引入而产生的，通过对时间维的描述，并借助于可视化方法可以直观地表达空间信息的动态变化。(1)信息检索、表示的动态性(2)借助于动态地图和时间序列地图表达瞬间或某一时段内某种现象的移 动、变迁过程(3)借助于视频图像真实地表现某一环境现象的实地状况,文本、图形、图像、色彩、动画、声音和视频图像等被有机地结合并连接成一个整体，从而以多形式、多视角、多层次、综合地表现空间环境信息,第1 节 空间信息可视化概述,三、空间信息可视化 空间信息可视化的形式：A 纸质地图 B 电子地图 C 多媒体地图 D 三维仿真地图,纸质地图包括地形图(普通地图)、专题地图及特种地图，它们既是传统地理信息的表达工具，同时也是计算机环境下空间信息可视化的一种重要而基本的可视化产品类型,第1 节 空间信息可视化概述,三、空间信息可视化 空间信息可视化的形式：A 纸质地图 B 电子地图 C 多媒体地图 D 三维仿真地图,是基于计算机数字处理和屏幕显示的地图。它是空间信息可视化的主要产品形式之一，大部分的空间客体信息进入计算机后都能 够以电子地图的形式直观地显示在计算机 屏幕上，供用户查阅,第1 节 空间信息可视化概述,三、空间信息可视化 空间信息可视化的形式：A 纸质地图 B 电子地图 C 多媒体地图 D 三维仿真地图,它能够以多种媒体的集成形式综合、真实地表现空间客体和现象，是空间信息可视化的一种非常重要的产品形式。,第1 节 空间信息可视化概述,三、空间信息可视化 空间信息可视化的形式：A 纸质地图 B 电子地图 C 多媒体地图 D 三维仿真地图,是基于仿真技术的一种三维地图，它借助于仿真技术将空间现象信息以三维的、立体的或动画的形式直观、真实地表现出来，使用户有进入真实环境之感，因而它也是空间信息可视化的一种主要和具有发展潜力的产品形式之一。,第1 节 空间信息可视化概述,三、空间信息可视化 空间信息可视化的形式：A 纸质地图 B 电子地图 C 多媒体地图 D 三维仿真地图 E 虚拟现实,它是由计算机和其它设备组成的高级人机交互系统，以视觉为主，结合 听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，并与之交互作用。,第1 节 空间信息可视化概述,三、空间信息可视化 空间信息可视化的基本工具：A 传统地图制图软件 B 三维模型制图软件 C 地理信息系统软件 D 多媒体地图系统 E 虚拟现实,第2 节 地图语言与符号库,一、地图语言与地图的色彩 1、地图语言 地图，是一种信息的传输工具，实现了从制图的地理环境到用图者认识 地理环境之间的信息传递。在地图语言中，地图符号及其系统，被称之为图解语言，它形象直观，既显示出制图对象的空 间结构，又能表示在空间和时间中的变化 地图注记，借用自然语言和文字形式来加强地图语言的表现效果，完成空间信息 的传递(属于地图符号的范畴)地图色彩，既可充当地图符号的重要角色，还有装饰美化地图的功能 地图的影像，是空间信息特征的空间框架(不属于地图符号的范畴)装饰图案，多用于地图的图边装饰，可以增加地图的美感，并且可以烘托地图 的主题(不属于地图符号的范畴),第2 节 地图语言与符号库,一、地图语言与地图的色彩 2、地图的色彩 色彩是地图语言的重要内容 地图上运用色彩可增强地图各要素分类、分级的概念，反映制图对象的 质量与数量的多种变化；利用色彩与自然地物景色的象征性，可增强地图的感受力；运用色彩还可简化地图符号的图形差别和减少符号的数量；运用色彩又可使地图内容相互重叠而区分为几个“层面”，提高了地图的 表现力和科学性。,第2 节 地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计 1、地图符号的概念 地图符号，是指在地图上用以表示各种空间对象的图形记号，或者还包括 与之配合使用的注记。地图符号对表达地图内容具有重要的作用：是地图区别于其他表示地理环境之图像的一个重要特征 是丰富地图内容、增强地图的易读性和便于地图编绘的必要前提 地图符号不仅能反映制图对象的个体存在、类别及其数量和质量特征，而且通过它们的联系和组合，还能反映出制图对象的空间分布和结构 以及动态变化,第2 节 地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计 2、地图符号的基本功能 能指出目标种类及其数量和质量特征；能确定对象的空间位置和现象的分布。3、地图符号的分类 点状符号，当地图符号所代表的概念在抽象意义下可认为是定位于几何上的点 时，称为点状符号。符号大小与比例尺无关，具有定位和方向的特征 线状符号，当地图符号所代指的概念在抽象意义下可认为是定位于几何上的线时，称为线状符号。符号沿着某个方向延伸，宽度与地图比例尺可以没有 关系，而长度与地图比例尺发生关系 面状符号，当地图符号所代表的概念在抽象意义下可认为是定位于几何上的面时，称为面状符号。符号所代表的范围与地图比例尺有关，且不论这种范 围是明显的还是隐喻的，是精确的还是模糊的,第2 节 地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计 4、地图符号的设计 设计地图符号，除优先考虑地图内容各要素的分类、分级的要求外，还应 着重顾及构成地图符号的6个图形变量，即：形状、尺寸、方向、亮度、密度、色彩 其中，尤以图形的形状、尺寸和色彩最为重要，被传统的地图符号理论 称之为地图符号的三个基本要素。按符号的生成方式地图符号分为：矢量符号和栅格符号,第2 节 地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计 5、地图符号库设计的基本原则 必须符合国家规定的地图图式（图形、颜色、符号含义、适用比例尺）；专题地图部分，尽可能采用国家及行业部门的符号标准，有益于标准化、规范化；新设计符号应遵循图案化及整个符号系统逻辑性、统一性、准确性、对比性，色彩象征性，制图和印刷可能性等 一般原则；符号库具有可扩充性。,第2 节 地图语言与符号库,二、地图符号(库)的功能、分类和设计 6、矢量符号库和栅格符号库 自学,第3节 空间数据的可视化过程,空间数据可视化的过程,一、从地理数据库中检索图形数据 1、按可视化的目的对一定区域，一定属性组合的地理对象进行的检索 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，进行检索出对象的质量和数量分级分类的调正、变更和合并 这是对可视化要素的质量和数量上进行概括 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 分类分级编码一一对应的映射表,第3节 空间数据的可视化过程,二、空间数据预处理 1、投影变换 当可视化目的的地图投影与空间数据库不同时，就必须进行地图投影变换，把数据具有的空间数据库地图投影转换为目的投影。2、数据压缩 空间数据库内几何数据是匹配于数据库比例尺的数据密度，当所需可视比例尺变化，尤其是缩小后，数据冗余很大，必须压缩。3、几何数据的光滑 线实体呈折线方式和光滑曲线两种方式延伸，空间数据库内几何数据一般以中心 轴线上特征点离散方式存储，为正确表达呈光滑曲线延伸的要素，必须依据该曲 线的离散数据进行光滑，使符号化后线状符号符合要求。4、数据转换 由于目前GIS空间数据库的数据源于多种渠道，不够统一规范，因而一个可视化系统 很难即时适应众多空间数据库，因此必须进行必要的数据类型及格式的转换，可完成 矢量转换、关系转换和栅格转换。,第3节 空间数据的可视化过程,三、地图符号化 大型GIS 系统一般提供符号库设计和管理功能，根据需要增加点、线、面符号。在制图输出时，根据空间实体类型从符号库中找出相应符号对实体进行符号化。符号的信息表示 信息块法是目前计算机制图常用的符号构造方法。信息块是描述符号的参数集，在绘图时只要通过程序处理已存在符号库中的信息 块，就可完成实体的符号化。A.直接信息法，信息块中存贮符号图形的向量资料（图形特征点坐标）或栅格资料（足够分辨率的点阵资料），直接表示符号图形的每个细节。这种信息块占用存贮空间大，但绘图程序的算法统一。B.间接信息法，信息块中只存贮符号图形的几何参数(如图形的长、宽、间隔、半径、夹角等)，其余资料都由计算机按相应绘图程序的算法解算出来。这种信息块占用存贮空间小，但需编制专门程序。,第3节 空间数据的可视化过程,三、地图符号化 空间实体符号化 将特定地理空间信息转换成地图输出，必须对空间实体配置符号，这就要建立实体与符号库中具体符号的联系。空间实体与符号之间 的关系有多种形式 空间实体与符号存在宽松的联系 通过对照表，建立地物类型与符号 的一一对应关系，当用户要改变某 种地物的显示符号时，只需修改对 照表中符号标识与用户标识的对应 关系，只修改一次。,第3节 空间数据的可视化过程,三、地图符号化 空间实体符号化 空间实体与符号存在紧密的联系 地物类型与符号存在直接的一一对应关系，当用户要改变某种地物的显示符号时，需要修改制图区内所有空间实体的用户标识。为满足这种关系的需要，要求符号代码与地物 编码严格一一对应，符号库中符号的个数应与GIS 工程的地物编码个数相同。当多种地物绘制的符号相同时，显然是不可取的。,第3节 空间数据的可视化过程,三、地图符号化 空间实体符号化 空间实体与符号存在紧密的联系，但地物类型与符号不存在严格的 一一对应关系，根据地物的属性值选择空间实体的符号 这种方法适合于根据地物属性值选择绘制 符号的情况。如专题地图制图、海图导航 标志符号的制图等。,第3节 空间数据的可视化过程,三、地图符号化 图形要素的自动注记 地图上的文字和数字总称为地图注记，它是地图内容的重要部分。注记本身并不是自然界中的一种要素，但它与地图上表示的点、线、面要素有 关，用于表示这些要素的名称或某些质量和数量属性特征。注记一般分为名称注记、说明注记和数字注记三种 注记的文字使用不同的字体、大小和颜色来表示它所关联的实体类别或性质 地图上注记数量较多，它们可以位于地图中的任一部分，但是注记的排列和配置 是否恰当，常常会影响读图的效果。,第3节 空间数据的可视化过程,三、地图符号化 图形要素的自动注记 注记配置的基本原则是：不应使注记压盖图上的其他图形符号；注记应与其所说明的事物关系明确。对于点状地物，应以点状符号为中心，在其上下左右四个方向中的任一适当 位置配置注记，注记呈水平方向排列；对于线状事物，注记沿线状符号延伸方向从左向右或从上向下排列，字的间 隔均匀一致，特别长的线状地物，名称注记可重复出现；对于面状事物，注记一般置于面状符号之内，沿面状符号最大延伸方向配置，字的间隔均匀一致。,第3节 空间数据的可视化过程,一、电子地图 1 概念 电子地图(屏幕地图或瞬时地图)：以地图数据库为基础，以数字形式存储在计算机外存储器上，并依托于空间信息可视化系统实时再现地理信息的数字化地图。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,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,一、电子地图 2 电子地图(集)的基本特征 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；很强的空间信息可视化性能，具有严密的数学基础、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 读图效果；支持空间信息的多种形式的查询、检索和阅读；支持基本的统计、计算和分析；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；大多数电子地图支持多媒体信息技术。,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,一、电子地图 3 电子地图与GIS的区别 电子地图包含了GIS的主要功能，但不是全部功能 侧重于可见实体的显示 不同来源的电子地图数据，难以赋予统一的空间数学基础，空间分析薄弱 一些电子地图(集)难于使其可视子空间均具有统一的空间数学基础,因而空间分析相对于GIS薄弱，这也是两者的分水岭 电子地图(集)是一种新型的、内容广泛的GIS产品，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,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,一、电子地图 4 电子地图网址 http:/http:/http:/http:/http:/http:/http:/.tw http:/http:/http:/,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,二、动态地图 1、概念 是能集中、形象地表示空间信息的时空变化状态和过程的电子地图。它产生和发展是时空GIS的发展的必要基础和前提。2、特征和作用 特征：可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。作用：动态模拟，使重要事物的变迁过程得以再现 它可以通过增加或减低变化速度，暂停变化以仔细观察 某一时间断面，改变观察地点和视角，获取运动过程中 的各种信息；实时跟踪，如在运动物体上安装全球定位系统GPS，它能够显示运动 物体各时刻的运动轨迹，使空中管制、交通状况监控、疏 导，战役和战术的合围、围堵，均具有可靠的时空信息保 证。,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,二、动态地图 3、表示方法 利用传统的地图符号和颜色等方法表示 例如采用传统的视觉变量大小、色相、方位、形状、位置、纹理和密度，组成动态符号，结合定位图表，分区统 计图表法以及动线法来表示 采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示 用视觉变量的变化时长、速率、次序及节奏设计一组相应的动态符号，并加上电子地 图的闪烁、跳跃、色度、亮度变化反应运动中物的矢量、数量、空间和时间变化特征 采用连续快照方法作多幅或一组地图 采用一系列状态对应的地图来表现时空变化的状态，这一方法在状态表现方面是较为 全面的；但对变化表达不够明确，同时数据冗余量较大。地图动画 适当地在空间差异中内插了足够密度的快照，使状态差异由突变变为渐变。,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,三、虚拟现实(VR)技术 1、概念 虚拟现实(Virtual Reality)，是一种最有效地模拟人在自然环境中 视、听、动等 行为的高级人机交互技术，是当代信息 技术高速发展和集成的产物。,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,三、虚拟现实(VR)技术 2、VR的分类 根据 VR 的交互性质，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可将VR可分下列几种：世界之窗（Window on World System，WOW）视频映射 沉浸式系统 遥视、遥作 混合现实,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,遥现和虚拟现实的结合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,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；,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，阿波罗登月计划和网络会诊，网络手术已显现这方面的实际进展；,在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；,仅用显示器和音卡来显示虚拟世界，其衡量标准是“看起来真实，听着真实，行为真实”,三、虚拟现实(VR)技术 3、VR GIS 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。开发虚拟GIS已成为GIS发展的一大趋势,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,四、实现技术 3、VR GIS 可以通过GIS软件支持的DEM功能、3DMAX，AutoCAD中的三维实体建模，以及VRML，OPENGL或Direct X，Java3D或Flash，ViewPoint等实现或辅 助实现虚拟现实。演示实例：City-Demo 应用：VRML作为实现VR的语言标准，与GIS、DEM、DTM技术相结合，将在旅游娱乐、商业营销、房地开发、工程设计、数字地球、虚拟地理环境、军事等众多领域发挥巨大的作用。,第4节 电子地图、动态地图和VR技术,作业及思考题,1什么是空间信息的可视化？2科学计算可视化的意义及其应用领域什么?3地图语言有哪些内容？4GIS中数据符号化的作用是什么？5矢量点,线符号库应如何制作?6请说明电子地图与GIS的关系？它们的联系和主要差别是什么?7如何开发一个电子地图集？它应该有哪些主要功能？8地图动画在GIS中的意义是什么？9动态地图是如何实现的？10VR是什么？与GIS有什么关系？11VR有哪几种主要类型和主要功能?,