地理信息系统产品的输出设计讲义

地理信息系统产品的输出设计第一节地理信息系统产品的输出形式地理信息系统产品是指经由系统处理和，可以直接供专业规划人员或决策人员使用的各种地图、图表、图像、数据报表或文字说明。地理信息系统的输出内容主要包括空间数据和属性数据两部分。按照不同的标志，地理信息系统产品的输出形式有多种。就其载体形式来说，可分为常规、静态的纸张地图和动态的数字地图等类型。一、地图的符号和地图符号系统地图的符号是地图的语言，是在地图上表达空间对象的图形记号，它通过尺寸、形状和颜色来表示事物空间的位置、形状、质量和数量特征，是表达地理现象与发展的基本手段。高质量的地图符号丰富了地图的内容、增加了地图的可读性。地图符号系统（在GIS中的地图符号库）是具有共性的、进行了分类分级和抽象的地图符号的集合。地图符号系统明显地反映了表达对象的层次关系。GIS中都建立地图符号库。地图符号库是将地图符号以数据库的形式存到计算机中实现数据库管理功能，从而，实现符号信息的存储和查询。在地图符号库中的符号其结构统一，便于扩充和修改。1、GIS中的地图符号2、地图符号的分类1）按定位分类定位符号、说明符号。2）按符号代表事物分类点状符号、线状符号、面状符号。点状符号点状符号是定位于几何上的点，点状符号图形通常较规则；图形位置固定（不随位置变化）；符号大小与地图比例尺无关，但有确定的定位点和方向。如居民点、矿区、气象站等。线状符号线状符号是定位于几何上的线，符号沿某个方向延伸，宽度与地图比例尺无关，长度与地图比例尺相关，具有具有定位线；线状符号常可进一步分解成具有单一特征的线状符号。如河流、公路、航线等。面状符号面状符号是定位于几何上的面，它具有封闭的轮角线；符号所表达的范围与地图比例尺相关；通常在封闭区内配置点状符号、阴影线或颜色。如森林、土地等。3、地图符号的参数符号类别形状尺寸方向点状符号Ê♀ÊÊÊ线状符号面状符号专题图的符号系统举例点符号线符号面符号4、地图符号的图元地图的点状符号、线状符号和面状符号各自有自己的特点，又有共性。相同点是都有类似的绘图参数和操作；不同点是构成符号的基本图素不同。1）点状符号的图元主要包括点、直线、折线、样条曲线、圆弧、三角形、矩形、多边形、子图等。2）线状符号的图元主要包括实线、虚线、点虚线、双虚线、双实线、连续点符号、定位点符号、齿线符号等。3）面状符号的图元主要是指它的不同填充，包括阴影线填充、点符号填充、位图填充。阴影线填充用不同线型，用不同间距、不同倾斜角、不同的颜色组成图案。点符号填充用不同的布点形式、不同的旋转角度等组成图案。位图填充用位图长度、位图宽度、行间距、列间距、缩放系数、旋转角组成图案。5、矢量符号库及其应用使用矢量点状符号时，符号化软件读取空间数据库，并经过预处理模块处理后得到分类特征码数据及点符号空间定位数据。其过程主要包括中心化、旋转、缩放、和绘制等。使用矢量线状符号时，将线状符号图元沿线状要素的中轴串接，其中X轴与中轴重合，在线状地物的转弯处，图元同样弯曲。使用矢量面状符号时，将填充的图符，按要求的方向和行距间隔逐行填充。6、栅格符号库及其应用使用栅格点符号时，由平移产生，对有向的点符号，经旋转和平移变换输出。使用栅格线符号时，由于线状符号走向变化，不能对信息块作整个操作，而是将栅格阵元从左到右逐列取出，并按线的走向作旋转和平移变换输出使用栅格面符号时，先在区域内全部栅格点填实，然后，同栅格符号进行逻辑与，从而得到所要求的填充图案。二、符号的色彩地图符号的色彩可帮助人们区分图形，从而减少符号的数量，加强地图要素的分级分类能力。通常一种符号用一种色彩来表示。1）RGB表示颜色RGB三基色定理白色（RGB）=（100，100，100）黑色（RGB）=（0，0，0）RGB组成的立方体是非线性的，即两种颜色相近的程度不能简单地用欧氏距离来表示黑白GRB黄绿青蓝品红黑黄减蓝减绿减红颜色模型与颜色空间举例2）HLS表示颜色HLS表示更反映人类的感知。H（Hue)色度，反映颜色的分类，如纯红、品红；L(Light)亮度，反映颜色黑的程度，如白色的亮度比黑色的亮度高。S(Saturation)饱和度，反映颜色的纯度，如纯红的饱和度比粉红的饱和度高。用HLS表示后，最后还是转成RGB显示。三、地图的注记地图上的注记是地图上文字和数字的总称，用来表示事物名称、质量和数量的特性。1、注记的分类名称注记说明事物专有名称；说明注记补充图形符号的不足；数字注记说明事物的数量特征。单点注记给定一个点，注记方向角为零的一串字符；双点注记给定两个点，注记方向角有两点位置确定；布点注记注记一串字符，每个字符对应一个点位和方向参考线注记沿一参考线自动布点注记。对地名的自动注记，工作量和难度比较大。2、注记的方式3、地图的汉字库地图的汉字库为地图提供不同字体、不同字形、不同尺寸、不同颜色、不同排列方式的汉字。1）栅格汉字库,也称点阵汉字库。2）矢量汉字库。在地图上放大过大时，会出现折。3）TrueType轮廓汉字库。TrueType字库的字型是一组用数学方法描述的，由直线和曲线描绘的字符图形。由它组成的高质量中西文轮廓汉字库最适合地图使用，它可以提供高质量的放大和旋转字、能跨平台地工作。目前都采用TrueType汉字库，这是一种特殊的矢量汉字库也称轮廓字库。1.1常规地图常规地图(纸张地图)是地理信息系统产品的重要输出形式。它主要是以线划、颜色、符号和注记等表示地形地物。根据地理信息系统表达的内容，常规地图可分为全要素地形图各类专题图遥感影像地图统计图表、数据报表等。　l．全要素地形图　　全要素地形图的内容包括水系、地貌、植被、居民地、交通、境界、独立地物等。它们具有统一的大地控制、统一的地图投影和分幅编号，统一的比例尺系统(1：1万、1：2.5万、1：5万、1：10万、1：25万、1：50万、1：100万)，统一的编制和图式符号，属于国家基本比例尺地形图。它们是编制各类专题地图的基础。2．各类专题图　　专题图是突出表示一种或几种自然或社会经济现象的地图。它主要由地理基础和专题内容两部分组成。从专题图内容或要素的显示特征来看，一般包括空间分布、时间变异以及数量、质量特征三个方面。专题图按照空间分布的点状、线状和面状分布大致有以下的一些表示方法:定点符号法、线状符号法、质别底色法、等值线法、定位图表法、范围法、点值法、分级比值法、分区图表法和动线法等。专题信息和专题图一、专题信息在GIS中专题信息是相应的属性信息。专题图是专题信息图形化的结果，用来反映自然、社会、经济分布特性，它是强调某一特定要素或概念（专题信息）的地图。专题图表示的内容通常是普通地图上没有的要素和现象。如人口、气候等。随着GIS的飞速发展，及专题图在经济、文化、军事等领域的广泛应用，出现了以专题图制作为主要目的的卓面GIS。GIS管理的地物不仅有空间位置特征，还管理非空间属性数据。因此在显示地物对象空间位置的同时，可用特定方式显示某个或多个相关属性，生成专题图。专题图是对于地物特征或者地理要素的特定的可视化表现，用户通过专题图可将数据图形化，使属性数据直观地在地图上体现出来。二、专题图1、专题图的表示专题图的表示方法统计方法非统计方法相对数量级绝对数量级定性数据定量数据各类统计图质底（独立值）专题图用不同颜色表示连续分布的现象的质量特征。如植被图。等级符号专题图以大小不同的点符号表示专题特性。范围值专题图用不同颜色或图式等手段，表示现象的分布等级范围。点密度专题图在制图现象的表示范围内，用大小相同的点群稀疏表示分布特征。分级统计图和图表统计图分级统计图法用相对值表示现象的分布。等值线专题图将相同数量指标点连线组成的一组等值线表示地区特征。如等温图。2、专题图的主要表示形式专题图的主要形式为：1）独立值专题图根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（可以是数值，也可以是字符串），任意一个不同的值都可以用不同的符号表示。基于该类型专题图能够进行与图层同样的操作。根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），根据一定的规则来划分一定数目的范围，每种范围用一种符号表示。范围的数目可由用户指定，表示要分多少个范围。其中：点专题图用渐变颜色或点符号大小来表现图层中各个不同范围的地物；线专题图用渐变颜色或线符号宽度来表现图层中各个不同范围的地物；面状专题图用渐变的填充符号来表现图层中各个不同范围的地物；2）范围值专题图根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），用户指定一个点所代表的数量，计算得到每一个区域所需要分布的点的数。点密度专题图只基于多边形图层生成。点密度专题图只有一个图例项，即一个点代表多少量。3）点密度专题图专题地图点值法举例根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），按运算法则（线性、平方根、LOG）来计算字段的值相应的点符号的大小。最后以大小不同的点符号表示专题特性。对点专题图是用不同大小的点符号显示在图层中各个地物点上；对线专题图是用不同大小的点符号显示在地物线的某一个点上；对面专题图是用不同大小的点符号显示在图层中各个地物多边形的中心。基于该类型专题图，改变符号的位置，能够查看符号对应地物的属性数据，不能修改空间数据。4）等级符号专题图基于图层相关数据表（属性表或关联表）中的几个字段或者几个表达式（最终结果是数值），根据选择的统计图类型，在相应的空间位置上生成统计图。统计图既要反映不同位置上量的差异，也要反映一个统计图内部不同项的量的差异。其中：点专题图在各个地物点上显示统计图；线专题图在地物线的某一个点上显示统计图；面专题图在各个地物多边形的中心显示统计图。5）统计图类专题图6）等值线专题图将相同数量指标点连线组成的一组等值线表示地区特征。如等温线图、等高线图等。三、专题图制作制作专题图的过程是根据某个特定的专题对地图进行“渲染”的过程。它直接引用某个点、线和面图层的数据。如利用颜色深浅或者填充线的密度来表现不同行政区（例如不同省份）的人口密度、国民素质高低、经济发展水平等;用不同大小的饼状图或柱状图来表现城市人口规模以及人口构成比例等。制作专题图可以是单变量专题图（如范围、独立值、点密度等），也可以是多变量专题图（如饼状图或柱状图等）制作专题图的变量可以是字符变量，可以是数值变量、也可以是表达式。1、专题图类型选择专题图是对空间对象属性数据实现符号化表示。属性数据是定性符号数据时常用质底法（独立值）专题图。如根据空间对象的特性在空间内填充相应的色、符号、或晕线等。属性数据是定量数值数据时进行符号表达，常用等级符号专题图、范围值专题图、点密度专题图及分级统计图和图表统计图等表示。这时，将属性值的大小转换为不同等级或直方图的高度进行描述。2、专题图的要素底图要素专题要素注记及图例配置装饰输出3、专题图的设计1）轮廓设计2）图名放置在图幅中央上方，字体大小式样合适。3）比例尺放置在图例下方；或放置在图廓外的中央下方；或放置在图廓内图名下方。比例尺的表示可用文字或数字。如1:10000;比例尺可用单位长度划分或按实地公里数划分。4）图例图例简要表示图中符号内容、尺寸、色彩。5）文字说明放置在图例或图的空处。4、专题图制作例标识码植被土壤人口面积101农4500102牧草1244103农8900104林456105牧草1098106林680107农10987108牧草2000109林200制作定性专题图制作定量专题图制作过程中首先根据图层选择属性表和属性项，再确定制作的专题图类型。图与属性字段专题地图质别底色法举例3．遥感影像地图　　将遥感图像进行纠正的基础上，按照一定的数学法则，运用特定的地图符号，结合表示地面特征的地图，可以将遥感图像编制成遥感影像地图。遥感影像地图具有遥感图象和地形图的双重优点。既包含了遥感图像的丰富信息内容，又保证了地形图的整饰和几何精度。遥感影像地图按其内容又可分为普通影像地图和专题影像地图。两者的主要区别在于:前者表示包括等高线等地形内容要素，后者主要反映专题内容。　4．统计图表与数据报表在地理信息系统中，属性数据大约占数据量的80%左右。它们是以关系（表）的形式存在的，反映了地理对象的特征、性质等属性。属性数据的表示方法，可以采用前面所列的专题图的形式，同时还可以直接用统计图表和数据报表的形式加以直观表示。统计图表举例1.2数字地图地理信息系统的完善和发展．改变了人们对传统地图的认识以及地图的生产，同时也出现了一种崭新的地图形式——数字地图。数字地图的核心是以数字形式来和存储地图。与常规地图相比，数字地图有以下几个优点:(1)数字地图的存储介质是计算机磁盘、磁带等，与纸张相比，其信息存储量大、体积小，易携带。(2)数字地图是以计算机可以识别的数字代码系统反映各类地理特征，可以在计算机软件的支持下借助高分辨率的显示器实现地图的显示。(3)数字地图便于与遥感信息和地理信息系统相结合，实现地图的快速更新，同时也便于多层次信息的复合分析。电子地图举例第二节地理信息系统图形输出系统设计基本理论图形坐标系统；颜色模型与颜色空间；地理信息系统图形数据结构与数据库。输出的几何变换二维图形变换；三维图形变换；地图投影变换。地形图与专题图的输出组织形式透明图层与影像图层；专题图的符号系统。第三节地理信息系统的可视化与虚拟现实可视化是指利用计算机图形图象技术，将复杂的科学现象，自然景观及一些抽象的概念图形化的过程。可视化目的是便于人们理解现象，发现规律和传播知识。可视化技术通常需要模型的支持，包含交流和认知分析，是对人脑印象构造过程的一种仿真，以支持用户的判断和理解。一、可视化（visualization)概述1、科学计算可视化可视化的概念首先有美国国家自然科学基金会员会图形图象专题组在1987年提出了科学计算可视化（visualizationinscientificcomputing)。科学计算可视化是研究如何将科学计算过程及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。1997年国际地图学会成立了可视化委员会，提出将科学计算可视化和地图可视化的连接和交流。2、空间信息可视化可视化能迅速、形象地表示空间信息，空间信息离不开可视化。因此，科学计算可视化之后，地学专家对可视化在地学中的地位和作用进行了许多研究，提出了地图可视化、地理可视化、GIS可视化、地学多维图解、地理信息的多维可视化、虚拟地理环境等概念。3、空间信息可视化的特点空间信息可视化是指利用地图学、计算机图形图象技术，将地学信息输入、处理、查询、分析数据，采用图形、图像，结合图表、文字、报表，以可视化形式，实现交互处理和显示的理论、技术和方法。所以，空间信息可视化是科学计算可视化在地学领域中的体现。空间信息可视化和科学计算可视化不同之处是空间信息可视化过程更强调数字化和符号化的概念,而且空间信息可视化描述的是地理空间内的事物，可视化过程实际上是对地理空间信息的提取和综合空间信息可视化特点交互性通过交互性，使用户进入事件的发展之中，并得到可视化结果。信息载体的多维性实现空间信息的可视化需要用多媒体表达方式。信息表达的动态性实现空间信息的可视化可以描述空间信息的动态变化。4、空间信息可视化的应用空间位置的表示如表达空间物体的分布；空间分析的可视化描述，如缓冲区动态制图，如动态仿真图；空间信息的可视化查询，实现对空间信息的查询；面向实体的模型化显示，如DTM模型。5、空间信息可视化产品类型电子地图多媒体地图三维仿真图四维时空图交互式可视化界面6、空间信息可视化的方法传统的及新型的制图软件空间信息系统仿真系统虚拟现实7、空间信息可视化的发展在GIS的发展历程中，一开始就十分重视利用计算机技术实现空间数据的图形显示和分析，以充分直观的表示空间数据处理分析的结果。GIS可视化的发展过程：（1）二维数据的可视化主要研究二维图形的显示算法，如画线、符号库和符号化、颜色设计、图形输出打印等。（2）2.5维图形的可视化2.5维图形的可视化以地形分析为核心，研究用二维数据表示三维数据，即将三维数据投影到二维屏幕上，显示之。2.5维图形可视化的实质是研究三维到二维数据的坐标变换、隐藏线隐藏面消除、光照模型。2.5维图形无法表示三维物体的体特征。（3）真三维数据的可视化90年代以来，三维物体的体特征的可视化研究成了热点。从发展看GIS可视化研究着重于技术层次上，如数据模型、图形图象显示、图形图象的实时动态处理等。必须指出，为提高GIS可视化的实用性，在GIS可视化研究中一直十分注意在地形图上显示地物要素，研究点、线、面要素在三维景观上的叠加算法。二、虚拟现实（virtualreality)1、虚拟现实（VR）虚拟现实是一门涉及众多学科的新的实用技术，它集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体。在计算机技术中，它又特别依赖于计算机图形学、人工智能、网络技术、人机接口技术及计算机仿真技术。这些相关技术的发展带动了虚拟现实技术的进步。虚拟现实是空间信息可视化进一步发展的新方式，它使人们好像进入真实地理空间环境，并与之进行交互作用。虚拟现实的三个特征VR具有三个最突出的特征，即交互性(Interactivity)、想象性(Imagination)和沉浸感(Immersion)，称三“I”特征。以此区分与其相邻技术，如多媒体技术、科学计算可视化技术。交互性指参与者用专门设备，能实现对模拟环境的考察与操作程度，例如用户可用手直接抓取模拟环境中的物体，且有接触感，有重量感，视场中被抓起的物体也应随着手的移动而移动。想象性是VR与设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的这极大地依赖于人类的想象力，。沉浸感即投入感，其目的是力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态，有身临其境的感觉，即所谓“沉浸感”。2）虚拟地理环境虚拟现实技术、网络环境和地学结合产生了虚拟地理环境。在虚拟地理环境中，可按个人的知识、意愿、假定设计分析模型，进行交互，使在网络环境下产生身临其境的感觉。在虚拟地理环境中，利用地学分析模型可以实现虚拟模拟，从而加速相关理论的发展。在计算机环境下，可视化的中心问题是科学家能够快速生成一系列相同或相关信息的图像。计算机屏幕上显示的影像有助于信息处理，从而提高对二维或三维空间关系和空间问题的理解。目前，可视化技术成为信息爆炸时代人类分析和驾驭信息的有力工具。在可视化技术的基础上，发展了仿真技术（simulation,imitation)和虚拟技术。“虚拟现实”是仿真技术的一种特殊形式。VR技术的应用VR技术最先进的应用领域就是军事国防。1）飞行模拟2）战斗模拟网格表面构造举例真实感图形与纹理贴图举例