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地理信息系统原理课件,东华理工大学测量学院GIS教研室 郭先春,2013.7.20,地理信息系统基础,东华理工大学 郭先春,地理信息系统基础本书结构,第一章 绪论第二章 地理信息系统的构成第三章 空间数据获取第四章 空间数据的表达第五章 空间数据的处理第六章 空间数据的管理第七章 空间查询与空间分析第八章 空间数据的可视化与地图制图,地理信息系统基础,第八章 空间数据的可视化与地图制图,地理信息系统基础,8-1 普通地图制图8-2 专题地图制图8-3 三维空间数据的可视化8-4 地图注记8-5 地图排版8-6 地图输出,第八章 空间数据的可视化与地图制图,地理信息系统基础,主讲内容：1 计算机地图制图与地理信息系统 2 地理信息系统的产品输出形式 3 地理信息系统的可视化与虚拟现实,地理信息系统基础,地理信息系统脱胎于计算机地图制图，因而GIS的主要功能之一是计算机地图制图。计算机地图制图的发展，促进了地理信息系统的产生和发展，而地理信息系统的发展又推动着计算机制图的迅速提高和进一步发展。因而两者的关系是密不可分的。,1 计算机地图制图与地理信息系统,地理信息系统基础,计算机地图制图的目的是生产各种形式的地图，如普通地形图，专题图，三维立体地图，晕渲图，坡度图和坡向图等。地理信息系统则是以高效处理地理空间数据和非图数据并为辅助决策提供科学依据为目的的计算机技术系统。计算机地图制图系统与GIS的相似之处：他们都以计算机的外围设备为工具，以数据库技术为基础，都要处理空间数据，都具有地图制图的功能。他们的主要区别是:计算机地图制图系统侧重于可见实体的显示和处理，而对可见实体可能存在的非图形属性不太重视。而这种属性在地理分析中却是非常有用的数据；地理信息系统既注重实体的空间分布，又强调他们的显示方法和质量。,1 计算机地图制图与地理信息系统,地理信息系统基础,地理信息系统产品是由系统处理分析，可以直接提供研究、规划和决策人员使用的产品。其产品形式有地图，图像，统计图表以及各种形式的数字产品。其中地图产品中典型的产品形式有：普通地图、专题地图和电子地图等。,6-2 地理信息系统的产品输出形式,地理信息系统基础,普通地图，包括国家的基本比例尺的地形图和城市及厂矿的大比例尺地形图等。这种地形图的一个显著特点是标准化，国家和有关行业如测绘局对各种系列比例尺的地形图的规格、大小、内容以及图式都作了严格的规定，所以要由空间数据生产制作符合规范要求的地形图并非易事。下面讨论有关普通地图制作的问题：1、地图符号及其分类2、地图符号的构成特点3、地图上的注记,一、普通地图制图,地理信息系统基础,一、普通地图制图,1、地图符号及其分类1)概念 地图符号（Symbol）是地图的语言，它是表达地图内容的基本手段。地图符号是由形状不同、大小不一和色彩有别的图形和文字组成，注记是地图符号的一个重要部分，它也有形状、尺寸和颜色之区别。就单个符号而言，它可以表示事物的空间位置、大小、质量和数量特征；就同类符号而言，可以反映各类要素的分布特点；而各类符号的总和，则可以表明各要素之间的相互关系及区域总体特征。地图符号可以指出目标种类（如公路）及其数量特征和质量特征（如公路行车部分的铺面种类和宽度），并且可以确定对象的空间位置和现象的分布（如人口密度等）,地理信息系统基础,一、普通地图制图,1、地图符号及其分类2)分类 a、按照符号的定位情况分类：可以将符号分为定位符号和说明符号。定位符号是指图上有确定位置，一般不能任意移动的符号，如河流、居民地及边界等，地图上的符号大部分都属于这一类；说明符号是指为了说明事物的质量和数量特征而附加的一类符号，它通常是依附于定位符号而存在的，如说明森林树种的符号等。它们在图上配置于地类界范围内，但都没有定位意义。,地理信息系统基础,一、普通地图制图,1、地图符号及其分类2)分类 b、按照符号所代表的客观事物分布状况分类 可以把符号分为面状符号、点状符号和线状符号。面状符号是一种能按地图比例尺表示出事物分布范围的符号。面状符号是用轮廓线（实线、虚线或点线）表示事物的分布范围，其形状与事物的平面图形相似，轮廓线内加绘颜色或说明符号以表示它的性质和数量，并可以从图上量测其长度、宽度和面积，一般又把这种符号称为依比例符号（见图1）。,地理信息系统基础,一、普通地图制图,面状符号:,图1：面状符号,地理信息系统基础,一、普通地图制图,点状符号：点状符号是一种表达不能依比例尺表示的小面积事物（如油库等）和点状（如控制点）所采用的符号。点状符号的形状和颜色表示事物的性质，点状符号的大小通常反映事物的等级或数量特征，但是符号的大小与形状与地图比例尺无关，它只具有定位意义，一般又称这种符号为不依比例尺符号。,地理信息系统基础,一、普通地图制图,线状符号：线状符号是一种表达呈线状或带状延伸分布事物的符号，如河流，其长度能按比例尺表示，而宽度一般不能按比例尺表示，需要进行适当的夸大。因而，线状符号的形状和颜色表示事物的质量特征，其宽度往往反映事物的等级或数值。这类符号能表示事物的分布位置、延伸形态和长度，但不能表示其宽度，一般又称为半依比例符号。,地理信息系统基础,一、普通地图制图,2、地图符号的构成特点 1)符号的构成要素 地图上的形状、尺寸和颜色是构成符号的三个基本要素。A、符号的形状符号的形状主要是表示事物的外形和特征，面状符号的形状是由它所表示的事物平面图形决定的，点状符号的形状往往与事物外部特征相联系，线状符号的形状是各种形式的线划，如单线、双线。,地理信息系统基础,一、普通地图制图,2、地图符号的构成特点 1)符号的构成要素 B、符号尺寸符号尺寸大小和地图内容、用途、比例尺、目视分辨能力、绘图与印刷能力等都有关系，不同的比例尺的地图，其符号大小也有所不同。C、符号的颜色符号的颜色可以增强地图各要素分类、分级的概念，简化符号的形状差别，减少符号数量，提高地图的表现力。使用颜色主要用以反映事物的质量特征、数量特征和等级。,地理信息系统基础,一、普通地图制图,2、地图符号的构成特点 2)地图符号的系统化 由形状、尺寸和颜色变化组成的各种地图符号并不是孤立的，它们具有内在的联系。通过符号的变化可以把地图内容的分类、分级、重要、次要等不同情况表达出来。,地理信息系统基础,一、普通地图制图,3、地图上的注记 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。注记并不是自然界中的一种要素，但它们与地图上表示的要素有关，没有注记的地图只能表达事物的空间概念，而不能表示事物的名称和某些质量和数量特征。地图上的注记可分为名称注记、说明注记和数字注记三种。1）名称注记:说明各种事物的专有名称，如居民点名称；2）说明注记:用来说明各种事物的种类、性质或特征，用于补充图形符号的不足，它常用简注表示；3）数字注记:用来说明某些事物的数量特征，如高程等。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,专题地图着重反映某一种自然和社会经济要求的分布或强调表示这些现象的某一方面的特征。目前在地学领域内，专题地图是十分活跃的分支。专题地图除了采用普通地图某些表示方法并使其得到进一步发展外，本身还需要有专门反映各种要素性质、数量、空间分布和时间变化的表示方法，以便使读者明确对专题内容要素的科学分析。1、专题地图的分类和内容 2、专题地图的表示方法,地理信息系统基础,二、专题地图制图,1、专题地图的分类和内容 1)专题地图含义 专题地图是突出地表示一种或几种自然现象和社会经济现象的地图。按内容可分为三大类：自然地图、社会经济地图和其他专题地图。自然地图表示自然界各种现象的特征、地理分布及其相互关系，如地质图、水文图等；社会经济地图表示各种社会经济现象的特征、地理分布及其相互关系，如人口图、行政区划图等；其他专题地图，指不属于上述二类的专题地图，如航海图、航空图等。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,1、专题地图的分类和内容 2)专题地图的内容 专题地图的种类很多，但大都是由地理基础和专题内容组成的。地理基础即普通地图上的一部分内容要素，如经纬网、水系、居民点、交通线、地势等。地理基础作为编绘专题内容的骨架，并表示专题内容的地理位置和说明专题内容与地理环境的关系。专题地图上表示哪些地理基础要素和详细程度如何，是根据专题内容的不同而有所不同。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,1、专题地图的分类和内容 2)专题地图的内容(续）专题内容，从资料来讲，一是将普通地图内容中一种或几种要素显示得比较完备和详细，而将其他要素放到次要地位或省略，如交通图等；二是包括在普通地图上没有的和地面上看不见的或不能直接测量的专题要素，如人口密度图。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 由于自然和社会经济要素分布特征的差异，在专题图上采用的表示方法也有多种形式。专题内容的表示方法，最常用的有：符号法、线状符号法（动线法）、等值线法、质底法、范围法、点描法（点值法）、统计图法等。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 1）符号法 符号法就是用各种不同形状、大小和颜色的符号表示现象的分布及其数量特征和质量特征。通常以符号的大小表示数量的差别，形状和颜色表示质量的差别，而将符号绘在现象所在的位置上。符号法可分为个体符号法和和线状符号法。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 2）线状符号法线状符号既可用于表示几何概念的线划，如分水岭、地面上确定的各种境界线（如国界线），又可以用于表示线状分布的不能依地图比例尺表示其宽度的地物，如河流与道路等。有时还可以用线状符号强调图上按面积表示的地物的主要方向，如山脊线、山脉走向线等。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2）线状符号法,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 3）等值线法 等值线系指在地图上通过表示一种现象的数量指标的一些等值点的曲线，如等高线、等温线。等值线法宜用于表示地面上连续分布而逐渐变化的现象，并说明这种现象在地图上任一点的数值或强度。等值线的数值间隔原则上最好是一个常数，以便判断现象变化的急剧或和缓，但也有例外。等值线间隔的大小首先决定于现象的数值变化范围，变化范围越大（以等高线为例，地貌高程变化越大），间隔也越大，反之亦然。如果根据等值线分层设色，颜色应由浅色逐渐加深，或由寒色逐渐过渡到暖色，这样可以提高地图的表现力。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,3）等值线法,等值线,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 4）质底法 质底法又名底色法，用于将区域划分为质量相同的地段。由于质底法广泛应用各种颜色，所以有时称之为底色法。首先按现象的性质进行分类或分区，制成图例，在地图上绘出各分类界线，然后把同类现象或属于同一区划的现象绘成同一颜色或同一的晕纹。这种方法可以用于表示地表面上的连续面状现象（如气象现象）、大面积分布的现象（如土壤覆盖）或大量分布的现象（如人口）。质底法的优点是鲜明美观，缺点是不易表示各类现象的逐渐过渡，而且当分类很多时，图例比较复杂，必须详细阅读图例时才能读图。注意质底的两种颜色系统不应该相互重叠，但是底色可以与晕线重合。另外，质底法易于与其他表示方法结合使用。,地理信息系统基础,4）质底法,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 5）范围法 范围法又名区域法，用于表示某种现象在一定范围内的分布。范围法分为精确范围法（见图a）和概略范围法（见图b），前者有明确的界线，可以在界线内着色或填绘晕纹或文字注记；后者可用虚线、点线表示轮廓界线，或不绘轮廓界线，只以文字或单个符号表示现象分布的概略范围。在地图上表示范围可以采用各种不同的方法：用一定图形的实线或虚线表示区域的范围；用不同颜色普染区域；在不同区域范围内绘以不同晕线；在区域范围内均匀配置晕线符号，有时不绘出境界线；在区域范围内加注说明注记或采用填充符号。,地理信息系统基础,5）范围法,（a）精确范围法（b）概略范围法,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 6）点值法 点值法是在图上用小点表示现象的分布和数量，它适用于表示分布不均匀的现象。从图上点的疏密就可看出现象的集中或分散的程度。布点时要确定点的大小及其代表的值，在最稠密的地方，点可以近于紧接但不能重迭，在最稀疏的地方，也有点的表示；在其他地方，则依比例显示出点的疏密。点值法是质底法和范围法的进一步发展。质底法和范围法只能反映现象的分布范围及其质量特征，点值法则可以表明现象的分布和数量特征。点值法有两种方法：一是均匀布点法，即在一定的区划单位内均匀地布点；另一是定位布点法，即按照现象实际所在地布点。,地理信息系统基础,6）点值法,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 7）统计图法 统计图法一般根据编图区域内各区划单位或典型地点的统计资料，用地图形式表达出来。可以分为图形统计图法、分级统计图法和定位统计图法三种。A、图形统计图法 图形统计图法是根据各区划单位的统计资料作成图形或图表，绘在地图上该区划单位之内。这种方法与符号法的区别是，它反映一个区划范围的现象，而不是一个点上的现象。图形统计图宜于表示绝对的数量指标。,地理信息系统基础,统计图法示例,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 7）统计图法 B、分级统计图法分级统计图法表示一定区域单位范围内某种制图现象平均密度的方法。分级统计图法是按照各区划单位的统计资料，根据现象的密度、强度或发展水平划分等级，然后依据级别高低，在地图上按区划分别填绘深浅不同的颜色或疏密不同的晕线，以显示各区划单位间的差异。分级时可采用等差的、等比的、逐渐增大的或任意的。分级统计图适于表示相对的数量指标。该种统计图法的优点在于绘制简单，阅读容易。,地理信息系统基础,二、专题地图制图,2、专题地图的表示方法 7）统计图法 C、定位统计图法定位统计图法是将固定地点的统计资料，用图表形式绘在地图上的相应地点，以表示该地某种现象的变化。常用的图表有柱状图表、曲线图表、玫瑰图表等。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,纸质地图是地理信息系统的一种重要输出形式。毫无疑问，它是可视化的产品。但是随着计算机技术，尤其是计算机图形学技术和图像处理技术的发展，一种动态的、交互式的地理信息系统可视化产品正在引起越来越多的关注，成为地理信息系统研究领域的热点之一。虚拟现实技术是实现地理信息系统可视化的关键所在。下面简单介绍与地理信息系统可视化有关的几个问题。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,一、基本概念 可视化(Visualization)是指在人脑中形成对某物（某人）的图像，是一个心理处理过程，促使对事物的观察力及建立概念等。科学计算可视化是通过研制计算机工具、技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可进行数据探索和分析。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,地理信息系统的多维可视化是指采用2.5维、三维和四维等地图表现形式来反映地理客体的多维特征，其中2.5维形式是图面上有隐藏部位的鸟瞰式地图表现形式，又称“假三维”，三维形式则是真正的三维立体显示，三维技术可分为基于面表示和基于体表示，四维是除了三维立体以外，再增加一维属性值（一般是时间维）。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,二、可视化的类型 可视化包括地图可视化、地理信息系统(GIS)可视化及其在专业应用领域的可视化。地图可视化与GIS可视化是地学可视化理论和技术的两个基础部分。地学可视化是科学计算可视化与地球科学结合而形成的概念，是关于地学数据的视觉表达与分析，下面探讨该领域中的三个概念：地图可视化、地理可视化和GIS的可视化，及其相互关系。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,二、可视化的类型 1地图可视化 可视化对现代地图学的发展有着极其重要的作用，虽然对其理解还有着一定的分歧。由于可视化具有交流与认知分析的两个特点，从而使信息表达交流模型与地理视觉认知决策模型构成了地图可视化的理论，而这两个模型将应用于计算机技术支持的虚拟地图、动态地图、交互交融地图以及超地图的制作和应用等。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,地图可视化的概念框架,地理信息系统基础,虚拟地图指计算机屏幕上产生的地图，或者利用双眼观看有一定重叠度的二幅相关地图，从而在人脑中构建的三维立体图像。动态地图是由于地学数据存贮于计算机内存，可以动态地显示关于地学数据的不同角度的观察，不同方法(如不同颜色、符号等)的表达结果，或者地学现象随时间演变的过程等等。交互交融地图是指人与地图可进行相互作用和信息交流。交互地图是人可以通过一定的途径，例如选择观察数据的角度、修改显示参数等来改变地图的显示行为。超地图(Hyper-maps)是基于万维网(WWW)的与地学相关的多媒体，可以让用户通过主题和空间进行多媒体数据的导航，这与超文本的概念相对应。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,2地理可视化 地理可视化是地学可视化中另一个被使用的概念。MacEachren开始时采用地图可视化，但他认为地理可视化要大于地图可视化的研究范围，如遥感图像、图表、摄影影像等中的可视化在地图可视化中并不作为重点研究的对象。所以，目前他倾向于采用地理可视化，认为它包含了所有空间显示工具，而这些所有空间显示的集合就是现代地图学中所指的可视化。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,2地理可视化 地图学与地理学作为两门经典学科，其研究对象均为区域地理系统，但前者侧重于地理空间信息的地图表达与应用，后者则把地图作为一种重要的研究工具来解决地理问题，而可视化具有的视觉交流传输和视觉分析特征，则可作为桥梁把地图学与地理学紧密地联结在一起。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,3GIS可视化 20世纪60年代发展起来的基于计算机的地理信息系统开始形成时，就利用计算机图形软硬件技术，把地理空间数据的图形显示与分析作为基本的不可缺少的功能，GIS可视化要早于科学计算可视化的提出。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,三、虚拟地理环境 地学可视化的数据探索和地学多维图解的实现需要高效的人与地学数据、地学问题形成的图形场景的相互信息交流，也就是计算机系统能提供某种信息交流与反馈机制，可以让地学专家充分发挥其图形图像思维能力和想象力，可以让地学专家设想某种假设，并立即得到该假设导致的结果。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,虚拟现实(Virtual Reality)又称灵境技术，是指通过头盔式的三维立体显示器、数据手套、三维鼠标、数据衣(Data Suit)、立体声耳机等使人能完全沉浸计算机生成创造的一种特殊三维图形环境，并且人可以操作控制三维图形环境，实现特殊的目的。多感知性(视觉、听觉、触觉、运动等)，沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)，自主感(Autonomy)是虚拟现实技术的四个重要特征，其中自主感是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度，如物体从桌面落到地面等。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,虚拟现实技术、计算机网络技术与地学相结合，可产生虚拟地理环境VGE(Virtual Geographical Environment)。虚拟地理环境是基于地学分析模型、地学工程等的虚拟现实，它是地学工作者根据观测实验、理论假设等建立起来的表达和描述地理系统的空间分布以及过程现象的虚拟信息地理世界，一个关于地理系统的虚拟实验室，它允许地学工作者按照个人的知识、假设和意愿去设计修改地学空间关系模型、地学分析模型、地学工程模型等，并直接观测交互后的结果，通过多次的循环反馈，最后获取地学规律。,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,四、地学可视化研究框架 可视化来源于科学计算可视化，带有浓厚的计算机技术特征。可视化与传统的地图学相互作用并融合，从而扩展了可视化本身的内涵。地学可视化除了技术特征外，还应建立起其理论范式。图11-22描述了地学可视化的框架，以及地图可视化、地理可视化、GIS可视化、地学多维图解、虚拟地理环境等在框架中的位置，和它们之间的相互关系。,地理信息系统基础,四、地学可视化研究框架,地理信息系统基础,3、GIS的可视化与虚拟现实,如果把地学可视化、地学多维图解中的高效人机交互方式发展为虚拟现实技术中的融入沉浸方式以及多感觉交互方式，再加上网络连接技术等，那么就产生虚拟地理环境（VGE，Virtual Geographic Environment）。VGE是地学可视化、地学多维图解等发展的最后集成系统，作为一个基于计算机的地学虚拟实验室，它对地学的发展有着非常重要的意义。虚拟地理环境的研究内容包括GIS数据模型，三维、时空多维大数据量的实时动态交互，网络虚拟现实构模语言（VRML）及其他网络开发工具如Java，ActiveX等的运用等等，它们也是数字地球技术的基础。,