-數(shù)字地圖制圖原理

1、第六章 地圖數(shù)據(jù)的可視化6.1 地圖數(shù)據(jù)可視化6.2 地圖數(shù)據(jù)符號化6.3 二維可視化技術(shù)地圖數(shù)據(jù)可視化可視化(Visualization)：是指在人腦中形成對事物的圖像,是一個心理處理過程，促使對事物的觀察力及建立概念等。科學(xué)計算可視化：是通過研制計算機工具、技術(shù)和系統(tǒng)，把實驗或數(shù)值計算獲得的大量抽象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人的視覺可以直接感受的計算機圖形圖像，從而可進行數(shù)據(jù)探索和分析。地學(xué)相關(guān)的可視化：測繪學(xué)家的地形圖測繪編制，地理學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家使用的圖解，地圖學(xué)家專題、綜合制圖等，都是用圖形(地圖)來表達對地理世界現(xiàn)象與規(guī)律的認(rèn)識和理解?？茖W(xué)計算可視化與上述經(jīng)典常規(guī)工作的最大區(qū)別是科學(xué)計算可視化是基于

2、計算機開發(fā)的工具、技術(shù)和系統(tǒng)，對象為地圖數(shù)據(jù)而過去地學(xué)中的可視表達和分析是手工或機助的(計算機輔助制圖)，并把紙質(zhì)材料作為地圖信息存儲傳輸?shù)拿浇椤？茖W(xué)計算可視化科學(xué)計算可視化，自從80年代末提出以后，得到了迅速的發(fā)展并成為一個新興的學(xué)科，其理論和技術(shù)對地學(xué)信息可視表達、分析的研究與實踐產(chǎn)生了很大的影響。國際地圖學(xué)會(ICA)在1995年成立了一個新的可視化委員會，并在1996年6月與計算機器圖形協(xié)會(ACM SIGGRAPH)合作，開始一個名為“Carto-Project”的研究項目，其目的是探索計算機圖形學(xué)的技術(shù)與方法如何更有效地應(yīng)用在地圖學(xué)與空間數(shù)據(jù)分析方面，促進科學(xué)計算可視化與地圖可視化

3、的連接和交流。地學(xué)可視化包括地圖可視化、地理信息系統(tǒng)(GIS)可視化及其在專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的可視化。地圖可視化與GIS可視化是地學(xué)可視化理論和技術(shù)的兩個基礎(chǔ)部分。地學(xué)可視化是科學(xué)計算可視化與地球科學(xué)結(jié)合而形成的概念，是關(guān)于地學(xué)數(shù)據(jù)的視覺表達與分析，包括：地圖可視化、地理可視化和GIS的可視化。地學(xué)可視化框架地學(xué)可視化框架地圖數(shù)據(jù)可視化的概念地圖數(shù)據(jù)可視化的概念可視化對地圖學(xué)而言，并不是什么新概念: 一方面，因為地圖本身就是一種可視化產(chǎn)品，即現(xiàn)實世界以高度抽象化的圖形形式再現(xiàn)在二維平面或三維模型上(地圖設(shè)計/地圖使用)。 另一方面，可視化對地圖學(xué)又有它全新的一面，因為伴隨現(xiàn)代計算機技術(shù)，尤其是計算機

4、圖形圖像技術(shù)和科學(xué)計算可視化的發(fā)展，地圖不再是單純的紙質(zhì)地圖，也不是簡單的從紙質(zhì)地圖到屏幕顯示的轉(zhuǎn)化，而是數(shù)字支持環(huán)境下具有高度交互動態(tài)顯示能力，集成了數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的虛擬實驗平臺。用戶可以通過這一試驗平臺對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行多方面的顯示、分析和動態(tài)模擬，以達到對自然、社會、經(jīng)濟現(xiàn)象的透徹理解。地圖數(shù)據(jù)的可視化可以認(rèn)為是“為識別、傳輸和解譯模式或結(jié)構(gòu)目的而概要地表示信息的過程。它的研究領(lǐng)域包括創(chuàng)建、組織、操作和理解視覺表示的計算、認(rèn)知和圖形設(shè)計方面。視覺表示區(qū)別于那些抽象文字和公式，可以被符號化、圖形化和形象化的表達”w 地圖可視化地圖可視化n傳統(tǒng)的地圖，主要是對已知知識的綜合和表示，為視覺傳

5、輸服務(wù)，面向公眾范疇。而基于高度動態(tài)和交互計算機環(huán)境的地圖可視化兼有上述兩個方面的功用：視覺思維和視覺傳輸。Taylor強調(diào)了計算機技術(shù)基礎(chǔ)支持下的地圖可視化，并認(rèn)為可視化包括交流與認(rèn)知分析。地圖數(shù)據(jù)可視化的概念地圖數(shù)據(jù)可視化的概念地圖可視化的概念框架地圖數(shù)據(jù)可視化的概念地圖數(shù)據(jù)可視化的概念地圖可視化信息傳輸?shù)恼嬲饬x在于設(shè)計者所要傳遞的信息能毫無失真或盡量少失真地為用圖者所擁有.可視化的傳輸可視化的傳輸可視化的認(rèn)知可視化的認(rèn)知w 地圖信息可分成兩種：直接信息和間接信息。w 在數(shù)字環(huán)境下，由于有數(shù)據(jù)庫的支持，可將直接信息納入可視化信息傳輸?shù)姆懂?，而將間接信息歸入認(rèn)知范疇n可視化的信息傳輸是針對

6、已知信息的傳遞，即通過有效的設(shè)計，可視化的信息傳輸是針對已知信息的傳遞，即通過有效的設(shè)計，盡量減少信息在傳遞過程中的失真；盡量減少信息在傳遞過程中的失真；n而可視化的認(rèn)知過程則是關(guān)于未知信息的發(fā)現(xiàn)與提煉。地圖的認(rèn)而可視化的認(rèn)知過程則是關(guān)于未知信息的發(fā)現(xiàn)與提煉。地圖的認(rèn)知過程主要是針對地圖信息的分析與整理，因此可以認(rèn)為可視化知過程主要是針對地圖信息的分析與整理，因此可以認(rèn)為可視化的認(rèn)知過程實際是對數(shù)字地圖數(shù)據(jù)的認(rèn)知過程，目前已有許多相的認(rèn)知過程實際是對數(shù)字地圖數(shù)據(jù)的認(rèn)知過程，目前已有許多相關(guān)的技術(shù)，包括空間分析、數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)等，而可視化是關(guān)的技術(shù)，包括空間分析、數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)等，而可視

7、化是其中的一員。其中的一員。不論是傳統(tǒng)地圖還是數(shù)字地圖都強調(diào)傳輸和分析兩個基本功能，但傳統(tǒng)地圖只有很低的交互性或不具有交互性，主要是向大眾表示已知的現(xiàn)象，而計算機環(huán)境下的地圖數(shù)據(jù)可視化則具有很高的交互性，主要是為科學(xué)試驗服務(wù)，以探索未知現(xiàn)象。數(shù)字地圖可視化的相關(guān)技術(shù)數(shù)字地圖可視化的相關(guān)技術(shù)w 虛擬地圖指計算機屏幕上產(chǎn)生的地圖，或者利用雙眼觀看有一定重疊度的二幅相關(guān)地圖，從而在人腦中構(gòu)建的三維立體圖像。虛擬地圖具有暫時性，實物地圖具有靜態(tài)永久性。w 動態(tài)地圖是由于地學(xué)數(shù)據(jù)存貯于計算機內(nèi)存，可以動態(tài)地顯示關(guān)于地學(xué)數(shù)據(jù)的不同角度的觀察，不同方法(如不同顏色、符號等)的表達結(jié)果，或者地學(xué)現(xiàn)象隨時間演變

8、的過程等等。w 超地圖(Hyper-maps)是基于萬維網(wǎng)(WWW)的與地學(xué)相關(guān)的多媒體，可以讓用戶通過主題和空間進行多媒體數(shù)據(jù)的導(dǎo)航，這與超文本的概念相對應(yīng)。超地圖對于地圖的廣泛傳輸與使用，即對公眾生活、社會決策、科學(xué)研究等產(chǎn)生巨大的作用，具有重要的意義。w 交互交融地圖是指人與地圖可進行相互作用和信息交流。交互地圖是人可以通過一定的途徑，例如選擇觀察數(shù)據(jù)的角度、修改顯示參數(shù)等來改變地圖的顯示行為。在這個過程中，屏幕地圖(或雙眼視覺立體地圖)即虛擬地圖，與應(yīng)用人員人腦中相關(guān)地學(xué)知識以及直覺等形成的心智圖像一直處于相互作用、相互比較、相互修改完善的信息聯(lián)系和反饋狀態(tài)。交融地圖，是人與地圖的融合

9、程度，也就是人在虛擬地圖中的投入感和沉浸感(Immersion)。地圖的交互和交融性的區(qū)別可以舉這樣的一個例子。如你到圖書館借書，交互性表示你借書要通過圖書館的服務(wù)員，首先填寫條子，然后服務(wù)員去找書，最后再給你。而交融性是你可以直接進入書庫進行搜尋，并發(fā)現(xiàn)你要借的書。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是交互交融地圖的發(fā)展基礎(chǔ)。數(shù)字地圖可視化的相關(guān)技術(shù)數(shù)字地圖可視化的相關(guān)技術(shù)地圖符號（Symbol）是地圖的語言，它是表達地圖內(nèi)容的基本手段。地圖符號是由形狀不同、大小不一和色彩有別的圖形和文字組成，注記是地圖符號的一個重要部分，它也有形狀、尺寸和顏色之區(qū)別。 單個符號而言，它可以表示事物的空間位置、大小、質(zhì)量和數(shù)量特征

10、； 同類符號而言，可以反映各類要素的分布特點；而各類符號的總和，則可以表明各要素之間的相互關(guān)系及區(qū)域總體特征。地圖符號可以指出目標(biāo)種類（如公路）及其數(shù)量特征和質(zhì)量特征（如公路行車部分的鋪面種類和寬度），并且可以確定對象的空間位置和現(xiàn)象的分布（如人口密度等）。6.2 地圖數(shù)據(jù)符號化 w 地圖符號的分類：地圖符號的分類：n根據(jù)地理事物和地理現(xiàn)象的分布狀況，地圖符號可分為點狀點狀符號、線狀符號、面狀符號符號、線狀符號、面狀符號三種類型。n從視覺上，地圖符號又分為形象符號和抽象符號形象符號和抽象符號l形象符號指對應(yīng)于空間事物形態(tài)特征的符號，如森林、綠地、海洋等地理事物l抽象符號是指用幾何形狀和色彩表示

11、的符號系列，這些符號能體現(xiàn)量的變化，但約定性較差一個抽象符號可以代表不同的地理事物。如一個圓，既可以表示地物的控制點，也可以表示礦場等。n從對地圖比例尺的依存關(guān)系上，地圖符號為依比例符號、半依比例符號、半依比例、不依比例符號依比例、不依比例符號n 注記符號注記符號：同其它符號一樣也是一種符號l地圖注記是地圖的基本內(nèi)容之一，是傳遞地圖信息的重要方式。l地圖上的注記可以分為名稱注記、說明注記、數(shù)字注記及圖幅注記。l利用地圖注記的字體、尺寸、色相等特征來表達地理事物的特征。符號的分類符號的分類 符號化符號化 的概念的概念符號化：是將專題數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為模擬的制圖符號。這種形式的符號化依賴于專題數(shù)據(jù)屬性

12、。制圖對象的專題屬性按照名稱尺度，順序尺度，間隔尺度和比率尺度來測量。符號化的范圍對應(yīng)著從名稱尺度到比率尺度的測量范圍。對一個用名稱尺度來量測的屬性，對象都被劃分在相互排斥的組里；對一個用順序尺度來量測的屬性，對象按降序或升序的方式排列，但對象間的間距是未知的；在間隔尺度里，對象的間距是已知的，但其尺度的原始定位是任意的；比率尺度數(shù)據(jù)有絕對零值，所以其所有的量測都是正值。按比率尺度的量測可以全部符號化，而名稱尺度的符號化最受限制。在低尺度水平上的制圖符號化隱含了數(shù)據(jù)綜合，因此會損失一些信息。n產(chǎn)生矢量符號的方法 ：由平面內(nèi)這些坐標(biāo)坐標(biāo)和繪圖機抬筆動抬筆動作作編碼組合而成的有序集合稱之為矢量符號

13、數(shù)據(jù)，由矢量符號數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的符號叫做矢量符號矢量符號。n矢量符號常用方法l信息塊方法：將要繪制的符號離散成數(shù)字信息。w通常，一個符號構(gòu)成一個信息塊。繪圖時只要通過程序處理存放在計算機里的信息塊即可完成符號的繪制。w該方法只適用于那些符號本身不太復(fù)雜，難以用數(shù)學(xué)模型描述，離散后信息量不太大的那些地圖符號，如數(shù)字、英文字母、漢字、獨立地物符號等 。w對那些由各組成部分沿中心軸線重復(fù)配置的線狀符號，將其基本組成部分離散成信息塊，繪圖時經(jīng)適當(dāng)處理后沿中心軸線重復(fù)配置，進而產(chǎn)生所要繪制的線狀符號。地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述w 信息塊方法信息塊方法直接編碼法是直接以每一步的走步方向的代碼構(gòu)成信息

14、塊： 圖中每格的邊長為繪圖機的步長，數(shù)字1、3、5、7分別代表繪圖筆向+x、+y、-x、-y方向前進一步，”2”表示抬筆，”6”表示落筆 地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述間接編碼是以位移網(wǎng)格代碼構(gòu)成信息塊的，繪圖時經(jīng)轉(zhuǎn)換得到走步方向和步數(shù)：如果用一個8X8的格網(wǎng)，那么可采用3位數(shù)網(wǎng)格點編碼，百位上的”0”表示抬筆，”1”表示落筆；10位上的”0-8”和個位上的“0-8”分別表示x和y方向格網(wǎng)交點數(shù)。如果在這個格網(wǎng)內(nèi)寫一個”人”字，其信息塊的編碼是048，145，133，100，045，153，180，-044.最后一個編碼中，前面的負(fù)號用來指明該符號已繪完。 地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)

15、字描述w 編程方法編程方法 l該方法是由繪圖子程序按照圖形參數(shù)計算繪圖矢量并操縱繪圖筆繪制地圖符號的方法l對同一地圖符號或同一類型的一組地圖符號編一個繪圖子程序，這些程序組成一個程序庫。在繪圖時按程序的編號調(diào)用庫中相應(yīng)的程序，輸入適當(dāng)?shù)膮?shù)，該程序?qū)⒏鶕?jù)已知數(shù)據(jù)和參數(shù)計算繪圖矢量，并產(chǎn)生驅(qū)動繪圖機的指令從而完成地圖符號的繪制。l這種方法一般只適用于那些能用數(shù)學(xué)表達式來描述的地圖符號。l編程的過程是，先建立描述符號的數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計流程圖和編寫源程序，最后上機調(diào)試并確認(rèn)優(yōu)化后入庫。l應(yīng)當(dāng)注意的是，盡量用一個程序來繪制多個符號，如繪圓和橢圓就可以用一個程序完成。程序功能的大小完全取決于對要素的精

16、心分類和選擇合適的參數(shù)。地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述w 面向?qū)ο蟮木幊谭椒嫦驅(qū)ο蟮木幊谭椒?l一個符號是由若干個基本圖元對象夠成的復(fù)合對象。l根據(jù)地圖符號的制圖分類以及符號設(shè)計的基本要求，可以將符號分解為以下8種基本圖元對象類:注記(CText)、直線(CLine)、圓弧(CArc)、折線(CPolyline)、矩形(CRect)、圓角矩形(CRoundrect)、橢圓(CEllipse)、多邊形(CPolygon)，用這8種基本圖元可以構(gòu)成任何復(fù)雜的符號. 地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述w 面向?qū)ο蟮木幊谭椒嫦驅(qū)ο蟮木幊谭椒?l在圖元基類(Cshape)中最重要的數(shù)據(jù)成員是

17、w圖元信息(m_ShapeInfo)圖元信息用來來保存圖元的相關(guān)信息（線寬、顏色、線形）w圖元控制點鏈表(m_PointList)圖元控制點鏈表保存了要繪制出該圖元所需的所有控制點。w最重要的操作方法圖元繪制方法（DrawShape）圖元繪制方法（DrawShape）是一個虛擬函數(shù)（Virtual Function）,在圖元基類（CShape）中沒有具體的定義，而是在各個具體的圖元類中幫有不同的定義，但方法名稱都是相同的 地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述w 面向?qū)ο蟮木幊谭椒嫦驅(qū)ο蟮木幊谭椒╨一個符號 無論是8種符號里的哪一種，統(tǒng)一用一個符號類（CSymbol）來表示。l符號類種最重要的

18、是數(shù)據(jù)成員是w符號信息(m_SymInfo):保存符號的相關(guān)信息w定位點數(shù)組(m_Location):是一個統(tǒng)稱對不同類型的符號具有不同的意義在點狀符號中指符號的定位點，線狀符號中指符號的基線面狀符號中指面狀符號的矩形的兩個對角頂點在文本注記中沒有定義，因為文本注記符號的位置是在繪制時有用戶指定的。w構(gòu)成符號的圖元鏈表（m_ShapeList）:保存構(gòu)成該符號的所有圖元，采用鏈表存儲便于生成和編輯符號時在符號中增加和刪除圖元。 指向Cshape類地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述w 描述法描述法l利用系統(tǒng)將用戶自定義的符號解釋成一個符號源文件l這個源文件格

19、式規(guī)定如下：w圖塊源文件由若干行組成，每行定義圖塊中的一個元素，如直線、矩形、圓、弧等。w每行第一個字符必須是字母，用以表示圖素的類別，其后面可接若干個數(shù)字來作參數(shù)。w字母與數(shù)字之間，數(shù)字與數(shù)字之間均以“，”分隔。中間可以插和空格。w數(shù)字參數(shù)表示距離時以毫米為單位，表示角度時以度分秒為單位（一個整圓為360度）.w圖塊插入時以相對于定義的原點“0，0”為插入點。圖塊的定義以笛卡爾坐標(biāo)系為準(zhǔn)。l各種圖素開頭字母及后續(xù)參數(shù)定義如下： 地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述w 描述法描述法地圖符號的地圖符號的SVGSVG方法方法 lSVG本身是一套矢量圖形的定義語言

20、，它有很多可用的基本圖元 l在現(xiàn)有SVG標(biāo)準(zhǔn)下擴充它,使他支持地圖符號 l沒有加入擴充地圖符號的SVG文本llll Simple shapes l l l l l l l地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述w 描述法描述法地圖符號的地圖符號的SVGSVG方法方法 lSVG本身是一套矢量圖形的定義語言，它有很多可用的修改SVG文本文件，加入兩行l(wèi) l 這句話定義了一條鐵路符號，給出了參照點，寬度 和間距 ，很多地圖符號可以如此規(guī)劃定義為標(biāo)準(zhǔn)l效果如下地圖符號的數(shù)字描述地圖符號的數(shù)字描述地圖符號庫的建設(shè)w 符號生成的過程可以分為三步符號生成的過程可以分為三步: : n第一步：生成符號對象l 在用戶

21、選擇新建一個符號時，符號編輯器和用戶進行交互，由用戶指定需要生成的符號類型(點狀，線狀，面狀，文本注記)和符號的特征信息:符號編碼，符號中文名稱，符號英文名稱，符號名稱縮寫(如果不指定符號的特征信息將按默認(rèn)值處理)，然后符號編輯器根據(jù)用戶指定的符號類型和符號特征信息生成一個符號類CSymbol的實例即一個符號對象，并將符號的特征信息寫入到符號對象中。n 第二步:在符號對象中增加和修改圖元l符號是若干個基本圖元構(gòu)成的復(fù)合對象，生成符號的過程就是在符號對象中添加圖元的過程，用戶通過在符號編輯器提供的圖元工具條上選擇需要的圖元，然后用鼠標(biāo)在符號編輯區(qū)中決定變圖元的位置和大小，這一步完成后符號編輯器根

22、據(jù)用戶選擇的圖元類型生成一個圖元對象并根據(jù)用戶給定圖元位置和大小填寫圖元對象的控制點鏈表，再將生成的圖元添加到符號對象的圖元鏈表中，重復(fù)這樣的過程完成在符號中添加圖元的操作。在這一步中經(jīng)常需要對符號進行修改。n 第三步:保存符號l保存符號就是將符號信息和數(shù)據(jù)以文件的形式保存到相應(yīng)的文件中。w 地圖符號庫設(shè)計的一般原則地圖符號庫設(shè)計的一般原則 n在國家基本比例尺地圖符號庫中，符號信息塊表示的圖形、顔色、符號含義及適用的比例尺等，應(yīng)盡量符合國家規(guī)定的地圖圖式。個別不適合機助制圖的符號圖形，經(jīng)主管部門同意后可作必要更改。n在專題地圖制圖或其他需要新設(shè)計地圖符號的情況下，在設(shè)計符號時也應(yīng)遵循：圖案化、

23、精確性、邏輯性、對比性、統(tǒng)一性、色彩象征性、制圖與印刷可能性等一般原則。n符號生成方法的選擇。n符號庫的可擴充性。為了適應(yīng)不斷發(fā)展的地圖圖的需要，地圖符號庫應(yīng)具有可擴充性。也就是說，允許用戶自由增加新設(shè)計的符號、刪除過時的符號，或能修改任一種符號圖形。 w 從功能上考慮，符號庫包括了兩個部分從功能上考慮，符號庫包括了兩個部分n用于生成符號的符號編輯器n用于符號繪制的函數(shù)庫，即外部調(diào)用接口n這兩個部分在功能上獨立，但數(shù)據(jù)公用，即符號編輯器生成符號庫數(shù)據(jù)，符號繪制函數(shù)庫提供調(diào)用接口，調(diào)用符號庫中的符號數(shù)據(jù)完成符號繪制，他們之間的關(guān)系如圖所示地圖符號庫的建設(shè)w 符號繪制的過程符號繪制的過程 n首先根

24、據(jù)接口參數(shù)中指明的符號編碼從符號庫中讀出對應(yīng)的符號數(shù)據(jù)，由符號數(shù)據(jù)生成具體的符號對象n然后由符號對象自身的成員函數(shù)根據(jù)接口參數(shù)中的繪制參數(shù)來完成符號繪制地圖符號庫的建設(shè)點符號制作點符號制作符號設(shè)計參量符號設(shè)計參量 大小大小 方向方向 色相色相 灰度灰度 紋理紋理 密度密度制作方案制作方案 點符號制作點符號制作w 點狀符號制作模板點狀符號制作模板 點狀符號調(diào)整界面點狀符號調(diào)整界面尺寸尺寸角度角度定位定位組合組合點符號制作點符號制作w 點狀符號子庫管理界面點狀符號子庫管理界面線符號制作線符號制作w 基本線型基本線型 實線實線 顏色顏色,粗細(xì)粗細(xì) 點符號線點符號線 顏色顏色,大小大小,方向方向,比例

25、比例 虛線虛線 顏色顏色,粗細(xì)粗細(xì),比例結(jié)構(gòu)比例結(jié)構(gòu) 齒線齒線 顏色顏色,粗細(xì)粗細(xì),比例結(jié)構(gòu)比例結(jié)構(gòu) w 設(shè)計思想設(shè)計思想 簡單線狀符號和點狀符號組合簡單線狀符號和點狀符號組合疊置順序偏移量比例關(guān)系線符號制作線符號制作w 線狀符號子庫管理界面線狀符號子庫管理界面面符號制作面符號制作w 面狀符號類型面狀符號類型 單一顏色填充單一顏色填充 陰影線填充陰影線填充 點符號填充點符號填充 面符號制作面符號制作w 設(shè)計思想設(shè)計思想 點狀符號、線狀符號和簡單面狀符號組合點狀符號、線狀符號和簡單面狀符號組合顏色 傾角 間距 中心點距 組合順序 面符號制作面符號制作 面狀符號調(diào)整界面面狀符號調(diào)整界面 面狀符號子

26、庫面狀符號子庫 注記符號制作注記符號制作w 注記符號注記符號字體顏色排列方式定位點 符號庫成果符號庫成果符號庫應(yīng)用符號庫應(yīng)用6.3 二維可視化技術(shù) w 數(shù)據(jù)增強數(shù)據(jù)增強w 多邊形暈線填充多邊形暈線填充w 等高線追蹤等高線追蹤w 開窗和剪裁開窗和剪裁 數(shù)據(jù)增強數(shù)據(jù)增強w 數(shù)據(jù)增強數(shù)據(jù)增強n給線、面狀要素增加細(xì)節(jié)以改進顯示效果或者為沒有數(shù)據(jù)采樣的地方進行估值n近似地看作為數(shù)據(jù)選取和其它綜合操作的逆過程w 線性插值線性插值 n線通常是通過曲線擬合來改進顯示效果、增強美感n擬合曲線的構(gòu)造可以是通過線的給定頂點（插值）或靠近頂點（逼近）來實現(xiàn) n線性插值通過利用多項式函數(shù)來擬合線。但是嚴(yán)格的多項式插值可

27、能會和線的各段相交，引入噪聲到擬合曲線中.數(shù)據(jù)增強線性插值w 分段擬合分段擬合n用一段一段的曲線來代替每條線段，而且只在每條線段的端點處才相交。n使用分段多項式函數(shù)能產(chǎn)生理想的結(jié)果n n方法：l為了保證分段產(chǎn)生的曲線連接起來能形成一條光滑的曲線，用一個三次多項式函數(shù)來計算通過四個相繼的頂點，但只保留連接第二、三個頂點的曲線段 l重復(fù)這個過程來處理剩余的頂點集。 w 將分段多項式函數(shù)表示為參數(shù)形式將分段多項式函數(shù)表示為參數(shù)形式 n四個點來說，t的值的取值范圍為-1到2或(i-2) n這種形式的內(nèi)插函數(shù)是：n 數(shù)據(jù)增強線性插值w 這些混合函數(shù)都易于計算，但它們的缺點是段與段之間不能光滑過渡?？梢约?/p>

28、以邊界限制條件，以其保證光滑過渡w 三次B樣條函數(shù)通過強制逼近曲線通過原線的每個頂點來解決這個問題n對起、止段施以特殊函數(shù)，且t僅僅在0和1之間變化。 數(shù)據(jù)增強線性插值w 數(shù)據(jù)采集設(shè)備給數(shù)據(jù)增加了一些噪聲，為了降低噪聲，可以計算與這些數(shù)據(jù)最匹配的多項式函數(shù)的系數(shù)，以多項式來逼近觀察數(shù)據(jù)w 三種情況：函數(shù)通過所有觀察點；函數(shù)通過部分觀察點；函數(shù)不一定通過觀察點，但與觀察點距離差的平方和最?。?曲線擬合數(shù)據(jù)增強-空間插值 w 空間插值空間插值n也是數(shù)據(jù)選取操作的一個逼近逆過程 n在數(shù)據(jù)選取中，通常按間隔對表面采樣，因此采集的只是一個專題屬性值的樣本。要準(zhǔn)確地知道表面上未被采樣部分的那些點上的數(shù)據(jù)值

29、是不可能的。 n空間插值問題就是要求取未知值位置上近似的專題值 w 內(nèi)插：在一個已知控制點分布構(gòu)成的凸殼內(nèi)的點進行插值，有較高的可信度 w 外推 ：對于位于凸殼外一定距離的點進行估值 w 移動加權(quán)平均 :假設(shè)在一個插值點上要確定一個未知值，那么它與鄰近的控制點相似或有正自相關(guān)關(guān)系。則一個最大化最小相似性的方法是：n其中N是鄰近的已知點數(shù)；nzi是第i個已知點的專題值nzj是第j個未知點待估的專題屬性值nwij是第i，j個點間的連接關(guān)系（權(quán)）。數(shù)據(jù)增強-空間插值 w 問題關(guān)鍵問題關(guān)鍵如何賦權(quán)重？如何賦權(quán)重？n方法1 ：如果已知點是未知點的鄰域（可能共享點集的Thiessen邊或多邊形的弧段），最

30、簡單的關(guān)系就是設(shè)wij=1；如果對象不相鄰則設(shè)wij=0。這時，未知對象的插值就是它鄰近對象的平均值。這種方法的缺陷是對所有的臨近點都給予了相同的重視程度。一個改進的方法是讓wij等于已知對象和未知對象間共享邊的長度。這樣，鄰域共享邊越長就越重要，反之，共享邊界越短其對鄰域的影響就越小。數(shù)據(jù)增強-空間插值 w 問題關(guān)鍵問題關(guān)鍵如何賦權(quán)重？如何賦權(quán)重？n方法2 ：基于距離的倒數(shù)l每個已知對象的相對重要程度是其一個距離的函數(shù)l其中i在j的鄰域中n阻抗系數(shù)是距離指數(shù)，且0。對象越近權(quán)越大,距離倒數(shù)加權(quán)的一個方法是使為一個很大的正數(shù)。權(quán)重的這個作用是使除了未知對象的最近鄰域外，將其他所有已知對象的重要

31、性減到最小。這個求權(quán)過程類似于在包含未知點的控制點集的Thiessen鋪蓋中查找相應(yīng)的Thiessen多邊形。 n由于在同一個Thiessen多邊形中的所有未知點都有相同的插值，這樣插值曲面就會成為階梯狀曲面，梯狀曲面的邊界就是Thiessen邊.數(shù)據(jù)增強-空間插值 w 問題關(guān)鍵問題關(guān)鍵如何賦權(quán)重？如何賦權(quán)重？n方法3 ：距離方差圖n方法4 ：余弦值修正法n方法5：Kriging數(shù)據(jù)增強-空間插值 w 第二類插值操作第二類插值操作全局插值全局插值 n同時估計整個曲面的值 n趨勢面擬合插值技術(shù)l在趨勢面擬合中，假定x，y坐標(biāo)為獨立變量，而專題屬性值z則以x，y的多項式給出。 l多項式函數(shù)的最高次

32、方就是趨勢面的階次 l一次趨勢面用一個平面去擬合已知控制點集，二次趨勢面擬合一個二次曲面。l多項式系數(shù)通過最小二乘回歸分析求出，它能使控制點的估計值與已知值之間差的平方和最小 。數(shù)據(jù)增強-空間插值 數(shù)據(jù)增強-空間插值 多邊形暈線填充 w 多邊形的暈線填充算法要求代表某值的暈線與起點對多邊形的暈線填充算法要求代表某值的暈線與起點對齊。相鄰區(qū)域如果屬性值相同，這兩個區(qū)域的暈線則齊。相鄰區(qū)域如果屬性值相同，這兩個區(qū)域的暈線則完全對齊。從視覺上看，如果暈線不這樣對齊，那么完全對齊。從視覺上看，如果暈線不這樣對齊，那么數(shù)據(jù)類別與值之間的一一對應(yīng)關(guān)系則很難保持。數(shù)據(jù)類別與值之間的一一對應(yīng)關(guān)系則很難保持。

33、w 方法：通過固定暈線位置，使之同方法：通過固定暈線位置，使之同X X軸平行就可以保持這軸平行就可以保持這種特性種特性n首先將坐標(biāo)軸按暈線的方向角旋轉(zhuǎn)。然后在旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)空間中找到多邊形的最大Y坐標(biāo)(YMAX)。穿過多邊形的暈線中最頂端的那條Y坐標(biāo)可以根據(jù)下式計算：nY*=INT YMAX / DELTA DELTA l其中INT是最大取整函數(shù)；lDELTA是暈線間的垂直距離。n取得多邊形暈線中的最高一條的Y坐標(biāo)后，其他各暈線的Y坐標(biāo)可以通過將Y*依次遞減DELTA值來得到，這個過程直到該多邊形中再沒有暈線經(jīng)過時停止。多邊形暈線填充 多邊形暈線填充 XY繪制多邊形暈線的基本方法 w 單線法單線

34、法 n首先將多邊形先旋轉(zhuǎn)一個方向角，n然后依序每次一條暈線地分別處理各線。n下一步檢查多邊形輪廓的每一段，判斷其是否與所處理的暈線相交，保存交點并按X坐標(biāo)排序。這種排序是為了通過一系列（移動，繪制）對操作來保證恰當(dāng)?shù)乩L出暈線。 n最后所有的交點旋轉(zhuǎn)回原始多邊形空間顯示。 第一個交點(X1,Y1)是V4V5邊與暈線的交點，第二個交點(X2,Y2)則是V5V6邊與暈線的交點。我們不能移動到(X1,Y1)，然后畫線到(X2,Y2)，因為這段線位于多邊形之外。第一次移動必須從(X3,Y3)開始，這樣依次進行（移動，繪制）對操作才不會出錯。 繪制多邊形暈線的基本方法 w 單線法單線法 n“單線法”主要的

35、優(yōu)點是簡單，存儲量小。一次只要存儲一條暈線的交點。n對于凸多邊形，每一條暈線只需要一條線段表示。n而N個頂點的凹多邊形則至多只要N/2個線段就可以表示一條多邊形內(nèi)的暈線。n這種方法的計算量可能由于暈線的密度發(fā)生變化而產(chǎn)生較大波動。繪制多邊形暈線的基本方法 w 繞行繞行(walk-around)(walk-around)法法 n原理是環(huán)繞多邊形一周以計算所有暈線與多邊形的交點.n由于多邊形邊界只需要測試一次，而不是對于每條暈線都要計算，因此其計算效率提高了很多。 n其次，多邊形每條邊的交點序列是利用與上一交點的X,Y坐標(biāo)的偏移來計算，而不是通過線段相交方程來計算每個交點(在每條邊上根據(jù)暈線y值和

36、間距作為截距，計算x值；相當(dāng)于在一條線段上計算等分點)。 n主要的缺點是在繪制暈線之前必須把所有的交點存儲起來。 n對暈線的密度也很敏感，對于頂點太多的多邊形計算量則相當(dāng)大。 繪制多邊形暈線的基本方法 層次多邊形合并 w 目前多邊形暈線的填繪依然是互相獨立的。這種方式的一目前多邊形暈線的填繪依然是互相獨立的。這種方式的一個主要缺點在于如果一條暈線經(jīng)過多個數(shù)據(jù)區(qū)，該線就被個主要缺點在于如果一條暈線經(jīng)過多個數(shù)據(jù)區(qū)，該線就被分成多條線段并分別處理。分成多條線段并分別處理。 n在線填充計算的時候，作為兩個不同多邊形輪廓一部分的邊界要處理兩次，這樣要計算的點的數(shù)量就大大增加了。 w 改進的方法是對于屬于

37、同一分級間隔內(nèi)的區(qū)域，在進行填改進的方法是對于屬于同一分級間隔內(nèi)的區(qū)域，在進行填充之前，刪除內(nèi)部邊界。充之前，刪除內(nèi)部邊界。n按照與所要顯示的屬性相對應(yīng)的專題等級，每個多邊形都要做相應(yīng)的合并或綜合從而形成較大的地理區(qū)域。 層次多邊形合并 w 合并過程所采用的方法取決于地理底圖的結(jié)構(gòu)特征。例如，在SAS/GRAPH系統(tǒng)中使用多邊形面條模型來將單個多邊形合并成較大的制圖目標(biāo)。然而，合并操作必須首先確定相鄰多邊形的公共弧段和點，計算量就會比較大。更為有效的合并操作可與圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合，這樣合并操作就可基于鏈而不是基于鏈中的點為單位進行了.w 對基于數(shù)據(jù)分類分級帶來的將多邊形聚合成更大的區(qū)域這種問題來

38、說，需要的是提取每個大區(qū)域的輪廓。 w 對于底圖中的鏈段對于底圖中的鏈段n位于某個大區(qū)域的內(nèi)部，其左右多邊形可能都屬于或都不屬于給定的類別區(qū)域;n在區(qū)域的輪廓上，容易判別，因為鏈段左右的多邊形屬于不同的類別;層次多邊形合并 w 如果找到了合并多邊形輪廓的第一條鏈段，就可以沿著這條鏈段往下尋找，依據(jù)是下一條鏈段的右側(cè)是這個大多邊形。w 對于當(dāng)前大多邊形輪廓的鏈段，下一條鏈段應(yīng)該是當(dāng)前鏈段的左側(cè)鏈或右側(cè)鏈，這取決于當(dāng)前鏈段的左側(cè)還是右側(cè)多邊形屬于合并多邊形。層次多邊形合并 w 外部輪廓的第一條鏈段如果外部輪廓的第一條鏈段如果是是C2C2的話，下一條就是的話，下一條就是C3C3，n因為C2的右側(cè)多邊

39、形是屬于合并多邊形(所以選擇C2的右側(cè)鏈段C3作為下一條鏈段)。w 組成整個輪廓的所有鏈段順組成整個輪廓的所有鏈段順序參見表。序參見表。 層次多邊形合并 w 步驟步驟 1)1)選取某一分級類別；如果所有分類區(qū)域的輪廓都已經(jīng)標(biāo)明，選取某一分級類別；如果所有分類區(qū)域的輪廓都已經(jīng)標(biāo)明，則停止，否則繼續(xù)下一步。則停止，否則繼續(xù)下一步。w 步驟步驟 2)2)把所有的鏈段設(shè)置標(biāo)記為把所有的鏈段設(shè)置標(biāo)記為“off”off”，并設(shè)置每個鏈段，并設(shè)置每個鏈段IDID的值的值C C為為0 0，繼續(xù)下一步。，繼續(xù)下一步。w 步驟步驟 3)3)令令C=C+1C=C+1；如果；如果C C大于大于K K，跳到第，跳到第8

40、 8步，否則繼續(xù)下一步。步，否則繼續(xù)下一步。w 步驟步驟 4)4)如果鏈段如果鏈段C C的標(biāo)記為的標(biāo)記為“on”,on”,回到第回到第3 3步，否則把標(biāo)記改為步，否則把標(biāo)記改為“on”on”，令，令M MC C并繼續(xù)下一步。并繼續(xù)下一步。w 步驟步驟 5)5)如果與如果與M M關(guān)聯(lián)的所有多邊形都屬于或都不屬于當(dāng)前的合并多關(guān)聯(lián)的所有多邊形都屬于或都不屬于當(dāng)前的合并多邊形，回到第邊形，回到第3 3步，否則繼續(xù)下一步。步，否則繼續(xù)下一步。w 步 驟步 驟 6 )6 ) 如 果如 果 M M 右 側(cè) 的 多 邊 形 屬 于 合 并 多 邊 形 ， 令右 側(cè) 的 多 邊 形 屬 于 合 并 多 邊 形

41、， 令 N N rchain(M),P=rpoly(M)rchain(M),P=rpoly(M)；否則令；否則令N Nlchain(M),P=lpoly(M)lchain(M),P=lpoly(M)。將。將N N的的標(biāo)記改為標(biāo)記改為“on”on”，繼續(xù)下一步。，繼續(xù)下一步。層次多邊形合并 w 步驟步驟 7)7)如果與如果與N N相關(guān)的兩個多邊形都屬于合并多邊形且相關(guān)的兩個多邊形都屬于合并多邊形且P=rpoly(N)P=rpoly(N)，令令M=lchain(N)M=lchain(N)并改并改M M的標(biāo)記為的標(biāo)記為“on”on”；如果與；如果與N N相關(guān)的兩個多邊形都相關(guān)的兩個多邊形都屬于合并多

42、邊形且屬于合并多邊形且P Plpoly(N)lpoly(N)，令，令M=rchain(N)M=rchain(N)并改并改M M的標(biāo)記為的標(biāo)記為“on”on”。當(dāng)且僅當(dāng)。當(dāng)且僅當(dāng)P P屬于合并多邊形，令屬于合并多邊形，令M MN N。w 步驟步驟 8)8)如果如果MC,MC,將將M M加入到輪廓鏈段集合中，并回到第加入到輪廓鏈段集合中，并回到第6 6步；否則，步；否則，一條合并多邊形的輪廓已經(jīng)完成，回到第一條合并多邊形的輪廓已經(jīng)完成，回到第3 3步去枚舉其他的弧段環(huán)。步去枚舉其他的弧段環(huán)。w 步驟步驟 9)9)到此一個合并多邊形的所有內(nèi)部和外部的弧段環(huán)全部枚舉完到此一個合并多邊形的所有內(nèi)部和外部

43、的弧段環(huán)全部枚舉完畢，填充這個區(qū)域并回到步驟畢，填充這個區(qū)域并回到步驟1 1。開窗和剪裁 w 用戶空間和硬件空間用戶空間和硬件空間n坐標(biāo)(UMAXX,UMAXY)和(UMINX,UMINY)為用戶空間的上下限 n(HMAXX,HMAXY)和(HMINX,HMINY)為相對應(yīng)的硬件空間的上下限 w 窗口和視口窗口和視口 n“窗口”決定了用戶空間的顯示部分 n“視口”用于顯示用戶窗口的硬設(shè)備的顯示部分 開窗和剪裁 w 轉(zhuǎn)換過程：轉(zhuǎn)換過程：n首先將用戶空間的原點位置移動到(ULX,ULY)，n然后將新坐標(biāo)按硬件空間的單位進行放縮n最后將所得值按新的以(HLX,HLY)為原點的坐標(biāo)系進行換算。n窗口的

44、縱橫比(也就是高度同寬度的比率)必須等于視口的縱橫比，使顯示不變形w 從用戶空間坐標(biāo)從用戶空間坐標(biāo)(X,Y)(X,Y)到硬件坐標(biāo)到硬件坐標(biāo)(X,Y)(X,Y)的的窗口變換可以通過下式得到：窗口變換可以通過下式得到：開窗和剪裁 w 只有位于用戶窗口中的地只有位于用戶窗口中的地圖部分才顯示，位于窗口圖部分才顯示，位于窗口外的地圖部分要剪裁掉外的地圖部分要剪裁掉n柵格模式來說，剪裁操作相對容易：只需要顯示位于硬件窗口內(nèi)柵格位置上的內(nèi)容n對于矢量模式來說，剪裁就要復(fù)雜一些。根據(jù)同用戶窗口的關(guān)系，位于用戶空間中的線段可能有以下三種情況：1)兩端點都位于窗口內(nèi)；2)一個端點位于窗口內(nèi)，另一個在窗口外；3)

45、兩端點都位于窗口外。 開窗和剪裁 w 由于位于窗口之外的空間目標(biāo)同時也一定是位于視由于位于窗口之外的空間目標(biāo)同時也一定是位于視口之外，線段的剪裁就可能有兩種方法口之外，線段的剪裁就可能有兩種方法n1)在端點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成硬件空間坐標(biāo)之前就把位于用戶窗口之外的線段剪裁掉；n2)先把各線段轉(zhuǎn)換成為硬件空間坐標(biāo)，再根據(jù)視口進行剪裁w 顯然前者的轉(zhuǎn)換計算更少因而計算效率更高。顯然前者的轉(zhuǎn)換計算更少因而計算效率更高。w 給定一個多條線段組成的線串可以一次性進行處理，給定一個多條線段組成的線串可以一次性進行處理，先找到其外接矩形，如果外接矩形同窗口無交點，先找到其外接矩形，如果外接矩形同窗口無交點，那么就把這個線串剪裁掉那么就把這個線串剪裁掉( (圖圖6 640)40)。w 如果這個矩形同窗口有交點，則每條線段必須按次如果這個矩形同窗口有交點，則每條線段必須按次序分別處理。序分別處理。 開窗和剪裁 w 位平面方法剪裁線段的算法位平