8制圖輸出與空間信息可視化

1、第八章 數(shù)據(jù)輸出與地理信息的可視化 一、數(shù)據(jù)輸出的形式 數(shù)據(jù)的輸出形式可以分為三種： 1、硬拷貝Hardcopy輸出 2、軟拷貝softcopy輸出 3、電子Electronic輸出 1、硬拷貝Hardcopy輸出 硬拷貝輸出是永久性的表現(xiàn)方式。輸出信息被打印在紙上、膠片上或類似的材料上。地圖和表格通常以這種形式輸出。 2、軟拷貝softcopy輸出 軟拷貝輸出是一種能在計算機(jī)屏幕上的觀察的輸出形式。這種輸出可以是黑白的或者彩色的，可以是文字、圖表或者是地圖/圖象。由于這種輸出表現(xiàn)在計算機(jī)屏幕上，能夠隨時從屏幕上擦除，所以，這種輸出是非永久操作和正式硬拷貝之前對數(shù)據(jù)的瀏覽，它允許操作者在形成最

2、終輸出之前對輸出結(jié)果進(jìn)行加工、修飾。 3、電子Electronic輸出 電子輸出包括各種計算機(jī)兼容文件。輸出信息存貯在計算機(jī)磁盤上、磁帶上、光盤以及任何其它計算機(jī)存貯介質(zhì)上。雖然這種信息一般都能被擦除，但是由于它用于把數(shù)據(jù)從一個計算機(jī)系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€計算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行其它更多的分析、處理，并能在那里產(chǎn)生硬拷貝輸出，因此，我們?nèi)哉J(rèn)為這種輸出形式是永久性的。二、數(shù)據(jù)輸出的設(shè)備 對于輸出地圖、表格和圖形、圖像等被人們理解的數(shù)據(jù)的設(shè)備可以分為兩大類：一種是在電子屏幕上顯示出GIS的分析結(jié)果或輸出內(nèi)容，如圖形終端等計算機(jī)屏幕；另一種是在紙張、聚酯薄膜或其它材料上產(chǎn)生永久性圖形或文本數(shù)據(jù)的所有裝置，例如，打

3、印機(jī)、繪圖儀等。此外，對于計算機(jī)兼容輸出形式的設(shè)備通常有磁帶機(jī)、磁盤驅(qū)動器、CD刻盤機(jī)等以及必要的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備。 它們按輸出產(chǎn)品的格式又可分為：柵格輸出和矢量輸出兩類，并且通常與所輸出空間信息的數(shù)據(jù)格式矢量與柵格相對應(yīng)，但柵格輸出設(shè)備可輸出矢量圖形，矢量輸出設(shè)備也可輸出柵格圖形。GIS中輸出設(shè)備與系統(tǒng)的關(guān)系可用以下圖來描述。矢量數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換DTM數(shù)據(jù)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)TIN結(jié)構(gòu)制圖模塊信息輸出模塊電子屏幕顯示矢量類繪圖儀柵格類繪圖儀膠片磁帶其它媒體 GIS中數(shù)據(jù)輸出設(shè)備與數(shù)據(jù)的聯(lián)結(jié)郭達(dá)志，1997輸出設(shè)備1、圖形顯示器 圖形顯示器是GIS制圖過程中不可缺少的外圍設(shè)備，在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處

4、理和數(shù)據(jù)輸出中都起著十分重要的作用。 圖形顯示器包括隨機(jī)掃描顯示器，存貯管顯示器和光柵掃描顯示器三種類型。前二種顯示器只能和繪圖儀一樣用畫線條的方式顯示圖形的輪廓線，圖形真實(shí)感不強(qiáng)。而光柵掃描顯示器不僅能顯示一般的圖形，而且能顯示具有多級灰度和多種色彩的圖像，這就使得輸出具有事實(shí)立體感的圖形成為可能。 目前，計算機(jī)配置的圖形顯示器為光柵顯示器。 光柵圖形顯示器工作流程幀緩沖存貯器視頻接口主機(jī)接口顯示處理機(jī)控制器CRT 2、行式打印機(jī) 最簡單的柵格輸出設(shè)備是行式打印機(jī)。行式打印機(jī)制圖就是根據(jù)計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)，利用程序設(shè)置打印機(jī)上的符號，編排好打印的位置或重疊打印一些數(shù)字、符號和它們的組合，以制作

5、分級統(tǒng)計圖或類型圖。 這種打印機(jī)輸出的地圖雖然不精致，但可顯示制圖內(nèi)容的地理分布，以及在利用專門繪圖儀制圖之前，提供概略的樣圖。假設(shè)打印機(jī)采用24針打印頭和多色色帶，還能以肉眼難以分辨的針點(diǎn)輸出精度要求不高的圖形，如示意圖、函數(shù)曲線圖等。 3、高分辨率陣列打印機(jī) 使用靜電復(fù)印原理的陣列打印機(jī)可在每英寸上打印出400個點(diǎn)即400DPI,dots per inch甚至更高，即以超過點(diǎn)/mm的高分辨率輸出圖形或圖像。這種打印機(jī)由兩個根本局部組成：紙張輸送機(jī)和安置細(xì)針的橫架，每個細(xì)針彼此靠得很近又能單獨(dú)操作。 這種打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是速度快，一幅40cm60cm的地形圖在筆式矢量繪圖儀上輸出需要30分鐘以上

6、，而在陣列打印機(jī)上僅需30秒，而且與地圖的復(fù)雜程度無關(guān)。 4、筆式繪圖儀 這是一種矢量類圖形繪圖儀，有平臺式和滾筒式兩種。 平臺式繪圖儀由放置圖紙的平面，x, y方向獨(dú)立移動的筆架等組成，而滾筒式繪圖儀用在y方向轉(zhuǎn)動的滾筒代替了平面。 在筆式繪圖儀中，所有的信息都由一系列“繪出線段這類命令繪出，即“把筆移動x,y點(diǎn)、“落筆、“換筆、“抬筆、“從x1,y1點(diǎn)繪到x2,y2點(diǎn)等命令。筆的移動值可以是絕對坐標(biāo)，也可以是坐標(biāo)增量。 筆式繪圖儀的靈活性和繪圖速度在很大程度上取決于繪圖軟件，即繪制字母和符號等復(fù)雜圖形的程序功能。一般來說，繪圖儀內(nèi)部存貯器中包括了預(yù)置的根本命令、印刷體字符和一些通用符號。制

7、圖程序只要調(diào)用這些命令就能完成復(fù)雜的圖形繪制。 這類繪圖儀一般都具有較好的定位精度、重復(fù)精度和動態(tài)精度，根本能滿足各種圖形繪制的精度要求，而且價格低，消耗品本錢低，適用于矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖形的輸出，其最大缺點(diǎn)是速度慢。5、掃描繪圖儀和噴墨繪圖儀 這兩種繪圖儀都屬于柵格類圖形、圖像輸出設(shè)備。 掃描繪圖儀用于制作膠片。它把光源聚焦于承片滾筒的面上，并逐點(diǎn)曝光，曝光量由像元的值來控制。掃描滾筒高速旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一周步進(jìn)一定距離，如25m。曝光量分為256級，對應(yīng)于像元的256個灰度級。這種掃描繪圖儀輸出的柵格數(shù)據(jù)的彩色或黑白圖像具有很高的分辨率，輸出結(jié)果可與高質(zhì)量相機(jī)媲美，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高。 噴墨繪圖儀

8、的構(gòu)造與掃描繪圖儀相似，但它不是用光束在感光膠片上曝光，而是由噴頭中的墨水通過加熱汽化，或壓電陶瓷產(chǎn)生的壓力，把墨水噴出噴嘴，印到圖紙上形成圖象。目前，既有單噴頭的黑白噴墨繪圖儀；還有雙噴頭、四噴頭的彩色噴墨儀。這種繪圖儀隨著技術(shù)開展的成熟，價格不斷下降；加上它速度快，繪圖質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，正在替代筆式繪圖儀。 除以上的輸出設(shè)備以外，還有許多種硬拷貝機(jī)可將柵格圖形或圖像復(fù)制成硬拷貝，如激光打印機(jī)、攝影硬拷貝機(jī)等，也是一種快速、經(jīng)濟(jì)的圖形輸出設(shè)備，但輸出圖幅較小，因而較少使用。三、地圖制作的根本要求 一般的GIS軟件都具有很強(qiáng)的輸出功能，具備計算機(jī)地圖制圖的各種工具，如符號庫、注記等，特別是很強(qiáng)的以

9、人機(jī)交互方式提供的圖面整飾能力，有的系統(tǒng)還提供制圖綜合的功能。用戶利用這些功能，可以得到信息豐富、表達(dá)完整、視覺效果好的輸出圖。 系統(tǒng)能提供的圖面整飾功能一般包括如下內(nèi)容： 圖面布置 用來確定圖框、圖名、比例尺、經(jīng)緯網(wǎng)以及圖例的位置。通常圖名置于圖的上方，圖例置于圖的右下側(cè)，說明置于圖的下方等等。 圖例的創(chuàng)立與修改 其中包括圖例尺寸確實(shí)定和位置的選擇。 符號的填充 圖斑的填充通常有兩種方式，一種是根據(jù)圖斑填充圖例；另一種是根據(jù)圖例填充圖斑，其填充內(nèi)容可包括含點(diǎn)狀符號，線狀符號填充。 文字注記 包括字型、字尺寸、間隔、方向等參數(shù)的選擇，文字注記整飾常包含有根本文字編輯功能。 制圖綜合功能就是根據(jù)

10、所制圖件的特征、主題、用途、比例尺等因素，對它們之間進(jìn)行內(nèi)在關(guān)系的分析，從面對某些要素進(jìn)行舍去和概括，使圖件反映重要問題的本質(zhì)現(xiàn)象，舍去非本質(zhì)的現(xiàn)象。 隨著地理信息系統(tǒng)用途的擴(kuò)大，人們越來越感到制圖綜合功能的重要，從而在某些商品化系統(tǒng)中出現(xiàn)了制圖綜合模塊。 利用GIS的制圖功能制作地圖時的根本的要求 實(shí)際上，對于地圖制作，制圖學(xué)具有很嚴(yán)格的要求，這里僅對一些最作些說明。 1、顏色 由于顏色能夠影響地圖所承受信息對用戶的感染力，所以，進(jìn)行地圖輸出時必須認(rèn)真選擇調(diào)配顏色。一般小面積的圖斑用鮮艷的顏色，可以引起用戶更多的注意；大面積的圖斑用柔和的顏色，可使之與圖面背景色相協(xié)調(diào)。 2、位置 地圖總是要

11、標(biāo)明位置例如：位置的名稱、省、國家。如有可能，應(yīng)標(biāo)出坐標(biāo)格網(wǎng)。說明所用的坐標(biāo)系統(tǒng)類型及其所有細(xì)節(jié)。 3、比例尺 地圖必須附帶有比例尺，否那么就無法讀圖。比例尺可以是數(shù)值型的例如：比例尺1：100000，也可以是棒式的。 4、方向標(biāo) 精確的定向，對于正確地閱讀地圖來說是必不可少的。沒有定向的地圖難以使用。因此，在地圖輸出產(chǎn)品上需要制作方向標(biāo)。 5、圖名和圖例 圖名一般不應(yīng)太長，并應(yīng)清楚地顯示在圖上顯要的地方。同時，地圖必須附有正確的圖例。如果圖例很復(fù)雜，可以把圖例與地圖本身別離開來。在這種情況下，圖例上的符號應(yīng)該同時標(biāo)在地圖上和標(biāo)在分開來的圖例內(nèi)。 6、其余的信息 在圖上應(yīng)寫出制圖單位、制圖日期

12、。如有必要，也可指明所用資料的來源例如：衛(wèi)星圖象的軌道號和景序號、成象日期；航空象片的類型、比例尺、日期；地形圖的比例尺和日期；等等。四、電子地圖 近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)和微電子技術(shù)的開展和應(yīng)用，傳統(tǒng)地圖的表現(xiàn)形式和記錄方式已逐漸失去它昔日的壟斷地位，一種新的表現(xiàn)形式-電子地圖正日益引起人們的關(guān)注，成為GIS的重要的輸出形式。 電子地圖是以地圖數(shù)據(jù)庫為根底，以數(shù)字形式存貯于計算機(jī)外貯器上，并能在電子屏幕上實(shí)時顯示的可視地圖，又稱“屏幕地圖或“瞬時地圖。 與傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖相比較，電子地圖仍然保存了許多傳統(tǒng)地圖的特征，例如數(shù)學(xué)根底、符號、色彩、圖式和圖例等，根本制圖原理也相同。 所不同的

13、是電子地圖的生產(chǎn)技術(shù)包括局部的表示方法和存儲介質(zhì)發(fā)生了根本的改變。 電子地圖的載體可以是軟盤、硬盤、光盤、磁帶等。 電子地圖的主要優(yōu)點(diǎn)在于： 1電子地圖數(shù)據(jù)庫可包括圖形、圖像、文檔、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等多種形式，也可與視頻、音頻信號相連，數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)量的可擴(kuò)展比較強(qiáng)； 2電子地圖的檢索十分方便，多種數(shù)據(jù)類型、多個窗口可以在同一屏幕上分層、實(shí)時地進(jìn)行動態(tài)顯示，具有廣泛的可操縱性，用戶界面十分友好； 3信息的存貯、更新以及通訊方式較為簡便、便于攜帶和交流； 4可以進(jìn)行動態(tài)模擬，便于定性與定量分析，具有較強(qiáng)的靈活性，為地圖及其相關(guān)信息深層次的應(yīng)用打下了堅實(shí)的根底； 5可縮短大型序列地圖集的生產(chǎn)周期和更新周期

14、，降低生產(chǎn)本錢； 6與輸出設(shè)備相連，可將電子地圖上的多種信息制成硬拷貝。 電子地圖主要應(yīng)用于政府宏觀管理、科學(xué)研究、規(guī)劃、預(yù)測、群眾傳播媒介、信息效勞等領(lǐng)域。另外，它與全球定位系統(tǒng)GPS相結(jié)合，在航天、航空領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及汽車導(dǎo)行中也發(fā)揮著十分廣泛的作用。 目前，在國際上影響較大的電子地圖有美國世界影像電子地圖集、加拿大國家電子地圖集。在美國、英國、日本等國用于政府高層宏觀決策與信息效勞的電子屏幕顯示系統(tǒng)中均有大量的電子地圖。 隨著開展，眾多的地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用成果也都以電子地圖的形式來展示。 目前，在電子地圖系統(tǒng)方面的研究與應(yīng)用在我國也取得了一定的成果。 空間信息的可視化是現(xiàn)有計算機(jī)可視化

15、技術(shù)的具體應(yīng)用，以地理環(huán)境為依托，透過視覺效果，探討空間信息所反映的規(guī)律知識是其真正目的。下文由北京大學(xué)空間信息科學(xué)與技術(shù)系孫敏博士執(zhí)筆，介紹該技術(shù)的概念與應(yīng)用。 一、根本概念： 可視化(Visualization)是指在人腦中形成對某物某人的圖像，是一個心理處理過程，促使對事物的觀察力及建立概念等?？茖W(xué)計算可視化是通過研制計算機(jī)工具、技術(shù)和系統(tǒng)，把實(shí)驗(yàn)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(jī)圖形圖像，從而可進(jìn)行數(shù)據(jù)探索和分析。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(dá)對地理世界現(xiàn)象與規(guī)律的認(rèn)識和理解?？茖W(xué)計

16、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)計算可視化是基于計算機(jī)開發(fā)的工具、技術(shù)和系統(tǒng)，而過去地學(xué)中的可視表達(dá)和分析是手工或機(jī)助的(計算機(jī)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?科學(xué)計算可視化，自從80年代末提出以后，得到了迅速的開展并成為一個新興的學(xué)科。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(jī)器圖形協(xié)會(ACM SIGGRAPH)合作，開始一個名為“Carto-Project的研究工程，其目的是探索計算機(jī)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(jìn)科學(xué)計算可視化與地圖可視化的連接和交流。從不同的角度提出了與可

17、視化密切相關(guān)的地圖可視化、地理可視化、GIS可視化、探析地圖學(xué)(Exploratory Cartography)、地學(xué)多維圖解、虛擬地理環(huán)境等概念。 GIS的多維可視化是指采用維、三維和四維等地圖表現(xiàn)形式來反映地理客體的多維特征，其中維形式是圖面上有隱藏部位的鳥瞰式地圖表現(xiàn)形式，又稱“假三維，例如表示礦床的面層，可用顯示為同分異狀的等值線或不規(guī)那么三角網(wǎng)中的小塊平面來表示，而面上的高程值都不是一個獨(dú)立的變量，在任一給定的位置僅能用一個高程值表示一個面。 三維形式那么是真正的三維立體顯示，三維技術(shù)可分為基于面表示和基于體表示，其中面表示可容易地為地層及其構(gòu)造提供精確的空間描述，特別是構(gòu)造復(fù)雜的地

18、帶或巖石斷層處，然而這些面僅將地外表以下局部分成許多區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的不同地質(zhì)條件不容易描述；體表示將整體細(xì)分成大量的體元Voxels，體元及其變異的一個主要的優(yōu)點(diǎn)是易于表示異質(zhì)特征的整個三維分布狀況。 四維是除了三維立體以外，再增加一維屬性值一般是時間維，GIS的時間查詢能力目前還不常見，但是地理學(xué)家可能想對某一時刻的所有地理?xiàng)l件或某一時間段內(nèi)的平均地理?xiàng)l件進(jìn)行評價，這時，就需要獲得不同時刻的數(shù)值。為了充分滿足這種需要，時間數(shù)據(jù)獲取能力應(yīng)該與三維模型相結(jié)合，如分析并預(yù)報水災(zāi)、地震、暴風(fēng)雨及滑坡等。 地理信息的多維可視化在地球科學(xué)中具有重要意義，它對于虛擬化研究、再現(xiàn)和預(yù)測地學(xué)現(xiàn)象，都有突出的方

19、法論意義。例如，在地質(zhì)科學(xué)中用真三維反映地下礦體、礦脈如含油體、含水體、金屬礦脈等，能夠幫助人們發(fā)現(xiàn)用常規(guī)手段難以發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象和礦藏；在大氣科學(xué)中用四維真三維加時間維形式表示氣旋、龍卷風(fēng)、降水云系的發(fā)生、開展和演化過程；在地理學(xué)中用四維方式模擬整個河床內(nèi)洪水的流動、漲落、對河堤的侵蝕，以及決堤后封決口時的水下狀況，等等，都具有十分重要的科學(xué)價值和明顯的實(shí)用意義 二、地學(xué)可視化的類型 1、地圖可視化 可視化對現(xiàn)代地圖學(xué)的開展有著極其重要的作用。Taylor強(qiáng)調(diào)了計算機(jī)技術(shù)根底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。MacEachren那么強(qiáng)調(diào)交流與可視化在地圖學(xué)中的應(yīng)用，而不是地圖

20、的技術(shù)制作，并把可視化與交流作為并列的兩個要素。 由于可視化的兩個特點(diǎn)，即交流與認(rèn)知分析，從而對現(xiàn)代地圖學(xué)的理論和方法產(chǎn)生影響。以下圖表示了地圖可視化的概念框架。 地圖可視化的概念框架 由于可視化具有交流與認(rèn)知分析的兩個特點(diǎn)，從而使信息表達(dá)交流模型與地理視覺認(rèn)知決策模型構(gòu)成了地圖可視化的理論，而這兩個模型將應(yīng)用于計算機(jī)技術(shù)支持的虛擬地圖、動態(tài)地圖、交互交融地圖以及超地圖的制作和應(yīng)用等。 虛擬地圖指計算機(jī)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(shí)物地圖具有靜態(tài)永久性。虛擬地圖和人的心智圖像相互聯(lián)系與作用的原理和過程，同傳統(tǒng)

21、的實(shí)物地圖是不一樣的，需要建立新的理論和方法。 動態(tài)地圖是由于地學(xué)數(shù)據(jù)存貯于計算機(jī)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(dá)結(jié)果，或者地學(xué)現(xiàn)象隨時間演變的過程等等。由于地圖的動態(tài)性，地學(xué)現(xiàn)象的表達(dá)在時間維上展開。所以，傳統(tǒng)的關(guān)于紙質(zhì)靜態(tài)地圖的符號制作、符號注記等制作理論和方法在動態(tài)時不再完全適合。另外，人又是如何認(rèn)知分析動態(tài)的信息流等需要進(jìn)一步的探討和深入研究。 交互交融地圖是指人與地圖可進(jìn)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

22、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)系和反響狀態(tài)。交融地圖，是人與地圖的融合程度，也就是人在虛擬地圖中的投入感和沉浸感(Immersion)。 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(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的導(dǎo)航，這與超文本的概念相對應(yīng)。超地圖提出了萬維網(wǎng)上如何組織空間數(shù)據(jù)并與其它超數(shù)據(jù)(如文本、圖像、聲音、動畫等)相聯(lián)系的問題。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。 2、地理可視化 地理可視化是地學(xué)可視化中另一個被使用的概念。MacEachren開始時采用地圖可視化，但他認(rèn)為地理可視化要大于地圖可視化的研究范圍，如遙感圖像、圖表、攝影影像等中的可視化在地圖可視化中并不作為重點(diǎn)研究的對象。所以，目前他傾向于采用地理可視化，認(rèn)為它包含了所有空間顯示工具，而這些所有空間顯示的集合就是現(xiàn)代地圖學(xué)中所指的可視化。 可視化作為地理研究工具的框架描述 3、 GIS可視化 從80年代末以來，