[GIS原理] 11 地圖信息可視化-可視化的一般原則、空間信息的三維建模、CAD與3DGIS的集成、三維景觀顯示

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【千言萬語不如一張圖】

1. 除邏輯數據、密碼學上講，在日常生活中，語言是一維的，語言適合描述最絕對性、抽象性的意見。用一維性的語言來描述多維環境下的複雜關係時，語言顯得很蒼白
2. 圖的特點可以很好的展示多維的實體或複雜的關係

1 可視化及其意義

1.1 可視化

【什麼是可視化】

1. 目視，看見，望見 --> 主動式
2. 可視化 --> 被動式：使……可被看見

【可視化的基本含義】

1. 是將科學計算中產生的大量非直觀的、抽象的或者不可見的數據，藉助計算機圖形學和圖像處理等技術，以圖形圖像信息的形式，直觀、形象地表達出來，並進行交互處理
2. 可視化體現了交互性、多維性和可視性

【解釋】在專業情況下談的可視化，一定是指在計算機環境下的表達處理

【歷史】

1. 可視化作爲一個專業術語由美國國家基金會在1987年最先提出
2. 從最初的科學計算可視化發展到數據可視化、信息可視化等新的概念，內容進一步拓展

1.2 地理信息可視化

【地理信息可視化】

1. 是以地理信息科學、計算機科學、地圖學、認知科學、信息傳輸學與地理信息系統爲基礎
2. 並通過計算機技術、數字技術、多媒體技術動態，直觀、形象地表現、解釋、傳輸地理空間信息並揭示其規律，
3. 是關於信息表達和傳輸的理論、方法與技術的一門學科

【可視化的方式】

1. 從表現內容上分
   • 地圖（圖形）
   • 多媒體
   • 虛擬現實
2. 從空間維數上來分
   • 二維可視化
   • 三維可視化
   • 多維動態可視化

地圖是地理空間信息可視化的最主要和最常用的形式。

2 空間信息輸出方式與類型

2.1 輸出方式

2.2 地理信息系統產品輸出類型

2.2.1 地圖

地圖自產生起就是可視化的產物。

【地圖】

1. 是空間實體的符號化模型
2. 是地理信息系統產品的主要表現形式， 根據地理實體的空間形態
3. 常用的地圖種類有點位符號圖、線狀符號圖、面狀符號圖、等值線圖、三維立體圖、暈渲圖等

2.2.2 圖像

【圖像】也是空間實體的一種模型

1. 它不採用符號化的方法，而是採用人的直觀視覺變量表示各空間位置實體的質量特徵
2. 它一般將空間範圍劃分爲規則的單元（如格網），然後再根據幾何規則確定的圖像平面的相應位置，用直觀視覺變量表示該單元的特徵

2.2.3 統計圖表

【統計圖表】非空間信息可採用統計圖表表示

1. 統計圖常用的形式有柱狀圖、扇形圖、直方圖、折線圖和散點圖等
2. 統計表格將數據直接表示在表格中，使讀者可直接看到具體數據值

3 可視化的一般原則

3.1 地圖語言的三要素

1. 地圖符號
2. 色彩
3. 文字註記

3.2 視覺變量

【視覺變量】是指能引起視覺差別的最基本的圖形和色彩變化因素，又稱爲【基本圖形變量】；

【最基本的視覺變量】J. Bertin等(法)提出6個最基本的視覺變量：形狀、尺寸、方向、明度、密度和顏色；
我國地圖學者在此基礎上，加上“結構”、“位置”兩個變量

【基本圖形變量】

3.3 可視化的一般原則

3.3.1 符號運用

空間對象以其位置和屬性爲特徵。

• 符號位置
  表示圖上要素的空間位置。
• 視覺變量組合
  顯示圖上要素的屬性信息：定性數據/定量數據。

【視覺變量性質】

1. 形狀
   • 表徵圖上要素類別
   • 表徵了圖上數據之間的數量差別
2. 色相、色值、彩度和圖案
   • 表徵標稱（nominal）或定性（qualitative）數據

【符號運用的原則】

1. 定位準確性
   • 正常情況下保證定位準確
   • 目標衝突情況下優先保證重要目標的定位準確
2. 易讀性
   • 空間對象的屬性可通過視覺變量（形狀、大小、方位、色調、亮度和色度 ）的不同組合來表達;
   • 符號的佈局、組合和紋理直接影響到圖面的易讀性
3. 視覺差異性
   • 視覺上的差異性可以提高符號的分辨能力和識別能力;
   • 符號運用過程中，要儘量使用符號視覺變量的不同組合來提高易讀性;
   • 過多的符號差異會導致圖面的繁雜，不利於符號的識別
4. 絕對數據與派生數據製圖中的符號配置
   • 對原始數據和派生數據的符號配置需要考慮圖形的可比性，如人口數據（絕對數據）與人口密度數據（派生數據）

3.3.2 顏色運用

【色彩的三個屬性】

1. 色相
2. 色值（亮度）
3. 彩度（飽和度）

【色彩運用的原則】

1. 感情色彩
   色彩與人的情感有廣泛的聯繫，而不同民族的文化特點和背景又賦予色彩以各自的含義和象徵。製圖中要充分考慮人的感情色彩和情緒，使得效果更人性化。
2. 習慣用色
   在長期的研究實踐中，製圖人員總結出一系列的習慣用色，有的已約定成俗，有的已形成規範。數據表達中，要充分考慮人們在長期閱圖中形成的習慣和專業背景。
3. 色彩方案
   色彩的配置方案主要是通過色相、色值（亮度）和彩度（飽和度）的綜合運用來表達不同製圖對象的屬性信息。
   【分類】
   • 按色彩：單變量、雙變量、三變量
   • 按變量：定性方案、二元方案、順序（序列）方案、分支方案

3.3.3 註記運用

1. 字體變化：字體在字樣、字形、大小和顏色方面變化多樣。
2. 字體類型 ：在選擇字體類型的時候要考慮可讀性、協調性和傳統習慣性。註記的可讀性必須與協調性相平衡
3. 字體擺放
   【規則】
   • 文字擺放的位置應能顯示其所標識空間要素的位置和範圍。
   • 點狀要素的名稱應放在其點狀符號的右上方。
   • 線狀要素的名稱應以條塊狀與該要素走向平行。
   • 面狀要素的名稱應放在能指明其面積範圍的地方。

3.3.4 圖面配置

【圖面配置】一幅完整的地圖圖面內容包括圖廓、圖名、圖例、比例尺、指北針、製圖時間、座標系統、主圖、副圖、符號、註記、顏色、背景等內容。

【要求】圖面配置應該主題突出、圖面均衡、層次清晰、易於閱讀，以求美觀和邏輯的協調統一而又不失人性化

1. 主題突出
2. 圖面平衡
3. 圖形-背景
4. 視覺層次

【視覺層次】

1. 是指將三維效果或深度引入製圖的視覺設計與開發過程
2. 它根據各個要素在製圖中的作用和重要程度，將製圖要素置於不同的視覺層次中
3. 視覺層次一般可通過插入、再分結構和對比等方式產生

3.3.5 製圖內容的一般安排

【主圖】主圖是地圖圖幅的主體，應占有突出位置及較大的圖面空間。

1. 在區域空間上，要突出主區與鄰區是圖形與背景的關係，增強主圖區域的視覺對比度
2. 主圖的方向一般按慣例定爲上北下南。但在一些特殊情況下，可考慮與正常的南北方向作適當偏離，並配以明確的指向線。
3. 移圖：製圖區域的形狀、地圖比例尺與製圖區域的大小難以協調時，可將主圖的一部分移到圖廓內較爲適宜的區域。
4. 重要地區擴大圖
   • 對於主圖中專題要素密度過高，難以正常顯示專題信息的重要區域，可適當採取擴大圖的形式處理。
   • 擴大圖的表示方法應與主圖一致，可根據實際情況適當增加圖形數量。
   • 擴大圖一般不必標註方向及比例尺

【副圖】是補充說明主圖內容不足的地圖，如主圖位置示意圖、內容補充圖等

【圖名】是展示地圖主題最直觀的形式，應當突出、醒目

1. 作爲圖面整體設計的組成部分，可看成是一種圖形，可以幫助圖面取得更好的整體平衡。
2. 一般可放在圖廓外的北上方，或圖廓內以橫排或豎排的形式放在左上、右上的位置。

【圖例】圖例應儘可能集中在一起，經常都被置於圖面中的某一角。

• 爲避免圖例內容與圖面內容的混淆，被圖例壓蓋的主圖應當縷空。
• 只有當圖例符號數量很大，難以集中安置時，纔可將圖例分成幾部分，並按讀圖習慣，從左到右有序排列。
• 對圖例的位置、大小、圖例符號的排列、密度、註記字體等的調節，對圖面配置的合理與平衡起着重要作用

【比例尺】比例尺有數字式、文字式、線段式這三種表達方式

1. 地圖的比例尺一般被安置在圖名或圖例的下方。
2. 地圖上的比例尺，以直線比例尺的形式最爲有效、實用。
3. 比例尺不是必須的

【統計圖表與文字說明】

1. 對主題的概括與補充比較有效的形式
2. 能充實地圖主題、活躍版面，因此有利於增強視覺平衡效果
3. 在圖面組成中只佔次要地位，數量不可過多，所佔幅面不宜太大

【圖廓】

1. 單幅地圖一般都以圖框作爲製圖的區域範圍。掛圖的外圖廓形狀比較複雜
2. 桌面用圖的圖廓都比較簡練，有的就以兩根內細外粗的平行黑線顯示內外圖廓
   有的在圖廓上表示有經緯度分劃註記，有的爲檢索而設置了縱橫方格的刻度分劃

4 可視化表達形式及其發展

【視覺變量的擴展】屏顯電子地圖：動態符號。
【考慮因素】

1. 發生時長：符號在屏幕上從出現到消失的時間
2. 變化速率：描述符號狀態（方向、明度、顏色等）改變的速度
3. 變化次序：符號及其內部像素變化的先後順序
4. 節奏：是對符號週期性變化規律的描述

4.1 地圖符號的設計與應用

1. 地圖符號屬於表象性符號，以視覺形象指代抽象的地理概念，直觀生動
2. 地圖符號不僅提供符號個體的直接語義信息，而且通過一組相互聯繫的符號提供綜合地理信息

4.2 基礎地理數據的可視化表達

4.2.1 專題地圖數據的一般表示方法

【特點】

1. 內容專一，着重表示一種或幾種自然和社會要素，內容詳細而完備。
2. 專題地圖的內容廣泛，主題多樣，在自然界與人類社會中，除了那些在地表上能見到的和能進行測量的自然現象或人文現象外，還有那些往往不能見到的或不能直接測量的自然現象或人文現象均可以作爲專題地圖的內容。
3. 專題地圖不僅可以表示現象的現狀及其分佈，而且能表示現象的動態變化和發展規律。
4. 常用方法：定點符號法、線狀符號法、質底法、等值線法、定位圖表法、範圍法、點數法、統計圖法和運動線法。

【表現形式】在專題地圖上還常使用柱狀圖表、剖面圖表、玫瑰圖表、塔形圖表、三角形圖表等多種統計圖表，作爲地圖的補充。

4.2.2 基礎地圖數據的一般表示方法

4.3 普通地圖符號的建立方法

1. 矢量符號的建立
2. 柵格符號的建立

4.3.1 矢量符號的建立

4.3.1.1 編程法

1. 對每一個地圖符號或同一類型的一組地圖符號編寫一個繪圖子程序（帶符號參數），建立符號程序庫，以實現地圖目標的符號化
2. 適合於能用數學表達式描述的地圖符號。但程序設計量大，維護更新困難

4.3.1.2 信息塊法

將一個符號離散成一個數字信息塊的方法。符號信息與符號化程序相互獨立。

【圖元法】

1. 對地圖符號進一步細分，將構成符號的規則圖形單元稱爲圖元。用一組圖元的有序集合來描述符號的方法稱爲圖元法。
2. 規定地圖符號的定位點或者起始點爲符號座標系原點，線符號的控制線方向爲X軸。

【圖元的基本類型】點圖元、線圖元和麪圖元三類

1. 點圖元:表示具有規則幾何形態的圖形單元
   包括橢圓形（含圓形、橢圓弧、圓弧）、三角形（含等腰三角形、等邊三角形、直角三角形）、矩形（含正方形）、菱形、扇形、星形、正多邊形。點圖元在符號中不允許發生變形
2. 線圖元
   包括折線、曲線（如Bezier曲線、B樣條曲線）等；
3. 面圖元
   表示用戶自定義的任意多邊形，包括折線型多邊形和曲線型多邊形兩類
   

4.3.2 柵格符號的建立

4.4 立體透視顯示

【立體透視顯示】GIS的立體透視顯示可以實現多種地形的三維表達

【方式】

1. 立體等高線模型
2. 三維線框透視模型
3. 地形三維表面模型

4.5 空間信息的三維建模

4.5.1 LOD模型

【LOD】LOD（levels of detail，LOD）模型

• 所謂LOD模型，是指對同一個場景中的物體採用具有不同細節水平(或稱精細程度)的一系列模型。它廣泛使用於控制場景的複雜程度並加速三維複雜場景的實時可視化描繪中。
• LOD技術是指計算機在生成視景時，根據該物體所在位置離視點距離的大小，分別調入詳細程度不同的模型參與視景的生成。

4.5.2 多分辨率建模方法

1. DEM+正射影像
2. CAD、3DS、3DMAX等精細建模
3. 三維編碼數據+實際影像紋理
4. 二維線劃數據+高度屬性+紋理材質數據庫

4.5.3 CAD與三維GIS的集成

【兩種數據模型】

1. 結構實體幾何模型（CSG）
2. 邊界表達模型(BR)

4.5.3.1 結構實體幾何模型(CSG)

此模型在CAD領域中的應用最爲廣泛

【基本思想】：將預先定義好的簡單形體(通常稱爲體元或體素，如立方體、球、圓柱、圓錐等)通過正則的集合運算(並、交、差)和剛體幾何變換(平移、旋轉)形成一有序的二叉樹(稱CSG樹)，以此表示複雜的幾何形體。

4.5.3.2 邊界表達模型(BR)

理論上能夠建立較大區域範圍內的三維模型

4.5.3.3 意義

1. 城市規劃、建築設計普遍採用CAD生產，CAD數據廣泛可得
2. CAD在三維模型創建與編輯上具有獨特的技術優勢，一些複雜而難於創建、但很實用的地物模型(如城市中的藝術建築、交通導航所使用的航標等)利用CAD系統創建和編輯往往比較方便。

4.6 三維景觀顯示

4.6.1 基於紋理映射技術的地形三維景觀

4.6.2 基於遙感影像的地形三維景觀

4.6.3 基於地物疊加的地形三維景觀

4.6.4 虛擬現實技術

【虛擬現實（Virtual Reality，VR）】

1. 是計算機產生的集視覺、聽覺、觸覺等爲一體的三維虛擬環境，用戶藉助特定裝備（如數據手套、頭盔等）以自然方式與虛擬環境交互作用、相互影響，從而獲得與真實世界等同的感受以及在現實世界中難以經歷的體驗。
2. 隨着三維信息的可得和計算機圖形學技術的發展，地理信息三維表示不僅追求普通屏幕上通過透視投影展示的真實感圖形，而且具有強烈沉浸感的虛擬現實真立體展示日益成爲主流技術之一。

【基本特徵】

1. 交互性（interaction）
2. 沉浸感（immersion）
3. 想象力（imagination）

【技術工具】

1. 立體頭盔
2. 數據手套
3. 數據服

4.6.5 三維動態漫遊

爲了形成動畫，就要事先生成一組連續的圖形序列，並將圖像存儲於計算機中。將事先生成的一系列圖像存儲在一個隔離緩衝區，通過翻頁建立動畫；圖形陣列動畫即位組塊傳送，每幅畫面只是全屏幕圖像的一個矩形塊，顯示每幅畫面只操作一小部分屏幕，較節省內存，可獲得較快的運行時間性能。

4.6.6 增強現實技術與地理信息可視化的結合

【增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)】
混合現實技術，通過電腦技術，將虛擬的信息應用到真實世界，真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

• 增強現實提供了在一般情況下，不同於人類可以感知的信息。它不僅展現了真實世界的信息,而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。
• 在視覺化的增強現實中，用戶利用頭盔顯示器，把真實世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實的世界圍繞着它；