第八章地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品的輸出設(shè)計

1、v1、GIS產(chǎn)品及其類型v按輸出的載體類型分類v常規(guī)地圖(紙張地圖) 指印刷在紙張、塑料薄膜等材質(zhì)載體上的地圖，是地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品的重要輸出形式。它主要是以線劃、顏色、符號和注記等表示地形地物。v數(shù)字地圖：以計算機為存儲和顯示載體的地圖形式v數(shù)字地圖的核心是以數(shù)字形式來記錄和存儲地圖。與常規(guī)地圖相比，數(shù)字地圖有以下幾個優(yōu)點:(1) 數(shù)字地圖的存儲介質(zhì)是計算機磁盤、磁帶等，與紙張相比，其信息存儲量大、體積小，易攜帶。(2) 數(shù)字地圖是以計算機可以識別的數(shù)字代碼系統(tǒng)反映各類地理特征，可以在計算機軟件的支持下借助高分辨率的顯示器實現(xiàn)地圖的顯示。(3) 數(shù)字地圖便于與遙感信息和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)

2、地圖的快速更新，同時也便于多層次信息的復(fù)合分析。電子地圖電子地圖v按輸出的內(nèi)容和形式分類vl全要素地形圖全要素地形圖的內(nèi)容包括水系、地貌、植被、居民地、交通、境界、獨立地物等。它們具有統(tǒng)一的大地控制、統(tǒng)一的地圖投影和分幅編號，統(tǒng)一的比例尺系統(tǒng)(1：l萬、1：2.5萬、1：5萬、1：10萬、1：25萬、1：50萬、1：100萬)，統(tǒng)一的編制規(guī)范和圖式符號，屬于國家基本比例尺地形圖(圖8-1)。它們是編制各類專題地圖的基礎(chǔ)。 v2各類專題圖專題圖是突出表示一種或幾種自然或社會經(jīng)濟現(xiàn)象的地圖。它主要由地理基礎(chǔ)和專題內(nèi)容兩部分組成。從專題圖內(nèi)容或要素的顯示特征來看，一般包括空間分布、時間變異以及數(shù)量、

3、質(zhì)量特征三個方面。v專題圖按照空間分布的點狀、線狀和面狀分布大致有以下的一些表示方法:定點符號法、線狀符號法、質(zhì)別底色法、等值線法、定位圖表法、范圍法、點值法、分級比值法、分區(qū)圖表法和動線法等(圖8-2)。 v3遙感影像地圖隨著遙感技術(shù)，特別是航天遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像地圖以成為地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品的一種表達形式。v遙感可以提供及時、準確、綜合和大范圍的各種資源與環(huán)境數(shù)據(jù)，成為地理信息系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)源之一。v同時，在將遙感圖像進行糾正的基礎(chǔ)上，按照一定的數(shù)學(xué)法則，運用特定的地圖符號，結(jié)合表示地面特征的地圖，可以將遙感圖像編制成遙感影像地圖。v遙感影像地圖具有遙感圖象和地形圖的雙重優(yōu)點。既包含了遙感

4、圖像的豐富信息內(nèi)容，又保證了地形圖的整飾和幾何精度。v遙感影像地圖按其內(nèi)容又可分為普通影像地圖和專題影像地圖。兩者的主要區(qū)別在于:前者表示包括等高線等地形內(nèi)容要素，后者主要反映專題內(nèi)容。 v4統(tǒng)計圖表與數(shù)據(jù)報表在地理信息系統(tǒng)中，屬性數(shù)據(jù)大約占數(shù)據(jù)量的80%左右。它們是以關(guān)系（表）的形式存在的，反映了地理對象的特征、性質(zhì)等屬性。屬性數(shù)據(jù)的表示方法，可以采用前面所列的專題圖的形式，同時還可以直接用統(tǒng)計圖表和數(shù)據(jù)報表的形式加以直觀表示。 v二、網(wǎng)絡(luò)地圖和數(shù)字地球v1998年1月，美國副總統(tǒng)戈爾在加州科學(xué)中心做了題為數(shù)字地球的演講。之后，數(shù)字地球引起了各國各部門以及眾多專家學(xué)者的極大關(guān)注。戈爾認為，數(shù)

5、字地球是一種能嵌入海量數(shù)據(jù)的多分辨率的真實地球的三維描述。由此可看出，數(shù)字地球的核心思想有兩點:一是用數(shù)字化手段統(tǒng)一處理地球問題;二是最大限度地利用信息資源。可以說，用數(shù)字形式表達的真實地球的圖形，即數(shù)字地圖無疑將成為數(shù)字地球的基礎(chǔ)。 v1. 圖形坐標系統(tǒng)(l)地球表面的世界坐標系與大地坐標系。v世界坐標系(world coordinates，簡稱WC)，有時也稱為用戶坐標系。一般由用戶自己選定，與機器設(shè)備無關(guān)。圖形入庫時所依據(jù)的就是這種坐標系。由于圖形輸出是面向用戶的，因此圖形輸出時應(yīng)當(dāng)仍然采用用戶所使用的坐標系。用戶坐標空間一般為實數(shù)域，理論上是連續(xù)的，無限的。作業(yè)區(qū)的左下角的坐標值通常為

6、非零值。v我國1:50萬和更大比例尺地形圖采用的高斯克呂格投影坐標系、小比例尺地圖所采用的各種特定的投影坐標系、某些沒有經(jīng)緯網(wǎng)控制的地區(qū)圖幅的局部坐標系等均是用戶坐標系。 v大地坐標系(geoetic coordinates)是地理坐標系的一種。大地原點是大地坐標的起算點，一般由國家或地區(qū)選定。大地坐標采用由大地測量方法決定的大地緯度(B)和大地經(jīng)度(L)。v我國從1954年起選定北京某點為坐標原點，用精密天文觀測的方法測定該點的天文緯度、天文經(jīng)度和該點到附近另一點的天文方位角，并把它們分別視為該點的大地緯度、大地經(jīng)度 和大地方位角。其他地方所有控制點的坐標，均由北京原點為起始點測算，這種平面

7、坐標系統(tǒng)，稱為l954年北京坐標系。1980年改為在陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)設(shè)立新的大地原點，根據(jù)該點推得的坐標，定名為1980年大地坐標系。 v(2) 輸出設(shè)備的物理坐標系與邏輯坐標系。v在設(shè)計、描述圖形對象時，用戶使用的是對象所在的世界坐標系(用戶坐標系)，在輸出時，往往便用與設(shè)備物理參數(shù)有關(guān)的設(shè)備坐標系(device coordinates，簡稱DC)。設(shè)備坐標系是物理設(shè)備的輸入/輸出門(I/O)空間。因此，設(shè)備坐標系又稱為物理坐標系。v每一種圖形設(shè)備都有其獨有的坐標系，如圖形顯示器使用熒屏坐標系，其坐標原點大都在左上角;繪圖機使用繪圖坐標系，其坐標原點在板面的左下角等。 v早期的圖形程序(或

8、軟件包)大多是在世界坐標系(用戶坐標系)上繪圖，然后直接映射到設(shè)備坐標空間(DC)顯示輸出，這就給設(shè)備的更換和軟件的移植帶來許多不便。v為此，在世界坐標系(WC)和設(shè)備坐標系(DC)之間定義了一個與設(shè)備無關(guān)的規(guī)范化設(shè)備坐標系(normalized device coordinates，簡稱NDC)。這種坐標系的每一維坐標的取值范圍可以為0，1，也可以是0到65535之間的整數(shù)。為了與物理坐標系相區(qū)別，這種坐標系又可稱為邏輯坐標系。 2. 顏色模型與顏色空間 v RGB 三原色疊加后的混合色，工業(yè)界的一種顏色標準，目前運用最廣的顏色系統(tǒng)之一。Red(紅) : Green(綠) : Blue(藍)

9、v CMY / CMYK 用于彩色印刷Cyan(青) : Magenta (品紅) : Yellow(黃) : blacK ( 黑)RGBv 任意色光 Fr R + g G + b B v RGB色彩空間可用一個三維立方體來描述:CMY / CMYKv從白光中減去某種顏色后的顏色v彩色印刷中使用一些能夠吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或顏料vCMY空間與RGB空間互補v在印刷術(shù)中常加一種真正的黑色,故CMY又寫成CMYK綠青藍品紅黑黃減藍減綠減紅v3地理信息系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫 P228v(1) 二維矢量圖形結(jié)構(gòu) v(2) 柵格圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)v2.2 輸出的幾何變換輸出的幾何變換 在地理信

10、息系統(tǒng)的輸出過程中，如何實現(xiàn)從用戶坐標系到熒屏坐標系的變換，這就涉及到幾何變換問題。在此分別給出二維圖形和三維圖形的主要變換類型及其變換矩陣，以及我國常用地圖投影的正反解變換公式。 v1. 二維圖形變換二維圖形的變換類型主要包括比例、旋轉(zhuǎn)、平移、鏡像、觀察變換等。(1)比例變換。比例變換就是將平面上任意一點(x，y)的橫坐標放大或縮小s11倍，縱坐標放大或縮小s22倍。v(2) 旋轉(zhuǎn)變換。旋轉(zhuǎn)變換就是將平面上任意一點繞原點旋轉(zhuǎn)角，一般規(guī)定逆時針方向為正，順時針方向為負。 v(3) 平移變換。平移變換是將平面上任意一點沿x方向移動tx，沿y方向移動ty， v(4) 鏡像變換。鏡像變換就是將平面上

11、的三維圖形繞一直線ax+by+c=0作對稱變換。v(5) 觀察變換。觀察變換就是把用戶坐標系中指定窗口內(nèi)的圖形映射到熒屏上的視圖區(qū)的過程。通過修改窗口的位置和大小，就可以實現(xiàn)對畫面的漫游和縮放。 二維圖形的幾何變換v 比例變換 SCALEv 旋轉(zhuǎn) ROTATEv 平移 MOVEv 鏡像 MIRRORv 觀察變換 PAN, ZOOMv2. 地圖投影變換在地理信息系統(tǒng)中，各種地圖圖形的輸出是其產(chǎn)品的主要表現(xiàn)形式。比例尺、投影和圖例是地圖必須具備的三項基本要素。所謂地圖投影，就是建立平面上的點(用平面直角坐標或極坐標表示)和地球表面上的點(用緯度和經(jīng)度表示)之間的函數(shù)關(guān)系，用數(shù)學(xué)式表達這種關(guān)系，就是

12、地圖投影變換就是從一種地圖投影變換為另一種地圖投影。其實質(zhì)是建立兩平面場之間及鄰域雙向連續(xù)點的一一對應(yīng)的關(guān)系。下面介紹地圖投影的類型和常用投影的正反解計算。 v地圖投影類型。地圖投影基本上可以依外在的特征和內(nèi)在的性質(zhì)進行分類。前者體現(xiàn)投影平面上經(jīng)緯線投影的形狀，具有明顯的直觀性;后者則是投影變形的實質(zhì)。首先按照經(jīng)緯線形狀來分類，P230v其次，按照變形特征來分類 P230v在我國，國家基本比例尺系列地形圖（1：l萬至1：50萬）采用全球統(tǒng)一分帶的高斯-克呂格投影，1:100萬則采用正軌等角割圓錐投影(Lambert投影)，大部分省區(qū)圖以及大多數(shù)這一比例尺的地圖也采用了這一投影，少部分采用了斜軸

13、等距離方位投影，中國全圖多采用斜軸方位投影。 v(2) 常用投影的正反解計算。在地理信息系統(tǒng)中，常需要將一種地圖投影的坐標變換為另一種地圖投影的坐標。投影變換通常采用三種方法:解析變換法; 數(shù)值變換法; 數(shù)值-解析變換法。解析方法分為兩種情況，即反解和正解。當(dāng)需要將原圖投影的直角坐標反算到地理坐標時，最常用的就是反解方法。而把地理坐標代入新圖投影的公式，求得新圖投影的直角坐標，即為正解。 v2.3 地形圖與專題圖的輸出組織形式地形圖與專題圖的輸出組織形式1. 透明圖層與影像圖層計算機中的地圖通常以圖層進行組織，每一圖層包含地圖的一個不同部分。地圖中的各種要素，如境界線、交通線、居民地等等，常放

14、在不同圖層中。圖層是透明的，各圖層疊加在一起構(gòu)成完整的一幅地圖。v例如，第一個圖層包含國家界線，第二個圖層有表示各省會城市的符號，第三個圖層由文本標注組成。將這些透明的圖層疊加在一起就建立了一幅完整的地圖。利用透明圖層可以實現(xiàn)GlS數(shù)據(jù)的制作和管理，同時又不影響地圖輸出。MapInfo中利用layer表示圖層;ARC/INFO中是用Coverage表示圖層的。遙感影像也可以作為圖層進行組織。同一幅地圖的遙感影像經(jīng)圖像配準后，可以與矢量圖層進行疊合。v2. 專題圖的符號系統(tǒng)專題圖的符號位置取決于實體位置，形狀取決于實體的質(zhì)最或數(shù)最特征。專題圖的符號可以分為點位符號、線狀符號和面狀符號。v(1)

15、點位符號。點位符號包括簡單符號、結(jié)構(gòu)符號、擴展符號和統(tǒng)計符號圖（8-7)，根據(jù)制作方式又分為象形符號和規(guī)則符號。象形符號采用連接散點或信息塊的方法。規(guī)則圖形符號通?？梢酝ㄟ^折線和圓弧連接而成，這些折線和圓弧可以用解析幾何的數(shù)學(xué)規(guī)則計算出參數(shù)。 v(2)線狀符號。鐵路、公路、界線、堤壩等線狀地物都采用線狀符號表示(圖8-9)，其特點是在兩個點間除了趨勢性的各種線劃外，中間還有其他一些符號，這些線狀符號可以用一組數(shù)學(xué)表達式描述 v(3) 面狀符號。面狀符號一般由暈線、簡單圖形或象形圖形作為填充符號，在制圖區(qū)域的多邊形內(nèi)按一定方式配置組合而成。其中，暈線是面狀符號的主要形式之一，因為由暈線組成的面狀

16、符號可以由不同方向、密度、強度和結(jié)構(gòu)的暈線構(gòu)成豐富多彩的圖形，對于表示制圖物體或現(xiàn)象的類別和數(shù)量特征具有很強的表現(xiàn)力。 v地圖注記的種類v注記的字體、字級和顏色v注記的排列和配置 地圖注記地圖上的注記可分為名稱注記、說明注記和數(shù)字注記三種。1）名稱注記 說明各種事物的專有名稱，如居民點名稱；2）說明注記 用來說明各種事物的種類、性質(zhì)或特征，用于補充圖形符號的不足，它常用簡注表示；3）數(shù)字注記 用來說明某些事物的數(shù)量特征，如高程等。 地圖注記的種類地圖上常用不同的字體表示不同的事物，常用的字體有宋體、等線體、仿宋體和橫線體；地圖上注記尺寸的大小，以照相排字機注明的規(guī)格為標準，在一幅圖上，按照事物

17、的重要程度和意義，采用不同的字級，以便使注記大小與圖形符號相對應(yīng)；注記的顏色只有色相的變化，顏色的選用要與注記所表示的事物類別相聯(lián)系。注記的字體、字級和顏色v 漢字注記通常有水平字列、垂直字列、雁形字列（注記的字向指向北方或圖廓上方）和屈曲字列（注記的字向與注記文字中心線垂直或平行）等等。v注記配置的基本原則是不應(yīng)該使注記壓蓋圖上的重要部分。v 注記應(yīng)與其所說明的事物關(guān)系明確。注記的排列和配置 注記的排列和配置 圖面設(shè)計包括圖名、比例尺、圖例、插圖（或附圖）、文字說明和圖廓整飾等。v圖名：專題地圖的圖名要求簡明圖幅的主題，一般安放在圖幅上方中央。字體要與圖幅大小相稱，以等線體或美術(shù)體為主。v比

18、例尺：比例尺有兩種表示方法：一是用文字（如一比四百萬）或數(shù)字（如1：4000000）表示；二是用圖解比例尺表示。比例尺一般放在圖例的下方，也可放置在圖廓外下方中央或圖廓內(nèi)上方圖名下處。 地圖圖幅整飾v圖例：圖例：圖例符號是專題內(nèi)容的表現(xiàn)形式，圖例中符號的內(nèi)容、尺寸和色彩應(yīng)與圖內(nèi)一致，多半放在圖的下方。v附圖：附圖：附圖是指主圖外加繪的圖件，在專題地圖中，它的作用主要是補充主圖的不足。專題地圖中的附圖，包括重點地區(qū)擴大圖、內(nèi)容補充圖、主圖位置示意圖、圖表等。附圖放置的位置應(yīng)靈活。v文字說明：文字說明：專題地圖的文字說明和統(tǒng)計數(shù)字，要求簡單扼要，一般安排在圖例中或圖中空隙處。其他有關(guān)的附注也應(yīng)包括

19、在文字說明中。 地圖圖幅整飾5.2地圖排版布局地圖排版布局第三節(jié) GIS的可視化與虛擬現(xiàn)實v空間信息的三維建?？臻g信息的三維建模v三維的GIS中空間三維信息的直接獲取是一件非常困難的事情，盡管攝影測量與遙感和計算機視覺等領(lǐng)域在多源影像數(shù)據(jù)利用和自動三維重建方面取得了長足進步，特別是激光掃描技術(shù)、干涉雷達測量技術(shù)和高分辨率衛(wèi)星圖像技術(shù)等的應(yīng)用，為大范圍三維景觀模型的快速獲取提供了可能。由于各種應(yīng)用的不同，多種途徑的三維信息獲取技術(shù)混合使用的狀況將會延續(xù)相當(dāng)長的時間。v（1）LOD模型v所謂LOD(levels of detail，LOD)模型，是指對同一個場景中的物體采用具有不同細節(jié)水平(或稱精

20、細程度)的一系列模型。它廣泛使用于控制場景的復(fù)雜程度并加速三維復(fù)雜場景的實時可視化描繪中。其類似于柵格影像數(shù)據(jù)處理中的多分辨率概念，即影像金字塔。vLOD技術(shù)是指計算機在生成視景時，根據(jù)該物體所在位置離視點距離的大小，分別調(diào)入詳細程度不同的模型參與視景的生成 v（2）多分辨率建模方法v根據(jù)不同細節(jié)層次建模需要，可以分別采用以下不同的數(shù)據(jù)源和建模策略重建三維場景模型。v根據(jù)DEM重建逼真的地形表面形態(tài)，通過疊加正射影像數(shù)據(jù)生成真實感很強的虛擬景觀。v直接使用CAD、3DS、3DMAX等設(shè)計數(shù)據(jù)，逼真表示規(guī)劃設(shè)計成果的精細結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征；這種方法可以達到較高水平的細節(jié)程度，不僅能表示目標外觀，而且

21、還能充分展現(xiàn)目標的內(nèi)部形態(tài)。v利用攝影測量、激光掃描或其他地面測量手段采集的三維編碼數(shù)據(jù)和實際影像紋理逼真表示建筑景觀的現(xiàn)狀；該方法一般不表示實體內(nèi)部特征，根據(jù)不同分辨率的圖像可以達到各種細節(jié)水平，廣泛用于大范圍場景模型的快速重建。v根據(jù)建筑物的底部邊界線(傳統(tǒng)的二維線劃數(shù)據(jù)如GIS中的DLG)和相應(yīng)的高度屬性進行三維重建，表面紋理則可以采用紋理材質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的簡單數(shù)據(jù)直接生成，該方法主要用于表現(xiàn)較低細節(jié)水平的景觀輪廓特征。v（3）CAD與三維GIS的集成v城市規(guī)劃、建筑設(shè)計等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著基于CAD的三維建模與編輯方法。將這種方法產(chǎn)生的三維模型數(shù)據(jù)納入GIS、實現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的集成有

22、兩個重要意義：v一是城市規(guī)劃、建筑設(shè)計普遍采用CAD生產(chǎn)，CAD數(shù)據(jù)廣泛可得；v二是CAD在三維模型創(chuàng)建與編輯上具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，一些復(fù)雜而難于創(chuàng)建、但很實用的地物模型(如城市中的藝術(shù)建筑、交通導(dǎo)航所使用的航標等)利用CAD系統(tǒng)創(chuàng)建和編輯往往比較方便。因此，三維GIS的成功應(yīng)用迫切需要與CAD進行有機的集成。 v三維景觀顯示 v（1）基于紋理映射技術(shù)的地形三維景觀v 真實地物表面存在著豐富的紋理細節(jié)，人們正是依據(jù)這些紋理細節(jié)來區(qū)別各種具有相同形狀的景物。因此，景物表面紋理細節(jié)的模擬在真實感圖形生成技術(shù)中起著非常重要的作用，一般將景物表面紋理細節(jié)的模擬稱為紋理映射技術(shù)。 v（2）基于遙感影像的

23、地形三維景觀v各類遙感影像數(shù)據(jù)(航空、航天、雷達等)記錄了地形表面豐富的地物信息，是地形景觀模型建立主要的紋理庫。v（3）基于地物疊加的地形三維景觀v將圖像的紋理疊加在地形的表面，雖然可以增加地形顯示的真實性，但若是能夠在DEM模型上疊加地形表面的各種人工和自然地物，如公路、河流、橋梁、地面建筑等，則更能逼真地反映地表的實際情況，而且這樣生成的地形環(huán)境還能進行空間信息查詢和管理。 v虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)v虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是計算機產(chǎn)生的集視覺、聽覺、觸覺等為一體的三維虛擬環(huán)境，用戶借助特定裝備（如數(shù)據(jù)手套、頭盔等）以自然方式與虛擬環(huán)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(xiàn)實世界中難以經(jīng)歷的體驗。v隨著三維信息的可得和計算機圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)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(xiàn)實真立體展示日益成為主流技術(shù)之一 虛擬現(xiàn)實技術(shù)場景圖 vVR基本特征包括多感知性（multi-perception）、自主性（autonomy）、交互性（interaction）和臨場性（presentation）。自主性指VR中的物體應(yīng)具備根據(jù)物理定律動作的能力，如受重力作用的物體下落；交互性指對VR內(nèi)物體的互操作程度和從中得到反饋的程度。用戶與虛擬環(huán)境相互作用、相互影響，當(dāng)人的手抓住物體時，則