GIS06第六章空间信息的可视化.ppt

第六章 空间信息的可视化,二、空间信息可视化的形式,一、基本概念,六、虚拟现实技术,五、动态地图,四、电子地图,三、空间数据可视化的过程,一、基本概念,1、空间信息基本特征：属性特征：是指目标的质量和数量特征。在空间数据中，属性数据往往是需要关注的信息的集合。时间特征：空间信息均各自具有长短不一的生命周期，时间属性是我们了解人类社会和自然界随着时间发展变化历史和预测未来趋势的依据。空间特征：空间特征是区别地理信息与其它一般信息的根本标志。地理实体在空间的存在有其确定的空间位置、形状和分布，是其几何性质的体现。多媒体特征：空间实体的具有其自然、生动、变化的特性，其信息是多方面的。多媒体信息补充了其它特征所不能表现的空间信息全面生动的一面。,第六章 空间信息的可视化,一、基本概念,2、可视化：可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程是一种转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们。,第六章 空间信息的可视化,visualisation is.,make visible.modern technology which offers the opportunity for real-time and interactive visualization,goal of visualization,presentationstart:facts to be presented are fixedprocess:choice of appropriate visualization techniqueresult:high quality visualization presenting facts,explorativestart:data without hypothesis about the dataprocess:interactive，undirected search for structures and trendsresult:visualization that provides hypothesis,confirmativestart:hypothesis about the dataprocess:goal oriented examination of hypothesisresult:visualization that allow confirmation or rejection,第六章 空间信息的可视化,一、基本概念,一、基本概念,3、科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。科学计算可视化的应用领域十分宽广，几乎可包括自然科学和工程计算所包括的一切领域，也自然包括空间信息领域。地质勘探 气象预报 计算流体动力学 分子模型构造医学 显然科学计算可视化在学科的广泛程度上包括了空间信息的可视化，这是因为从复杂的多维数据中产生图形是空间信息可视化的基本内容，不管是空间数据的显示，空间分析结果的表示，空间数据的时空迁移，以及每一空间数据处理的过程无一不是这一基本内容。然而空间信息的可视化与科学计算可视化毕竟存在一些不同，显著的一点即是图形符号化的概念。因此必须讨论一下空间信息的可视化。,第六章 空间信息的可视化,一、基本概念,4、空间信息的可视化 是指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示，并进行交互处理的理论、方法和技术。采用声音及触觉、嗅、味等多种媒体方式可以使空间信息的传递、接收更为形象、具体和逼真，但是暂时看来，有的对地理空间信息意义并不大，如嗅、味、触媒体渠道，而声音、音频媒体方式也主要起辅助作用，因而有的学者把可听、可嗅、可味、可触也归入可视化，狭义的理解上应不属可视化范畴。目前，我们把它列入可视化范畴。,处理,第六章 空间信息的可视化,一、基本概念,4、空间信息的可视化,第六章 空间信息的可视化,the map use cubefrom presentation to exploration,一、基本概念,4、空间信息的可视化,第六章 空间信息的可视化,cartographic visualization process,一、基本概念,4、空间信息的可视化,第六章 空间信息的可视化,cartographic visualization strategies,一、基本概念,、地理可视化,第六章 空间信息的可视化,use of computer-supported，interactive，visual representations of(geospatial)data to strengthen understandingthe purpose of visualization is insight，not pictures(or maps)insight=discovery，decision making and explanation,(geo)visualization,一、基本概念,、地理可视化,第六章 空间信息的可视化,the use of visual geospatial displays to explore data and through that exploration to generate hypotheses，develop problem solutions，and construct knowledge,(geo)visualization,一、基本概念,、地理可视化,第六章 空间信息的可视化,(geo)visualization,integrates approaches from cartographygeographic information systems image analysisexploratory data analysis scientific visualizationinformation visualization,“The application of GIS is limited only by the imagination of those who use it.”Jack Dangermond，President of ESRI,返回,二、空间信息可视化的形式,1、地图,第六章 空间信息的可视化,空间信息可视化对于地学信息而言有多种形式，而其中最重要的一种形式便是地图，它是地学信息的图形符号模型。地图所反应的是地学领域的事物和现象、地学实体，它的空间尺度相对于人类的一般活动是宏观的或相当的。它虽然反映的是环境空间中地学实体的集合，但它本身是观念的产物，是对客观的一种模拟，即是模型。它不是数学模型，也非物理模型，这种模型是对地学客体集合的时、空、质、数客观特性的全面抽象，而非单一抽象。例如“井”，单纯的空间抽象只是数学空间的点或面，单纯的质量抽象只是供人、畜饮用的点状水源，而地图上的“井”，则把空间、时间、质量和数量都统一表达了。抽象程度由人们的认识水平和可视化的主题而定。抽象可以是逐次的、渐进的。正确而适度的抽象这是地图的科学水平。地图还具有形象、生动的特点，这是由于它采用了彩色图形符号，这是人们传递信息的信号或工具。统一、协调、美观的符号系统，这是地图的艺术水平。地图是环境空间中地学客体集合的质、数、时、空特征全面抽象后的图形符号模型。也可以说地图是图形符号的空间集合，图形符号是地图的语言。,二、空间信息可视化的形式,1、地图,第六章 空间信息的可视化,色彩是地图语言的重要内容。地图上运用色彩可增强地图各要素分类、分级的概念，反映制图对象的质量与数量的多种变化；利用色彩与自然地物景色的象征性，可增强地图的感受力；运用色彩还可简化地图符号的图形差别和减少符号的数量(例如，用黑、棕、蓝三色实线表示道路、等高级和水涯线)；运用色彩又可使地图内容相互重叠而区分为几个层面，提高了地图的表现力和科学性。,二、空间信息可视化的形式,1、地图：硬拷贝：纸质或其它介质地图；软拷贝：屏幕上的电子地图。它有两种形式：纸质或其它介质地图及屏幕上的电子地图。由于计算机技术的发展，这两种形式仅是计算机上数字地图的硬、软拷贝的差别。硬拷贝的是纸质地图，软拷贝-屏幕上的电子地图比前者具有更多的优点：其制作灵活，形式极其多样，修改制作方便，周期短，色彩丰富，动态性强，查询方便、快捷。从而使人们能从不同的高度、不同的方式、不同的角度和不同的详细程度来观察空间客体信息；,第六章 空间信息的可视化,二、空间信息可视化的形式,1、地图：,第六章 空间信息的可视化,maps will remain the tool in dealing with geospatial datacurrent progress offers us interactive and dynamics views:geovisualizationgeovisualization will use，among others，virtual reality techniques and the web as working environment.,二、空间信息可视化的形式,2、多媒体地学信息综合、形象地表现空间信息所使用的文本、表格、声音、图像、图形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是空间信息可视化的重要形式。各种多媒体形式能够形象、真实地表示空间信息某些特定方面，作为全面地表示空间信息的不可缺少的手段。,第六章 空间信息的可视化,二、空间信息可视化的形式,3、三维仿真地图三维仿真地图是基于三维仿真和计算机三维真实图形技术而产生的三维地图，经具有仿真的形状、光照、纹理，也可以进行各种三维的量测和分析。,第六章 空间信息的可视化,二、空间信息可视化的形式,4、虚拟现实它是由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人机交互系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。,第六章 空间信息的可视化,返回,三、空间数据可视化的过程,从GIS数据库中检索出的要素、特征及定位信息,预处理,从符号库读取符号信息,符号化,从字符库读取汉字及字符信息,地图输出,色彩库色彩信息,第六章 空间信息的可视化,三、空间数据可视化的过程,第六章 空间信息的可视化,地图符号(库)的功能、分类和设计,地图符号是在地图上用以表示各种空间对象的图形记号，或者还包括与之配合使用的注记。地图符号对表达地图内容具有重要的作用。它是地图区别于其他表示地理环境之图像的一个重要特征。高质量的地图符号是丰富地图内容、增强地图的易读性和便于地图编绘的必要前提。使用地图符号不仅能反映制图对象的个体存在、类别及其数量和质量特征，而且通过它们的联系和组合，还能反映出制图对象的空间分布和结构以及动态变化。地图符号有两个基本功能，首先是它能指出目标种类及其数量和质量特征；其次是它能确定对象的空间位置和现象的分布。根据约定性原理，采用演绎的方法可将地图符号区分为：点状符号、线状符号和面状符号。,三、空间数据可视化的过程,第六章 空间信息的可视化,地图符号(库)的功能、分类和设计,地图符号的设计质量将直接影响地图信息的传递效果。设计地图符号，除优先考虑地图内容各要素的分类、分级的要求外，还应着重顾及构成地图符号的6个图形变量，即：形状、尺寸、方向、亮度、密度和色彩，如图所示。其中，尤以图形的形状、尺寸和色彩最为重要，被传统的地图符号理论称之为地图符号的三个基本要素。,三、空间数据可视化的过程,第六章 空间信息的可视化,地图符号(库)的功能、分类和设计,地图符号按符号的生成方式分为矢量符号和栅格符号，对应有不同的制作方法。地图符号库设计应该遵循以下基本原则：（）对于国家基本比例尺地图，图形符号颜色、图形、符号含义与匹配比例尺，应尽可能符合国家规定图式；（）专题地图部分，尽可能采用国家及整个符号部门标准，有益于标准化、规范化；（）新设计符号应遵循图案化及整个符号系统逻辑性、统一性、准确性、对比性，色彩象征性，制图和印刷可能性等一般原则。,返回,四、电子地图,第六章 空间信息的可视化,随着信息系统、计算机硬、软件技术的发展，一种新型地图-电子地图以它卓越性能发展为地理信息科学中的新领域。地图是地理信息的图形符号模型，也是各种GIS最主要的数据源。地图与GIS之间的桥梁则是数字地图，它是以数字形式表示的地图，是地图的数字形态。电子地图是数字地图与GIS软件工具结合后的产物，它是一种处于运动状态的数字地图，这种运动状态或是输入、输出，或是显示、检索分析。它以电磁材料为存储介质，并依托于空间信息可视化系统再现。在较新的技术基础上，它使用几乎一切GIS技术工具，并且可以提供传统GIS的大范围、多要素的综合分析技术手段。这些，在电子地图集中得到更为集中的反映。电子地图集是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，互相加强。,四、电子地图,1、电子地图(Electronic Map)1）电子地图，是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上，并能在屏幕上实时显示的可视地图，又称“屏幕地图”、“瞬时地图”。2）电子地图集，是为了一定用途，采用统一、互补的制作方法系统汇集的若干电子地图，这些地图具有内在的统一性，互相联系，互相补充，互相加强。,第六章 空间信息的可视化,四、电子地图,2、多媒体电子地图(Multimedia Electronic Map)Taylor（1991）给出的多媒体电子地图的定义是：计算机技术的支持下，集文本、图形、图表、图像、声音、动画和视频等一体的新型地图。它增加了地图表达空间信息的媒体形式，从而以视觉、听觉、触觉等感知形式，直观、形象、生动地表达空间信息。,第六章 空间信息的可视化,四、电子地图,、数字地图(Digital Map)普遍认同的概念是“数字地图是以数字形式存储在磁带，磁盘，光盘等介质上的地图。”Kirsi Artimo（1994）认为数字地图应该包括两个方面，即数字地图数据和可视化（感知）方法，而这里所说的可视化包括了触觉（Tactual）以及声音（Sonic）地图，所以他给出定义为：数字地图是指数字地图数据与感知方法的综合体，而感知能通过比例尺测度，并能被直观地或通过图例进行解释。,第六章 空间信息的可视化,四、电子地图,、电子地图与数字地图的区别,第六章 空间信息的可视化,将“数字地图”视觉化后才成为“电子地图”通过打印机或者绘图机视觉化，则“数字地图”就成为传统的“模拟地图”。“数字地图”是“电子地图”的数学基础，“电子地图”是“数字地图”的视觉化。“数字地图”是存储方式，“电子地图”是应用方式。“数字地图”强调地图的实质和存在形式是数字式的，”电子地图”强调地图的表象和主要表现形式。,四、电子地图,、电子地图与数字地图的区别,第六章 空间信息的可视化,数字地图Digital Map,电子地图Electronic Map,四、电子地图,、电子地图与GIS的区别：电子地图包含了GIS的主要功能，但不是全部功能。侧重于可见实体的显示，其中较完善的空间信息可视化功能和地图量算功能是一般GIS所欠缺的。但是相对而言,一些电子地图(集)难予使其可视子空间均具有统一的空间数学基础,因而空间分析相对GIS薄弱，这也是两者的分水岭。电子地图（集）是一种新型的、内容广泛的GIS产品，而电子地图（集）系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GIS系统。,第六章 空间信息的可视化,四、电子地图,、电子地图(集)的基本特征：（1）能够全面继承并发展了地图科学中对地学信息进行多层次智能综合加工、提炼的优点；（2）很强的空间信息可视化性能；系统而严密的教学基础，科学而系统的符号系统，强有力的可视化界面，支持地图的动态显示，并可采用闪烁、变色等手段增强读图手段和提高效果；（3）支持空间信息的多种查询、检索和阅读；（4）支持基本的统计、计算和分析；（5）大多数电子地图支持所见即所得地编辑和输出硬拷贝，支持电子出版；（6）大多数电子地图支持多媒体信息技术。,第六章 空间信息的可视化,四、电子地图,、电子地图(集)的设计目标电子地图可适应广泛的用户阶层，因而应根据用户的要求，发展相应的电子地图(集)。用户一般可分为三类：一般用户、行政及科研单位，其它专业用户，它们的要求各不相同，具有相当大的差异电子地图(集)的设计目标应该根据用户的应用层次要求来设计，上述三类用户对电子地图(集)的要求实际上是对电子地图(集)的三个不同层次的需要，是系统设计电子地图(集)主要依据和评判标准。,第六章 空间信息的可视化,四、电子地图,、电子地图(集)的设计目标电子地图可适应广泛的用户阶层，因而应根据用户的要求，发展相应的电子地图(集)。用户一般可分为三类：一般用户行政及科研单位其它专业用户它们的要求各不相同，具有相当大的差异。,第六章 空间信息的可视化,四、电子地图,、电子地图(集)的设计目标,第六章 空间信息的可视化,（）一般用户这类用户一般只需要阅读、浏览和简单查询地图，其要求一般只限于常规地图的范畴，例如中小学生用电子地图（集）作为课本的补充来学习地理、历史、经济、环境、人文等，针对这类用户的电子地图（集）应具以下功能：1地图内容一般是普通地图的要素；2能够方便的翻阅、浏览地图内容，因而要求图形符号清晰，图面能够迅速翻页，漫游，缩、放功能；3必要的检索功能：用户能够查询地图上主要要素的数据和说明；4定位检索和开窗放大：即通过定位选择某一区域，可以快速弹出该区域放大图或更大比例尺图，满足人们对感兴趣地区进一步浏览；5一般的量测：角度、面积、长度等指标能够很方便地量测。6多媒体信息浏览功能。,四、电子地图,、电子地图(集)的设计目标,第六章 空间信息的可视化,（）行政及科研部门 一般把电子地图（集）作为组织，管理和显示信息、提供辅助决策的工具。因而这类用户除上述用户要求外，还需提供常用的分析模型，能适时对定位于地图（集）上的要素进行分析，在地图的内容上除具有基本的全要素均衡的普通地图外，能够方便地加入一些专业地图种类的内容，因而在上述功能基础上还需增加以下功能：1比较功能，能同时展现多图、多表、多种数据，进行在时空序列上的比较；2制作综合性地图，利用原来的基础底图生成新的评价图、规划图；3动态模拟，提供专业性的动态变化图，展现现象的发展与变化。4提供常用的分析模型，如动态序列地图模型、统计分析、定位分析、网络分析，一些专业预测模型、规划模型；5必要的数据传输及通讯支持，为了真正发挥作用，数据的现时性十分重要，内容广泛而又现时性强的数据只有专业部门才能收集、更新和提供，因此这一功能对于综合部门至关重要。,四、电子地图,、电子地图(集)的设计目标,第六章 空间信息的可视化,（）其它专业用户 其它专业用户一般包括军事、测绘、城市管理专业，水、气、电各专业工作部门，它们的专业要求更为具体、专业性强，要求非常广泛，除上述功能外，还须要一些专业特定功能及分析：1数据提取功能；2专题图设计制作功能，具有专门的符号库、色彩库，建立数学基础，符号化、设色、调色、图文编辑；3专业分析功能：比如各种管道的爆管处理及分析，三维分析、显示功能、行军分析、围歼分析等。4彩色电子出版功能。,四、电子地图,、电子地图集系统的结构和开发技术,第六章 空间信息的可视化,电子地图集是一种新型的GIS产品，因此它一出现就采用了先进的科学概念和技术方法，其中最重要的就是模拟信息产品的优势利用和矢、栅结合的技术平台。地图是一种优秀的模拟信息产品，它的可视性强，一览性好，通俗易懂好用是一般数据产品赶不上的，也具有传统的习惯上的优势，电子地图采用了矢、栅一体的技术，尽量发挥地图的传统优势。电子地图集系统由电子地图集数据库、专业数据库、系统软件、系统硬件和用户组成，用户是系统的操作员和系统数据流的向导，结构如图所示：,四、电子地图,总之，电子地图(集)极大地保留了传统地图的优点，大大地扩展了传统地图的作用范围，并包含了GIS的主要功能，其中较完善的空间信息可视化功能和地图量算功能是一般GIS所欠缺的。但是相对而言,一些电子地图(集)难予使其可视子空间均具有统一的空间数学基础,因而空间分析相对GIS薄弱，这也是两者的分水岭。概略地说，电子地图(集)是一种新型的、内容广泛的GIS产品，而电子地图(集)系统则是一些内容广泛、功能各异的新型GIS系统。,第六章 空间信息的可视化,返回,五、动态地图,1、概念：动态地图是能集中、形象地表示空间信息的时空变化状态和过程的电子地图。它产生和发展是时空GIS的发展的必要基础和前提。2、动态地图的特征和作用目前动态地图基本上是以电子地图形式出现的，其主要特征是逼真而又形象地表现出地理信息时空变化的状态、特点和过程，也即是运动中的特点。动态地图可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。具体而言，它可以用于：1、动态模拟，使重要事物变迁过程再现；如地壳演变，冰河地貌的形成及模拟。流水地貌的形成，人口增长与变化等，在这些复杂的动态过程中，动态地图是一个有力的武器，它可以通过增加或减低变化速度，暂停变化以仔细观察某一时间断面，改变观察地点和视角，获取运动过程中的各种信息；2、运动模拟，对于运动的地理实体：人、车、船、机、星、弹，运行状态测定和调正，以及环境测定和调正，都是由动态地图来帮助完成的。3、实时跟踪，这方面在运动物体上安装全球定位系统GPS是一个明显的例子，它能够显示运动特体各时刻的运动轨迹，使空中管制、交通状况监控、疏导，战役和战术的合围、围堵，均具有可靠的时空信息保证。,第六章 空间信息的可视化,五、动态地图,3、表示方法1）利用传统的地图符号和颜色等表示方法，如运动线表示气流、行军等路线。2）采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示用闪烁、跳跃、色度、亮度变化等手段反映运动中物的矢量、数量、空间和时间变化特征。3）采用连续快照方法作多幅或一组地图。这是采用一系列状态对应的地图来表现时空变化的状态。4）地图动画,第六章 空间信息的可视化,五、动态地图,、动态地图的设计动态地图的设计是与电子地图密不可分的，在电子地图的设计要求和方法总的框架下，就动态部分的设计过程，应着重考虑以下几点：（）明确了解动态地图的要求:了解它所表示的时、空变化是全面性的还是局部性的要素；它所关注的变化是变化后的状态，还是变化的过程。（）分析动态地图要求，拟定表达方法和设计动态符号。一般讲，对于局部性要求，采用变化的动态符号法和分区统计图表法，动线法就能够妥善解决问题；对于全局性的状态性要求用连续快照法；而对于相当多数的侧重于表现变化过程的动态现象则要综合采用计算机地图动画、动态符号、闪烁、漫游和其它方法，并结合电子地图等各种技术方法和分区统计图表、动线方法等。（）精心制作动画地图 动画地图在表达动态的地理要素上具有全面、形象、明确的特点，但是其制作及使用特别耗工、耗时，耗资源，尽管其制作已有相当多的商品化软件，较为方便，质量也有保证。必须精心设计，精心制作。做到少而精，画龙点晴，服务总体。动态地图是空间信息可视化中一个蓬勃发展的分支，它和4维GIS，或者说时空GIS有着极为密切的联系。地理信息时空变化的抽象、夸大、取舍、化简等与动态地图的设计和制作直接相关，也是亟待研究的问题。,第六章 空间信息的可视化,返回,六、虚拟现实技术,1、概念：虚拟现实（Virtual Reality）是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。本质上，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图像、声音和触摸感受，利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。,第六章 空间信息的可视化,六、虚拟现实技术,2、VR应用,第六章 空间信息的可视化,产品设计和人机功效（飞机、空间站）,第七章 空间信息的可视化,2、VR应用,第七章 空间信息的可视化,2、VR应用,科学计算可视化,2、VR应用,第七章 空间信息的可视化,虚拟组装,2、VR应用,第七章 空间信息的可视化,仿真训练,2、VR应用,第七章 空间信息的可视化,3、实现技术,可以通过GIS软件支持的DEM功能、3DMAX，AutoCAD中的三维实体建模，以及VRML，OPENGL、Java3D、Flash等实现或辅助实现虚拟现实。1）VRML简介：VRML作为一种开放的、可扩展的、工业标准的虚拟景象描绘语言，已广泛用于在Internet中描述3D景象或世界。VRML和HTML是紧密相连的，是HTML在3D领域模拟和扩展。由于VRML在Internet具有良好模拟性的和交互性，显示出强大的生命力。2）具体实现,*.wrl,VRML浏览器插件如Cosmo Player,虚拟现实,网络环境,第六章 空间信息的可视化,六、虚拟现实技术,3、实现技术,3）应用VRML作为实现VR的语言标准，与GIS、DEM、DTM技术相结合，将在旅游娱乐、商业营销、房地开发、工程设计、数字地球、虚拟地理环境、军事等众多领域发挥巨大的作用。目前，它的最大问题是缺乏好的VRML语言编辑器。,第六章 空间信息的可视化,返回,下课了。,休息一会儿。,攀登,