地理信息可视化理论

进入20世纪90年代，由于计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术和图像处理技术的发展，可以将一些科学现象、自然景观和十分抽象的概念图形化，出现了多维动态、过程模拟和用户自适应参与信息可视化技术。现代地图学已进入了视觉效果和探索图形变换功能为重点的阶段，可视化成为地图和GIS研究的热点。

一、可视化定义

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。

可视化（Visualization）概念源自科学计算可视化(Visualization in Science Computing，简称ViSC），由美国学者McCormick等人提出。美国国家科学基金会在1996年召开的有关科学计算与图形学和图像处理的讨论会上，对“科学计算可视化”概念，定义为：“一种计算方法，它将符号转化为几何图形，便于研究人员观察模拟和计算”。就是说，可视化是一种工具，用来解释输入到计算机里的图像数据和从复杂的多维数据中生成图像，它主要研究人和计算机如何一致地感受、使用和传输视觉信息（McCormick，1987）。从表述的内容来看，该定义主要从计算机科学的角度出发，侧重于复杂数据的计算机图形处理和表示，同时将人和计算机对视觉信息的感知行为作为研究对象，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”概念提出以来，在地学相关学科受到了重视，产生了众多特定领域的可视化专业性概念。科学计算可视化与地球科学相结合产生了地学可视化，对地学数据进行视觉表达与可视分析。对地学专家而言，可视化技术并不新鲜，传统技术早已涉足，但在现代数字技术环境下，可视化的内涵与外延都有扩展，在地图绘制、地貌晕渲、符号化、地学图谱、三维景观图等技术都有发展。地学可视化强调地学现象、事物的机理、过程、规律的视觉化表达，挖掘揭示深层的信息内容。根据不同地学领域的数据特征，结合专业原理分析和专业模型,产生了特殊地理信息可视化，例如，通过三维景观、体视化技术展示地质构造分布、发育，模拟水文现象的演变，模拟海洋、大气的运动过程运动规律。

二、地理信息可视化概念

对地图制图和地理信息系统而言,可视化并不是什么新概念,地图本身就是一种视觉产品,地图生产过程被认为是运用视觉变量对现实世界抽象、综合和表示的过程,地图读者又运用视觉思维感受和分析地图这视觉化产品,正是从这个意义上说,可视化不是什么新概念。然而这一概念在制图新技术环境下被赋予了新的内涵，地图可视化不仅仅是图形结果状态表示,更主要地是一种高级的空间数据分析行为，它刻画了一种思维过程，地图学家Tarlor认为,传输和认知模型是地图视觉化的重要内容。地理信息可视化在地图信息的认知和传输方面赋予了新的特色，随着研究的深入开展,可望对停步不前的地图感受论和地图传输论的研究带来生机。

 “科学计算可视化”理论的丰富和技术发展对地图可视化表达和分析产生了深远的影响，许多学术机构纷纷设立对应的研究分支，如：国际制图学协会（International Cartographic Association,简称 ICA）在1995年成立可视化委员会（Commission on Visualization），1996年该委员会与美国计算机协会图形学专业组进行了跨学科合作，探索计算机图形学理论和技术如何有效地应用于地图学和空间数据分析，这种合作既促进了科学计算可视化与地图可视化的交流，又促进了相关学科的发展。2002年ICA委员会工作小组又组织对地学可视化（Geovisualization）进行专题讨论，研究了“地学可视化中的认知和应用问题（Terry，etal，2002）”、“数据库和地学计算中知识发现的地学可视化综合（Mark Gahegan etal，2002）”、“地图可视化关系表达法（David Fairbairn，etal，2002）”，等等，所有这些成果都推进了地图/地学可视化研究的进程。

有人（MacEachren，1990；Ganter，2000）把“地图可视化”概括为“首要的也是最重要的一种认知行为，是人类在发展意念上表示的能力，它有助于辨别模型，创造和发展新秩序”。也有人（Buttenfield，1991）认为应该将视觉显示和图形传输的原则列入可视化的定义中，并将可视化定义成“为识别、传输和解译模式或结构目的而概要地表示信息的过程，它的研究领域包括创建、组织、操作和理解视觉表示的计算、认知和图形设计方面。视觉表示区别于那些抽象文字和公式，可以符号化、图形化和形象化地表达”。还有人（Gahegan，2000）定义“可视化为基于图形环境的人和计算机之间的交互，并将数据的视觉表示为景（Scene），景实际上就是将数据表示成直接感知的视觉形式”。也有人从地学计算（Geocomputation）的角度考虑，认为应将可视化提升到独立学科的地位来看待。但到目前，“地图可视化”没有统一的定义。

三、地理信息可视化理论

数字技术、网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术的出现以及 ViSC 概念的提出，推动了地图认知、信息传输理论的发展，也促使我们对地理信息可视化理论进行重新认识。多维与动态可视化技术是地学可视化最新的发展趋势。目前代表的观点主要有：①Taylor的现代地图学认知论（可视化三角形）；②MacEachren的空间表达论（可视化立方体）；③ DiBiase的科学探索工具论；④ Kraak的探索论；⑤龚建华等人的认知与交流融合论。

Taylor（1993）将地图理论的原则放在三角形的底边，认知和传输放在三角形的另外两边，三角形中心连接处为可视化，可视化包含信息交流传输与认知分析两方面，如图7.1所示。Taylor认为，可视化是现代地图学的核心，具有交互和动态特征，可视化的功能包括交流传输与认知分析两方面，同时需要计算机技术应用到地图制图中来。同时，他也指出：不能简单地将地图可视化与地图学等同起来，可视化不构成地图学的全部研究内容。从Taylor的观点来看，他强调的是“计算机技术基础支持下的地图可视化”。

图7.1 地图可视化概念模型

MacEachren（1995）用立方体表达地图应用空间以及可视化和交流传输在立方体空间中不同的位置和作用。可视化与交流传输处于不同的地位，发挥不同的作用。交流传输具有表达已知、面对大众、人图交互作用较低等特点；而可视化则具有呈现未知、面对个人、人图交互作用较高等特点，如图7.2所示。MacEachren强调了交流与可视化在地图学中的作用。该立方体模型形象地描述了两个过程：在对地学过程、规律探索的早期，是为数较少的领域专家对地学问题探索，在逐步深化过程中认识从无知到有知，逐渐清晰化，该阶段人与图的交互频繁，通过图形绘制、分析进行多个过程图形化思考，这一过程可看着是探索发现。第二个阶段，探索结果出来后通过可视化图形载体进行交流传播，面向社会化大众交流其成果，此时与图的交互主要是接受其成果，交互操作量减少，这一阶段主要是交流传输。例如，天气预报图的制作发布就是一个典型的例子，开始气象人员要根据各种气象相关的参量数据绘制气压形势图、风向图、云层图等，综合分析得出未来一定时间段内的天气变化，气象专家通过频繁的图形可视化思考后，其预报成果通过媒体发布，可为大多数人接受。

                      图7.2地图应用的空间表达

DiBiase（1991）把可视化描述为科学探索的一个工具，包括数据探索、假设定义、验证、综合合成、结果表达，强调地理研究过程中的地图作用，并认为可视化特征在研究过程的早期侧重于个人特征的视觉思维，后期侧重于研究结果的公众交流的视觉传输，如图7.3所示。DiBiase强调了地理研究过程中可视化地图的作用。这一认识与MacEachren的立方体模型类似，都强调了可视化的两个不同阶段，只不过可视化立方体模型还考虑了交互式中参与人员的变化情况。

图7.3 探索型地图理论

Kraak（1998）也提出可视化是探索型地图学，认为地图可视化正在由供给驱动向需求驱动转变，地图的功能由表达已知的知识向探索未知的知识发展。 Kraak强调地图不再只是一种最终产品，也可能是仅仅为视觉思维的中间产品。这种观点与GIS可视化的表达是一致的。

从以上关于地理信息可视化理论可看出，尽管各自表述有差异，但都强调了地理信息可视化不仅仅是图形结果状态表示,更主要地是一种高级的空间数据分析行为，它刻画了一种思维过程。在空间数据分析决策中,信息可视化是一种认知工具，传统地图可视化技术主要表达地理现象的空间分布与空间定位,解决“在何处”、“有何物”问题。在数字条件下的可视化技术更主要地在于揭示深层次的地理现象的发生规律和内在的物理机制，回答“为什么”、“怎么样”问题。这一深层次的可视化不仅是用符号简单地“装饰”地理数据的过程，还在于探究、挖掘隐藏的信息内容。