地理信息可视化技术

一、地理信息可视化概念和形式

地理信息可视化是指将地图学与计算机图形学、多媒体技术、虚拟显示技术和图像处理技术相结合，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。

地理信息可视化的形式主要有地图、多媒体地学信息、三维仿真地图、虚拟现实等。它们都可以是GIS的界面。地理信息可视化技术方法主要有以下几种。

（1）几何图形法

通过把三维图形透视变换映射成二维图形，用折线、曲线、网格线等几何图形表示数值的大小,包括：用等值线法表达地形、气温、降水量等；用矢量符号法表达气压梯度、梅雨峰线；用风力玫瑰图表示风力发生频率与风向；用流线箭标图法表示洋流、气旋；用等值面法表达地形起伏。几何图形法表达地理信息，如图7.4所示。

图7.4 几何图形法表达地理信息

（2）色彩、灰度表示法

用色彩、灰度来描述不同区域的数值，例如数字图像法、区域填充渲染、地貌晕渲法等，如见图7.5所示。

图7.5 用数字图像、地貌晕渲表达地理信息

（3）多媒体表示法

用图像、声音、动画等多媒体联合表示地学研究中的特殊现象，如地震爆发、冰山漂移、海底扩张、污染物扩散。多媒体信息主要指“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。

（4）虚拟现实可视化

指“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”。

二、地理信息可视化过程

空间信息与可视化的关系是密切的。首先从GIS数据库中检索出要素、特征及定位信息；通过预处理后，从符号库读取符号信息，从字符库读取汉字及字符信息，从色彩库读取色彩信息，这就是符号化步骤；接着就可面向不同应用领域输出各种形式的可视化图形（包括地图）。地理信息可视化过程如图7.6所示。

图7.6 地理信息可视化过程

三、电子地图

作为地理信息可视化的主要形式，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(有时也称为“屏幕地图”)。电子地图可以实时地显示各种信息，具有漫游、动画、开窗、缩放、增删、修改、编辑等功能，并可进行各种量算、数据及图形输出打印，便于人们使用。随着多媒体技术的发展，电子地图将与音像等内容结合起来，极大地丰富地图的表示内容，全方位、多角度地介绍与地理环境相关的各种信息，使地图更富有表现力。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。

电子地图包含了GIS的主要功能，但不是全部功能。电子地图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)难于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于GIS比较薄弱，这也是两者最主要的区别。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。 

电子地图与纸质地图相比,最显著的特征是数据的存贮与数据的显示相分离,由此产生电子地图的一系列新特点：动态性、交互探究性、超媒体结构。电子地图设计仍要遵循传统纸质地图的设计原则,但随着电子地图设计环境、应用环境的改变,又具备了如下一些新的特点。

1.地图符号视觉变量的扩展

Bertin（1967）及其他制图专家,在对符号信息的感受性、传输性研究的基础上建立的视觉变量体系,得到了制图设计人员的广泛认可,在这个体系中,包含了符号的形状、尺寸、色彩、结构、方向、密度。在电子地图设计中,为适应其动态性、交互探究性的超体结构的特点，这一变量体系要进行扩展，包括以下的符号参量。

（1）时间(Time)：反映符号闪烁的频率、移动的速率、显示时间的长短等。通过符号时间变量可反映地理现象的动态特性,探究其变化规律。

（2）交互操作(Interaction)：反映用户对符号主动操作的程度。在面向对象的符号设计中，符号对象的操作与数据是封装的,操作包含对符号的放大、旋转、隐藏、视角变换等。

（3）写实性(Realism)：与抽象性相对应。描述符号与实际地物间的语义表达形象性特征，如植被类型用典型树种外形表示,增加符号的写实性特征。

（4）焦点(Focus)：MacEachren建议将焦点列为符号变量之一。其表现为符号的视觉中心, 动态性符号的变化原点，如烟雾状动态扩展符号的中心，旋转符号的轴心等。

2.多任务单图幅由单任务多图幅取代

这是与传统纸质地图内容表达相比较而言的。过去，地图内容在纸面的展示是多层次图形的融合,是各种用户需求内容的并集。尽量提高图面载负量，是地图设计人员的初衷。对于电子地图设计而言,为克服屏幕显示的局限性和信息查询地物标识的不明确性，同时为不同专门用户提供具有排他性的感兴趣的信息，内容结构采用单任务多幅图组织形式，任务的划分可以是地图的图形层面,可以是用户的分类，也可以是表示方法的不同，视具体情况而定。这种组织丝毫不破坏跨任务的内容间的对比，电子地图可以同时显示相关任务的多幅图,或者将基于同样参考系范围的任务叠加，前者是一种串行显示,后者则是一种并行显示。单任务多图幅组织方式更能满足读图用户的需要。

3.制图与读图过程的融合

电子地图具有的交互式探究特点要求地图设计时,充分考虑读图者所扮演的角色。针对用户的层次和兴趣,可设计为让用户读图时,调配自己喜爱的颜色、选择符号、布局图面,甚至于地图综合原则的改变。如地物选取的阀值、统计数据分级、背景层面筛选量。制图与读图融合的程度是一个值得研究的课题,一般针对普通用户，地图内容表示应预先制作固定,地图形式表达方面可以让用户参与。