No3数字地图制图.ppt

数字地图编制,数字地图制图,2008年3月，陕西 杨陵,杨 勤 科,1. 地理信息系统的输出 1.1 输出的必要性 1.2 数据输出的形式/类型 2. 数字地图制图的设计 2.1 GIS与地图 2.2 数字地图设计 3. 数字专题地图编制方法 3.1 表现方法 3.2 对文件的需求 3.3 ARCGIS中符号 3.4 一般过程 4. 初级制图 5. 高级制图 6. 地理信息可视化简介,1. 地理信息系统的输出,为什么重视GIS的输出 根据GIS的基本原理，考虑到GIS的根本目标，对GIS输出的重视有三个方面的考虑： 是实现GIS基本功能的要求； 是系统维护、创造效益的要求； 是数字地图制图的要求。,1.1 输出的必要性,Geographic Database,数据采集 Collection,数据库建设 Editing/Maintenance,数据管理 Management,数据分析Analysis,数据输出 Output,（1）GIS的基本功能之一,（2）系统维护 空间分析会不断产生新的数据集，形成对决策有直接或间接支持能力的产品；形成对相关系统富有意义的、基础性数据集，所以出于系统建立目标（空间决策支持）、系统维护的需要，必须输出；系统不能只输入而不输出； 输出分析结果，支持决策； 输出数据产品，支持相关系统建设、创造效益,（3）数字制图 地图是GIS最重要的分析结果和输出形式。虽然纸本地图依然被广泛使用，但有些场合却很不方便，数字制图极为必要； 如驾驶员的导航； 简单模拟，如“if, then” ， 然而，GIS工具还不具备响应的地图智能，因而那些操作GIS工具的人员应该具备必要的地图学和制图制图学基础知识和基本技能。,稍微有点规模的GIS系统，其输出可归纳为三种类型。 （1）空间数据文件（库）：直接向用户传输数据库中的部分数据。例如国家基础地理信息数据库，下载、购买等； （2）数字制图：根据已有的制图习惯生产，是一种参考或信息传达的产品。例如国家各种比例尺的地形图、1:10万土地利用图等。 （3）空间数据可视化。用临时地图或类似地图方式，用于显示、分析、编辑和查询地理信息。 后两项的区分是武断的，在某种程度上二者存在一定重叠。,1.2 数据输出的类型,2. 数字专题地图制图设计 2.1 GIS与地图,地图的两个主要功能：存储和传输地理信息。 存储：一图胜过千言万语 地形图：全面记录地形、水系、居民地、交通网、境界线、土质、植被 土地资源调查制图（土地类型、利用方式）； 军用地图：军事据点； 传输：各种分析结果 不仅是表达和传递已知的信息，还要能挖掘出特殊的信息。,（1）地图及其功能,地图的作用：地图是重要的空间信息交流和空间决策支持工具。地图的主要作用具体表现在：领土管理（版图）、土地资源（其实是征程自然资源）管理、殖民统治或战争对于地图的需要。而今天的制图机构已经有了更多的用户，并可以满足更广泛的用户需要。,What are maps: maps are graphic representations of reality used to portray geographic information. Cartographers use symbols to depict the locations and distributions that are important to the map user. A map cannot show you everything about a place in exact detail. There is a limit to how many features can be represented because, above all, a map has to be legible. Too many different colors, lines, shapes and text would cause visual cluter on the map. Typically, maps made with ARCPLOT are designed to highlight a small number of important geographic relationships and to illustrate the results of specific ARC/INFO analyses.,地图是描绘地理信息的、对现实世界的一种图形表达。制图学家用符号描述对于读图者十分重要的定位和属性特征，地图不能表示所以信息，地图必须通过对显示内容的限制使之可读。过多的颜色、线划、图斑和文字注记，将使地图显得混乱，通常，地图只是强调一小部分地理现象、地理关系，表示特定分析结果。,（2）纸本地图的不足Limitations of Paper Maps,固定比例尺（fixed scale)：制图综合使地图清晰易读，但这种概化过程（非细化过程）不可逆。数字地图可在一定比例尺范围内缩放，并以适中的细节显示。 固定空间范围（Fixed extent）：如一张地图不能覆盖整个工作区，就必须使用多张相邻的地图（不方便）。数字地图是空间无缝的，有序组织的话用户能看到更为广泛的区域范围。 固定时间（Static view）：纸本地图一般只表达静态的地理现象，数字地图可以表达地理过程的动态。,纸本地图的不足Limitations of Paper Maps （续）,平面地图（Flat）：一般是平面的，限制了3维可视化。 最终显示（only presents complete world view)：是最终分析结果，数字地图可随时组合、打开关闭相关数据层。 以制图者为中心（Map producer-centric），数字地图以用户为中心。,1932年第一次运用航空摄影制图，1972年世界上第一颗资源卫星发射成功，计算机技术广泛应用，地图学进入数字地图制图阶段， “地图设计地图编绘制图印刷”一体化。 意义：生产和传输更快捷，信息丰富且实时显示；功能更强大，特别是科学预测能力。,（3）数字地图与数字地图制图,数字化革命对地图学的影响可以从技术、理论和实践三个方面体现 （1）理论：地图学是研究“让人们基于空间信息做出恰当决策的过程(ICA,2000)。地图是真实世界的图形一符号地理信息模型，地图学是研究制图模型化和地学系统认知的科学。 （2）技术 产品模式，数字地图的出现打破了模拟地图一统天下的局面 地图生产过程全数字化，地图设计生产软件，地图自动综合技术进步，多系统支持对地图学的推动（GPS，通讯、数字摄影测量等） 分发途径（计算机、网络、电视等）,（3）实践：地图教育、市场、国家与区域制图工程、地图的人文价值发掘等 杜清运. 数字地图学发展的现状与趋势. 地理空间信息. 2003， 1（4）：35，13,数字地图制图与地理信息系统(GIS)都以空间地理信息的存取、处理、分析与表达为研究对象，是地图学在数字信息时代的发展与延续。但相比而言，数字地图制图强调空间地理信息的传输和表达，而GIS则以空间地理信息的处理与分析为主， 龙毅 杜清运 邬国锋 蔡忠亮. 数字地图制图向地理信息系统发展的若干问题分析. 地图. 2001， 2：14，22,2.2 数字专题地图的设计,2.2.1 设计原则,主题鲜明：每个地图要有突出的主题，分类、分级细度适中。 科学严密：内容有表现形式，应该达到世界最新科技发展水平、资料可靠、事实求是 艺术美观：图面清晰可读，富有民族特色；符号和色彩设计柔和、协调美观。,2.2.2 影响设计的因素,（1）目的(purpose)：制图目的确定了需要绘制的信息及其绘制方法。普通地图和专题地图，单一目的的专题地图越来越多。 （2）现实(reality)：制图区域的形状。 （3）可获取的数据(available data)：数据的特性(如矢量或栅格，连续或离散，以及点、线、面)会影响地图设计。,（4）地图比例尺(map scale)：它决定了地图的数据量、符号的尺寸及符号的重叠等。详细程度、精确程度. （5）用户(audience)：不同用户需要不同类型的地图，并希望以不同方式进行显示。 （6）使用条件(condition of use)：室内、野外、数字化？户外地图与室内地图不同，户外的光线有好有坏；而室内的光线处于两者之间。 （7）技术限制(technical limit)：数字化的或硬拷贝的显示媒体影响着设计过程。,2.2.2 专题地图设计,总体设计：主要明确以下内容： 1）该图幅是专用还是多用 2）已出版的类似专题地图 3）地图使用者的特殊要求,专题地图图幅的区域范围：是根据用途和要求来确定的。范围选择是否合适，在很大程度上影响着图幅的使用效能，并与专题地图的数学基础有紧密的联系。与普通地图一样，根据图幅范围可分为单幅、单幅图的“内分幅”、分幅三种形式。,第一，突出专题区域线，区内区外表示方法相同，只把专题区域界线加粗，或加彩色晕边，以显示专题区域范围，同时也能与相邻区域紧密联系； 第二，只表示专题区域范围，区域外空白，突出专题区域内容，区内要素与区外没有什么联系。 第三，内外有别，即专题区域内用彩色，区外用单色，且内容从简。这是专题地图普遍采用的方法。,单幅地图：一幅图的范围能完整地包括专题区域而言。专题区域放置在图幅的正中，它的形状确定了图幅的横放、竖放和长宽尺寸。专题区域与周围地区的关系要正确地处理。为了便于阅读和使用，专题地图一般以横放为主要式样；有些专题区域性形状是长的，而地图的方向习惯是上北下南，所以只能竖放。,内分幅：指超过一张全开纸尺寸而分为若干印张而言。“内分幅”应按纸张规格，一般分幅不宜过于零碎，分幅面积的大体相同。,专题地图数学基础的设计,专题地图数学基础包括地图投影、比例尺、坐标网、地图配置与定向、分幅编号和大地控制基础等，其中地图投影和比例尺是最主要的。,1）专题地图的用途与要求 2）制图区域的地理位置、形状和大小 3）地图的幅面及形式,投影和比例尺的设计,1）投影设计 在专题地图制图中采用较多的是等积投影和等角投影，具体设计时采用何种投影，要视专题地图的用途和要求而定。 2）比例尺设计 专题地图比例尺的设计应考虑图幅的用途和要求，根据制图区域形状、大小，充分利用纸张有效面积，并将比例尺数值凑为整数。在实际设计地图比例尺的工作中，往往还会出现一些特殊的问题，如：不要图框或破图框、移图、斜放。,图面设计：专题地图不仅要有科学性，而且也要有艺术性。图面设计包括图名、图例、比例尺、插图（或附图）、文字说明和图廓整饰等。 图名：专题地图的图名要求简明图幅的主题，一般安放在图幅上方中央。字体要与图幅大小相称，以等线体或美术体为主。 图例：图例符号是专题内容的表现形式，图例中符号的内容、尺寸和色彩应与图内一致，多半放在图的下方。,图名位置的安排,附图：是指主图外加绘的图件，在专题地图中，它的作用主要是补充主图的不足。专题地图中的附图，包括重点地区扩大图、内容补充图、主图位置示意图、图表等。附图放置的位置应灵活。 文字说明：专题地图的文字说明和统计数字，要求简单扼要，一般安排在图例中或图中空隙处。其他有关的附注也应包括在文字说明中。,专题地图的总体设计，一定要视制图区域形状、图面尺寸、图例和文字说明、附图及图名等多方面内容和因素具体灵活运用，使整个图面生动，可获得更多的信息。左图展示了一些不同风格的图面设计：,图面设计示例,比例尺：有两种表示方法：一是用文字（如一比四百万）或数字（如1：4000000）表示；二是用图解比例尺表示。图解比例尺间隔也有两种划分方法，一种是按单位长度划分，表明代表的实际长度；一种是按实地公里数划分，每格是按比例计算在图上的长度。比例尺一般放在图例的下方，也可放置在图廓外下方中央或图廓内上方图名下处。,2.2.3 地图符号,地图的语言，表达地图内容的基本手段。 由形状不同、大小不一和色彩有别的图形和文字注记组成 注记也有形状、尺寸和颜色之区别。,地图符号的构成要素：形状、尺寸、颜色与结构；这些也是人们对各种符号产生视觉差异的要素。,Hue spectral color name Value lightness or darkness Saturation brightness or dullness,Color has three distinct properties,Infrared red orange yellow green blue violet ultraviolet,http:/daphne.palomar.edu/design/contents.html,彩色空间,RGB彩色空间 面向硬件的，每种颜色由三种颜色混合而成,颜色C=kR*R+kG*G+kB*B 三刺激值,RGB彩色空间,CMY,CMYK模型（工业颜色模型）,C(cyan,青色)由绿加蓝 M(magenta,洋红)由红加蓝 Y(yellow,黄)由红加绿 K(black,黑) CMY是颜料的原色，区别与RGB,定义一种原色为减去或吸收的一种原色并反射另两种原色。主要用在打印机上。,HIS模型（视觉颜色模型系统）,区分颜色常用的3种基本特性量： 色调（Hue）、 强度 （Intensity）。 饱和度（Saturation） 适合人解释图像 如：对某颜色，描述为很耀眼的浅红色。,与混合光谱中主要光波长相联系 由角度表示。反映了该颜色最接近什么样的光谱波长。0o为红色，120o为绿色，240o为蓝色。,色调Hue,色度（H） 的效果示意图,强度Intensity,与物体的反射率成正比 它确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。,亮度(I)效果示意图,饱和度Saturation,与一定色调的纯度有关 饱和度参数是色环的原点到彩色点的半径长度。 在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性（灰）色，即饱和度为0。,饱和度（S） 的效果示意图,HSI色系,红点的上下移动,红点的顺（逆）时针转动,红点向圆心方向移动,Bertin's Graphic Primitives,符号尺寸 size,明暗关系 value,色调 hue,饱和度 saturation,area line point,Bertins Graphic Primitives （cont),area line point,点符号,线状符号,面状符号,地图符号的种类,符号选择：地形图的图式、一些普通地理图上的常见图例等，都是我们设计符号的依据。,3. 数字专题地图编制方法,（1）定点符号法：用不同形状、颜色和大小的符号表示点状（或集中分布）现象分布、数量质量特征。 位置：符号定位；数量：符号大小；质量：形状和颜色,点值法的优点是简单明了，如果恰当地采用不同颜色和不同形状的点，既可以表示现象的数量特征，也可以表示它的质量特征和发展概况。,3.1 专题地图主要表现方法,（2）线状符号法：用线状符号表示线状、带状现象位置、方向、数量质量特征。 位置：符号定位；数量：符号大小；质量：形状和颜色,河流、公路、公路,（3）等值线,将某种现象数值相同的点连成的平滑曲线，称等值线。 用来表示现象的连续分布和空间变化趋势。 常见：气候要素、高程,延安示范区01-03年6-9月降水量均值,（4）质量底色法（质地法）,用不同底色表示整个制图区域内某面状现象的质量和数量差别。用颜色设计简单，表现能力强；,E:Digital_Mappingmaps_zhuxm.apr, data:home:/F:DlpDLP50sZhu_Mapsflqslxt,（4）质量底色法（续）,用符号（晕线）设计比较难，表现能力更强；,E:Digital_Mappingmaps_zhuxm.apr, data:home:/F:DlpDLP50sZhu_Mapsflqslxt,质底法+分级制图 Choropleth Class Schemes,Longley, 2005, p278,（5）范围法,表示某现象在制图区内一定范围的分布。,不连续成片状分布，一定不覆盖全制图区。,长武县王东沟流域黄土陡崖分布图,（5）范围法（续）,延安,延安示范区陡坡耕地分布图（2001年）,延安,15°,25°,Data: E:YAEDAEDAly03; Definition:(Ly=132) and (Ly =25),3.2 对文件的需求 必须有数字化地图、或者能生成数字地图的数据支持； Coverages, grids, TINs, Images, etc;,3.3 ARCGIS中的符号系统 点: marker symbols - What are markerset files? 普染: Shade symbols - What are shadeset files? carto.shd; color.shd; colornames.shd; plotter.shd; stipple.shd; template.shd 线: line symbols - What are lineset files? carto.lin;color.lin;geology.lin;oilgas.lin;plotter.lin;template.lin;weather.lin,Goto ArcInfo Workstation ArcDoc?,3.4 一般步骤,设计、编制、生产（出版）一体化 制图方法模型化、程序(自动化）,基本要素,（1）图名,（2）作者,（3）专题要素和图例,（4）比例尺,（5）内外土廓,（6）经纬网及其注记,（7）地名和河流,基础地理要素+专题内容+辅助要素（必要说明）,（8）必要的说明,缺投影信息,Title 图名,Legend 图例,Projection,Grid经纬网,Data Source 数据基础,Inset map 插图,Map Body 主图,Author 作者,North Arrow,Scale,4. 初级制图,4.1 浏览：概略知道图文件是什么,图形显示,图形和属性查询,4.2 矢量制图,利用coverage或可生成coverage的文件制图。 用现有属性（字段）制图 现有属性库+模型,全国：国界、经纬网、主要河流、省会城市 黄土高原：边界1、边界2、主要河流、多沙粗沙区边界、延河流域（框）、经纬网,（1）目的（大纲）：论文插图，表明延河流域位置 - 在地表、在中国 （2）收集准备数据库（浏览）,延河流域示意图 制作过程,投影：albers1, albers2,Projection:ALBERS Zunits: NO Units:METERS Spheroid:KRASOVSKY Xshift:0.0000000000 Yshift:0.0000000000 Parameters 25 10 0.000 47 0 0.000 110 0 0.000 0 0 0.000 0.00000 0.00000,Projection:ALBERS Zunits: NO Units:METERS Spheroid:KRASOVSKY Xshift:0.0000000000 Yshift:0.0000000000 Parameters 25 10 0.000 /* 1st standard parallel 47 0 0.000 /* 2nd standard parallel 110 0 0.000 /* central meridian 0 0 0.000 /* latitude of projection's origin 0.00000 /* false easting (meters) 0.00000 /* false northing (meters),示意整个过程,E:04YQKACIARDEM_PaperCovs_Paper,5. 高级数字制图,利用矢量和栅格格式数据，经过一定出来和运算，编制数字地图。,5.1 基于矢量数据、属性数据库运算 以纸坊沟流域土壤侵蚀评价为例,以纸坊沟流域土壤侵蚀评价为例,（1）数据库,空间单元：侵蚀环境表件相对均一的空间单元 （土地利用、地貌（坡度、坡向、沟/梁结构）、土壤类型）,属性数据：影响侵蚀的各种环境条件 A = KRSLCP （Universal Soil Loss Equation, USLE）,Data source: E:Digital_MappingUSLE_Mappingeropat.xls,（2）计算方法,数据源：base （ARC/INFO coverage） 将base.pat（info）导出为eropat.dbf（ dbase格式） 在Foxpro中运行USLE.PRG 将eropat.dbf 导入为base.pat,（3）制图方法,ARCVIEW支持下 简便方法1 ARCGIS支持下 简便方法2 （goto arcgis and import arcview project） ARCPLOT支持下 编程方式 （goto ArcPlot and run ero_map.aml, show key file,精心设计（坐标、字体等），可编制符合制图学要求专题地图。,show the aml and map making processes; E:0YQKmappingero_onetime.aml,3.2 基于栅格数据（DEM），提取水系和流域边界并编制水系结构图 - 以小范家沟为例; aml,3.3 基于栅格数据（TM），提取NDVI并与矢量数据复合，进行植被覆盖度制图 - 以黄河流域典型区域（1:10万土壤侵蚀图、30米TM）为例,科学计算可视化：是一种计算方法，它研究如何把科学数据，无论是通过计算还是从测量获得的数值，或是从卫星传送回来的图像，或是医学CT（计算机层面X射线照相）和MRI（核磁共振成像）转换成可视的、能帮助科学家理解的信息。,地学计算可视化：是把计算机图形学与图像处理技术应用于地学计算的学科。,6.1 可视化概念,6 地理信息可视化,地学（科学）计算可视化技术的出现，是为了解决： （1）为了高效地处理地学数据和解释地学数据； （2）为了解决信息交流手段贫乏的问题；,目的意义：虽然人类应用语言文字交流的历史超过5000年，但一直缺乏有效的交流视觉信息的手段。,现代科学提供的很多信息无法用印刷品进行交流：DNA（脱氧核糖核酸）大分子序列、分子模型、医学扫描图像、人脑图谱、流体流动仿真、飞行器在地表面飞行仿真等等科学家之间就上述信息进行交流时，必须借助于可视图像才行。,把地学数据转换成可视的图形这一工作对地学专家而言并不新鲜。 测绘、制图（普通地图、专题地图，剖面图等），都是用图形(地图)来表达对地理世界现象与规律的认识和理解。 科学计算可视化与上述经典常规工作的最大区别是科学计算可视化是基于计算机开发的工具、技术和系统，而过去地学中的可视表达和分析是手工或机助的(计算机辅助制图)，并把纸质材料作为地图信息存储传输的媒介。,地学（科学）计算可视化研究内容 （1）研究如何把科学数据数值与图像，转变成可视的图形（图像）与可理解的信息的工具； （2）研究把可视化技术应用于地学的各个学科。,6.2 可视化的技术与方法,可视化的方法1 ： （1）写景法；（2）半色调符号表示法；（3）等高线法；（4）分层次设色发；（5）晕渲法；（6）拍摄实地景观照片；（7）建造三维集合相似的物理模型；（8）产生三维线框透视投影图；（9）真实感图形显示。,1 李志林，朱庆, 数字高程模型（第二版）. 2003, 武汉: 武大出版社,可视化过程包含两类输入数据；（1）来自模拟阶段（计算或实验）的数据；（2）分析阶段中产生的控制可视化过程的指令。 可视化过程的输出为可视的图形（图像）信息，以供分析用。,GIS 可视化也分为：图形表达、图示表达与地图表达三个阶段。 图形表达：用户在选择了视觉变量(尺寸、色彩、纹理等) 的基础上，进行全要素的显示、分图层的显示或分区域的显示等。 是原始数据或者是原始数据分析结果的可视化，因为缺少基本的地图元素而不是地图。,图示表达：依据地图图式规范，实现地理数据的符号化；并配以相应的图例说明,便可以把地理数据搬上屏幕。,第三, GIS 的地图表达。,可视化的硬件：包括计算机与外部设备。 计算机应具有高速运算能力与较强的图形处理能力，然而至今没有哪一类计算机能同时满足这两个要求。 超级计算机是拥有最高运算速度的一类计算机，最适用于科学计算任务然而超级计算机几乎没有任何图形处理等显示功能，需要高性能图形终端提供图形处理与显示能力。 图形工作站在一般工程设计中应用普遍，因为它拥有最好的图形处理功能，又拥有相对较高的运算速度。 复杂科学计算的可视化，通常应用超级计算机作科学计算，将结果通过高速网络送图形工作站作图形综合与显示；,6.3 虚拟地理环境,虚拟现实(Virtual Reality)又称灵境技术，是指通过头盔式的三维立体显示器、数据手套、三维鼠标、数据衣(Data Suit)、立体声耳机等专业设备使人能完全沉浸计算机创造的一种特殊三维图形环境，并且人可以操作控制三维图形环境，实现特殊的目的。多感知性(视觉、听觉、触觉、运动等)，沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)，自主感(Autonomy)是虚拟现实技术的四个重要特征。,虚拟现实技术场景图,虚拟现实技术工具,虚拟现实技术、计算机网络技术与地学相结合，可产生虚拟地理环境VGE (Virtual Geographical Environment)。虚拟地理环境是基于地学分析模型、地学工程等的虚拟现实，它是地学工作者根据观测实验、理论假设等建立起来的表达和描述地理系统的空间分布以及过程现象的虚拟信息地理世界，一个关于地理系统的虚拟实验室，它允许地学工作者按照个人的知识、假设和意愿去设计修改地学空间关系模型、地学分析模型、地学工程模型等，并直接观测交互后的结果，通过多次的循环反馈，最后获取地学规律。,虚拟地理环境特点,地学工作者可以进入地学数据中，有身临其境之感； 具有网络性，从而为处于不同地理位置的地学专家开展同时性的合作研究、交流与讨论提供了可能。,虚拟地理环境与地学可视化的关系,虚拟地理环境中关于从复杂地学数据、地学模型等映射成三维图形环境的理论和技术，需要地学可视化的支持；而地学可视化的交流传输与认知分析在具有沉浸投入感的虚拟地理环境中，则更易于实现。地学可视化将集成于虚拟地理环境中。,色彩的形成与分布,光学原理解释的色彩的形成,