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文檔簡介
第八章:網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)第一節(jié):計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)第二節(jié):網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)組合方式全集中式數(shù)據(jù)集中式功能集中式全分布式函數(shù)庫服務(wù)器第三節(jié):萬維網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)WEBGIS的定義Webgis的構(gòu)建模式
1)基于服務(wù)器的WebGIS模式
2)基于客戶機(jī)的WebGIS模式
3)基于服務(wù)器/客戶機(jī)的WebGIS模式WEBGIS的實(shí)現(xiàn)技術(shù)
較常用的有:CGI:即通用網(wǎng)關(guān)接口技術(shù)(CommonGatewayIterface);Plug-in,即應(yīng)用程序插件技術(shù);ActiveX控件和COM對象構(gòu)件;Java語言編程的技術(shù),包括Java小程序(Applet)和Java虛擬機(jī)技術(shù)(VRM)等WEBGIS技術(shù)發(fā)展趨勢1.GML——網(wǎng)絡(luò)環(huán)境空間數(shù)據(jù)交換和共享的途徑
HTMLXMLGML空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn):空間數(shù)據(jù)具有:多源性,多語義性,多時(shí)空性,多尺度和獲取數(shù)據(jù)手段的復(fù)雜性等特點(diǎn),傳統(tǒng)的web語言:HTML超文本標(biāo)識語言,它其實(shí)是一種文本顯示語言,其表現(xiàn)力弱,結(jié)構(gòu)簡單,擴(kuò)展性差,互操作困難,不利于空間數(shù)據(jù)的顯示,處理和共享,隨著webgis的發(fā)展,這種弊端越來越明顯,迫切需要改變XML可擴(kuò)展標(biāo)識語言--ExtensibleMarkupLanguage)他是W3C組織所公布的新一代web語言。XML語言是一種元語言,是用來定義其他語言的語言??梢宰屝畔⑻峁┱吒鶕?jù)需要,自行定義標(biāo)記和屬性名,也可以包含描述法,從而使XML具有跨平臺、靈活性、可擴(kuò)展、自我描述、高度結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn),特別可以以其為基礎(chǔ)定義其特定領(lǐng)域的特殊標(biāo)記語言,作為該領(lǐng)域信息交換和數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)。GML在地理空間領(lǐng)域,OpenGIS聯(lián)盟(OGC)于2000年4月推出地理標(biāo)記語言(geographymarkuplanguage-GML),一種基于XML的對地理信息(包括地理特征的幾何和屬性)的傳輸和存儲的編碼規(guī)范,并與2001年2月制定了更為完善的GML2.0版本在WEBGIS中引入GML,至少可以獲得以下好處:1.使來自不同地方,不同數(shù)據(jù)庫,不同Gis軟件所產(chǎn)生的空間數(shù)據(jù)能夠無縫集成2.有利于實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化,并且這是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn),得到各大公司的支持,具有良好的擴(kuò)展性。SVG(ScalableVectorGraphics)是一種基于XML的用來描述二維矢量圖形和矢量/點(diǎn)陣混合圖形的置標(biāo)語言,是一種全新的矢量圖形規(guī)范。SVG規(guī)范定義了SVG的特征、語法和顯示效果,包括模塊化的XML命名空間(namespace)和SVG文檔對象模型(DOM)。SVG定義在網(wǎng)頁中嵌入SVG對象將實(shí)現(xiàn)基于瀏覽器的GIS系統(tǒng),需要將SVG圖形對象嵌入到網(wǎng)頁中,使用如下HTML代碼來實(shí)現(xiàn),例如
<embedwidth=“640”height=“560”type=“image/svg-xml”id=“svgmapctrl”pluginspage=“/svg/viewer/install/”src=“default.svg”></embed>
其中embed標(biāo)簽指定為一個(gè)嵌入的對象。SVG顯示地圖的優(yōu)點(diǎn)
和Bitmap、GIF、JPEG等其他柵格圖像格式相比,SVG有很多優(yōu)點(diǎn)。(1)放大縮小:用戶可以放大地圖圖像到任何倍數(shù)而不必?fù)?dān)心損失地圖的細(xì)節(jié)。(2)文字的查詢:由于文字在SVG圖形里面仍然是以文字表示的,所以可以很容易地被查詢和修改。(3)文件小:在Internet上可以很快地下載。(4)可提供16位色支持,使地圖顏色豐富多彩。(5)可以很容易地實(shí)現(xiàn)和用戶的交互,編寫鼠標(biāo)事件就可以實(shí)現(xiàn)高亮度顯示,地圖提示,特殊效果等。另外,SVG也可以方便地添加?xùn)鸥駡D形,這樣在發(fā)布遙感圖像的時(shí)候就非常方便。SVG局限性對于高級的GIS信息,SVG是有局限性的。目前,SVG不支持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),地理坐標(biāo)系統(tǒng)和3D數(shù)據(jù)。而且,地理對象的屬性數(shù)據(jù)并不是直接存儲的,而是分解為color,line-style等符號。因此,OpenGIS組織提出了一種基于XML標(biāo)準(zhǔn)的,專門為地理空間數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的規(guī)范——GML。GML與SVG的結(jié)合由于GML是OpenGIS組織提出的地理空間數(shù)據(jù)Web發(fā)布架構(gòu)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和存儲的媒介,而SVG可以方便地用來對空間地理數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽。兩者的結(jié)合可以互相補(bǔ)充,使WebGIS中地圖數(shù)據(jù)的傳送變得有效。由于SVG和GML都是基于XML的,所以應(yīng)用XLST互相轉(zhuǎn)化是很容易的。圖1是一個(gè)基于GML+SVG的WebGIS系統(tǒng):XSLTXSLT(ExtensibleStylesheetLanguageTransformations)是把一種XML格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為另外一種XML格式的數(shù)據(jù)的語言。源XML數(shù)據(jù)的元素被分析,過濾,記錄。新的元素根據(jù)轉(zhuǎn)化要求被創(chuàng)建。這樣一個(gè)新的XML文件會(huì)被創(chuàng)建。用GML表示的空間地理數(shù)據(jù)可以方便轉(zhuǎn)化為SVG格式。Webgis的體系結(jié)構(gòu)包括:a.數(shù)據(jù)的開放,即分布在異構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的信息能共享GML解決方案:b.數(shù)據(jù)訪問方法的開放,即不同的地理信息系統(tǒng)軟件之間具有良好的互操作性對webgis所提出的這些要求正是opengis聯(lián)盟(OGC)所成立的目的,它多年來致力于opengis并且制定了一套o(hù)pengis的開放的地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范OGIS(opengeographicinteroperablespecification),這些規(guī)范為軟件開發(fā)者提供了框架,更具這些框架開發(fā)的軟件可以使他們的用戶在一個(gè)開放信息技術(shù)的基礎(chǔ)上通過一般的計(jì)算界面就可以訪問和處理不同來源的地理數(shù)據(jù)。2.開放式地理信息系統(tǒng)3.網(wǎng)絡(luò)虛擬地理環(huán)境
所謂“虛擬地理環(huán)境”是指用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界,讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā),利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。地理虛擬建模語言(GeoVRML)是由Web3D聯(lián)盟下屬的一個(gè)官方工作組所制定的一種地理虛擬建模語言,它是用虛擬建模語言(VRML)為基礎(chǔ)來描述地理空間數(shù)據(jù).其目的是讓用戶通過一個(gè)在Web瀏覽器安裝的標(biāo)準(zhǔn)的VRML插件來瀏覽地理參考數(shù)據(jù)、地圖和三維地形模型.它的出現(xiàn)將為在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境提供一個(gè)良好的數(shù)據(jù)規(guī)范平臺,將大大促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)虛擬地理環(huán)境的應(yīng)用.最后的期望和要求深入理解GIS的原理利用GIS解決各種問題掌握一門計(jì)算機(jī)高級語言(VB/VC等)掌握一些常用的GIS平臺(如mapinfo、arcview、arcgis等)學(xué)會(huì)一些利用GIS控件開發(fā)(mapx、mo等)和內(nèi)置二次開發(fā)語言進(jìn)行開發(fā)(如mapbasic等)WebGIS可以簡單定義為在Web上的GIS,就是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和WWW技術(shù),完善和擴(kuò)展傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)功能的一門新技術(shù),借助WebGIS,人們可以在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布空間數(shù)據(jù),也可以在WWW上的任一節(jié)點(diǎn)上利用瀏覽器訪問地理信息,進(jìn)行空間檢索和空間分析。與傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)相比,WebGIS具有以下特點(diǎn):更廣泛的訪問范圍,更簡單的操作;平臺獨(dú)立性;節(jié)約系統(tǒng)成本等。從而使得GIS突破專業(yè)限制,開始進(jìn)入千家萬戶。返回第二章空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及編碼1、從現(xiàn)實(shí)世界到計(jì)算機(jī)世界概念模型數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件格式四個(gè)層次現(xiàn)實(shí)世界用戶認(rèn)識局部抽象概念模型面向用戶數(shù)據(jù)模型面向機(jī)器按照著名數(shù)據(jù)庫專家E.F.Codd的理論認(rèn)為數(shù)據(jù)模型實(shí)質(zhì)上是一組為用戶服務(wù)的規(guī)則,這些規(guī)則規(guī)定其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何組織以及應(yīng)當(dāng)允許進(jìn)行何種操作。一基本概念2.Gis中地理空間數(shù)據(jù)組織的主要對象從地理空間現(xiàn)象或事物到計(jì)算機(jī)世界,一般也要有概念模型,數(shù)據(jù)模型,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文件格式幾個(gè)層次.這個(gè)過程有時(shí)統(tǒng)稱為地理空間數(shù)據(jù)建模Gis怎樣組織數(shù)據(jù)以模擬地理事物和現(xiàn)象的呢?舉例我們將gis所抽象,表達(dá)的地理事物和現(xiàn)象,稱為空間對象;空間對象的位置相互關(guān)系,稱為空間關(guān)系a空間對象點(diǎn)狀空間對象(0維對象)線狀空間對象面狀空間對象體狀空間對象除空間維數(shù)特性外,空間對象還可以從其復(fù)雜性,規(guī)則性,人為性等角度認(rèn)識和區(qū)分b空間關(guān)系通常分為3類度量空間關(guān)系順序空間關(guān)系拓?fù)淇臻g關(guān)系
連接性
包含
鄰接性3.空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)模型兩個(gè)概念之間的關(guān)系空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)模型研究地理空間數(shù)據(jù)組織和管理.兩者之間的關(guān)系,與一般的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型的關(guān)系有兩點(diǎn)相似之處.其一,空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所作的數(shù)據(jù)組織工作,比空間數(shù)據(jù)模型更基層些,它偏重?cái)?shù)據(jù)表達(dá)的物理實(shí)現(xiàn),而空間數(shù)據(jù)模型涉及到空間數(shù)據(jù)管理的層次.其二,同普通數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型一樣,空間數(shù)據(jù)模型的命名通常與相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同.4.空間分析與非空間分析5.空間數(shù)據(jù)定義特點(diǎn):數(shù)據(jù)的空間性數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)的時(shí)間性6.空間數(shù)據(jù)的編碼7.空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系地理要素之間的空間區(qū)位關(guān)系可抽象為點(diǎn)、線(或?。?、多邊形(區(qū)域)之間的空間幾何關(guān)系,其關(guān)系如下
歐氏平面上實(shí)體對象所具有的拓?fù)浜头峭負(fù)鋵傩酝負(fù)鋵傩砸粋€(gè)點(diǎn)在一個(gè)弧段的端點(diǎn)一個(gè)弧段是一個(gè)簡單弧段(弧段自身不相交)一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的外部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)環(huán)的內(nèi)部一個(gè)面是一個(gè)簡單面(面上沒有“島”)一個(gè)面的連續(xù)性(給定面上任意兩點(diǎn),從一點(diǎn)可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點(diǎn))非拓?fù)鋵傩詢牲c(diǎn)之間的距離一個(gè)點(diǎn)指向另一個(gè)點(diǎn)的方向弧段的長度一個(gè)區(qū)域的周長一個(gè)區(qū)域的面積弧屬性表(AAT)多邊形屬性表(PAT)#-id多邊形標(biāo)識碼周長面積108.418-4.50621048.5962.07831024.2961.14441012.2330.30151034.3250.983#-id弧標(biāo)識碼起始結(jié)點(diǎn)終到結(jié)點(diǎn)弧左多邊形弧右多變形弧長13831321.51523343351.04033541132.10643722242.23353615124.12063953521.09373445512.1931.本圖有多少個(gè)多邊形和?。?.哪個(gè)多邊形是包含于另一個(gè)中?3.哪個(gè)多邊形和多邊形102相鄰?4.手工建立一個(gè)簡單示意圖表明本圖的空間格局二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
定義:又稱為網(wǎng)格結(jié)構(gòu),它是將地表劃分成為緊密相鄰的網(wǎng)格陣列。每個(gè)網(wǎng)格的位置由行列號定義。它包含一個(gè)代碼,以表示該網(wǎng)格的屬性或指向?qū)傩杂涗浀闹羔槨W⒁猓簴鸥駭?shù)據(jù)模型是將連續(xù)空間離散化,即用二維鋪蓋或劃分覆蓋整個(gè)連續(xù)空間,這種鋪蓋可以分為規(guī)則的和不規(guī)則的1.概念三角形、方格和六角形劃分
柵格數(shù)據(jù)模型2.圖形柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示00002000000200000102033000023333002033330020033002000000線面點(diǎn)3.決定柵格單元代碼的方式
面積占優(yōu)法
中心點(diǎn)法
重要性法
4.柵格結(jié)構(gòu)編碼方式直接?xùn)鸥窬幋a行程編碼塊碼鏈?zhǔn)骄幋a四叉樹結(jié)構(gòu)二維行程編碼基本思路:對于一幅柵格圖像,常常有行(或列)方向上相鄰的若干點(diǎn)具有相同的屬性代碼,因而可采取某種方法壓縮那些重復(fù)的記錄內(nèi)容。游程長度編碼(Run-LengthCodes)1)只在各行(或列)數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時(shí)依次記錄該代碼以及相同的代碼重復(fù)的個(gè)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。兩種方案(屬性值,長度)
例如
(0,1),(4,2),(7,5);(4,5),(7,3);(4,4),(8,2),(7,2);(0,2),(4,1),(8,3),(7,2);
(0,2),(8,4),(7,1),(8,1);(0,3),(8,5);(0,4),(8,4);(0,5),(8,3)。0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888壓縮比的大小是與圖的復(fù)雜程度成反比的,在變化多的部分,游程數(shù)就多,變化少的部分游程數(shù)就少,圖件越簡單,壓縮效率就越高44:642)逐個(gè)記錄各行(或列)代碼發(fā)生變化的位置和相應(yīng)代碼編碼如下(沿列方向)(1,0),(2,4),(4,0);(1,4),(4,0);(1,4),(5,8),(6,0);(1,7),(2,4),(4,8),(7,0);(1,7),(2,4),(3,8),(8,0);(1,7),(3,8);(1,7),(6,8);(1,7),(5,8)。(屬性值,屬性發(fā)生變化的位置)0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888特點(diǎn):屬性的變化愈少,行程愈長,則壓縮的比例越大,壓縮比與圖的復(fù)雜程度成反比。
塊碼是游程長度編碼擴(kuò)展到二維的情況,采用方形區(qū)域作為記錄單元,每個(gè)記錄單元包括相鄰的若干柵格,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由初始位置(行、列號)和半徑,再加上記錄單位的代碼組成。塊碼對圖所示圖像的塊碼編碼如下:
(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4),(3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),(8,5,1,0)。0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888該例中塊碼用了120個(gè)整數(shù),比直接編碼還多,這是因?yàn)槔袨槊枋龇奖?,柵格劃分很粗糙,在?shí)際應(yīng)用中,柵格劃分細(xì),數(shù)據(jù)冗余多的多,才能顯出壓縮編碼的效果,而且還可以作一些技術(shù)處理,如行號可以通過行間標(biāo)記而省去記錄,行號和半徑等也不必用雙字節(jié)整數(shù)來記錄,可進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)冗余。塊碼具有可變的分辨率,即當(dāng)代碼變化小時(shí)圖塊大,就是說在區(qū)域圖斑內(nèi)部分辨率低;反之,分辨率高。塊碼與游程長度編碼相似,隨著圖形復(fù)雜程度的提高而降低效率,就是說圖斑越大,壓縮比越高;圖斑越碎,壓縮比越低。塊碼在合并、插入、檢查延伸性、計(jì)算面積等操作時(shí)有明顯的優(yōu)越性。然而在某些操作時(shí),則必須把游程長度編碼和塊碼解碼,轉(zhuǎn)換為基本柵格結(jié)構(gòu)進(jìn)行。鏈碼(ChainCodes)
鏈碼又稱為弗里曼鏈碼[Freeman]或邊界鏈碼,鏈碼可以有效地壓縮柵格數(shù)據(jù),而且對于估算面積、長度、轉(zhuǎn)折方向的凹凸度等運(yùn)算十分方便,比較適合于存儲圖形數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是對邊界進(jìn)行合并和插入等修改編輯工作比較困難,對局部的修改將改變整體結(jié)構(gòu),效率較低,而且由于鏈碼以每個(gè)區(qū)域?yàn)閱挝淮鎯吔?,相鄰區(qū)域的邊界將被重復(fù)存儲而產(chǎn)生冗余。
基本思想:將一幅柵格地圖或圖像等分為四部分,逐塊檢查其格網(wǎng)屬性值(或灰度),如果某個(gè)子區(qū)的所有格網(wǎng)值都相同,則這個(gè)子區(qū)就不再繼續(xù)分割,否則還要把這個(gè)子區(qū)再分割,直到每個(gè)子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。
四叉樹結(jié)構(gòu)四叉樹編碼具有可變的分辨率,并且有區(qū)域性質(zhì),壓縮數(shù)據(jù)靈活,許多運(yùn)算可以在編碼數(shù)據(jù)上直接實(shí)現(xiàn),大大地提高了運(yùn)算效率,是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一1)從四叉樹的特點(diǎn)可知,一幅2n*2n
柵格陣列圖,具有的最大深度數(shù)為n,可能具有的層次為0,1,2,……..n注意2)每一層的柵格寬度,即每層邊上包含的最大柵格數(shù),反映了所在葉結(jié)點(diǎn)表示的正方形集合的大小,其值為:2(最大深度-當(dāng)前層次)例如:一幅23×23
的柵格陣列,它具有的最大深度為3,可能層次分別為0,1,2,3。其中:第0層邊長上的最大柵格數(shù)為2(3-0)=8
第1層邊長上的最大柵格數(shù)為2(3-1)=4
第2層邊長上的最大柵格數(shù)為2(3-2)=2
第3層邊長上的最大柵格數(shù)為2(3-3)=1111100001111000011100000111000003344400033444000334400003344000011011010344004034000層1層2層3層(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)常規(guī)四叉樹除了記錄葉結(jié)點(diǎn)之外,還要記錄中間結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)之間借助指針聯(lián)系,每個(gè)結(jié)點(diǎn)需要用六個(gè)量表達(dá),即四個(gè)葉結(jié)點(diǎn)指針、一個(gè)父結(jié)點(diǎn)指針和一個(gè)結(jié)點(diǎn)的屬性或灰度值。這些指針不僅增加了數(shù)據(jù)儲存量,而且增加了操作的復(fù)雜性。常規(guī)四叉樹與線性四叉樹線性四叉樹只存儲最后葉結(jié)點(diǎn)的信息。包括葉結(jié)點(diǎn)的位置、深度和本結(jié)點(diǎn)的屬性或灰度值線性四叉樹葉結(jié)點(diǎn)的編號需要遵循一定的規(guī)則,這種編號成為地址碼,它隱含了葉結(jié)點(diǎn)的位置和深度信息。a.基于深度和層次碼的線性四叉樹的編碼它是通過記錄葉結(jié)點(diǎn)的深度碼和層次碼來描述葉結(jié)點(diǎn)的位置碼幾種線性四叉樹的編碼111100001111000011100000111000003344400033444000334400003344000011011010344004034000層1層2層3層(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)
該地址碼的十進(jìn)制為:?層次碼深度碼第一層第二層第三層00111100110層1層2層3層(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)b.基于四進(jìn)制的線性四叉樹編碼0層1層2層3層(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)第一層第二層第三層033思考請為23×23
柵格陣列中的每個(gè)柵格建立基于四進(jìn)制的四叉樹編碼方式的地址碼?你能找出何種規(guī)律?000001010011100101110111000000001010011100101110111001002003012013102103112113010020021030031120121130131011022023032033122123132133100200201210211300301310311101202203212213302303312313110220221230231320321330331111222223232233322323332333
先將柵格的行列號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制,得二進(jìn)制行號Iyb,列號Ixb,則M=2×Iyb+I(xiàn)xb如結(jié)點(diǎn)7:
M=2*011+011=033如果知道基于四進(jìn)制四叉樹編碼方式的地址碼,你能知道它的行列號碼嗎?思考若該位的編碼值為0,1,則行號Iyb值為0;若該位的編碼值為2,3,則行號Iyb值為1;若該位的編碼值為0,2,則列號Ixb值為0;若該位的編碼值為1,3,則列號Ixb值為1;
如:M碼為:103
二進(jìn)制行值Iyb為:001
二進(jìn)制列值Ixb為:101000001010011100101110111000000001010011100101110111001002003012013102103112113010020021030031120121130131011022023032033122123132133100200201210211300301310311101202203212213302303312313110220221230231320321330331111222223232233322323332333000001010011100101110111000000110010100203003101103203310020213003013110130230311022233233111規(guī)則:首先將二維柵格數(shù)據(jù)的行列號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制,然后交叉放入Morton碼中,即為線性四叉樹的地址碼:行號=5(101);列號=7(111)
Morton=110111=55c.基于十進(jìn)制的線性四叉樹編碼
請快速建立8*8柵格陣列中的每個(gè)柵格的Morton思考0000010100111001011101110000145161720210012367181922230108912132425282901110111415262730311003233363748495253101343538395051545511040414445565760611114243464758596263M碼屬性值004050607480124……….….….…..…..….…..二維行程編碼二維行程編碼再議游程編碼a.定義游程編碼結(jié)構(gòu)游程指相鄰?fù)稻W(wǎng)格的數(shù)量,游程編碼結(jié)構(gòu)是逐行將相鄰?fù)档木W(wǎng)格合并,并記錄合并后網(wǎng)格的值及合并網(wǎng)格的長度,其目的是壓縮柵格數(shù)據(jù)量,消除數(shù)據(jù)間的冗余。游程編碼結(jié)構(gòu)的建立方法是:將柵格矩陣的數(shù)據(jù)序列X1,X2,X3…..XN,映射為相應(yīng)的二元序列(Ai,Pi),i=1,k,且k<=n.其中,A為屬性值,P為游程,k為游程序號2255275577755555序號二元組序列1(2,2)2(5,2)3(2,1)4(7,1)5(5,2)6(7,3)7(5,5)二元映射這種結(jié)構(gòu)特別適合于二值圖數(shù)據(jù)的表示,如圖1111111000001111100001111序號二元組序號1(1,7)2(0,5)3(1,5)4(0,4)5(1,4)二元映射b.游程編碼能否壓縮數(shù)據(jù)量,主要決定于柵格數(shù)據(jù)的性質(zhì),通??赏ㄟ^事先測試,估算圖層的數(shù)據(jù)冗余度Re:Re=1-Q/(M×N)Q:圖層內(nèi)相鄰屬性值變化次數(shù)的累加和M:為圖層網(wǎng)格的行數(shù)N:為圖層網(wǎng)格的列數(shù)當(dāng)?shù)闹荡笥?/5的情況下,表明柵格數(shù)據(jù)的壓縮可取得明顯的效果c.當(dāng)柵格數(shù)據(jù)位數(shù)字高程時(shí)當(dāng)柵格數(shù)據(jù)為規(guī)則的數(shù)字地形高程即DEM時(shí),由于這種類型數(shù)據(jù)的相鄰的數(shù)據(jù)具有高度的相關(guān)性,可通過差分映射進(jìn)行預(yù)處理,然后在采用游程長度壓縮編碼法。例如2468357824682581122223221222223332321223差分d.基于游程編碼結(jié)構(gòu)的柵格數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)組織方式為了提高系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)的訪問效率,通常采用索引順序文件的方法來組織數(shù)據(jù)。當(dāng)由位置參數(shù)訪問其屬性特征時(shí),利用邏輯順序和邏輯地址的關(guān)系,很快在索引文件中找到指向數(shù)據(jù)文件欲訪柵格的指針,并求出其邏輯地址,就能找到該柵格的屬性。柵格行序號逐行游程累計(jì)數(shù)0102..10037..572游程序號編碼值0001000200030004.0007..0572R1R2R3R4.R7.R572索引文件數(shù)據(jù)文件5.多重屬性下的柵格數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)文件像元1X坐標(biāo)Y坐標(biāo)層1屬性層2屬性層3屬性層n屬性像元2像元n以像元為記錄的序列。優(yōu)點(diǎn):因?yàn)閚層中每個(gè)像元實(shí)際是只存儲了一層的像元坐標(biāo),節(jié)約存儲空間;每個(gè)網(wǎng)格單元的多主題或多層之間比較相對容易實(shí)現(xiàn)。不足之處在于不能完全各主題的空間關(guān)系,即由于每個(gè)網(wǎng)格單元位置單獨(dú)編碼,要比較不同層的網(wǎng)格單元組是很困難的以層為基礎(chǔ),每一層又以像元順序記錄它的坐標(biāo)和屬性值,一層記錄完后再記錄第二層。這種方法較為簡單,但需要的存貯空間最大。數(shù)據(jù)文件層1x坐標(biāo)Y坐標(biāo)屬性值像元2像元n像元1層2層n
以層為基礎(chǔ),但每一層內(nèi)則以多邊形(也稱制圖單元)為序記錄多邊形的屬性值和充滿多邊形的各像元的坐標(biāo)。
數(shù)據(jù)文件層1屬性值多邊形2多邊形n多邊形1層2層n像元1坐標(biāo)像元2坐標(biāo)像元n坐標(biāo)圖形文件如:TIFF、GIF、JPEG文件可用各種圖像壓縮算法作均稱壓縮,TIFF和GIF文件用無損壓縮,使原圖被精確重構(gòu),而JPEG采用有損壓縮,它可達(dá)到很大的壓縮比,但不能完整重構(gòu)原圖像。課內(nèi)作業(yè)一、右圖
1.以第3行,第5列為例說明如何將二維刪格數(shù)據(jù)的行列號轉(zhuǎn)換為Morton碼
2.就下列刪格數(shù)據(jù)建立十進(jìn)制線性四叉樹表和二維行程編碼表二、舉例說明:與塊碼相比,四叉樹在表示柵格結(jié)構(gòu)時(shí)有何不足?0044004454404400
三、編寫程序,實(shí)現(xiàn)以下功能
1)將直接?xùn)鸥窬幋a文件轉(zhuǎn)換為RLE格式文件
2)將RLE柵格數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為線性四叉樹編碼文件(基于十進(jìn)制的線性四叉樹編碼)課外作業(yè)(a)塊碼分割(b)四叉樹分割小知識點(diǎn)
——柵格數(shù)據(jù)類型衛(wèi)星影像數(shù)字高程模型數(shù)字正射影像二進(jìn)制掃描文件數(shù)字柵格圖形圖形文件特定地理信息系統(tǒng)軟件的柵格數(shù)據(jù)小知識點(diǎn)
——柵格數(shù)據(jù)文件為導(dǎo)入要用的柵格數(shù)據(jù),GIS軟件包必須有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和壓縮方法的信息。此類信息通常包含在頭文件中,頭文件的功能類似于元數(shù)據(jù)。例如:衛(wèi)星影像的頭文件(常以.hdr為擴(kuò)展名)包含了有關(guān)影像數(shù)據(jù)的信息,如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法,行列數(shù),光譜波段數(shù),每個(gè)波段每一像元的比特?cái)?shù)。三、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.概念
矢量結(jié)構(gòu):即通過記錄坐標(biāo)的方式盡可能精確地表示點(diǎn)、線、多邊形等地理實(shí)體.注意:由于坐標(biāo)空間設(shè)為連續(xù),所以允許任意位置、長度和面積的精確定義。但是,其精度僅受數(shù)字化設(shè)備的精度和數(shù)值記錄字長的限制,在一般情況下,比柵格結(jié)構(gòu)精度高得多。矢量數(shù)據(jù)模型對于點(diǎn)實(shí)體(0維對象),沒有長度和寬度
只記錄其在特定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和屬性代碼;線實(shí)體(1維對象),只有長度沒有寬度:用一系列足夠短的直線首尾相接表示一條曲線。
矢量結(jié)構(gòu)中只記錄這些小線段的端點(diǎn)坐標(biāo),將曲線表示為一個(gè)坐標(biāo)序列,坐標(biāo)之間認(rèn)為是以直線段相連,在一定精度范圍內(nèi)可以逼真地表示各種形狀的線狀地物?!岸噙呅巍痹诘乩硇畔⑾到y(tǒng)中是指一個(gè)任意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域。
其邊界將整個(gè)空間劃分為兩個(gè)部分:包含無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的部分稱為外部,另一部分稱為多邊形內(nèi)部。
多邊形的邊界線同線實(shí)體一樣,可以被看作是由一系列多而短的直線段組成。2.矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為以下幾種主要類型簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1)簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
a.面條(Spaghetti方式)在簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,空間數(shù)據(jù)按照以基本的空間對象(點(diǎn)、線、多邊形)為單位進(jìn)行單獨(dú)組織,不含有拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù),最典型的是面條(Spaghetti方式)
由多邊形邊界的x、y坐標(biāo)對集合及說明信息組成,是最簡單的一種多邊形矢量編碼,如上圖記為以下坐標(biāo)文件:10:x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;x7,y7;x8,y8;x9,y9;x10,y10;x11,y11;x1,y1;20:x1,y1;x12,y12;x13,y13;x14,y14;x15,y15;x16,y16;x17,y17;x18,y18;x19,y19;x20,y20;x21,y21;x22,y22;x23,y23;x8,y8;x9,y9;x10,y10;x11,y11;x1,y1;30:x33,y33;x34,y34;x35,y35;x36,y36;x37,y37;x38,y38;x39,y39;x40,y40;x33,y33;40:x19,y19;x20,y20;x21,y21;x28,y28;x29,y29;x30,y30;x31,y31;x32,y32;x19,y19;50:x21,y21;x22,y22;x23,y23;x8,y8;x7,y7;x6,y6;x24,y24;x25,y25;x26,y26;x27,y27;x28,y28;x21,y21;
坐標(biāo)序列法文件結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)以多邊形為單位的運(yùn)算和顯示。特點(diǎn):
1.數(shù)據(jù)按點(diǎn)、線或多邊形為單元組織,數(shù)據(jù)編排直觀,數(shù)字化操作簡單
2.多邊形之間的公共邊界被數(shù)字化和存儲兩次,由此產(chǎn)生冗余和碎屑多邊形;
3.每個(gè)多邊形自成體系而缺少鄰域信息,難以進(jìn)行鄰域處理,如消除某兩個(gè)多邊形之間的共同邊界;
4.島只作為一個(gè)單個(gè)的圖形建造,沒有與外包多邊形的聯(lián)系;
5.不易檢查拓?fù)溴e(cuò)誤。這種方法可用于簡單的粗精度制圖系統(tǒng)中
該法采用樹狀索引以減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息,方法是對所有邊界點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化,將坐標(biāo)對以順序方式存儲,由點(diǎn)索引與邊界線號相聯(lián)系,以線索引與各多邊形相聯(lián)系,形成樹狀索引結(jié)構(gòu)
b.樹狀索引編碼法
以下分別為右圖的多邊形文件和線文件樹狀索引示意圖。其文件結(jié)構(gòu)如下:線與多邊形之間的樹狀索引點(diǎn)與邊界線之間的樹狀索引采用上述的樹狀結(jié)構(gòu),前圖的多邊形數(shù)據(jù)記錄如下:1)點(diǎn)文件點(diǎn)號坐標(biāo)1x1,y12x2,y2……40x40,y402)線文件線號起點(diǎn)終點(diǎn)點(diǎn)號I161,2,3,4,5,6II686,7,8…………X333333,34,35,36,37,38,39,40,333)多邊形文件多邊形編號多邊形邊界10I,II,IX20III,VII,VIII,IX,X30X40IV,VI,VII50II,III,IV,V樹狀索引編碼消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不一致的問題,在簡化過于復(fù)雜的邊界線或合并相鄰多邊形時(shí)可不必改造索引表,鄰域信息和島狀信息可以通過對多邊形文件的線索引處理得到
但是比較繁瑣,因而給相鄰函數(shù)運(yùn)算,消除無用邊,處理島狀信息以及檢查拓?fù)潢P(guān)系帶來一定的困難,而且兩個(gè)編碼表都需要以人工方式建立,工作量大且容易出錯(cuò)
2)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)湫蛿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由弧段坐標(biāo)文件、結(jié)點(diǎn)文件和多邊形文件等一系列含拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)文件組成。結(jié)點(diǎn)文件由結(jié)點(diǎn)記錄組成,存貯每個(gè)結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)號、結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及與該結(jié)點(diǎn)連接的弧段等弧段坐標(biāo)文件存貯組成弧段的點(diǎn)的坐標(biāo)弧段文件由弧記錄組成,存貯弧段的起止結(jié)點(diǎn)號和左右多邊形號;多邊形文件由多邊形記錄組成,存貯多邊形號、組成多邊形的弧段號以及多邊形的周長、面積、中心點(diǎn)坐標(biāo)。DIME(雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼,DualIndependentMapEncoding)編碼系統(tǒng)
DIME是美國人口調(diào)查局在人口調(diào)查的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它通過有向編碼建立了多邊形、邊界、節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系,DIME編碼成為其它拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)拓?fù)湔系牡乩砭幋a和參考系統(tǒng)(TIGER)多邊形轉(zhuǎn)換器(POLYVRT)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最重要的技術(shù)特征和貢獻(xiàn)是具有拓?fù)渚庉嫻δ堋_@種拓?fù)渚庉嫻δ?,不但保證數(shù)字化原始數(shù)據(jù)的自動(dòng)差錯(cuò)編輯,而且可以自動(dòng)形成封閉多邊形邊界,為由各個(gè)單獨(dú)存儲的弧段組成所需要的各類多邊形及建立空間數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)。拓?fù)渚庉嫻δ馨ǘ噙呅尉庉嫼徒Y(jié)點(diǎn)編輯a.多邊形編輯弧段號起點(diǎn)終點(diǎn)左多邊形右多邊形a2N2N40p4a7N3N4p4p3a8N2N3p4p2弧段號起點(diǎn)終點(diǎn)左多邊形右多邊形a2N4N2p40a7N3N4p4p3a8N2N3p4p2弧段號起點(diǎn)終點(diǎn)左多邊形右多邊形a2N4N2p40a8N2N3p4p2a7N3N4p4p3N1N3N5N2N4P2P1P4P3b.結(jié)點(diǎn)編輯N1N3N5N2N4P2P1P4P3弧段號起點(diǎn)終點(diǎn)左多邊形右多邊形a8N2N3p4p2a6N3N5p3p1a7N3N4p4p3a5N1N3p2p1弧段號起點(diǎn)終點(diǎn)左多邊形右多邊形a8N2N3p4p2a6N5N3p1p3a7N4N3p3p4a5N1N3p2p1弧段號起點(diǎn)終點(diǎn)左多邊形右多邊形a5N1N3p2p1a6N5N3p1p3a7N4N3p3p4a8N2N3p4p23)曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面是指連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面,具有這種覆蓋表面的要素有地形、降水量、溫度、磁場等。表示和存儲這些要素的基本要求是必須便于連續(xù)現(xiàn)象在任一點(diǎn)的內(nèi)插計(jì)算,因此經(jīng)常采用不規(guī)則三角網(wǎng)來擬合連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面,稱為TIN(TriangulatedIrregularNetwork)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這種基于TIN的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通常用于數(shù)字地形的表示,或者按照曲面要素的實(shí)測點(diǎn)分布,將它們連成三角網(wǎng),三角網(wǎng)中每個(gè)三角形要求盡量接近等邊形狀,并保證由最鄰近的點(diǎn)構(gòu)成的三角形,即三角形的邊長之和最小。在所有可能的三角網(wǎng)中,狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)在地形擬合方面表現(xiàn)最為出色。狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng):為相互鄰接且互相不重疊的三角形的集合,每一個(gè)三角形的外接圓內(nèi)不不含其他的點(diǎn)。狄洛尼三角形外接圓不包含其他點(diǎn)的特性被用作從一系列不重合的平面點(diǎn)建立狄洛尼三角網(wǎng)的基本法則,可以稱為狄洛尼法則34271865三角形的標(biāo)識碼相鄰三角形三角形頂點(diǎn)頂點(diǎn)坐標(biāo)和特征值?1?2?31st2st3stX1,y1,z1X2,y2,z2X3,y3,z3ABCD127ABCD四、矢柵結(jié)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.矢柵混合模式有多種形式,最簡單也最實(shí)用的是不對矢量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)做任何特殊處理,直接將他們分別存儲在同一個(gè)GIS的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中,并通過共同的ID號將各空間對象的矢量數(shù)據(jù),柵格數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在一起。實(shí)體ID矢量數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)缺點(diǎn):矢量和柵格兩套數(shù)據(jù)均要無遺漏的在系統(tǒng)中存儲,會(huì)給系統(tǒng)的存儲空間帶來壓力2.矢柵一體化模式
為了解決失柵混合增加存儲空間這一問題,并更加有效的將矢量、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,gongjianya提出了失柵一體化模式,其理論基礎(chǔ)是多級格網(wǎng)方法,三個(gè)基本約定和線形四叉樹編碼。多級格網(wǎng):
包括粗格網(wǎng),基本格網(wǎng)和細(xì)分格網(wǎng)三個(gè)層次粗格網(wǎng)建立空間索引?;靖窬W(wǎng)的大小與常規(guī)柵格劃分要求一致;細(xì)分格網(wǎng)是在點(diǎn)、線經(jīng)過的基本柵格上在進(jìn)一步劃分為16*16或256*256的小格網(wǎng),以增加?xùn)鸥竦目臻g分辨率,從而提高點(diǎn)線表達(dá)精度256256
粗格網(wǎng)、基本格網(wǎng)和細(xì)分格網(wǎng)均采用線性四叉樹編碼,并采用三個(gè)Morton碼(M0,M1,M2)表示。其中:M0表示點(diǎn)所在或線所通過的粗格網(wǎng)的Morton碼,是研究區(qū)的整體編碼。M1表示點(diǎn)所在或線通過的基本柵格的morton碼,也是研究區(qū)內(nèi)的整體編碼。M2表示點(diǎn)所在或線所通過的細(xì)分柵格的morton碼,是基本柵格內(nèi)的局部編碼
以上編碼是基于柵格的,因而據(jù)此設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必定具有柵格的性質(zhì),為了使之具有矢量的特點(diǎn),gongjianya提出了點(diǎn)狀地物,線狀地物的三個(gè)約定約定一:點(diǎn)狀地物僅有空間位置,而無形狀和面積,在計(jì)算機(jī)中僅有一個(gè)位置數(shù)據(jù)約定二:線狀地物有形狀,但無面積,在計(jì)算機(jī)中需要組織一組元子(即柵格單元)填滿的路徑表達(dá);約定三:面狀地物有形狀和面積,在計(jì)算機(jī)內(nèi)有一組元子表達(dá)的填滿路徑的邊界線和內(nèi)部(空洞出外均填滿)的區(qū)域組成舉例:點(diǎn)IDM1M2關(guān)聯(lián)的弧段弧ID起點(diǎn)ID終點(diǎn)ID左域ID右域ID中間點(diǎn)坐標(biāo)(M1,M2)序列據(jù)此,點(diǎn)狀地物、線狀地物和面狀地物的“矢量化”數(shù)據(jù)記錄方式如下:點(diǎn)狀地物:用(M1,M2)代替(x,y)線狀地物:用(M1,M2)代替(x,y)記錄中間點(diǎn)面狀地物:除了要用Morton碼即(M1,M2)代替(x,y)記錄面狀地物邊界原始采樣點(diǎn)的“拐點(diǎn)”(即中間點(diǎn))位置,以及它們所穿過的所有基本格網(wǎng)的交線位置之外,還要用鏈指針記錄多邊形的內(nèi)部柵格。面域ID邊界ID序列面域內(nèi)點(diǎn)指針……面域內(nèi)點(diǎn)指針位置面域內(nèi)點(diǎn)坐標(biāo)(M1,M2)序列點(diǎn)標(biāo)識號M1M2高程z….1002510026…..….43105….….40827725….….432463…..點(diǎn)狀目標(biāo)及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)標(biāo)識號M1M2高程z關(guān)聯(lián)弧段…….….………..……..1002643425141101,202,10310027501141256205,201,301,…..……………..……….……….結(jié)點(diǎn)及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)弧段及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)弧段標(biāo)識始結(jié)點(diǎn)終結(jié)點(diǎn)左區(qū)右區(qū)中間點(diǎn)串(M1,M2,Mz)….….….…..….…..20044100271002630024ф58,77,56;92,55,777,….…..….…..……….……面狀地物及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多邊形標(biāo)識號關(guān)聯(lián)弧段面塊頭指針…….…………30018128,125,1260………….……………01451620236789121011二維行程M碼循環(huán)指針屬性值二維行程M碼循環(huán)指針屬性值08712816122016020362548130第六章空間數(shù)據(jù)可視化及制圖131
6.1概述6.2GIS中圖形的輸出6.3地圖的表示和地圖符號6.4專題信息和專題圖6.5電子地圖1326.1概述
可視化是指利用計(jì)算機(jī)圖形圖象技術(shù),將復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象,自然景觀及一些抽象的概念圖形化的過程??梢暬康氖潜阌谌藗兝斫猬F(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)規(guī)律和傳播知識??梢暬夹g(shù)通常需要模型的支持,包含交流和認(rèn)知分析,是對人腦印象構(gòu)造過程的一種仿真,以支持用戶的判斷和理解。
一、可視化(visualization)概述1331、科學(xué)計(jì)算可視化可視化的概念首先有美國國家自然科學(xué)基金會(huì)員會(huì)圖形圖象專題組在1987年提出了科學(xué)計(jì)算可視化(visualizationinscientificcomputing)??茖W(xué)計(jì)算可視化是研究如何將科學(xué)計(jì)算過程及計(jì)算結(jié)果所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像信息,并可進(jìn)行交互式分析。
1997年國際地圖學(xué)會(huì)成立了可視化委員會(huì),提出將科學(xué)計(jì)算可視化和地圖可視化的連接和交流。1342、空間信息可視化可視化能迅速、形象地表示空間信息,空間信息離不開可視化。因此,科學(xué)計(jì)算可視化之后,地學(xué)專家對可視化在地學(xué)中的地位和作用進(jìn)行了許多研究,提出了地圖可視化、地理可視化、GIS可視化、地學(xué)多維圖解、地理信息的多維可視化、虛擬地理環(huán)境等概念。1353、空間信息可視化的特點(diǎn)
空間信息可視化是指利用地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形圖象技術(shù),將地學(xué)信息輸入、處理、查詢、分析數(shù)據(jù),采用圖形、圖像,結(jié)合圖表、文字、報(bào)表,以可視化形式,實(shí)現(xiàn)交互處理和顯示的理論、技術(shù)和方法。所以,空間信息可視化是科學(xué)計(jì)算可視化在地學(xué)領(lǐng)域中的體現(xiàn)。
空間信息可視化和科學(xué)計(jì)算可視化不同之處是空間信息可視化過程更強(qiáng)調(diào)數(shù)字化和符號化的概念,而且空間信息可視化描述的是地理空間內(nèi)的事物,可視化過程實(shí)際上是對地理空間信息的提取和綜合
136
空間信息可視化特點(diǎn)交互性通過交互性,使用戶進(jìn)入事件的發(fā)展之中,并得到可視化結(jié)果。信息載體的多維性實(shí)現(xiàn)空間信息的可視化需要用多媒體表達(dá)方式。信息表達(dá)的動(dòng)態(tài)性實(shí)現(xiàn)空間信息的可視化可以描述空間信息的動(dòng)態(tài)變化。1374、空間信息可視化的應(yīng)用空間位置的表示如表達(dá)空間物體的分布;空間分析的可視化描述,如緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)制圖,如動(dòng)態(tài)仿真圖;空間信息的可視化查詢,實(shí)現(xiàn)對空間信息的查詢;面向?qū)嶓w的模型化顯示,如DTM模型。1385、空間信息可視化產(chǎn)品類型
電子地圖多媒體地圖三維仿真圖四維時(shí)空圖交互式可視化界面1396、空間信息可視化的方法
傳統(tǒng)的及新型的制圖軟件空間信息系統(tǒng)仿真系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)1407、空間信息可視化的發(fā)展
在GIS的發(fā)展歷程中,一開始就十分重視利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的圖形顯示和分析,以充分直觀的表示空間數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果。
GIS可視化的發(fā)展過程:(1)二維數(shù)據(jù)的可視化主要研究二維圖形的顯示算法,如畫線、符號庫和符號化、顏色設(shè)計(jì)、圖形輸出打印等。141(2)2.5維圖形的可視化
2.5維圖形的可視化以地形分析為核心,研究用二維數(shù)據(jù)表示三維數(shù)據(jù),即將三維數(shù)據(jù)投影到二維屏幕上,顯示之。
2.5維圖形可視化的實(shí)質(zhì)是研究三維到二維數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換、隱藏線隱藏面消除、光照模型。
2.5維圖形無法表示三維物體的體特征。142(3)真三維數(shù)據(jù)的可視化
90年代以來,三維物體的體特征的可視化研究成了熱點(diǎn)。從發(fā)展看GIS可視化研究著重于技術(shù)層次上,如數(shù)據(jù)模型、圖形圖象顯示、圖形圖象的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理等。必須指出,為提高GIS可視化的實(shí)用性,在GIS可視化研究中一直十分注意在地形圖上顯示地物要素,研究點(diǎn)、線、面要素在三維景觀上的疊加算法。143二、虛擬現(xiàn)實(shí)(virtualreality)
1、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)虛擬現(xiàn)實(shí)是一門涉及眾多學(xué)科的新的實(shí)用技術(shù),它集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)于一體。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中,它又特別依賴于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步。虛擬現(xiàn)實(shí)是空間信息可視化進(jìn)一步發(fā)展的新方式,它使人們好像進(jìn)入真實(shí)地理空間環(huán)境,并與之進(jìn)行交互作用。
144虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)特征
VR具有三個(gè)最突出的特征,即交互性(Interactivity)、想象性(Imagination)和沉浸感(Immersion),稱三“I”
特征。以此區(qū)分與其相鄰技術(shù),如多媒體技術(shù)、科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)。
交互性指參與者用專門設(shè)備,能實(shí)現(xiàn)對模擬環(huán)境的考察與操作程度,例如用戶可用手直接抓取模擬環(huán)境中的物體,且有接觸感,有重量感,視場中被抓起的物體也應(yīng)隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。
想象性是VR與設(shè)計(jì)者并行操作,為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)的這極大地依賴于人類的想象力,。
沉浸感即投入感,其目的是力圖使用戶在計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的感覺狀態(tài),有身臨其境的感覺,即所謂“沉浸感”。1452)虛擬地理環(huán)境
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和地學(xué)結(jié)合產(chǎn)生了虛擬地理環(huán)境。在虛擬地理環(huán)境中,可按個(gè)人的知識、意愿、假定設(shè)計(jì)分析模型,進(jìn)行交互,使在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下產(chǎn)生身臨其境的感覺。在虛擬地理環(huán)境中,利用地學(xué)分析模型可以實(shí)現(xiàn)虛擬模擬,從而加速相關(guān)理論的發(fā)展。146
在計(jì)算機(jī)環(huán)境下,可視化的中心問題是科學(xué)家能夠快速生成一系列相同或相關(guān)信息的圖像。計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的影像有助于信息處理,從而提高對二維或三維空間關(guān)系和空間問題的理解。目前,可視化技術(shù)成為信息爆炸時(shí)代人類分析和駕馭信息的有力工具。在可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上,發(fā)展了仿真技術(shù)(simulation,imitation)和虛擬技術(shù)?!疤摂M現(xiàn)實(shí)”是仿真技術(shù)的一種特殊形式。1476.2GIS中圖形的輸出一、GIS中圖形的輸出形式GIS中圖形的輸出用來表示地理實(shí)體的空間特性和屬性特性。1)地圖GIS中圖形的輸出的主要形式,是空間實(shí)體的符號化模型。2)圖象GIS中圖形的輸出的另一種形式,它也是空間實(shí)體的一種模型,但不用符號化方式,而是采用人的直觀視覺變量如色、灰度、模式表示空間實(shí)體的質(zhì)量特性。通常將空間劃分為規(guī)則的單元,并賦予視覺變量。3)統(tǒng)計(jì)圖表統(tǒng)計(jì)圖表用以表示非空間信息。統(tǒng)計(jì)圖與地圖綜合使用,形成以統(tǒng)計(jì)符號表示的專題圖。4)其它148二、GIS和計(jì)算機(jī)制圖
GIS的發(fā)展從計(jì)算機(jī)制圖和地籍管理起步。至今,制圖還是GIS的重要功能之一。計(jì)算機(jī)制圖的發(fā)展孕育了GIS的誕生,而GIS的發(fā)展又促進(jìn)了計(jì)算機(jī)制圖的進(jìn)一步發(fā)展。149三、GIS環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的多尺度顯示
空間數(shù)據(jù)的多尺度顯示是指將同一地區(qū)圖,放在遠(yuǎn)近不同的地區(qū)觀測,以便觀察到該地區(qū)不同分辨率、不同對象的圖形,即建立不同的數(shù)據(jù)模型??臻g數(shù)據(jù)的多尺度顯示方法:利用系列比例尺數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀生成,以得到該地區(qū)從宏觀到微觀、從整體到局部的顯示。將同一比例尺數(shù)據(jù)簡化為幾個(gè)層次數(shù)據(jù)顯示。1506.3地圖的表示和地圖符號
從GIS發(fā)展看,GIS行業(yè)起步于計(jì)算機(jī)制圖和地籍處理;從GIS的數(shù)據(jù)源看,地圖既是GIS的輸入數(shù)據(jù)又是GIS數(shù)據(jù)的主要輸出形式;從GIS的功能看,制圖是GIS的主要功能之一;從GIS的應(yīng)用看,開始以制圖形式廣泛被應(yīng)用,但隨著空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展,表現(xiàn)為空間數(shù)據(jù)可視化問題。可以說,計(jì)算機(jī)制圖的發(fā)展孕育了GIS的誕生,而GIS的發(fā)展又進(jìn)一步促使了計(jì)算機(jī)制圖的進(jìn)步。151一、地圖的符號和地圖符號系統(tǒng)
地圖的符號是地圖的語言,是在地圖上表達(dá)空間對象的圖形記號,它通過尺寸、形狀和顏色來表示事物空間的位置、形狀、質(zhì)量和數(shù)量特征,是表達(dá)地理現(xiàn)象與發(fā)展的基本手段。高質(zhì)量的地圖符號豐富了地圖的內(nèi)容、增加了地圖的可讀性。地圖符號系統(tǒng)(在GIS中的地圖符號庫)是具有共性的、進(jìn)行了分類分級和抽象的地圖符號的集合。地圖符號系統(tǒng)明顯地反映了表達(dá)對象的層次關(guān)系。152
GIS中都建立地圖符號庫。地圖符號庫是將地圖符號以數(shù)據(jù)庫的形式存到計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理功能,從而,實(shí)現(xiàn)符號信息的存儲和查詢。在地圖符號庫中的符號其結(jié)構(gòu)統(tǒng)一,便于擴(kuò)充和修改。1、GIS中的地圖符號1532、地圖符號的分類1)按定位分類定位符號、說明符號。2)按符號代表事物分類點(diǎn)狀符號、線狀符號、面狀符號。154
點(diǎn)狀符號點(diǎn)狀符號是定位于幾何上的點(diǎn),點(diǎn)狀符號圖形通常較規(guī)則;圖形位置固定(不隨位置變化);符號大小與地圖比例尺無關(guān),但有確定的定位點(diǎn)和方向。如居民點(diǎn)、礦區(qū)、氣象站等。155線狀符號線狀符號是定位于幾何上的線,符號沿某個(gè)方向延伸,寬度與地圖比例尺無關(guān),長度與地圖比例尺相關(guān),具有具有定位線;線狀符號??蛇M(jìn)一步分解成具有單一特征的線狀符號。如河流、公路、航線等。156
面狀符號面狀符號是定位于幾何上的面,它具有封閉的輪角線;符號所表達(dá)的范圍與地圖比例尺相關(guān);通常在封閉區(qū)內(nèi)配置點(diǎn)狀符號、陰影線或顏色。如森林、土地等。1573、地圖符號的參數(shù)符號類別形狀尺寸方向點(diǎn)狀符號ê♀ê
êê線狀符號面狀符號1584、地圖符號的圖元
地圖的點(diǎn)狀符號、線狀符號和面狀符號各自有自己的特點(diǎn),又有共性。相同點(diǎn)是都有類似的繪圖參數(shù)和操作方法;不同點(diǎn)是構(gòu)成符號的基本圖素不同。1591)點(diǎn)狀符號的圖元主要包括點(diǎn)、直線、折線、樣條曲線、圓弧、三角形、矩形、多邊形、子圖等。2)線狀符號的圖元主要包括實(shí)線、虛線、點(diǎn)虛線、雙虛線、雙實(shí)線、連續(xù)點(diǎn)符號、定位點(diǎn)符號、齒線符號等。1603)面狀符號的圖元主要是指它的不同填充,包括陰影線填充、點(diǎn)符號填充、位圖填充。陰影線填充用不同線型,用不同間距、不同傾斜角、不同的顏色組成圖案。點(diǎn)符號填充用不同的布點(diǎn)形式、不同的旋轉(zhuǎn)角度等組成圖案。位圖填充用位圖長度、位圖寬度、行間距、列間距、縮放系數(shù)、旋轉(zhuǎn)角組成圖案。1615、矢量符號庫及其應(yīng)用
使用矢量點(diǎn)狀符號時(shí),符號化軟件讀取空間數(shù)據(jù)庫,并經(jīng)過預(yù)處理模塊處理后得到分類特征碼數(shù)據(jù)及點(diǎn)符號空間定位數(shù)據(jù)。其過程主要包括中心化、旋轉(zhuǎn)、縮放、和繪制等。使用矢量線狀符號時(shí),將線狀符號圖元沿線狀要素的中軸串接,其中X軸與中軸重合,在線狀地物的轉(zhuǎn)彎處,圖元同樣彎曲。使用矢量面狀符號時(shí),將填充的圖符,按要求的方向和行距間隔逐行填充。1626、柵格符號庫及其應(yīng)用使用柵格點(diǎn)符號時(shí),由平移產(chǎn)生,對有向的點(diǎn)符號,經(jīng)旋轉(zhuǎn)和平移變換輸出。使用柵格線符號時(shí),由于線狀符號走向變化,不能對信息塊作整個(gè)操作,而是將柵格陣元從左到右逐列取出,并按線的走向作旋轉(zhuǎn)和平移變換輸出使用柵格面符號時(shí),先在區(qū)域內(nèi)全部柵格點(diǎn)填實(shí),然后,同柵格符號進(jìn)行邏輯與,從而得到所要求的填充圖案。163二、符號的色彩
地圖符號的色彩可幫助人們區(qū)分圖形,從而減少符號的數(shù)量,加強(qiáng)地圖要素的分級分類能力。通常一種符號用一種色彩來表示。1641)RGB表示顏色
RGB三基色定理白色(RGB)=(100,100,100)黑色(RGB)=(0,0,0)
RGB組成的立方體是非線性的,即兩種顏色相近的程度不能簡單地用歐氏距離來表示黑白GRB黃1652)HLS表示顏色HLS表示更反映人類的感知。H(Hue)色度,反映顏色的分類,如純紅、品紅;L(Light)亮度,反映顏色黑的程度,如白色的亮度比黑色的亮度高。S(Saturation)飽和度,反映顏色的純度,如純紅的飽和度比粉紅的飽和度高。用HLS表示后,最后還是轉(zhuǎn)成RGB顯示。166三、地圖的注記
地圖上的注記是地圖上文字和數(shù)字的總稱,用來表示事物名稱、質(zhì)量和數(shù)量的特性。1、注記的分類名稱注記說明事物專有名稱;說明注記補(bǔ)充圖形符號的不足;數(shù)字注記說明事物的數(shù)量特征。167單點(diǎn)注記給定一個(gè)點(diǎn),注記方向角為零的一串字符;雙點(diǎn)注記給定兩個(gè)點(diǎn),注記方向角有兩點(diǎn)位置確定;布點(diǎn)注記注記一串字符,每個(gè)字符對應(yīng)一個(gè)點(diǎn)位和方向參考線注記沿一參考線自動(dòng)布點(diǎn)注記。對地名的自動(dòng)注記,工作量和難度比較大。2、注記的方式
1683、地圖的漢字庫
地圖的漢字庫為地圖提供不同字體、不同字形、不同尺寸、不同顏色、不同排列方式的漢字。1)柵格漢字庫,也稱點(diǎn)陣漢字庫。2)矢量漢字庫。在地圖上放大過大時(shí),會(huì)出現(xiàn)折。3)TrueType輪廓漢字庫。TrueType字庫的字型是一組用數(shù)學(xué)方法描述的,由直線和曲線描繪的字符圖形。由它組成的高質(zhì)量中西文輪廓漢字庫最適合地圖使用,它可以提供高質(zhì)量的放大和旋轉(zhuǎn)字、能跨平臺地工作。目前都采用TrueType漢字庫,這是一種特殊的矢量漢字庫也稱輪廓字庫。1696.4專題信息和專題圖一、專題信息
在GIS中專題信息是相應(yīng)的屬性信息。專題圖是專題信息圖形化的結(jié)果,用來反映自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)分布特性,它是強(qiáng)調(diào)某一特定要素或概念(專題信息)的地圖。專題圖表示的內(nèi)容通常是普通地圖上沒有的要素和現(xiàn)象。如人口、氣候等。隨著GIS的飛速發(fā)展,及專題圖在經(jīng)濟(jì)、文化、軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)了以專題圖制作為主要目的的卓面GIS。170
GIS管理的地物不僅有空間位置特征,還管理非空間屬性數(shù)據(jù)。因此在顯示地物對象空間位置的同時(shí),可用特定方式顯示某個(gè)或多個(gè)相關(guān)屬性,生成專題圖。專題圖是對于地物特征或者地理要素的特定的可視化表現(xiàn),用戶通過專題圖可將數(shù)據(jù)圖形化,使屬性數(shù)據(jù)直觀地在地圖上體現(xiàn)出來。
二、專題圖1711、專題圖的表示
專題圖的表示方法統(tǒng)計(jì)方法非統(tǒng)計(jì)方法相對數(shù)量級絕對數(shù)量級定性數(shù)據(jù)定量數(shù)據(jù)各類統(tǒng)計(jì)圖172質(zhì)底(獨(dú)立值)專題圖用不同顏色表示連續(xù)分布的現(xiàn)象的質(zhì)量特征。如植被圖。等級符號專題圖
以大小不同的點(diǎn)符號表示專題特性。范圍值專題圖
用不同顏色或圖式等手段,表示現(xiàn)象的分布等級范圍。點(diǎn)密度專題圖在制圖現(xiàn)象的表示范圍內(nèi),用大小相同的點(diǎn)群稀疏表示分布特征。分級統(tǒng)計(jì)圖和圖表統(tǒng)計(jì)圖分級統(tǒng)計(jì)圖法用相對值表示現(xiàn)象的分布。等值線專題圖
將相同數(shù)量指標(biāo)點(diǎn)連線組成的一組等值線表示地區(qū)特征。如等溫圖。2、專題圖的主要表示形式173174專題圖的主要形式為:1)獨(dú)立值專題圖根據(jù)圖層相關(guān)數(shù)據(jù)表(可以是屬性表,也可以是關(guān)聯(lián)表)中的一個(gè)字段或者一個(gè)表達(dá)式(可以是數(shù)值,也可以是字符串),任意一個(gè)不同的值都可以用不同的符號表示?;谠擃愋蛯n}圖能夠進(jìn)行與圖層同樣的操作。175176根據(jù)圖層相關(guān)數(shù)據(jù)表(可以是屬性表,也可以是關(guān)聯(lián)表中的一個(gè)字段或者一個(gè)表達(dá)式(最終結(jié)果是數(shù)值),根據(jù)一定的規(guī)則來劃分一定數(shù)目的范圍,每種范圍用一種符號表示。范圍的數(shù)目可由用戶指定,表示要分多少個(gè)范圍。其中:點(diǎn)專題圖用漸變顏色或點(diǎn)符號大小來表現(xiàn)圖層中各個(gè)不同范圍的地物;線專題圖用漸變顏色或線符號寬度來表現(xiàn)圖層中各個(gè)不同范圍的地物;面狀專題圖用漸變的填充符號來表現(xiàn)圖層中各個(gè)不同范圍的地物;
2)范圍值專題圖
177178
根據(jù)圖層相關(guān)數(shù)據(jù)表(可以是屬性表,也可以是關(guān)聯(lián)表)中的一個(gè)字段或者一個(gè)表達(dá)式(最終結(jié)果是數(shù)值),用戶指定一個(gè)點(diǎn)所代表的數(shù)量,計(jì)算得到每一個(gè)區(qū)域所需要分布的點(diǎn)的數(shù)。點(diǎn)密度專題圖圖只基于多邊形圖層生成。點(diǎn)密度專題圖只有一個(gè)圖例項(xiàng),即一個(gè)點(diǎn)代表多少量。3)點(diǎn)密度專題圖179180
根據(jù)圖層相關(guān)數(shù)據(jù)表(可以是屬性表,也可以是關(guān)聯(lián)表)中的一個(gè)字段或者一個(gè)表達(dá)式(最終結(jié)果是數(shù)值),按運(yùn)算法則(線性、平方根、LOG)來計(jì)算字段的值相應(yīng)的點(diǎn)符號的大小。最后以大小不同的點(diǎn)符號表示專題特性。對點(diǎn)專題圖是用不同大小的點(diǎn)符號顯示在圖層中各個(gè)地物點(diǎn)上;對線專題圖是用不同大小的點(diǎn)符號顯示在地物線的某一個(gè)點(diǎn)上;對面專題圖是用不同大小的點(diǎn)符號顯示在圖層中各個(gè)地物多邊形的中心。基于該類型專題圖,改變符號的位置,能夠查看符號對應(yīng)地物的屬性數(shù)據(jù),不能修改空間數(shù)據(jù)。4)等級符號專題圖
181182
基于圖層相關(guān)數(shù)據(jù)表(屬性表或關(guān)聯(lián)表)中的幾個(gè)字段或者幾個(gè)表達(dá)式(最終結(jié)果是數(shù)值),根據(jù)選擇的統(tǒng)計(jì)圖類型,在相應(yīng)的空間位置上生成統(tǒng)計(jì)圖。統(tǒng)計(jì)圖既要反映不同位置上量的差異,也要反映一個(gè)統(tǒng)計(jì)圖內(nèi)部不同項(xiàng)的量的差異。其中:點(diǎn)專題圖在各個(gè)地物點(diǎn)上顯示統(tǒng)計(jì)圖;線專題圖在地物線的某一個(gè)點(diǎn)上顯示統(tǒng)計(jì)圖;面專題圖在各個(gè)地物多邊形的中心顯示統(tǒng)計(jì)圖。5)統(tǒng)計(jì)圖類專題圖1831846)等值線專題圖
將相同數(shù)量指標(biāo)點(diǎn)連線組成的一組等值線表示地區(qū)特征。如等溫線圖、等高線圖等。
185三、專題圖制作制作專題圖的過程是根據(jù)某個(gè)特定的專題對地圖進(jìn)行“渲染”的過程。它直接引用某個(gè)點(diǎn)、線和面圖層的數(shù)據(jù)。如利用顏色深淺或者填充線的密度來表現(xiàn)不同行政區(qū)(例如不同省份)的人口密度、國民素質(zhì)高低、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等;用不同大小的餅狀圖或柱狀圖來表現(xiàn)城市人口規(guī)模以及人口構(gòu)成比例等。制作專題圖可以是單變量專題圖(如范圍、獨(dú)立值、點(diǎn)密度等),也可以是多變量專題圖(如餅狀圖或柱狀圖等)制作專題圖的變量可以是字符變量,可以是數(shù)值變量、也可以是表達(dá)式。186
1、專題圖類型選擇專題圖是對空間對象屬性數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)符號化表示。屬性數(shù)據(jù)是定性符號數(shù)據(jù)時(shí)常用質(zhì)底法(獨(dú)立值)
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