地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品

第八章地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品的輸出設計第一節(jié)地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品的輸出形式地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品

經(jīng)過系統(tǒng)處理和分析，可以直接供專業(yè)人員或決策人員使用的各種地圖、圖表、數(shù)據(jù)報表或文字說明。一常規(guī)地圖以線劃、顏色、符號和注記等表示地形地物1全要素地形圖反映的內(nèi)容包括：水系、地貌、植被、居民地、交通、境界、獨立地物等。具有統(tǒng)一的大地控制、地圖投影、分幅編號、比例尺系統(tǒng)、統(tǒng)一的編制標準和圖式符號。屬于國家根本比例尺地形圖。是編制各類專題地圖的根底2各類專題圖突出表示一種或幾種自然或社會經(jīng)濟現(xiàn)象的地圖，由地理根底和專題內(nèi)容兩局部組成。主要反映空間分布、時間變異、數(shù)量質(zhì)量特征三個方面。3遙感影像地圖具有遙感圖象和地形圖的雙重特點4統(tǒng)計圖表與數(shù)據(jù)報表屬性信息的表示二電子地圖1電子地圖的特點1〕交互性；2〕無級縮放性；3〕無縫性；4〕共享性；5〕具有根本的計算和統(tǒng)計能力；2電子地圖的開展1〕第一階段80年代以前以CAD技術(shù)為支撐，強調(diào)圖的數(shù)字化；2〕第二階段80年代以后以GIS技術(shù)為支撐，強調(diào)用數(shù)據(jù)管理存儲；3電子地圖的制作數(shù)據(jù)收集數(shù)字化屬性化圖和屬性的鏈接電子地圖質(zhì)量控制資料更新4、電子地圖的應用1〕導航和智能運輸系統(tǒng)〔車載系統(tǒng)〕2〕電子地圖資料庫3〕提供網(wǎng)絡地圖隨著信息社會的到來，將大量使用電子地圖，電子地圖生產(chǎn)已成為一熱門行業(yè)，因此，在國外已出現(xiàn)著名的電子地圖供給商。5電子地圖的供給商隨著信息社會的帶來，在社會生活中將大量實用電子地圖，因此其開展及為迅速，引起商家的重視，從而在國際上出現(xiàn)了電子地圖生產(chǎn)開發(fā)商，如：美國——ESRI公司、DELORME公司；歐洲——FELSTRA公司等。國內(nèi)國家測繪局在這方面作了大量工作。第二節(jié)地理信息系統(tǒng)圖形輸出系統(tǒng)設計一根本理論1圖形坐標系統(tǒng)〔1〕地球外表的世界坐標系和大地坐標系〔2〕輸出設備的物理坐標系和邏輯坐標系2顏色模型和顏色空間顏色模型是指對一個三維顏色坐標系統(tǒng)的規(guī)定〔1〕RGB顏色模型RGB顏色模型是以紅〔R〕、綠〔G〕、藍〔B〕為三種原色，根據(jù)加色法原理建立的顏色模型，在計算機圖形學中廣泛應用。RGB顏色模型的數(shù)學表示為：式中r、g、b為匹配系數(shù)?！?〕CMY顏色模型CMY顏色模型是以青〔Cyan〕、品〔M〕、黃〔Y〕為三種原色，根據(jù)減色法原理建立的顏色模型，在彩色印刷中廣泛應用。3圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫〔1〕二維矢量圖形結(jié)構(gòu)〔2〕柵格圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)二輸出的幾何變換

1.二維圖形變換〔1〕比例變換〔2〕旋轉(zhuǎn)變換〔3〕平移變換〔4〕鏡像變換〔5〕觀察變換2.三維圖形變換3.地圖投影變換三地形圖與專題圖的輸出組織形式1.透明圖層與影像圖層2.專題圖的符號系統(tǒng)地圖的符號可分解為點狀符號、線狀符號、面狀符號三種根本圖形元素。注記可看作一種特殊的符號。點狀符號圖形固定〔不隨位置變化〕；有確定的定位點和方向；通常圖形較規(guī)那么。線狀符號具有定位線，可進一步分解成具有單一特征的線狀符號。面狀符號具有封閉的輪角線，通常在封閉的輪角線內(nèi)配置點狀符號、陰影線或顏色。構(gòu)成符號的根本圖素〔1〕點狀符號的圖元主要包括點、直線、折線、樣條曲線、圓弧、三角形、矩形、多邊形、子圖、位圖等〔2〕線狀符號的圖元主要包括實線、虛線、點虛線、雙虛線、雙實線、連續(xù)點符號、定位點符號、齒線符號等〔3〕面狀符號的圖元主要是指它的不同填充，包括陰影線填充、點符號填充、位圖填充。地圖符號的繪制地圖符號的繪制實質(zhì)是將符號坐標系中圖形元素特征點坐標〔x,y)轉(zhuǎn)換到地圖坐標系中的坐標，并按給定順序連線的過程。目前，地圖符號的繪制通常有矢量法和柵格法繪制兩種方法：1矢量法繪制〔1〕編程法由繪圖子程序按照符號圖形參數(shù)繪制矢量圖。通常一類地圖符號或一個地圖符號編成一個繪圖子程序。這些子程序組成程序庫。由于它不便于用戶擴充用得愈來愈少?！?〕符號庫法〔也稱信息塊法〕通過程序調(diào)用描述符號參數(shù)的符號庫參數(shù)集信息塊，完成符號的繪制。如在信息塊中存放圖形的幾何參數(shù)，如圖形的長、寬、方向、夾角、半徑等。2柵格符號的繪制柵格符號的繪制比較簡單。點符號首先用模板形象地表示各種點符號，調(diào)用時按定位、方向作變換；線符號除了點狀符號的方法，還要注意線的走向，按圖象處理方法作出變換面符號首先將論廓內(nèi)填“實〞，之后將填充的區(qū)域圖象塊同柵格點符號進行邏輯“與〞運算，從而在區(qū)域內(nèi)形成面符號。地理信息系統(tǒng)的可視化與虛擬現(xiàn)實一、根本概念1、可視化：可視化是將符號或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖形、圖像的技術(shù)，它的過程是一種轉(zhuǎn)換，它的目的是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可顯示的圖形、圖像，從而全面且本質(zhì)地把握住地理空間信息的根本特征，便于最迅速、形象地傳遞和接收它們。2、科學計算可視化是指運用計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，將科學計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形和圖像顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。3、空間信息的可視化是指運用地圖學、計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，將地學信息輸入、處理、查詢、分析以及預測的數(shù)據(jù)及結(jié)果采用圖形符號、圖形、圖像，并結(jié)合圖表、文字、表格、視頻等可視化形式顯示，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。

空間數(shù)據(jù)庫處理二、空間信息可視化的形式1、地圖：硬拷貝：紙質(zhì)或其它介質(zhì)地圖；軟拷貝：屏幕上的電子地圖。2、多媒體地學信息綜合、形象地表現(xiàn)空間信息所使用的文本、表格、聲音、圖像、圖形、動畫、音頻、視頻各種形式邏輯地聯(lián)接并集成為一個整體概念，是空間信息可視化的重要形式。3、三維仿真地圖4、虛擬現(xiàn)實它是由計算機和其它設備如頭盔、數(shù)據(jù)手套等組成的高級人機交互系統(tǒng)，以視覺為主，也結(jié)合聽、觸、嗅甚至味覺來感知的環(huán)境，使人們有如進入真實的地理空間環(huán)境之中并與之交互作用。三、空間數(shù)據(jù)可視化的過程②預處理從符號庫讀取符號信息③符號化從字符庫讀取漢字及字符信息④地圖輸出色彩庫色彩信息①從GIS數(shù)據(jù)庫中檢索出的要素、特征及定位信息四、電子地圖1、概念：1〕電子地圖是以地圖數(shù)據(jù)庫為根底，以數(shù)字形式存儲于計算機外存儲器上，并能在屏幕上實時顯示的可視地圖，又稱“屏幕地圖〞、“瞬時地圖〞。2〕電子地圖集是為了一定用途，采用統(tǒng)一、互補的制作方法系統(tǒng)聚集的假設干電子地圖，這些地圖具有內(nèi)在的統(tǒng)一性，互相聯(lián)系，互相補充，互相加強。2、電子地圖與GIS的區(qū)別：電子地圖包含了GIS的主要功能，但不是全部功能。側(cè)重于可見實體的顯示，其中較完善的空間信息可視化功能和地圖量算功能是一般GIS所欠缺的。但是相對而言,一些電子地圖(集)難予使其可視子空間均具有統(tǒng)一的空間數(shù)學根底,因而空間分析相對GIS薄弱，這也是兩者的分水嶺。電子地圖〔集〕是一種新型的、內(nèi)容廣泛的GIS產(chǎn)品，而電子地圖〔集〕系統(tǒng)那么是一些內(nèi)容廣泛、功能各異的新型GIS系統(tǒng)。五、動態(tài)地圖1、概念：動態(tài)地圖是能集中、形象地表示空間信息的時空變化狀態(tài)和過程的電子地圖。它的產(chǎn)生和開展是時空GIS的開展的必要根底和前提。2、特征和作用：可以直觀而又逼真地顯示地理實體運動變化的規(guī)律和特點。3、表示方法1〕利用傳統(tǒng)的地圖符號和顏色等表示方法，如運動線表示氣流、行軍等路線。2〕采用定義了動態(tài)視覺變量的動態(tài)符號來表示用閃爍、跳躍、色度、亮度變化等手段反映運動中物的矢量、數(shù)量、空間和時間變化特征。3〕采用連續(xù)快照方法作多幅或一組地圖。這是采用一系列狀態(tài)對應的地圖來表現(xiàn)時空變化的狀態(tài)。4〕地圖動畫六、虛擬現(xiàn)實技術(shù)1、概念：虛擬現(xiàn)實〔VirtualReality〕是一種最有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術(shù)，是當代信息技術(shù)高速開展和集成的產(chǎn)物。本質(zhì)上，虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口或人機交互界面，是物理現(xiàn)實的仿真。通過計算機建立一種仿真數(shù)字環(huán)境，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像、聲音和觸摸感受，利用多種傳感設備使用戶“投入〞到該環(huán)境中，用戶可以如同在真實世界那樣“處理〞計算機系統(tǒng)所產(chǎn)生的虛擬物體。虛擬現(xiàn)實技術(shù)：又稱靈鏡技術(shù)。是指通過數(shù)字頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)字外衣，以及三維立體顯示器、三維鼠標、立體聲耳機等使人能完全沉浸計算機生成創(chuàng)造的一種特殊三維圖形環(huán)境，并且人可以操作三維圖形環(huán)境，實現(xiàn)特殊的目的。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機硬件、軟件、傳感、人工智能、心理學及地理科學開展的結(jié)晶。它是通過計算機生成一個逼真的環(huán)境世界，人可以與此虛擬的現(xiàn)實環(huán)境進行交互的技術(shù)。它的出現(xiàn)徹底改變了用戶和系統(tǒng)的交互方式，創(chuàng)造了一種完全的、令人信服的夢想式環(huán)境，人們不但可以進入計算機所產(chǎn)生的虛擬世界，而且可以通過視覺、聽覺、觸覺，甚至嗅覺和味覺多維地與該世界溝通。這是一種具有巨大意義和潛力的技術(shù)，正在迅速的開展之中。2、VR硬件：VR的硬件目前并不定形，主要有以下幾種(1)圖像生成器：它的作用是快速進行圖形運算；(2)操縱和控制設備：

①實現(xiàn)位置跟蹤和控制的鼠標器，跟蹤球和游戲桿；

②數(shù)據(jù)手套，其手指局部裝有傳感器；

③數(shù)據(jù)緊身衣；

④最新的操縱是通過眼睛和思維操縱，這是通過測定神經(jīng)系統(tǒng)的微小電流來操作的；(3)位置跟蹤裝置：

①機械盔甲：提供快速準確的跟蹤；

②超聲波傳感器；

③光學位置跟蹤器；

④慣性跟蹤器；(4)立體視見裝置：

采用偏光眼鏡或屏幕分割或立體鏡產(chǎn)生圖像的左右視差等手段來產(chǎn)生立體。(5)頭盔：產(chǎn)生立體圖像或二維地圖。3、VR的硬件級別1〕．初級VR是以PC機或低檔工作站為硬件根底；2〕．根本VR是在初級VR上，增加立體觀察器，3D或6D鼠標或游戲桿和數(shù)據(jù)手套等；

3〕．高級3D是在上述根底上增加圖像加速器，幀緩存等，對于PC機那么是必須增加3D加速卡和3D音卡；4〕．沉浸式VR，其中必須增加沉浸顯示裝置，如多個大型投影式顯示器，還可以增加觸覺、力感和接觸反響等交互設備。

5〕．駕駛艙仿真器：這是一個封閉式的虛擬環(huán)境，設備個人化并較為昂貴；

6．DIVE〔DistributedInteractiveVirtualEnvironment〕分布式交互虛擬環(huán)境，這是一個Internet上開發(fā)基于多個網(wǎng)絡用戶的虛擬環(huán)境、其用戶界面及地域廣闊，用戶眾多，分布式交互，共享性高；基于其享式或3D綜合環(huán)境等應用系統(tǒng)上的實驗平臺，這完全稱得上是一個小型的世界；7．SIMNET和作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)〔DefenseSimulationInternet〕是目前世界上最大的VR工程，目的是使不同的仿真器可在網(wǎng)絡上互聯(lián)，用于部隊的聯(lián)合訓練和演習，即位于德國的坦克仿真器可與位于美國的坦克仿真器一起聯(lián)合進行軍事演習。

上述7種VR，硬件局部一級比一級復雜、投入也高得多。4、軟件系統(tǒng)共分兩類：一類是工具包，即程序庫，往往需要程序員根據(jù)具體需要來進行編程；另一類是創(chuàng)作工具，后者不需要復雜的編程，有較多不同層次的商品軟件:

1．免費VR：這些是VR系列的入門級產(chǎn)品，代表產(chǎn)品為Rend386、Maltiverse。一般可從國際互聯(lián)網(wǎng)上免費下載。

2．低價VR程序：代表產(chǎn)品為DimensionInternational的VirtualRealityStud10〔VRS〕。

3．中檔VR軟件包：它們一般可稱是優(yōu)秀的專業(yè)軟件包，而且僅要求計算機作為根本硬件，這類代表產(chǎn)品有Vitus的VirtusWalkthrough,QuickTimeVr以及Sense8的WorldTollkitForWindows。

4．高價VR軟件：是高檔的精彩的VR產(chǎn)品，需要多種硬件支持。代表產(chǎn)品有Straylight公司的MotoVB,Dimension,International的SuperscapeVRTB等。5、VR的分類VR的類型是根據(jù)它的交互性質(zhì)來分的，也即是根據(jù)它能實現(xiàn)人的視感、聽感、觸感、嗅感和傳感器的程度和質(zhì)量來區(qū)分。根據(jù)目前所見資料，可分以下幾種：

1．世界之窗〔WOW:WindowonWorldSystem〕它僅用顯示器和音卡來顯示虛擬世界，它的衡量標準是“看起來真實，聽著真實，物體的行為真實〞；

2．視頻映射它在上述WOW根底上把用戶的輪廓剪影作為視頻輸入與屏幕二維圖形合成，屏幕上顯示用戶身體和虛擬世界的交互過程；

3．沉浸式系統(tǒng)完全的VR系統(tǒng)把用戶的視點和其它感覺，完全沉浸到虛擬世界中，它可以是頭盔加其它交互硬件，也可以是多個大型投影儀產(chǎn)生的一個洞穴；4．遙視、遙作遙視把用戶的感覺和真實世界中的遠程傳感器、遙測儀連接起來，并用機器人，機器手進行遠程操作。實際上，阿波曼登月方案和網(wǎng)絡會診，網(wǎng)絡手術(shù)已顯現(xiàn)了這方面的實際進展；

5．混合現(xiàn)實遙現(xiàn)和虛擬現(xiàn)實的結(jié)合產(chǎn)生了混合現(xiàn)實和無縫仿真，例如腦外科手術(shù)時，腦外科醫(yī)生看到的是由真實場景，預先得到的掃描圖像和實時超聲圖像組合而成的場景；領航員那么在它的頭盔或顯示屏上既看到電子地圖和數(shù)據(jù)，又看到真實景象。

6、VR的意義世界是不能試驗的，大的環(huán)境工程也不能試驗。甚至小到一個雕塑、一個零件，進而一棟房屋，一項工程，大而言之一場戰(zhàn)爭，其實際運作需要很多時間和經(jīng)費，而且大型的過程無法重新進行，現(xiàn)在可能以在虛擬現(xiàn)實中進行模擬和實驗，找出最正確方案。VR技術(shù)使用前景是無可估量的，其意義是極其巨大的，它是影響整個未來的信息技術(shù)。

要制造好一個虛擬現(xiàn)實，就必須加深理解我們的現(xiàn)實世界，尤其是地學環(huán)境，這是不可缺的。地學科學是對地學環(huán)境的描寫，對浩瀚信息的綜合概括，層次化圖形符號的模型化表達是正在迅速開展中VR的基石和向?qū)?。相對而言VR技術(shù)的開展，對地理信息的可視化將提出更高、更復雜的要求。7、VR技術(shù)的應用VR技術(shù)最先進的應用領域就是軍事國防。飛行模擬：飛行員的飛行訓練是一件十分昂貴、危險和困難的事，由于飛行費用昂貴，飛行均在高速中進行，天空中對飛行員的保護又很有限，對飛機的保護幾近于零。一個細小的疏忽，就會造成機毀人亡的嚴重事故。因此，世界上VR的應用均首先從飛行模擬開始。飛行員載上頭盔，坐在VR裝備的飛行座倉內(nèi)，由VR制作的飛行"氣氛"和電子地圖及飛行儀表的顯示，以及駕駛員進行操作，機械和儀表的相應運作及反響，使飛行員在虛擬的飛行狀態(tài)中進行各種訓練。大大提高了飛行員訓練密度、強度和質(zhì)量以及降低了訓練的費用。

戰(zhàn)斗模擬：VR應用不僅用于飛機，而且還用于船艦、坦克通訊及步兵演習。隨著網(wǎng)絡VR技術(shù)的出現(xiàn)，美軍得以在被其稱為“防御模擬互聯(lián)網(wǎng)〞的全球范圍內(nèi)實施Simnet坦克戰(zhàn)斗方案。最先廣泛應用的場合是海灣戰(zhàn)爭，Simnet幾乎可以使每場戰(zhàn)斗或戰(zhàn)役之前在VR中進行模擬訓練。海灣戰(zhàn)場已變成大規(guī)模的電子沙盤實景，用于其中的地形環(huán)境仿真。實際上，今后的VR技術(shù)在利用電子地圖技術(shù)制作大型電子沙盤實景，給出戰(zhàn)斗、戰(zhàn)役的地形地貌環(huán)境，使每場戰(zhàn)斗之前能夠進行模擬實習，將大大提高戰(zhàn)爭藝術(shù)，減少傷亡，爭取勝利是十分有利的。

8、實現(xiàn)技術(shù)

可以通過GIS軟件支持的DEM功能、3DMAX，AutoCAD中的三維實體建模，以及VRML，OPENGL或DirectX，Java3D或Flash,ViewPoint等實現(xiàn)或輔助實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實。1〕VRML簡介：VRML作為一種開放的、可擴展的、工業(yè)標準的虛擬景象描繪語言，已廣泛用于在Internet中描述3D景象或世界。VRML和HTML是緊密相連的，是HTML在3D領域模擬和擴展。由于VRML在Internet具有良好模擬性的和交互性，顯示出強大的生命力。

2〕具體實現(xiàn)-----實例3〕應用VRML作為實現(xiàn)VR的語言標準，與GIS、DEM、DTM技術(shù)相結(jié)合，將在旅游娛樂、商業(yè)營銷、房地開發(fā)、工程設計、數(shù)字地球、虛擬地理環(huán)境、軍事等眾多領域發(fā)揮巨大的作用。目前，它的最大問題是缺乏好的VRML語言編輯器。*.wrlVRML瀏覽器插件如CosmoPlayer虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡環(huán)境地圖產(chǎn)品的開發(fā)有如下過程：1地圖版面設計包括版面形式、尺寸、底色等。2確定地圖內(nèi)容包括地圖圖層、相關(guān)地圖要素〔如比例尺、指南針、圖例、坐標等〕、其它要素〔圖表、照片、說明等〕。3地圖配置各種要素在圖版上布局。4圖例設計對普通地圖來說，有標準圖例，應按標準進行設計；對專題地圖，可以根據(jù)專題內(nèi)容采用不同形式設計專題地圖圖例。5標注和注記在地圖增加特征的屬性信息。6輸出以通用的圖像格式保存。地圖版面設計地圖配置地圖配置需要不斷試驗，最后確定適宜方案。圖例設計專題地圖的表示方法有多種形式，在地理信息系統(tǒng)中，常用的有單一符號〔SingleSymbol〕、分級顏色〔GraduatedColor〕、分級符號〔GraduatedSymbol〕、獨立值〔UniqueValue〕、點值〔Dot〕以及圖表〔Chart〕等類型，用戶可以根據(jù)主題類型選擇自己需要的圖例類型。1SingleSymbol〔單一符號〕類型

是指主題中所有特征以一種符號顯示2GraduatedColor〔分級顏色〕類型根據(jù)主題的某一字段〔數(shù)字型〕值，用一系列梯度變化的顏色來表現(xiàn)主題中各個記錄之間的差異。分級顏色地圖最適合于那些有等級特征的主題顯示，如人口分布、高程圖、降水量的大小、氣溫分布等。利用分級顏色法需要確定等級數(shù)及分級方法。大多數(shù)專題地圖的分級數(shù)在3—7之間分級方法包括