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1、地理信息系统原理,邬国锋武汉大学资源与环境科学学院,第七讲 空间数据的可视化与地图制图,普通地图制图专题地图制图 地图注记地图输出,概述,地理信息系统起源于或者说“脱胎于”计算机地图制图。但是在建立了地理信息系统或者说空间数据库之后，计算机制图的问题则归结为空间数据的可视化表现问题，以及地图输出问题空间数据的可视化表示包括颜色、线型、符号、文字注记、统计图表、图像、录相、声音等 典型的输出产品有普通地图、专题地图和电子地图等,概述,空间数据的可视化表现涉及到计算机图形窗口的管理、图形窗口的空间坐标变换、色彩管理、符号库管理、窗口句柄、窗口的放大缩小、漫游操作以及绘图设备的连接等。窗口管理、窗口
2、句柄以及窗口的放大、缩小漫游等属于计算机方面的技术，而且不同的软件，实现机制不完全相同,概述,地图制图通常分普通地图制图和专题地图制图。普通地图和专题地图制作的关键技术都是根据空间和非空间数据进行符号化的过程,普通地图制图,普通地图包括国家的基本比例尺的地形图和城市及厂矿的大比例尺地形图等。这种地形图的一个显著特点是标准化，国家和有关行业如测绘局对各种系列比例尺的地形图的规格、大小、内容以及图式都作了严格的规定，所以要由空间数据生产制作符合规范要求的地形图并非易事,普通地图制图,地图符号及其分类地图符号是地图的语言，是用来表示自然或人文现象的各种图形，它是表达地理现象与发展的基本手段 可以分解
3、为点、线、面三种基本图形元素。其中点是最基本的图形元素，这是因为一组有序的点可以连成线，而线可以围成面，面域内则由各种线划符号、点符号或文字表示其属性 从几何角度来看可以分为点状地物、线状地物和面状地物。因而表达地物的符号也可以相应地划分为点状符号、线状符号、面状符号。注记作为一种直接的地理信息描述手段，在地图中起着非常重要的作用。因此，有时也将注记看成是一种特殊的符号,普通地图制图,地图符号及其分类点状符号是不依比例表示的小面积地物或点状地物符号，如油库、水塔、测量控制点等。点状符号有以下特征：点符号的图形固定，不随它在图幅中的位置的变化而变化；点符号都有确定的定位点和方向性；点符号图形大都
4、比较规则，由几何图形构成，简单、美观、形象，易用数学公式表示,普通地图制图,地图符号及其分类线符号是长度在图上依比例尺表示而宽度不用比例尺表示的符号，它是地图上表示顺线状延伸分布的物体或制图现象的符号。如河流、道路、输电线等符号。线符号有以下特点：线状符号都有一条有形或无形的定位线；线状符号可以进一步划分为曲线、直线、虚线、平行线、沿定位线连续配置点符号等；线状符号可以进一步分解成具有单一特征的线状符号，即一线状符号可以由若干条具有单一特征的线状符号组成,普通地图制图,地图符号及其分类面状符号是指在二维图上各方向都能依比例尺表示的符号，它是地图上用来表示面状分布的物体或地理现象的符号。通常用来
5、表示诸如植被、土壤、池塘等呈面状分布的地物。面状符号有以下特点：有一条有形或无形的封闭的轮廓线；多数面状符号是在轮廓线范围内配置不同的点状符号、绘阴影线或着染颜色,普通地图制图,地图符号及其分类面状符号是指在二维图上各方向都能依比例尺表示的符号，它是地图上用来表示面状分布的物体或地理现象的符号。通常用来表示诸如植被、土壤、池塘等呈面状分布的地物。面状符号有以下特点：有一条有形或无形的封闭的轮廓线；多数面状符号是在轮廓线范围内配置不同的点状符号、绘阴影线或着染颜色,普通地图制图,地图符号图元分析 点符号、线符号、面符号它们各有其特点，又具有共性。它们的差异是构成各自的基本图素不同，而相同之处是他
6、们的绘制参数（符号代码、绘图句柄、笔的颜色、刷子的颜色等）、操作方法（绘制、删除等）基本一致,普通地图制图,地图符号图元分析 点状符号图元,普通地图制图,地图符号图元分析 线状符号一是重复配置点符号图元法，即将线符号分解成基本点符号图元，然后沿线符号定位线连续配置点符号，这种方法的特点是每配置一个符号就要进行一次符号变换，变换速度随定位线的弯曲和符号的复杂程度而异，因而绘制速度较慢，且变换模板较难设计；二是组合绘制方法，它认为任何线符号可以由具有单一特征的线符号组合而成，这种方法的特点是绘制速度快、算法相对简单，但要针对不同的线符号设计好各种单一线型。,普通地图制图,地图符号图元分析 面状符号
7、绘制面符号有三种情况：一是在绘图区域内以不同的倾角、不同的间距、不同的实、虚部长度的平行线族来构成不同的图案，即阴影线填充图案；二是在绘图区域内以不同的间距、不同的布点形式（井字形、品字形）、不同的旋转转角绘制点状符号以构成图案，即点符号填充图案；三是位图填充图案,普通地图制图,地图符号绘制方法 地图符号绘制的实质是将符号坐标系中图形元素特征点的坐标（x,y）变换到地图坐标系中的坐标(X,Y)并按给定的顺序连线的过程 计算机制图中符号绘制（符号化）方法有两种，即编程法和信息法,普通地图制图,地图符号绘制方法 编程法编程法是由绘图子程序按符号图形参数计算绘图矢量并操作绘图仪绘制地图符号。这种方法
8、中每一个地图符号或同一类的一组地图符号可以编制一个绘图子程序。这些子程序就组成一个程序库。在绘图时按符号的编码调用相应的绘图子程序，并输入适当的参数，该程序便根据已知数据和参数计算绘图向量并产生绘图指令，从而完成地图符号的绘制。这种方法适合那些能用数学表达式描述的地图符号，其特点是增加符号不方便，即使增加一个符号也要对程序库进行重编译，给用户的自主权不大，因而很难作为商业软件进行流通。目前这种方法的应用越来越少,普通地图制图,地图符号绘制方法 信息法信息块法也称为符号库方法。绘图时只要通过程序处理已存在符号库中的信息块，即可完成符号的绘制。信息块即为描述符号的参数集。随着符号在地图上的表现形式
9、不同，信息块的存放格式也不同,普通地图制图,地图符号绘制方法 信息法直接信息法是存贮符号图形特征点的坐标（矢量形式）或具有足够分辨率的点阵（栅格数据），直接表示图形的每个细部点。这种方法获得符号信息较为困难，占用存贮空间大，当符号精度要求较高时尤为突出，对符号进行放大时符号容易变形,普通地图制图,地图符号绘制方法 信息法间接信息法存放的是图形的几何参数，如图形的长、宽、间隔、半径、方向角、夹角等，其余数据都由绘图程序在绘制符号时按相应的算法计算出来。这种方法占用存贮空间小，能表达较复杂的图形，且绘图精度高，可以对符号进行无级放大也不变形，符号的图形参数可方便地利用交互式符号设计系统获得。但该方
10、法的程序量相对大些，编程工作也较复杂,普通地图制图,矢量符号绘制方法 点符号绘制 绘制一个点符号所需参数为：定位点（x0,y0）、缩放系数scale、旋转角。符号库中保持的符号描述信息都是基于符号坐标系的，因此，绘制点符号时应进行一系列变换，即缩放、旋转、平移,普通地图制图,矢量符号绘制方法 线符号绘制,普通地图制图,矢量符号绘制方法 面符号绘制,普通地图制图,栅格符号绘制方法利用栅格符号信息绘制符号的算法比较单纯。主要利用对栅格符号信息作栅格的基本运算完成一般点符号的绘制是平移采用产生，对于有向点符号，亦是先旋转后平移到指定的位置上输出面符号的绘制，首先在轮廓内填“实”，然后将填实的区域图像
11、分块与栅格点符号进行逻辑“与”运算，结果便能在轮廓内形成规则配置的面符号线符号的产生是对信息块逐列处理的过程，由于线状符号走向多变，因此不能对信息块整体操作。这里介绍线符号的“伦移法”。首先在符号库中获得描述符号的象元矩阵，接着从左至右逐列取出电阵信息，按线符号定位线走向旋转变换（列向与定位线垂直），然后平移至指定位置输出,普通地图制图,符号库设计对于一个GIS系统来讲，一般都提供了制作或设计符号库的功能，GIS用户或应用系统开发者应根据GIS系统的应用目的，设计并建立用于系统制图输出的符号库,普通地图制图,符号库设计符号设计的实现途径有四种 一是文本编辑器设计方法，如AutoCAD的形文件（
12、shp）、线文件和阴影文件，其特点是设计速度慢，不能实时观察所设计的符号二是采用系统提供的二次开发语言编程实现，如Arc/INFO的AML语言和ODE、MGE的MDL等,它提供了编程实现符号绘制的接口，开发者可以利用它们实现特殊符号的绘制，如依比例桥梁、花房等符号三是利用系统本身的图形编辑功能实现。先在屏幕上绘制、编辑所要设计的符号，然后圈定符号范围并指定符号定位点，系统就从当前的编辑缓冲区中提取符号描述信息，当用户指定了诸如符号代码（或名称）等参数后，即可存放到符号库中。如AutoCAD的块文件（block）、MEG的单元(cell)都是采用这种设计方式，但这种方式又受系统图形编辑功能的限制
13、，且只能设计点符号四是提供符号设计界面，如MGE提供的线型编辑(Line Style Editor)功能可用于交互式编辑线符号。总之，他们都有各自的特点和不足，一致的看法是为系统提供一个符号编辑器，即符号设计系统,普通地图制图,符号设计系统（1）组成符号的图素满足符号设计要求；（2）设计时能实时观察所设计的符号；（3）符号设计系统界面友好、操作方便灵活；（4）符号设计精度应满足一定的进度要求；（5）符号设计系统、符号显示软件具有良好的封装性、可维护性和可适应性。符号设计界面中提供了基本的图元，设计时先用鼠标选择所需的图元，之后用户既可以在屏幕上直接绘图，也可以在图元参数输入对话框中输入有关参数
14、，增加图元时，符号实时发生变化。用户还可对符号库中的符号进行删除、修改、浏览、选取等。为用户使用方便 符号库即为符号描述信息的集合。无论是点符号、线符号还是面符号，都是各自图元对象类实例对象聚集而成的复杂对象。对于矢量符号来讲，由于间接信息法节省存贮空间，符号精度高，符号描述信息可以用交互式符号设计系统获得。为了节省存储空间，符号库中保存组成符号的图元对象标识和图元描述参数,普通地图制图,空间实体符号化过程空间实体与符号之间的关系,普通地图制图,空间实体符号化过程空间实体地物编码的设定 GIS系统管理的空间实体一般都包含一个对象标识OID（Object IDebtify）和地物代码fcode(
15、feature code),有的系统也叫用户标识UID（User IDentify）,对象标识码一般由系统自动给定，即在数字化时软件会对不同的空间实体对象赋给一个唯一且不重复的标识码（一般为数字）。用户标识则是用户为区分空间实体不同类型而设置的一种标识码，在同一工作区域内不同实体对象可以具有相同的用户标识码。任何一个空间实体都应有用户标识码，用户标识码的确定有两种方式：一是在数字化某实体之前，先选择地物类型，从而得到用户标识码，数字化时将它自动赋给被数字化的实体；二是先对实体数字化，然后以修改实体属性值的方法给定。通常采用第一种方法给定空间实体的用户标识，第二种方法只是在修改实体的属性值时采用
16、。,普通地图制图,空间实体符号化过程地物类型参数的设置,普通地图制图,空间实体符号化过程空间实体符号化过程,专题地图制图,专题地图着重反映某一种自然和社会经济要求的分布或强调表示这些现象的某一方面的特征专题地图的制作除了具有普通地图制作的共同特征外，还有自己的一些特征。这些特征主要反映在非空间属性值的符号化表示方面,专题地图制图,专题地图的分类,专题地图制图,专题地图的表示方法 由于自然和社会经济要素分布特征的差异，在专题图上采用的表示方法也有多种方式。各种自然和经济现象在地球表面上的分布可以分为下列类型：有的现象具有面状连续分布的特点，其中还有的现象呈逐渐变化的趋势，在制图区域内只是表现高低
17、、强弱不同，如地形、地磁、气压、温度等；有的要素呈离散的点状分布或占有较小面积的块状分布，大多数社会经济要素属此类型，如居民地、工厂、车站、水井、高程点和监测点等；有的呈线性连续分布，如海岸、河流、交通线路、油气管道等自然和经济要素；也有的现象是间断的面状分布，它们在整个制图区域内到处都可能出现，如耕地、森林、牧场、沼泽等；还有的集中分布于制图区域的个别地方,专题地图制图,专题地图的表示方法 点符号法专题地图上采用的点状符号按其形状可以划分文字符号、几何符号、特征符号和艺术符号。符号大小和分级，可采用按连续绝对增长的比例或阶梯增长的比例等原则。经常使用符号内的不同颜色和线画反映制图对象的内部结
18、构，例如采用圆形符号表示工业分布中心，可用圆的大小表示工业中心规模，圆内划分不同比例部分反映各工业部门的组成。采用风玫瑰图可以表示多种指标，如用圆符号定位于观测点，用不同方向的齿线表示风向的频率等,专题地图制图,专题地图的表示方法 线符号法地球上许多制图要素，如河流、海岸、地质构造线、交通运输线等，都是呈线状分布，要在地图上反映这些现象，必须采用线状符号。线状符号包括不同颜色和形状的线划、箭头、条带等。地物的质量特征可以用线状符号的形状和颜色加以区分，而数量特征则用符号大小表示。在专题图上经常使用线状符号的宽度来反映数量指标，例如在交通运输图上，用条宽表示运输量，同时带内用各种晕线或颜色划分货
19、物品种,专题地图制图,专题地图的表示方法 等值线值线法是用来表示连续分布并逐渐变化的制图现象的数量特征。在制图上等值线被认为是具有相等数量指标的点的连线，但在实地上并没有这种标志，地图上等值线的意义并不是它的本身，而是作为一种表达整个制图地区特征的方法，反映制图对象的差异变化。等值线法具有较强的表现力，尤其是在地图采用不同灰阶和分层设色的情况下，更能明显地反映出制图区域内现象的分布规律，如地形高低、气候要素的强弱变化等,专题地图制图,专题地图的表示方法 质底法 为了反映制图区域连续分布现象的质量特征，通常把性质有差异的不同类型对象在地图上用不同颜色加以区分，这种表示方法称质底法。质底法是反映整
20、个制图地区的质量差异，需按确定的原则划分各种类型或进行区划。质底法除了使用各种颜色外，还经常采用面状符号、晕线等表示手段。但其本质问题是图例类型的划分和界线的确定,专题地图制图,专题地图的表示方法分级统计图法和图表统计图法 分级统计图法是用颜色深浅或符号疏密表示制图现象统计差异，图表统计图法是用柱状图或其他图形符号表示各区域单元的统计数据。这两种方法的差别在于：用分级统计图法反映制图现象分布强弱，必须使用相对值指标；而图表统计图法则直接采用绝对值指标,专题地图制图,专题图制图的实现过程 在专题图的制作过程中，首先根据图层选择属性表和属性项，然后选择制图方法，如果属性是字符型选择质底法等方法，则
21、系统会根据空间对象的特性在空间对象内充填相应的颜色或面状符号或晕线等 对于数值型属性，制作专题图时，相对复杂一些，需要将属性值的大小转化为符号的大小,地图注记,地图注记包含两方面的内容，一是地图上的内容注记，如地物名称等，它本身可以作为空间数据库中一项内容；第二种是制图说明注记，这种注记仅与地图输出有关，空间数据库中一般不存贮这些内容,地图注记,注记的数据结构,AnnatationStructure 注记目标标识所属地物类或层字体颜色大小字形字符间距注记方式字符个数注记字符串注记点位坐标注记点位坐标注记点位方向角,地图注记,注记方式与注记编辑 注记除了字体、颜色、大小、字形、字符间距等参数以外
22、，注记方式是一项重要的内容。注记方式有单点注记。给定一个点位，注记一串字符，一般单点注记的注记方向角为零。第二种注记方式是双点注记，给定两个点位，注记一串字符，注记的方向由两个点位决定。第三种是布点注记，虽然注记是一个字符串整体,地图注记,注记方式与注记编辑 注记的编辑除了修改注记的字体、颜色、大小等选择参数以外，主要是注记内容的修改，注记点位的移动，注记方式与注记方向的修改等等。此外，还要考虑注记相互压盖和注记与地物的压盖与协调问题,地图注记,注记方式与注记编辑 注记的编辑除了修改注记的字体、颜色、大小等选择参数以外，主要是注记内容的修改，注记点位的移动，注记方式与注记方向的修改等等。此外，还要考虑注记相互压盖和注记与地物的压盖与协调问题,地图排版,地图的符号化与注记以后还有许多的颜色配置、图幅整饰、图例、图面布局等工作，这些工作称为地图排版颜色配置 图幅整饰：图幅整饰包括图名、方里格网图例、图幅外注记、比例尺、坡度尺等许多内容，对普通地图，图幅整饰的内容和注记大小等均有严格的规定。必须符合规范和图式要求。但对于专题图而言，图幅整饰则随意得多，它以合理和美观为原则 地图排版布局：专题图输出时丰富多彩，有时需要将多种主图、附图、统计图表、图片、文本等不同种类的文件混合排版，并建立绘图文件，为输出纸质地图、电子地图和分色加网软片做好准备,
