第八章地理信息系統產品的輸出設計第一節地理信息系統產品的輸出形式地理信息系統產品

經過系統處理和分析，可以直接供專業人員或決策人員使用的各種地圖、圖表、數據報表或文字說明。一常規地圖以線劃、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容包括：水系、地貌、植被、居民地、交通、境界、獨立地物等。具有統一的大地控制、地圖投影、分幅編號、比例尺系統、統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濟現象的地圖，由地理根底和專題內容兩局部組成。主要反映空間分布、時間變異、數量質量特征三個方面。3遙感影像地圖具有遙感圖象和地形圖的雙重特點4統計圖表與數據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技術為支撐，強調圖的數字化；2〕第二階段80年代以后以GIS技術為支撐，強調用數據管理存儲；3電子地圖的制作數據收集數字化屬性化圖和屬性的鏈接電子地圖質量控制資料更新4、電子地圖的應用1〕導航和智能運輸系統〔車載系統〕2〕電子地圖資料庫3〕提供網絡地圖隨著信息社會的到來，將大量使用電子地圖，電子地圖生產已成為一熱門行業，因此，在國外已出現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，從而在國際上出現了電子地圖生產開發商，如：美國——ESRI公司、DELORME公司；歐洲——FELSTRA公司等。國內國家測繪局在這方面作了大量工作。第二節地理信息系統圖形輸出系統設計一根本理論1圖形坐標系統〔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的規定〔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顏色模型的數學表示為：式中r、g、b為匹配系數。〔2〕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圖形數據結構與數據庫〔1〕二維矢量圖形結構〔2〕柵格圖像數據結構二輸出的幾何變換

1.二維圖形變換〔1〕比例變換〔2〕旋轉變換〔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配置點狀符號、陰影線或顏色。構成符號的根本圖素〔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是將符號坐標系中圖形元素特征點坐標〔x,y)轉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。〔2〕符號庫法〔也稱信息塊法〕通過程序調用描述符號參數的符號庫參數集信息塊，完成符號的繪制。如在信息塊中存放圖形的幾何參數，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填“實〞，之后將填充的區域圖象塊同柵格點符號進行邏輯“與〞運算，從而在區域內形成面符號。地理信息系統的可視化與虛擬現實一、根本概念1、可視化：可視化是將符號或數據轉化為直觀的圖形、圖像的技術，它的過程是一種轉換，它的目的是將原始數據轉化為可顯示的圖形、圖像，從而全面且本質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，將科學計算過程中產生的數據及計算結果轉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。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，將地學信息輸入、處理、查詢、分析以及預測的數據及結果采用圖形符號、圖形、圖像，并結合圖表、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。

空間數據庫處理二、空間信息可視化的形式1、地圖：硬拷貝：紙質或其它介質地圖；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、虛擬現實它是由計算機和其它設備如頭盔、數據手套等組成的高級人機交互系統，以視覺為主，也結合聽、觸、嗅甚至味覺來感知的環境，使人們有如進入真實的地理空間環境之中并與之交互作用。三、空間數據可視化的過程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數據庫中檢索出的要素、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據庫為根底，以數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，采用統一、互補的制作方法系統聚集的假設干電子地圖，這些地圖具有內在的統一性，互相聯系，互相補充，互相加強。2、電子地圖與GIS的區別：電子地圖包含了GIS的主要功能，但不是全部功能。側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一的空間數學根底,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、內容廣泛的GIS產品，而電子地圖〔集〕系統那么是一些內容廣泛、功能各異的新型GIS系統。五、動態地圖1、概念：動態地圖是能集中、形象地表示空間信息的時空變化狀態和過程的電子地圖。它的產生和開展是時空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律和特點。3、表示方法1〕利用傳統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〕采用定義了動態視覺變量的動態符號來表示用閃爍、跳躍、色度、亮度變化等手段反映運動中物的矢量、數量、空間和時間變化特征。3〕采用連續快照方法作多幅或一組地圖。這是采用一系列狀態對應的地圖來表現時空變化的狀態。4〕地圖動畫六、虛擬現實技術1、概念：虛擬現實〔VirtualReality〕是一種最有效地模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術，是當代信息技術高速開展和集成的產物。本質上，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口或人機交互界面，是物理現實的仿真。通過計算機建立一種仿真數字環境，將數據轉換成圖像、聲音和觸摸感受，利用多種傳感設備使用戶“投入〞到該環境中，用戶可以如同在真實世界那樣“處理〞計算機系統所產生的虛擬物體。虛擬現實技術：又稱靈鏡技術。是指通過數字頭盔、數據手套、數字外衣，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造的一種特殊三維圖形環境，并且人可以操作三維圖形環境，實現特殊的目的。

虛擬現實技術是計算機硬件、軟件、傳感、人工智能、心理學及地理科學開展的結晶。它是通過計算機生成一個逼真的環境世界，人可以與此虛擬的現實環境進行交互的技術。它的出現徹底改變了用戶和系統的交互方式，創造了一種完全的、令人信服的夢想式環境，人們不但可以進入計算機所產生的虛擬世界，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，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實現位置跟蹤和控制的鼠標器，跟蹤球和游戲桿；

②數據手套，其手指局部裝有傳感器；

③數據緊身衣；

④最新的操縱是通過眼睛和思維操縱，這是通過測定神經系統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生圖像的左右視差等手段來產生立體。(5)頭盔：產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鼠標或游戲桿和數據手套等；

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境，設備個人化并較為昂貴；

6．DIVE〔DistributedInteractiveVirtualEnvironment〕分布式交互虛擬環境，這是一個Internet上開發基于多個網絡用戶的虛擬環境、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綜合環境等應用系統上的實驗平臺，這完全稱得上是一個小型的世界；7．SIMNET和作戰仿真互聯網〔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絡上互聯，用于部隊的聯合訓練和演習，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、軟件系統共分兩類：一類是工具包，即程序庫，往往需要程序員根據具體需要來進行編程；另一類是創作工具，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系列的入門級產品，代表產品為Rend386、Maltiverse。一般可從國際互聯網上免費下載。

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

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

4．高價VR軟件：是高檔的精彩的VR產品，需要多種硬件支持。代表產品有Straylight公司的MotoVB,Dimension,International的SuperscapeVRTB等。5、VR的分類VR的類型是根據它的交互性質來分的，也即是根據它能實現人的視感、聽感、觸感、嗅感和傳感器的程度和質量來區分。根據目前所見資料，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．沉浸式系統完全的VR系統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絡會診，網絡手術已顯現了這方面的實際進展；

5．混合現實遙現和虛擬現實的結合產生了混合現實和無縫仿真，例如腦外科手術時，腦外科醫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據，又看到真實景象。

6、VR的意義世界是不能試驗的，大的環境工程也不能試驗。甚至小到一個雕塑、一個零件，進而一棟房屋，一項工程，大而言之一場戰爭，其實際運作需要很多時間和經費，而且大型的過程無法重新進行，現在可能以在虛擬現實中進行模擬和實驗，找出最正確方案。VR技術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。

要制造好一個虛擬現實，就必須加深理解我們的現實世界，尤其是地學環境，這是不可缺的。地學科學是對地學環境的描寫，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的基石和向導。相對而言VR技術的開展，對地理信息的可視化將提出更高、更復雜的要求。7、VR技術的應用VR技術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，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中進行各種訓練。大大提高了飛行員訓練密度、強度和質量以及降低了訓練的費用。

戰斗模擬：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。隨著網絡VR技術的出現，美軍得以在被其稱為“防御模擬互聯網〞的全球范圍內實施Simnet坦克戰斗方案。最先廣泛應用的場合是海灣戰爭，Simnet幾乎可以使每場戰斗或戰役之前在VR中進行模擬訓練。海灣戰場已變成大規模的電子沙盤實景，用于其中的地形環境仿真。實際上，今后的VR技術在利用電子地圖技術制作大型電子沙盤實景，給出戰斗、戰役的地形地貌環境，使每場戰斗之前能夠進行模擬實習，將大大提高戰爭藝術，減少傷亡，爭取勝利是十分有利的。

8、實現技術

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等實現或輔助實現虛擬現實。1〕VRML簡介：VRML作為一種開放的、可擴展的、工業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-----實例3〕應用VRML作為實現VR的語言標準，與GIS、DEM、DTM技術相結合，將在旅游娛樂、商業營銷、房地開發、工程設計、數字地球、虛擬地理環境、軍事等眾多領域發揮巨大的作用。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虛擬現實網絡環境地圖產品的開發有如下過程：1地圖版面設計包括版面形式、尺寸、底色等。2確定地圖內容包括地圖圖層、相關地圖要素〔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，可以根據專題內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〕類型根據主題的某一字段〔數字型〕值，用一系列梯度變化的顏色來表現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及分級方法。大多數專題地圖的分級數在3—7之間分級方法包括