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地图符号设计

色彩运用

G

R

GIS可视化知识点树状图

目录

第五章数据可视化1

1.数据可视化概念2

2.平面地图可视化2

2.1地图符号化3

2.1.1地图符号设计3

2.1.2色彩应用4

2.2地图设计4

2.2.1普通地图设计4

2.2.2专题地图设计5

2.3地图制图输出5

2.3.1排版6

2.3.2色彩搭配6

2.3.3地图制图输出6

3.三维地图7

3.1三维模型设计7

3.1.1线框模型7

3.1.2表面模型7

3.1.3实体模型8

3.2DEM8

3.2.1DEM概念9

3.2.2DEM数据的常见表现形式9

3.2.3分辨率9

3.2.4用途10

3.2.5不规则三角网（TIN）10

3.2.6地理网（Grid）10

3.3虚拟现实的设计与实现11

3.3.1真实感图形的生成11

3.3.2视差原理与立体图的生成12

3.3.3光照模型13

4.知识点与技能13

1.数据可视化概念

数据可视化是关于数据之视觉表现形式的研究。

其中，这种数据的视觉表现形式被定义为一种以某种概要形式抽提出来的信息，包括相应信息单位的各种属性和变量。

2.平面地图可视化

平面地图也称二维地图。

平面就是依据一定的数学法则，使用制图语言，通过制图综合，在一定的载体上，表达地球（或其他天体）上各种事物的空间分布、联系及时间中的发展变化状态的图形。

随着科技的进步，地图的概念是不断的发展变化，如将地图看成是“反映自然和社会现象的形象、富豪模型”，地图是“空间信息的载体”、“空间信息的传递通道”等。

传统地图的载体多为纸张，随着科技的发展出现了电子地图等。

2.1地图符号化

2.1.1地图符号设计

地图符号是表达地图内容的基本手段，它由形状不同、大小不一、色彩有别的图形和文字组成。

地图符号是地图的语言，是一种图形语言。

他与文字相比，最大的特点是形象直观。

（1）符号分类：

点位符号：

点状对象被认为是不具有空间尺寸的，或说它的空间尺寸可被忽略，是0维的。

点在数学上用一个平面的x，y坐标表示。

点状分布现象在地图上通常采用只有一个定位点的点状符号表示。

线状符号：

线状要素被认为在空间上是1维的，只有长度没有宽度。

线状要素可被表达为一系列首尾不同的x，y坐标。

线状分布现象在地图上以中心线定位，以不同的线型来表达不同的类型。

面状符号：

面状分布要素是2维多，既有长度，也有宽度。

用一系列首尾相同的x，y坐标来表达。

在地图上表现为有一定范围轮廓以及颜色或底纹填充。

体状符号：

表达连续现象的分布趋势面，对应于每个空间x，y坐标对都有一个独立属性值。

真正的3维在每个空间点（x，y，Z）上都有独立的属性值。

（2）地图符号设计的基本原则：

1形状要图案化；

2种类要简化 

；

3符号要有对比协调性 

4符号要有逻辑系统性；

5图形色彩要有象征性；

⑥总体要有艺术性。

2.1.2色彩应用

色彩学（colorscience）研究色彩产生、接受及其应用规律的科学。

因形、色为物象与美术形象的两大要素，故色彩学为美术理论的首要的、基本的课题。

它以光学为基础，并涉及心理物理学、生理学、心理学、美学与艺术理论等学科。

色彩应用史上，装饰功能先于再现功能而出现。

色彩学的研究在19世纪才开始，它以光学的发展为基础，牛顿的日光—棱镜折射实验和开普勒奠定的近代实验光学为色彩学提供了科学依据，而心理物理学解决了视觉机制对光的反映问题。

色彩应用包括色彩的量度，色彩的混合，色彩的表示和感觉，色彩的选配。

色彩三属性：

1色相：

色彩不同的固有相貌，体现质的差异，用来区分要素的定性特征.2亮度：

彩色和非彩色的明暗程度3彩度：

反射光或透射光相对于光谱的纯洁程度，也称纯度、饱和度。

彩色的感受效应：

1前进色和后退色 

2色彩的交互作用；

3色彩的恒常性 

4感情色彩 

5习惯色彩

2.2地图设计

2.2.1普通地图设计

定义：

普通地图是相对均衡的详细程度表示水系、地貌、土质、植被、居民地、交通线、境界线及其他标志的地理要素的基本特征、分布规律及其相互关系。

目前，研究普通地图的设计和编绘、普通地图的整饰和分析研究等，已成为普通地图学研究的主要内容。

普通地图的用途：

普通地图应用领域广泛，常用于一般了解和掌握制图区的基本概况。

地形图可用于编制地理图，普通地图可用于编制专题地图。

由于不同比例尺普通地图内容的详细程度和概括程度不同，其应用范围和应用功能亦不同。

大比例尺地形图主要用于工程建设、勘察设计、城市规划、农林生产建设、战斗战术设计、侦察作战等方面。

中比例尺地形图主要供规划设计、勘察选线、野外考察、地形研究、资源调查、战术演练、指挥作战等使用。

小比例尺地形图主要供国家、省区市总体规划、产业布局、资源开发、开发建设、战略拟定、统帅指挥等使用。

2.2.2专题地图设计

专题地图（thematicmap），又称特种地图，着重表示一种或数种自然要素或社会经济现象的地图。

专题地图的内容由两部分构成：

①专题内容，图上突出表示的自然或社会经济现象及其有关特征。

②地理基础，用以标明专题要素空间位置与地理背景的普通地图内容，主要有经纬网、水系、境界、居民地等。

着重反映自然或社会现象中的某一种或几种专业要素的地图，集中表现某种主题内容。

2.3地图制图输出

地理信息系统产品是指经由系统处理和分析，可以直接供专业规划人员或决策人员使用的各种地图、图表、图象、数据报表或文字说明。

地理信息系统产品输出是指将GIS分析或查询检索的结果表示为某种用户需要的可以理解的形式的过程，其中，地图图形输出是地理信息系统产品的主要表现形式。

2.3.1排版

排版设计亦称版面编排。

所谓编排，即在有限的版面空间里，将版面构成要素--文字字体、图片图形、线条线框和颜色色块诸因素，根据特定内容的需要进行组合排列，并运用造型要素及形式原理，把构思与计划以视觉形式表达出来。

也就是寻求艺术手段来正确地表现版面信息，是一种直觉性、创造性的活动。

编排，是制造和建立有序版面的理想方式。

2.3.2色彩搭配

地图和所有艺术作品一样，要求主题突出、层次清晰、协调自然、丰富生动。

要达到这一目的，很重要的一点就是要求地图的色彩既调和又有变化。

地图的色彩除了与地图的类型、用途、现象的性质、特点等因素有关外，色彩本身不同的色相、亮度及饱和度的配合，效果差别也很大，给读者造成的感觉也大不相同。

因此也直接影响地图的质量。

其中包括色彩的搭配、调和色配合、对比色配合、特性色与其它色彩的配合等。

2.3.3地图制图输出

输出的方式主要有：

彩色喷墨打印输出、数码打样输出、彩色激光打印输出、分色胶片输出、粉色版输出和数字印刷等。

地图输出是将数字地图或经过计算机编辑和地图概括处理的空间信息，采用绘图仪、喷墨打印机等输出地图图形。

地图输出格式多样，包括dwg、jpg、bmp、tif格式等等。

3.三维地图

定义：

三维电子地图，或3D电子地图，就是以三维电子地图数据库为基础，按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面的三维、抽象的描述。

网络三维电子地图不仅通过直观的地理实景模拟表现方式，为用户提供地图查询、出行导航等地图检索功能，同时集成生活资讯、电子政务、电子商务、虚拟社区、出行导航等一系列服务。

3.1三维模型设计

三维模型是物体的多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。

显示的物体是可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。

任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。

三维模型的建构方式包括以下三种：

3.1.1线框模型

用顶点和边表示形体，通过对点和边的修改来改变形体的形状，即构造的形态是一个简单的线框图。

与该模型相关的数学表达是直线或曲线方程、点的坐标以及边和点的连接信息，该连接信息决定哪些点分别是那条边的端点，以及那条边在哪个点上与其它边相邻。

用线框构造的模型称为线框模型。

优点是所需信息最少、所占存储空间也最少；

缺点是信息的不完整性和多义性。

线框模型的表示方法：

一般说来，线框模型由一些基本的图元来表示，这些图元包括点、线段、圆、圆环、弧等。

3.1.2表面模型

表面建模是对物体各种表面或曲面进行描述的建模方法，常用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的物体，如汽车、飞机、船舶等的一些表面。

这种建模方法的重点在于用给出的离散数据构造曲面，使该曲面通过或逼近这个点，一般需要采取插值、逼近和拟合算法。

常用的算法有Bezier曲线、B样条曲线、Coons曲面、Bezier曲面和近几年发展起来的NURBS曲面。

表面建模的特点是表面模型可以被创建、修改和转换；

表面模型以实体方式显示，但内部中空，无质量、无密度，相互不会阻碍、碰撞。

表面建模可以满足求交、消影、渲染处理、数控加工和有限元网络划分等要求，但曲面造型没有明确提出实体在表面的哪一侧，因此，在物性计算、有限元分析等应用中，表面模型在形体的表示上缺乏完整性。

3.1.3实体模型

实体建模是在表面模型的基础上明确定义了在表面的哪一侧存在实体，增加了给定点与形状之间的关系信息（点在形体内部、外部还是在表面）。

在实体造型系统中，可以得到所有与几何实体有关的信息，有了这些信息，CAID/CAD程序就可以执行各种任务，如计算对象的物理特性，进行运动学分析、有限元分析、装配干涉实验等。

由实体造型构建的模型称为实体模型。

实体模型表示方法：

基本体素引用法、单元分解法、空间位置枚举法、扫描表示法、结构实体法以及边界表示法等，这里给出几种表示方法。

3.2DEM

3.2.1DEM概念

DEM指数字高程模型。

它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型（DigitalTerrainModel，简称DTM）的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。

一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。

3.2.2DEM数据的常见表现形式

DEM模型按照数据的表现形式主要分为两种：

不规则三角网（TriangulatedIrregularNetwork简称TIN，也称三角网DEM）和规则格网（简称GRID，也称格网DEM）。

3.2.3分辨率

DEM分辨率是DEM刻画地形精确程度的一个重要指标，同时也是决定其使用范围的一个主要的影响因素。

DEM的分辨率是指DEM最小的单元格的长度。

因为DEM是离散的数据，所以（X，Y）坐标其实都是一个一个的小方格，每个小方格上标识出其高程。

这个小方格的长度就是DEM的分辨率。

分辨率数值越小，分辨率就越高，刻画的地形程度就越精确，同时数据量也呈几何级数增长。

所以DEM的制作和选取的时候要依据需要，在精确度和数据量之间做出平衡选择。

目前我国已经完成了1：

50000地形图的制作DEM的数据库的建设。

3.2.4用途

由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。

如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析等；

在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；

在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等。

3.2.5不规则三角网（TIN）

不规则三角网即TIN（TriangulatedIrregularNetwork）也名“曲面数据结构”是由Peuker和他的同事于1978年设计的一个系统，它是根据区域的有限个点集将区域划分为相等的三角面网络，数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的密度和位置，能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点表示数字高程特征。

TIN常用来拟合连续分布现象的覆盖表面。

不规则三角网数据结构设计中需要考虑的因素：

（1）占用的内存空间；

（2）是否包含三角网中的各三角形、边及节点间的拓扑关系；

（3）数据结构使用的效率。

3.2.6地理网（Grid）

地理网格系统是一种以平面子集的规则分级剖分为基础的空间数据结构，具有较高的标准化程度，有利于开发面向空间数据库和几何操作的更有效的算法。

它能由粗到细，逐级的分割地球表面，将地球曲面用一定大小的多边形网格进行近似模拟，再现地球表面，其目标是将地理空间的定位和地理特征的描述一体化，并将误差范围控制在网格单元的范围内。

其中以经纬网格为最常用。

3.3虚拟现实的设计与实现

虚拟现实（VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。

虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

3.3.1真实感图形的生成

真实感图形绘制是计算机图形学的一个重要组成部分，它综合利用数学、物理学、计算机科学和其他科学知识在计算机图形设备上生成像彩色照片那样的具有真实感的图形。

一般说来，用计算机在图形设备上生成真实感图形必须完成以下4个步骤。

（1）用建模，即用一定的数学方法建立所需三维场景的几何描述，场景的几何描述直接影响图形的复杂性和图形绘制的计算耗费。

（2）将三维几何模型经过一定变换转为二维平面透视投影图。

确定场景中所有可见面，运用隐藏面消隐算法将视域外或被遮挡住的不可见面消去。

（3）计算场景中可见面的颜色，即根据基于光学物理的光照模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和颜色分量，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一像素的颜色，最终生成图形。

（4）由于真实感图形是通过景物表面的颜色和明暗色调来表现景物的几何形状、空间位置及表面材料的，而一个物体表面所呈现的颜色是由表面向视线方向辐射的光能决定的，在计算机图形学中，常采用一个既能表示光能大小又能表示其颜色组成的物理量，即光亮度（Luminance）或光强（IntensityofLight）来描述物体表面朝某方向辐射光能的颜色。

采用这个物理量可以正确描述光在物体表面的反射、透射和吸收现象，因而可以正确计算出物体表面在空间给定方向上的光能颜色。

物体表面向空间给定方向辐射的光强可应用光照模型进行计算。

简单的光照模型通常假定物体表面是光滑的且由理想材料构成的，因此只考虑光源照射在物体表面产生的反射光，所生成的图形可以模拟出不透明物体表面的明暗过渡，具有一定的真实感效果。

复杂的光照模型除了考虑上述因素外，还要考虑周围环境的光对物体表面的影响。

如光亮平滑的物体表面会将环境中其他物体映像在表面上，而通过透明物体也可看到其后的环境景象。

这类光照模型称为整体光照模型，它能模拟出镜面映像、透明等较精致的光照效果。

为了更真实地绘制图形，还要考虑物体表面的细节纹理，这通常使用一种称为“纹理映射”（TextureMapping）的技术把已有的平面花纹图案映射到物体表面上，并在应用光照模型时将这些花纹的颜色考虑进去，物体表面细节的模拟使绘制的图形更接近自然景物。

3.3.2视差原理与立体图的生成

视差原理是根据人眼的左、右视点能够对同一事物分别生成两幅图像，产生视差原理效果，从而对事物的远近程度做出判断。

传统的时差绘图就是利用这种原理，用两个投影中心把事物投影到同一个平面上，得到两个透视投影。

如果在观看这两个图形时，双眼正好分别处于两个投影的中心位置，每只眼又只能看到由该投影中心得到的图形，通过人的生理和心理的作用，就可获得所给物体的立体图像。

3.3.3光照模型

光照模型用于计算确定物体可见表面上每点的亮度。

物体表面各点发出的光线是极其复杂的，它既与环境中光源的数目、位置、光谱组成和光强分布有关，还与物体表面的反射特性和物体表面相对于光源的朝向有关，甚至还与人眼对光线的生理和心理视觉因素有关，把这一切都用计算机精确地计算出来时不可能的，只能用尽可能精确的数学模型来模拟光和物体的相互作用，近视地计算物体可见表面每一点的亮度和颜色。

物体表面对光线的反射区分为漫反射和镜面反射。

漫反射可以认为是光穿过物体表面并被吸收，而后又重新发射出来的，它向各个方向均匀发出。

镜面反射是在物体表面发生的，镜面反射光从与入射光相对于镜面法向量对称的方向上发出。

理想的漫反射只产生漫反射光线，理想的镜面反射面只在镜面反射方向上产生镜面反射光线。

4.知识点与技能

知识点

技能

二维地图

地图符号化

1.理解符号库的设计思想；

2、掌握地图符号设计的基本原则；

3、能够运用mapinfo、arcgis等软件进行简单的符号设计。

色彩运用

1.了解颜色之间的相互的关系及搭配原则；

2、了解色彩在地图感受中的作用。

地图设计

普通机助制图设计

1、掌握普通地图的特征及用途。

1、掌握专题地图制作整个技术流程；

2、掌握专题地图设计的步骤。

制图排版

1、掌握各个制图元素和辅助要素设置；

色彩搭配

1、掌握地图中点状符号、线状符号、面状符号色彩搭配。

地图输出

1了解普通地图与专题生产工艺流程；

线模型

1、了解线框模型的定义；

2、掌握构成三维线框模型的对象；

3、了解实体模型的定义及其特点。

面模型

实体模型

DEM

TIN

1、了解什么是TIN和Grid。

Grid

真实感立体的生成

1、了解真三维显示技术原理。

视差原理与立体图生成

1、了解视差原理。

2、了解立体图像的生成原理。

光照模型

1、了解简单光照模型的三种情形。