地理信息系统：第十一章 空间数据表现与地图制图

上北下南，绿色代表平原，棕色代表高山，蓝色代表海洋。 布拉格是粉红色的，佛罗伦萨是蓝色的。 地图是一个令人想入非非的东西，它的容量如此之大，足够存储我们过于丰富的情感。 佚名 第十一章 空间数据表现与地图制图 导读：空间数据的表现功能贯穿于GIS空间数据处理的始终，功能的许多方面，包括符号、专题信息表达、图幅配置、制图综合等，都来源于地图制图，这也表明了地理信息系统和制图学的渊源关系。从某种角度上来讲，地理信息系统可以称为“动态的地图”，它提供了比普通地图更为丰富和灵活的空间数据表现方式，如动态信息表达、虚拟现实等等。但是，从另外的角度来看，制图学又是一门艺术，单纯依靠计算机系统是难以制作完美的地图的，它需要人工的交互干预，如制图综合，目前还没有任何GIS软件能够很好地解决这些问题。 本章最后介绍了可视化的内容，可视化与信息的感知和传输有着密切的关系，地学可视化的研究、以及在GIS中应用可视化技术，对于空间数据的广泛应用有着重要的意义。 1．概述——地理信息系统数据表现与地图学 地图是记录地理信息的一种图形语言形式，从历史发展的角度来看，地理信息系统脱胎于地图，并成为地图信息的又一种新的载体形式，它具有存储、分析、显示和传输的功能，尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了成套方法，为地理信息系统的图形输出设计提供了技术支持；同时，地图仍是目前地理信息系统的重要数据来源之一。但二者又有本质之区别：地图强调的是数据分析、符号化与显示，而地理信息系统更注重于信息分析。地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响，特别是地理信息系统中的空间数据表现许多技术来源于地图学，但是，其表现手段更加灵活和丰富。 计算机制图是地图学中较新的一个领域，也是地理信息系统输出、显示结果的一个重要部分。计算机制图的主要内容是将地图设计和绘制通过计算机程序和相应的绘图硬件来实现。地图符号已经可以完全由计算机绘制。对地图特征的许多处理，如分类、空间插值等均可用计算机来实现。利用计算机对线状要素进行制图综合也已经取得很大进步。但是，利用计算机进行制图综合的结果仍比较机械，需要将更多的专家经验计算机化，特别是用计算机同时对多种内容进行地图综合还不太成熟。计算机图形学是利用计算机处理图形信息以及借助图形信息进行人——机通讯处理的技术，是GIS算法设计的基础，GIS是随着计算机图形学技术的发展而不断发展完善的。 1．1构成地图学与地理信息系统的数学法则 地图对它所表现的地面上的景物，应能按比例尺衡量。比例尺是地图上直线长度与地面上相应距离的水平投影长度之比。如地图上注有比例尺1：50000，表示图上地物的长度相当于相应地面地物长度的1/50000。这个尺度对大比例尺地图来说，基本上适合图上各个部分。因此，可以认为，比例尺是地图线形缩小程度的标志，它是构成地图数学要素的基本组成部分之一。地图上各种地物之间的关系，要求按数学法则构成，这就是先将地球自然表面的景物垂直投影到地球椭球面（或球面）上，再将地球椭球面（或球面）按数学法则投影到平面上而构成地图。这种按数学法则将地球椭球面（或球面）转绘到平面上的方法，叫地图投影。按这种方法建立的数学基础，才能使地球表面上各点和地图平面上的相应各点保持一定的函数关系，从而才能在地图上准确地表达空间各要素的关系和分布规律，才可能反映出它们之间的方向、距离和面积，使地图具有区域性和可量测性。 1．2地图学和地理信息系统的符号 地图符号是表达地图内容的基本手段，它不仅能表示事物的空间位置、形状、质量和数量特征，而且还可以表示各事物之间的相互联系及区域总体特征。图形符号是由形状、尺寸和颜色三个基本因素所组成，具有系统化的特点；注记是地图符号的一个重要部分，它也有形状、尺寸和颜色的区别。根据事物分布的特点，地图符号有面状、点状和线状之分。这些符号运用在表示专题要素的分布、质量和数量特征以及动态变化时，形成了许多表示法：范围法、质底法、量底法、等值线法、定点符号法、线状符号法、动线法、点值法、定域统计图法、色级统计图法以及定位统计图法。表示地形的主要方法有等高线法、分层设色法、晕渲法等。 地图符号是表示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。它与文字语言相比较，最大的特点是形象直观。就单个符号而言，它可以表示某个事物的空间位置、大小、质量和数量特征；就同类符号而言，可以反映各类要素的分布特点；而各类符号的总和，则可以表明各类要素之间的相互关系及区域总体特征。因此，地图符号不仅具有确定客观事物空间位置、分布特点以及质量和数量特征的基本功能，而且还具有相互联系和共同表达地理环境各要素总体的特殊功能。 地图符号的形成过程，可以说是一种约定的过程，经过很长时间的检验，有约定而达到俗成的程度，为广大用图者所熟悉和承认。地图符号的作用，在于它能保证所表示的客观事物空间位置具有较高的几何精度，从而提供了可测量性；能用不依据比例符号或半依据比例符号表示出事物的质量和数量特征。 地图是运用易被人们感受的图形符号表示地面景物的，使用符号具有以下功效： 1）有选择地表示地理环境中的主要事物，因而在较小比例尺的地图上所表现的地面情况，仍能一目了然，重点突出。对于那些由于缩小而不能按比例尺表示的重要地面景物，可用不依比例的符号夸大表示； 2）用平面的图形符号表示地面的起伏状况，也可以说是在二维平面上，能够表达出三维空间状况，而且可以量测其长度、高度和坡度等； 3）除了用符号表示出地面景物的外形，还能表示出景物的看不见的本质特征，如在海图上可以表示出海底地形、海底地质、海水的温度和含盐度等； 4）用符号可以表示出地面没有外形的许多自然和社会经济现象，如气压、雨量、政区和人口移动等。此外还可以表现出事物间的联系和制约关系，如森林分布和木材加工工业之间的联系。地图上还有起说明作用的文字和数字，它们也是地图的重要组成部分，用以标明地面景物的名称、质量和数量。 1．3地图学和地理信息系统的制图综合 制图综合是对制图区域客观事物的取舍和简化。经过概括后的地图可以显示出主要的事物和本质的特征。地图的比例尺、用途和主题，制图区域的地理特征以及符号的图形尺寸是影响地图概括的主要因素，地图概括主要表现在内容的取舍、数量简化、质量化简和形状化简等方面。 地图最重要、最基本的特征是以缩小的形式表达地面事物的空间结构，这个特征表明，地图不可能把地面全部事物毫无遗漏地表示出来。地图上所表示的地面状况是经过概括后的结果。地图和实际地面相比，是缩小的。地图上所表现的地面景物，从数量上看是少的，从图形上看是小了、简化了。这是因为地图上所表现的内容都是经过取舍和化简的。由1：10000比例尺缩小到1：50000比例尺的地图，对原来的内容如不进行取舍和化简，缩小后的地图既不清楚又不易读。这种把实地景物缩小或把原来较详细的地图缩成更小比例尺地图时，根据地图用途或主题的需要，对实况或原图内容进行取舍和化简，以便在有限的图面上表达出制图区域的基本特征和地理要素的主要特点的理论与方法，称为地图综合（地图概括）。制图综合就是对客观事物进行取舍和化简，取舍就是从大量的客观事物中选出最重要的事物表示在图上，而舍去次要的事物；化简就是对客观事物的形状、数量和质量特征的化简；形状化简是去掉轮廓形状的碎部，以突出事物的总体特征；数量和质量特征的化简就是减少分类和分级的数量，以缩小与客观事物的差别。当然取舍和化简不是任意的，而是根据地图的比例尺、用途和制图区域的地理特征，对地图上各要素及其内在联系加以分析研究，选取的目的是强调主要的事物和本质的特征，而舍去次要的事物和非本质的特征。制图综合可分为比例概括和目的概括。前者是由于地图比例尺缩小，图形也就缩小，有些图形缩小到难以清楚地表达出来，从而必须选取和化简；后者是因为客观事物的重要性并不完全决定于它的图形大小，故而它的选取和化简也不完全由比例尺决定，还要根据编图者对客观事物重要性的判断来确定是否选取和化简。 从地理信息系统的发展过程可以看出，地理信息系统的产生、发展与制图信息系统存在着密切的联系，两者的相通之处是基于空间数据库的表达、显示和处理。从系统构成与功能上看，一个地理信息系统具有机助制图系统的所有组成和功能，并且地理信息系统还有数据处理的功能。地图是一种图解图像，是根据地理思想对现实世界进行科学抽象和符号表示的一种地理模型，是地理思维的产物，也是实体世界地理信息的高效载体，地图可以从不同方面、不同专题，系统地记录和传输实体世界历史的、现在的和规划预测的地理景观信息。 2．地图的符号 2．1地图符号的实质 2．1．1概念 地图符号（Symbol）是地图的语言，它是表达地图内容的基本手段。地图符号是由形状不同、大小不一和色彩有别的图形和文字组成，注记是地图符号的一个重要部分，它也有形状、尺寸和颜色之区别。就单个符号而言，它可以表示事物的空间位置、大小、质量和数量特征；就同类符号而言，可以反映各类要素的分布特点；而各类符号的总和，则可以表明各要素之间的相互关系及区域总体特征。 地图符号可以指出目标种类（如公路）及其数量特征和质量特征（如公路行车部分的铺面种类和宽度），并且可以确定对象的空间位置和现象的分布（如人口密度等）。 2．1．2分类 1）按照符号的定位情况分类 可以将符号分为定位符号和说明符号。 定位符号是指图上有确定位置，一般不能任意移动的符号，如河流、居民地及边界等，地图上的符号大部分都属于这一类； 说明符号是指为了说明事物的质量和数量特征而附加的一类符号，它通常是依附于定位符号而存在的，如说明森林树种的符号等。它们在图上配置于地类界范围内，但都没有定位意义。 2）按照符号所代表的客观事物分布状况分类 可以把符号分为面状符号、点状符号和线状符号。 面状符号是一种能按地图比例尺表示出事物分布范围的符号。面状符号是用轮廓线（实线、虚线或点线）表示事物的分布范围，其形状与事物的平面图形相似，轮廓线内加绘颜色或说明符号以表示它的性质和数量，并可以从图上量测其长度、宽度和面积，一般又把这种符号称为依比例符号（图11-1）。
图11-1：面状符号 点状符号是一种表达不能依比例尺表示的小面积事物（如油库等）和点状（如控制点）所采用的符号。点状符号的形状和颜色表示事物的性质，点状符号的大小通常反映事物的等级或数量特征，但是符号的大小与形状与地图比例尺无关，它只具有定位意义，一般又称这种符号为不依比例尺符号（图11-2）。
图11-2：点符号 线状符号是一种表达呈线状或带状延伸分布事物的符号，如河流，其长度能按比例尺表示，而宽度一般不能按比例尺表示，需要进行适当的夸大。因而，线状符号的形状和颜色表示事物的质量特征，其宽度往往反映事物的等级或数值。这类符号能表示事物的分布位置、延伸形态和长度，但不能表示其宽度，一般又称为半依比例符号（图11-3）。
图11-3：线状符号 2．2地图符号的构成特点 2．2．1符号的构成要素 地图上的形状、尺寸和颜色是构成符号的三个基本要素。 1）符号的形状 符号的形状主要是表示事物的外形和特征，面状符号的形状是由它所表示的事物平面图形决定的，点状符号的形状往往与事物外部特征相联系，线状符号的形状是各种形式的线划，如单线、双线。 2）符号尺寸 符号尺寸大小和地图内容、用途、比例尺、目视分辨能力、绘图与印刷能力等都有关系，不同的比例尺的地图，其符号大小也有所不同。 3）符号的颜色 符号的颜色可以增强地图各要素分类、分级的概念，简化符号的形状差别，减少符号数量，提高地图的表现力。使用颜色主要用以反映事物的质量特征、数量特征和等级。 2．2．2地图符号的系统化 由形状、尺寸和颜色变化组成的各种地图符号并不是孤立的，它们具有内在的联系。通过符号的变化可以把地图内容的分类、分级、重要、次要等不同情况表达出来。 2．2．3地图符号的感受效果 地图是由在不同位置上的符号图形所组成的，符号的复杂排列能引起视觉的不同感受。读图时可获得整体感、差异感、立体感等不同的感受效果。整体感主要依靠符号之间不存在明显的差异而形成的；差异感是由不同组成要素在图形间产生明显区别而形成的；立体感主要是利用透视的方法，通过改变符号的尺寸、颜色的亮度等来实现的，如晕渲法就是利用光影，模拟地表面受光的强弱，用浓淡不同的色调显示地形起伏而产生立体感。 地图符号使用了不同的视觉变量，如尺寸、形状、灰度、纹理、方向和颜色等，实现了不同的感受效果。（图11-4）
图11-4：地图符号效果 2．3地图上的注记 2．3．1地图注记的种类 地图上的文字和数字总称为地图注记，它是地图内容的重要部分。注记并不是自然界中的一种要素，但它们与地图上表示的要素有关，没有注记的地图只能表达事物的空间概念，而不能表示事物的名称和某些质量和数量特征。地图上的注记可分为名称注记、说明注记和数字注记三种。 1）名称注记 说明各种事物的专有名称，如居民点名称； 2）说明注记 用来说明各种事物的种类、性质或特征，用于补充图形符号的不足，它常用简注表示； 3）数字注记 用来说明某些事物的数量特征，如高程等。 2．3．2注记的字体、字级和颜色 地图上常用不同的字体表示不同的事物，常用的字体有宋体、等线体、仿宋体和横线体；地图上注记尺寸的大小，以照相排字机注明的规格为标准，在一幅图上，按照事物的重要程度和意义，采用不同的字级，以便使注记大小与图形符号相对应；注记的颜色只有色相的变化，颜色的选用要与注记所表示的事物类别相联系。 2．3．3注记的排列和配置 地图上注记数量较多，它们可以位于地图中的任一部分，但是注记的排列和配置是否恰当，常常会影响读图的效果。汉字注记通常有水平字列、垂直字列、雁形字列（注记的字向指向北方或图廓上方）和屈曲字列（注记的字向与注记文字中心线垂直或平行）等等。注记配置的基本原则是不应该使注记压盖图上的重要部分。注记应与其所说明的事物关系明确。对于点状地物，应以点状符号为中心，在其上下左右四个方向中的任一适当位置配置注记，注记呈水平方向排列；对于线状事物，注记沿线状符号延伸方向从左向右或从上向下排列，字的间隔均匀一致，特别长的线状地物，名称注记可重复出现；对于面状事物，注记一般置于面状符号之内，沿面状符号最大延伸方向配置，字的间隔均匀一致。 图11-5表示了点、线、面注记的不同配置方式。
图11-5：几种可能的注记配置方式 为了确定地物注记的位置，要进行空间关系的判断，因此GIS可以为地图制图提供自动标注功能，一个实现自动注记放置的系统要具有以下功能： 1）确定地图上的要素以及相应的注记文字； 2）对空间数据进行搜索和实现； 3）产生试验性的注记点； 4）选择较好的注记位置。 由于注记只是对地物的描述，因此在地图上，注记不能遮盖地物，注记之间也不能相互重叠，所以，也可以利用GIS进行注记是否重叠的判断。在进行注记时，由于图面荷载的原因，不可能对所有的地物进行标注，这需要进行选择，通常的选择方法是选择相对重要的地物，这也可以通过对地物属性的排序来实现。 3．专题信息表现 在大多数地理信息系统中，管理的空间数据是矢量格式的地物对象，这些地物对象不仅具有空间位置特征，而且具有非空间的属性数据。在表现这些地物对象时，除了显示空间位置以外，同时还可以以特定的方式显示某个或多个相关的属性，生成专题地图。 专题地图除了采用普通地图某些表示方法并使其得到进一步发展外，本身还需要有专门反映各种要素性质、数量、空间分布和时间变化的表示方法，以便使读者明确对专题内容要素的科学分析。 在专题地图中，各种制图对象的基本形状是由点、线、面及其过渡形态组成的，并以此反映现象的分布特点、现象的变化时刻、质量和数量的特征及综合特征。因此，在选择表示方法时，既可以根据专题制图对象的分布方式进行选择（表11-1），也可以按它们的分布特点进行选择（表11-2）。 表11-1：按照专题制图对象的分布方式选择符号 分布方式 表示分布范围 表示类别 表示数量 表示动态  点 定位符号 符号形式： 几何符号 文字符号 象形符号 符号颜色 符号大小（用深浅不同的颜色表示主次） 数字注记 定点扩展法 定位图表法  线 线状符号 线的形式 线颜色 线条粗细，长短，附加不同数目的小短线 动线法  面 面状符号 （范围法） 质底法 点值线法，分级统计图法，图形统计图法，等值线法和分层设色法 表示扩展的范围法，扩展图形的图形统计图法  表11-2：按照专题制图对象的分布特点选择符号 分布特征 状况 表示方法  固定一点 一定瞬间的状态移动 空间变化 符号法、运动线法 符号法、定位图表法  固定一线 一定瞬间的状态移动 空间变化 线状符号法、线状符号和运动符号结合 线状符号法重叠  固定面积 一定瞬间的状态移动 空间变化 质底法、等值线法、定位图表总和、范围法、区划法结合等值线法、运动符号 等值线法、定位图表和符号总和  散布 一定瞬间的状态移动 空间变化 点子法、质底法、区划法、图表统计法和色彩统计法、区划搭配运动符号 点子法和区划法结合、图表统计法和色彩统计法  连续分布 一定瞬间的状态移动 空间变化 质底法、等值线法、定位图表总和、地形塑拟表示运动符号 等值线法、定位图表总和  3．1专题地图的分类和内容 3．1．1专题地图含义 专题地图是突出地表示一种或几种自然现象和社会经济现象的地图。按内容可分为三大类：自然地图、社会经济地图和其他专题地图。 自然地图表示自然界各种现象的特征、地理分布及其相互关系，如地质图、水文图等；社会经济地图表示各种社会经济现象的特征、地理分布及其相互关系，如人口图、行政区划图等；其他专题地图，指不属于上述二类的专题地图，如航海图、航空图等。 3．1．2专题地图的内容 专题地图的种类很多，但大都是由地理基础和专题内容组成的。地理基础即普通地图上的一部分内容要素，如经纬网、水系、居民点、交通线、地势等。地理基础作为编绘专题内容的骨架，并表示专题内容的地理位置和说明专题内容与地理环境的关系。专题地图上表示哪些地理基础要素和详细程度如何，是根据专题内容的不同而有所不同。 专题内容，从资料来讲，一是将普通地图内容中一种或几种要素显示得比较完备和详细，而将其他要素放到次要地位或省略，如交通图等；二是包括在普通地图上没有的和地面上看不见的或不能直接测量的专题要素，如人口密度图。 3．2面状专题内容的表示方法 地面上真正的点状事物很少，一般都占有一定的面积，只是大小不同。点状分布要素指那些占据的面积较小，不能按比例尺表示，又要定位的事物。对于点状分布要素的质量特征和数量特征，可以用点状符号表示。 在地面上呈线状或带状分布的事物很多，如交通线、河流及边界线等，对于这些事物的分布质量特征和数量特征可以用线状符号表示。 面状专题内容的表示方法，最常用的有：等值线法、质底法、范围法、点值法、符号法、动线法、统计图法等。 3．2．1等值线法 等值线系指在地图上通过表示一种现象的数量指标的一些等值点的曲线，如等高线、等温线。等值线法宜用于表示地面上连续分布而逐渐变化的现象，并说明这种现象在地图上任一点的数值或强度。等值线的数值间隔原则上最好是一个常数，以便判断现象变化的急剧或和缓，但也有例外。等值线间隔的大小首先决定于现象的数值变化范围，变化范围越大（以等高线为例，地貌高程变化越大），间隔也越大，反之亦然。如果根据等值线分层设色，颜色应由浅色逐渐加深，或由寒色逐渐过渡到暖色，这样可以提高地图的表现力（图11-6）。
图11-6：等值线 3．2．2质底法 质底法又名底色法，用于将区域划分为质量相同的地段。见图11-7。
图11-7：质底法示例 由于质底法广泛应用各种颜色，所以有时称之为底色法。首先按现象的性质进行分类或分区，制成图例，在地图上绘出各分类界线，然后把同类现象或属于同一区划的现象绘成同一颜色或同一的晕纹。这种方法可以用于表示地表面上的连续面状现象（如气象现象）、大面积分布的现象（如土壤覆盖）或大量分布的现象（如人口）。质底法的优点是鲜明美观，缺点是不易表示各类现象的逐渐过渡，而且当分类很多时，图例比较复杂，必须详细阅读图例时才能读图。注意质底的两种颜色系统不应该相互重叠，但是底色可以与晕线重合。另外，质底法易于与其他表示方法结合使用。 3．2．3范围法 范围法又名区域法，用于表示某种现象在一定范围内的分布。范围法分为精确范围法（见图11-8-1）和概略范围法（见图11-8-2），前者有明确的界线，可以在界线内着色或填绘晕纹或文字注记；后者可用虚线、点线表示轮廓界线，或不绘轮廓界线，只以文字或单个符号表示现象分布的概略范围。 在地图上表示范围可以采用各种不同的方法：用一定图形的实线或虚线表示区域的范围；用不同颜色普染区域；在不同区域范围内绘以不同晕线；在区域范围内均匀配置晕线符号，有时不绘出境界线；在区域范围内加注说明注记或采用填充符号。 范围法与质底法的区别，在于所表现的现象不布满整个编图区域；不一定有精确的范围界线。
图11-8：（a）精确范围法，（b）概略范围法 3．2．4点值法 点值法是在图上用小点表示现象的分布和数量，它适用于表示分布不均匀的现象。从图上点的疏密就可看出现象的集中或分散的程度。布点时要确定点的大小及其代表的值，在最稠密的地方，点可以近于紧接但不能重迭，在最稀疏的地方，也有点的表示；在其他地方，则依比例显示出点的疏密。（图11-9）
图11-9：点值法示例 点值法是质底法和范围法的进一步发展。质底法和范围法只能反映现象的分布范围及其质量特征，点值法则可以表明现象的分布和数量特征。点值法有两种方法：一是均匀布点法，即在一定的区划单位内均匀地布点；另一是定位布点法，即按照现象实际所在地布点。 点值法的优点是简单明了，如果恰当地采用不同颜色和不同形状的点，既可以表示现象的数量特征，也可以表示它的质量特征和发展概况。 3．2．5符号法 符号法就是用各种不同形状、大小和颜色的符号表示现象的分布及其数量特征和质量特征。通常以符号的大小表示数量的差别，形状和颜色表示质量的差别，而将符号绘在现象所在的位置上。符号法可分为个体符号法和和线状符号法。 1）个体符号法 是地图表示法中的一种特殊方法，用于表示不依地图比例尺或所占面积小于地图符号本身的一些地物的位置，并且通常用于表示按点定位的现象。单个符号按其形状可分为几何符号、文字符号和象形符号。由于文字符号和象形符号不能精确地表示位置以及数量的差异，所以地图上应用最广的是几何符号。几何符号具有简单的集合图形，这种符号便于绘制，能准确地指明地物位置，便于比较大小；文字符号用表示现象名称的头一、二个字母代表。文字符号的应用受到一定限制，因为采用字母使地图不易阅读，不能指示地物的准确位置，不能按符号大小对比；象形符号相似于所表示对象的图形，可以进一步分为象征符号和实体符号。前者的形状与所表示地物有某种程度的联系；后者用实体图形表示相应的事物分布。 2）线状符号法 线状符号既可用于表示几何概念的线划，如分水岭、地面上确定的各种境界线（如国界线），又可以用于表示线状分布的不能依地图比例尺表示其宽度的地物，如河流与道路等。有时还可以用线状符号强调图上按面积表示的地物的主要方向，如山脊线、山脉走向线等。（图11-10）
图11-10：线状符号法示例（地质构造线） 3．2．6动线法 动线法一般是用箭形符号表示现象的运动路线和方向，如人口迁移路线、洋流和货运路线等。箭头和箭体上部的方向应保持一致，箭头的两翼应保持对称。箭形的粗细或宽度表示洋流的速度强度或货运的数量；箭形的长短表示风向、洋流的稳定性；首尾衔接的箭形表示运动的路线，动线法表示面状事物的移动。 3．2．7统计图法 统计图法一般根据编图区域内各区划单位或典型地点的统计资料，用地图形式表达出来。可以分为图形统计图法、分级统计图法和定位统计图法三种。 1）图形统计图法 图形统计图法是根据各区划单位的统计资料作成图形或图表，绘在地图上该区划单位之内。这种方法与符号法的区别是，它反映一个区划范围的现象，而不是一个点上的现象。图形统计图宜于表示绝对的数量指标。 在地图制图中采用较多的是：线状统计图形——柱状和带状等，其长度与所比较的数值成正比；面积统计图形——正方形、圆圈等，其面积大小与所比较的数值成正比；立体统计图形——立方体、圆球等，其体积与所比较的数值成正比（图11-11）。 2）分级统计图法 分级统计图法表示一定区域单位范围内某种制图现象平均密度的方法。分级统计图法是按照各区划单位的统计资料，根据现象的密度、强度或发展水平划分等级，然后依据级别高低，在地图上按区划分别填绘深浅不同的颜色或疏密不同的晕线，以显示各区划单位间的差异。分级时可采用等差的、等比的、逐渐增大的或任意的。分级统计图适于表示相对的数量指标。该种统计图法的优点在于绘制简单，阅读容易。 3）定位统计图法 定位统计图法是将固定地点的统计资料，用图表形式绘在地图上的相应地点，以表示该地某种现象的变化。常用的图表有柱状图表、曲线图表、玫瑰图表等。
图11-11：统计图法示例 3．2．8 DEM表示法 数字高程是一组关于地表面位置布局的高程量测数据，主要应用于某个区域的地形分析，前面的几种方法只能反映现象的水平分布特征，对垂直分布特征是无能为力的。数字高程表示法广泛地用于工程、规划和军事领域。 1）地貌晕渲图（Shaded Relief Map）及其与专题地图叠置 为了增加丘陵和山地地区描述高差起伏的视觉效果，制图工作者成功地运用了一种“阴影立体法”即地貌晕渲法。用这种技术绘制的图件看起来很动人，但费用太高，晕渲法的质量和精度很大程度上取决于制图工作者的主观意识和技巧。 数字地形图投入生产并加以应用后，地貌晕渲便能自动、精确地实现。自动晕渲的原理是基于“地面在人们眼里是什么样子，用何种理想的材料来制作，以什么方向为光源照明方向”等的考虑。制图输出时如果用灰度级和连续色调技术表示明暗程度，得到的成果看起来与航片十分相似。实际上，从高程矩阵中自动生成的地貌晕渲图与航片有许多不同之处。主要表现在： 第一，晕渲图不包括任何地面覆盖信息，仅仅是数字化的地表起伏显示； 第二，光源一般确定为西北45度方向，航片的阴影主要随太阳高度角变化； 第三，晕渲图通常都经过了平滑和综合处理，因而没有航片上显示出的丰富的地形细节。 自动地貌晕渲图的计算非常简单，首先是根据DEM数据计算坡度和坡向。然后将坡向数据与光源方向比较，面向光源的斜坡得到浅色调灰度值，反方向的得到深色调灰度值，两者之间得到中间灰度值。灰度值的大小则按坡度进一步确定。 计算晕渲图的主要研究集中于坡面反射率的定量描述，由于计算反射率的公式都较复杂，因此，将坡度和坡向转换成反射量，常用建立查找表的方法来解决，使计算和处理更为有效（图11-12）。
图11-12：地貌晕渲图示意 晕渲图本身可以描述地表三维状况，而且在地形定量分析中的应用不断扩大。如果把其它专题信息与晕渲图叠置组合在一起，将大幅度提高地图的使用价值。例如，运输线路规划图与晕渲图叠加后大大增强了直观感等，这是传统方法不能实现的。 2）三维曲面 许多GIS软件都提供了利用DEM数据生成三维投影的功能，通常三维透视图有两种形式，即平滑的三维曲面和网状图（Fishnet Diagram）（图11-13，图11-14），其中在三维曲面图上还可以叠加其它信息，最典型是叠加同一区域的遥感图像或者该DEM生成的晕渲图，以增强其“立体感”。生成三维透视图，需要设置视点位置、视角等参数，因此可以通过设置不同的参数，生成连续的三维透视图，并组成动画，达到“虚拟飞行”的效果。
图11-13：曲面三维透视图
图11-14：网状三维透视图 在利用网格DEM生成三维曲面以及地貌晕渲图的过程中，值得注意的一点是：如果分辨率高，则数据量很大，降低了计算速度；分辨率过低，则会使计算结果变得粗糙，这时可以考虑在网格点之间利用曲面函数拟合，但是由于曲面函数是连续的，使得结果显得“不真实”，一个较好解决办法是利用分形内插，后者可以生成细致的、更为自然的地形。 3．3专题地图内容的表现手段 专题地图多种多样的表示方法，需要通过一定的手段来实现。选择合理的表示方法和表现手段，是提高科学内容表现能力的保证。现有的表达手段可归纳为色彩、线条和注记三种。 3．3．1色彩 世界上的物体，均有形状和色彩两个基本特征。色彩通常分为两类：一类是黑白及各种灰色，称为非彩色；一类是彩色，包括除黑、白、灰以外的颜色。 色彩不仅能弥补单色图的缺陷，丰富图幅内容，提高专题地图的使用价值，更能如实反映制图物体的自然面貌，扩大地图内容的感染力，增强地图内容的清晰易读性。图11-15为RGB彩色立方体，红绿蓝三原色被设置在彩色立方体的三个角上。立方体下方的角，三原色强度为0，颜色为黑；横穿立方体的对角线是强度轴，范围从起点黑（R，G，B）=（0，0，0）到白（R，G，B）=（100，100，100），这里，强度以百分比来表示；立方体中任何一点的颜色都可以通过红、绿、蓝（R，G，B）三轴上的设值来描述；如（50，50，50）是暗灰色，（0，0，100）是纯蓝色等等。红、绿、蓝被称为加色，因为新的颜色都可以通过它们加到黑色上来获得。同样，减色三原色也可以在彩色立方体予以表示，它们是青色、品红色和黄色（C，M，Y），分布在剩余的三个角上。青由蓝和绿合成，品红色由蓝和红合成，黄由绿和红合成，染料和打印油墨用减色三原色，通过从白色中减去它们的补色来生产其他颜色。这样，在影像显示时，颜色用R、G、B来度量，在打印和绘图时，则用C、M、Y来度量。
图11-15：RGB颜色立方体 在实际印刷出版应用中，由于难以用青色、品红色和黄色合成真正的黑色，因此一般采用的是C、M、Y、K（黑色）色彩度量。除了RGB和CMYK颜色度量空间之外，还有其它一些颜色表述方式： 1）HLS颜色表述，HLS指色调（Hue），亮度（Brightness）和饱和度（Saturation），它更能够反映人对色彩的感知。RGB色彩空间尽管组成了一个立方体，但是并非是线性的，即两个颜色的相近程度不能简单的用欧式距离来度量。而HLS色度空间则较好的解决了该问题，色调反映了人们对颜色的分类，如“纯红”、“品红”、“桃红”等属于红色调；亮度说明了颜色“黑”的程度，白色亮度最高，黑色最低；饱和度则反映了颜色的纯度，如果一个颜色掺入灰色，则饱和度降低，例如，桃红色饱和度低于纯红色。 2）CIE颜色系统，CIE（Commission International de I’Eclairage）颜色系统是国际的通用颜色标准。它提供了一个一致的颜色定义方法，但是过于复杂，不易掌握。 3）孟塞尔[Munsell]颜色系统，这是被广泛使用的进行色彩设计时的系统，它采用色调、色值（Value相当于亮度）、色品（Chroma，相当于饱和度）来描述颜色，并且使用一个比例数值来反映人的感知。 各种色彩度量分别应用于不同的方面，在地理信息系统中，因为同时要考虑屏幕显示和制图输出，所以通常要兼顾考虑RGB色度和CMYK色度。各种色度系统之间可以相互转换，转换一般采用经验公式。一个好的转换公式可以使彩色图像在不同的输出设备上达到一致的视觉效果，但是往往较为复杂。 3．3．2线条 线条实质上是点、线、面状符号的简称，是显示制图现象数量和质量的重要手段，与色彩搭配使用，可大大地增加科学内容的表现能力。如图11-16所示。
图11-16：各种线条样式 3．3．3注记 注记是上述两种手段的补充，注记应紧密结合专题内容，可增强现象的显现效果。对于类型图和区划图，一般都要利用注记。 GIS中使用的硬拷贝设备： 在GIS制图输出时，要采用硬拷贝设备（Hard Copy Devices），所谓硬拷贝设备，是相对于屏幕显示的“软拷贝”而言，前者依赖于数据，并且不能长期保存，而硬拷贝输出的内容则可以长期保存。 1．栅格打印机和绘图仪 栅格输出设备通过点阵产生的图像来输出地图，根据输出质量高低、输出幅面大小的不同，又可以分为： 1．1）点阵打印机 点阵打印机是最简单的栅格打印机，适用于对输出质量要求不高、节约成本的情形。 1．2）喷墨打印机 与普通点阵打印机相比，喷墨绘图仪可以打印幅面更大、质量更高的地图，目前高质量的喷墨绘图仪输出精度可以超过1000DPI。 1．3）静电绘图仪 主要用于输出大幅面（超过2m）的地图。 1．4）激光打印机 目前黑白激光打印机主要用于输出文本，也可用来打印灰度图形，彩色激光打印机可以用于打印高质量的地图。 1．5）激光绘图仪 激光绘图仪可以达到非常高的分辨率（2000DPI），用于打印大幅面地图。 1．6）热蜡（热转印）打印机 热蜡打印机可以打印更亮、对比度更强的图像。 1．7）热升华打印机 热升华打印机机理是将颜料加热升华为气态，并输出到纸面上，热升华使得每个输出稍微模糊，适合于输出照片、图像等，但是不适于打印文字。 2．矢量模式的笔式绘图仪 笔式绘图仪直接以矢量方式工作，它通过一系列的命令来操纵绘图笔进行绘制，它可以达到很高的输出分辨率，但是实现时需要将地图数据全部转换为矢量格式，笔式绘图仪的另一个不足是输出复杂的地图时，需要时间较长。 3．照相 即用照相机对屏幕进行拍摄，得到图像，这种方式最为简单，在精度要求不高的情况下可以采用。 4．专题地图设计 专题地图的总体设计，是指任务和要求明确后初步提出的图幅基本轮廓，包括投影选择、明确比例尺、划定图幅范围、进行图面规划和绘制设计略图等内容。 4．1图幅基本轮廓的设计 专题地图的总体设计，比普通地图和国家基本地形图复杂多样。编制一幅专题地图，不仅要学科专业与制图的紧密结合，而且要对图幅的用途和使用者的要求有深入的了解和掌握。在此基础上，才能进行设计图幅的基本轮廓。具体要了解的内容包括： 1）该图幅是专用还是多用 专题地图既能专用也可多用，而且愈来愈向多用方向发展，并相应地产生了一版地图多种式样的作法。 2）已出版的类似专题地图 分析这些图件在使用中的优缺点，吸收长处，改进不足，以便更好地满足地图使用者的需要。 3）明确地图使用者的特殊要求 根据不同的读者对象、不同用途以及不同使用场合等要求，考虑到所编制的专题地图是作为规划用的还是作参考用的、教学用的等，予以满足。 在弄清上述图幅的用途与要求之后，就要明确总体设计的指导思想，拟定专题内容项目，突出重点，提出图幅总体设计的方案。 4．2制图区域范围的确定 专题地图图幅的区域范围，是根据用途和要求来确定的。范围选择是否合适，在很大程度上影响着图幅的使用效能，并与专题地图的数学基础有紧密的联系。与普通地图一样，根据图幅范围可分为单幅、单幅图的“内分幅”、分幅三种形式。 4．2．1单幅 这是指一幅图的范围能完整地包括专题区域而言，通常叫截幅。专题区域放置在图幅的正中，它的形状确定了图幅的横放、竖放和长宽尺寸。专题区域与周围地区的关系要正确地处理。为了便于阅读和使用，专题地图一般以横放为主要式样；有些专题区域性形状是长的，而地图的方向习惯是上北下南，所以只好竖放。 4．2．2单幅图的“内分幅” 这是指超过一张全开纸尺寸而分为若干印张而言。“内分幅”应按纸张规格，一般分幅不宜过于零碎，分幅面积的大体相同。 4．2．3分幅 分幅是地形图普遍采用的一种形式。分幅图不受比例尺限制，分幅图的分幅线是根据区域大小采用矩形分幅和经纬线分幅的，分幅图原则上是不重叠的。 此外，图廓内专题区域以外的范围如何确定，在总体设计时也应明确下来。方法有： 第一，突出专题区域线，区内区外表示方法相同，只把专题区域界线加粗，或加彩色晕边，以显示专题区域范围，同时也能与相邻区域紧密联系； 第二，只表示专题区域范围，区域外空白，突出专题区域内容，区内要素与区外没有什么联系。 第三，内外有别，即专题区域内用彩色，区外用单色，且内容从简。这是专题地图普遍采用的方法。 4．3专题地图数学基础的设计 专题地图数学基础包括地图投影、比例尺、坐标网、地图配置与定向、分幅编号和大地控制基础等，其中地图投影和比例尺是最主要的。 4．3．1影响数学基础设计的因素 1）专题地图的用途与要求 这是影响数学基础设计的主导因素，因为投影和比例尺都是根据图幅的用途和要求选择设计的。 2）制图区域的地理位置、形状和大小 该要素是一个重要的因素，位置和形状往往影响投影和比例尺的选择。在设计时对制图区域的形状和大小要详细研究，并同时设计几个方案，选择一个合理的方案。 3）地图的幅面及形式 地图的幅面及形式都对数学基础设计有一定的影响，直接关系到使用效果。 4．3．2投影和比例尺的设计 1）投影设计 在专题地图制图中采用较多的是等积投影和等角投影，具体设计时采用何种投影，要视专题地图的用途和要求而定。 2）比例尺设计 专题地图比例尺的设计应考虑图幅的用途和要求，根据制图区域形状、大小，充分利用纸张有效面积，并将比例尺数值凑为整数。在实际设计地图比例尺的工作中，往往还会出现一些特殊的问题，如：不要图框或破图框、移图、斜放。 4．4图面设计 专题地图不仅要有科学性，而且也要有艺术性。图面设计包括图名、比例尺、图例、插图（或附图）、文字说明和图廓整饰等。 4．4．1图名 专题地图的图名要求简明图幅的主题，一般安放在图幅上方中央。字体要与图幅大小相称，以等线体或美术体为主。 4．4．2比例尺 比例尺有两种表示方法：一是用文字（如一比四百万）或数字（如1：4000000）表示；二是用图解比例尺表示。图解比例尺间隔也有两种划分方法，一种是按单位长度划分，表明代表的实际长度；一种是按实地公里数划分，每格是按比例计算在图上的长度。比例尺一般放在图例的下方，也可放置在图廓外下方中央或图廓内上方图名下处。 4．4．3图例 图例符号是专题内容的表现形式，图例中符号的内容、尺寸和色彩应与图内一致，多半放在图的下方。 4．4．4附图 附图是指主图外加绘的图件，在专题地图中，它的作用主要是补充主图的不足。专题地图中的附图，包括重点地区扩大图、内容补充图、主图位置示意图、图表等。附图放置的位置应灵活。 4．4．5文字说明 专题地图的文字说明和统计数字，要求简单扼要，一般安排在图例中或图中空隙处。其他有关的附注也应包括在文字说明中。 专题地图的总体设计，一定要视制图区域形状、图面尺寸、图例和文字说明、附图及图名等多方面内容和因素具体灵活运用，使整个图面生动，可获得更多的信息。图11-17展示了一些不同风格的图面设计。
图11-17：图面设计示例 5．制图综合(制图概括) 地理信息系统中地理信息综合功能的研究和开发是当前GIS进步与应用发展所面临的一个新的挑战。由于GIS技术和应用迅速发展所处理的问题也更加复杂化，这使得GIS中地理信息的有效利用和表达问题显得越来越突出。因此，人们不得不开始关注GIS中地理信息综合功能，将基本比例尺数据派生出多比例尺、多用途和多专题的更多有用信息，并提高地理信息的表达和利用的效率，满足GIS的可视化和各种分析、制图输出的需要。 5．1制图综合的概念 制图综合是对制图区域客观事物的取舍和简化。经过概括后的地图可以显示出主要的事物和本质的特征。地图的比例尺、用途和主题，制图区域的地理特征以及符号的图形尺寸是影响制图综合的主要因素，制图综合主要表现在内容的取舍、数量简化、质量化简和形状化简等方面。 专题地图制图综合的实质，就是在科学分析研究各种专题内容要素特征的基础上，根据图幅的用途和比例尺，将图幅的专题内容加以概括化，把最主要的要素、对象的基本轮廓、主要的特征和基本规律反映在地图上。专题地图制图综合围绕着几何性和地理性两方面进行。在几何性方面对制图对象形状和大小综合简化，在地理性方面对专题内容的综合概括。制图综合就是几何正确性和地理真实性的紧密结合。 5．2影响制图综合的主要因素 制图综合的程度受各种因素的影响，主要因素有：地图比例尺、地图的主题和用途、制图区域的地理特征以及符号的图形尺寸等。 5．2．1地图比例尺 比例尺对制图综合的影响非常明显。由于比例尺的缩小，同一个制图区域在图上的面积随之缩小，因而图上所能表示的地物数量也相应减少。当地图幅面一定时，不同比例尺地图所包括的实地范围不同，大比例尺地图所包括的地面面积较小，小比例尺地图包括的地面面积较大。在不同范围内，对同一地物重要程度的评价并不相同，有些事物从小范围看是重要的，但在大范围内可能是次要的。 5．2．2地图的用途 任何一幅地图所能表示的内容都是有限的，只能满足某一方面或某几方面的要求，所以地图内容的选择和表示，就必须考虑到地图的用途。地图用途既然直接决定着地图内容，因而就影响着制图综合。例如1：50万比例尺地形图和1：50万比例尺政区图，由于两者用途不同，地图内容的取舍和化简程度就很不一样。1：50万比例尺地形图是国家基本地形图之一，在军事上是战役用图，经济上是规划用图，在科学研究方面是参考用图，在这种地图上要全面地反映制图区域的自然和社会经济方面的基本情况；而1：50万比例尺政区图是省级机关进行行政管理、布署工作用图，在图上主要表示社会经济要素（如境界、居民地、交通线等），而对自然要素（如地形、土质、植被等）则可作较大的概括。 5．2．3地图的主题 地图的主题即地图上所反映的主要内容，它决定各事物在图上的重要性，因而影响制图综合程度。这在专题地图上表现特别明显，例如比例尺相同的同样地区但主题不同的两幅地图，一幅是地形图，一幅是政区交通图，前者主要表示地形特征及水系，居民地较少，不表示铁路和公路；后者重点表示行政区划、铁路和主要公路、各级行政中心以及作为交通枢纽的居民地，对于水系则只是表示主要的河流和湖泊，一般不表示地形。 5．2．4制图区域的地理特征 制图区域地理特征是指该区域的自然和社会经济条件，地面上不同地区具有不同的地理特征，因此制图综合时就要选取那些能反映区域特征的事物，舍去那些不代表区域特征的事物。同样的地理事物在不同地区具有不同的意义，这就影响着制图综合。例如，小城镇在人口稠密的地区是次要的，图上一般不表示，而在人口稀少的地区，小城镇则成为主要的居民地，图上要选取。 5．2．5符号的图形尺寸 各种地理事物，在图上均以符号表示。符号的图形、尺寸直接关系着地图的负载量，因而也影响着制图综合的程度。图形尺寸规定得小一些，选取的内容就可以多一些，概括程度就小一些，地图的内容就会详细一些，图面负载量就大一些；反之，地图内容必然简略，图面负载量就小。此外，几何图形的最小尺寸与图形的结构和复杂程度有关，轮廓符号的最小尺寸受轮廓界限的形式、内部颜色和背景等一些因素影响，可见符号图形最小尺寸是确定制图综合的必要参考数据。 5．2．6可视化要求 可视化是地理信息处理的窗口与处理结果的直观表达形式，因而是决策的直观依据。只有把空间数据库中的海量数据转换为直观的图形信息，地理信息处理结果才能为规划、管理与决策提供有力的支撑。 5．3制图综合的基本方法 制图综合是一个高度智能化的和具有创造性的作业过程，它是一个整体任务，包含了一系列不同性质的操作，可以分解为若干个子过程来实现。由于这些子过程之间缺少明确的内在或逻辑联系，使得这些子过程是以某种混合形式来组合应用。不同学者对制图综合过程提出了不同的分解模式：如三算子模式：选取、概括和移位；四算子模式：选取、概括、合并和移位；七算子模式：纯几何综合包括简化、夸大、位移；几何/概念综合包括选取、合并类型化和强调。 传统的制图综合包括的内容主要有：选择主要的对象，确定主要对象的选取标准；概括数量特征，主要从缩减分级、改变表示方法着手；综合质量特征，将一些相近的分类分级予以归并，利用组合符号代替单个符号；简化轮廓图形，包括简化符号线划和轮廓界线，合并小面积图斑成为大面积的轮廓，夸大具有特征的小面积轮廓；去掉一些小指标，转化为总的指标等。 启发式制图综合是把整个优化过程分解为若干个子过程来实现，这些子过程基本上等同于传统制图综合的某些手法（如选取、概括、合并与位移等）。在概括过程中，如弯曲海岸线的概括意味着相应的港湾或海角的取舍。“英国海岸线长度问题”是新兴学科“分形学”中的一个典型的问题。分形几何是用来描述难以用欧式几何来描述的具有多层嵌套的自相似结构。地图中的河系，地貌中的沟叉，城市中的大道、胡同、小巷、里弄等，均具有嵌套特征，是典型的分形结构。分形几何原理在地图信息处理中必将得到应有的深入应用。 分形： 分形一词（Fractal）是B. Mandelbrot用拉丁词根创造的单词，意思是细片、破碎、分数、分级等。它是那些局部和整体按照某种方式相似的集合[B. Mandelbrot]。分形具有以下特征： 1）具有精细的结构，在任意小的尺度之下，总有复杂的细节； 2）分形是不规整的，它的整体和局部都不能用传统的几何语言来描述； 3）通常具有自相似形式，这种自相似可以是近似的或者是统计意义上的； 4）一般的，分形的某种定义之下的分形维数大于其拓扑维数，例如在平面上，一条分形曲线的维数在1-2之间； 5）在大多数情况下，分形以非常简单的方法确定，可以由迭代过程产生。 分形是描述不规则几何形态的有力工具，而自然界的许多物体，都具有分形的特性，如海岸线、地形、云、甚至生物等等。对于一条海岸线而言，无论从遥感卫星上看，还是从岸边的悬崖上看，它总是曲折的。因此，对于这些地物，要完全“精确”的描述其几何形状是不可能的，在GIS数字化的过程中，要进行抽样操作。
图11-18：点符号的综合 总之，制图综合的基本方法为内容的取舍、数量化简、质量化简和形状化简。图11-18、图11-19和图11-20分别是对点状符号、线状符号和面状符号的综合。
图11-19：线符号的综合
图11-20：面状符号的综合 5．3．1内容的取舍 内容的取舍是指选取较大的、主要的内容而舍去较小的、次要的或与地图主题无关的内容。选取主要表现在：一是选取主要的类别，二是选取主要类别中的主要事物。舍去主要表现在：一是舍去次要的类别，二是舍去已选取的类别中的次要事物。注意所谓的主要与次要是相对的，它随着地图的主题、用途、比例尺的不同而异。地图内容的选取，一般按下列顺序进行： 1）从整体到局部：进行选取时，要首先从整体着眼，然后从局部入手。 2）从主要到次要：地图上所表示的各个要素，根据地图的主题和用途，总有主要与次要之分。选取时要遵循先主要后次要的顺序进行。 3）从高级到低级：这样可以保证较高级的能被选择，不至于遗漏。 4）从大到小：这样可以保证大的事物首先入选。 总之，选取时要从总体出发，首先选取主要的、高级的、大型的事物，再依次选取次要的、低级的、小型的事物，最后还要从整体上进行分析，观察是否反映了制图区域的总体特征。 5．3．2质量特征的化简 地图上各事物的质量差别通常是以分类来体现的。质量特征的化简就是减少一定范围内事物的质量差别，用概括的分类代替详细的分类，即按事物的性质合并类型或等级相近的事物。例如，将针叶林、阔叶林和混交林合并为森林；将喀斯特山地、喀斯特丘陵、喀斯特台地、喀斯特溶蚀堆积盆地合并为喀斯特地貌。 5．3．3数量特征的化简 数量特征的化简就是减少事物的数量差别，增大数量指标内部变化的间距，对于数量指标低于规定等级的事物不予表示。在用等值线表示数量特征的地图上，化简时要扩大等值线间距值。进行数量特征化简时，不仅要考虑地图比例尺和用途，而且要特别注意考虑事物数量分布的特点及保持具有质量意义的分级界限。 5．3．4形状化简 形状化简用于呈线状和面状分布的事物。形状化简的目的在于保留事物本身所固有的、典型的特征。化简的方法有删除、夸大和合并。删除就是去掉那些因比例尺缩小而无法清楚表示的碎部。有时为了显示和强调事物平面图形的特征，将本来按比例应删除的小弯曲，夸大表示出来。合并就是将邻近的、间隔小到难以区分的同类事物的图形加以合并，以表示出事物的总体特征。对某种事物进行形状简化时，要考虑到与其他事物的关系，使彼此之间能协调一致。例如对湖泊进行形状化简时，要注意与地形、水系的关系。 6．地理信息的可视化 6．1基本概念 可视化(Visualization)是指在人脑中形成对某物（某人）的图像，是一个心理处理过程，促使对事物的观察力及建立概念等。科学计算可视化是通过研制计算机工具、技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可进行数据探索和分析。把地学数据转换成可视的图形这一工作对地学专家而言并不新鲜。测绘学家的地形图测绘编制，地理学家、地质学家使用的图解，地图学家专题、综合制图等，都是用图形(地图)来表达对地理世界现象与规律的认识和理解。科学计算可视化与上述经典常规工作的最大区别是科学计算可视化是基于计算机开发的工具、技术和系统，而过去地学中的可视表达和分析是手工或机助的(计算机辅助制图)，并把纸质材料作为地图信息存储传输的媒介。 科学计算可视化，自从80年代末提出以后，得到了迅速的发展并成为一个新兴的学科，其理论和技术对地学信息可视表达、分析的研究与实践产生了很大的影响。国际地图学会(ICA)在1995年成立了一个新的可视化委员会，并在1996年6月与计算机器图形协会(ACM SIGGRAPH)合作，开始一个名为“Carto-Project”的研究项目，其目的是探索计算机图形学的技术与方法如何更有效地应用在地图学与空间数据分析方面，促进科学计算可视化与地图可视化的连接和交流。地学专家对可视化在地学中的地位和作用，已进行了比较深入的讨论，从不同的角度提出了与可视化密切相关的地图可视化、地理可视化、GIS可视化、探析地图学(Exploratory Cartography)、地学多维图解、虚拟地理环境等概念，但有不同的理解，对其相互关系的认识也不明确。 地理信息系统的多维可视化是指采用2.5维、三维和四维等地图表现形式来反映地理客体的多维特征，其中2.5维形式是图面上有隐藏部位的鸟瞰式地图表现形式，又称“假三维”，例如表示矿床的面层，可用显示为同分异状的等值线或不规则三角网中的小块平面来表示，而面上的高程值都不是一个独立的变量，在任一给定的位置仅能用一个高程值表示一个面。三维形式则是真正的三维立体显示，三维技术可分为基于面表示和基于体表示，其中面表示可容易地为地层及其构造提供精确的空间描述，特别是构造复杂的地带或岩石断层处，然而这些面仅将地表面以下部分分成许多区域，各区域内的不同地质条件不容易描述；体表示将整体细分成大量的体元（Voxels），体元及其变异的一个主要的优点是易于表示异质特征的整个三维分布状况。四维是除了三维立体以外，再增加一维属性值（一般是时间维），GIS的时间查询能力目前还不常见，但是地理学家可能想对某一时刻的所有地理条件或某一时间段内的平均地理条件进行评价，这时，就需要获得不同时刻的数值。为了充分满足这种需要，时间数据获取能力应该与三维模型相结合，如分析并预报水灾、地震、暴风雨及滑坡等。 地理信息的多维可视化在地球科学中具有重要意义，它对于动态地、形象地、多视角地、全方位地、多层面地描述客观现实，对于虚拟化研究、再现和预测地学现象，都有突出的方法论意义。例如，在地质科学中用真三维反映地下矿体、矿脉（如含油体、含水体、金属矿脉等），能够帮助人们发现用常规手段难以发现的地质现象和矿藏；在大气科学中用四维（真三维加时间维）形式表示气旋、龙卷风、降水云系的发生、发展和演化过程；在地理学中用四维方式模拟整个河床内洪水的流动、涨落、对河堤的侵蚀，以及决堤后封决口时的水下状况，等等，都具有十分重要的科学价值和明显的实用意义。 6．2地学可视化的类型 地学可视化包括地图可视化、地理信息系统(GIS)可视化及其在专业应用领域的可视化。地图可视化与GIS可视化是地学可视化理论和技术的两个基础部分。地学多维图解是从非可视化角度提出的，关于图的地学知识表达、获取以及图的地学问题解的求证原理和方法，是地学可视化的高一级发展阶段。地图可视化中的信息表达交流模型和地理视觉认知决策模型的研究，将从理论上促进地学多维图解模型的进一步发展。基于虚拟现实技术和计算机网络技术的虚拟地理环境是地学可视化、地学多维图解理论和技术发展的最后集成系统。 地学可视化是科学计算可视化与地球科学结合而形成的概念，是关于地学数据的视觉表达与分析，下面探讨该领域中的三个概念：地图可视化、地理可视化和GIS的可视化，及其相互关系。 6．2．1地图可视化 可视化对现代地图学的发展有着极其重要的作用，虽然对其理解还有着一定的分歧。Taylor强调了计算机技术基础支持下的地图可视化，并认为可视化包括交流与认知分析。MacEachren则强调交流与可视化在地图学中的应用，而不是地图的技术制作，并把可视化与交流作为并列的两个要素。 在可视化的过程中，信息交流传输以及认知分析的界限并不需要很清楚地划分。事实上，它们一直融合在一起，并具有共同作用的特点。由于可视化的两个特点，即交流与认知分析，从而对现代地图学的理论和方法产生影响。图11-21表示了地图可视化的概念框架。
图11-21：地图可视化的概念框架 由于可视化具有交流与认知分析的两个特点，从而使信息表达交流模型与地理视觉认知决策模型构成了地图可视化的理论，而这两个模型将应用于计算机技术支持的虚拟地图、动态地图、交互交融地图以及超地图的制作和应用等。 虚拟地图指计算机屏幕上产生的地图，或者利用双眼观看有一定重叠度的二幅相关地图，从而在人脑中构建的三维立体图像。虚拟地图具有暂时性，实物地图具有静态永久性。虚拟地图和人的心智图像相互联系与作用的原理和过程，同传统的实物地图是不一样的，需要建立新的理论和方法。 动态地图是由于地学数据存贮于计算机内存，可以动态地显示关于地学数据的不同角度的观察，不同方法(如不同颜色、符号等)的表达结果，或者地学现象随时间演变的过程等等。由于地图的动态性，地学现象的表达在时间维上展开。所以，传统的关于纸质静态地图的符号制作、符号注记等制作理论和方法在动态时不再完全适合。另外，人又是如何认知分析动态的信息流等需要进一步的探讨和深入研究。 交互交融地图是指人与地图可进行相互作用和信息交流。交互地图是人可以通过一定的途径，例如选择观察数据的角度、修改显示参数等来改变地图的显示行为。在这个过程中，屏幕地图(或双眼视觉立体地图)即虚拟地图，与应用人员人脑中相关地学知识以及直觉等形成的心智图像一直处于相互作用、相互比较、相互修改完善的信息联系和反馈状态。交融地图，是人与地图的融合程度，也就是人在虚拟地图中的投入感和沉浸感(Immersion)。地图的交互和交融性的区别可以举这样的一个例子。如你到图书馆借书，交互性表示你借书要通过图书馆的服务员，首先填写条子，然后服务员去找书，最后再给你。而交融性是你可以直接进入书库进行搜寻，并发现你要借的书。虚拟现实技术是交互交融地图的发展基础。 超地图(Hyper-maps)是基于万维网(WWW)的与地学相关的多媒体，可以让用户通过主题和空间进行多媒体数据的导航，这与超文本的概念相对应。超地图提出了万维网上如何组织空间数据并与其它超数据(如文本、图像、声音、动画等)相联系的问题。超地图对于地图的广泛传输与使用，即对公众生活、社会决策、科学研究等产生巨大的作用，具有重要的意义。 6．2．2地理可视化 地理可视化是地学可视化中另一个被使用的概念。MacEachren开始时采用地图可视化，但他认为地理可视化要大于地图可视化的研究范围，如遥感图像、图表、摄影影像等中的可视化在地图可视化中并不作为重点研究的对象。所以，目前他倾向于采用地理可视化，认为它包含了所有空间显示工具，而这些所有空间显示的集合就是现代地图学中所指的可视化。 Didase[1990]针对科学可视化、数据探索分析以及地理科学的应用，提出了地理可视化的作用框架，强调了地理研究过程中地图的作用，它包括数据探索，假设形成并确证，综合合成，到最后的结果表达与呈现(图11-22)。
图11-22：可视化作为地理研究工具的框架描述[Didase] Didase认为，可视化在研究过程的早期侧重于个人特征的视觉思维，后期侧重于研究结果的公众交流与传输，而这个特征会重新建立地图学和地理学的联系，因为在过去的二三十年中，地图学家把大部分的精力放在视觉交流传输，而地理学家(地理制图学家)在20世纪的前50年则把研究放在视觉思维与视觉分析上。 地图学与地理学作为两门经典学科，其研究对象均为区域地理系统，但前者侧重于地理空间信息的地图表达与应用，后者则把地图作为一种重要的研究工具来解决地理问题，而可视化具有的视觉交流传输和视觉分析特征，则可作为桥梁把地图学与地理学紧密地联结在一起。所以，虽然地理可视化可认为来自于可视化与地理学的结合，地图可视化来自于可视化与地图学的结合，但是由于可视化具有连结和融合地理学和地图学的特点，自然地，地图可视化与地理可视化是属于同一本质的两个概念，只是常规学科领域的划分以及研究团体的不同，导致在研究内容及范围的认识上有所侧重。所以MacEachren采用地理可视化，而不倾向于地图可视化的原因，仍然是从地理学与地图学领域的经典研究特征出发，而不是着眼于可视化的新技术特征，从而反映出学科领域划分对问题认识所带来的深刻影响。 6．2．3 GIS可视化 20世纪60年代发展起来的基于计算机的地理信息系统开始形成时，就利用计算机图形软硬件技术，把地理空间数据的图形显示与分析作为基本的不可缺少的功能，GIS可视化要早于科学计算可视化的提出。GIS可视化早期受限于计算机二维图形软硬件显示技术的发展，大量的研究放在图形显示的算法上，如画线、颜色设计、选择符号填充、图形打印等。继二维可视化研究后，进一步发展为对地学等值面(如数字高程模型)的三维图形显示技术的研究，它是通过三维到二维的坐标转换、隐藏线、面消除、阴影处理、光照模型等技术，把三维空间数据投影显示在二维屏幕上。由于对地学数据场的表达是二维的，而不是真三维实体空间关系的描述，因此属于2.5维可视化。但现实世界是真三维空间的，二维GIS无法表达诸如地质体、矿山、海洋、大气等地学真三维数据场，所以，从80年代末以来，真三维GIS及其体可视化成为GIS的研究热点。随着全球变化，区域可持续发展，环境科学等的发展，时间维越来越被重视。而计算机科学的发展，如处理速度加快，处理与存贮数据的容量加大，数据库理论的发展等使得动态地处理具有复杂空间关系的大数据量成为可能，从而使得时态GIS、时空数据模型、图形实时动态显示与反馈等的研究方兴未艾。所以，从GIS及其可视化的发展看，GIS可视化着重于技术层次上，例如数据模型(空间数据模型，时空数据模型)的设计，二维、三维图形的显示，实时动态处理等，目标是用图形呈现地学处理和分析的结果。 6．3虚拟地理环境 地学可视化的数据探索和地学多维图解的实现需要高效的人与地学数据、地学问题形成的图形场景的相互信息交流，也就是计算机系统能提供某种信息交流与反馈机制，可以让地学专家充分发挥其图形图像思维能力和想象力，可以让地学专家设想某种假设，并立即得到该假设导致的结果。虚拟现实技术可让人完全沉浸于某种计算机三维场景中，让地学专家把注意力集中于地学问题上，而其充分高效的多感觉交互能力为地学的数据探索和地学多维图解的技术实现，提供了可能。 虚拟现实(Virtual Reality)又称灵境技术，是指通过头盔式的三维立体显示器、数据手套、三维鼠标、数据衣(Data Suit)、立体声耳机等使人能完全沉浸计算机生成创造的一种特殊三维图形环境，并且人可以操作控制三维图形环境，实现特殊的目的。多感知性(视觉、听觉、触觉、运动等)，沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)，自主感(Autonomy)是虚拟现实技术的四个重要特征，其中自主感是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度，如物体从桌面落到地面等。 虚拟现实技术、计算机网络技术与地学相结合，可产生虚拟地理环境VGE (Virtual Geographical Environment)。虚拟地理环境是基于地学分析模型、地学工程等的虚拟现实，它是地学工作者根据观测实验、理论假设等建立起来的表达和描述地理系统的空间分布以及过程现象的虚拟信息地理世界，一个关于地理系统的虚拟实验室，它允许地学工作者按照个人的知识、假设和意愿去设计修改地学空间关系模型、地学分析模型、地学工程模型等，并直接观测交互后的结果，通过多次的循环反馈，最后获取地学规律。 虚拟地理环境特点之一是地学工作者可以进入地学数据中，有身临其境之感；另一特点是具有网络性，从而为处于不同地理位置的地学专家开展同时性的合作研究、交流与讨论提供了可能。 虚拟地理环境与地学可视化有着紧密的关系。虚拟地理环境中关于从复杂地学数据、地学模型等映射成三维图形环境的理论和技术，需要地学可视化的支持；而地学可视化的交流传输与认知分析在具有沉浸投入感的虚拟地理环境中，则更易于实现。地学可视化将集成于虚拟地理环境中。 虚拟地理环境的发展与完善，除了依赖于计算机的虚拟现实技术外，还与地学信息获取处理技术(如遥感、遥测等)，地学分析模型构建水平，地学可视化，地学专家系统，地学空间认知理论等的发展密切相关。虚拟地理环境对地学发展有重要的意义。虚拟地理学的提出就表达了虚拟地理环境对地理学未来发展的作用和影响。另外，一般认为地理科学发展缓慢的一个原因是无法进行室内试验，从而使地学假设理论无法得到实践的检验。虚拟地理环境为地学工作者提供了可重复的信息模拟实验的可能，任何一个地学分析模型均可以由其他人在虚拟地理环境中运行模拟，受到检验，从而加速地学理论的成熟和发展。 6．4地学可视化研究框架 可视化来源于科学计算可视化，带有浓厚的计算机技术特征。可视化与传统的地图学相互作用并融合，从而扩展了可视化本身的内涵。地学可视化除了技术特征外，还应建立起其理论范式。图11-22描述了地学可视化的框架，以及地图可视化、地理可视化、GIS可视化、地学多维图解、虚拟地理环境等在框架中的位置，和它们之间的相互关系。以计算机科学为基础的地学可视化与科学可视化学科有较大程度的叠合与交叉，但并不能互相替代，两者之间的相互联系、相互交流会促进两学科的共同发展。 地学可视化包括地图可视化、地理信息系统(GIS)可视化及其它们在专业应用领域的可视化如海洋可视化、大气可视化、地质可视化、社会经济可视化等。地学可视化可从地图可视化和GIS可视化两方面进行理论和技术的研究。地图可视化的研究包括信息表达交流模型和地理视觉认知决策模型的构建，以及在上述模型指导下的虚拟地图、动态地图、交互交融地图、超地图的设计、制作和应用。GIS可视化的研究包括地学体三维、时空多维数据内插加密，可视化数据模型设计， 三维、多维数据显示与分析，矢量、张量和不确定数据显示与分析，人文、经济数据可视化，实时动态交互处理，并行技术，基于网络和万维网的地学可视化，多用户合作可视化等。
图11-23： 关于地学可视化研究框架 地学多维图解是从非可视化角度，提出的关于图的地学知识表达、获取及其图的地学问题解求证的理论方法模式，它与地学可视化有着密切的联系，是地学可视化研究的高一级发展阶段。基于计算机的地学多维图解以地学可视化为基础，结合地学专家知识库、推理机，高效的人机交互方式等来帮助地学专家获取对某一问题的科学认识。地学多维图解的研究涉及地学图形思维，地理空间认知，图解规则获取，地学知识表达及推理，与地学可视化技术和系统的融合等。 如果把地学可视化、地学多维图解中的高效人机交互方式发展为虚拟现实技术中的融入沉浸方式以及多感觉交互方式，再加上网络连接技术等，那么就产生虚拟地理环境（VGE，Virtual Geographic Environment）。VGE是地学可视化、地学多维图解等发展的最后集成系统，作为一个基于计算机的地学虚拟实验室，它对地学的发展有着非常重要的意义。虚拟地理环境的研究内容包括GIS数据模型，三维、时空多维大数据量的实时动态交互，网络虚拟现实构模语言（VRML）及其他网络开发工具如Java，ActiveX等的运用等等，它们也是数字地球技术的基础。