电子地图设计第一章绪论.ppt

1,电子地图设计,奚大平 中国地质大学信息工程学院 2007年4月,2,课程进度安排,周次,星期,实习任务：基于VC和MapX开发一个小型电子地图系统 原始数据：一幅扫描地图 工具软件：CorelDraw、MapInfo、Visual C+6.0、MapX 基本功能：图形显示、放大缩小漫游、几何与属性查询、图形编辑,3,主要内容,绪论 电子地图设计 电子地图的数据模型 电子地图的逻辑结构 电子地图的制作 电子地图的二次开发,4,第一章 绪 论,1.1 电子地图的定义 1.2 电子地图的起源 1.3 电子地图的发展 1.4 电子地图系统 1.5 电子地图的用户 1.6 当前研究的热点问题,5,计算机技术的产生和发展，促进了地图学的发展，使制图者逐步从传统的手工制图转到计算机辅助制图。这种转变，无论从制图理论，产品质量，生产效率以及费用等方面，对地图制图的发展都产生了巨大的影响。 数字地图和电子地图的出现. 进入九十年代以来，计算机硬件和软件快速发展，特别是互联网(Internet)和万维网(World Wide Web)技术的产生和发展，又为地图制图的发展提供了新的机遇。地图制图与互联网、万维网技术的结合，万维网电子地图已经成为现实。,绪：地图学的变化,6,从地图需求角度： 随着社会经济的发展，地图已经深入到社会的各个角落并发挥着巨大的作用。 越来越多的人开始从事地图制图工作，同时出现越来越多的各种地图产品，地图已经不在局限于地形图和有限的专题地图。 地图正在从供应驱动转变到需求驱动。,绪：地图学的变化,7,从地图作用角度： 地图开始是作为空间数据的传输工具而出现的。制图者利用地图制图理论、工具和自身丰富的地图设计经验和技巧，把空间信息和相关信息抽象地表达成为地图，再以不同的介质(纸张，磁盘，光盘等)提供给使用者使用。在这种情况下，地图是作为最终产品而出现的。 但随着地理信息系统(GIS)的产生和发展，国家空间数据基础设施(National Spatial Data Infrastructure)的构想以及其它方面的需求，地图的作用也在发生着变化。地图不在仅仅作为最终产品，同时也作为一种中间产品。,绪：地图学的变化,8,地图开始扮演一个新的角色，不仅仅是一种空间信息的传输工具，而且它是人们探索空间数据及与空间数据相联接的各种数据(如社会经济数据，人口数据等)的桥梁。而且地图在交互，实时和动态环境中也将是重要的工具。,绪：地图学的变化,9,从制图者和使用者的角度： 在地图的发展初期，甚至是现在，制图者和使用者是分开的。制图者制作地图提供给使用者使用，使用者只能获得地图上所表达的有限信息，往往地图不能满足使用者的要求。这将导致部分使用者希望自己制作地图，满足自己的需要而解决实际问题。 这种趋势被Morrison(1997)称为“地图制图平民化(Democratization of Cartography)”，就是“利用计算机技术，地图使用者不在仅仅依赖地图制作者在地图上表达的信息，地图使用者也是地图制作者”，“地图使用者有能力随意制作地图以满足自己的需要”。,绪：地图学的变化,10,这种趋势是基于一定的基础的。 从数据方面，要有足够的可用的空间数据，而且要有足够高的精度； 从组织方面，要有完善的管理机制，实现数据的共享； 从技术方面，需要有适合于使用者使用的处理和可视化空间数据的工具。 “地图制图平民化”需要一种新型的地图制图者，他们除了具备传统的理论和设计技巧之外，还必需具备使他们的理论和技巧可用的能力，也就是说应该具备把他们的理论和技巧溶于制图工具中以提供给使用者使用的能力。,绪：地图学的变化,11,从技术角度： 在以前，如果一个制图者具备扎实的地图制图理论和丰富的地图设计经验和技巧，就应该是一位好的制图者。但在科学技术高速发展的今天，只具备这两方面技术的制图者已经逐步不能满足于社会的需要。 如今，一个制图者不但要具备扎实的地图制图理论和丰富的地图设计技巧，而且还应该具备计算机技术，特别是对于计算机技术的快速发展，一个制图者要有不断接受新知识的能力。 对于一个制图者，地图制图理论、地图设计经验、计算机技术三者必不可少。,绪：地图学的变化,12,从地图生产方式角度： 回顾地图生产几十年的发展历史，地图的生产以往都是靠手工作业来完成的，从总体设计、资料收集、编稿图的完成、地图清绘、到印刷工厂的照相、翻版、分涂、制版和印刷。 这种过程生产周期长、费用高，并且编辑、修改和更新都十分困难。,绪：地图学的变化,13,随着计算机技术在地图制图领域的广泛应用，现在可以完全在计算机环境下实现上述的生产过程。 互联网和万维网技术的产生和发展，以及其它技术的快速发展，促进了一种新型地图制图方式的出现-探究地图制图(Exploratory Cartography).它将创建一种环境，在这种环境中，使用者可以借助计算机网络查询自己需要的空间信息和相关信息制作地图以解决自己的实际问题。对于制图者的一个挑战是如何制作和完善制图工具以便允许使用者使用。,绪：地图学的变化,14,从地图发行的角度： 在以前，甚至是现在，大部分的地图产品是以图张或图集的方式提供给用户，这种方式生产周期长，数据更新速度慢，而且费用高； 如今，由于电子地图的广泛使用，可以使用磁盘、光盘作为地图的传输介质，改编了传统的地图发行方式，这种方式，相对于传统的地图发行方式，无论是在生产周期，更新速度和费用方面都有了很大的改善，但还是不能实现数据的实时更新；互联网和万维网技术的产生和发展，为数据的实时更新和数据共享创造了机会，万维网将作为地图的载体利用互联网把地图传送给使用者。,绪：地图学的变化,15,从信息表达角度：传统的地图是以静态的符号表达地表信息和相关的信息，随着计算机技术的产生和发展，特别是多媒体技术和虚拟现实技术的产生和发展，当代的地图已经不在局限于静态信息的表达，可以利用声音、图象、动画、视频和虚拟现实技术等多种技术实现信息的表达。,绪：地图学的变化,16,从信息构成的角度：传统的地图由于本质上只能以地物的有限的属性进行符号化，无法反映太多的地物属性，只能通过系列专题地图形式解决，因而从单张图看，图形数据的信息量远远大于属性数据；而在电子地图中，属性数据可以得到充分的存贮表示，图形数据与多种属性数据可以方便地集成。,绪：地图学的变化,17,电子地图(Electronic Map) 电子地图具有地图的内涵，是数字地图在计算机屏幕上的符号化显示. 电子地图制作必须具备数字地图数据、地图符号库及一定的数学基础. 电子地图是在计算机屏幕上可视的基于电子技术的屏幕地图。 电子地图与动态地图电子地图是地理空间数据或称数字地图最主要的一种可视化形式,通常显示在屏幕上,计算机屏幕或是投影大屏幕。,1.1 电子地图的定义,18,电子地图(Electronic Map) 电子地图:电子地图是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上，并能在电子屏幕上实时显示的可视地图，又称“屏幕地图”或“瞬时地图”。 存贮于计算机外存，以只读光盘（CD-ROM）、网络等形式传播，以桌面计算机或触摸屏计算机等形式提供大众使用。,1.1 电子地图的定义,19,与数字地图的差别(Digital Map) 数字地图是指用数字形式描述地图要素的属性、定位和关系信息的数据集合，是存储在计算机中可以识别的媒体上的一组描述地理实体的坐标和属性标识的离散数据的集合 。 电子地图是以地图数据库为基础，通过一定的硬件和软件在电子屏幕上显示的可视地图，是数字地图在电子屏幕上的符号化显示。,1.1 电子地图的定义,20,与地理信息系统的差别(GIS) 陈述彭 :“地理信息系统可简单定义为用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统”。 关系：电子地图是GIS的主要数据源，是GIS中地理数据表达的主要方式，在GIS中电子地图是联系用户和地理数据库的桥梁。,1.1 电子地图的定义,21,分类 按存贮介质分： CD_ROM电子地图 网络电子地图 PDA电子地图 按用途分： 导航电子地图 城市电子地图 旅游电子地图等 按数据类型分： 矢量电子地图 栅格电子地图 矢、栅混合电子地图,1.1 电子地图的定义,22,分类 按表达形式分： 二维电子地图 三维电子地图 按功能分： 静态型电子地图 交互型电子地图 动态型电子地图 分析型电子地图,1.1 电子地图的定义,23,优点 多源信息的集成； 强大的空间信息可视化功能； 交互性：在地图数据库以及系统提供的工具的支持下，用户可以进行信息的交互查询以及其它的一些交互操作，如放大、缩小、漫游等； 动态性：可以采用视觉的（闪烁、颜色渐变，动态符号、运动线等）及听觉的（声音、音乐等）等多种手段动态地表达空间现象； 更强的适应性：传统地图的内容一经确定后就无法更改。在电子地图中，用户可以根据自己的需要，任意选取要显示的内容，同时还可以自己定义可视化表达的方式； 多媒体技术的支持；,1.1 电子地图的定义,24,优点 复杂的具有地理信息系统的功能：如查询、最优路径选取以及缓冲区分析等； 信息系统的延伸：多媒体电子地图集不再仅仅是地图产品，它可以被看作为一个信息系统，例如旅游信息系统，城市信息系统； 方便的量算功能：可以进行距离的测量和周长、面积的计算； 合理的更新：无论在更新费用和更新周期上都要优于传统地图集的更新； 出版和发布：出版工序简单，而且产品的运输方便容易等。,1.1 电子地图的定义,25,功能 作为空间实体的模型：地图都是根据一定的目的，采用一定的方法和手段的对客观实体的抽象表达； 作为空间观察的提供者：地图（集）最作为空间信息的载体，可以为用户的空间查询和分析提供信息； 作为空间的组织者：在数字化时代以前，地图（集）已经以多媒体产品的组织者身份出现，它包括文本、图形、图像和图表等多种媒体的集合，在当今的数字化时代，又包括了声音、视频等媒体类型。,1.1 电子地图的定义,26,功能 作为访问地理数据库的桥梁：通过点击地图目标，就可以访问于此目标相链接的地理数据库； 作为多媒体的界面：在多媒体电子地图产品中，地图通过热点与其它媒体相链接，这样就可以使用户能够访问其它媒体。所以在描述与具体的地理位置相关的媒体时，地图是最为理想的这些地理位置的载体； 作为科学可视化的工具等：作为空间信息的载体，在空间实体的可视化研究方面，地图仍旧是最为理想的工具。,1.1 电子地图的定义,27,传统模拟地图的延伸 传统的地图绘制过程全部是手工清绘、刻绘。数字制图技术的引入解放了生产力，提高了工作效率，这是一个质的飞跃;在数字制图条件下，地图数据可以存于数据库中，提高了数据的利用率，这是另一个质的飞跃。传统的地图出版工作，从编绘到印刷出版一般周期较长，这是不符合信息时代节奏的，因而也成了现代地图学引进计算机辅助制图技术的动力。,1.2 电子地图的起源,28,计算机地图制图学的发展 50年代兴起的计算机技术70年代以来取得了飞速发展，新技术的应用使地图制图学发生了深刻的技术革命。计算机处理大量数据的速度之快，导致制图成本的降低;地图数据库使用的日益普及，减轻了数据准备的负担;扩大了地图应用的范围;提高了地图信息传输的速度;节省了地图编绘时间。 计算机地图学-多媒体地图学（Cartwright 1999)-探究地图学（Kraak 1998)-赛博地图学（Taylor 1997）-网络地图学（ Kraak 2000）,1.2 电子地图的起源,29,科学可视化的发展 地学可视化是目前GIS和地图学的研究热点问题之一。随着GIS、GPS、RS以及其他空间技术的发展，空间数据，尤其是时空数据的数据获取越来越方面。 视觉化的主要技术要素 多媒体技术 虚拟现实技术：全沉浸、部分沉浸和桌面虚拟环境系统 因特网和万维网技术,1.2 电子地图的起源,30,现代计算机技术的发展 计算机硬件 计算机软件 计算机外设,1.2 电子地图的起源,31,多媒体技术的发展 超文本是一种按信息之间关系非线性地存贮、组织、管理和浏览信息的计算机技术。 超媒体则是利用超文本技术组织、管理多媒体信息的技术，即用超文本技术管理图形、图像、文字、声音、视频、动画等多媒体信息。 多媒体电子地图：多媒体电子地图是集文本、图形、图表、图像、声音、动画和视频等多种媒体于一体的新型地图，是电子地图的进一步发展。它除了具有电子地图的优点之外，增加了地图表达空间信息的媒体形式，以听觉、视觉等多种感知形式，直观、形象、生动地表达空间信息。,1.2 电子地图的起源,32,国际互联网的普及和发展 互联网（Internet）是一个连接世界各地不同计算机系统的全球性网络系统。它是目前世界上最大、增长最快的计算机网络系统。它所基于的通讯协议是“传输控制协议和互联网协议”（TCP/IP）。互联网被认为是未来信息高速公路的雏型。早期的交互网只能提供电子邮件(E-mail)远程登录Telnet、文件传送FTP等，且主要为面向字符的服务。 1989年欧洲粒子研究中心(CERN)的科学家Tim Berners-Lee提出了万维网(World Wide Web)这一概念，并推出一个基于超文本HyperText和HTTP的信息查询工具，实现于1990年的Next计算机上。1992年CERN公开发表了万维网，至1994年万维网已成为访问互联网资源的最好手段, 它所采用的通讯协议是“超文本传输协议”（Hyper Text Transfer Protocol-HTTP）。浏览万维网资源的著名浏览器有美国网景(Netscape)公司的Navigator和微软公司的Explorer。,1.2 电子地图的起源,33,国际互联网的普及和发展 互联网改变数据信息的获取、传输、发布、共享、应用和可视化等过程和方式。互联网为地图数据提供者在WWW(World Wide Web)上提供方便的地图信息发布与共享方式。 互联网与电子地图结合成Internet Map /Web-Map是地图发展的必然趋势。,1.2 电子地图的起源,34,移动终端和无线网络的发展 PDA、手机 基于蜂窝的技术：GSM、 GPRS、 CDMA、EDGE等 基于局域网的技术：蓝牙技术 LBS(Location based service) MLS(Mobile location service),1.2 电子地图的起源,35,应用需求的不断增长,1.2 电子地图的起源,36,数字制图技术的发展最早可以追溯到本世纪50年代末，但基于PC的计算机制图直到80年代中期才被广泛应用，也就是说，数字制图的实用化至今也只有十几个年头。,1.3 电子地图的发展,37,代替传统制图方法机助制图，数字制图最初的应用是代替传统的制图手段来制作地图。此时，数字制图仅仅只是一种制图的手段，当然它具有传统方法所无法比拟的优点，比如，速度快、质量高、标准化程度强等。尽管是数字制图，最终成果仍然是通过绘图方式得到的传统意义上的地图，即纸质地图或称“模拟地图”。,1.3 电子地图的发展,38,提供另一种介质形式存储的图件数字地图，随着PC机的大量使用和众多领域计算机技术的不断普及，人们对地图的存在形式提出了新的要求，数字制图不仅仅是一种制图手段，而且可以提供以数字形式存在、存储于磁带、磁盘或光盘的“虚拟”地图。它们被广泛用于计算机辅助设计(CAD)、电子导航、商业演示、充当有关专业应用的背景等方面。,1.3 电子地图的发展,39,提供真正的数字地图，满足GIS的应用数字地图：GIS技术的迅速发展和日益广泛的应用，给数字制图提供了机会，但也带来了挑战。GIS的最主要特征可以说一方面空间基础数据是它的核心，另一方面基于数据的分析是其灵魂。这两点都与数字地图密切相关。数字地图是空间基础信息的载体。为了满足GIS的需求，数字地图在内容、结构、表示方式和质量等方面都必须得到有效的处理。,1.3 电子地图的发展,40,提供新的数字产品三维景观模型：人们期望，未来的数字制图应该提供一种应用更为广泛、使用更迎合大众心态的新的数字产品，这种产品可以称之为“三维景观模型”。三维景观模型是客观世界实际地物地貌景观完整而抽象的数字描述和表征，不仅更适合各种专业应用，而且也更适合大众应用。这应该是数字制图技术高层次的目的和任务。,1.3 电子地图的发展,41,上海企事业大全深圳电子地图集北京通中国人口电子地图集中国深圳光盘地图北京电子地图2000香港互动电子地图 软件：中科院地理所EA 2000，武汉大学Atlas 2000,1.3 电子地图的发展,42,定义： 在计算机软、硬件的支持下，以地图数据库为基础，能供进行空间信息的采集、存储、管理、分析和显示的计算机系统。,1.4 电子地图系统,43,组成：,1.4 电子地图系统,44,硬件：,1.4 电子地图系统,45,软件： 操作系统 数据库软件 专业软件 其他应用软件,1.4 电子地图系统,46,软件： 地图数据库管理软件,1.4 电子地图系统,47,软件： 地图数据库管理软件功能 地图构建功能 允许用户根据设计方案选择内容、比例尺、地图投影、地图符号、颜色等，生产预想的地图，以满足需要。 地图管理功能 电子地图中包含空间数据、属性数据和时间数据，而且包含多种数据源的数据，因此需要使用地图数据库管理这些复杂、大量的数据。,1.4 电子地图系统,48,软件： 地图数据库管理软件功能 检索和查询功能 可以根据用户需求来检索信息，并以多媒体的形式显示查询结果，包括：图形到属性的查询、属性到图形的查询、图形、属性综合查询、拓扑查询： 分析功能：空间分析、统计分析：,1.4 电子地图系统,49,软件： 地图数据库管理软件功能 数据更新功能 系统提供强有力的地图和数据输入、编辑的能力，以确保及时地更新数据，保证电子地图的现势性，并为再版地图创建十分优越的制图环境。,1.4 电子地图系统,50,软件： 地图数据库管理软件功能 制图综合功能 制图综合在电子地图系统中是按照视觉限度的原理实现的，它是一种逆向过程，当数据库中存储了十分详细的制图数据时，正常位置的屏幕上不可能显示全部图形细部，即显示的比例尺缩小时，更多的细节被忽略了，面状符号可能显示成点状符号。只要当使用开窗口技术局部放大显示时，才有可能逐步显示全部细节，依次放大可获得多种比例尺的效果。,1.4 电子地图系统,51,软件： 地图数据库管理软件功能 输出功能 地图、查询、分析的结果必须以一定的方式提供给用户。输出成果按照不同的分类存在不同的形式。 按承载介质分：数字地图、电子地图以及纸张地图等； 按形式分：地图、图表、表格、报告等。,1.4 电子地图系统,52,数据： 电子地图系统的操作对象是地理数据、它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。 空间特征是指地理实体的空间位置及相互关系； 属性特征表示地理实体的名称、类型和数量等； 时间特征指实体随时间而发生的相关变化。 根据地理实体的空间图形表示形式，可将空间数据抽象为点、线和面三类元素，它们的数据表达可以采用矢量或者栅格两种组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。,1.4 电子地图系统,53,人员：包括系统开发人员和GIS技术的最终用户，他们的业务素质和专业知识是GIS工程及其应用成败的关键。,1.4 电子地图系统,54,一般用户：如学生、普通百姓 普通地图的内容 方面地浏览和阅读 放大、缩小和漫游 必要的检索功能 一般的量测 多媒体的支持,1.5 电子地图的用户,55,行政及科研部门：把电子地图作为组织、管理和显示信息，提供辅助决策的依据。 普通地图的内容+一些专题地图种类的内容 一般用户的功能 比较功能 提供常用的分析工具 必要的数据传输及通讯支持,1.5 电子地图的用户,56,专业用户：包括军事、测绘、交通、水、气、电等各专业部门，功能更为具体、专业性强 普通地图的内容+专题内容 专业特定的功能，如专题图设计制作功能、专业分析功能和彩色出版功能等。,1.5 电子地图的用户,57,三维电子地图,1.6 当前研究的热点问题,58,与地理信息系统(Geographic Information System-GIS)的结合： 地理信息系统脱胎于地图制图学而成为一门独立的科学，同时地理信息系统的发展也促进了地图制图学的发展。 一般来说，地图制图学侧重于信息的表达能力，而地理信息系统侧重于它的分析功能，但随着地图制图学的发展这种侧重点的差距正在逐步减小。 多媒体电子地图逐渐具备地理信息系统的部分功能而成为大众型的地理信息系统。,1.6 当前研究的热点问题,59,“地图集信息系统（AIS）是在一个在多媒体环境中进行地理分析和地图可视化的工具”（Schulmeister 1996）。 地图集信息系统的潜力在于可视化技术、多媒体技术以及地理信息系统功能的融合，它提供