GIS地图可视化-理论认知篇

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小恒说

关于“GIS地图可视化”这个话题，作者将分理论认知篇、深入浅出坐标系、应用实践篇等三部分来讲，本期为第一部分。

理论认知篇

一、概述

GIS

地理信息系统（Geographic Information System, 简称 GIS）是一种兼容存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。GIS以其强大的空间数据管理系统、形象直观的应用界面、强大的空间分析能力等特点，能为现实地理空间上的物质和能量运动规律的研究提供方便、准确的管理和空间分析手段。因此，GIS与可视化的结合运用有着巨大的发展潜力。

可视化

可视化是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法，研究者能够观察其计算的过程和结果。地理信息可视化是可视化发展的方向之一。可视化的研究目标是要把通过实验获得或数值计算方法得到的大量数据表现为人们的视觉可以直接感受的计算机图形图像 , 由此为人们提供一种可直观地观察数据、分析数据、揭示出数据间内在联系的方法，并能在地理、地质、环境等地学领域获得广泛的应用。可视化正在成为一个多元化、多学科领域的研究和实践。

GIS地图可视化

GIS地图可视化是运用计算机图形学、图像处理技术和地图学的表达方式将空间信息输入、处理、查询、分析的结果用图形、图像结合图表、文字、表格、视频等可视化方式显示并进行交互处理的理论、方法和技术。具体地说，就是利用可视化原理、技术和方法，对大量的空间数据进行处理，形象地、具体地显示其空间特性，使研究人员能直观地观察和模拟，从而丰富科学发现的过程，给予人们深刻与意想不到的空间洞察力。

下图为美国2012年总统大选结果可视化地图，非常直观地显示各个州选举的支持结果。

二、地图可视化理论

空间信息可视化

空间信息可视化研究的内容包括空间实体信息的创建、组织、理解和表示的计算、认知和图形设计等几个主要部分，其结果可以被符号化、图形化、形象化，而且区别于那些文字和公式化的表达。

地图可视化

地图可视化——以计算机科学、地图学、认知科学与地理信息系统为基础，以屏幕地图形式，直观、形象与多维、动态地显示空间信息的方法与技术。DiBiase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视觉传输。

可视化是现代地图学的核心，处在这个等边三角形的中心，传输和认知模型是地图可视化的重要内容。交互性和动态性在地图可视化研究中也显得越来越重要。

地图认知论

人类心理思维空间是实体空间在人脑中产生的映射，地理实体的空间语义网络关系形成人脑对地理实体长期记忆存储的神经网络结构。地理实体信息的存储按其语义联系性，以非常有效的方式进行组织，便于信息的检索、表达并能重新构成更多有意义的联系，挖掘更多新的信息。充分认识人类信息加工模式有助于进一步对地理实体空间语义网络的认识和计算机系统对地理实体空间模式的表达。

地图信息传输论

地图信息传输论是研究地图信息传递过程和方法的理论，是指地理信息在地图上的选择和符号化，并为使用者认识和解译的过程。

随着技术和用户需求的发展，地图信息的可视化对外发布和表现也在迅速发展：

信息表现形式由单一化向多样化扩展；

信息传输方式由静态向动态扩展：地图结合各自动态效果，更真实反映业务形态和变化过程；

信息表现范围由二维向多维扩展：3D地图发展日益成熟，原来的技术、3D数据、性能等瓶颈都已不再是问题了；

信息接收方式由被动向主动扩展：已不再是原来比较单一的地理空间数据了，可视化地图上可以接入各种来源的业务数据，从数据库到接口，从实时数据到大数据平台等等；

信息传输手段由常规向新技术扩展：WEB、移动技术的发展，使得地图可视化的应用无所不在、无所不能；

信息传输途径由视觉向视、听、触等多种感觉形式扩展。

三、地图可视化设计原则

以用户为中心的设计

以用户为中心的设计（User-Centered Design，简称 UCD），是一种用户体验设计的方法。以用户为中心的设计思想非常简单：在开发产品的每一个步骤中，都要把用户列入考虑范围。在设计过程中充分考虑用户的群体、身份、行业背景、业务、需求、上下文等信息。

以目标为导向的设计

目标导向设计( Goal Directed Design，简称GDD) 是在自上向下的产品开发流程中通过定义特定的产品需求，以及基于研究用户需求的交互行为而进行设计的一种理念。地图可视化的最终目标就是生成一幅满足用户需求的地图页面，可以地图看做用户目标，以地图为中心的地图制图模型，就可以采用以目标为导向的设计模式。传统的专题地图制图过程中，采用的就是以地图为中心的设计方式。使用这个模型的制图系统不仅提供给用户专题选择和数据处理，并可根据所选的专题内容进行符号化展示给用户。

以任务为中心的设计

以任务为中心的设计(Task Centered Design，简称TCD) 处在最底层，是一种细粒度的设计方式，它把整个设计过程划分为一个个的任务，进而对一个个不同的任务进行设计，以完成最终设计。该模型中每个任务并非独立的，而是按一定要求级连起来，从而构成了任务流。该任务流是一个能生成预期结果的任务序列。任务序列并非静态或者标准化的，而是包含必要的交互步骤和任务集合，并且这些任务是彼此紧密联系的、相互依存的。

Web环境下，制图者通过分析用户需求，按照GDD设计理念，对制图过程进行任务划分，形成任务流，以任务流为中心进行交互制图。任务流开始于制图相关数据的选取，包括与该制图任务有关的指标、空间、时间数据的选取。对于不同用户来说，接下来的任务可以是直接制图输出、客户端展现，也可以是统计分析、制图输出、客户端展现。按照该模型设计的交互系统能根据用户的身份、需要、需求、上下文信息，动态地为其定制满足专业需求的任务流，并且能识别用户下一步即将要做的任务并作出相应调整，相应的用户交互接口可以通过向导来实现。

参考文档

1.赵忠君，赵飞《在线地图的交互可视化设计研究》，2011年《测绘通报》杂志

2.蔡忠亮《电子地图可视化工程》 武汉大学