地图制图学.docx
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地图制图学
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。
专题地图是在地理底图上，突出地表示自然要素或社会经济现象。
专题地图具有下列3个特点：
①专题地图的组成分专题内容和地理底图两大部分。
②专题地图的内容广泛，主题多样，在自然界与人类社会中，凡能用地图形式表达的事物均可以作为专题地图的内容。
③专题地图采用专门的表示和符号系统。
专题地图的应用
随着社会的发展和科学技术的进步，地图作为一种具有信息传输和信息模拟功能的载体，已被普遍认同。
特别是在高新技术广为应用的今天，专题地图在国民经济、城市管理和社会生活等方面的应用越来越广泛。
在具体工作中,专题地图较其它表现形式更有直观、表现力强、易于理解的优势，它发挥着展示、指导、辅助规划、说明、记载的作用，集宣传性与实用性于一体，是一种非常好的形式和载体。
专题地图是集科技性、艺术性、实用性于一体的作品。
专题地图使用的程度在一定程度上反映了一个社会的文明程度。
随着社会的发展，专题地图与现实生活的联系越来越紧密。
资源、人口、环境、灾害、城市发展等热门问题成为专题地图的重要表现内容。
专题地图作为空间信息的图形表达式和分析研究与认知的手段，越来越受到经济建设、科学研究、文化教育、国防军事等各部门的高度重视与广泛应用，已在许多部门和学科的分析评价、预测预报、规划设计、决策管理中发挥着重要作用。
专题地图正象着更深、更广阔的领域快速发展着。
我们应当充分利用我们拥有各种地理信息资源和强大的计算机技术力量的优势，制作出更多，更具创新、内容更加广泛的、更具特色和更高水平的专题地图。
3．1专题地图制作方法
基于ArcGIS的专题地图制作方法可概括为前期准备、数据采集与输入、数据的编辑处理、地图整饰、地图输出5个阶段。
基本流程如图1所示
（1）地图扫描
利用扫描仪获得数字化地图的底图时，根据制图目的、成图尺寸、要求的精度以及清晰度等来设定图像处理的分辨率和范围。
同时将栅格图像扫描为灰度图像，以便利用ArcScan矢量化l3J。
（2）栅格配准
栅格配准是通过控制点的选取，对扫描后的栅格数据进行坐标匹配和几何校正。
经过配准后的栅格数
据具有地理意义，在此基础上得到的矢量数据才具有一定地理空间坐标，才能解决实际空间问题。
配准方法为：
①打开ArcMap，新建文档。
②增加Georeferncing工具条，确定其工具条中的工具被激活。
并且将该工具条菜单下AutoAdjust处于不选择状态，然后单击AddControlPoint按钮。
③使用该工具在扫描图上精确到找一个控制点单击，然后鼠标右击输入该点实际的坐标位置。
用相同的方法，在影像上增加多个控制点，输入它们的实际坐标。
④增加所有控制点后，在Georeferencing菜单下，点击UpdateDisplay。
更新后，就变成真实的坐标，在Georeferencing菜单下，点击Rectify，将校准后的影像另存即可。
（3）选择坐标投影系统
一一般情况下，要给配准好的栅格数据选择坐标投影系统j，具体方法如下：
①新建文档，把校准后的Rectify存盘文件导入
ArcMap。
②执行View-->DataFrameProperties命令。
③选择CoordinateSystem页夹，在Selectacoordi—nateSytem框中选Projected--+ProjectedCoordinateSys—tem--~GaussKruger--~BeiJing1954投影坐标系统，点击
“确定”按钮。
（4）矢量化可以采用AutoCAD或者ArcScan矢量化，ArcScan是ArcMap工具组件之一，是一套强大的易于使用的栅格矢量化工具。
本文主要描述利用ArcScan的矢量方法。
其方法是：
①添加Rectify校准后的图层，在Display窗口的图层上鼠标右击，选取properties，再选symbolgy标签，在show中选classified，令其值等于2。
②在ArcCatalog中新建点、线、多边形、多点4种shp文件，将图像和shp文件一起导入ArcMap，对shp文件进行编辑，此时可以激活ArcScan，进行矢量化。
（5）拓扑处理
空间数据在采集和编辑过程中，常会有出现假节点、冗余节点、悬线、重复线等情况，通过拓扑检查，可以很方便检查图层之间的逻辑关系，发现数字化过程中的错误。
其方法是：
①在ArcCatlalog中任意选择一个本地目录，新建“personalGe0Database”，然后设置集的坐标系统。
②选择创建的数据集，导入要素类以及要进行拓扑分析的数据，进行拓扑分析
③在ArcMap中打开由拓扑规则产生的文件，利用topolopy工具条中错误记录信息进行修改将数据集导入ArcMap中，点击编辑按钮进行编辑。
（6）属性赋值
属性是空间数据的重要特征，描述了空间对象丰富的语义。
对图形要素进行相应的属性赋值是地图数字化的重要方面，是创建各种专题图的基础。
其输入方法是：
①打开ArcMap视窗内容表，鼠标放在需要打开属性表的层上，点击右键。
②弹出数据层操作快捷菜单，点击OpenAttributeTable菜单。
③新建记录，在此列表中输入需要的数据即可。
（7）创建专题图
专题图制作实质是根据专题变量对地图进行渲染的过程，ArcGIS具有强大的专题图制作功能，为用户提供了简洁方便的操作，可以根据需求制作出生动、精美的专题图。
ArcGIS提供了点密度图、分级色彩图、
分级符号图、统计图等以供选择。
（8）地图整饰
新建布局窗口，选择合适比例尺绘制当前窗口地图，然后分别创建图例、图名、比例尺、指北针等要素，对其进行合理图面配置，即完成地图整饰。
（9）地图输出
先在ArcMap中打印预览一下，确认没有错误，已全面达到设计要求即可输出正式地图，若没有达到要求可再编辑、整饰后打印输出。
3．2专题图制作过程中应注意的问题和解决办法
在应用ArcGIS进行设计和制作专题地图时，搞清有关问题对提高功效，避免重复劳动，确保制图质量很有帮助，根据本人经验，主要应注意以下几个问题。
（1）线图层转化成面图层
在适量化过程中，很难准确的对面状物进行数字化，一般是通过对面状物进行边界跟踪，然后将线图层
转化为面状物即可。
其方法步骤是：
①打开ArcMap用AddData加载已是量化好的shp线文件。
②单击Editor选StartEditing，单击MoreEditingTools--~Topology选项。
③在Topology工具栏中选MapTopology再在Shp文件上打勾，用SelectFeatures选择指针把线全部选中，这时Topology工具栏中的ConstructFeatures选项为激活状态。
④点击ConstructFeatures来检查图中有无多余的线段和点与线分离的过远，多次输入较小值（如0．1）仔细调整。
调整好后单击Editor中的SaveEdits选项。
⑤打开ArcToolbox选DataManagementTool双击FeatureToPolygon。
在InputFeatures选中正在编辑的Shp文件，在OutputFeatureClass处输出文件名，点击“OK”即完成线面转换。
⑥若检查有错误、缺线等，从第4步开始重做。
（2）AutoCAD图形数据向ArcGIS转化若采用AutoCAD对底图进行数字化，需要将其数据导入ArcGIS，虽然ArcGIS软件能接受AutoCAD的数据格式，但在实践过程中，无论是图形数据还是属性数据的转换，都存在一些问题：
元素丢失变形、数据冗余、属性信息不足，为此需要做以下工作。
①数据转换前把CAD图形元素按专题性质分类分层，以便使CAD图形中的每一层对应GIS的每一个专题。
②提高拓扑关系建立的自动化程度，改进早期拓扑关系自动建立算法。
③CAD数据向ArcGIS转换过程中要确定转换图形元素以及两种软件问基本图形元素的对应关系。
解决图形的对应关系，主要是确定CAD图形中的图形元素对应于GIS中的哪一类元素。
并且在G1S和CAD中建立对应的点状符号库、线型库和图案库J。
④在数据格式转换方面，通过中间件PersonaGeodatabase，可实现CAD数据向ArcGIS数据的无缝
转换。
三维地图
本发明通过如下步骤实现：
（1）数据采集；
（2）城市建筑物三维建模；（3）三维地图整饰；（4）等视角投影变换；（5）三维模型消隐处理；（6）三维模型渲染处理；（7）对生成立体效果图进行平面整饰；（8）成图输出。
由于本发明所依据的地形图制作方法和原则基本不变，新的城区三维地形图也是传统地形图的自然发展与延伸；城区三维地形图立体可视，即凭视觉可观察城区景观和分辨建筑物的高低；城区建筑物的比高可量测，量测精度视成图比例尺而定。
本发明适用于制作各种比例尺、各种视角的三维立体数字地形图。
一种城区三维可视与可量测立体地形图制作方法，其特征在于：
采用下述步骤：
（1）数据采集：
通过矢量数字地图数据、DEM数据采集建筑物边框三维坐标，采集每座建筑物比高H；
（2）城市建筑物三维建模：
根据上述采集的建筑物的边框和比高数据，以每座建筑物边框为建筑物底面沿Z轴向上移动比高H，形成建筑物顶部的外轮廓线和顶面，连接相应点，形成侧面，建立了描述建筑物的体、面、线、点之间的关系的三维数据链；（3）三维地图整饰：
在图幅内方里网格网交点上按给定的视角α设立三维立体标尺和图廓三维数据链，图幅四角亦设立三维立体标尺并标注量测刻度三维数据链；（4）等视角投影变换：
对上述建筑物三维模型按照给定的视角α将建筑物轮廓线从空间投影到平面上，建立建筑物的三维空间顶点与二维平面图之间的映射关系，连接同名轮廓线拐点，形成既有立体感又可量测建筑物比高的视觉模型；（5）三维模型消隐处理：
①首先绘制所有建筑物模型的底面，②以所有建筑物的三维模型的侧面到视点的距离为依据，由远到近排序，分别绘制，③以所有建筑物模型的顶面比高为依据，由低到高排序，并按由低到高的次序分别绘制；（6）三维模型渲染处理：
根据城市三维模型和模拟光照，运用数学模拟的方法分别对模型中的每一个表面计算着色，生成城市三维模型图像；（7）对生成立体效果图进行平面整饰：
①将上述城市三维模型图像、地表矢量图层和正射影像图层叠加，②对图幅周边增加三维比例尺和立体效果示例；（8）成图输出：
按照不同要求，输出或存储上述成果图。
二、三维电子地图概述三维电子地图以其直观的三维地形、地物代替了抽象的二维地图符号。
这使得地图超出了传统的地理信息符号化、空间信息水平化和地图内容凝固化、静止化、平面化的状态，进入了动态、多维的可交互的地图条件下，通过直观的方式模拟人的地理空间认知方式以及进行各种空间地理分析的阶段。
与之相适应，地图制图从传统的地图符号的选择、制作、组织协调和绘制转变为三维地形、地物的构建、以及分析应用模型的建立。
这一变化也使地图学理论从单纯的地图传输理论、地图语言理论以及地图认知理论转变为在三维虚拟地理环境中，模拟人在自然地理环境中（包括地下、地面、空中）进行地理认知、空间地理分析应用的理论研究。
所以，三维仿真技术在地图学上的应用贯穿了传统的制图和利用地图进行分析应用的全过程。
与三维电子地图相关的系统大多集中在三维可视化方面。
但最近几年，国内外开展了大量三维电子地图的研究。
世界著名的CADCenter认识到三维电子地图和实时三维仿真的重要性已经研制了VirtualKyoto.他们认为基于三维电子地图的3DGIS很快将在公共服务、城市旅游、城市规划等各领域产生广泛的应用。
美国著名的三维仿真软件Vega（一般都基于MultigenCreator建模）也已经把自己的三维仿真产品与GIS相结合了。
于今年五月份，推出了SitBuilder3D产品。
国内三维电子地图也早成为人们研究的重点。
武汉测绘科技大学国家重点实验室、武汉适普软件公司、北京灵图、武汉天元等多家研究单位和公司都在三维电子地图和三维地理信息系统的研究上做了大量的研发工作。
也开发了具有自己特色的软件产品。
其中武汉适普和武汉天元在海量数据的三维浏览上有部分突破，北京灵图在三维视觉效果上在国内同行中有一定的优势。
武测国家重点实验室的三维软件CCGIS在基于空间数据的建模有一定的优势。
迄今为止，国际国内还没有一个成熟完整的三维电子地图系统。
三、三维电子地图的关键技术问题（数据获取、数据结构、可视化、空间分析）
数字地面模型（DEM）和其他地图要素（居民地、道路、水系等），然后通过一定的三维数据结构高效地组织起来，进行三维地形和地图要素的可视化和空间分析。
三维电子地图的研究涉及的内容较多，其中关键性的问题主要是：
三维电子地图的数据获取、数据结构、可视化和空间分析。
1、数据获取
首先将需要生成三维电子地图的区域的二维地图数字化，数字化的内容主要包括：
等高线、道路、水系、居民地等，并进行从数字化坐标系到高斯坐标系的转化。
再获取该区域的建筑物的高度（或者建筑物的楼层数和每一层的高度）。
数字化过程中数字地面模型（DEM）可以根据精度要求进行数据内插。
DEM的高程Z既可以用X、Y水平坐标系统来描述，也可以用经度X、纬度Y来描述。
更快捷的办法是利用航空摄影技术，从该区域的航片上提取出DEM和地物（建筑物、河流、湖泊等），其中建筑物的高度也可以从航片上直接提取出来。
对于复杂的地图要素（建筑物）可以在专门的建模软件（如：
3DMax和Multigen等）下进行建模。
然后再加入到三维地图场景中。
建筑物的顶部纹理可以从航片上提取，其余纹理可以利用数码相机到实地拍摄。
2、数据结构
三维电子地图的数据结构是一个很复杂的问题，至今也是人们研究中的一个难点。
一些有名学者在这方面作出了可贵的探索，李德仁院士提出了基于八叉树和四面体格网的混合数据结构，龚健雅教授等以矿山、地质为背景用面向对象的思想设计了矢量与栅格集成的三维数据模型，肖乐斌博士有效地集成矢量、栅格数据结构的优点提出了一种三维集成数据结构、郭薇博士等用点集拓扑学形式化地描述了三维实体的空间拓扑关系，HOULDING针对各种各样的地下实体提出4种数据结构。
但这些数据结构还不能圆满地解决一个真正三维电子地图中的许多问题。
如：
实体存贮、表达及三维对象间复杂的拓扑关系描述与建立的困难。
美国著名的仿真软件Vega采用了层次结构（DataBase,Group,Object,Polygon,Vertex）在三维实时计算上取得了较好的效果。
3、三维可视化
三维电子地图的可视化是指利用计算机图形学的知识来实现地图六大要素（水系、地貌、居民地、交通、境界等）的三维表达化。
实时性是三维电子地图可视化最根本特性（是区别于动画渲染的标志），其实质就是改变视点的位置和观察方向，再将所移动后的视点仍作为坐标原点，观察的方向仍然规定为负Z轴方向。
这样，各三维物体在新坐标系内的坐标都将改变，观察所看到的图像也就随之改变。
三维电子地图的可视化过程大致为：
将获取到的地图数据用纹理映射的方法处理水系、交通等地图要素层数据，即将水系、交通等要素层数据形成一幅位图，通过纹理映射贴到建模后的地貌表面，形成三维地图场景；另一种是在生成DEM后，对水系、交通等要素层分别建模后，通过深度排序、消隐、形成三维地图场景。
如果有航片资料，可以在生成DEM后，直接贴上航片，然后再将其他地图要素（居民地、水系等）叠加在该区域的DEM上。
4、空间分析
三维电子地图的空间分析包括空间任意一点的三维坐标、空间任意两点之间的距离、空间距离量测，坡度/坡向、表面积、剖面分析、可视域分析等。
其中如何求出屏幕任意一点的空间三维坐标是空间分析的基础。
它的实现算法有多种，OpenGL提供了通过模型视图矩阵、透视矩阵等来获取屏幕任意一点的深度缓冲。
然后通过函数就可以计算出任意一点的空间三维坐标。
但这种方法求出的坐标不是很准确，有一种更好的办法是利用碰撞检测：
首先在屏幕点击处和视点构造一条线段，然后与场景中的物体进行碰撞检测，通过内插计算就可得到屏幕点击处的空间三维坐标。
地面上的某点的坡度是表示在该点倾斜程度的一个量。
从数学上来讲其大小为：
地表曲面函数在该点的切平面与水平面夹角的正切。
表面积是将DEM的每个格网分解为多个三角形，然后利用海伦公式就可得到整个DEM的表面积。
剖面分析是计算其与各格网边的交点（x、y、z）。
地形三维主要采用二维栅格模型（GRID）表达。
每个栅格结点的水平位置X、Y坐标隐含，其属性结构内存贮有该点的高程值Z坐标，地形三维表现（即显示）时就通过Z坐标来体现地形表面的起伏。
当在地形表面任意两点间求剖面线时，首先通过平面求交计算得到剖面线与各二维栅格边一系列交点的水平位置（X，Y），然后根据各相交边的两个端点的Z坐标用线性插值方法得出各交点的Z坐标。
可视域分析是判断两点间的通视情况。
最简单的算法是：
先将视点与研究区内每个栅格角点连线，形成视线簇。
然后遍历所有视线，计算每一视线与相关栅格边的交点，判断这些交点在该视线方向上是否遮挡待求栅格角点。
若所有交点都不遮挡，则该栅格角点可见；否则，只要有一个交点遮挡之，该栅格角点就不可见。
依此计算所有栅格角点，标识出它们的全部可见与不可见情况。
最后显示时，与原始DEM的方法一样，可以三角形或四边形为单元显示。
在DEM重采样较密时，处理可以简化，如三个角点中有一个不可见，则将该三角形以不可见颜色表示。
一、专题地图设计的一般过程
1.编辑准备
专题地图的种类繁多，形式各异，与普通地图相比，它的用途和使用对象有更强的针对性，要求更具体。
因此，对编辑准备工作来说，首先应研究与所编地图有关的文件；明确编图目的、地图主题和读者对象。
在明确编制专题地图的任务后，首先拟订一个大体设计方案，并绘制图面配置略图，经审批同意后，即可正式着手工作。
在广泛收集编图所需要的各种资料的基础上，进行深入地分析、评价和处理。
通过详细研究制图资料和地图内容特点，进行必要的试验，并对开始的设计方案进行补充、修改，制定出详细的编图大纲，用以指导具体的地图编绘工作。
编图设计大纲的主要内容有：
（1）编图的目的、范围、用途和使用对象；
（2）地图名称、图幅大小及图面配置；（3）地理底图和成图的比例尺、地图投影和经纬网格大小；（4）制图资料及使用说明；（5）制图区域的地理特点及要素的分布特征；（6）地图内容的表示方法、图例符号设计和地图概括原则；（7）地图编绘程序、作业方法和制印工艺。
2.原图编绘
在编绘专题内容之前，必须准备有地理基础内容的底图，然后将专题内容编绘于地理底图上。
由于专题图内容的专业性很强，一般情况下专题地图还需要专业人员提供作者原图。
这点是与普通地图编制不同的地方。
制图编辑人员将专题内容编绘于地理基础底图上，或者将作者原图上内容按照制图要求，转绘到基础底图上，这就是专题地图的编绘原图。
3.出版准备
常规专题地图编制工作中的出版准备与普通地理图的方法基本相同。
主要是将编绘原图经清绘或刻绘工序，制成符合印刷要求的出版原图。
同时还应提交供制版印刷用的分色参考样图。
二、专题地图内容的设计
1.表示方法的选择
专题地图的内容十分复杂，几乎所有的自然和社会经济现象都能编绘成专题地图。
专题地图既能表示有形的事物，又能表示无形的现象；既能表示现在的各种事物，又能表示过去和将来的事物；既能表示出事物现象的数量、质量和空间分布特征，又能展现出事物内在的结构和动态变化规律。
由于地图内容的千变万化，专题地图在展现专题内容时，就要采用各种不同的表示方法。
由此，形成了每幅专题地图都有自己独特的表现形式和符号系统。
表示方法的选择受到多方面因素的影响，如专题内容的形态和空间分布规律，制图资料和数据的详细程度，地图的比例尺和用途，以及制图区域的特点等都会对表示方法选择产生影响。
但其中最主要的因素是专题内容的形态和空间分布规律。
2.图例符号设计
在地图上，各种地理事物的信息特征都是用符号表达的，它是对客观世界综合简化了的抽象信息模型。
地图符号中所包含的各种信息，只有通过图例才能解译出来，才能被人们所理解。
通过地图来了解客观世界，就必须先掌握地图图例的内涵。
所以，地图图例是人们在地图上探索客观世界的一把钥匙。
图例是编图的依据和用图的参考，所以在设计图例符号时，应满足以下要求：
（1）图例必须完备，要包括地图上采用的全部符号系统，且符号先后顺序要有逻辑连贯性；
（2）图例中符号的形状、尺寸，颜色应与其所代表的相应地图内容一致。
其中，普染色面状符号在图例中常用小矩形色斑表示；
（3）图例符号的设计要体现出艺术性、系统性，易读性，并且容易制作。
3.作者原图设计
由于专题地图内容非常广泛，所以其编制离不开专业人员的参与。
当制图人员完成地图设计大纲后，专业人员依据地图设计大纲的要求，将专题内容编绘到工作底图上，这种编稿图称为作者原图。
专业人员编绘的作者原图一般绘制质量不高，还需要制图人员进行加工处理，将作者原图的内容转绘到编绘原图上，最后完成编绘原图工作。
对作者原图的主要要求有如下几点：
（1）作者原图使用的地理底图、内容、比例尺、投影、区域范围等应与编绘原图相适应。
（2）编绘专题内容的制图资料应翔实可靠；
（3）作者原图上的符号图形和规格应与编绘原图相一致，但符号可简化；
（4）作者原图的色彩整饰尽可能与编绘原图一致；
（5）符号定位要尽量精确。
4.图面配置设计
一幅地图的平面构成包括：
内容有主图、附图、附表、图名、图例及各种文字说明等。
在有限的图面内，合理恰当地安排地图平面构成的内容位置和大小称为地图图面配置设计。
国家基本比例尺地形图的图面配置与整饰都有统一的规范要求，而专题地图的图面配置与整饰则没有固定模式，因图而异，往往由编制者自行设计。
图面配置合理，就能充分地利用地图幅面，丰富地图的内容，增强地图的信息量和表现力。
反之，就会影响地图的主要功能，降低地图的清晰性和易读性。
因此，编辑人员应当高度重视地图图面的设计。
图面配置设计应考虑以下几个方面的问题：
主图与四邻的关系一幅地图除了突出显示制图区域外，还应当反映出该区域与四邻之间的联系。
如河北省地图，除了利用色彩突出表示主题内容外，还以浅淡的颜色显示了北京、天津、辽宁、内蒙、山西、河南、山东和渤海等部分区域。
这对于了解河北省的空间位置，进一步理解地图内容是很有帮助的。
主图的方向地图主图的方向一般是上北下南，但如果遇到制图区域的形状斜向延伸过长时，考虑到地图幅面的限制，主图的方向可作适当偏离，但必须在图中绘制明确的指北方向线。
移图和破图廓为了节约纸张，扩大主图的比例尺和充分利用地图版面，对一些形状特殊的制图区域，可采用将主图的边缘局部区域移至图幅空白处（图7―4），或使局部轮廓破图框（图7―5）。
移图部分的比例尺、地图投影等应与原图一致，且二者之间的位置关系要十分明晰。
另外，破图廓的地方也不易过多。
图名图名能反映一幅地图的中心内容，应放在醒目的位置上，如图幅上中位置常在北图廓线上方，亦可在其下方，或位于图廓内的左上方或右上方。
图例、比例尺图例一般安排在图幅的左下方或右下方；比例尺大多采用数字比例尺和直线比例尺两种形式表达，一般安排在图名或图例的下方。
附图、附表附图和附表用以补充主题内容，或扩大显示主图中的某些重要部分。
附图和附表的位置安排要合理，与主图的配合要协调，往往配设在面积较大的非制图区处，但不能影响制图区内容的表达。
5.地图的色彩与网纹设计
色彩对提高地图的表现力、清晰度和层次结构具有明显的作用，在地图
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