第六章 空间信息的可视化.docx
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第六章空间信息的可视化
第六章空间信息的可视化
本章概述：
地理空间中的信息具有广阔的范畴，丰富的内容和复杂的结构。
为了系统而又本质地表述、传输和使用地理空间信息，必须把握住它们的基本特征，可视化能够全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们，因此空间信息从来离不开可视化；而可视化技术成为空间信息阅读、理解进而交互作用最重要的工具手段。
§6.1空间信息与可视化
讲述空间信息的所具有的空间、时间、属性和多媒体等基本特征；信息可视化的意义及应用领域；空间信息可视化的形式。
§6.2地图语言与符号库
讲述地图语言的特征；地图符号的功能与分类、分级；地图符号的设计以及矢量栅格地图符号库的建立。
§6.3空间数据的可视化
讲述从地图数据库中获取数据，经过预处理后的根据需要配置矢量或者栅格符号符号化，并介绍地图符号配置的详细算法，最后讲述地图数据可视化后的输出。
§6.4电子地图
讲述电子地图（集）的基本特征与设计目标，电子地图系统的结构和开发技术，并以万像GIS为例，讲述了电子地图开发的若干技术。
§6.5动态地图
自然界和人类社会的很多现象都具有移动变化的特征，用动态地图可以很好地表现这些动态度过程。
讲述动态地图的特征、作用、表示方法及设计。
§6.6虚拟现实技术的空间
信息技术的发展为人们提供了更好的人机交互方式，其中虚拟现实是一种在GIS中有着重要价值的交互方式。
讲述VR技术的系统结构、意义及在应用，最后介绍了GIS的虚拟现实技术。
§6.1空间信息与可视化
空间信息是指地理空间的信息，可视化是将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程是一种转换，它的目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，为人们视觉感知。
一、空间信息基本特征
∙属性特征：
是指目标的质量和数量特征。
在空间数据中，属性数据往往是需要关注的信息的集合。
∙时间特征：
空间信息均各自具有长短不一的生命周期，时间属性是我们了解人类社会和自然界随着时间发展变化历史和预测未来趋势的依据。
∙空间特征：
空间特征是区别地理信息与其它一般信息的根本标志。
地理实体在空间的存在有其确定的空间位置、形状和分布，是其几何性质的体现。
∙多媒体特征：
空间实体的具有其自然、生动、变化的特性，其信息是多方面的。
多媒体信息补充了其它特征所不能表现的空间信息全面生动的一面。
二、可视化
人类是信息科学的主体。
信息是由人来感知、处理和利用的。
客观的事物及其运动通过人的视、听、嗅、味、触的感官被感知，同样的人类及实践活动的结果，其实验、资料、成果、经验等也只能被上述各种感官所感知，从而由人脑进行推理、分析、判断和决策。
据估计，人类信息70%以上是通过视觉来获取的。
很明显，视觉在信息世界中有一定的特殊地位。
1、科学计算可视化
科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。
它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化，它的主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解存入计算机的图像数据。
它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。
它主要基于计算机科学的应用目的提出的，它侧重于复杂数据的计算机图形。
实现科学计算可视化将极大地提高科学计算的速度和质量，实现科学计算工具和环境的进一步现代化；由于它可将计算中过程和结果用图形和图像直观、形象、整体地表达出来，从而使许多抽象的、难于理解的原理、规律和过程变得更容易理解，枯燥而冗繁的数据或过程变得生动有趣，更人性化；同时，通过交互手段改变计算的环境和所依据的条件，观察其影响，实现对计算过程的引导和控制。
（科学计算可视化的应用领域）
2、空间信息的可视化
可视化在信息世界中具有特殊地位。
在人机交互中，视觉是信息传输和接收的主要渠道，尤其对于多维信息，可视化具有独特优点而空间信息正是多维的，前面所述地质勘探、气象预报也是空间信息可视化若干典型事例，但分子模型构造显然不是，因此这两个科学概念的异同必须讨论清楚。
粗略而言，科学计算可视化的学科概念更广泛一些，它从分子、原子、汽车、建筑到地球、宇宙，其可视化内容也不仅是空间信息，而且还包括频率、强度等科学研究的各项指标，其可视化的要求更加专业、单一，以其形象、逼真为最高境界；而空间信息可视化其学科范围是地学环境，其研究对象的大小颗粒是与地理相匹配的，其可视化的内容是地学环境空间中的具有环境特性的事物，与之相适应的，其可视化的要求还有对研究对象的综合抽象，有数字化和符号化的特征过程。
这样，从本质上讲两个概念具有不少共同之处和紧密的联系，但应用范畴和可视化要求是有差别的，因而，在实现方法技术上也有一些显著的差别。
空间信息可视化是一个全新的概念，在这里，我们初步给出其定义：
空间信息可视化是指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示并进行交互处理的理论、方法和技术。
采用声音及触觉、嗅、味等多种媒体方式可以使空间信息的传递、接收更为形象、具体和逼真，但是暂时看来，有的对地理空间信息意义并不大，如嗅、味、触媒体渠道，而声音、音频媒体方式也主要起辅助作用，因而有的学者把可听、可嗅、可味、可触也归入可视化，狭义的理解上应不属可视化范畴。
目前，我们把它列入可视化范畴。
在上述含义下，空间信息的可视化与科学计算可视化的紧密联系和主要差别也一目了然。
也可以说，空间信息可视化是科学计算可视化在地学领域的特定发展。
（空间信息可视化的形式）
一、空间信息基本特征
任何地理空间信息都有其主体，它们是地理的事物或现象，也即是地理实体或若干实体的集合，如前述,其空间信息一般均具有其下列基本特征：
空间信息的属性特征：
属性是指质量和数量特征。
例如对于土地信息而言，土地名称、类型、分级编码、土地的宜林、宜农性质或者更具体地对于某一农作物适宜性的程度，其肥力状况、土壤的性质等均可视为质量特征，而相应的，面积、长度、坡度、坡向、沟谷密度、地表粗糙度等均可视为数量特征。
不同的信息均具有各自的属性特征系列，也有如名称，分类分级编码和面积、长度等是共同的。
人们对于地理信息的了解、认识和使用，往往是从用途开始的，总是不可避免地与属性相关连，没有无属性的地理信息。
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空间信息的时间特征：
地理空间是一个随时间变化的空间，任何空间信息均各自具有长短不一的生命周期，例如蝗虫灾害、沙害、冰河期地貌等，城市地理景观信息是这方面最典型的事例，城市随着建设的发展而日新月异，城市信息的时间特征十分明确，抓住两个时间段的信息，就能迅速反映在这两个时段差的时间内，城市信息的动态变化、发展，各种要素的迁移方向、速度及其它特征。
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空间信息的空间特征：
空间特征是区别地理信息与其它一段信息的根本标志。
实际上，空间特征与时间特征一样，是任何事物与现象的固有特征，只是一般信息中，空间特征并不起特别重要的作用，例如一个中、小企业的人员信息低值易耗器材信息、产品生产信息等均是一些不具有地理信息空间特征的一般信息。
可以认为，一般信息增添空间特征时，问题也就骤然复杂起来，一般信息系统也须扩展为地理信息系统。
空间特征主要可分为几何特征、拓扑特征和其它特征。
几何特征：
是空间特征量方面的表现，诸如位置（也即坐标数值）、形状、大小、方向、远近以及内部的几何结构；特征点分布、纹理、图案、花纹等。
这些性质均是多维特性，而且数据量巨大。
拓扑特征：
它是空间特征质方面的表现，诸如几何分量点、线、面的数目以及它们之间的关系（欧拉公式），空间图形的连通性、包含性，以及相互之间的毗邻关系，均是拓扑特征。
空间中实体本身数据量大，十分复杂，相对而言，空间中实体的相互关系就更加复杂得多，描述它们的数据量也大得多。
以二维空间为例，二维空间中的点、线、面以及相互之间的"位""邻""近""势"关系，与属性数据是有差别的，不是一些简单的数据或字符所能全面概括和本质地表示的。
更进一步，空间的图形和图像的阅读、判别和理解，是属于约束性不充分问题，不同的人根据本身的知识和经验，往往有不同的理解。
世界上事物的多样性，事物各种特征的多样性，使得采用最适宜的方法表示各种特性，达到全面而本质地表示空间信息，进而如何正确而又本质地获取这些信息，最后又如何采取合适的途径与它们交互，研究如何掌握和影响它们成为地理信息中一个极为重要而又内容丰富的问题，这就是空间信息的可视化问题。
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空间信息的多媒体特征：
上述属性特征、时间特征及空间特征都是空间信息某一方面的表现、抽象，当一幅图形、图像、动画、电视、声音生动而又形象地表示出地理客体"活"的特征时，它在很大程度上补充了其它特征所不能表现的事物的全面生动的一面，这儿图形、图像、动画、电视、声音等多种形式媒体，称之为多媒体。
二、可视化
可视化本意即是变成可被视觉所感知。
计算机图形、图像的概念已出现了几十年，而图形、地图等的出现可以追溯到人类起源的远古时代，为什么近来"可视化"的概念最频繁地出现在计算机科学和地理信息科学之中，为什么近来"可视化编程""可视化构件""科学计算可视化"等新概念又屡出不穷？
显然，可视化目前已成为一种汹涌的技术潮流，这是有其深刻的原因和背景的。
科学计算可视化的应用领域
科学计算可视化的应用领域十分宽广，几乎可包括自然科学和工程计算所包括的一切领域，也自然包括空间信息领域。
地质勘探：
寻找矿藏其主要方式是通过地质勘探了解大范围内的地质结构，发现可能的矿藏构造，并且通过测井数据了解局部区域的地层结构，探明矿藏位置及其分布，估计蕴藏量及开采价值。
由于地质数据及测井数据的数量极大且不均匀，无法依据纸面上数据进行分析，利用可视化技术可以从大量的地质勘探及测井数据中构造出感兴趣的等值面，等值线，显示其范围及走向，并用不同色彩、符号及图纹显示出多种参数及其相关关系，从而使专业人员能对原始数据作出正确解释，得到矿藏存在、位置及储量大小等重要信息。
它可以指导打井作业、节约资金，大大提高寻找矿藏效率。
气象预报：
气象直接影响国家经济，各种工程建设以及亿万人民的生活。
气象预报的准确性依赖于对大量数据的计算和计算结果的分析。
科学计算可视化一方面可将大量的数据转化为图像，显示某个时刻的等压面、等温面、风力大小与方向、云层的位置及运动、暴雨区的位置与强度等，使预报人员对天气作出准确分析和预报；另一方面根据全球的气象监测数据和计算结果，可将不同时期全球的气温分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以图像形式表示出来，从而对全球的气象情况及变化趋势进行研究和预测。
计算流体动力学：
汽车、船舶、收音机等的外形设计都必须考虑在气体、流体高速运动的环境中能否正常工作。
过去必须将所设计的机体模型放入大型风洞中做流体动力学的物理模拟实验，然后根据实验结果修改设计，再实验修改，直至完成，这种做法设计周期长，资金耗费大。
现在已可在计算机系统上建立机体几何模型，并进行风洞流体动力学的模拟计算。
为理解和分析流体流动的模拟计算结果，必须利用可视化技术尽快将结果数据动态地显示出来，并将各时刻数据（不管是全局的、局部的）精确显示及分析，将是机体设计关键性的步骤。
分子模型构造：
分子模型构造是生物工程，化学工程中先进的最有创造的发展技术，今天科学计算可视化已经是学术界和工业界研究分子结构并与其相互作用的有力武器，它使分子模型构造技术发生了革命性的变化，过去的复杂和昂贵的方法，已经变成了可控性强、操作简易可靠的有效工具。
例如在遗传工程的药物设计中，使用彩色三维立体显示来改进已有药物的分子结构或设计新的药物，以及构造蛋白质和DNA等高度复杂的分子结构。
其它在医学上，在其它各方面均有广泛的运用。
显然科学计算可视化在学科的广泛程度上包括了空间信息的可视化，这是因为从复杂的多维数据中产生图形是空间信息可视化的基本内容，不管是空间数据的显示，空间分析结果的表示，空间数据的时空迁移，以及每一空间数据处理的过程无一不是这一基本内容。
然而空间信息的可视化与科学计算可视化毕竟存在一些不同，显著的一点即是图形符号化的概念。
因此必须讨论一下空间信息的可视化。
三、空间信息的可视化
空间信息可视化的形式
地图是空间信息可视化的最主要的形式，也是最古老的形式。
在计算机上，将空间信息用图形和文本表示，是在计算机图形学出现的同时也就出现了。
这是空间信息可视化的较为简单而常用的形式，可以说是一维形式，多媒体技术的产生和发展，使空间信息可视化进入一个崭新的时期。
可视化的形式也五彩缤纷，呈现多维化的局面，并正在发展，现把空间信息可视化主要形式介绍于下：
1、地图：
它有两种形式：
纸质或其它介质地图及屏幕上的电子地图。
由于计算机技术的发展，这两种形式仅是计算机上数字地图的硬、软拷贝的差别。
硬拷贝的是纸质地图，软拷贝--屏幕上的电子地图比前者具有更多的优点：
其制作灵活，形式极其多样，修改制作方便，周期短，色彩丰富，动态性强，查询方便、快捷。
从而使人们能从不同的高度、不同的方式、不同的角度和不同的详细程度来观察空间客体信息；
2、多媒体地学信息：
综合、形象地表现空间信息的使用文本、表格、声音、图像、图形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是空间信息可视化的重要形式。
各种多媒体形式能够形象、真实地表示空间信息某些特定方面，作为全面地表示空间信息的不可缺少的手段。
3、三维仿真地图三维仿真地图是基于三维仿真和计算机三维真实图形技术而产生的三维地图，经具有仿真的形状、光照、纹理……，也可以进行各种三维的量测和分析。
4、虚拟现实虚拟现实是空间信息可视化进一步研究和发展的新方式。
它是由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人--机交互系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。
§6.2地图语言与符号库
空间信息可视化对于地学信息而言有多种形式，而其中最重要的一种形式便是地图，它是地学信息的图形符号模型。
地图所反应的是地学领域的事物和现象、地学实体，它的空间尺度相对于人类的一般活动是宏观的或相当的。
它虽然反映的是环境空间中地学实体的集合，但它本身是观念的产物，是对客观的一种模拟，即是模型。
它不是数学模型，也非物理模型，这种模型是对地学客体集合的时、空、质、数客观特性的全面抽象，而非单一抽象。
例如"井"，单纯的空间抽象只是数学空间的点或面，单纯的质量抽象只是供人、畜饮用的点状水源，而地图上的"井"，则把空间、时间、质量和数量都统一表达了。
抽象程度由人们的认识水平和可视化的主题而定。
抽象可以是逐次的、渐进的。
正确而适度的抽象这是地图的科学水平。
地图还具有形象、生动的特点，这是由于它采用了彩色图形符号，这是人们传递信息的信号或工具。
统一、协调、美观的符号系统，这是地图的艺术水平。
地图是环境空间中地学客体集合的质、数、时、空特征全面抽象后的图形符号模型。
也可以说地图是图形符号的空间集合，图形符号是地图的语言。
本讲主要讲述地图语言与地图色彩、地图符号与地图符号库和汉字库与色彩库的基本知识。
一、地图语言与地图的色彩
地图，是一种信息的传输工具。
它实现了从制图的地理环境到用图者认识的地理环境之间的信息传递。
其间，地图语言就是地图作为信息传输工具不可缺少的媒介。
在地图语言中，最重要的是地图符号及其系统，被称之为图解语言。
同文字语言相比，图解语言更形象直观，一目了然，即可显示出制图对象的空间结构，又能表示在空间和时间中的变化。
地图注记亦是地图语言的组成部分，它借用自然语言和文字形式来加强地图语言的表现效果，完成空间信息的传递。
它实质上也是符号，它与地图符号配合使用，以弥补地图符号之不足。
地图色彩是地图语言的一个重要内容。
它除了有充当地图符号的一个重要角色之外，还有装饰美化地图的功能。
另外，地图上可能出现的"影像"和"装饰图案"，它们虽不属于地图符号的范畴，但也是地图语言中不可缺少的内容。
地图的"影像"，它是空间信息特征的空间框架；"装饰图案"多用于地图的图边装饰。
它可以增加地图的美感，并且可以烘托地图的主题。
色彩是地图语言的重要内容。
地图上运用色彩可增强地图各要素分类、分级的概念，反映制图对象的质量与数量的多种变化；利用色彩与自然地物景色的象征性，可增强地图的感受力；运用色彩还可简化地图符号的图形差别和减少符号的数量（例如，用黑、棕、蓝三色实线表示道路、等高级和水涯线）；运用色彩又可使地图内容相互重叠而区分为几个"层面"，提高了地图的表现力和科学性。
二、地图符号（库）的功能、分类和设计
地图符号是在地图上用以表示各种空间对象的图形记号，或者还包括与之配合使用的注记。
地图符号对表达地图内容具有重要的作用。
它是地图区别于其他表示地理环境之图像的一个重要特征。
高质量的地图符号是丰富地图内容、增强地图的易读性和便于地图编绘的必要前提。
使用地图符号不仅能反映制图对象的个体存在、类别及其数量和质量特征，而且通过它们的联系和组合，还能反映出制图对象的空间分布和结构以及动态变化。
地图符号有两个基本功能，首先是它能指出目标种类及其数量和质量特征；其次是它能确定对象的空间位置和现象的分布。
根据约定性原理，采用演绎的方法可将地图符号区分为：
点状符号、线状符号和面状符号。
地图符号的设计质量将直接影响地图信息的传递效果。
设计地图符号，除优先考虑地图内容各要素的分类、分级的要求外，还应着重顾及构成地图符号的6个图形变量，即：
形状、尺寸、方向、亮度、密度和色彩，如图6-2-1所示。
其中，尤以图形的形状、尺寸和色彩最为重要，被传统的地图符号理论称之为地图符号的三个基本要素。
图6-2-1地图符号的类别和图形变量的作用效果
地图符号按符号的生成方式分为矢量符号和栅格符号，对应有不同的制作方法。
地图符号库设计应该遵循以下基本原则：
1．对于国家基本比例尺地图，图形符号颜色、图形、符号含义与匹配比例尺，应尽可能符合国家规定图式；
2．专题地图部分，尽可能采用国家及整个符号部门标准，有益于标准化、规范化；
3．新设计符号应遵循图案化及整个符号系统逻辑性、统一性、准确性、对比性，色彩象征性，制图和印刷可能性等一般原则。
三、汉字库与色彩库
在空间信息的可视化过程中，除了用图形符号外，还须要各种包括汉字、外文字母、数字等信息的注记库，或简称汉字库。
这些注记信息实质上同点状符号是一样的，也分为矢量库和栅格点阵库。
其使用也与点状符号库一样。
随着计算机的硬软件发展，尤其是Windows系列中文操作系统的推出与使用。
除传统的矢量库和栅格库外，又推出了质量优越，使用方便，规模宏大的TrueType字库。
使字库技术达到一个新的水平。
色彩是表示和传递信息的有力工具，为优化色彩的表现手段，便于再生及批量复制，必须把色彩进行数字表达并建立色彩数据库。
它管理和记录两类数据：
（1）现有专题地图色谱中叠色系统和连续色表的色度数据；
（2）设计颜色的色度数据和处理数据记录。
一般色彩库可采用多媒体数据库管理，直接在库中加入色样。
并按各种数据域及组合进行索引，便于查阅、参考。
一、地图语言与地图的色彩
地图，是一种信息的传输工具。
它实现了从制图的地理环境到用图者认识的地理环境之间的信息传递。
其间，地图语言就是地图作为信息传输工具不可缺少的媒介。
在地图语言中，最重要的是地图符号及其系统，被称之为图解语言。
同文字语言相比，图解语言更形象直观，一目了然，即可显示出制图对象的空间结构，又能表示在空间和时间中的变化。
地图注记亦是地图语言的组成部分，它借用自然语言和文字形式来加强地图语言的表现效果，完成空间信息的传递。
它实质上也是符号，它与地图符号配合使用，以弥补地图符号之不足。
地图色彩是地图语言的一个重要内容。
它除了有充当地图符号的一个重要角色之外，还有装饰美化地图的功能。
另外，地图上可能出现的"影像"和"装饰图案"，它们虽不属于地图符号的范畴，但也是地图语言中不可缺少的内容。
地图的"影像"，它是空间信息特征的空间框架；"装饰图案"多用于地图的图边装饰。
它可以增加地图的美感，并且可以烘托地图的主题。
色彩是地图语言的重要内容。
地图上运用色彩可增强地图各要素分类、分级的概念，反映制图对象的质量与数量的多种变化；利用色彩与自然地物景色的象征性，可增强地图的感受力；运用色彩还可简化地图符号的图形差别和减少符号的数量（例如，用黑、棕、蓝三色实线表示道路、等高级和水涯线）；运用色彩又可使地图内容相互重叠而区分为几个"层面"，提高了地图的表现力和科学性。
二、地图符号（库）的功能、分类和设计
地图符号是在地图上用以表示各种空间对象的图形记号，或者还包括与之配合使用的注记。
地图符号对表达地图内容具有重要的作用。
它是地图区别于其他表示地理环境之图像的一个重要特征。
高质量的地图符号是丰富地图内容、增强地图的易读性和便于地图编绘的必要前提。
使用地图符号不仅能反映制图对象的个体存在、类别及其数量和质量特征，而且通过它们的联系和组合，还能反映出制图对象的空间分布和结构以及动态变化。
地图符号有两个基本功能，首先是它能指出目标种类及其数量和质量特征；其次是它能确定对象的空间位置和现象的分布。
根据约定性原理，采用演绎的方法可将地图符号区分为：
点状符号、线状符号和面状符号。
地图符号的设计质量将直接影响地图信息的传递效果。
设计地图符号，除优先考虑地图内容各要素的分类、分级的要求外，还应着重顾及构成地图符号的6个图形变量，即：
形状、尺寸、方向、亮度、密度和色彩，如图6-2-1所示。
其中，尤以图形的形状、尺寸和色彩最为重要，被传统的地图符号理论称之为地图符号的三个基本要素。
图6-2-1地图符号的类别和图形变量的作用效果
地图符号按符号的生成方式分为矢量符号和栅格符号，对应有不同的制作方法。
地图符号库设计应该遵循以下基本原则：
1．对于国家基本比例尺地图，图形符号颜色、图形、符号含义与匹配比例尺，应尽可能符合国家规定图式；
2．专题地图部分，尽可能采用国家及整个符号部门标准，有益于标准化、规范化；
3．新设计符号应遵循图案化及整个符号系统逻辑性、统一性、准确性、对比性，色彩象征性，制图和印刷可能性等一般原则。
三、汉字库与色彩库
在空间信息的可视化过程中，除了用图形符号外，还须要各种包括汉字、外文字母、数字等信息的注记库，或简称汉字库。
这些注记信息实质上同点状符号是一样的，也分为矢量库和栅格点阵库。
其使用也与点状符号库一样。
随着计算机的硬软件发展，尤其是Windows系列中文操作系统的推出与使用。
除传统的矢量库和栅格库外，又推出了质量优越，使用方便，规模宏大的TrueType字库。
使字库技术达到一个新的水平。
色彩是表示和传递信息的有力工具，为优化色彩的表现手段，便于再生及批量复制，必须把色彩进行数字表达并建立色彩数据库。
它管理和记录两类数据：
（1）现有专题地图色谱中叠色系统和连续色表的色度数据；
（2）设计颜色的色度数据和处理数据记录。
一般色彩库可采用多媒体数据库管理，直接在库中加入色样。
并按各种数据域及组合进行索引，便于查阅、参考。
§6.3空间数据的可视化
GIS空间数据可视化，实质在于如何将存贮在GIS数据库中的空间数据以可以为人们
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