Схематизированные геоизображения

.title[
# Схематизированные геоизображения
]
.subtitle[
## Картография
]
.author[
### Тимофей Самсонов
]
.date[
### 2022-09-26
]

---

## Геоизображение

.large[__Геоизображение__ — это модель земных (планетных) объектов или процессов, представленная в графической образной форме.]

Модель геоизображения должна быть:

- .red[_пространственно-временная_]: рассматривает изображаемые объекты и явления в географической среде
- .green[_масштабная_]: позволяет выполнять оценки местоположения, размеров и т.д.
- .blue[_генерализованная_]: показывает не всё, что _можно_, а всё, что _нужно_

---

## Картографические геоизображения

__.red[Карта]__ — это математически определенное, уменьшенное, генерализованное изображение поверхности Земли, другого небесного тела или космического пространства, показывающее расположенные или спроецированные на них объекты в принятой системе условных знаков.

__.blue[С элементами схематизации]__:
- схематизированные карты
- схемы и карты потоков
- карты транспортных систем
- анаморфированные карты
- картоиды

---

## Схематизация

__Схематизация__ — это геометрическое упрощение объектов карты, при котором местоположение, форма или направление объектов ограничиваются допустимыми вариантами.

.vsmall[Buchin, K., Meulemans, W., Renssen, A.V., Speckmann, B., 2016. Area-Preserving Simplification and Schematization of Polygonal Subdivisions. ACM Transactions on Spatial Algorithms and Systems 2, 1–36. https://doi.org/10.1145/2818373]

---

## Схематизация

---

## Схематизация

---

## Схематизация

Замена отрезков дугами окружностей

.vsmall[van Goethem, A., Meulemans, W., Speckmann, B., Wood, J., 2015. Exploring Curved Schematization of Territorial Outlines. Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on 21, 889–902. https://doi.org/10.1109/TVCG.2015.2401025]

---

## Схематизация

Схематизация дугами окружностей

.right-40[
<img src="img/talkxx/france_art.png" width="100%" />
.vsmall[van Goethem, A., Meulemans, W., Speckmann, B., Wood, J., 2015. Exploring Curved Schematization of Territorial Outlines. Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on 21, 889–902. https://doi.org/10.1109/TVCG.2015.2401025]
]

---

## Фокус-контекст

Схематизация может использоваться для выделения самых важных объектов (фокуса) на карте
<img src="img/talkxx/iberian_focus.png" width="95%" />
.vsmall[van Dijk, T., van Goethem, A., Haunert, J.-H., Meulemans, W., Speckmann, B., 2013. Accentuating focus maps via partial schematization, in: Proceedings of the 21st ACM SIGSPATIAL International Conference on Advances in Geographic Information Systems - SIGSPATIAL’13, pp. 428–431. https://doi.org/10.1145/2525314.2525452]

---

## Фокус-контекст

Степень схематизации может увеличиваится при удалении от объекта-фокуса
<img src="img/talkxx/germany_focus.png" width="90%" />
.vsmall[van Dijk, T., van Goethem, A., Haunert, J.-H., Meulemans, W., Speckmann, B., 2013. Accentuating focus maps via partial schematization, in: Proceedings of the 21st ACM SIGSPATIAL International Conference on Advances in Geographic Information Systems - SIGSPATIAL’13, pp. 428–431. https://doi.org/10.1145/2525314.2525452]

---

## Карты-бусы (necklace maps)

Схематизация взаимного положения объектов позволяет устранить перекрытия между символами

<img src="img/talkxx/necklace.png" width="90%" />
.vsmall[Speckmann, A., Verbeek, K., 2010. Necklace maps. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 16, 881–889. https://doi.org/10.1109/TVCG.2010.180]

---

## Карты-бусы (necklace maps)

Местоположение каждой диаграммы может быть вычислено по радус-вектору или сектору

<img src="img/talkxx/necklace-intervals.png" width="90%" />
.vsmall[Speckmann, A., Verbeek, K., 2010. Necklace maps. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 16, 881–889. https://doi.org/10.1109/TVCG.2010.180]

---

## Карты-бусы (necklace maps)

Результат визуализации будет различным:

<img src="img/talkxx/necklace-optimized.png" width="90%" />
.vsmall[Speckmann, A., Verbeek, K., 2010. Necklace maps. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 16, 881–889. https://doi.org/10.1109/TVCG.2010.180]

---

## Карты-бусы (necklace maps)

Размещение в два яруса и вдоль кривой:

.pull-left[
<img src="img/talkxx/necklace-double.png" width="90%" />
]
.pull-right[
<img src="img/talkxx/necklace-splines.png" width="90%" />
]
.vsmall[Speckmann, A., Verbeek, K., 2010. Necklace maps. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 16, 881–889. https://doi.org/10.1109/TVCG.2010.180]

---

## Карты-бусы (necklace maps)

Для оптимизации графической нагрузки можно использовать не полные окружности, а их дуги:

<img src="img/talkxx/necklace-usa.png" width="90%" />
.vsmall[Speckmann, A., Verbeek, K., 2010. Necklace maps. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 16, 881–889. https://doi.org/10.1109/TVCG.2010.180]

---

## Карты-бусы (necklace maps)

Не все объекты нуждаются в таких диаграммах. Карта количества медалей на Олимпиаде-2010 в Ванкувере:

<img src="img/talkxx/necklace-world.png" width="90%" />
.vsmall[Speckmann, A., Verbeek, K., 2010. Necklace maps. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 16, 881–889. https://doi.org/10.1109/TVCG.2010.180]

---

## Стенокарты (stenomaps)

__.green[Стенография]__ — способ письма посредством особых знаков и целого ряда сокращений, дающий возможность быстро записывать устную речь

---

## Стенокарты (stenomaps)

Можно ли представить сложный контур на карте простым росчерком пера?

<img src="img/talkxx/france-glyphs.png" width="50%" />
.vsmall[van Goethem, A., Reimer, A., Speckmann, B., Wood, J., 2014. Stenomaps: Shorthand for shapes. IEEE Trans. Visual. Comput. Graphics 20, 2053–2062. https://doi.org/10.1109/TVCG.2014.2346274]

---

## Стенокарты (stenomaps)

Стенографический символ можно рассматривать как один из уровней генерализации объекта:
<img src="img/talkxx/stenomaps-levels.png" width="90%" />
Основой для построения такого символа является медианная ось объекта и ее конечные точки:
<img src="img/talkxx/stenomaps-backbone.png" width="90%" />
.vsmall[van Goethem, A., Reimer, A., Speckmann, B., Wood, J., 2014. Stenomaps: Shorthand for shapes. IEEE Trans. Visual. Comput. Graphics 20, 2053–2062. https://doi.org/10.1109/TVCG.2014.2346274]

---

## Стенокарты (stenomaps)

Соотношение границы, медианной оси и позвоночника (backbone) полигона:

<img src="img/talkxx/stenomaps-backbone2.png" width="100%" />
.vsmall[van Goethem, A., Reimer, A., Speckmann, B., Wood, J., 2014. Stenomaps: Shorthand for shapes. IEEE Trans. Visual. Comput. Graphics 20, 2053–2062. https://doi.org/10.1109/TVCG.2014.2346274]

---

## Стенокарты (stenomaps)

.vsmall[van Goethem, A., Reimer, A., Speckmann, B., Wood, J., 2014. Stenomaps: Shorthand for shapes. IEEE Trans. Visual. Comput. Graphics 20, 2053–2062. https://doi.org/10.1109/TVCG.2014.2346274]

---

---

## Карты потоков

Карты потоков нуждаются в специальных алгоритмах схематизации маршрутов перемещения

<img src="img/talkxx/flow-europe.png" width="90%" />
.vsmall[Jenny, B., Stephen, D.M., Muehlenhaus, I., Marston, B.E., Sharma, R., Zhang, E., Jenny, H., 2018. Design principles for origin-destination flow maps. Cartography and Geographic Information Science 45, 62–75. https://doi.org/10.1080/15230406.2016.1262280]

---

## Карты потоков

Основные принципы создания карт потоков

.vsmall[Jenny, B., Stephen, D.M., Muehlenhaus, I., Marston, B.E., Sharma, R., Zhang, E., Jenny, H., 2018. Design principles for origin-destination flow maps. Cartography and Geographic Information Science 45, 62–75. https://doi.org/10.1080/15230406.2016.1262280]

---

## Карты потоков

Натяжение отрезка перемещения под действием невидимой пружины

<img src="img/talkxx/flow-spring.png" width="90%" />
.vsmall[Jenny, B., Stephen, D.M., Muehlenhaus, I., Marston, B.E., Sharma, R., Zhang, E., Jenny, H., 2017. Force-directed layout of origin-destination flow maps. International Journal of Geographical Information Science 31, 1521–1540. https://doi.org/10.1080/13658816.2017.1307378]

---

## Карты потоков

Взаимное действие сил отталкивания

<img src="img/talkxx/flow-flow.png" width="75%" />
.vsmall[Jenny, B., Stephen, D.M., Muehlenhaus, I., Marston, B.E., Sharma, R., Zhang, E., Jenny, H., 2017. Force-directed layout of origin-destination flow maps. International Journal of Geographical Information Science 31, 1521–1540. https://doi.org/10.1080/13658816.2017.1307378]

---

## Карты потоков

Ограничение кривизны линии прямоугольником с пропорциями 1:2

<img src="img/talkxx/flow-curvature.png" width="60%" />
.vsmall[Jenny, B., Stephen, D.M., Muehlenhaus, I., Marston, B.E., Sharma, R., Zhang, E., Jenny, H., 2017. Force-directed layout of origin-destination flow maps. International Journal of Geographical Information Science 31, 1521–1540. https://doi.org/10.1080/13658816.2017.1307378]

---

## Карты потоков

Ограничение кривизны линии прямоугольником с пропорциями 1:2

<img src="img/talkxx/flow-curvature-result.png" width="80%" />
.vsmall[Jenny, B., Stephen, D.M., Muehlenhaus, I., Marston, B.E., Sharma, R., Zhang, E., Jenny, H., 2017. Force-directed layout of origin-destination flow maps. International Journal of Geographical Information Science 31, 1521–1540. https://doi.org/10.1080/13658816.2017.1307378]

---

## Карты потоков

Перемещение контрольной точки по спирали для устранения пересечений

<img src="img/talkxx/flow-spiral.png" width="80%" />
.vsmall[Jenny, B., Stephen, D.M., Muehlenhaus, I., Marston, B.E., Sharma, R., Zhang, E., Jenny, H., 2017. Force-directed layout of origin-destination flow maps. International Journal of Geographical Information Science 31, 1521–1540. https://doi.org/10.1080/13658816.2017.1307378]

---

## Потоки на картах-бусах

Два метода схематизации можно объединить в один:

<img src="img/talkxx/necklace-flows.png" width="50%" />
.vsmall[Speckmann, A., Verbeek, K., 2010. Necklace maps. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 16, 881–889. https://doi.org/10.1109/TVCG.2010.180]

---

## Распределительные карты потоков

Показывают перемещение из одного источника во множество целей

<img src="img/talkxx/flow-census.png" width="80%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

## Распределительные карты потоков

Расчетный каркас для распределения потоков

<img src="img/talkxx/steiner1.png" width="90%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

## Распределительные карты потоков

Минимальное остовное дерево (задача Штейнера)

<img src="img/talkxx/steiner2.png" width="80%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

### Решение задачи Штейнера

Алгоритм Крускала

---

## Распределительные карты потоков

Пример — исходные данные

<img src="img/talkxx/steiner-world00.png" width="75%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

## Распределительные карты потоков

Стандартное распределение потоков

<img src="img/talkxx/steiner-world1.png" width="75%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

## Распределительные карты потоков

Распределение потоков с высоким весом суши

<img src="img/talkxx/steiner-world2.png" width="75%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

## Распределительные карты потоков

Исходные данные с дополнительными точками

<img src="img/talkxx/steiner-world01.png" width="75%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

## Распределительные карты потоков

Распределение потоков с дополнительными точками

<img src="img/talkxx/steiner-world3.png" width="75%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

## Распределительные карты потоков

Дополнительные точки и высокий вес суши

<img src="img/talkxx/steiner-world4.png" width="75%" />
.vsmall[Sun, S., 2018. A spatial one-to-many flow layout algorithm using triangulation, approximate Steiner trees, and path smoothing. Cartography and Geographic Information Science 1–17. https://doi.org/10.1080/15230406.2018.1437359]

---

## Распределительные карты потоков

Спиральные деревья

<img src="img/talkxx/distr-spiral.png" width="75%" />
.vsmall[Buchin, K., Speckmann, B., Verbeek, K., 2011. Flow Map Layout via Spiral Trees. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 17, 2536–2544. https://doi.org/10.1109/TVCG.2011.202]

---

## Распределительные карты потоков

Пакетирование заготовок

<img src="img/talkxx/distr-stub.png" width="75%" />
.vsmall[Nocaj, A., Brandes, U., 2013. Stub Bundling and Confluent Spirals for Geographic Networks, in: Wismath, S., Wolff, A. (Eds.), Graph Drawing. Springer International Publishing, Cham, pp. 388–399. https://doi.org/10.1007/978-3-319-03841-4_34]

---

## Распределительные карты потоков

Дерево Штейнера

<img src="img/talkxx/distr-steiner.png" width="75%" />
.vsmall[Buchin, K., Speckmann, B., Verbeek, K., 2011. Flow Map Layout via Spiral Trees. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 17, 2536–2544. https://doi.org/10.1109/TVCG.2011.202]

---

## Распределительные карты потоков

Импорт продуктов в Великобританию

<img src="img/talkxx/footprint.png" width="100%" />
.vsmall[D. Phan, L. Xiao, R. Yeh, P. Hanrahan, and T. Winograd. Flow map layout. In Proc. IEEE Symposium on Information Visualization (INFOVIS ’05), pages 219–224, 2005]

---

## Карты транспортных систем

Особный вид схематизированных карт — карты транспортных систем.

<img src="img/talkxx/metro1.png" width="100%" />
.vsmall[Bast H. Efficient Generation of Geographically Accurate Transit Maps / H. Bast, P. Brosi, S. Storandt // ACM Transactions on Spatial Algorithms and Systems. – 2019. – Vol. 5. – №4 . – P. 1-36.]

---

## Карты транспортных систем

Важный аспект — минимзация количества пересечений и проведение их под углом, близким к 90 градусов.

<img src="img/talkxx/metro2.png" width="100%" />
.vsmall[Bast H. Efficient Generation of Geographically Accurate Transit Maps / H. Bast, P. Brosi, S. Storandt // ACM Transactions on Spatial Algorithms and Systems. – 2019. – Vol. 5. – №4 . – P. 1-36.]

---

## Карты транспортных систем

Наиболее трудная часть визуализации — распределение линий в транспортных узлах.

<img src="img/talkxx/metro3.png" width="100%" />
.vsmall[Bast H. Efficient Generation of Geographically Accurate Transit Maps / H. Bast, P. Brosi, S. Storandt // ACM Transactions on Spatial Algorithms and Systems. – 2019. – Vol. 5. – №4 . – P. 1-36.]

---

## Карты транспортных систем

Результирающие схемы довольно близки к составленным вручную, хотя и уступают им по качеству.

<img src="img/talkxx/metro4.png" width="100%" />
.vsmall[Bast H. Efficient Generation of Geographically Accurate Transit Maps / H. Bast, P. Brosi, S. Storandt // ACM Transactions on Spatial Algorithms and Systems. – 2019. – Vol. 5. – №4 . – P. 1-36.]

---

## Анаморфозы (cartograms)

На картах-анаморфозах объекты масштабируются в зависимости от величины показателя

> Показатель должен быть __экстенсивным__, то есть _суммироваться_ по территории, а не _осредняться_.

---

class: center, inverse
background-image: url("img/talkxx/roser-cartogram.png")
background-position: center
background-size: contain

## Растровые анаморфозы

---

class: center, inverse
background-image: url("img/talkxx/roser-cartogram.png")
background-position: center
background-size: 200%

---

## Векторные анаморфозы

Картографические — получаются на основе преобразования координат

<img src="img/talkxx/cartograms1.png" width="90%" />
.vsmall[[http://www.ncgia.ucsb.edu/projects/Cartogram_Central/types.html]()]

---

## Векторные анаморфозы

Схематичные — получаются заменой площадей простыми фигурами

<img src="img/talkxx/cartograms2.png" width="90%" />
.vsmall[[http://www.ncgia.ucsb.edu/projects/Cartogram_Central/types.html]()]

---

## Фокальные анаморфозы

Позволяют избирательно увеличивать объекты в соответствии с их важностью
<img src="img/talkxx/britain_focus1.png" width="80%" />
.vsmall[van Dijk, T., van Goethem, A., Haunert, J.-H., Meulemans, W., Speckmann, B., 2013. Accentuating focus maps via partial schematization, in: Proceedings of the 21st ACM SIGSPATIAL International Conference on Advances in Geographic Information Systems - SIGSPATIAL’13, pp. 428–431. https://doi.org/10.1145/2525314.2525452]

---

## Фокальные анаморфозы

Позволяют избирательно увеличивать объекты в соответствии с их важностью
<img src="img/talkxx/britain_focus2.png" width="80%" />
.vsmall[van Dijk, T., van Goethem, A., Haunert, J.-H., Meulemans, W., Speckmann, B., 2013. Accentuating focus maps via partial schematization, in: Proceedings of the 21st ACM SIGSPATIAL International Conference on Advances in Geographic Information Systems - SIGSPATIAL’13, pp. 428–431. https://doi.org/10.1145/2525314.2525452]

---

## Картоиды

__.red[Картоиды]__ — идеализированные (абстрактные) теоретико-картографические модели, схематически отражающие  конфигурацию, пространственную структуру и связи геосистем.

> .blue[Иногда между картоидами и анаморфозами не прооводят разницы, хотя на самом деле принципы их построения существенно различны, и используются они для разных целей.]

---

## Картоиды

__Поляризованный ландшафт__ (по Б.Б.Родоману) — иллюстрирует общие закономерности расположения функциональных зон культурного ландшафта
<img src="img/talkxx/rodoman.jpg" width="80%" />

---

## Идеальный материк

Географические пояса, зональные типы ландшафтов  и почвенно-геохимические поля
<img src="img/talkxx/ideal.png" width="80%" />
.vsmall[по А.М.Рябчикову и М.А.Глазовской]

---

## Картографические геоизображения

__.blue[С элементами схематизации]__:
- схематизированные карты
- схемы и карты потоков
- анаморфированные карты
- картоиды