第十一章 空间数据表现与地图制图.docx
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第十一章空间数据表现与地图制图
上北下南，绿色代表平原，棕色代表高山，蓝色代表海洋。
布拉格是粉红色的，佛罗伦萨是蓝色的。
地图是一个令人想入非非的东西，它的容量如此之大，足够存储我们过于丰富的情感。
佚名
第十一章空间数据表现与地图制图
导读：
空间数据的表现功能贯穿于GIS空间数据处理的始终，功能的许多方面，包括符号、专题信息表达、图幅配置、制图综合等，都来源于地图制图，这也表明了地理信息系统和制图学的渊源关系。
从某种角度上来讲，地理信息系统可以称为“动态的地图”，它提供了比普通地图更为丰富和灵活的空间数据表现方式，如动态信息表达、虚拟现实等等。
但是，从另外的角度来看，制图学又是一门艺术，单纯依靠计算机系统是难以制作完美的地图的，它需要人工的交互干预，如制图综合，目前还没有任何GIS软件能够很好地解决这些问题。
本章最后介绍了可视化的内容，可视化与信息的感知和传输有着密切的关系，地学可视化的研究、以及在GIS中应用可视化技术，对于空间数据的广泛应用有着重要的意义。
1．概述——地理信息系统数据表现与地图学
地图是记录地理信息的一种图形语言形式，从历史发展的角度来看，地理信息系统脱胎于地图，并成为地图信息的又一种新的载体形式，它具有存储、分析、显示和传输的功能，尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了成套方法，为地理信息系统的图形输出设计提供了技术支持；同时，地图仍是目前地理信息系统的重要数据来源之一。
但二者又有本质之区别：
地图强调的是数据分析、符号化与显示，而地理信息系统更注重于信息分析。
地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响，特别是地理信息系统中的空间数据表现许多技术来源于地图学，但是，其表现手段更加灵活和丰富。
计算机制图是地图学中较新的一个领域，也是地理信息系统输出、显示结果的一个重要部分。
计算机制图的主要内容是将地图设计和绘制通过计算机程序和相应的绘图硬件来实现。
地图符号已经可以完全由计算机绘制。
对地图特征的许多处理，如分类、空间插值等均可用计算机来实现。
利用计算机对线状要素进行制图综合也已经取得很大进步。
但是，利用计算机进行制图综合的结果仍比较机械，需要将更多的专家经验计算机化，特别是用计算机同时对多种内容进行地图综合还不太成熟。
计算机图形学是利用计算机处理图形信息以及借助图形信息进行人——机通讯处理的技术，是GIS算法设计的基础，GIS是随着计算机图形学技术的发展而不断发展完善的。
1．1构成地图学与地理信息系统的数学法则
地图对它所表现的地面上的景物，应能按比例尺衡量。
比例尺是地图上直线长度与地面上相应距离的水平投影长度之比。
如地图上注有比例尺1：
50000，表示图上地物的长度相当于相应地面地物长度的1/50000。
这个尺度对大比例尺地图来说，基本上适合图上各个部分。
因此，可以认为，比例尺是地图线形缩小程度的标志，它是构成地图数学要素的基本组成部分之一。
地图上各种地物之间的关系，要求按数学法则构成，这就是先将地球自然表面的景物垂直投影到地球椭球面（或球面）上，再将地球椭球面（或球面）按数学法则投影到平面上而构成地图。
这种按数学法则将地球椭球面（或球面）转绘到平面上的方法，叫地图投影。
按这种方法建立的数学基础，才能使地球表面上各点和地图平面上的相应各点保持一定的函数关系，从而才能在地图上准确地表达空间各要素的关系和分布规律，才可能反映出它们之间的方向、距离和面积，使地图具有区域性和可量测性。
1．2地图学和地理信息系统的符号
地图符号是表达地图内容的基本手段，它不仅能表示事物的空间位置、形状、质量和数量特征，而且还可以表示各事物之间的相互联系及区域总体特征。
图形符号是由形状、尺寸和颜色三个基本因素所组成，具有系统化的特点；注记是地图符号的一个重要部分，它也有形状、尺寸和颜色的区别。
根据事物分布的特点，地图符号有面状、点状和线状之分。
这些符号运用在表示专题要素的分布、质量和数量特征以及动态变化时，形成了许多表示法：
范围法、质底法、量底法、等值线法、定点符号法、线状符号法、动线法、点值法、定域统计图法、色级统计图法以及定位统计图法。
表示地形的主要方法有等高线法、分层设色法、晕渲法等。
地图符号是表示地图内容的基本手段，它由形状不同、大小不一、色彩有别的图形和文字组成。
地图符号是地图的语言，是一种图形语言。
它与文字语言相比较，最大的特点是形象直观。
就单个符号而言，它可以表示某个事物的空间位置、大小、质量和数量特征；就同类符号而言，可以反映各类要素的分布特点；而各类符号的总和，则可以表明各类要素之间的相互关系及区域总体特征。
因此，地图符号不仅具有确定客观事物空间位置、分布特点以及质量和数量特征的基本功能，而且还具有相互联系和共同表达地理环境各要素总体的特殊功能。
地图符号的形成过程，可以说是一种约定的过程，经过很长时间的检验，有约定而达到俗成的程度，为广大用图者所熟悉和承认。
地图符号的作用，在于它能保证所表示的客观事物空间位置具有较高的几何精度，从而提供了可测量性；能用不依据比例符号或半依据比例符号表示出事物的质量和数量特征。
地图是运用易被人们感受的图形符号表示地面景物的，使用符号具有以下功效：
1）有选择地表示地理环境中的主要事物，因而在较小比例尺的地图上所表现的地面情况，仍能一目了然，重点突出。
对于那些由于缩小而不能按比例尺表示的重要地面景物，可用不依比例的符号夸大表示；
2）用平面的图形符号表示地面的起伏状况，也可以说是在二维平面上，能够表达出三维空间状况，而且可以量测其长度、高度和坡度等；
3）除了用符号表示出地面景物的外形，还能表示出景物的看不见的本质特征，如在海图上可以表示出海底地形、海底地质、海水的温度和含盐度等；
4）用符号可以表示出地面没有外形的许多自然和社会经济现象，如气压、雨量、政区和人口移动等。
此外还可以表现出事物间的联系和制约关系，如森林分布和木材加工工业之间的联系。
地图上还有起说明作用的文字和数字，它们也是地图的重要组成部分，用以标明地面景物的名称、质量和数量。
1．3地图学和地理信息系统的制图综合
制图综合是对制图区域客观事物的取舍和简化。
经过概括后的地图可以显示出主要的事物和本质的特征。
地图的比例尺、用途和主题，制图区域的地理特征以及符号的图形尺寸是影响地图概括的主要因素，地图概括主要表现在内容的取舍、数量简化、质量化简和形状化简等方面。
地图最重要、最基本的特征是以缩小的形式表达地面事物的空间结构，这个特征表明，地图不可能把地面全部事物毫无遗漏地表示出来。
地图上所表示的地面状况是经过概括后的结果。
地图和实际地面相比，是缩小的。
地图上所表现的地面景物，从数量上看是少的，从图形上看是小了、简化了。
这是因为地图上所表现的内容都是经过取舍和化简的。
由1：
10000比例尺缩小到1：
50000比例尺的地图，对原来的内容如不进行取舍和化简，缩小后的地图既不清楚又不易读。
这种把实地景物缩小或把原来较详细的地图缩成更小比例尺地图时，根据地图用途或主题的需要，对实况或原图内容进行取舍和化简，以便在有限的图面上表达出制图区域的基本特征和地理要素的主要特点的理论与方法，称为地图综合（地图概括）。
制图综合就是对客观事物进行取舍和化简，取舍就是从大量的客观事物中选出最重要的事物表示在图上，而舍去次要的事物；化简就是对客观事物的形状、数量和质量特征的化简；形状化简是去掉轮廓形状的碎部，以突出事物的总体特征；数量和质量特征的化简就是减少分类和分级的数量，以缩小与客观事物的差别。
当然取舍和化简不是任意的，而是根据地图的比例尺、用途和制图区域的地理特征，对地图上各要素及其内在联系加以分析研究，选取的目的是强调主要的事物和本质的特征，而舍去次要的事物和非本质的特征。
制图综合可分为比例概括和目的概括。
前者是由于地图比例尺缩小，图形也就缩小，有些图形缩小到难以清楚地表达出来，从而必须选取和化简；后者是因为客观事物的重要性并不完全决定于它的图形大小，故而它的选取和化简也不完全由比例尺决定，还要根据编图者对客观事物重要性的判断来确定是否选取和化简。
从地理信息系统的发展过程可以看出，地理信息系统的产生、发展与制图信息系统存在着密切的联系，两者的相通之处是基于空间数据库的表达、显示和处理。
从系统构成与功能上看，一个地理信息系统具有机助制图系统的所有组成和功能，并且地理信息系统还有数据处理的功能。
地图是一种图解图像，是根据地理思想对现实世界进行科学抽象和符号表示的一种地理模型，是地理思维的产物，也是实体世界地理信息的高效载体，地图可以从不同方面、不同专题，系统地记录和传输实体世界历史的、现在的和规划预测的地理景观信息。
2．地图的符号
2．1地图符号的实质
2．1．1概念
地图符号（Symbol）是地图的语言，它是表达地图内容的基本手段。
地图符号是由形状不同、大小不一和色彩有别的图形和文字组成，注记是地图符号的一个重要部分，它也有形状、尺寸和颜色之区别。
就单个符号而言，它可以表示事物的空间位置、大小、质量和数量特征；就同类符号而言，可以反映各类要素的分布特点；而各类符号的总和，则可以表明各要素之间的相互关系及区域总体特征。
地图符号可以指出目标种类（如公路）及其数量特征和质量特征（如公路行车部分的铺面种类和宽度），并且可以确定对象的空间位置和现象的分布（如人口密度等）。
2．1．2分类
1）按照符号的定位情况分类
可以将符号分为定位符号和说明符号。
定位符号是指图上有确定位置，一般不能任意移动的符号，如河流、居民地及边界等，地图上的符号大部分都属于这一类；
说明符号是指为了说明事物的质量和数量特征而附加的一类符号，它通常是依附于定位符号而存在的，如说明森林树种的符号等。
它们在图上配置于地类界范围内，但都没有定位意义。
2）按照符号所代表的客观事物分布状况分类
可以把符号分为面状符号、点状符号和线状符号。
面状符号是一种能按地图比例尺表示出事物分布范围的符号。
面状符号是用轮廓线（实线、虚线或点线）表示事物的分布范围，其形状与事物的平面图形相似，轮廓线内加绘颜色或说明符号以表示它的性质和数量，并可以从图上量测其长度、宽度和面积，一般又把这种符号称为依比例符号（图11-1）。
图11-1：
面状符号
点状符号是一种表达不能依比例尺表示的小面积事物（如油库等）和点状（如控制点）所采用的符号。
点状符号的形状和颜色表示事物的性质，点状符号的大小通常反映事物的等级或数量特征，但是符号的大小与形状与地图比例尺无关，它只具有定位意义，一般又称这种符号为不依比例尺符号（图11-2）。
图11-2：
点符号
线状符号是一种表达呈线状或带状延伸分布事物的符号，如河流，其长度能按比例尺表示，而宽度一般不能按比例尺表示，需要进行适当的夸大。
因而，线状符号的形状和颜色表示事物的质量特征，其宽度往往反映事物的等级或数值。
这类符号能表示事物的分布位置、延伸形态和长度，但不能表示其宽度，一般又称为半依比例符号（图11-3）。
图11-3：
线状符号
2．2地图符号的构成特点
2．2．1符号的构成要素
地图上的形状、尺寸和颜色是构成符号的三个基本要素。
1）符号的形状
符号的形状主要是表示事物的外形和特征，面状符号的形状是由它所表示的事物平面图形决定的，点状符号的形状往往与事物外部特征相联系，线状符号的形状是各种形式的线划，如单线、双线。
2）符号尺寸
符号尺寸大小和地图内容、用途、比例尺、目视分辨能力、绘图与印刷能力等都有关系，不同的比例尺的地图，其符号大小也有所不同。
3）符号的颜色
符号的颜色可以增强地图各要素分类、分级的概念，简化符号的形状差别，减少符号数量，提高地图的表现力。
使用颜色主要用以反映事物的质量特征、数量特征和等级。
2．2．2地图符号的系统化
由形状、尺寸和颜色变化组成的各种地图符号并不是孤立的，它们具有内在的联系。
通过符号的变化可以把地图内容的分类、分级、重要、次要等不同情况表达出来。
2．2．3地图符号的感受效果
地图是由在不同位置上的符号图形所组成的，符号的复杂排列能引起视觉的不同感受。
读图时可获得整体感、差异感、立体感等不同的感受效果。
整体感主要依靠符号之间不存在明显的差异而形成的；差异感是由不同组成要素在图形间产生明显区别而形成的；立体感主要是利用透视的方法，通过改变符号的尺寸、颜色的亮度等来实现的，如晕渲法就是利用光影，模拟地表面受光的强弱，用浓淡不同的色调显示地形起伏而产生立体感。
地图符号使用了不同的视觉变量，如尺寸、形状、灰度、纹理、方向和颜色等，实现了不同的感受效果。
（图11-4）
图11-4：
地图符号效果
2．3地图上的注记
2．3．1地图注记的种类
地图上的文字和数字总称为地图注记，它是地图内容的重要部分。
注记并不是自然界中的一种要素，但它们与地图上表示的要素有关，没有注记的地图只能表达事物的空间概念，而不能表示事物的名称和某些质量和数量特征。
地图上的注记可分为名称注记、说明注记和数字注记三种。
1）名称注记说明各种事物的专有名称，如居民点名称；
2）说明注记用来说明各种事物的种类、性质或特征，用于补充图形符号的不足，它常用简注表示；
3）数字注记用来说明某些事物的数量特征，如高程等。
2．3．2注记的字体、字级和颜色
地图上常用不同的字体表示不同的事物，常用的字体有宋体、等线体、仿宋体和横线体；地图上注记尺寸的大小，以照相排字机注明的规格为标准，在一幅图上，按照事物的重要程度和意义，采用不同的字级，以便使注记大小与图形符号相对应；注记的颜色只有色相的变化，颜色的选用要与注记所表示的事物类别相联系。
2．3．3注记的排列和配置
地图上注记数量较多，它们可以位于地图中的任一部分，但是注记的排列和配置是否恰当，常常会影响读图的效果。
汉字注记通常有水平字列、垂直字列、雁形字列（注记的字向指向北方或图廓上方）和屈曲字列（注记的字向与注记文字中心线垂直或平行）等等。
注记配置的基本原则是不应该使注记压盖图上的重要部分。
注记应与其所说明的事物关系明确。
对于点状地物，应以点状符号为中心，在其上下左右四个方向中的任一适当位置配置注记，注记呈水平方向排列；对于线状事物，注记沿线状符号延伸方向从左向右或从上向下排列，字的间隔均匀一致，特别长的线状地物，名称注记可重复出现；对于面状事物，注记一般置于面状符号之内，沿面状符号最大延伸方向配置，字的间隔均匀一致。
图11-5表示了点、线、面注记的不同配置方式。
图11-5：
几种可能的注记配置方式
为了确定地物注记的位置，要进行空间关系的判断，因此GIS可以为地图制图提供自动标注功能，一个实现自动注记放置的系统要具有以下功能：
1）确定地图上的要素以及相应的注记文字；
2）对空间数据进行搜索和实现；
3）产生试验性的注记点；
4）选择较好的注记位置。
由于注记只是对地物的描述，因此在地图上，注记不能遮盖地物，注记之间也不能相互重叠，所以，也可以利用GIS进行注记是否重叠的判断。
在进行注记时，由于图面荷载的原因，不可能对所有的地物进行标注，这需要进行选择，通常的选择方法是选择相对重要的地物，这也可以通过对地物属性的排序来实现。
3．专题信息表现
在大多数地理信息系统中，管理的空间数据是矢量格式的地物对象，这些地物对象不仅具有空间位置特征，而且具有非空间的属性数据。
在表现这些地物对象时，除了显示空间位置以外，同时还可以以特定的方式显示某个或多个相关的属性，生成专题地图。
专题地图除了采用普通地图某些表示方法并使其得到进一步发展外，本身还需要有专门反映各种要素性质、数量、空间分布和时间变化的表示方法，以便使读者明确对专题内容要素的科学分析。
在专题地图中，各种制图对象的基本形状是由点、线、面及其过渡形态组成的，并以此反映现象的分布特点、现象的变化时刻、质量和数量的特征及综合特征。
因此，在选择表示方法时，既可以根据专题制图对象的分布方式进行选择（表11-1），也可以按它们的分布特点进行选择（表11-2）。
表11-1：
按照专题制图对象的分布方式选择符号
分布方式
表示分布范围
表示类别
表示数量
表示动态
点
定位符号
符号形式：
几何符号
文字符号
象形符号
符号颜色
符号大小（用深浅不同的颜色表示主次）
数字注记
定点扩展法
定位图表法
线
线状符号
线的形式
线颜色
线条粗细，长短，附加不同数目的小短线
动线法
面
面状符号
（范围法）
质底法
点值线法，分级统计图法，图形统计图法，等值线法和分层设色法
表示扩展的范围法，扩展图形的图形统计图法
表11-2：
按照专题制图对象的分布特点选择符号
分布特征
状况
表示方法
固定一点
一定瞬间的状态移动
空间变化
符号法、运动线法
符号法、定位图表法
固定一线
一定瞬间的状态移动
空间变化
线状符号法、线状符号和运动符号结合
线状符号法重叠
固定面积
一定瞬间的状态移动
空间变化
质底法、等值线法、定位图表总和、范围法、区划法结合等值线法、运动符号
等值线法、定位图表和符号总和
散布
一定瞬间的状态移动
空间变化
点子法、质底法、区划法、图表统计法和色彩统计法、区划搭配运动符号
点子法和区划法结合、图表统计法和色彩统计法
连续分布
一定瞬间的状态移动
空间变化
质底法、等值线法、定位图表总和、地形塑拟表示运动符号
等值线法、定位图表总和
3．1专题地图的分类和内容
3．1．1专题地图含义
专题地图是突出地表示一种或几种自然现象和社会经济现象的地图。
按内容可分为三大类：
自然地图、社会经济地图和其他专题地图。
自然地图表示自然界各种现象的特征、地理分布及其相互关系，如地质图、水文图等；社会经济地图表示各种社会经济现象的特征、地理分布及其相互关系，如人口图、行政区划图等；其他专题地图，指不属于上述二类的专题地图，如航海图、航空图等。
3．1．2专题地图的内容
专题地图的种类很多，但大都是由地理基础和专题内容组成的。
地理基础即普通地图上的一部分内容要素，如经纬网、水系、居民点、交通线、地势等。
地理基础作为编绘专题内容的骨架，并表示专题内容的地理位置和说明专题内容与地理环境的关系。
专题地图上表示哪些地理基础要素和详细程度如何，是根据专题内容的不同而有所不同。
专题内容，从资料来讲，一是将普通地图内容中一种或几种要素显示得比较完备和详细，而将其他要素放到次要地位或省略，如交通图等；二是包括在普通地图上没有的和地面上看不见的或不能直接测量的专题要素，如人口密度图。
3．2面状专题内容的表示方法
地面上真正的点状事物很少，一般都占有一定的面积，只是大小不同。
点状分布要素指那些占据的面积较小，不能按比例尺表示，又要定位的事物。
对于点状分布要素的质量特征和数量特征，可以用点状符号表示。
在地面上呈线状或带状分布的事物很多，如交通线、河流及边界线等，对于这些事物的分布质量特征和数量特征可以用线状符号表示。
面状专题内容的表示方法，最常用的有：
等值线法、质底法、范围法、点值法、符号法、动线法、统计图法等。
3．2．1等值线法
等值线系指在地图上通过表示一种现象的数量指标的一些等值点的曲线，如等高线、等温线。
等值线法宜用于表示地面上连续分布而逐渐变化的现象，并说明这种现象在地图上任一点的数值或强度。
等值线的数值间隔原则上最好是一个常数，以便判断现象变化的急剧或和缓，但也有例外。
等值线间隔的大小首先决定于现象的数值变化范围，变化范围越大（以等高线为例，地貌高程变化越大），间隔也越大，反之亦然。
如果根据等值线分层设色，颜色应由浅色逐渐加深，或由寒色逐渐过渡到暖色，这样可以提高地图的表现力（图11-6）。
图11-6：
等值线
3．2．2质底法
质底法又名底色法，用于将区域划分为质量相同的地段。
见图11-7。
图11-7：
质底法示例
由于质底法广泛应用各种颜色，所以有时称之为底色法。
首先按现象的性质进行分类或分区，制成图例，在地图上绘出各分类界线，然后把同类现象或属于同一区划的现象绘成同一颜色或同一的晕纹。
这种方法可以用于表示地表面上的连续面状现象（如气象现象）、大面积分布的现象（如土壤覆盖）或大量分布的现象（如人口）。
质底法的优点是鲜明美观，缺点是不易表示各类现象的逐渐过渡，而且当分类很多时，图例比较复杂，必须详细阅读图例时才能读图。
注意质底的两种颜色系统不应该相互重叠，但是底色可以与晕线重合。
另外，质底法易于与其他表示方法结合使用。
3．2．3范围法
范围法又名区域法，用于表示某种现象在一定范围内的分布。
范围法分为精确范围法（见图11-8-1）和概略范围法（见图11-8-2），前者有明确的界线，可以在界线内着色或填绘晕纹或文字注记；后者可用虚线、点线表示轮廓界线，或不绘轮廓界线，只以文字或单个符号表示现象分布的概略范围。
在地图上表示范围可以采用各种不同的方法：
用一定图形的实线或虚线表示区域的范围；用不同颜色普染区域；在不同区域范围内绘以不同晕线；在区域范围内均匀配置晕线符号，有时不绘出境界线；在区域范围内加注说明注记或采用填充符号。
范围法与质底法的区别，在于所表现的现象不布满整个编图区域；不一定有精确的范围界线。
图11-8：
（a）精确范围法，（b）概略范围法
3．2．4点值法
点值法是在图上用小点表示现象的分布和数量，它适用于表示分布不均匀的现象。
从图上点的疏密就可看出现象的集中或分散的程度。
布点时要确定点的大小及其代表的值，在最稠密的地方，点可以近于紧接但不能重迭，在最稀疏的地方，也有点的表示；在其他地方，则依比例显示出点的疏密。
（图11-9）
图11-9：
点值法示例
点值法是质底法和范围法的进一步发展。
质底法和范围法只能反映现象的分布范围及其质量特征，点值法则可以表明现象的分布和数量特征。
点值法有两种方法：
一是均匀布点法，即在一定的区划单位内均匀地布点；另一是定位布点法，即按照现象实际所在地布点。
点值法的优点是简单明了，如果恰当地采用不同颜色和不同形状的点，既可以表示现象的数量特征，也可以表示它的质量特征和发展概况。
3．2．5符号法
符号法就是用各种不同形状、大小和颜色的符号表示现象的分布及其数量特征和质量特征。
通常以符号的大小表示数量的差别，形状和颜色表示质量的差别，而将符号绘在现象所在的位置上。
符号法可分为个体符号法和和线状符号法。
1）个体符号法
是地图表示法中的一种特殊方法，用于表示不依地图比例尺或所占面积小于地图符号本身的一些地物的位置，并且通常用于表示按点定位的现象。
单个符号按其形状可分为几何符号、文字符号和象形符号。
由于文字符号和象形符号不能精确地表示位置以及数量的差异，所以地图上应用最广的是几何符号。
几何符号具有简单的集合图形，这种符号便于绘制，能准确地指明地物位置，便于比较大小；文字符号用表示现象名称的头一、二个字母代表。
文字符号的应用受到一定限制，因为采用字母使地图不易阅读，不能指示地物的准确位置，不能按符号大小对比；象形符号相似于所表示对象的图形，可以进一步分为象征符号和实体符号。
前者的形状与所表示地物有某种程度的联系；后者用实体图形表示相应的事物分布。
2）线状符号法
线状符号既可用于表示几何概念的线划，如分水岭、地面上确定的各种境界线（如国界线），又可以用于表示线状分布的不能依地图比例尺表示其宽度的地物，如河流与道路等。
有时还可以用线状符号强调图上按面积表示的地物的主要方向，如山脊线、山脉走向线等。
（图11-10）
图11-10：
线状符号法示例（地质构造线）
3．2．6动线法
动线法一般是用箭形符号表示现象的运动路线和方向，如人口迁移路线、洋流和货运路线等。
箭头和箭体上部的方向应保持一致，箭头的两翼应保持对称。
箭形的粗细或宽度表示洋流的速度强度或货运的数量；箭形的长短表示风向、洋流的稳定性；首尾衔接
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