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# 39 | 实战（三）：如何实现地理信息的可视化？
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你好，我是月影。
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前段时间，我们经常能看到新冠肺炎的疫情地图。这些疫情地图非常直观地呈现了世界上不同国家和地区，一段时间内的新冠肺炎疫情进展，能够帮助我们做好应对疫情的决策。实际上，这些疫情地图都属于地理位置信息可视化，而这类信息可视化的主要呈现方式就是地图。
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在如今的互联网领域，地理信息可视化应用非常广泛。除了疫情地图，我们平时使用外卖订餐、春运交通、滴滴打车，这些App中都有地理信息可视化的实现。
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那地理信息可视化该如何实现呢？今天，我们就通过一个疫情地图的实现，来讲一讲地理信息可视化该怎么实现。
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假设，我们要使用世界地图的可视化，来呈现不同国家和地区，从2020年1月22日到3月19日这些天的新冠肺炎疫情进展。我们具体该怎么做呢？主要有四个步骤，分别是准备数据、绘制地图、整合数据和更新绘制方法。下面，我们一一来看。
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## 步骤一：准备数据
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新冠肺炎的官方数据在WHO网站上每天都会更新，我们可以直接找到2020年1月22日到3月19日的数据，将这些数据收集和整理成一份JSON文件。这份JSON文件的内容比较大，我把它放在Github上了，你可以去[Github仓库](https://github.com/akira-cn/graphics/blob/master/covid-vis/assets/data/covid-data.json)查看这份数据。
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有了JSON数据之后，我们就可以将这个数据和世界地图上的国家一一对应。那接下来的任务就是准备世界地图，想要绘制一份世界地图，我们也需要有世界地图的地理数据，这也是一份JSON文件。
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地理数据通常可以从开源社区中获取公开数据，或者从相应国家的测绘部门获取当地的公开数据。这次用到的世界地图的数据，我们是通过开源社区获得的。
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一般来说，地图的JSON文件有两种数据格式，一种是GeoJSON，另一种是TopoJSON。其中GeoJSON是基础格式，它包含了描述地图地理信息的坐标数据。举个简单的例子：
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{
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"type":"FeatureCollection",
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"features": [
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{
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"type":"Feature",
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"geometry":{
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"type":"Polygon",
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"coordinates":
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[
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[[117.42218831167838,31.68971206252246],
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[118.8025942451759,31.685801564127132],
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[118.79961418869482,30.633841626314336],
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[117.41920825519742,30.637752124709664],
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[117.42218831167838,31.68971206252246]]
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]
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},
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"properties":{"Id":0}
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}
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]
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}
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上面的代码就是一个合法的GeoJSON数据，它定义了一个地图上的多边形区域，坐标是由四个包含了经纬度的点组成的（代码中一共是五个点，但是首尾两个点是重合的）。
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那什么是TopoJSON格式呢？TopoJSON格式就是GeoJSON格式经过压缩之后得到的，它通过对坐标建立索引来减少冗余，数据压缩能够大大减少JSON文件的体积。
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因为这节课的重点主要是地理信息的可视化绘制，而GeoJSON和TopJSON文件格式的具体规范又比较复杂，不是我们课程的重点，所以我就不详细来讲了。如果你有兴趣进一步学习，可以参考我在课后给出的资料。
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这节课，我们直接使用我准备好的两份世界地图的JSON数据就可以了，一份是[GeoJSON数据](https://github.com/akira-cn/graphics/blob/master/convid-vis/assets/data/world-geojson.json)，一份是[TopoJSON数据](https://github.com/akira-cn/graphics/blob/master/convid-vis/assets/data/world-topojson.json)。接下来，我们会分别来讲怎么使用它们来绘制地图。
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## 步骤二：绘制地图
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将数据绘制成地图的方法有很多种，我们既可以用Canvas2D、也可以用SVG，还可以用WebGL。除了用WebGL相对复杂，用Canvas2D和SVG都比较简单。为了方便你理解，我选择用比较简单的Canvas2D来绘制地图。
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首先，我们将GeoJSON数据中，coordinates属性里的经纬度信息转换成画布坐标，这个转换被称为地图投影。实际上，地图有很多种投影方式，但最简单的方式是**墨卡托投影**，也叫做等圆柱投影。它的实现思路就是把地球从南北两极往外扩，先变成一个圆柱体，再将世界地图看作是贴在圆柱侧面的曲面，经纬度作为x、y坐标。最后，我们再把圆柱侧面展开，经纬度自然就被投影到平面上了。
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[](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BA%A5%E5%8D%A1%E6%89%98%E6%8A%95%E5%BD%B1%E6%B3%95)
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墨卡托投影是最常用的投影方式，因为它的坐标转换非常简单，而且经过墨卡托投影之后的地图中，国家和地区的形状与真实的形状仍然保持一致。但它也有缺点，由于是从两极往外扩，因此高纬度国家的面积看起来比实际的面积要大，并且维度越高面积偏离的幅度越大。
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在地图投影之前，我们先来明确一下经纬度的基本概念。经度的范围是-180度到180度，负数代表西经，正数代表东经。纬度的范围是-90度到90度，负数代表南纬，正数代表北纬。
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接下来，我们就可以将经纬度按照墨卡托投影的方式转换为画布上的x、y坐标。对应的经纬度投影如下图所示。
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注意，精度范围是360度，而维度范围是180度，而且因为y轴向下，所以计算y需要用1.0减一下。
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所以对应的换算公式如下：
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x = width * (180 + longitude) / 360;
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y = height * (1.0 - (90 + latitude) / 180); // Canvas坐标系y轴朝下
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```
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其中，longitude是经度，latitude是纬度，width是Canvas的宽度，height是Canvas的高度。
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那有了换算公式，我们将它封装成投影函数，代码如下：
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```
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// 将geojson数据用墨卡托投影方式投影到1024*512宽高的canvas上
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const width = 1024;
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const height = 512;
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function projection([longitude, latitude]) {
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const x = width * (180 + longitude) / 360;
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const y = height * (1.0 - (90 + latitude) / 180); // Canvas坐标系y轴朝下
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return [x, y];
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}
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```
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有了投影函数之后，我们就可以读取和遍历GeoJSON数据了。
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我们用fetch来读取JSON文件，将它包含地理信息的字段取出来。根据GeoJSON规范，这个字段是features字段，类型是数组，然后我们通过forEach方法遍历这个数组。
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```
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(async function () {
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const worldData = await (await fetch('./assets/data/world-geojson.json')).json();
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const features = worldData.features;
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features.forEach(({geometry}) => {
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...遍历数据
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...进行投影转换
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...进行绘制
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});
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}();
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```
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在forEach迭代的时候，我们可以拿到features数组中每一个元素里的geometry字段，这个字段中包含有coordinates数组，coordinates数组中的值就是经纬度值，我们可以对这些值进行投影转换，最后调用drawPoints将这个数据画出来。绘制过程十分简单，你直接看下面的代码就可以理解。
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function drawPoints(ctx, points) {
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ctx.beginPath();
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ctx.moveTo(...points[0]);
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for(let i = 1; i < points.length; i++) {
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ctx.lineTo(...points[i]);
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}
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ctx.fill();
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}
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完整的代码我放在了[GitHub仓库](https://github.com/akira-cn/graphics/blob/master/convid-vis/mercator.html)中，你可以下载到本地运行。这里，我直接把运行的结果展示给你看。
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以上，就是利用GeoJSON数据绘制地图的全过程。这个过程非常简单，我们只需要将coordinate数据进行投影，然后根据投影的坐标把轮廓绘制出来就可以了。但是，GeoJSON数据通常比较大，如果我们直接在Web应用中使用，有些浪费带宽，也可能会导致网络加载延迟，所以，使用TopoJSON数据是一个更好的选择。
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举个例子，同样的世界地图数据，GeoJSON格式数据有251KB，而经过了压缩的TopoJSON数据只有84KB，体积约为原来的1/3。
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尽管体积比GeoJSON数据小了不少，但是TopoJSON数据经过了复杂的压缩之后，我们在使用的时候还需要对它解压，把它变成GeoJSON数据。可是，如果我们自己写代码去解压，实现起来比较复杂。好在，我们可以采用现成的工具对它进行解压。这里，我们可以使用GitHub上的[TopoJSON官方仓库](https://github.com/topojson/topojson)的JavaScript模块来处理TopoJSON数据。
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这个转换简单到只用一行代码就可以完成，转换完成之后，我们就可以用同样的方法将世界地图绘制出来了。具体的转换过程我就不多说了，你可以自己试一试。转换代码如下：
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const countries = topojson.feature(worldData, worldData.objects.countries);
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## 步骤三：整合数据
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有了世界地图之后，下一步就是将疫情的JSON数据整合进地图数据里面。
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在GeoJSON或者TopoJSON解压后的countries数据中，除了用geometries字段保存地图的地区信息外，还用properties字段来保存了其他的属性。在我们这一份地图数据中，properties只有一个name属性，对应着不同国家的名字。
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我们打开[TopoJSON文件](https://raw.githubusercontent.com/akira-cn/graphics/master/convid-vis/assets/data/world-topojson.json)就可以看到在contries.geometries下的properties属性中有一个name属性，对应国家的名字。
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这个时候，我们再打开[疫情的JSON数据](https://raw.githubusercontent.com/akira-cn/graphics/master/convid-vis/assets/data/convid-data.json)，我们会发现疫情数据中的contry属性和GeoJSON数据里面的国家名称是一一对应的。
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这样，我们就可以建立一个数据映射关系，将疫情数据中的每个国家的疫情数据直接写入到GeoJSON数据的properties字段里面。
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接着，我们增加一个数据映射函数：
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function mapDataToCountries(geoData, convidData) {
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const convidDataMap = {};
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convidData.dailyReports.forEach((d) => {
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const date = d.updatedDate;
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const countries = d.countries;
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countries.forEach((country) => {
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const name = country.country;
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convidDataMap[name] = convidDataMap[name] || {};
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convidDataMap[name][date] = country;
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});
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});
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geoData.features.forEach((d) => {
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const name = d.properties.name;
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d.properties.convid = convidDataMap[name];
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});
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}
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```
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在这个函数里，我们先将疫情数据的数组转换成以国家名为key的Map，然后将它写入到TopoJSON读取出的Geo数据对象里。
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最后，我们直接读取两个JSON数据，调用这个数据映射函数就完成了数据整合。
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```
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const worldData = await (await fetch('./assets/data/world-topojson.json')).json();
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const countries = topojson.feature(worldData, worldData.objects.countries);
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const convidData = await (await fetch('./assets/data/convid-data.json')).json();
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mapDataToCountries(countries, convidData);
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因为整合好的数据比较多，所以我只在这里列出一个国家的示例数据：
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```
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{
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"objects": {
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"countries": {
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"type": "GeometryCollection",
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"geometries": [{
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"arcs": [
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[0, 1, 2, 3, 4, 5]
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],
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"type": "Polygon",
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"properties": {
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"name": "Afghanistan",
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"convid": {
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"2020-01-22": {
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"confirmed": 1,
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"recovered": 0,
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"death": 0,
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},
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"2020-01-23": {
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...
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},
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|
...
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|
}
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|
}
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|
},
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|
...
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## 步骤四：将数据与地图结合
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将全部数据整合到地理数据之后，我们就可以将数据与地图结合了。在这里，我们设计用不同的颜色来表示疫情的严重程度，填充地图，确诊人数越多的区域颜色越红。要实现这个效果，我们先要创建一个确诊人数和颜色的映射函数。
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我把无人感染到感染人数超过10000人划分了7个等级，每个等级用不同的颜色表示：
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* 若该地区无人感染，渲染成 #3ac 颜色
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* 若该地区感染人数小于10，渲染成rgb(250, 247, 171)色
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* 若该地区感染人数10~99人，渲染成rgb(255, 186, 66)色
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* 若该地区感染人数100~499人，渲染成rgb(234, 110, 41)色
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* 若该地区感染人数500~999人，渲染成rgb(224, 81, 57)色
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* 若该地区感人人数1000~9999人，渲染成rgb(192, 50, 39)色
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* 若该地区感染人数超10000人，渲染成rgb(151, 32, 19)色
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对应的代码如下：
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function mapColor(confirmed) {
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if(!confirmed) {
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return '#3ac';
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}
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if(confirmed < 10) {
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return 'rgb(250, 247, 171)';
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}
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if(confirmed < 100) {
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return 'rgb(255, 186, 66)';
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}
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if(confirmed < 500) {
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return 'rgb(234, 110, 41)';
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}
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if(confirmed < 1000) {
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return 'rgb(224, 81, 57)';
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}
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if(confirmed < 10000) {
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return 'rgb(192, 50, 39)';
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}
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return 'rgb(151, 32, 19)';
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}
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然后，我们在绘制地图的代码里根据确诊人数设置Canvas的填充信息：
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function drawMap(ctx, countries, date) {
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date = formatDate(date); // 转换日期格式
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countries.features.forEach(({geometry, properties}) => {
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... 读取当前日期下的确诊人数
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ctx.fillStyle = mapColor(confirmed); // 映射成地图颜色并设置到Canvas上下文
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... 执行绘制
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});
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我们先把data参数设为’2020-01-22’，这样一来，我们就绘制出了2020年1月22日的疫情地图。
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可是，疫情的数据每天都会更新，如果想让疫情地图随着日期自动更新，我们该怎么做呢？我们可以给地图绘制过程加上一个定时器，这样我们就能得到一个动态的疫情地图了，它会自动显示从1月22日到当前日期疫情变化。这样，我们就能看到疫情随时间的变化了。
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const startDate = new Date('2020/01/22');
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let i = 0;
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const timer = setInterval(() => {
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const date = new Date(startDate.getTime() + 86400000 * (++i));
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drawMap(ctx, countries, date);
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if(date.getTime() + 86400000 > Date.now()) {
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clearInterval(timer);
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}
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}, 100);
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drawMap(ctx, countries, startDate);
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## 要点总结
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这节课，我们讲了实现地理信息可视化的通用步骤，一共可以分为四步，我们一起来回顾一下。
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第一步是准备数据，包括地图数据和要可视化的数据。地图数据有GeoJSON和TopoJSON两个规范。相比较而言，TopoJSON数据格式经过了压缩，体积会更小，比较适合Web应用。
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第二步是绘制地图。要绘制地图，我们需要将地理信息中的坐标信息投影到地图上，最简单的投影方式是使用墨卡托投影。
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第三步是整合数据，我们要把可视化数据和地图的地理数据集成到一起，这一步我们可以通过定义数据映射函数来实现。
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最后一步，就是将数据与地图结合，根据整合后的数据结合地图完成最终的图形绘制。
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总的来说，无论我们要实现多么复杂的地理信息可视化地图，核心的4个步骤是不会变的，只不过其中的每一步，我都可以替换具体的实现方式，比如，我们可以使用其他的投影方式来代替墨卡托投影，来绘制不同形状的地图。
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## 课后练习
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1. 我们今天选择使用Canvas来绘制地图，是因为它使用起来十分方便。其实，使用SVG绘制地图也很方便，你能试着改用SVG来实现今天的疫情地图吗？这和使用Canvas有什么共同点和不同点？
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2. 我们今天使用的墨卡托投影是最简单的投影方法，它的缺点是让高纬度下的国家看起来比实际的要大很多。你能试着使用D3.js的[d3-geo](https://github.com/d3/d3-geo)模块中提供的其他投影方式来实现地图吗？
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3.如果 我们要增加交互，让鼠标移动到某个国家区域的时候，这个区域高亮，并且显示国家名称、疫情确诊数、治愈数以及死亡数，这该怎么处理呢？你可以尝试增加这样的交互功能，来完善我们的地图应用吗？
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好啦，今天的地理信息可视化实战就到这里了。欢迎你把实现的地图作品放在留言区，也欢迎把这节课转发出去，我们下节课见！
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## 源码
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\[1\] [新冠肺炎数据](https://github.com/akira-cn/graphics/blob/master/convid-vis/assets/data/convid-data.json)
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\[2\] [GeoJSON数据](https://github.com/akira-cn/graphics/blob/master/covid-vis/assets/data/world-geojson.json)
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\[3\] [TopoJSON数据](https://github.com/akira-cn/graphics/blob/master/covid-vis/assets/data/world-topojson.json)
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\[4\] 完整的示例代码见[GitHub仓库](https://github.com/akira-cn/graphics/blob/master/covid-vis/mercator.html)
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## 推荐阅读
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\[1\] [GeoJSON标准格式学习](https://www.jianshu.com/p/852d7ad081b3)
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\[2\] \[GeoJSON和TopoJSON\][reference\_end](https://blog.xcatliu.com/2015/04/24/geojson_and_topojson/)
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\[3\] [GeoJSON规范](https://geojson.org/geojson-spec.html)
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\[4\] [TopoJSON规范](https://github.com/topojson/topojson-specification/blob/master/README.md)
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