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三元空间下的泛地图可视化维度

郭仁忠 陈业滨 应申 闾国年 李志林

郭仁忠, 陈业滨, 应申, 闾国年, 李志林. 三元空间下的泛地图可视化维度[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(11): 1603-1610. doi: 10.13203/j.whugis20180373
引用本文: 郭仁忠, 陈业滨, 应申, 闾国年, 李志林. 三元空间下的泛地图可视化维度[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(11): 1603-1610. doi: 10.13203/j.whugis20180373
GUO Renzhong, CHEN Yebin, YING Shen, LÜ Guonian, LI Zhilin. Geographic Visualization of Pan-Map with the Context of Ternary Spaces[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(11): 1603-1610. doi: 10.13203/j.whugis20180373
Citation: GUO Renzhong, CHEN Yebin, YING Shen, LÜ Guonian, LI Zhilin. Geographic Visualization of Pan-Map with the Context of Ternary Spaces[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(11): 1603-1610. doi: 10.13203/j.whugis20180373

三元空间下的泛地图可视化维度

doi: 10.13203/j.whugis20180373
基金项目: 

国家自然科学基金 41671381

国家自然科学基金 41531177

"十三五"国家重点研发计划 2016YFF0201300

"十三五"国家重点研发计划 2017YFB0503500

湖北省自然科学基金 2017CFA050

详细信息
    作者简介:

    郭仁忠, 教授, 中国工程院院士, 欧亚科学院院士, 主要研究领域为地图学、国土规划信息管理、智慧城市大数据。guorz2013@qq.com

    通讯作者: 应申, 博士, 教授, 博士生导师。shy@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P208

Geographic Visualization of Pan-Map with the Context of Ternary Spaces

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41671381

The National Natural Science Foundation of China 41531177

the National Key R&D Program of China 2016YFF0201300

the National Key R&D Program of China 2017YFB0503500

the Natural Science Foundation of Hubei Province 2017CFA050

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    Author Bio:

    GUO Renzhong, professor, Academician of Chinese Academy of Engineering, Academician of Euro-Asia International Academy of Sciences. His research interests include cartography, natural resource information management, smart city. E-mail:guorz2013@qq.com

    Corresponding author: YING Shen, PhD,professor. E-mail: shy@whu.edu.cn
图(10)
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-20
  • 刊出日期:  2018-11-05

三元空间下的泛地图可视化维度

doi: 10.13203/j.whugis20180373
    基金项目:

    国家自然科学基金 41671381

    国家自然科学基金 41531177

    "十三五"国家重点研发计划 2016YFF0201300

    "十三五"国家重点研发计划 2017YFB0503500

    湖北省自然科学基金 2017CFA050

    作者简介:

    郭仁忠, 教授, 中国工程院院士, 欧亚科学院院士, 主要研究领域为地图学、国土规划信息管理、智慧城市大数据。guorz2013@qq.com

    通讯作者: 应申, 博士, 教授, 博士生导师。shy@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P208

摘要: 信息通信时代促生地图的对象空间与表达空间发生了巨大变化,地图可视化理论面临空前挑战。针对泛地图的表达特点,构建泛地图可视化维度体系,给出了三元空间下泛地图可视化的研究框架,分析了泛地图可视化维度的层次、类型和特征,以具体的表达手段、状态、读图者视角、可视范围、变形、空间变换、空间参考等11个维度解构三元空间下的泛地图可视化模型,详细列出了其中6个可视化维度,并以迁徙地图、虚拟地图为例,分析不同维度组合下的泛地图可视化特征,拓展现有地图学理论框架。

English Abstract

郭仁忠, 陈业滨, 应申, 闾国年, 李志林. 三元空间下的泛地图可视化维度[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(11): 1603-1610. doi: 10.13203/j.whugis20180373
引用本文: 郭仁忠, 陈业滨, 应申, 闾国年, 李志林. 三元空间下的泛地图可视化维度[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(11): 1603-1610. doi: 10.13203/j.whugis20180373
GUO Renzhong, CHEN Yebin, YING Shen, LÜ Guonian, LI Zhilin. Geographic Visualization of Pan-Map with the Context of Ternary Spaces[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(11): 1603-1610. doi: 10.13203/j.whugis20180373
Citation: GUO Renzhong, CHEN Yebin, YING Shen, LÜ Guonian, LI Zhilin. Geographic Visualization of Pan-Map with the Context of Ternary Spaces[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(11): 1603-1610. doi: 10.13203/j.whugis20180373
  • 可视化是辅助人类发现数据隐含规律的一种重要手段,也是传递复杂信息的有效途径。通过将抽象的数据映射为视觉可感知的图形、符号、纹理等形象,可以起到高效传递信息的目的[1-2],达到“百闻不如一见”“一图胜千言”的效果[3]

    早期可视化萌芽于地图与几何图表,而后视觉表达方法不断发展,促生了高维、多源、非结构化信息的可视化需求;20世纪,Bertin对图形构成的基本要素进行抽象总结,提出了图形设计的基本理论框架[4-5],奠定了经典地图可视化理论的基石;1987年,美国国家科学基金会正式提出科学计算可视化的概念,并将计算机图形学和图像方法应用于科学与工程计算的学科称为科学计算可视化[6]

    地图是可视化的重要手段,可视化是地图表达的核心。地图学家通过图形(地图符号)表达地理要素的空间位置分布、联系以及发展变化状态的过程就是地图可视化的过程。地图可视化适应人类的认知心理,便于读者对空间对象的一览、定位、聚焦、理解与评估,进而快速获得地图对象及其上下文的知识。如1854年英国医生John Snow就采用在地图上标绘病例的方法,发现底伦敦布拉德街区爆发霍乱的源头[7]。传统地图以纸质材料作为地图信息存储及表达的主要载体[8],通过地图投影、地图综合和符号系统三者的结合表达复杂地理世界的对象、结构和关系;该理论体系很大程度上受制于地图的平面特征和固化属性[9]

    20世纪90年代以后,随着互联网、移动通信网络以及传感器技术等的快速发展,地图迈入ICT(information and communication technology)时代。国际地图学会专门成立可视化委员会并设立“Carto-Project”研究项目,将计算机图形学的技术与方法引入到地图学与空间数据分析中,促进了科学计算可视化与地图可视化的连接和交流[8]。ICT时代,数字技术的进步大大丰富了地图的可视化手段,传统地图的平面约束一定程度上得到解除。地图可视化的对象空间和表达空间发生了翻天覆地的变化。地图对象空间从传统的地理、人文二元空间拓展到了包括信息空间在内的地理、人文和信息三元空间。在可视化表达上,地图突破传统物理空间约束,制图主客体、制图对象、展现介质和表达语言等都发生了深刻的变化,地图表达内容、表现手法和地图设计呈多样化趋势,出现了大量在精确性、可量测性和客观性等方面区别于传统地图的类地图[9]、准地图[10]或似地图[11],诸如赛博地图、VR(virtual rea-lity)/AR(augmented reality)地图、混合现实地图、微地图、语义地图、隐喻地图等,本文统称之为泛地图。泛地图是传统地图的延伸和拓展,是对地理、人文和信息三元空间的综合表达,是一种通过地图语言、形象思维、空间思维对三元空间对象进行特征分析,实现人与人、人与物、物与物之间信息获取、传递、认知等功能的广义地图表达。ICT时代,泛地图可视化不再拘束于传统的地图理论框架,视觉变量、听觉变量、触觉变量、时间变量、空间变量、层次变量、尺度变量、虚拟变量、互动变量[12-17]等均被引入到地图的可视化过程,地图形成了多维度、层次化、立体化的综合可视化表达体系。

    值得注意的是,当代地图学领域的这一状态在呈现数字技术带来的地图繁荣的同时对地图学产生了负迭代作用[9]。传统地图空间理论仅仅是对地球物质空间及其对象的简单形式化描述,未能对ICT环境下的三元空间及其表达对象间的相互映射关系进行辨析。地图可视化方面,现有的泛地图表达主要还是技术手段上的丰富,对应的地图可视化指导理论的发展却相对滞后。现有理论未能辨识泛地图可视化内部的系统结构和层次关系,地图学缺乏较为完善的地图可视化表达体系。本文列出了三元空间下泛地图可视化的研究框架,分析了泛地图可视化维度的层次、类型和特征,并以具体的维度进行讨论,论述地图可视化维度的关联和组合。

    • 地图是人类感知世界和认识世界的产物[12]。通过视觉思维的图形化表达和交流,可以直观、形象地传输地理空间相关信息,发现空间现象或对象的本质规律。传统经典地图可视化理论强调空间对象的符号化表达,认知过程具有信息单向传输的特点,读者仅能凭借自身知识解读地图内容,地图的视觉思维过程缺乏交互性和定向性。

      20世纪70年代,GIS、GPS、LBS(location based service)等技术的相继出现推动了地图可视化的信息化进程。视觉表达元素、信息传输模型、空间认知规则等被纳入到地图可视化研究中,地图学者相继提出了地图信息传输模式[18]、地图符号论[4-5]、地图信息论[19]、地图感受论[20]和地图认知论[21-23]等基本理论。视觉表达、信息传输和空间认知等成为了地图可视化研究的重要内容。信息可视化打破了传统地图的固化特点,新增了地图内容的层次和分类[24],丰富了地图的表现形式。地图表达从原本的单向信息传输模式开始向开放式信息交互模式过渡,同时具有了动态性、交互性、网络性和多维性的特点[25-26],读者的认知地图效率有所提升。

      ICT时代,信息空间的介入深化了地图学表达的内涵,地图对象空间从二元空间拓展到三元空间,地图的表达空间不再仅仅是自然空间和人文空间的信息化,也包括信息空间所带来的新型地图表达空间扩展,包括赛博空间、网络空间、虚拟空间、微观小空间、社交媒体空间、社会心理空间等[27]。地理空间、人文空间和信息空间互相融合,改变了人类的生产、生活和社交方式,地图制图的目的、主体、客体和应用环境等均发生深刻变化。地图的应用领域不断拓展,表达形式不断丰富,制图技术不断创新,地图呈现出大众性、普适性和创新性等特点。但现有地图理论却鲜有描述三元空间下的泛地图可视化,现有地图可视化理论出现了无法指导当代地图实践的矛盾,如社交空间是一个集地理、人文和信息三元空间为一体的混合空间,但传统地图可视化手段却无法对其进行有效表达;现有地图理论也无法覆盖VR/AR/MR(mix reality)等新的地图表达方式。地图学迫切需要拓展地图学理论范畴,以适应时代发展需求。

    • ICT促进了移动互联的发展,带来了地图的强交互性和参与性,地图的科学性、可计算性(量测)、客观性存在不同程度的冲破,面向不同视点、对象、介质、目的泛地图可视化特征和视觉表象,泛地图可视化维度研究就是要探寻抽象思维、图形思维和空间概念的维度表达,确立维度本征的描述参数/指标,统一表达复杂地图场景及其维度的相互关系,建立地图可视化的维度谱系,这也是指导地图可视化、分析地图信息传输和用户理解的科学基础。本研究根据地图可视化内涵,采用特征提取与分类、结构分析、关系解析与分解等手段对泛地图可视化对象的维度特征、维度结构、组合关系进行全方面系统解译剖析,综合考虑地图的动静关系、几何形态、对象内外结构、表现手法、结构约束、结构规则、耦合嵌套以及层级关系、嵌套关系和关联关系,建立层次化、结构化、系统化的维度分类体系(见图 1)。在泛地图维度分类体系构建基础上,综合考虑地图模型的结构组成和整体功能,从要素、几何、尺度、结构、语义、过程、视角、视点、介质、风格等方面对地图可视化进行分析,梳理维度层次结构、相互作用机制和映射关系,构建泛地图可视化维度本征模型;构造泛地图对象的维度、语法、规则、约束、组合以及关联等模式,根据可视化特征,利用不同粒度的维度及其耦合与聚合方式,确定不同应用场景下的地图构造模式,形成完整的泛地图可视化维度谱系表达框架,满足ICT时代三元空间地图表达的需要。

      图  1  泛地图可视化维度模型构建方案

      Figure 1.  Framework of Geographic Visualization Dimension System of Pan-Map

    • 哲学上,索科拉夫斯基指出:物体或者现象是不同侧面组成的混合体,同一侧面在不同的视角下会呈现不同且各具特点的视角面,不同时间片下的多个视角面组合构成了物体丰富的外在形象[28]。Fourier提出维度是要素表达的基本量,在量测、对比、评价要素间的相互关系上具有科学性和可行性[29]。面向泛地图可视化研究,维度实质上就是地图的一个侧面,同一维度下的不同表达(具体维度值)形成了视角面,不同维度值按照一定规则关联融合就构成了视觉所见的地图。维度是地图可视化的基本量,不同维度之间彼此既相互关联又互相制约,不同维度的外在或内在组合构成了视觉上的地图统一体。

      为了三元空间下的泛地图可视化,本文从现代地图的内涵和外延入手,将地图可视化维度划分为表达手段、状态、空间几何、空间组织、介质、读图者视角、可视范围、变形、空间变换、投影、空间参考面等11个维度(见图 2),并且可进一步对维度进行细分。表达手段是对地图整体艺术风格的反映;状态、空间几何、空间组织、介质是地图符号(图形)在状态、几何、方式组织上的不同维度表征;读图者视角是读者读图过程的自身定位表达;变形、空间变换、投影、空间参考面是地图内在结构的不同方面刻画。泛地图可视化维度彼此具有内在关联性,不同维度间的相互组合构成了丰富的视觉表达图形。需要特别指出的是,该维度体系是开放式的,可以维护和更新的。下面举例说明。

      图  2  地图可视化维度

      Figure 2.  Dimensions of Cartographic Visualization

    • 现代地图是科学性、人文性和艺术性的统一,艺术风格的转移使得地图在表达方式上呈现出了各种形式的创新和突破。在经历了纸质地图、数字地图、动态地图和三维地图之后,地图的写真形象性、写意达情性和抽象概括性等多样化风格成为趋势,不同的表现风格通过直观或特有的视觉化形式也易于人脑记忆和辨别。如写真时全局的色调、笔风决定着地理环境的描绘特征,艺术风格转移技术可以让地图传达名画的韵色,同时可以通过色调的调配来协调各地物或语义的渲染,增强对该地理环境的空间认知和重要地物的展示。地图读者不需要具备专门知识即可快速识别和了解地理环境,有效地改善和增强了空间信息的传输能力。如图 3是表达手段维度中更细的抽象维度——拓扑图的表现方式,通过拓扑图来表达武汉区划布局图,既保持了区划应有的大小与方位,又突出了区划间的拓扑邻接关系和相对定位。

      图  3  不同风格下的地图(西安晚报,2013-07-12)

      Figure 3.  The Maps with Different Styles

    • 三元空间下,传统地图的物理约束一定程度得到解除。地图在实现地理要素静态表达的同时,也可以直观、动态、连续,甚至实时展示现象或对象的空间演化过程。地图状态既可从地图要素本身的动态与静态,又可以从可视化过程的动态与静态进行表现,如地震源的动态可视化、全球航线实时轨迹的动态可视化等。大数据背景下,地图的连续、动态表达可以让读者形成动态的过程心像,增强人们对现实规律过程的空间认知。

    • ICT时代,地图空间的数字自由实现了地理空间及其对象的多角度表达,地图读者的观察视角从外部视角(外表可视化)发展到内里视角(内里可视化),从传统“自上而下”的第三人称视角(见图 4中鹰眼)发展到“全景、立面”中侧视、旁视、透视以及360°全视的第一人称视角(见图 4中街景图)。地图从传统的“封闭空间”拓展为“可进入式”的开放空间,读图者可以多角度、多焦点、全方位、立体化地观察地图空间场景,获取内外、远近、上下、前后、左右的不同空间感受。不同视角下的地图场景与人脑中原有的心智模型相互作用、联系和反馈,可以达到增强地图空间知觉感受、高效获取对象信息的目的。

      图  4  第一人称和第三人称集成的可视化:武汉大学(https://map.qq.com)

      Figure 4.  Visualization from the First/Third Person View: Wuhan University

    • 为强调和突出某些区域或对象,地图内容可具有非均质的特点,通过全局和局部对比的方式让读者快速获取所需的重点内容一直是学者思考的方向,因此“背景+焦点”可视化成为当前地图研究的重要内容,背景表现了地图场景整体的时空分布模式、关联关系以及全局变化状态或周边环境,如图 5(a)是对中央建筑的聚焦可视化;而焦点则更具特色,通过预设或与用户间的双向动态交互,运用夸张、旋转、扭曲变形等艺术手段,强化用户感兴趣的地理物象特征,使形象更加鲜明和突出,如图 5(b)是采用不同精度的三维透镜展现的特殊街道。

      图  5  城市地理空间中的Focus+Context可视化

      Figure 5.  Focus+Context Visualization in Urban Geographic Space

    • 信息空间的数字自由打破了传统的地图空间模式,地图不再是固化的平面空间,而是允许多重数学转换关系,可以通过嵌套、叠加方式在同一图面上展示不同表达视角下地物分布的自由空间。通过地图空间的上下卷曲、左右折叠、穹顶制作等操作(见图 6),视者可以识别自身的方向、所处位置以及周边环境特征,获得灵活多样的空间感受。基于空间远近变换(如天际线或千里眼)可以抽象出地理空间的整体外在轮廓或内在结构,加深读者的图形理解和空间知觉感受。如图 6的前方卷曲变化有效地实现了读图者视角从第一人称到第三人称的自然变化,同时增强了对前方远方的空间结构的认知。

      图  6  基于前方卷曲变换的地图

      Figure 6.  Map Visualization with Curve Surface

    • 现代地图打破了传统地图硬介质基底的平面限制,电子纸作为可变基底的地图表达载体在表现能力上更为突出,如Google Earth可以实现曲面基底的地图可视化表达。基于立体或者球面的街景可以使视者在虚拟的地图空间中身临其境地浏览、查询和分析感兴趣的地理对象或现象。开放式、封闭式、通道式和沟槽式等不同形式的空间参考面间的相互转换可以使得认知主体感知、辨析、识别和推理同一地理场景时,具有多方位、多角度、多层次的空间感受。

    • 地图可视化维度是地图可视化的基本量,不同维度的关联和组合构成了视觉上的地图统一体。下面从泛地图维度间的关联与映射角度出发,以迁徙地图和虚拟地图为例,分析三元空间中不同维度组合下的地图表达。

      迁徙地图是地图与大数据结合的经典可视化案例。它采用可视化方式,动态、即时、直观地展现人口大迁徙的轨迹与特征。迁徙地图以状态+空间组织+可视范围3个维度为主(见图 7),其他维度为辅,共同构成了人口迁移活动的可视化视觉表达结果。在状态上,迁移地图运用动态的视觉符号形象地表达了人口流动轨迹;空间组织上,采用矢量方法描绘了人群轨迹的OD(origin-destination)流向,线段轨迹的亮度、密度、色彩等表征了人口迁移的规模以及方向;可视范围上,地图以全局的方式表达了人口迁移的整体流向。通过不同维度间的搭配组合,迁徙地图可以动态表达人口迁移活动的时空轨迹(见图 8),增强了读者对于人口流动的时空知觉感受。

      图  7  迁徙地图的维度结构

      Figure 7.  Dimensional Structure of Migration Map

      图  8  迁徙地图(地图来源于:https://heat.qq.com/qianxi.php)

      Figure 8.  Migration Map

      虚拟地图是虚拟现实技术在地图学中的应用,是通过计算机在人脑中建立的三维模拟或虚拟的数字立体影像。虚拟地图的可视化维度结构主要包括空间几何、状态和读图者视角(见图 9),同时结合其他次要维度以构成虚拟地图的可视化结果。空间几何上,虚拟地图通过空间三维几何构建形成对象的实景模拟或虚拟表达;状态上,虚拟地图具有动态表达效果,用户可以在地图空间中灵活地创造、变形、摧毁或装饰地图空间中的地理要素;读图者视角上,读者可以在地图空间中自由漫步,以第一人称视角正视、俯视、侧视、窥视或者透视感兴趣的地图要素的外在表象或内在结构,获得身临其境般的沉浸感、交互感和构想感[32](见图 10)。另外,视频、动画、音乐等媒体信息的加入则使得地图在信息传递上更加生动和高效,提升了用户的知觉感受体验,增强信息认知效率。

      图  9  虚拟地图的维度构成

      Figure 9.  Dimensional Structure of Virtual Map

      图  10  虚拟地图(地图来源于:https://baike.baidu.com)

      Figure 10.  Virtual Map

    • ICT时代,数字技术的进步打破了固化的地图可视化表达形式,出现了众多独特的地图可视化形式——泛地图。地图对象空间从二元空间拓展到三元空间,地图可视化表达的维度不再局限于传统的形状、尺寸、方向、色彩、亮度和密度等视觉变量,表达手段、动静、空间几何、空间组织、读图者视角、可视范围、变形、空间变换、投影、空间参考面等成为泛地图可视化表达的重要维度,不同维度间的相互联系、映射和嵌套构成了多样化的泛地图谱系。本文中泛地图的维度分析可以帮助地图研究者更直观、快捷地观察和理解复杂、多元环境下泛地图的构建过程,为制作科学、美观、符合大众认知的泛地图产品提供理论支撑。本文对泛地图维度划分基于笔者自身的地图理解,在追求地图理论的最大化拓展时,难免有所疏漏,未尽之处,欢迎指正。

参考文献 (32)

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