指標驅動下以任務流為中心的在線交互制圖模型

趙 飛,杜清運,彭子風,任 福

1.武漢大學 資源與環境科學學院,湖北 武漢430079;2.武漢大學 地理信息系統教育部重點實驗室,湖北 武漢430079;3.武漢大學數字制圖與國土信息應用工程國家測繪局重點實驗室,湖北武漢430079;4.深圳市規劃國土房產信息中心,廣東深圳518034

1 引 言

交互是現代地圖可視化的一個關鍵要素[1-2],與用戶的交互能力是衡量地圖可視化效果的重要標志[3]。在線制圖是一個復雜的交互過程,按其側重的交互要素來分有以用戶為中心[4-6]、以地圖為中心[3,7]、以任務流為中心(task flow-centered, TFC)[8]等三種交互模型。在引入交互設計理念的同時,許多學者借助網絡服務對在線制圖的實現方式進行研究。文獻[9]對分布式制圖接口進行描述,提出制圖本體構架。文獻[10]對OGC符號編碼規范(symbology encoding,SE)進行擴展,對現代環境管理中實時制圖提供了解決方案。文獻[11]嘗試通過將制圖過程的數據流進行分解,提出地圖制圖標記語言的概念與模式。

從交互方式上看三種模型都考慮了用戶需求,在界面交互,數據表達交互,上下文交互等方面都各有側重,但均未充分對分布式統計數據進行深入分析,存在諸多不足,例如可視化方法單一或未成體系,數據、符號、視覺變量之間三者綜合關系體現不充分,數據與制圖的約束關系欠充分考慮,多采用分區統計圖法等。TFC模型可以通過加入數據模型驅動,采用服務模式在保證傳統制圖質量的同時及時地反應數據的更新。為此,本文在對地圖制圖模型分析的基礎上,根據統計指標的數據特征,提出指標驅動下的以任務流為中心的在線地圖制圖模型和可視化方法,系統討論了該模型在Web環境下的實現機制,在試驗基礎上給出相應可視化結果。

2 交互制圖模型

TFC是處于最底層的交互制圖模型,兼顧用戶體驗與制圖質量。任務是粒度最小的交互要素,每個任務按一定要求級聯起來,構成一個能生成預期結果的任務序列[8],即任務流。TFC模型把整個交互過程劃分為單獨的任務分別進行交互設計,根據不同交互動態反饋形成任務流以完成交互任務,是一種粒度可控的交互方式。按照TFC制圖模型對Web制圖進行任務劃分,形成任務流,以任務流為中心進行在線地圖可視化(圖1)。

圖1 以任務流為中心的交互制圖模型Fig.1 Task flow-centered interactive mapping model

任務流開始于制圖相關數據的選取[8],包括與該制圖任務相關的指標、空間、時間的選取。接下來的任務可以是統計分析、可視化設計、制圖、客戶端展示,也可以是按指標驅動的統計模型、制圖規則直接可視化展示。該在線制圖系統能根據用戶的身份、需求、上下文信息,動態地為其定制滿足專業需求的任務流,并且可以識別用戶下一步將要做的任務并做出相應調整,相應的用戶交互接口可以通過向導實現。本文在某市在線地圖集設計中主要遵循該模型,并加入指標驅動以專題地圖服務方式來實現。

3 指標驅動下的在線制圖模型

指標驅動下的在線制圖模型可以滿足在線動態制圖的需求。該模型由統計指標模型、在線制圖規則和專題地圖服務三大部分組成,整個模型以指標作為驅動,針對不同的指標特性基于在線制圖規則動態生成不同的專題地圖服務,通過用戶交互提供最適宜的可視化任務流。

3.1 統計指標模型

統計指標是反映客觀現象特征的統計思維形式,一般由以下 6個指標元構成[12]:統計單元(space,S)、統計時間(time,T)、統計分類(category,C)、統計指標名(indicator,I)、統計指標值(value,V)、計量單位(unit,U)。對于一個具體的統計指標而言,S、T、I、V和U是不可忽略的必要元素,而 C則可以是退化的也可以是多重的。其間關系可用一個多元函數表示為

由上式可知,指標元的維度決定指標值,增加或減少任何一個維,都會引起指標含義的變化。IST模型用指標、空間、時間三個維度來描述統計數據,但其淡化了指標的統計分類,把指標維看成獨立的集合,忽略了指標間的關系[13]。結合統計指標的時空語義特征,設計一種指標驅動下的統計時空數據模型(圖2),對分布式異質異構的統計數據和地理空間數據進行在線動態時空建模,以時間、統計單元編碼作為兩者的公共域,在數據庫中分別動態建立不同時間尺度的空間數據和統計數據快照?？臻g數據記錄不同統計尺度(國家、省、市、縣等)和時間尺度的地理數據。統計數據記錄基本指標元信息,其中 I屬于匯總屬性,C屬于分類屬性通過定義統計尺度——名義(如男、女)、順序(如好、中、差)、間隔(如年齡段)來描述指標的特征,便于后期自動制圖。以指標為驅動,屬性表中每個具體的指標通過時間、統計單元編碼可以查詢到相應的空間數據;以時間為軸線,空間表中每個具體的地理數據亦可以通過統計單元編碼迅速找到該空間數據尺度下的具體時間或一定時間周期內的統計數據。

3.2 在線制圖規則

傳統印刷版地圖尤其是地圖集,傾向于在一幅地圖上展示盡可能多的數據。這種方法把焦點放在地圖閱讀上而不是地圖分析和交互[14]。多變量制圖方法則以多種方式聚合視覺變量來交互表達多維數據特征[7]。它根據統計指標特征選取適宜表達該指標的視覺變量,以最優的方式聚合并交互式符號化,表現出解決地理數據、統計數據和符號之間“三角問題”的可能性[7,15]。本文選擇尺寸、形狀、色彩、亮度為基本視覺變量,根據所選定統計指標確定其語義類型[16](總量、對比、動態、結構、復合及相關指標),針對不同地理數據總結出相應的聚 合視覺變量,對多變量制圖方法進行擴展(表1)。

圖2 顧及統計分類的時空統計指標模型Fig.2 Spatio-temporal statistical indicator model considering category

表1 專題地圖的通用多變量制圖方法Tab.1 G eneral multivariate approach for thematiccartography

該方法中,規定了相應的指標類型、專題圖層類型及相應的聚合視覺變量。總量指標表示空間統計單元在一定時間尺度上的統計總值,若統計單元幾何特征為面,則通過色彩和亮度(或者飽和度)兩個視覺變量來區分總量指標的定性、定量屬性,若為線、點則通過尺寸和色彩對總量指標進行表示,尺寸表現為線的寬度、點的半徑,顏色用于定性區分,亦可用圖表的形狀、色彩描述總量指標的質量特征,用尺寸表示其數量特征;對比指標對應的圖層類型為點、圖表,用形狀、色彩區分其質量特征,用尺寸表達其數量差別;動態指標主要通過運動線法表示線狀統計單元的動態變化特征,加上形狀變量區分不同的運動性質,也可用不同形狀、色彩的點狀符號表示其質量特征,用尺寸表示其動態變化,亦可通過圖表用不同形狀、色彩的圖表描述其質量特征,用尺寸和亮度聚合變量描述其數量特征;結構指標只能用圖表通過形狀、色彩描述質量特征,尺寸表示其數量特征;復合指標、相關指標都只能用圖表來表示,前者用不同色彩的圖表描述指標分類的分配情況,用尺寸變量描述該分類情況下的數量特征,后者用同一色系或近似色的圖表描述相關性,尺寸變量描述相關程度。圖3(a)用圈形符號表示某市歷年生產總值動態變化情況,通過半徑表示數量、不同顏色亮度區分年份。圖3(b)為某市歷年空氣情況,有二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物等三個相關指標,通過翼狀符號表示,用尺寸表示數量特征,色彩區分不同指標類型,亮度區分不同年份。

圖3 在線圖集示例Fig.3 Online atlas

3.3 指標驅動下的制圖模型

3.3.1 在線地圖符號定義

在線交互制圖過程中,專題符號的生成依賴于用戶所選取的指標,符號隨著表達指標的不同呈現不同的形態。因此在符號設計時,地圖符號的使用者有設置相關指標的機會,并且在地圖符號顯示時根據相關的指標確定符號的形態,實現基于知識的專題制圖等,滿足交互任務流過程中對地圖符號的要求。OGC的網絡地圖服務(WMS)結合圖層樣式描述(SLD)、符號編碼規范(SE)提供了開放的基礎地理數據Web可視化框架[10]。但是 SLD在專題可視化方面有一定局限[10,17],無法描述復雜的專題要素可視化(如用戶自定義點狀符號、等值區域圖和統計圖表)?；赟E規范結合本文統計指標模型對在線專題地圖符號用XML進行如下描述(thematic symbology encoding,TSE),如圖4。

圖4 在線專題地圖符號文檔結構圖Fig.4 The XML schema of online thematic map symbol

ThematicSymbolizer元素包含制圖規則、指標、符號或圖表等元素。CartoRule包含尺寸、形狀、色彩、亮度等聚合視覺變量。Indicator包含指標字段、分類、時間及對應的空間信息,符號或圖表節點則根據指標空間特性選擇對應的點、線、面或統計圖表等元素。點、線、面符號元素繼承自SE規范,加入專題要素分級(tse:Thematic-Class)。統計圖表元素定義了圖表類型、圖表語義、圖表分級、圖表定位、圖表標注及圖表提示等6個元素(圖4)。圖表類型描述了統計圖表所支持的符號類型,從預先定義的特定的符號名稱中選取,基本統計符號類型如表2所示。圖表語義用于描述圖表所引用的制圖規則、指標以及指標語義關系,可引用多個指標。指標語義關系見表1中的指標類型,根據引用指標個數和語義進行篩選。圖表分級則映射為指標數據的分類分級,根據指標數據特性推送最適宜的數據分類分級方式,等差、等比等。圖表定位派生自SE規范中的se:PointPlacement,用于改變圖表放置位置,為可選,缺省狀態根據指標空間屬性及圖面配置自動定位。圖表標注、提示用于控制統計符號的文本標注、動態提示是否顯示,為可選,沒做設置則不對符號進行標注、提示。

用戶只要通過選取相應指標,或采用系統缺省的配置,或者自己根據制圖規則修改相應的配置,定義指標間的語義關系,從而實現符號或圖表根據不同指標動態表達。

3.3.2 制圖模型服務實現

根據在線地圖符號的描述體系,進一步設計了網絡專題地圖服務(Web thematic map service,WTM),對指標驅動下的制圖模型進行系統描述實現。參照TSE,WTM對OGC的WMS1.3規范進行制圖拓展,服務接口的UML圖見圖5,其對應的服務請求操作見表3。

表2 統計圖表所支持的統計符號類型Tab.2 Charts that can be drawn using the TChartSymbolizer

圖5 網絡專題地圖服務接口Fig.5 The interface of the WTM

表3 網絡專題地圖服務接口的操作列表Tab.3 The operations of the WTM interface

服務以統計指標模型為入口,按操作列表順序依次執行。用戶通過執行 GetIndicator操作獲取系統所提供的所有或部分指標,也可以按指標模型設置數據,確定制圖所需指標。所獲取的指標用tse:Indicator元素描述,指標的四個維度決定其基礎地理數據及適宜的表達方式。指標空間維度為點、線則相應的專題圖層為點圖層、線圖層,專題符號據點、線符號規范設置;空間維度為面,若為單個指標則可據面符號規范設置,亦可通過圖表符號表達,若為多個指標或具有類別維度則據圖表規范設置。確定表達方式后即執行GetCartoRule請求制圖規則,其響應結果用tse: CartoRule描述,與Indicator元素一一對應。點、線、面圖層此時即可形成完整的 TSE符號描述,生成圖層樣式并提交 GetMap請求,返回專題渲染后的地圖圖片,用戶也可以對符號進行設置,優化要素分級,調整圖層樣式文件,進行交互可視化分析。圖表則需選擇指標類型確定指標語義,據此按符號表達能力推送適宜符號確定tse:Chart-Type,同時對圖表分級、定位、標注、提示等進行設置,完成圖表類型描述生成圖層樣式提交 Get-Chart請求,返回背景透明的專題統計圖表圖片。返回的地圖圖片在客戶端通過圖層控制進行疊加顯示,并集成放大、縮小、漫游等常用地圖操作,使用戶能夠實時生成所需地圖。

從宏觀視角來看,整個制圖模型構建了一種動態推送和使用指標形成制圖任務流并最終完成制圖任務的機制。圖6描繪了制圖模型的服務框架,包括指標節點、符號描述節點、可視化節點和一個任務流引擎。指標節點負責提供、設置或轉換專題指標數據,并依據指標模型選擇相關的基礎地理數據以及適宜的專題符號,通過 GetIndicator請求實現。符號描述節點是依據用戶請求的指標執行GetCartoRule操作獲取相應專題符號的規則描述,與基礎地理數據、指標整合之后形成完整的專題圖層樣式描述?？梢暬濣c則包括 GetMap操作、GetChart操作,據專題圖層樣式描述執行上述操作返回專題地圖圖片在客戶端動態展示。

從任務流程上看,由指標到地圖可以劃分為4個不同的層次:選取指標直接成圖(1→4);選取指標設置符號、請求圖層描述獲取地圖(1→3→4);選取指標設置符號、修改符號描述獲取地圖(1→2→4);選取指標設置符號、修改符號描述、請求圖層描述獲取地圖(1→2→3→4)。四個層次以指標作為驅動逐層推進,針對不同功能需求用戶定制任務流滿足動態制圖需要。

4 應用實例

結合某市在線動態地圖集對本文提出的制圖模型及其服務實現進行了驗證。圖集中的社會經濟專題圖組以圖組—圖幅—地圖的組織形式,按人口與勞動力、綜合經濟、工業、農業等專題進行劃分,每個專題下分別選取相關指標,通過 Get-Indicator請求獲取相應指標數據,其請求結果通過解析并動態選取適宜的符號表達,形成圖層描述文件,用戶可直接訪問每幅地圖,獲取專題信息,并進行符號定制。圖7中選取戶籍人口、非戶籍人口兩個指標,其語義關系為結構指標,系統篩選出相應的圖表符號,其服務請求過程及符號描述文檔如圖所示。用戶可進一步通過交互定制界面對符號類型、符號樣式、指標時間等進行重新設置請求地圖服務。相應地,用戶通過SetIndicartor請求設置其業務指標數據,按圖6所示流程請求服務,交互模板定制及可視化分析。

圖6 指標驅動下以任務流為中心的交互制圖流程Fig.6 Indicator-driven and task flow-centered interactive cartographical process

圖7 專題地圖服務交互制圖流程Fig.7 The process of interactive cartography based on WTM

5 結 論

針對目前在線專題制圖模型在分布式數據的組織、存儲和動態可視化時存在的問題,提出了指標驅動下以任務流為中心的在線交互制圖模型,主要研究內容和結論如下:

(1)提出顧及統計分類的指標模型,在此基礎上結合多變量制圖方法形成以聚合視覺變量為基礎的在線制圖規則,將統計指標、視覺變量、符號的關系進行整合。

(2)研究在線地圖符號的定義模式,用XML描述語言對其進行描述。

(3)依據在線地圖符號的描述體系,以及任務流為中心的地圖制圖模型,設計網絡專題地圖服務,對指標驅動下的制圖模型進行系統描述實現。

(4)以在線動態地圖集為例,對本文模型的實用性進行驗證,取得比較好的應用效果。

模型中符號定義與渲染引擎分離,實現網絡符號共享與組合拓展,并以Web服務的方式進行驗證,對分布式數據動態專題制圖的相關問題研究具有一定的借鑒意義。在本文研究的基礎上,對網絡環境下專題地圖的多尺度表達、動態可視化以及專題地圖服務的動態聚合規則值得進一步研究。

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