在線地圖的交互可視化設計研究

趙忠君，趙 飛

(武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢430079)

在線地圖的交互可視化設計研究

趙忠君，趙 飛

(武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢430079)

分析在線地圖交互可視化設計模型，根據Web制圖的動態性、交互性特點，提出以任務流為中心的在線地圖交互可視化設計流程，即將設計過程劃分為彼此緊密聯系的、相互依存的不同粒度的任務集合，然后根據不同交互動態反饋形成不同粒度的任務組合構成任務流，以完成在線地圖的設計任務。結果表明，該流程兼顧Web制圖的動態性及用戶交互性，可根據數據特點、用戶動態需求給出最適宜的空間可視化表達，以滿足公眾、各級部門的不同應用需求。

在線地圖;網絡制圖;可視化;交互設計

一、引 言

隨著面向服務計算的發展，空間數據、統計數據多采用分布式存儲方式逐漸取代以文件或部門數據庫為主的單獨存儲［1］，并以Web和數據庫相結合的方式使得數據的存取和共享變得容易。而數據源從靜態到動態以及分布式存儲的轉變必須催生出新的制圖可視化方法［2］。同時，隨著傳感器網絡中數據獲取能力的日益提高，環境數據的獲取呈指數級增長［3］，但信息分析解譯率卻較低，因此對在線動態制圖提出了更高的要求。傳統專題地圖更新周期長，靜態使用、制作成本昂貴等特點與廣大使用者期盼信息動態更新、形式自由組合、使用便捷和制作簡單等需求明顯沖突。為此，在線地圖必須在保證傳統制圖質量的同時及時地反映數據的更新［3］。

二、在線地圖設計模型

Web環境下，交互制圖除了考慮用戶的需求、認知能力外，還必須考慮交互可視化設計，主要體現在地圖界面組織、地圖操作習慣、制圖流程等方面。圖1為交互設計的交互要素及相應設計方式的網絡關系圖，從上到下依次是交互設計中所需關注的不同要素，交互要素所指向的即為對應的設計方式。

1.以用戶為中心的設計

以用戶為中心的設計(user centered design，UCD)是一種創建吸引人的、高效的以用戶體驗為中心的設計模式，其設計思想為:在開發產品的每一個步驟中，都要把用戶列入考慮范圍［4］。UCD被認為是從以人為中心的設計中發展出來的。設計者研究構成用戶的所有元素，包括用戶的身份、需要、需求、上下文、人種學信息等。UCD的關鍵之處在于，研究人員要密切地關注用戶和潛在用戶。這樣的優點在于不會有太多的資源被用在與產品無關的人身上。同時，由于所關注人群的減少，使得設計者更容易滿足用戶的需求。

圖1 交互設計要素及設計方式的網絡關系圖［5］

加拿大網絡地圖集［6］、奧地利在線地圖集［7］均采用以用戶為中心的設計方式。二者通過對用戶需求、用戶體驗要素的研究，從內容和形式上對網絡地圖集的展現和界面交互進行設計，取得了很好的用戶體驗。其不足之處在于，所提供的在線地圖集是相對靜態的，空間數據、統計數據在更新后，相應的地圖集則要進行重新設計、可視化。另外，用戶不能動態定制所需專題地圖。

2.以目標為導向的設計

目標導向設計(goal directed design，GDD)是在自上向下的產品開發流程中通過定義特定的產品需求，以及基于研究用戶需求的交互行為而進行設計的一種理念［8］。從概念上看，GDD對于整個設計流程并沒有直接的影響，但事實上每一種設計方式都指向一個用戶的目標，即用戶使用這個產品的目標。這就意味著GDD是站在了用戶的立場上來指出設計的最終目標，而其他的各種方法是為設計者走向這個目標指出方向和道路［4］。

制圖的最終目標就是生成一幅滿足用戶需求的地圖。從這個意義上講，把地圖看做用戶目標，以地圖為中心的地圖制圖模型，就可以采用以目標為導向的設計模式(如瑞士地圖集)。傳統的專題地圖制圖過程中，采用的就是以地圖為中心的設計方式。使用這個模型的制圖系統不僅提供給用戶專題選擇和數據處理，并可根據所選的專題內容進行符號化展示給用戶。

該模型可以讓用戶進行簡單的定制，可以對專題圖層進行選取，還可以對地圖顏色進行定制或者進行數據分類分級等。用戶所關注的中心為地圖，地圖圖層可看做為可交互的地圖子集。由于該模型并沒有明確指出具體的設計方法，所以根據這個模型設計出來的專題地圖總體上還是靜態的，其交互效果只體現在專題圖層的選取，很難充分考慮用戶的具體需求，不適合Web交互制圖。

3.以任務為中心的設計

以任務為中心的設計(task centered design，TCD)處在最底層，是一種細粒度的設計方式，它把整個設計過程劃分為一個個的任務，進而對一個個不同的任務進行設計，以完成最終設計。該模型中每個任務并非獨立的，而是按一定要求級連起來，從而構成了任務流。該任務流是一個能生成預期結果的任務序列。任務序列并非靜態或者標準化的，而是包含必要的交互步驟和任務集合，并且這些任務是彼此緊密聯系的、相互依存的。

Web環境下，制圖者通過分析用戶需求，按照GDD設計理念，對制圖過程進行任務劃分，形成任務流，以任務流為中心進行交互制圖［9］(如圖2所示)。任務流開始于制圖相關數據的選取，包括與該制圖任務有關的指標、空間、時間數據的選取。對于不同用戶來說，接下來的任務可以是直接制圖輸出、客戶端展現，也可以是統計分析、制圖輸出、客戶端展現。按照該模型設計的交互系統能根據用戶的身份、需要、需求、上下文信息，動態的為其定制滿足專業需求的任務流，并且能識別用戶下一步即將要做的任務并作出相應調整，相應的用戶交互接口可以通過向導來實現。

圖2 以任務流為中心的交互設計

三、在線地圖實現機制

1.任務流程

根據以任務流為中心的設計模型，本文設計了在線動態地圖的任務流程，用戶可根據向導界面對地圖進行交互定制，如圖3所示。用戶先根據系統提供的指標體系，從中選取所需指標，如果選取的為單個指標則直接進入符號庫，并根據指標的時間、空間維度過濾出適合的制圖方式，然后生成XML格式的符號圖層描述文檔，最后結合地圖圖層描述交給渲染引擎進行可視化，用戶還可根據可視化結果進一步對該結果進行調整;如果選取的為多個指標，則向導自動進入指標語義關系定義界面，引導用戶選擇總量指標、對比指標、動態指標、結構指標、復合指標、相關指標中的一個，然后進入符號庫。進入符號庫的指標數據帶有屬性信息，可直接根據現有定量數據生成圖層描述文件，也可以進行統計分析、分類分級后再生成圖層描述文件，并可導入數學模型庫進行建模分析。

圖3 以任務流為中心的交互可視化流程

從整個任務流來看，該模型中客戶端與服務器端具有動態的、高度交互的特點，用戶可以根據需求進行可視化設計并對可視化結果進行調整。

2.應用實例

(1)社會經濟中的應用

以某市在線地圖集為例。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(如圖4所示)。圖集還通過模板制圖使用戶選取系統設計好的地圖，輸入自己的統計數據，其數據模型與地圖樣式采用該地圖缺省的配置，交互模板定制后用戶也可對地圖進行可視化修改與分析。圖4選取了戶籍人口、非戶籍人口、人口密度等3個指標，其中前兩個指標語義關系為結構指標，系統篩選出相應的圖表符號;人口密度為相對指標，系統缺省選擇分級統計圖表示。用戶定制后，系統會配置好圖層描述文件，并提供定制界面給用戶進行定制修改，用戶不用關心符號描述文件，而是所見即所得。

圖4 在線地圖定制流程示意

(2)傳感器環境監測中的應用

傳感器是環境監測中空間信息數據的重要來源。它可以實時動態地對環境生態進行監測，其數據分發形式可以采用網絡服務(如OGC的傳感器觀測服務)以便所有用戶能夠及時獲取最新的觀測數據［3］。通過在線地圖的制圖服務接口，傳感器數據可以獨立于數據的物理模型，以任務流為中心進行可視化表達。制圖服務接口中的分級統計圖、分區統計圖表和等值線等均可用于傳感器數據可視化。

圖5 傳感器數據的地圖表達示例

圖5為某市氣溫分布圖。數據來源于傳感器觀測數據，每6 min更新一次;地理底圖以標準的WMS服務提供，用于定位相應的觀測點;進一步調用專題地圖服務接口，對離散觀測數據建立Delaunay三角網按照樣條曲線內插成等溫線并與地理地圖疊加成地圖圖片返回客戶端。客戶端采用以Flex開發的Flash動畫動態展示等溫線，并按一定時間段動態展示實時數據，同時還給出傳感器的位置和運行狀態、數據值。

四、結束語

本文對在線地圖的交互可視化設計進行了研究，采用XML語言作為符號的描述語言，并通過用戶對指標的選取來篩選符號，以及符號與屬性的動態聚合。因此，能夠較好地解決統計數據在Web環境下的動態交互可視化，還較好地解決了現有網絡地圖符號共享性差的問題。同時，本模型中符號的描述與渲染引擎是分離的，增加了符號可擴充性，并且可實現符號的組合表達。

［1］ SYKORA P，SCHNABEL O，IOSIFESCU-ENESCU I，et al.Extended Cartographic Interfaces for Open Distributed Processing［J］.Cartographica，2007，42(3): 209-218.

［2］ HURNI L，GOGU R，IOSIFESCU I.Cartography for Environmental Systems［C］∥Proceedings of the Workshop Intelligent Embedded Systems.Bucharest:［s.n.］，2006:9-17.

［3］ IOSIFESCU-ENESCU I，HUGENTOBLER M，HURNI L.Web Cartography with Open Standards-A Solution to Cartographic Challenges of Environmental Management［J］.EnvironmentalModelling＆ Software，2010，25(9):988-999.

［4］ 周洪杰.交互設計思潮之旅［EB/OL］.［2011-02-23］.http:∥www.qiushid.com/2010/01/30.

［5］ GARRETT J J.The Elements of User Experience［M］.USA:New Riders，2003.

［6］ KRAMERS R E.Interaction with Maps on the Internet-A User Centred Design Approach for The Atlas of Canada［J］.The Cartographic Journal，2008，45(2):98-107.

［7］ PUCHER A.Use and Users of the ?ROK-Atlas Online［J］.The Cartographic Journal，2008，45(2):108-116.

［8］ COOPER A.About Face 3:The Essentials of Interaction Design［M］.USA:Wiley，2007.

［9］ COOPER M，HANEWINKEL C，SPECHT S.Graphical User Interfaces on The Transistion between Information Systems and Interaction Systems［C］∥Proc of the 21th Int.Cartographic Conf.Durban:［s.n.］，2003.

Interactive Design of Online Map—A Task flow-centric Approach

ZHAO Zhongjun，ZHAO Fei

0494-0911(2011)07-0024-03

P208

B

2011-03-23

國家自然科學基金資助項目(40871210);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(20102050101000054)

趙忠君(1982—)，男，遼寧遼陽人，博士生，主要研究方向為地理信息系統與地圖制圖。