導航電子地圖多模式表達模型的研究

谷宇航，江 南，張曉楠，管凌霄，張 昊

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052；2.68011部隊，甘肅 蘭州 730020)

導航電子地圖多模式表達模型的研究

谷宇航1，江 南1，張曉楠1，管凌霄1，張 昊2

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052；2.68011部隊，甘肅 蘭州 730020)

隨著衛星定位的發展、道路交通水平的提高以及無線網絡技術的進步，導航電子地圖憑借其在位置服務功能上的良好表現日益成為人們工作和生活必不可少的工具。但是目前市場上的導航電子地圖顯示模式少，針對性不強，無法滿足用戶多樣化的需求。文中通過對導航電子地圖表達現狀的分析，研究基于不同環境、不同用途、不同用戶等條件下的多模式導航電子地圖表達方法，并對常用模式下一些模板的樣圖進行設計。

導航電子地圖；表達方法；多模式表達；模型；模板

導航電子地圖的表達是導航電子地圖設計的關鍵環節，直接影響著定位導航可視化的效果。表達效果制約著用戶對道路以及周邊環境的認知，影響用戶對導航電子地圖產品的使用[1]。

然而目前導航電子地圖的表達模式較為簡單，無法滿足用戶多樣化、個性化的可視化需求。本文針對導航電子地圖自身的特點及其存在的問題，分析了其表達現狀，研究了導航電子地圖多模式表達方法，并進行了導航電子地圖多模式可視化模板的設計，為多模式表達的計算機實現進行了有益的探索。

1 導航電子地圖表達現狀分析

1.1 導航電子地圖表達現狀

自導航電子產品出現以來，不少學者已經注意到導航電子地圖可視化的重要性，并在導航電子地圖多尺度表達方面進行了一些研究[2-6]。但目前來說，針對導航電子地圖表達方法的研究還較為少見。

通過對市場上導航電子地圖產品(如凱立德地圖、道道通地圖、高德地圖、百度地圖、谷歌地圖等)的表達方法進行分析，歸納出目前常用的表達方法主要有：尺度變換法、平面符號法、多維符號法、顏色變換法、動態顯示法、窗口切換法和方向變換法等,如表1所示。

尺度變換法：在導航過程中，根據需要自動調整導航電子地圖的比例尺，改變導航電子地圖上的顯示內容。

表1 常用導航電子地圖產品表達方法分析

多維符號法：為了能夠更加詳細地顯示空間關系，在導航電子地圖上不僅應用二維符號，還使用2.5維符號和三維符號。

顏色變換法：在不同情況下，對顏色的三要素(色相、明度和飽和度)進行改變，使配色達到最佳效果。

動態顯示法：對特定的符號添加閃爍、旋轉、運動等效果，使興趣點等符號更能引起用戶的注意。

窗口切換法：需要同時在導航電子地圖上顯示道路交叉口、立交橋、指示牌和多種比例尺地圖時，可以把屏幕分成多個窗口進行顯示。

方向變換法：傳統紙質地圖以及基礎電子地圖大都默認以圖的上方作為北方向，但是導航電子地圖的北方向會隨著導航方向的變化而不斷變化。

1.2 現有導航電子地圖多模式表達存在的問題

目前導航電子地圖在人們工作生活中發揮著不小的作用，但在表達方法上還存在一些不足，需要改進。

1)表達方法較少，表現模式相對簡單 。各個產品的表達方法雖略有不同，但大體一致。很多表達方法都是對傳統地圖表達方法的延續，沒有較好地發揮計算和圖形圖像處理技術的優勢并豐富其表達方法。另外，對三維細節的展現及多手勢觸控等硬件條件的應用不足，無法體現移動設備硬件的優勢。

2)表達方法和用戶的使用特點結合不夠密切。不同的用戶有不同的特點(如年齡、性別、職業以及文化水平等)，因此每個人對導航電子地圖表達效果的感受不同。現有導航電子地圖在進行表達時缺乏針對性，沒有很好地考慮用戶的偏好和特點，滿足不了不同用戶的需求。

3)表達方法沒有較好地顧及外界因素。表達方法在設計上大都只從理論出發，僅考慮圖面上的搭配效果。然而使用導航電子地圖的外界環境始終處于不同的變化中，這對表達方法的表達效果有很大的影響。用戶使用環境中的光照強度、用戶所處位置的地理特點以及地域特色等，都應該和導航電子地圖的表達方法相配合，以產生更好的表達效果。

2 導航電子地圖多模式表達模型的研究

2.1 導航電子地圖的表達模型設計

為了解決現有導航電子地圖在表達方面存在的問題，本文提出建立導航電子地圖多模式表達模型。導航電子地圖的多模式表達模型是指在不同用途、不同環境、不同比例尺以及不同用戶特點等因素的影響下，綜合運用不同的表達方法，將同一空間數據進行不同樣式的顯示，以滿足不同因素影響下用戶的需求[7]。

通過對用戶偏好、地理特點、跟蹤方法、觀察視角、光照變化和文化背景等影響因素的分析，建立了包含不同用戶偏好模式、不同地理環境模式、不同跟蹤方法模式、不同觀察視角模式、不同光照特點模式和不同文化背景模式等多種表達模式的導航電子地圖多模式表達模型。圖1所示為導航電子地圖多模式表達模型常用的一些表達模式[8]。

圖1 導航電子地圖常用表達模式

1)基于不同用戶偏好的表達模式。用戶對興趣點的選擇都有針對性，為快速傳遞導航信息并獲得層次化的視覺效果，就要篩選出用戶關注程度更高的興趣點進行突出表達。如當白領階層使用導航電子地圖出行時，可能會去消費水平較高的場所，而學生則會選擇經濟實惠的場所；駕車的用戶更關注停車場、加油站等興趣點；而使用公共交通出行的人則更關注公交、地鐵和出租車站。依據上述區別可分別建立消費模式和生活模式，自駕模式和乘車模式，在地圖上對相應模式下的興趣點進行突出表達，使用戶更快地查詢到自己關心的目標。

2)基于不同地理環境的表達模式。除城市外，導航電子地圖還可以用于鄉村、山區或荒漠等地域。在不同地域使用時，可以結合其地域特點設計不同的表達模式。如在鄉村和荒漠，路網密度小，道路交通要素少，可以用更小的比例尺顯示；在山區，地勢的起伏對行駛也有一定的影響，要想辦法將地理特點表現在圖中。根據這些特點，可以設計出城市模式、山地模式和荒漠模式等。

3)基于不同跟蹤方法的表達模式。移動設備間的通信功能不斷增強，導航電子地圖可以同時顯示多個設備的空間位置。在導航電子地圖上實時顯示另一個被跟蹤設備的位置，可以設計出熱點跟蹤模式；在地圖上顯示被跟蹤點走過的軌跡，可以設計出軌跡跟蹤模式；在地圖上顯示被跟蹤點運動過的區域，可以設計出區域跟蹤模式。

4)基于不同觀察視角的表達模式。在進行可視化顯示時可以從不同觀察者的角度出發再現地理場景。根據視角的不同，可以將表達模式分為第一人稱視角模式和第三人稱視角模式；還可以結合兩種表達模式從而形成混合視角模式。不同視角的模式設計不同的表達方法，體現出不同視角下的構圖特點。

5)基于不同光照特點的表達模式。現有導航電子地圖只提供手動設置白天模式和黑夜模式兩種模式，智能化程度不高。現在硬件設備已經允許導航電子地圖感知周邊光照環境，因此可以根據不同的光照環境自動調整顯示模式。如當導航電子地圖從室內移動到室外時，根據光強的增量自動提高用色的明度，以便在強光下也能看清地圖上的內容；在光線暗的傍晚或夜間自動降低明度或使用更加柔和的配色方案，減少屏幕對人眼的刺激。根據不同層次的光強可以建立夜間模式、室內模式和戶外模式。此外，還可以設計出光影模式，在顯示時根據定位信息判斷太陽光照的角度，計算實地中物體的陰影方向，并將陰影效果以同樣的角度和方向添加在地圖符號上，以利于地圖與實地的相互對照。

6)基于不同文化背景的表達模式。根據導航儀所處的地理位置確定用戶所在的國家、省份和地區，以便產生符合當地人文特色的表達方案。據此可將表達模型分為通用模式和特殊模式，通用模式下的符號采用傳統并且約定俗成的視覺變量；而特殊模式下的符號設計和顏色配置要加入當地的地域特點以及民族特色。

2.2 導航電子地圖多模式表達方法的設計

多模式表達需要有多種表達方法的支持[9]。在進行導航電子地圖表達方法設計時，要遵循通用性與適用性相補充、藝術性與功能性相統一、繼承性和創新性相結合等原則，以地圖空間認知論、地圖感受論為指導并充分利用圖形圖像技術[10]。本文在原有表達方法的基礎上設計了符號層次法、透明度增減法、文字說明法、地貌顯示法、透視圖表示法、影像符號法和雷達顯示法等表達方法。

符號層次法：利用不同色彩的明度、飽和度或者不同的尺寸，來表現不同的興趣點符號，從而達到突出表現某一地物的目的。

透明度增減法：將半透明或者透明度較高的地圖直接疊加在已經顯示地圖上，可以在屏幕的同一區域顯示兩種信息。這樣做有利于兩種不同尺度地圖的對比和參照，不過有時會降低可視化的準確度與清晰度。

文字說明法：當點擊某一地物符號時，顯示一個文本框顯示該興趣點的屬性信息或者其他需要用文字說明的信息。

地貌顯示法：在地圖載負量較少的情況下，為了豐富地圖內容，可顯示該地理位置下所特有的地貌，從而增強導航電子地圖可視化的感染力。

透視圖表示法：在結構復雜的三維模型中，有時不易判斷用戶的位置。去除地物模型的紋理，只保留框架結構，有利于用戶更好地判斷自己所處的空間位置。

影像符號法：利用柵格圖像作為符號，如天安門、長城和兵馬俑等具有明顯代表性的圖像。在旅游電子地圖中經常出現這種表現方法，但是目前在導航電子地圖中沒有使用。

雷達顯示法：將導航電子地圖的道路信息等全部消去，僅保留用戶位置符號和興趣點符號以及指示空間方位和距離的信息，用于顯示興趣點之間的相對空間關系。

上文設計出的不同多模式表達模型可以綜合運用不同的表達方法，如表2所示。

表2 不同可視化表達模型常用表達方法

3 導航電子地圖常用多模式表達模板的設計

導航電子地圖表達多模式的具體表現為多種表達方法支撐的模板。所謂表達模板是指運用各種可視化方法，針對同一導航地圖數據，通過內容選取、符號設計、色彩搭配和表達方法選擇而使導航電子地圖體現出來不同可視化風格的整體效果[11]。導航電子地圖多模式表達模板的建立是多模式表達模型實現的物質基礎。本文根據上述方法設計了如下幾種常用的可視化表達模板：

3.1 基于不同用戶偏好模式的表達模板設計

圖2所示為自駕模式和乘車模式兩種模式下的導航電子地圖，當用戶選擇駕駛模式時，用戶可能更加關注停車場、加油站；當用戶選擇乘車模式時，用戶可能更加關注地鐵、公交站。用戶關注的興趣點采用大尺寸符號和鮮明的色調表達，使興趣點符號有主有次，層次分明。

圖2 自駕模式(左)和乘車模式(右)

3.2 基于不同地理特點模式的表達模板設計

圖3所示為山區模式和荒漠模式的模板(背景地貌來源于Google Earth)。現有導航電子地圖中地圖的顯示十分單調，大大降低了導航電子地圖的美觀程度。根據導航數據加入與地理位置相匹配的地區地貌，可以使導航電子地圖更加美觀。

圖3 山區模式(左)和荒漠模式(右)

3.3 基于不同觀察視角的表達模板設計

圖4中，左圖是第三人稱視角模式下的導航電子地圖可視化效果，以俯視圖的形式展現用戶的地理位置，右上角用半透明的小比例尺鷹眼圖表現更大范圍下的位置關系。右圖是第一人稱視角模式的可視化效果，為了使用戶對立體建筑后遮擋的道路狀況有所了解，采用了三維透視的表達方法，這種可視化效果立體直觀，而且能確保用戶觀察到實地觀察不到的地理空間形態特征。兩種模式還可以疊加到同一屏幕下進行表達，以獲得更豐富的表達效果。

3.4 基于不同文化背景的表達模板設計

圖5所示為江南地區特有文化背景下的導航電子地圖可視化效果。用戶行駛時，根據地理位置判斷所處地區，將地圖符號風格化為該地區特色。圖中小橋流水的道路符號及青磚白墻的居民地符號，使導航電子地圖更加美觀，更加具有文化氣息。

圖4 第三人稱視角模式(左)和第一人稱視角模式(右)

圖5 江南風格導航電子地圖

4 結束語

導航電子地圖多模式表達模型研究的最終目的，就是為了改善導航電子地圖的表達效果，讓用戶在使用導航電子地圖的同時獲得豐富的視覺體驗。本研究在導航電子地圖多模式表達上進行了初步的探索，但是更加完善的表達模型需要建立在對廣大用戶的深入調查上，因此，此后需要對用戶行為和體驗進行更進一步的研究。同時，隨著圖形圖像處理技術的進步及顯示硬件設備的發展，導航電子地圖的可視化方法也將越來越多。隨著導航電子地圖在人們日常生活中的作用日益加強，用戶個性化要求的不斷提高，對導航電子地圖多模式表達模型的研究將越來越重要。

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[5]李慧姝，廖文鋒，彭小河.基于ArcGIS平臺制作矢量電子地圖的方法探討[J].測繪與空間地理信息，2014，37(7)：144-146.

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[8]崔秀飛，王光霞，齊曉飛，等，交通圖表達模式和表示方法設計[J].測繪工程，2012，21(4)：33-37.

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[責任編輯：劉文霞]

Research of multi-mode expression model for navigation electronic map

GU Yu-hang1, JIANG Nan1, ZHANG Xiao-nan1, GUAN Ling-xiao1, ZHANG Hao2

(1.Institute of Geographic Space Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052，China; 2.Troops 68011, Lanzhou 730020, China)

As the development of satellite positioning, the improvement of traffic and the progress of wireless network technology, the navigation electronic map is becoming an indispensable tool for work and life increasingly with its good performance in location services. But the navigation electronic map in market displays with single mode only, and it is unable to meet the diverse needs of users. After analysis of the current navigation electronic map expression, research is processed on expression method of navigation electronic map which is used in different models based on environments, purposes, conditions, and multi-user, and the typical is carried out design under common patterns.

navigation electronic map; expression method; multi-mode expression; model; template

2014-01-09;補充更新日期：2014-11-30

國家自然科學基金資助項目(41271450)

谷宇航(1990-)，男，碩士研究生.

P28

：A

：1006-7949(2014)12-0012-05