校園多尺度時態信息可視化中的視覺變量運用

黃麗娜，李 陽，趙瑋丹

（1.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079）

三維動態電子地圖及其相關領域的研究并非處于起點階段，Riffe很早就提出靜態地圖和動態地圖的概念；徐志勇等研究了三維符號的視覺參量問題，并給出了若干參量定義[1]；艾廷華在Bertin符號參量體系基礎上擴展了符號的4 個動態參量,并提出動態地圖的綜合問題以及動態地圖在過程再現、實時跟蹤、運動模擬領域的功能及應用[2]；徐敏等提出了三維符號設計的基本原則，并綜合運用邊界模型(BR)、參數模型等結構來解決三維符號形體信息的結構設計問題[3]；周平以時空數據可視化表達為研究對象，提出一種以地理現象真實時間為串聯、以關鍵幀及線性插值動畫為手段的動態符號邏輯模型[4]。以上成果雖對三維動態電子地圖的相關理論進行了擴充和實踐，但并沒有細化到時態信息的可視化表達方法上。從功能上說，三維動態電子地圖應該不僅能直觀地表現制圖區域的空間場景，還能有效地向讀者傳遞區域的空間信息。基于此，本文重點探討如何在三維電子地圖中表現三維場景的歷史信息，即通過對視覺變量的搭配與調整，探索時態信息的可視化變量表達和不同尺度的時態信息表達，從而為時態地圖的建立做好初步準備。

1 時態信息可視化的視覺變量

地圖學中，地理對象的可視化表達主要通過視覺變量來實現。Bertin將地圖要素的視覺變量歸納為7種：位置、尺寸、形狀、明度、顏色、方向和紋理[5]。視覺變量在平面地圖的設計中至關重要,在三維場景中,同樣需要有視覺變量來指導模型的設計。鑒于平面地圖的視覺變量并不完全適用于三維場景,高玉榮等認為三維模型的視覺變量主要包括形狀、空間姿態、尺寸、紋理、明暗度(光照) 、陰影和清晰度6個方面[6]。結合Bertin提出的視覺變量以及高玉榮等對其在三維模型上做出的概念延伸，本文在建模過程中主要依靠透明度、顏色、尺寸和形狀4個變量來表現時態信息。

1.1 透明度

人類的思維特質決定了人們在回憶年代久遠的事物時，大腦呈現模糊的畫面；在回憶較近的事物時，大腦呈現清晰的畫面。此特質可在實踐場景中進行模擬：圖形符號的透明度越高，對本身的表達越淺淡，對圖形覆蓋區域的表達越清晰；透明度越低，則對圖形本身的表達越濃烈，對圖形覆蓋區域的表達越模糊[7]。將透明度與明度結合，可更加形象地表現實體的時間特征。

1.2 色彩

色彩具有先聲奪人的力量。人們面對任何一種顏色時，潛意識都會產生一種心理反應[8]。例如，人們習慣用藍色代表天空，綠色代表湖水或草地；用暖色調代表溫和柔軟的事物，用冷色調代表嚴肅或硬朗的形象。

背景色是一個地圖產品在第一時間帶給讀者的整體感覺[8]。一般而言，土黃色、牛皮紙色、灰色及其鄰近色在表現歷史性上具有很好的效果，而亮色則恰恰相反，運用這一特點可以表現地理對象在較大時間跨度上的時間定位信息；再者，根據自然景物的特點，將人們潛意識中對四季的認識用色彩可視化表示，可更加直觀方便地表現地理對象的時間信息。小尺度時間變量的表達可通過調整背景色予以實現。例如，一天當中，清晨的天空通常是淡藍色，靠近中午呈現赤白色，下午為深藍色，再到傍晚顯示橘紅色，往后則越來越暗，直到接近藍黑色。背景色的設置再加上其他時間變量的協助，對讀者有暗示時間點的作用。

色彩的飽和度、亮度是時間信息的另一載體。明暗度會產生前進、后退的錯覺，純度（飽和度）高低也會產生膨脹和收縮感，從而造成前進和后退的效果[8]。這種前進后退的效果在時間尺度上表現為漸近和漸遠：從歷史節點到當前節點，用漸進效果表達；從當前節點到未來節點，用漸遠效果表達。

1.3 形狀和尺寸

隨著時間的推移，自然物體的尺寸和形狀都會發生微小變化，這種變化可能在短時間內無法感知，但在較長時間的積累下，會產生強烈的視覺差異。例如，一顆小樹在20 a后可以長成一棵參天大樹，山體形狀也隨時間的變化有所變動。考慮到時態地圖并非像動畫一樣來表現物體連續性的變化，而是以一個時間段為單位，跳躍性地展示物體的發生和發展，物體本身的狀態在該時間段內將會累積為一個較為顯著的差異，因此需要予以展示。對地理實體的這種表達方式，有助于直接感受時間的變遷。

2 時態信息的多尺度表達

地圖要素時態信息的表達尺度，是指地理目標的可視化表達中時間變化的跨度，可分為大尺度、中尺度和小尺度3個層次。各尺度在表達信息時所側重的視覺變量不同。

2.1 大尺度時間的表示

對于大尺度時間信息，主要運用透明度和色彩2個視覺變量將時間軸上相隔較遠的2個點用三維模型表示出來。例如,早期建筑采用灰色為背景色，建筑物墻體的顏色使用泛黃或者偏灰色，霧化程度高，體現朦朧感；對于晚期建筑，則采用亮色，霧化程度低，表現其真實感和現代化特征。

1、人文學科、社會科學與自然科學。人文學科（humanities）這一名稱本身就是科學所界定的，是20世紀對那些被排拒在自然科學和社會科學之外的學科的簡便總稱。人文學科的主干可以現成地用人們常說的“文（文學）、史（歷史）、哲（哲學）”來指稱，或者再加上藝術。較廣義的“人文學科”則還可以包括諸如現代語言和古典語言、語言學、考古學，乃至含有人道主義內容并運用人道主義的方法進行研究的社會科學。

2.2 中尺度時間的表示

四季給人最明顯的感受表現在色彩這一視覺變量上。如果制圖區域中植物較多，則整個制圖場景將具有明顯的季節特點：春天百花齊放，夏天綠意盎然，秋天落紅滿地，冬天銀裝素裹。因此可根據植物在每個季節的自然景觀特點在三維符號模型中使用不同的顏色。

2.3 小尺度時間的表示

小尺度時態信息的符號表達，因為時間跨度小，符號模型本身的形狀、尺寸等視覺變量一般不會有太大變化。但由于一天當中太陽高度角不同，符號模型上需要表現的明暗度和陰影都會有差別[9]。據此，可利用光源位置建立小尺度范圍內的時態模型，表達不同時刻所產生的不同方向的陰影以及建筑物的明暗度變化。

3 數字校園中視覺變量的運用

為驗證本文提出的時態模型建立方法的可行性，以武漢大學文理學部為實驗樣區，利用Sketchup進行三維時態電子地圖的設計和制作。首先，根據校園景觀的歷史發展資料將校園地圖的時態信息變化分為5個大的時間尺度，如表1所示；然后，針對具體的建筑物和景觀要素建立不同尺度的模型。以2013年為實驗節點，對其進行展開，亦即將這一時間點繼續劃分為4季，并挑選夏季中的某一天作更加詳細的尺度劃分。

表1 武漢大學文理學部建筑竣工時間的劃分表

具體實現過程中，以a、季度和d為跨度的節點，在實際操作過程中的處理方法不同，目標效果也不同，分開予以說明：

1）對于以a為跨度單位的大尺度節點，選擇用模糊度的改變和建筑物的增減來暗喻時間的推移，如圖1所示。

2）對于以季度為跨度單位的中尺度節點（即本項目中所表現的四季），場景圖的四季效果處理主要是對背景色及植物色彩的處理，如圖2所示。

3）對于以d為跨度單位的小尺度節點，除了用不同時刻建筑物的陰影方向及濃厚程度來表現之外，還需要通過調節背景色調（主要為天空的顏色）來使得整個場景色彩搭配更為和諧，如圖3所示。

以武漢大學文理學部為例，時態地圖成果中部分顯示效果如圖4所示。其中圖4 a展現的是1950-04-01（春天）9:00的場景；圖4 b展現的是2013-07-01（夏天）9:00的場景。2幅圖各自建立在 大尺度——“年”的基礎上，又分別利用不同季節來表現中尺度概念，除此之外通過限定具體時間點來調節陰影方向從而表達小尺度概念。

4 結 語

本文通過分析視覺變量中與時間信息緊密相關的4個變量，面向三維時態地圖提出了建筑物和自然景物的符號制作方法，并以武漢大學文理學部為例對該方法進行了驗證。實驗表明，本文提出的方法可有效表現地理目標隨時間變化的時態信息，為三維時態地圖的設計提供了新的思路。

本文所研究的內容主要集中在地圖要素時態屬性的可視化表達方法上，而三維模型本身具有豐富的信息量，再加上時態地圖要求多個時刻不同模型的連續放映，如何存儲和組織這些大型數據，對數據組織和存儲提出了更高的要求，將是本研究下一步的研究方向。

[1]徐智勇,艾廷華,危擁軍,等.三維地圖符號視覺參量研究[J].武漢大學學報：信息科學版,2006,31(6):557-560

[2]艾廷華.動態符號與動態地圖[J].武漢測繪科技大學學報,1998,23(1):47-51

[3]許敏,劉寧,叢鳳波.三維符號構成及建模方法研究[J].海洋測繪,2006,26(2):45-48

[4]周平.一種基于關鍵幀動畫的時空數據動態可視化方法研究[J].測繪通報,2012(1):67-69

[5]Bertin.Graphics and Graphic Information Processing[M].Bertin:Walter de Gruyter,1981

[6]高玉榮,朱慶,應申,等.GIS中三維模型的視覺變量[J].測繪科學,2005,30(3):41-43

[7]艾波,唐新明,艾廷華,等.利用透明度進行時空信息可視化[J].武漢大學學報：信息科學版，2012,37(2):229-232

[8]高建軍,關焱,王友亮.專題地圖基調色設計研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2008,33(7):766-770

[9]楊乃,孔凡秋,楊鴻海,等.基于空間認知的三維地圖光影模型[J].測繪學報,2012,41(2):302-308