二三維一體化環境中的空間數據可視化研究

劉文杰

摘 要：信息時代的來臨使傳統的二維信息表達不能滿足新的需要，計算機的發展使顯示和描述物體的三維幾何特征和屬性特征成為可能，研究二維環境下地圖信息的有效表達是當前的一項緊迫任務在空間三維可視化經過前期的發展以后重視對二維地圖符號系統的特點在新條件下的作用研究，是地圖制圖科學螺旋式上升的辯證觀。該文詳細探討了三維環境中二維地圖符號中優勢，論證了三維可視化環境與二維地圖符號的關系。

關鍵詞：三維環境 二維 地圖符號 可視化

中圖分類號：p208 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（a）-000-02

信息時代的來臨使傳統的二維信息表達不能滿足新的需要，計算機的發展使顯示和描述物體的三維幾何特征和屬性特征成為可能，研究二維環境下地圖信息的有效表達是當前的一項緊迫任務。隨著計算機技術的發展，人們對地理環境的描述從傳統的二維地圖發展到電子地圖和三維虛擬地理環境。地理信息的表達從二維到三維是一次飛躍，在虛擬的三維空間里也產生了三維地圖符號。二維地圖符號系統作為成熟的地圖表達方式在三維可視化環境中仍然具有用武之地。二維地圖符號系統有其自身的特點和優點：經過長時間的發展，其體系成熟，易于認知，在電子地圖系統中易于實現。

1 三維地理環境中二維地圖符號

1.1 有利于空間認知

在三維地理環境中使用傳統的地圖符號有利于空間認知，有利于空間方位的確定。眾所周知，在三維地理環境中視覺對地理信息往往是以透視圖的形式獲取的。在透視圖中，很難進行空間距離的量測和空間位置的確定，距離感不好把握。如果在三維環境中加上一些傳統的二維地圖符號就可以很好地解決這個問題。如圖1所示，在三維中加入以灰色線條表示的境界符號就很好地起到定位和方位認知的作用。尤其是在一個陌生的環境，這種作用更加突出。

1.2 有利于空間認知的連續性

在三維地理環境中使用傳統的地圖符號有利于空間認知的連續性。這個問題涉及生理學、心理學、認知科學、計算機科學等多學科的交叉。根據地圖符號的定義，確定地圖符號語義信息的過程就是地圖符號與所代表的概念之間的約定過程，而這種約定已為研究人員和大眾所熟悉并接受。如人們一看到兩側平行的黑線，中間套有灰色的符號自然就想到這是條公路而不是其他的符號。

1.3 有利于目標的識別及信息的有效傳遞

傳統的二維地圖符號大家都比較熟悉，因為在小比例尺的三維可視化環境下，目標的識別還是要通過符號化的途徑來實現。因為此時的地理實體有可能肉眼是無法識別的，此時的符號就是對空間實體目標的抽象、放大和突出表示。以地圖的制作為例來做證明。將航空照片改繪為地圖是測繪學的經典技術。為什么要增加這道工序而不把航空照片拿來當地圖用，就是因為地圖與照片相比，可以將地面諸現象加以分類，強調重要的物體，用符號突出表示；可以將照片上沒有的內容如地名、境界線加繪在上面；可以在地圖上增加定量指標，將對地面的整體認知和數量指標相結合以強化對地區的認識等。地圖的這種科學概括方法，也就是當今建立可視化圖像必須注意采用的方法。所以說在三維可視化環境中也存在大量的符號抽象、設計和表達，如圖2所示。

1.4 有利于隱藏信息的表達

有很多非地理信息是帶有空間屬性的，在地理環境的三維可視化中又無法直接顯示出來，要借助于特定的符號系統來表達，例如人口、經濟、文化、商業等方面的信息，這些在專題方面的信息多是如此。因為不論是在二維電子地圖還是三維可視化環境中，這些隱藏的與空間位置有關的非地理信息是很難說得清是三維還是二維的。這種情況下，在二維電子地圖中這些具有成熟體系的，設計精美的專題符號系統不妨直接在三維可視化中應用。

二維符號在三維可視化環境中的應用具有與在二維可視化環境中不同的特點。三維可視化環境一個很重要的特點就是仿真，要盡可能地從感官上反映真實環境。二維符號在三維可視化環境中的應用要把握簡潔性、輔助性與和諧性的特點。

2 三維可視化環境與二維地圖符號的關系

三維地理信息系統的研究是建立在三維數據結構和模型、三維地圖的表示、三維空間分析與應用以及三維數據獲取的基礎之上的。三維空間信息的可視化研究是實現數字地球戰略的基礎，具有十分重要的地位和作用。三維地圖是對二維地圖在三維方向的拓展，包括地圖設計及其原則、符號體系、地圖內容的表達等。三維地圖是從平面地圖出發，借鑒電子地圖的符號系統結合現有的計算機技術來實現地圖信息的三維化。對三維可視化環境與傳統二維地圖符號的關系研究具有特別重要的意義。

首先，三維可視化環境與傳統二維地圖符號的關系是繼承與發展的關系。三維地圖符號的設計與應用是對二維地圖符號系統理論體系的繼承并有所發展。伴隨著三維地理信息系統而出現的三維地理信息的顯示與輸出是一個比較新的研究領域，不僅需要在技術層面進行研究，還需要對其相關的理論體系進行研究。由于二維的專題地圖符號經過多年的發展，已經形成了一整套設計理論與實現方法、技術，所以，不能把二維符號中有效表現專題要素的理論與方法全部舍棄。相反，還需要在對專題信息二維表達的基礎上繼承與發展。對有些能夠很好表現專題屬性數據的二維專題地圖符號，可以以適當的形式繼續在三維地理信息系統中使用。

其次，并不是所有三維可視化環境中的符號都需要設計成三維的。人們構建三維地理環境的一個主要目的就是能夠準確地認識特定的空間地理環境，來滿足特定的認知和應用需求。在這里能夠滿足需求是一個根本原則。三維地圖符號的應用能夠使空間感更加強烈，但往往需要消耗大量的計算機運行時間來進行調用和渲染。另外，由于三維地圖符號設計上的差別，人們還很難形成整套的識別體系，效果并不一定好。所以，傳統的二維地圖符號還是具有很大的用武之地。例如，前面所說的應用棕色線條表示的境界符號就完全能夠起到人們對行政區劃認識的要求。在二維電子地圖中的注記，在三維可視化環境中往往不需要設計成三維立體的，設計成其與計算機屏幕平行的二維符號就完全可以滿足三維需要。

最后，二維專題地圖符號理論體系對三維符號體系的構建具有借鑒和指導作用。二維專題地圖符號的抽象與形象的矛盾理論擴展到三維領域里，對專題制圖符號的重新歸類與概括是專業本身要研究解決的問題，也是整個地圖符號系統的一個重要的基礎研究工作。要對地圖內容及符號體系的三維化方法、原則和理論進行研究，結合人類認知相關的生理學、心理學、認知科學等科學知識以及計算機科學設計制作出更適宜人們理解的符號庫。

3 結語

現代技術給予了三維地圖符號研究和開發的可能性，地圖科學本身的發展也對三維地圖符號提出了要求。三維地圖符號能非常直觀形象地向人們顯示其所表達的內容。它在數字條件下表現方法的信息突破，是對原有地圖符號的發展。在空間三維可視化經過前期的發展以后重視對二維地圖符號系統的特點在新條件下的作用研究，是地圖制圖科學螺旋式上升的辯證觀。二維地圖符號系統對三維可視化地理環境系統、三維專題地圖制作、數字景觀地圖等領域都有著很好的借鑒作用，對促進現代地圖制圖學理論與技術的發展有著重要的意義。

參考文獻

[1] 施志梅.面向網絡服務的地圖表達描述研究[J].信息技術與信息化，2014（6）：22-26.

[2] 吳笑樂.專題地圖符號前—背景配色方案助選系統設計與評測[D].華東師范大學，2014.

[3] 焦東來，張海濤，閭國年.地圖符號服務與地圖服務的耦合[J].中國圖像圖形學報，2013（9）：33-39.