基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的洪水動(dòng)態(tài)地圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐘琳穎,杜毅賢,徐家鵬,李 楊,3,沈 婕

(1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023)(2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210023)(3.長(zhǎng)江三角洲科學(xué)數(shù)據(jù)中心,江蘇 南京 210023)

洪水與民生息息相關(guān),聯(lián)合國(guó)教科文組織在發(fā)布的《國(guó)際洪水倡議》中指出,洪水是人類已知的最嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難之一. 洪水每年在全世界影響到大約5.2億人,導(dǎo)致多達(dá)25 000人死亡. 中國(guó)地處亞洲東部,季風(fēng)氣候明顯、降水年內(nèi)分配不均,自古以來(lái)水災(zāi)頻發(fā),再加上“厄爾尼諾”等氣候異常事件,洪災(zāi)形勢(shì)更加嚴(yán)峻[1-2]. 其中洪水量級(jí)大,雨區(qū)籠罩范圍廣,洪水災(zāi)情嚴(yán)重,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有較大影響的具有代表性的洪水稱之為歷史大洪水[3]. 1998年,我國(guó)長(zhǎng)江流域發(fā)生了全流域的特大洪水,受災(zāi)面積2.1×107km2,約 3 000 人死亡,造成了約2 600億元的經(jīng)濟(jì)損失[4].

近年來(lái),數(shù)字歷史和歷史數(shù)據(jù)可視化的工作逐漸興起,歷史學(xué)的研究在本質(zhì)上為敘事—時(shí)間—空間的三位一體,非常適合借助具有時(shí)空敘事性的可視化方式進(jìn)行研究,因而歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擁有極大的可視化潛力[5]. 其中最具有代表性的拿破侖東征圖,將空間位置、部隊(duì)規(guī)模、行進(jìn)方向、氣溫等多種信息融合,以極少的線條表達(dá)了極為豐富的歷史內(nèi)涵,使讀者能夠強(qiáng)烈而直觀地感受到戰(zhàn)爭(zhēng)的殘酷性. 而歷史大洪水作為具有代表性的歷史災(zāi)害事件,給人類正常生活、生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)的損失和禍患,在給人類歷史留下不可磨滅記憶的同時(shí),積累了大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料,而科學(xué)合理的可視化有助于直觀的記錄這段歷史,以推動(dòng)洪水歷史數(shù)據(jù)管理和量化的研究. 關(guān)于大洪水的可視化研究最早應(yīng)用于洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作,在制圖指南方面,不同國(guó)家基于本國(guó)實(shí)際情況分析了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的數(shù)據(jù)、內(nèi)容并規(guī)范了符號(hào)化的標(biāo)準(zhǔn). 在設(shè)計(jì)與制作方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了洪水分析方法[6]、創(chuàng)建了水利地圖數(shù)據(jù)模型[7],并開發(fā)了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制系統(tǒng)[8]以最大程度地實(shí)現(xiàn)制圖流程化與自動(dòng)化. 但這種可視化成果多是以靜態(tài)的方式展現(xiàn),歷史大洪水作為一個(gè)過程性事件,除了空間信息和屬性信息外,還包括時(shí)間信息,而傳統(tǒng)的靜態(tài)洪水可視化難以生動(dòng)地展示其發(fā)展與變化過程. 因此,近年來(lái)的研究開始集中在洪水淹沒范圍的時(shí)空模擬,國(guó)內(nèi)外相繼提出了SWMM、InfoworksCS 、SLAMM,MOUSE、SSCM等模型以實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇的過程模擬[9];文獻(xiàn)[10-11]結(jié)合了水文學(xué)、GIS技術(shù)以及遙感技術(shù)等,對(duì)洪水發(fā)生過程實(shí)現(xiàn)了三維可視化展示,提升了模型的表達(dá)效果及應(yīng)用價(jià)值. 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,VR也在洪水災(zāi)害場(chǎng)景構(gòu)建方面開始發(fā)揮重要作用[12]. 而洪水作為一個(gè)綜合性事件,其信息種類多樣,不僅局限于淹沒范圍,眾多學(xué)者已對(duì)洪澇災(zāi)害的特征、時(shí)空分布以及災(zāi)害影響情況進(jìn)行分析,得到大量的學(xué)術(shù)成果[4,13],但這些成果多仍采用靜態(tài)、傳統(tǒng)的可視化方式表達(dá),未能以最直觀、最具表現(xiàn)力的方式連續(xù)地表達(dá)其時(shí)空特點(diǎn),在一定程度上影響了其在公眾中的傳播. 因而本文提出了基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的洪水動(dòng)態(tài)地圖設(shè)計(jì),它通過分析歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的類別和特征,依照現(xiàn)有洪水發(fā)生過程與機(jī)理分析的研究總結(jié)了洪水動(dòng)態(tài)地圖在不同時(shí)空尺度上的要求,在傳統(tǒng)洪水可視化的基礎(chǔ)上拓展了時(shí)間維度,引入了時(shí)空數(shù)據(jù)分析及動(dòng)態(tài)可視化的方法,將歷史大洪水的發(fā)展過程和時(shí)空變化規(guī)律以動(dòng)態(tài)可視化的形式展現(xiàn)出來(lái),進(jìn)而為歷史大洪水的災(zāi)情的再現(xiàn),災(zāi)后的損失評(píng)估提供更直觀的依據(jù).

1 歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

時(shí)空數(shù)據(jù)可表示地理實(shí)體的空間及屬性信息隨時(shí)間的發(fā)展與變化,具有空間、屬性、時(shí)間3個(gè)最基本維度[3]. 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也是由空間信息、時(shí)間信息和指標(biāo)信息構(gòu)成,其中空間信息即統(tǒng)計(jì)單元,是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)生的地理空間載體,可對(duì)應(yīng)于時(shí)空數(shù)據(jù)的空間維. 時(shí)間信息既體現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度上,也表現(xiàn)在不同時(shí)間段內(nèi)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)由于空間、屬性信息發(fā)生變化,反映在時(shí)間序列上的特點(diǎn),可對(duì)應(yīng)于時(shí)空數(shù)據(jù)的時(shí)間維. 指標(biāo)信息是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的類別劃分,包括單一的數(shù)量指標(biāo)及該指標(biāo)下的若干次級(jí)指標(biāo)[14],主要承載屬性信息,可對(duì)應(yīng)于時(shí)空數(shù)據(jù)的屬性維. 而洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的一種,也具有時(shí)空數(shù)據(jù)的特征,本文選擇其中具有代表性的歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展開討論.

1.1 歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)類別

根據(jù)中華人民共和國(guó)水利部發(fā)布的中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),歷史大洪水信息可分為以下6類,如圖1所示. 其中,綜合信息類描述了與歷史大洪水相關(guān)的基本信息及災(zāi)后對(duì)歷史大洪水的總結(jié)評(píng)價(jià);氣象信息類描述了造成歷史大洪水的氣象信息以及相關(guān)分析資料;工程運(yùn)用信息類描述了為減少歷史大洪水的發(fā)生修建的主要水利工程,例如水庫(kù)、閘壩等的調(diào)度以及相關(guān)應(yīng)用指標(biāo)等;雨情信息類包含了造成歷史大洪水的雨情信息以及相關(guān)分析資料;洪災(zāi)信息類描述了歷史大洪水對(duì)水利工程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響情況;水情信息類描述了歷史大洪水的發(fā)生過程、洪量洪峰情況、水情特征、洪水組成等分析成果;在進(jìn)行洪水專題圖設(shè)計(jì)時(shí),可以根據(jù)信息所屬類別選擇適當(dāng)?shù)膱D表及表達(dá)方式.

圖1 歷史大洪水統(tǒng)計(jì)信息分類Fig.1 Classification of historical flood statistics

1.2 歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)特征

對(duì)應(yīng)于時(shí)空數(shù)據(jù)的空間、時(shí)間和屬性3個(gè)最基本維度,歷史大洪水在時(shí)空的分布也表現(xiàn)出其空間特征、時(shí)間特征及屬性特征:

1.2.1 空間特征

空間特征即洪水的空間分布特征. 暴雨為我國(guó)歷史大洪水的主要成因. 中國(guó)大陸呈階梯地勢(shì),第二階梯與第三階梯之間的過渡地帶暴雨和洪水頻發(fā),重大的洪澇災(zāi)害也主要發(fā)生在長(zhǎng)江流域、珠江流域、黃淮海流域和松遼流域等7大江河流域[15]. 此外,自然、社會(huì)等各項(xiàng)因素的差異也會(huì)影響洪水災(zāi)情. 例如經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密度大的地區(qū)更容易造成較大的洪災(zāi)損失. 這使得我國(guó)的洪水信息呈現(xiàn)出空間分布不均且集中在水域附近的態(tài)勢(shì).

1.2.2 時(shí)間特征

時(shí)間特征反映了洪水隨時(shí)間的變化情況,受雨季時(shí)間跨度的變化和降雨集中程度的影響,洪水會(huì)隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間特征:華南地區(qū)降水集中在夏、秋兩季,雨季較長(zhǎng),是我國(guó)洪澇受災(zāi)時(shí)間最長(zhǎng)、次數(shù)最多的地區(qū);長(zhǎng)江中下游地區(qū)洪澇主要集中在夏季的5—8月;黃淮海地區(qū)和東北地區(qū)也多發(fā)于夏季的7—8月[16]. 此外,許多主要江河發(fā)生的特大洪水在暴雨歷時(shí)、強(qiáng)度特征、中心位置和氣象成因上都極為相似. 從歷史上看,不同類型的暴雨洪水也呈現(xiàn)出地域分布規(guī)律[17],歷史大洪水統(tǒng)計(jì)信息也在時(shí)間上出現(xiàn)重復(fù)性變化.

1.2.3 屬性特征

屬性特征描述了不同指標(biāo)下洪水統(tǒng)計(jì)信息的數(shù)量和質(zhì)量特征,歷史大洪水統(tǒng)計(jì)信息指標(biāo)多樣,關(guān)聯(lián)信息復(fù)雜,我國(guó)各流域的水文資料數(shù)據(jù)雖然眾多,但若以制作完整的洪災(zāi)圖為需求,數(shù)據(jù)質(zhì)量還不夠高. 在空間分布上,西部地區(qū)和東北地區(qū)觀測(cè)站較少,在時(shí)間分布上部分測(cè)站觀測(cè)時(shí)間較短且不連續(xù)[18].

基于以上數(shù)據(jù)情況,在對(duì)歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的過程中,需要綜合考慮其在時(shí)間、空間和屬性3個(gè)方面的特征,盡可能多地展現(xiàn)其相關(guān)關(guān)系.

2 基于災(zāi)害發(fā)生過程的洪水動(dòng)態(tài)地圖要求

在洪災(zāi)發(fā)生時(shí),洪水的發(fā)生可看作小時(shí)空尺度上單次的過程性事件,從出現(xiàn)到消亡會(huì)隨時(shí)間不斷發(fā)生變化,相比于傳統(tǒng)的靜態(tài)可視化方法,動(dòng)態(tài)可視化擁有靈活的表達(dá)方式來(lái)展現(xiàn)時(shí)間維度的信息,以更好地反映洪水事件的發(fā)展過程,包括沿線性時(shí)間序列單向發(fā)展和周期性的規(guī)律變化,使用動(dòng)態(tài)可視化可以更直觀地表現(xiàn)地理現(xiàn)象的發(fā)展和波動(dòng)等情況,減少了用戶自行推理其發(fā)展過程的認(rèn)知負(fù)荷,提高了可視化成果的信息傳遞效率. 災(zāi)害發(fā)生后,需要在大時(shí)空尺度上分析歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),同一統(tǒng)計(jì)單元和不同統(tǒng)計(jì)單元在不同時(shí)段內(nèi)的洪水信息構(gòu)成了一定的時(shí)空變化規(guī)律,其中主要包括數(shù)量變化、成分變化以及頻率分布變化[19],動(dòng)態(tài)可視化可以更好地反映其變化和規(guī)律.

對(duì)于數(shù)量變化,可設(shè)計(jì)相同的動(dòng)態(tài)符號(hào)或者動(dòng)態(tài)圖表放置于不同的統(tǒng)計(jì)單元內(nèi),用來(lái)表示不同時(shí)間段內(nèi)、制圖區(qū)域內(nèi)不同地區(qū)同類洪水指標(biāo)要素的大小、排名等信息,同時(shí)也可以得到同一統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)的歷次歷史大洪水的數(shù)量變化關(guān)系. 對(duì)于成分變化,將傳統(tǒng)反映各分量占比的圖表轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)形式,可以更好地比較不同時(shí)間段內(nèi)、各個(gè)統(tǒng)計(jì)單元中同一洪水指標(biāo)要素的構(gòu)成差異,也可以得到同一統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)歷次歷史大洪水的成分占比變化情況. 對(duì)于頻率分布變化,由于歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)種類多樣,可以統(tǒng)計(jì)出洪水指標(biāo)要素在不同統(tǒng)計(jì)單元或者是不同分級(jí)范圍內(nèi)的數(shù)量分布信息,以表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)單元或不同區(qū)間段位的頻率差異,利用動(dòng)態(tài)可視化可以反映其頻率分布對(duì)比的變化.

此外,將洪水信息動(dòng)態(tài)化更能夠吸引用戶注意力,調(diào)動(dòng)讀者的認(rèn)知積極性,通過促進(jìn)受眾對(duì)于視覺的感知以及圖形結(jié)構(gòu)的理解[20],加強(qiáng)了對(duì)于歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)信息的傳遞.

3 洪水動(dòng)態(tài)地圖設(shè)計(jì)

相較于傳統(tǒng)的靜態(tài)可視化,動(dòng)態(tài)地圖表達(dá)的層次更加豐富,但是在其信息負(fù)載量加大的同時(shí),也會(huì)在認(rèn)知過程中的產(chǎn)生許多缺陷,主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

(1)動(dòng)態(tài)可視化含有空間、時(shí)間、屬性3個(gè)變化因素,相比于靜態(tài)圖形、動(dòng)態(tài)圖形更容易造成信息過量威脅,對(duì)于受眾能夠快速進(jìn)行認(rèn)知反應(yīng)的需求更高,這就形成了認(rèn)知負(fù)荷[21].

(2)在讀圖的過程中,受眾的視線更容易受到動(dòng)態(tài)部分的吸引,從而在某一點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的視覺停留而忽略了其他部分的信息. 此外,動(dòng)態(tài)可視化中會(huì)存在時(shí)間幀,每一幀的信息并不會(huì)靜態(tài)停留,即在后一幀出現(xiàn)時(shí)前一幀的內(nèi)容隨即消失,新的信息會(huì)取代舊的信息,這增加了對(duì)受眾瞬時(shí)記憶的要求,一旦在某一環(huán)節(jié)上錯(cuò)過前一幀的信息,就會(huì)間斷了過程信息的獲取.

(3)在數(shù)量信息的表達(dá)時(shí),靜態(tài)的可視化方便用戶隨時(shí)進(jìn)行測(cè)度,而動(dòng)態(tài)的圖形因?yàn)槠涿恳粠挠邢抟曈X停留,加大了對(duì)于數(shù)據(jù)量的判讀難度,影響了地圖的可量測(cè)性.

因此,如何在進(jìn)行歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)地圖設(shè)計(jì)時(shí),消除這些可能產(chǎn)生的認(rèn)知缺陷,更好地反映歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),是本文需要探究的重點(diǎn).

在此次洪水動(dòng)態(tài)地圖設(shè)計(jì)中,所有的可視化成果被劃分為兩個(gè)類別,用來(lái)反映時(shí)空數(shù)據(jù)變化的動(dòng)態(tài)部分,包括動(dòng)態(tài)信息圖表、動(dòng)態(tài)符號(hào)等,和作為基礎(chǔ)信息在動(dòng)態(tài)信息間建立索引的相對(duì)靜態(tài)部分,包括注記、色彩等. 在洪水動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)特征和可視化要求,合理的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)部分,以更好地反映洪水信息.

3.1 動(dòng)態(tài)部分設(shè)計(jì)

圖表是表達(dá)洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中屬性信息的主要載體,主要用以反映大時(shí)空尺度上歷史大洪水的時(shí)空變化對(duì)比關(guān)系:

(1)表示數(shù)量:在采用傳統(tǒng)柱狀統(tǒng)計(jì)圖的基礎(chǔ)上,加以分級(jí)設(shè)色的色彩設(shè)計(jì),通過最上層的分級(jí)塊的色彩幫助用戶快速得到數(shù)量范圍區(qū)間,以補(bǔ)充數(shù)量的細(xì)節(jié)信息,如圖2所示. 此外,考慮到洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中部分指標(biāo)的地區(qū)差異顯著,需合理進(jìn)行圖表數(shù)量色彩等級(jí)劃分以避免圖表失衡,同時(shí)在數(shù)量極小時(shí)做適當(dāng)夸張?zhí)幚硪苑劳虥]信息. 在對(duì)數(shù)據(jù)的精度要求不高時(shí)也可采用零錢法進(jìn)行符號(hào)堆積的動(dòng)態(tài)展示,以清晰的展示其數(shù)量變化(代表站歷史洪水最大值、測(cè)站年最高水位信息等數(shù)量信息適用于此方法).

圖2 分級(jí)柱狀統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Hierarchical histogram

(2)表示構(gòu)成:將普遍占比最大的指標(biāo)要素確定為固定的起始點(diǎn),其余部分按數(shù)量順序依次排列,以便在動(dòng)態(tài)展示時(shí)判讀其變化. 洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)部分指標(biāo)構(gòu)成差異顯著,數(shù)量極少時(shí)要適當(dāng)夸張表示,且應(yīng)使用飽和度較大的色彩(抗災(zāi)投入情況、災(zāi)情詳情情況等表示各部分構(gòu)成的數(shù)據(jù)適用此方法).

(3)表示頻率分布:合理選擇統(tǒng)計(jì)單元,進(jìn)行頻率、頻數(shù)的統(tǒng)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二次加工,以挖掘出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的更深層信息,在進(jìn)行此類圖表設(shè)計(jì)時(shí)與表示數(shù)量的圖表同理(降雨情況統(tǒng)計(jì)、洪水概況信息等大時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)適用于此方法).

(4)表示周期信息:洪水是一個(gè)周期性事件,在進(jìn)行圖表設(shè)計(jì)時(shí)也需體現(xiàn)洪水的發(fā)展變化周期性規(guī)律(代表站雨量過程線、洪水淹沒范圍等周期性信息適用于此方法).

洪水動(dòng)態(tài)符號(hào)設(shè)計(jì)即針對(duì)點(diǎn)狀符號(hào)(如測(cè)站水位點(diǎn))、線狀符號(hào)(如疏散路線)、面狀符號(hào)(如淹沒范圍)分別進(jìn)行連續(xù)變化、周期變化、間斷變化時(shí)的設(shè)計(jì),合理地利用發(fā)生時(shí)長(zhǎng)、變化速率、變化次序與變化節(jié)奏這幾個(gè)動(dòng)態(tài)視覺變量[22].

在動(dòng)態(tài)符號(hào)設(shè)計(jì)時(shí),發(fā)生時(shí)長(zhǎng)與動(dòng)畫中的“幀”相對(duì)應(yīng). 時(shí)長(zhǎng)的選擇要根據(jù)在不同地圖信息負(fù)載量下人的認(rèn)知效率來(lái)決定. 例如,當(dāng)信息負(fù)載量很大時(shí),讀者消化每一幀信息的時(shí)間隨之延長(zhǎng),因而發(fā)生時(shí)長(zhǎng)的適度增加不會(huì)造成觀感的負(fù)擔(dān),還同時(shí)保證了成圖的質(zhì)量. 而當(dāng)信息負(fù)載量較小時(shí)則可以適當(dāng)減少發(fā)生時(shí)長(zhǎng)以避免由于時(shí)間拖沓造成的審美疲勞. 變化速率的大小對(duì)應(yīng)了符號(hào)的變化間隔,反映了過程的快慢變化,在進(jìn)行動(dòng)態(tài)符號(hào)時(shí)要正確的處理動(dòng)態(tài)符號(hào)的變化間隔,才能發(fā)揮動(dòng)態(tài)地圖的優(yōu)勢(shì),讓讀者在感受到變化的基礎(chǔ)上還有充分的時(shí)間獲取到興趣區(qū)域的變化信息,同時(shí)也要符合大腦的記憶能力,避免因間隔過長(zhǎng)導(dǎo)致用戶在讀圖過程中發(fā)生信息間斷. 時(shí)間是有序的,符號(hào)的變化次序描述符號(hào)變化時(shí)每一幀出現(xiàn)的次序,可視化技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要將地理過程離散化. 符號(hào)的節(jié)奏能夠表現(xiàn)符號(hào)周期性的變化特征,可以描述洪水信息的時(shí)態(tài)特征及其變化規(guī)律.

3.2 相對(duì)靜態(tài)部分設(shè)計(jì)

洪水動(dòng)態(tài)地圖的色彩作為整個(gè)可視化成果的相對(duì)靜態(tài)部分,在進(jìn)行顏色設(shè)計(jì)時(shí)要增加色彩聯(lián)想以符合洪水主題;在輔助表達(dá)數(shù)量關(guān)系時(shí),由于動(dòng)態(tài)地圖的發(fā)生時(shí)長(zhǎng)限制,需增加色彩間的差異性,以保證快速判讀,從而更好地獲得數(shù)量差異信息. 對(duì)于具有關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù),可采用相近或飽和度相同的顏色,使其處于同一視覺層次以暗示其聯(lián)動(dòng)關(guān)系.

在多數(shù)情況下,注記是動(dòng)態(tài)地圖中相對(duì)靜止的部分,不同幀之間針對(duì)的同一對(duì)象的注記在無(wú)特殊情況下不要隨意移動(dòng)位置以增加認(rèn)知負(fù)擔(dān). 此外,當(dāng)注記發(fā)生局部變化時(shí)還具有讀圖線索的功能,可以實(shí)現(xiàn)不同幀之間的指引,如利用時(shí)間軸來(lái)指引時(shí)間維度的變化,如圖3所示.

圖3 時(shí)間軸索引圖Fig.3 Timeline index map

4 動(dòng)態(tài)地圖的實(shí)現(xiàn)

本次實(shí)驗(yàn)以長(zhǎng)江中下游流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)域,使用長(zhǎng)三角科學(xué)數(shù)據(jù)中心的洪災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://nnu.geodata.cn:8008),選取了1998年特大洪災(zāi)和1991年太湖流域洪水這兩個(gè)具有代表性的歷史大洪水的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化,得到了相關(guān)成果.

1998年洪水的觀測(cè)站水位圖反映了4—7月長(zhǎng)江各代表站月平均水位變化這一小時(shí)空尺度下的洪水發(fā)展過程,其片段截取如圖4所示. 在動(dòng)態(tài)圖可以直觀地展示出,4月長(zhǎng)江干流各處水位總體趨勢(shì)是緩慢下降,5月是緩慢上升,6月快速上漲,7、8兩個(gè)月則維持在較高水位,9月的長(zhǎng)江干流各處水位緩慢下降至正常水平. 在空間上,長(zhǎng)江干流從中游到下游水位總體下降,從下降的速率看,長(zhǎng)江水位在石首站經(jīng)過監(jiān)利、蓮花塘到螺山站一段水位下降較慢. 其中,沙市站、石首站、監(jiān)利站、蓮花塘站所在長(zhǎng)江河段又被稱為荊江河段,由于該河段所在地區(qū)地勢(shì)低洼,河道彎曲,長(zhǎng)江帶來(lái)的泥沙在此大量沉積,河床已高出兩岸平原,極易發(fā)生洪澇災(zāi)害. 蓮花塘至螺山由于地理位置較近,水位下降較少,由于二者都靠近洞庭湖于長(zhǎng)江匯流處,在大水年份容易發(fā)生洪水遭遇,造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害. 九江站與湖口站均靠近鄱陽(yáng)湖與長(zhǎng)江匯流處,也容易發(fā)生嚴(yán)重洪水與洪災(zāi). 太湖流域洪澇災(zāi)害分布圖反映了大時(shí)空尺度下太湖流域歷史大洪水的時(shí)空變化關(guān)系,從動(dòng)態(tài)圖表、動(dòng)態(tài)符號(hào)、色彩和注記等方面進(jìn)行了洪水動(dòng)態(tài)可視化設(shè)計(jì),其片段截取如圖5所示.

圖4 1998年大洪水長(zhǎng)江觀代表站水位圖Fig.4 Water level map of Yangtze river observatory in 1998

圖5 太湖流域洪澇災(zāi)害分布圖Fig.5 Map of flood disaster in Taihu basin

5 結(jié)論

本文基于歷史大洪水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的洪水動(dòng)態(tài)地圖設(shè)計(jì),在對(duì)歷史大洪水統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上,分析了洪水?dāng)?shù)據(jù)的空間特征、屬性特征和時(shí)間特征,探討了洪水發(fā)生過程機(jī)理及其對(duì)動(dòng)態(tài)地圖的要求,并基于以上特征和要求提出洪水動(dòng)態(tài)信息圖表及地圖符號(hào)的設(shè)計(jì)方法,將可視化成果在時(shí)間上進(jìn)行連續(xù)地展示. 這一研究成果為了解和研究歷史大洪水的發(fā)生過程、發(fā)展規(guī)律、特點(diǎn)以及災(zāi)害損失提供更加直觀的可視化圖件. 以更加生動(dòng)的方式記錄并展示了這段歷史,更加便于各種用戶直觀地了解洪水災(zāi)害的發(fā)生過程與機(jī)理,有利于充分發(fā)揮洪水災(zāi)害歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的學(xué)術(shù)價(jià)值. 此外,這種動(dòng)態(tài)地圖的設(shè)計(jì)思路與可視化分析方法對(duì)洪水災(zāi)情及其他災(zāi)害的可視化設(shè)計(jì)有參考價(jià)值.

致謝:感謝國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)-長(zhǎng)江三角洲科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://nnu.geodata.cn:8008)提供數(shù)據(jù)支撐.