指標(biāo)驅(qū)動下以任務(wù)流為中心的在線交互制圖模型

趙 飛,杜清運(yùn),彭子風(fēng),任 福

1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢430079;2.武漢大學(xué) 地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢430079;3.武漢大學(xué)數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430079;4.深圳市規(guī)劃國土房產(chǎn)信息中心,廣東深圳518034

1 引 言

交互是現(xiàn)代地圖可視化的一個關(guān)鍵要素[1-2],與用戶的交互能力是衡量地圖可視化效果的重要標(biāo)志[3]。在線制圖是一個復(fù)雜的交互過程,按其側(cè)重的交互要素來分有以用戶為中心[4-6]、以地圖為中心[3,7]、以任務(wù)流為中心(task flow-centered, TFC)[8]等三種交互模型。在引入交互設(shè)計(jì)理念的同時,許多學(xué)者借助網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對在線制圖的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[9]對分布式制圖接口進(jìn)行描述,提出制圖本體構(gòu)架。文獻(xiàn)[10]對OGC符號編碼規(guī)范(symbology encoding,SE)進(jìn)行擴(kuò)展,對現(xiàn)代環(huán)境管理中實(shí)時制圖提供了解決方案。文獻(xiàn)[11]嘗試通過將制圖過程的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分解,提出地圖制圖標(biāo)記語言的概念與模式。

從交互方式上看三種模型都考慮了用戶需求,在界面交互,數(shù)據(jù)表達(dá)交互,上下文交互等方面都各有側(cè)重,但均未充分對分布式統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,存在諸多不足,例如可視化方法單一或未成體系,數(shù)據(jù)、符號、視覺變量之間三者綜合關(guān)系體現(xiàn)不充分,數(shù)據(jù)與制圖的約束關(guān)系欠充分考慮,多采用分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖法等。TFC模型可以通過加入數(shù)據(jù)模型驅(qū)動,采用服務(wù)模式在保證傳統(tǒng)制圖質(zhì)量的同時及時地反應(yīng)數(shù)據(jù)的更新。為此,本文在對地圖制圖模型分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)特征,提出指標(biāo)驅(qū)動下的以任務(wù)流為中心的在線地圖制圖模型和可視化方法,系統(tǒng)討論了該模型在Web環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)機(jī)制,在試驗(yàn)基礎(chǔ)上給出相應(yīng)可視化結(jié)果。

2 交互制圖模型

TFC是處于最底層的交互制圖模型,兼顧用戶體驗(yàn)與制圖質(zhì)量。任務(wù)是粒度最小的交互要素,每個任務(wù)按一定要求級聯(lián)起來,構(gòu)成一個能生成預(yù)期結(jié)果的任務(wù)序列[8],即任務(wù)流。TFC模型把整個交互過程劃分為單獨(dú)的任務(wù)分別進(jìn)行交互設(shè)計(jì),根據(jù)不同交互動態(tài)反饋形成任務(wù)流以完成交互任務(wù),是一種粒度可控的交互方式。按照TFC制圖模型對Web制圖進(jìn)行任務(wù)劃分,形成任務(wù)流,以任務(wù)流為中心進(jìn)行在線地圖可視化(圖1)。

圖1 以任務(wù)流為中心的交互制圖模型Fig.1 Task flow-centered interactive mapping model

任務(wù)流開始于制圖相關(guān)數(shù)據(jù)的選取[8],包括與該制圖任務(wù)相關(guān)的指標(biāo)、空間、時間的選取。接下來的任務(wù)可以是統(tǒng)計(jì)分析、可視化設(shè)計(jì)、制圖、客戶端展示,也可以是按指標(biāo)驅(qū)動的統(tǒng)計(jì)模型、制圖規(guī)則直接可視化展示。該在線制圖系統(tǒng)能根據(jù)用戶的身份、需求、上下文信息,動態(tài)地為其定制滿足專業(yè)需求的任務(wù)流,并且可以識別用戶下一步將要做的任務(wù)并做出相應(yīng)調(diào)整,相應(yīng)的用戶交互接口可以通過向?qū)?shí)現(xiàn)。本文在某市在線地圖集設(shè)計(jì)中主要遵循該模型,并加入指標(biāo)驅(qū)動以專題地圖服務(wù)方式來實(shí)現(xiàn)。

3 指標(biāo)驅(qū)動下的在線制圖模型

指標(biāo)驅(qū)動下的在線制圖模型可以滿足在線動態(tài)制圖的需求。該模型由統(tǒng)計(jì)指標(biāo)模型、在線制圖規(guī)則和專題地圖服務(wù)三大部分組成,整個模型以指標(biāo)作為驅(qū)動,針對不同的指標(biāo)特性基于在線制圖規(guī)則動態(tài)生成不同的專題地圖服務(wù),通過用戶交互提供最適宜的可視化任務(wù)流。

3.1 統(tǒng)計(jì)指標(biāo)模型

統(tǒng)計(jì)指標(biāo)是反映客觀現(xiàn)象特征的統(tǒng)計(jì)思維形式,一般由以下 6個指標(biāo)元構(gòu)成[12]:統(tǒng)計(jì)單元(space,S)、統(tǒng)計(jì)時間(time,T)、統(tǒng)計(jì)分類(category,C)、統(tǒng)計(jì)指標(biāo)名(indicator,I)、統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值(value,V)、計(jì)量單位(unit,U)。對于一個具體的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)而言,S、T、I、V和U是不可忽略的必要元素,而 C則可以是退化的也可以是多重的。其間關(guān)系可用一個多元函數(shù)表示為

由上式可知,指標(biāo)元的維度決定指標(biāo)值,增加或減少任何一個維,都會引起指標(biāo)含義的變化。IST模型用指標(biāo)、空間、時間三個維度來描述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),但其淡化了指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分類,把指標(biāo)維看成獨(dú)立的集合,忽略了指標(biāo)間的關(guān)系[13]。結(jié)合統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的時空語義特征,設(shè)計(jì)一種指標(biāo)驅(qū)動下的統(tǒng)計(jì)時空數(shù)據(jù)模型(圖2),對分布式異質(zhì)異構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行在線動態(tài)時空建模,以時間、統(tǒng)計(jì)單元編碼作為兩者的公共域,在數(shù)據(jù)庫中分別動態(tài)建立不同時間尺度的空間數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)快照?？臻g數(shù)據(jù)記錄不同統(tǒng)計(jì)尺度(國家、省、市、縣等)和時間尺度的地理數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄基本指標(biāo)元信息,其中 I屬于匯總屬性,C屬于分類屬性通過定義統(tǒng)計(jì)尺度——名義(如男、女)、順序(如好、中、差)、間隔(如年齡段)來描述指標(biāo)的特征,便于后期自動制圖。以指標(biāo)為驅(qū)動,屬性表中每個具體的指標(biāo)通過時間、統(tǒng)計(jì)單元編碼可以查詢到相應(yīng)的空間數(shù)據(jù);以時間為軸線,空間表中每個具體的地理數(shù)據(jù)亦可以通過統(tǒng)計(jì)單元編碼迅速找到該空間數(shù)據(jù)尺度下的具體時間或一定時間周期內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.2 在線制圖規(guī)則

傳統(tǒng)印刷版地圖尤其是地圖集,傾向于在一幅地圖上展示盡可能多的數(shù)據(jù)。這種方法把焦點(diǎn)放在地圖閱讀上而不是地圖分析和交互[14]。多變量制圖方法則以多種方式聚合視覺變量來交互表達(dá)多維數(shù)據(jù)特征[7]。它根據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)特征選取適宜表達(dá)該指標(biāo)的視覺變量,以最優(yōu)的方式聚合并交互式符號化,表現(xiàn)出解決地理數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和符號之間“三角問題”的可能性[7,15]。本文選擇尺寸、形狀、色彩、亮度為基本視覺變量,根據(jù)所選定統(tǒng)計(jì)指標(biāo)確定其語義類型[16](總量、對比、動態(tài)、結(jié)構(gòu)、復(fù)合及相關(guān)指標(biāo)),針對不同地理數(shù)據(jù)總結(jié)出相應(yīng)的聚 合視覺變量,對多變量制圖方法進(jìn)行擴(kuò)展(表1)。

圖2 顧及統(tǒng)計(jì)分類的時空統(tǒng)計(jì)指標(biāo)模型Fig.2 Spatio-temporal statistical indicator model considering category

表1 專題地圖的通用多變量制圖方法Tab.1 G eneral multivariate approach for thematiccartography

該方法中,規(guī)定了相應(yīng)的指標(biāo)類型、專題圖層類型及相應(yīng)的聚合視覺變量?？偭恐笜?biāo)表示空間統(tǒng)計(jì)單元在一定時間尺度上的統(tǒng)計(jì)總值,若統(tǒng)計(jì)單元幾何特征為面,則通過色彩和亮度(或者飽和度)兩個視覺變量來區(qū)分總量指標(biāo)的定性、定量屬性,若為線、點(diǎn)則通過尺寸和色彩對總量指標(biāo)進(jìn)行表示,尺寸表現(xiàn)為線的寬度、點(diǎn)的半徑,顏色用于定性區(qū)分,亦可用圖表的形狀、色彩描述總量指標(biāo)的質(zhì)量特征,用尺寸表示其數(shù)量特征;對比指標(biāo)對應(yīng)的圖層類型為點(diǎn)、圖表,用形狀、色彩區(qū)分其質(zhì)量特征,用尺寸表達(dá)其數(shù)量差別;動態(tài)指標(biāo)主要通過運(yùn)動線法表示線狀統(tǒng)計(jì)單元的動態(tài)變化特征,加上形狀變量區(qū)分不同的運(yùn)動性質(zhì),也可用不同形狀、色彩的點(diǎn)狀符號表示其質(zhì)量特征,用尺寸表示其動態(tài)變化,亦可通過圖表用不同形狀、色彩的圖表描述其質(zhì)量特征,用尺寸和亮度聚合變量描述其數(shù)量特征;結(jié)構(gòu)指標(biāo)只能用圖表通過形狀、色彩描述質(zhì)量特征,尺寸表示其數(shù)量特征;復(fù)合指標(biāo)、相關(guān)指標(biāo)都只能用圖表來表示,前者用不同色彩的圖表描述指標(biāo)分類的分配情況,用尺寸變量描述該分類情況下的數(shù)量特征,后者用同一色系或近似色的圖表描述相關(guān)性,尺寸變量描述相關(guān)程度。圖3(a)用圈形符號表示某市歷年生產(chǎn)總值動態(tài)變化情況,通過半徑表示數(shù)量、不同顏色亮度區(qū)分年份。圖3(b)為某市歷年空氣情況,有二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物等三個相關(guān)指標(biāo),通過翼狀符號表示,用尺寸表示數(shù)量特征,色彩區(qū)分不同指標(biāo)類型,亮度區(qū)分不同年份。

圖3 在線圖集示例Fig.3 Online atlas

3.3 指標(biāo)驅(qū)動下的制圖模型

3.3.1 在線地圖符號定義

在線交互制圖過程中,專題符號的生成依賴于用戶所選取的指標(biāo),符號隨著表達(dá)指標(biāo)的不同呈現(xiàn)不同的形態(tài)。因此在符號設(shè)計(jì)時,地圖符號的使用者有設(shè)置相關(guān)指標(biāo)的機(jī)會,并且在地圖符號顯示時根據(jù)相關(guān)的指標(biāo)確定符號的形態(tài),實(shí)現(xiàn)基于知識的專題制圖等,滿足交互任務(wù)流過程中對地圖符號的要求。OGC的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(WMS)結(jié)合圖層樣式描述(SLD)、符號編碼規(guī)范(SE)提供了開放的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)Web可視化框架[10]。但是 SLD在專題可視化方面有一定局限[10,17],無法描述復(fù)雜的專題要素可視化(如用戶自定義點(diǎn)狀符號、等值區(qū)域圖和統(tǒng)計(jì)圖表)?；赟E規(guī)范結(jié)合本文統(tǒng)計(jì)指標(biāo)模型對在線專題地圖符號用XML進(jìn)行如下描述(thematic symbology encoding,TSE),如圖4。

圖4 在線專題地圖符號文檔結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The XML schema of online thematic map symbol

ThematicSymbolizer元素包含制圖規(guī)則、指標(biāo)、符號或圖表等元素。CartoRule包含尺寸、形狀、色彩、亮度等聚合視覺變量。Indicator包含指標(biāo)字段、分類、時間及對應(yīng)的空間信息,符號或圖表節(jié)點(diǎn)則根據(jù)指標(biāo)空間特性選擇對應(yīng)的點(diǎn)、線、面或統(tǒng)計(jì)圖表等元素。點(diǎn)、線、面符號元素繼承自SE規(guī)范,加入專題要素分級(tse:Thematic-Class)。統(tǒng)計(jì)圖表元素定義了圖表類型、圖表語義、圖表分級、圖表定位、圖表標(biāo)注及圖表提示等6個元素(圖4)。圖表類型描述了統(tǒng)計(jì)圖表所支持的符號類型,從預(yù)先定義的特定的符號名稱中選取,基本統(tǒng)計(jì)符號類型如表2所示。圖表語義用于描述圖表所引用的制圖規(guī)則、指標(biāo)以及指標(biāo)語義關(guān)系,可引用多個指標(biāo)。指標(biāo)語義關(guān)系見表1中的指標(biāo)類型,根據(jù)引用指標(biāo)個數(shù)和語義進(jìn)行篩選。圖表分級則映射為指標(biāo)數(shù)據(jù)的分類分級,根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)特性推送最適宜的數(shù)據(jù)分類分級方式,等差、等比等。圖表定位派生自SE規(guī)范中的se:PointPlacement,用于改變圖表放置位置,為可選,缺省狀態(tài)根據(jù)指標(biāo)空間屬性及圖面配置自動定位。圖表標(biāo)注、提示用于控制統(tǒng)計(jì)符號的文本標(biāo)注、動態(tài)提示是否顯示,為可選,沒做設(shè)置則不對符號進(jìn)行標(biāo)注、提示。

用戶只要通過選取相應(yīng)指標(biāo),或采用系統(tǒng)缺省的配置,或者自己根據(jù)制圖規(guī)則修改相應(yīng)的配置,定義指標(biāo)間的語義關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)符號或圖表根據(jù)不同指標(biāo)動態(tài)表達(dá)。

3.3.2 制圖模型服務(wù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)在線地圖符號的描述體系,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)專題地圖服務(wù)(Web thematic map service,WTM),對指標(biāo)驅(qū)動下的制圖模型進(jìn)行系統(tǒng)描述實(shí)現(xiàn)。參照TSE,WTM對OGC的WMS1.3規(guī)范進(jìn)行制圖拓展,服務(wù)接口的UML圖見圖5,其對應(yīng)的服務(wù)請求操作見表3。

表2 統(tǒng)計(jì)圖表所支持的統(tǒng)計(jì)符號類型Tab.2 Charts that can be drawn using the TChartSymbolizer

圖5 網(wǎng)絡(luò)專題地圖服務(wù)接口Fig.5 The interface of the WTM

表3 網(wǎng)絡(luò)專題地圖服務(wù)接口的操作列表Tab.3 The operations of the WTM interface

服務(wù)以統(tǒng)計(jì)指標(biāo)模型為入口,按操作列表順序依次執(zhí)行。用戶通過執(zhí)行 GetIndicator操作獲取系統(tǒng)所提供的所有或部分指標(biāo),也可以按指標(biāo)模型設(shè)置數(shù)據(jù),確定制圖所需指標(biāo)。所獲取的指標(biāo)用tse:Indicator元素描述,指標(biāo)的四個維度決定其基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及適宜的表達(dá)方式。指標(biāo)空間維度為點(diǎn)、線則相應(yīng)的專題圖層為點(diǎn)圖層、線圖層,專題符號據(jù)點(diǎn)、線符號規(guī)范設(shè)置;空間維度為面,若為單個指標(biāo)則可據(jù)面符號規(guī)范設(shè)置,亦可通過圖表符號表達(dá),若為多個指標(biāo)或具有類別維度則據(jù)圖表規(guī)范設(shè)置。確定表達(dá)方式后即執(zhí)行GetCartoRule請求制圖規(guī)則,其響應(yīng)結(jié)果用tse: CartoRule描述,與Indicator元素一一對應(yīng)。點(diǎn)、線、面圖層此時即可形成完整的 TSE符號描述,生成圖層樣式并提交 GetMap請求,返回專題渲染后的地圖圖片,用戶也可以對符號進(jìn)行設(shè)置,優(yōu)化要素分級,調(diào)整圖層樣式文件,進(jìn)行交互可視化分析。圖表則需選擇指標(biāo)類型確定指標(biāo)語義,據(jù)此按符號表達(dá)能力推送適宜符號確定tse:Chart-Type,同時對圖表分級、定位、標(biāo)注、提示等進(jìn)行設(shè)置,完成圖表類型描述生成圖層樣式提交 Get-Chart請求,返回背景透明的專題統(tǒng)計(jì)圖表圖片。返回的地圖圖片在客戶端通過圖層控制進(jìn)行疊加顯示,并集成放大、縮小、漫游等常用地圖操作,使用戶能夠?qū)崟r生成所需地圖。

從宏觀視角來看,整個制圖模型構(gòu)建了一種動態(tài)推送和使用指標(biāo)形成制圖任務(wù)流并最終完成制圖任務(wù)的機(jī)制。圖6描繪了制圖模型的服務(wù)框架,包括指標(biāo)節(jié)點(diǎn)、符號描述節(jié)點(diǎn)、可視化節(jié)點(diǎn)和一個任務(wù)流引擎。指標(biāo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)提供、設(shè)置或轉(zhuǎn)換專題指標(biāo)數(shù)據(jù),并依據(jù)指標(biāo)模型選擇相關(guān)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)以及適宜的專題符號,通過 GetIndicator請求實(shí)現(xiàn)。符號描述節(jié)點(diǎn)是依據(jù)用戶請求的指標(biāo)執(zhí)行GetCartoRule操作獲取相應(yīng)專題符號的規(guī)則描述,與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、指標(biāo)整合之后形成完整的專題圖層樣式描述。可視化節(jié)點(diǎn)則包括 GetMap操作、GetChart操作,據(jù)專題圖層樣式描述執(zhí)行上述操作返回專題地圖圖片在客戶端動態(tài)展示。

從任務(wù)流程上看,由指標(biāo)到地圖可以劃分為4個不同的層次:選取指標(biāo)直接成圖(1→4);選取指標(biāo)設(shè)置符號、請求圖層描述獲取地圖(1→3→4);選取指標(biāo)設(shè)置符號、修改符號描述獲取地圖(1→2→4);選取指標(biāo)設(shè)置符號、修改符號描述、請求圖層描述獲取地圖(1→2→3→4)。四個層次以指標(biāo)作為驅(qū)動逐層推進(jìn),針對不同功能需求用戶定制任務(wù)流滿足動態(tài)制圖需要。

4 應(yīng)用實(shí)例

結(jié)合某市在線動態(tài)地圖集對本文提出的制圖模型及其服務(wù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。圖集中的社會經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等專題進(jìn)行劃分,每個專題下分別選取相關(guān)指標(biāo),通過 Get-Indicator請求獲取相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù),其請求結(jié)果通過解析并動態(tài)選取適宜的符號表達(dá),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(jìn)行符號定制。圖7中選取戶籍人口、非戶籍人口兩個指標(biāo),其語義關(guān)系為結(jié)構(gòu)指標(biāo),系統(tǒng)篩選出相應(yīng)的圖表符號,其服務(wù)請求過程及符號描述文檔如圖所示。用戶可進(jìn)一步通過交互定制界面對符號類型、符號樣式、指標(biāo)時間等進(jìn)行重新設(shè)置請求地圖服務(wù)。相應(yīng)地,用戶通過SetIndicartor請求設(shè)置其業(yè)務(wù)指標(biāo)數(shù)據(jù),按圖6所示流程請求服務(wù),交互模板定制及可視化分析。

圖6 指標(biāo)驅(qū)動下以任務(wù)流為中心的交互制圖流程Fig.6 Indicator-driven and task flow-centered interactive cartographical process

圖7 專題地圖服務(wù)交互制圖流程Fig.7 The process of interactive cartography based on WTM

5 結(jié) 論

針對目前在線專題制圖模型在分布式數(shù)據(jù)的組織、存儲和動態(tài)可視化時存在的問題,提出了指標(biāo)驅(qū)動下以任務(wù)流為中心的在線交互制圖模型,主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:

(1)提出顧及統(tǒng)計(jì)分類的指標(biāo)模型,在此基礎(chǔ)上結(jié)合多變量制圖方法形成以聚合視覺變量為基礎(chǔ)的在線制圖規(guī)則,將統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、視覺變量、符號的關(guān)系進(jìn)行整合。

(2)研究在線地圖符號的定義模式,用XML描述語言對其進(jìn)行描述。

(3)依據(jù)在線地圖符號的描述體系,以及任務(wù)流為中心的地圖制圖模型,設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)專題地圖服務(wù),對指標(biāo)驅(qū)動下的制圖模型進(jìn)行系統(tǒng)描述實(shí)現(xiàn)。

(4)以在線動態(tài)地圖集為例,對本文模型的實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證,取得比較好的應(yīng)用效果。

模型中符號定義與渲染引擎分離,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)符號共享與組合拓展,并以Web服務(wù)的方式進(jìn)行驗(yàn)證,對分布式數(shù)據(jù)動態(tài)專題制圖的相關(guān)問題研究具有一定的借鑒意義。在本文研究的基礎(chǔ)上,對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下專題地圖的多尺度表達(dá)、動態(tài)可視化以及專題地圖服務(wù)的動態(tài)聚合規(guī)則值得進(jìn)一步研究。

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