校園多尺度時(shí)態(tài)信息可視化中的視覺(jué)變量運(yùn)用

黃麗娜，李 陽(yáng)，趙瑋丹

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

三維動(dòng)態(tài)電子地圖及其相關(guān)領(lǐng)域的研究并非處于起點(diǎn)階段，Riffe很早就提出靜態(tài)地圖和動(dòng)態(tài)地圖的概念；徐志勇等研究了三維符號(hào)的視覺(jué)參量問(wèn)題，并給出了若干參量定義[1]；艾廷華在Bertin符號(hào)參量體系基礎(chǔ)上擴(kuò)展了符號(hào)的4 個(gè)動(dòng)態(tài)參量,并提出動(dòng)態(tài)地圖的綜合問(wèn)題以及動(dòng)態(tài)地圖在過(guò)程再現(xiàn)、實(shí)時(shí)跟蹤、運(yùn)動(dòng)模擬領(lǐng)域的功能及應(yīng)用[2]；徐敏等提出了三維符號(hào)設(shè)計(jì)的基本原則，并綜合運(yùn)用邊界模型(BR)、參數(shù)模型等結(jié)構(gòu)來(lái)解決三維符號(hào)形體信息的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題[3]；周平以時(shí)空數(shù)據(jù)可視化表達(dá)為研究對(duì)象，提出一種以地理現(xiàn)象真實(shí)時(shí)間為串聯(lián)、以關(guān)鍵幀及線性插值動(dòng)畫(huà)為手段的動(dòng)態(tài)符號(hào)邏輯模型[4]。以上成果雖對(duì)三維動(dòng)態(tài)電子地圖的相關(guān)理論進(jìn)行了擴(kuò)充和實(shí)踐，但并沒(méi)有細(xì)化到時(shí)態(tài)信息的可視化表達(dá)方法上。從功能上說(shuō)，三維動(dòng)態(tài)電子地圖應(yīng)該不僅能直觀地表現(xiàn)制圖區(qū)域的空間場(chǎng)景，還能有效地向讀者傳遞區(qū)域的空間信息?；诖?，本文重點(diǎn)探討如何在三維電子地圖中表現(xiàn)三維場(chǎng)景的歷史信息，即通過(guò)對(duì)視覺(jué)變量的搭配與調(diào)整，探索時(shí)態(tài)信息的可視化變量表達(dá)和不同尺度的時(shí)態(tài)信息表達(dá)，從而為時(shí)態(tài)地圖的建立做好初步準(zhǔn)備。

1 時(shí)態(tài)信息可視化的視覺(jué)變量

地圖學(xué)中，地理對(duì)象的可視化表達(dá)主要通過(guò)視覺(jué)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。Bertin將地圖要素的視覺(jué)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(jué)變量在平面地圖的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要,在三維場(chǎng)景中,同樣需要有視覺(jué)變量來(lái)指導(dǎo)模型的設(shè)計(jì)。鑒于平面地圖的視覺(jué)變量并不完全適用于三維場(chǎng)景,高玉榮等認(rèn)為三維模型的視覺(jué)變量主要包括形狀、空間姿態(tài)、尺寸、紋理、明暗度(光照) 、陰影和清晰度6個(gè)方面[6]。結(jié)合Bertin提出的視覺(jué)變量以及高玉榮等對(duì)其在三維模型上做出的概念延伸，本文在建模過(guò)程中主要依靠透明度、顏色、尺寸和形狀4個(gè)變量來(lái)表現(xiàn)時(shí)態(tài)信息。

1.1 透明度

人類的思維特質(zhì)決定了人們?cè)诨貞浤甏眠h(yuǎn)的事物時(shí)，大腦呈現(xiàn)模糊的畫(huà)面；在回憶較近的事物時(shí)，大腦呈現(xiàn)清晰的畫(huà)面。此特質(zhì)可在實(shí)踐場(chǎng)景中進(jìn)行模擬：圖形符號(hào)的透明度越高，對(duì)本身的表達(dá)越淺淡，對(duì)圖形覆蓋區(qū)域的表達(dá)越清晰；透明度越低，則對(duì)圖形本身的表達(dá)越濃烈，對(duì)圖形覆蓋區(qū)域的表達(dá)越模糊[7]。將透明度與明度結(jié)合，可更加形象地表現(xiàn)實(shí)體的時(shí)間特征。

1.2 色彩

色彩具有先聲奪人的力量。人們面對(duì)任何一種顏色時(shí)，潛意識(shí)都會(huì)產(chǎn)生一種心理反應(yīng)[8]。例如，人們習(xí)慣用藍(lán)色代表天空，綠色代表湖水或草地；用暖色調(diào)代表溫和柔軟的事物，用冷色調(diào)代表嚴(yán)肅或硬朗的形象。

背景色是一個(gè)地圖產(chǎn)品在第一時(shí)間帶給讀者的整體感覺(jué)[8]。一般而言，土黃色、牛皮紙色、灰色及其鄰近色在表現(xiàn)歷史性上具有很好的效果，而亮色則恰恰相反，運(yùn)用這一特點(diǎn)可以表現(xiàn)地理對(duì)象在較大時(shí)間跨度上的時(shí)間定位信息；再者，根據(jù)自然景物的特點(diǎn)，將人們潛意識(shí)中對(duì)四季的認(rèn)識(shí)用色彩可視化表示，可更加直觀方便地表現(xiàn)地理對(duì)象的時(shí)間信息。小尺度時(shí)間變量的表達(dá)可通過(guò)調(diào)整背景色予以實(shí)現(xiàn)。例如，一天當(dāng)中，清晨的天空通常是淡藍(lán)色，靠近中午呈現(xiàn)赤白色，下午為深藍(lán)色，再到傍晚顯示橘紅色，往后則越來(lái)越暗，直到接近藍(lán)黑色。背景色的設(shè)置再加上其他時(shí)間變量的協(xié)助，對(duì)讀者有暗示時(shí)間點(diǎn)的作用。

色彩的飽和度、亮度是時(shí)間信息的另一載體。明暗度會(huì)產(chǎn)生前進(jìn)、后退的錯(cuò)覺(jué)，純度（飽和度）高低也會(huì)產(chǎn)生膨脹和收縮感，從而造成前進(jìn)和后退的效果[8]。這種前進(jìn)后退的效果在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為漸近和漸遠(yuǎn)：從歷史節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，用漸進(jìn)效果表達(dá)；從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到未來(lái)節(jié)點(diǎn)，用漸遠(yuǎn)效果表達(dá)。

1.3 形狀和尺寸

隨著時(shí)間的推移，自然物體的尺寸和形狀都會(huì)發(fā)生微小變化，這種變化可能在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法感知，但在較長(zhǎng)時(shí)間的積累下，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的視覺(jué)差異。例如，一顆小樹(shù)在20 a后可以長(zhǎng)成一棵參天大樹(shù)，山體形狀也隨時(shí)間的變化有所變動(dòng)?？紤]到時(shí)態(tài)地圖并非像動(dòng)畫(huà)一樣來(lái)表現(xiàn)物體連續(xù)性的變化，而是以一個(gè)時(shí)間段為單位，跳躍性地展示物體的發(fā)生和發(fā)展，物體本身的狀態(tài)在該時(shí)間段內(nèi)將會(huì)累積為一個(gè)較為顯著的差異，因此需要予以展示。對(duì)地理實(shí)體的這種表達(dá)方式，有助于直接感受時(shí)間的變遷。

2 時(shí)態(tài)信息的多尺度表達(dá)

地圖要素時(shí)態(tài)信息的表達(dá)尺度，是指地理目標(biāo)的可視化表達(dá)中時(shí)間變化的跨度，可分為大尺度、中尺度和小尺度3個(gè)層次。各尺度在表達(dá)信息時(shí)所側(cè)重的視覺(jué)變量不同。

2.1 大尺度時(shí)間的表示

對(duì)于大尺度時(shí)間信息，主要運(yùn)用透明度和色彩2個(gè)視覺(jué)變量將時(shí)間軸上相隔較遠(yuǎn)的2個(gè)點(diǎn)用三維模型表示出來(lái)。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(xiàn)朦朧感；對(duì)于晚期建筑，則采用亮色，霧化程度低，表現(xiàn)其真實(shí)感和現(xiàn)代化特征。

1、人文學(xué)科、社會(huì)科學(xué)與自然科學(xué)。人文學(xué)科（humanities）這一名稱本身就是科學(xué)所界定的，是20世紀(jì)對(duì)那些被排拒在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)之外的學(xué)科的簡(jiǎn)便總稱。人文學(xué)科的主干可以現(xiàn)成地用人們常說(shuō)的“文（文學(xué)）、史（歷史）、哲（哲學(xué)）”來(lái)指稱，或者再加上藝術(shù)。較廣義的“人文學(xué)科”則還可以包括諸如現(xiàn)代語(yǔ)言和古典語(yǔ)言、語(yǔ)言學(xué)、考古學(xué)，乃至含有人道主義內(nèi)容并運(yùn)用人道主義的方法進(jìn)行研究的社會(huì)科學(xué)。

2.2 中尺度時(shí)間的表示

四季給人最明顯的感受表現(xiàn)在色彩這一視覺(jué)變量上。如果制圖區(qū)域中植物較多，則整個(gè)制圖場(chǎng)景將具有明顯的季節(jié)特點(diǎn)：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(jù)植物在每個(gè)季節(jié)的自然景觀特點(diǎn)在三維符號(hào)模型中使用不同的顏色。

2.3 小尺度時(shí)間的表示

小尺度時(shí)態(tài)信息的符號(hào)表達(dá)，因?yàn)闀r(shí)間跨度小，符號(hào)模型本身的形狀、尺寸等視覺(jué)變量一般不會(huì)有太大變化。但由于一天當(dāng)中太陽(yáng)高度角不同，符號(hào)模型上需要表現(xiàn)的明暗度和陰影都會(huì)有差別[9]。據(jù)此，可利用光源位置建立小尺度范圍內(nèi)的時(shí)態(tài)模型，表達(dá)不同時(shí)刻所產(chǎn)生的不同方向的陰影以及建筑物的明暗度變化。

3 數(shù)字校園中視覺(jué)變量的運(yùn)用

為驗(yàn)證本文提出的時(shí)態(tài)模型建立方法的可行性，以武漢大學(xué)文理學(xué)部為實(shí)驗(yàn)樣區(qū)，利用Sketchup進(jìn)行三維時(shí)態(tài)電子地圖的設(shè)計(jì)和制作。首先，根據(jù)校園景觀的歷史發(fā)展資料將校園地圖的時(shí)態(tài)信息變化分為5個(gè)大的時(shí)間尺度，如表1所示；然后，針對(duì)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(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行展開(kāi)，亦即將這一時(shí)間點(diǎn)繼續(xù)劃分為4季，并挑選夏季中的某一天作更加詳細(xì)的尺度劃分。

表1 武漢大學(xué)文理學(xué)部建筑竣工時(shí)間的劃分表

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，以a、季度和d為跨度的節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際操作過(guò)程中的處理方法不同，目標(biāo)效果也不同，分開(kāi)予以說(shuō)明：

1）對(duì)于以a為跨度單位的大尺度節(jié)點(diǎn)，選擇用模糊度的改變和建筑物的增減來(lái)暗喻時(shí)間的推移，如圖1所示。

2）對(duì)于以季度為跨度單位的中尺度節(jié)點(diǎn)（即本項(xiàng)目中所表現(xiàn)的四季），場(chǎng)景圖的四季效果處理主要是對(duì)背景色及植物色彩的處理，如圖2所示。

3）對(duì)于以d為跨度單位的小尺度節(jié)點(diǎn)，除了用不同時(shí)刻建筑物的陰影方向及濃厚程度來(lái)表現(xiàn)之外，還需要通過(guò)調(diào)節(jié)背景色調(diào)（主要為天空的顏色）來(lái)使得整個(gè)場(chǎng)景色彩搭配更為和諧，如圖3所示。

以武漢大學(xué)文理學(xué)部為例，時(shí)態(tài)地圖成果中部分顯示效果如圖4所示。其中圖4 a展現(xiàn)的是1950-04-01（春天）9:00的場(chǎng)景；圖4 b展現(xiàn)的是2013-07-01（夏天）9:00的場(chǎng)景。2幅圖各自建立在 大尺度——“年”的基礎(chǔ)上，又分別利用不同季節(jié)來(lái)表現(xiàn)中尺度概念，除此之外通過(guò)限定具體時(shí)間點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)陰影方向從而表達(dá)小尺度概念。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析視覺(jué)變量中與時(shí)間信息緊密相關(guān)的4個(gè)變量，面向三維時(shí)態(tài)地圖提出了建筑物和自然景物的符號(hào)制作方法，并以武漢大學(xué)文理學(xué)部為例對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的方法可有效表現(xiàn)地理目標(biāo)隨時(shí)間變化的時(shí)態(tài)信息，為三維時(shí)態(tài)地圖的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

本文所研究的內(nèi)容主要集中在地圖要素時(shí)態(tài)屬性的可視化表達(dá)方法上，而三維模型本身具有豐富的信息量，再加上時(shí)態(tài)地圖要求多個(gè)時(shí)刻不同模型的連續(xù)放映，如何存儲(chǔ)和組織這些大型數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)組織和存儲(chǔ)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(hào)視覺(jué)參量研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2006,31(6):557-560

[2]艾廷華.動(dòng)態(tài)符號(hào)與動(dòng)態(tài)地圖[J].武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998,23(1):47-51

[3]許敏,劉寧,叢鳳波.三維符號(hào)構(gòu)成及建模方法研究[J].海洋測(cè)繪,2006,26(2):45-48

[4]周平.一種基于關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)的時(shí)空數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化方法研究[J].測(cè)繪通報(bào),2012(1):67-69

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

[6]高玉榮,朱慶,應(yīng)申,等.GIS中三維模型的視覺(jué)變量[J].測(cè)繪科學(xué),2005,30(3):41-43

[7]艾波,唐新明,艾廷華,等.利用透明度進(jìn)行時(shí)空信息可視化[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2012,37(2):229-232

[8]高建軍,關(guān)焱,王友亮.專題地圖基調(diào)色設(shè)計(jì)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2008,33(7):766-770

[9]楊乃,孔凡秋,楊鴻海,等.基于空間認(rèn)知的三維地圖光影模型[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2012,41(2):302-308