網狀地圖自動化示意化設計規(guī)則研究綜述

遆　鵬，徐　柱，肖亮亮，李木梓

(1. 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；

2. 四川省應急測繪與防災減災工程技術研究中心，四川 成都 610041)

A Review on Design Rules for Automated Schematization of Network Maps

TI Peng,XU Zhu,XIAO Liangliang,LI Muzi

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網狀地圖自動化示意化設計規(guī)則研究綜述

遆鵬1,2，徐柱1，肖亮亮1，李木梓1

(1. 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；

2. 四川省應急測繪與防災減災工程技術研究中心，四川 成都 610041)

A Review on Design Rules for Automated Schematization of Network Maps

TI Peng,XU Zhu,XIAO Liangliang,LI Muzi

摘要：示意地圖由于其簡單清晰的表達，已經被廣泛應用于展示公共交通路線。然而當前示意地圖制作是以計算機繪圖軟件輔助的半自動方式進行的，耗時耗力且極大依賴于制圖者的經驗和技能，因此自動化生成示意地圖已經被很多研究人員所關注。在網狀地圖自動示意化研究中，示意地圖設計規(guī)則制定是開發(fā)自動化示意化方法的基礎，直接決定著示意結果圖的質量。本文對現有自動化示意化方法中使用的設計規(guī)則加以了綜述，首先將現有設計規(guī)則根據其應用目的的不同分為3類，即單線圖形處理、網絡圖形處理、地圖顏色和注記配置，并簡要介紹了實現每條規(guī)則在當前研究中所采用的方法，之后指出了現有規(guī)則中仍需改善的幾個方面并提供了可能的改進方向，其中包括網絡圖形示意化和設計規(guī)則制定方式，以期進一步推動網狀地圖自動化示意化研究的深入。

關鍵詞：網狀地圖；示意化；設計規(guī)則；綜述

一、引言

示意性地圖設計舍棄了與地圖主題無關的地圖要素，對網絡中線性要素的形狀進行了簡化，以獲得更加清晰簡單的表達，這種概略的表達方式能夠極大地提高用戶出行路線設計和導航的效率[1-2]。倫敦地鐵圖(如圖1所示)是示意性網狀地圖的典范[3]，不僅簡化了網絡形狀，并將地鐵線設計成45°或90°方向[4]，同時保留了網絡的拓撲信息，此外還將地圖中的擁擠區(qū)域相對放大[5]，其簡潔清晰的設計極大地提高了用戶的識別效率，因而很快被廣泛接受。有學者[6]認為示意性地圖的抽象性與人類空間認知所構建的心象地圖抽象化特征一致，因此示意性可視化表達非常便于人們識別和理解。心理學研究表明[7-8]，人們利用示意圖能夠更快更準確地獲取所需信息。目前示意圖已廣泛應用于各領域，如展示公共交通、煤氣管線、電力網[9-10]。

當前實際使用的示意化網狀地圖主要是由計算機繪圖軟件輔助的半自動方式生成，這種生產方式需要大量的時間和人力，而且所生成的結果圖質量極度依賴于制圖員的制圖經驗、繪圖技能及美學觀念。因此，近幾十年來自動化生成示意圖研究已經被許多專家學者所關注，研究涉及的領域包括數字地圖制圖學、計算機圖形學、信息可視化等。在現有的網狀地圖自動化示意化研究中，開發(fā)示意化方法需要首先制定示意圖設計規(guī)則，將其作為生成示意地圖的約束條件，或通過數學優(yōu)化算法建模求解，或采用逐次實現約束條件的方式。因此，設計規(guī)則是自動化示意化方法開發(fā)的基石，而設計規(guī)則的制定也代表著研究人員對示意圖設計認識和理解的深度。本文綜合歸納現有的自動化示意化設計規(guī)則，指出現有設計規(guī)則存在的問題，期望能夠在將來的網狀地圖自動化示意化研究中作進一步改進和完善，以利于今后研究的深化。

圖1　倫敦地鐵圖

二、現有網狀地圖自動化示意化設計規(guī)則

Elroi[11]于1988年提出了地圖網絡自動化示意化的3個基本步驟：①簡化線的形狀；②將線投影到底層格網上，保證所有方向都是水平或垂直或45°斜向；③擴大擁擠區(qū)域。其中，步驟①和②主要是處理網絡中的弧段，步驟③主要是通過改變網絡密度分布以提高結果圖的清晰度。當然網狀地圖示意化問題并不能僅僅通過這3個步驟或規(guī)則解決。然而，現有的設計規(guī)則的重點仍是處理單線和網絡結構這兩個方面，此外，一些地鐵示意圖自動化生成方法中提出了幾個示意地圖色彩設計和注記配置方面的規(guī)則，其中色彩設計是針對不同的地鐵線，而注記配置考慮的是地鐵站點注記擺放方式。本節(jié)主要從這3個方面對現有自動化示意化設計規(guī)則分別進行介紹，其中列出的是已經被絕大多數研究學者所接受和達成共識的規(guī)則，并且已經被多個現有的自動化示意化方法所采納，并不考慮個別自動化示意化方法中比較特殊的設計規(guī)則，如在示意地圖中使用貝塞爾曲線代替直線[2]。

1. 單線示意化規(guī)則

單線示意化主要關注于線的幾何特征，主要包括形狀、長度、方向及位置[12]，下面介紹設計規(guī)則主要依據的幾個方面。

1) 單線形狀簡化成直線段或折線。作為示意網狀地圖最基本的設計原則之一，線形狀簡化是結果圖清晰度的關鍵。當前采用的方法主要有兩類：第一類方法在線形狀簡化過程中不考慮線的原始形狀，直接使用折線代替弧段[13]或在一些示意性地鐵圖的方法中[14-17]使用直線段連接相鄰站點；第二類方法考慮了線原始圖形，常用的簡化方法主要有廣泛應用于制圖綜合的Douglas-Peuker算法[18]，以及依據相鄰線段的方向變化大小或類似于Douglas-Peuker算法，只是曲線分段不是根據與曲線首尾連線垂直距離最大的端點到首尾點連線垂直距離的大小，而是偏斜角大小(如圖2所示)[19]。

圖2　偏斜角

2) 線段或折線上每段的走向歸化為水平、豎直或45°傾斜。該規(guī)則主要依據倫敦地鐵圖設計，已經獲得設計人員和學者的廣泛認同。盡管當前的研究中仍有個別示意地圖設計或自動化生成方法并未采用這種8個方向的歸化，而是以30°、60°和90°為歸化方向或采用任意方向[20]，然而在最新的示意地圖實用性測試中，8個方向的歸化結果圖相比較于其他方向的歸化設計，在地圖的識別和美觀性上有明顯優(yōu)勢。此外，對于單根線段歸化方向的選擇，一些學者認為應該盡可能接近原始方向，以利于地圖識別[21-22]。

3) 設置線段或折線上每段的最小長度值。該規(guī)則主要是保證示意化結果圖的可視性[14，21]，避免線段過短無法進行辨識。

2. 網絡示意化規(guī)則

網絡示意化規(guī)則主要關注與網絡中對象之間的關系，如拓撲關系、空間位置關系等，以及網絡本身的結構特性，如空間密度分布、網絡模式等。

1) 保持網絡拓撲關系。這條規(guī)則是所有示意性網絡地圖自動化方法開發(fā)的基本原則，拓撲關系不能被改變，否則將造成地圖識別上的錯誤。

2) 保持節(jié)點位置。該規(guī)則主要用于保持示意圖與其原始形狀的相似度，現有方法在生成示意地圖過程中或保持節(jié)點位置不變[13，20]，或最小化節(jié)點位移量[21，23-24]，有觀點認為保持節(jié)點相對位置更為重要[26]。

3) 改變地圖密度分布。該規(guī)則是倫敦地鐵圖最具特色的設計[26]，即通過擴大密集區(qū)域以提高示意地圖的清晰度?，F有的一些自動化示意化方法已經將這一規(guī)則實現在示意地圖生成過程中，實現方法可以分為兩類：第一類方法考慮到空間數據分布通常是高度不均勻[27]，通過改變地圖整體的密度分布以相對擴大密集區(qū)域，如設置地鐵示意圖中站點與站點之間的距離近似相等，從而相對擴大了站點較多的密集區(qū)域[14-17]，或首先通過比例尺變換相對增大地圖上密集區(qū)域，然后生成示意化形式[28-29]；第二類方法通過局部增大包含某一路線的區(qū)域以提高該路線清晰度，從而利于用戶路線導航[30]。事實上這種改變密度分布的規(guī)則不僅可以改善示意圖的清晰度，而且有利于放置地圖注記[31]，如地鐵站名。

4) 保持節(jié)點處視覺連續(xù)性。該規(guī)則能夠提高示意結果圖與原始形狀的相似性[10]，且保持了視覺平滑感，從而提高了示意結果圖的可讀性和識別能力。然而，絕大多數現有的自動化示意化方法都是以網絡弧段作為基本單元，并未考慮相鄰弧段的視覺連續(xù)性，少數生成示意地鐵圖的方法中采取了盡可能避免一條地鐵線在節(jié)點處發(fā)生方向變化的規(guī)則[14]，但仍然無法從根本上保證所有節(jié)點處的視覺連續(xù)性。為了克服這個缺點，以路劃為基本單元的自動化示意化方法被提出[19]，其中路劃是由專題屬性一致或幾何連續(xù)性好的幾條相鄰網絡弧段連接而成[32]。

5) 設置不同對象之間的最小距離值。設置點與點、線與線，以及點與線之間的最小距離，從而保證示意化結果圖的可視性和清晰度，避免距離過近無法辨識。

3. 示意地圖中色彩和注記設計規(guī)則

1) 對于不同的地鐵線路設置不同且易區(qū)分的顏色。該規(guī)則主要是提高示意化結果圖的可讀性和識別效率，避免用戶混淆。

2) 對于不同地鐵站點名注記應無壓蓋擺放和整齊排列。該規(guī)則主要保證注記清晰易讀，其中整齊排列指的是在兩交點(換乘站)間的注記擺放應保持相同字向和整齊平行擺放，其中水平字列是優(yōu)選。

三、當前自動化示意化設計規(guī)則存在的問題及改進方向

有大量研究人員近幾十年來對網狀地圖自動化示意化設計規(guī)則進行了不斷的改進和完善，然而當前的研究對于示意地圖設計規(guī)則的認識和理解程度仍然較低。事實上一些學者[33]指出基于當前設計規(guī)則所開發(fā)的方法生成的示意化結果仍然與人工設計的作品在可用性、美觀性、識別效率上有較大的差距，改進和完善設計規(guī)則仍然是今后自動化示意化研究工作的重點。本節(jié)指出現有設計規(guī)則的一些問題，并給出可能的改進方向，以利于將來的網狀地圖自動化示意化研究深化。由于地圖色彩和注記配置已經在地圖制圖學中有大量研究和系統(tǒng)的設計規(guī)則，因此本文提出設計規(guī)則的問題主要是面向圖形示意化方面。

1) 對于單線示意化而言，所采納的線形狀簡化方法并未考慮網狀地圖類型[20]。如對于地鐵網，用戶主要關注路線選擇和換乘信息，而對于道路網，路線的大致方向及方向變化信息對于路線導航尤為重要，因此應根據地圖類型采用不同的簡化程度。而定義線形簡化程度的規(guī)則應考慮在將來網狀地圖示意化研究中。此外，線長度在當前示意化方法中被忽略。線僅僅表達為節(jié)點或站點之間的連接關系，然而在很多應用中，線段長度信息仍然重要。在道路網導航中，相鄰路段的相對長度對于用戶路線識別仍然關鍵[34]，事實上已經有學者認為網絡示意化過程中應保持線段的相對長度[25]。此外，一些研究已經將交通網絡中線的長度根據其運行時間進行了相應縮短或伸長(time-distance cartogram)[35]，從而提供給用戶直觀的運行時間專題圖，這種時間信息的表達也可在示意地圖中體現。因此，線段長度相關的設計規(guī)則應考慮在將來網狀地圖示意化研究中，以改善示意地圖認知，豐富示意地圖的表達。

2) 對于整體網絡而言，顧及網絡結構特征的地圖示意化研究仍然不足。在制圖綜合研究中網絡結構特征保持是保證地圖識別一個關鍵因素[36-37]，事實上對于示意地圖仍然適用，盡管基于路劃的網狀地圖示意化方法被提出[19]，然而路劃僅僅是網絡結構特征之一[38]。因此，保持網絡結構特征的設計規(guī)則應是將來自動化示意化研究的重點。此外，美觀性設計規(guī)則仍然欠缺，如地圖設計中對象分布的均衡性和對稱性[34，39]。然而當前并未有相關的設計規(guī)則，這也是造成與人工作品差距大的最主要原因之一。因此，將來的自動化示意化研究對于美觀性設計規(guī)則的制定應予以重視。

3) 對于設計規(guī)則制定方式而言，當前一些設計規(guī)則的制定仍然偏主觀，并未結合當前已經投入使用的示意地圖人工作品設計進行評估，如在現有方法中采用的站點之間距離均勻化、節(jié)點位置保持等，因此，有必要進行進一步的客觀性驗證。此外，對于示意地圖實用性驗證仍然以主觀感知評估為主[14，28]，這種主觀性問卷調查受限于問卷問題的合理性，以及測評者人數、背景及年齡等方面。因此，系統(tǒng)性客觀量化驗證指標的提出十分必要，不僅可以對示意地圖實用性進行客觀評估，而且方便設計規(guī)則的改善，以及對新的設計規(guī)則合理性進行驗證。

四、結束語

本文將現有的設計規(guī)則依據網絡圖形處理，以及地圖顏色和注記配置進行了分類介紹，指出了在現有規(guī)則中有待完善的幾個方面，包括線性簡化方式、線段長度、網絡結構特征、設計規(guī)則偏主觀、設計美觀性和示意圖實用性客觀評估，以期在將來的網狀地圖自動化示意化研究中對這些方面作進一步的改善，從而推動研究的深入，提高示意結果圖的實用性、識別效率和美觀性。

值得注意的是，盡管期待通過在將來自動化示意化研究中改善設計規(guī)則提高示意結果圖的質量，然而人工設計的示意作品是集合地圖設計、圖形設計及美學設計思想的人類高度智能的產物，以全自動方式生成的結果圖也許很難達到人工作品普適性和藝術性的高度。因此，可以采納與用戶交互式半自動化的設計方式，用戶或設計者無須手工繪制，而是通過選擇利于識別及美觀的示意表達，如線路簡化程度、圖形對稱設計中的對稱基準，這種方式可以有效地提高示意結果圖的識別效率與美觀性，應在將來的地圖示意化研究中加以考慮。

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引文格式： 遆鵬，徐柱，肖亮亮，等. 網狀地圖自動化示意化設計規(guī)則研究綜述[J].測繪通報，2015(3)：1-5.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0062

作者簡介：遆鵬(1977—)，男，博士，講師，研究方向為數字地圖制圖與空間數據可視化。E-mail： pengti@hotmail.com

基金項目：四川省應急測繪與防災減災工程技術研究中心開放研究基金(K2014B005)；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃 (NCET-12-0942)；國家自然科學基金 (41201475; 41471383)

收稿日期：2014-09-22

中圖分類號：P28

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)03-0001-05