在線統(tǒng)計(jì)專題地圖知識(shí)規(guī)則構(gòu)建方法及應(yīng)用

魯月新，李維慶，杜清運(yùn)，周 啟，任 福，王 琨

(1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.四川省第二測(cè)繪地理信息工程院，四川 成都 610100)

0 引 言

地圖作為人類認(rèn)識(shí)自然過程中的重要工具，伴隨著人類的發(fā)展。地圖是將地球表面的區(qū)域特征以直觀的方式呈現(xiàn)出來的成果，是信息表達(dá)和傳播的重要載體[1]。在傳統(tǒng)地圖編制過程中，準(zhǔn)備階段需要收集大量的空間數(shù)據(jù)，專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)資料，通過對(duì)數(shù)據(jù)加工處理，根據(jù)地圖用途和地圖專題，結(jié)合豐富的專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行圖幅編繪，以表達(dá)不同的專題信息。最后通過地圖審核，進(jìn)行修訂出版。傳統(tǒng)的專題地圖在設(shè)計(jì)過程中需考慮綜合性、實(shí)用性、先進(jìn)性和藝術(shù)性等原則，涉及到大量的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。尤其在統(tǒng)計(jì)專題地圖編制過程中，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理等準(zhǔn)備工作，導(dǎo)致地圖生產(chǎn)效率不高。

隨著信息化和互聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，地圖的編制和服務(wù)環(huán)境發(fā)生了變化，地圖的應(yīng)用環(huán)境和傳播范圍也有較大不同。在線地圖相比紙質(zhì)地圖有更新快、傳播效率高、不受圖幅限制、表達(dá)方式更多樣等優(yōu)點(diǎn)[2]?；ヂ?lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在地圖領(lǐng)域的應(yīng)用，具有提高數(shù)據(jù)處理效率、擴(kuò)大地圖應(yīng)用范圍、提升編制效率等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)外研究計(jì)算機(jī)技術(shù)在地圖編制的應(yīng)用較多，如注記自動(dòng)配置技術(shù)、基于模板的專題地圖快速制作技術(shù)[3]、專題地圖智能化設(shè)計(jì)技術(shù)等。這些研究針對(duì)地圖生產(chǎn)的某一環(huán)節(jié)，沒有形成地圖生產(chǎn)整個(gè)過程的技術(shù)體系。

通過研究國內(nèi)外優(yōu)秀地圖集產(chǎn)品，總結(jié)統(tǒng)計(jì)專題地圖編制過程中相似的部分，結(jié)合計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)手段，對(duì)地圖編制中最為寶貴的制圖專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)則化，建立結(jié)構(gòu)體系并存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)制圖知識(shí)的復(fù)用和傳播。并將其用于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的專題地圖編制過程，對(duì)于在線統(tǒng)計(jì)專題地圖的編制和生產(chǎn)有重要意義。

1 制圖知識(shí)理論研究

在專題地圖制作過程中，不同專題不同用途地圖具有類似部分，對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行總結(jié)和規(guī)則化表達(dá)，所形成的就是制圖知識(shí)規(guī)則。制圖經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的歸納，具體包括地圖專題劃分、表示規(guī)范、應(yīng)用環(huán)境和制圖知識(shí)適用條件等[4]。通過對(duì)制圖知識(shí)的理論研究，將制圖知識(shí)分為以下幾個(gè)方面：地圖投影知識(shí)、地圖底圖知識(shí)、專題符號(hào)知識(shí)、制圖色彩知識(shí)、地圖版式知識(shí)、其他制圖知識(shí)等[5]。本文對(duì)在線統(tǒng)計(jì)專題地圖知識(shí)理論進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究，作為制圖知識(shí)規(guī)則建立的理論基礎(chǔ)。

地圖空間認(rèn)知：地圖空間認(rèn)知是認(rèn)知科學(xué)在地圖領(lǐng)域的具體應(yīng)用，主要研究人類認(rèn)識(shí)、處理和分析地圖信息的過程。王家耀和陳毓芬研究地圖空間認(rèn)知的基本過程，包括“感知過程、表象過程、記憶過程和思維過程[6]”。感知過程是指地圖的圖形顏色等，直接作用于人的視覺器官，給人初步感覺的過程，這個(gè)過程類似于知覺；表象過程是指通過以往工作生活中經(jīng)驗(yàn)，基于獲得的知覺，通過回憶、聯(lián)想，在腦海中形成印象，即形成心象地圖[7]；記憶過程可理解為對(duì)實(shí)物的分析過程，對(duì)腦海中的印象進(jìn)行分析和聯(lián)想。如一張地表覆蓋地圖中的藍(lán)色圖斑，會(huì)聯(lián)想到水系，綠色圖斑，會(huì)聯(lián)想到植被；思維過程是對(duì)地圖認(rèn)知的過程中最高級(jí)的過程，在心象地圖和聯(lián)想結(jié)果的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)實(shí)世界的地圖認(rèn)知，理解地圖所表示的地理空間區(qū)域特征。在線專題地圖的認(rèn)知是在傳統(tǒng)地圖認(rèn)知的基礎(chǔ)上，對(duì)地圖信息進(jìn)行分析加工的過程[8]。在線專題地圖符號(hào)、顏色、整飾等內(nèi)容的選定都須經(jīng)歷地圖空間認(rèn)知過程，通過研究地圖空間認(rèn)知有助于在線專題地圖知識(shí)規(guī)則的建立。

視覺變量：視覺變量最早是由法國圖形學(xué)家J.Bertin在1967年提出的，目前將他所說的視覺變量稱為基本視覺變量，包括尺寸、色彩、方向、亮度、紋理、形狀6個(gè)變量[9]。地圖已經(jīng)適合于通過多媒體及網(wǎng)絡(luò)方式傳播[10]，衍生出了一類新的符號(hào)視覺變量稱為擴(kuò)展視覺變量，擴(kuò)展視覺變量的實(shí)質(zhì)仍然是靜態(tài)視覺變量。主要有旋轉(zhuǎn)角變量、顆粒度變量、清晰度變量、暈影變量、透明度/模糊度變量、飽和度變量等。隨著符號(hào)學(xué)的不斷發(fā)展，為了將地圖以動(dòng)畫的形式展示地圖動(dòng)態(tài)的變化，所以相關(guān)學(xué)者對(duì)動(dòng)態(tài)視覺變量進(jìn)行了研究。DiBiase（1993）和 MacEachren（1995）的研究表明，目前動(dòng)態(tài)視覺變量主要有持續(xù)時(shí)間、頻率、顯示次序、變化率和同步等。通過對(duì)傳統(tǒng)的專題地圖編制的研究，在線統(tǒng)計(jì)專題地圖編制過程中較為重要的視覺變量有形狀、尺寸、色彩、方向等。

地圖制圖模板：地圖輸出是專題地圖制作的重要組成部分，不同專題和不同用途對(duì)專題制圖的模板都有相應(yīng)的規(guī)定和要求。通過對(duì)各類專題地圖制圖模板研究，得到主要的制圖模板要素有圖廓、圖表、文本、圖例、指北針、比例尺等[11]。圖廓是一個(gè)組合元素，包含內(nèi)外圖框、網(wǎng)格、坐標(biāo)注記等，通過參數(shù)的定義可以形成不同效果的圖廓元素；圖表用于在地圖上顯示各種圖表，包括原始數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果等；文本元素是在頁面中顯示的文字信息，包括圖名、圖號(hào)、制圖單位信息及其他圖面說明等；圖例元素是顯示數(shù)據(jù)的符號(hào)化信息，包括底圖對(duì)象和專題符號(hào)對(duì)應(yīng)的圖例信息；指北針是圖面范圍內(nèi)的指北針元素；比例尺是輸出地圖的比例尺說明信息。對(duì)制圖模板要素的研究，應(yīng)用于專題地圖模板設(shè)計(jì)，得到不同專題地圖對(duì)應(yīng)的制圖模板。

通過研究在線專題地圖用戶的地圖空間認(rèn)知過程、視覺變量和地圖制圖模板，有利于制圖知識(shí)規(guī)則結(jié)構(gòu)體系的建立。將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)按結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行歸納，既有利于知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的傳播，避免制圖過程中的重復(fù)工作，提高知識(shí)的復(fù)用率，又能用于在線統(tǒng)計(jì)專題地圖制圖過程，實(shí)現(xiàn)制圖知識(shí)規(guī)則的有效應(yīng)用。

2 制圖知識(shí)規(guī)則構(gòu)建

制圖知識(shí)規(guī)則是針對(duì)不同專題、不同圖幅統(tǒng)計(jì)專題地圖之間的相似特征，基于在線統(tǒng)計(jì)專題地圖的制圖知識(shí)理論研究，將總結(jié)的知識(shí)經(jīng)過形式化表達(dá)的知識(shí)規(guī)則成果。主要包括專題表達(dá)規(guī)則、制圖色彩規(guī)則、制圖模板規(guī)則。

專題表達(dá)規(guī)則：專題表達(dá)規(guī)則是總結(jié)了眾多優(yōu)秀地圖集整個(gè)制圖過程而形成的一套制圖規(guī)范[12]。規(guī)定了統(tǒng)計(jì)專題地圖所屬圖組、圖名、包含統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、地圖底圖描述、支持統(tǒng)計(jì)符號(hào)、分級(jí)表達(dá)描述、適用制圖版式等信息，以XML文件形式結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)和訪問。其具體結(jié)構(gòu)層次為：圖集分為多個(gè)圖組，圖組包含多個(gè)專題，每個(gè)專題包含多個(gè)專題圖幅。規(guī)則規(guī)定每個(gè)專題圖幅地圖名稱、ID、底圖規(guī)則、符號(hào)規(guī)則、分級(jí)規(guī)則等，限定其數(shù)據(jù)來源和表達(dá)方式。如自然資源圖組中包含社會(huì)經(jīng)濟(jì)和發(fā)展等專題，社會(huì)經(jīng)濟(jì)專題中包括人口與勞動(dòng)力、農(nóng)業(yè)等專題圖的名稱、ID及其他詳細(xì)信息。專題表達(dá)規(guī)則文件在具體應(yīng)用中可根據(jù)用戶制圖需求增加和應(yīng)用范圍推廣而不斷豐富。

制圖色彩規(guī)則：根據(jù)人的視覺感受和制圖經(jīng)驗(yàn)而制定的一套地圖符號(hào)配色規(guī)則，分為圖表色彩規(guī)則和分級(jí)色彩規(guī)則。其中圖表色彩規(guī)則根據(jù)指標(biāo)數(shù)目設(shè)計(jì)了1到10個(gè)指標(biāo)的設(shè)計(jì)規(guī)則，指標(biāo)數(shù)目不同可選擇不同的色彩；對(duì)于表達(dá)相同指標(biāo)的方案又根據(jù)視覺感受設(shè)計(jì)了童真、幻想、新鮮、聰慧、安定、神秘、靈敏、科技、高雅、華美、嚴(yán)謹(jǐn)、清涼等主題，色彩規(guī)則文件結(jié)構(gòu)分為不同色系，對(duì)每個(gè)色系按照指標(biāo)數(shù)量進(jìn)行色值規(guī)定，以RGB格式存儲(chǔ)，視覺樣式效果如圖1(a)所示。分級(jí)色彩規(guī)則設(shè)計(jì)了不同分級(jí)數(shù)量的分級(jí)方案，用于表達(dá)數(shù)據(jù)不同的分布特征。色系分為黃紅色系、藍(lán)色色系、紅色色系、黃綠色系、黃棕色系、棕藍(lán)色系、青黃色系、棕青色系、紫紅色系、青色色系等。分級(jí)色彩視覺樣式效果如圖1(b)所示，制圖色彩庫以XML文件形式存儲(chǔ)和訪問。

圖1 制圖色彩規(guī)則（部分示例）Fig.1 Style of color scheme (part of the samples)

制圖模板規(guī)則：在地圖輸出階段需要對(duì)地圖進(jìn)行圖名、指北針、圖例、比例尺、制圖單位、插圖、表格、制圖人等地圖整飾進(jìn)行設(shè)定，構(gòu)建不同的地圖布局和地圖整飾內(nèi)容。地圖的布局主要分為橫向和縱向兩類布局，對(duì)頁面整體設(shè)計(jì)有不同的要求。制圖模板庫以參數(shù)表的形式存儲(chǔ)，表中詳細(xì)記錄各個(gè)制圖要素的位置信息和屬性信息。在專題地圖輸出時(shí)，讀取參數(shù)表生成相應(yīng)的模板效果[13]。本研究總結(jié)和設(shè)計(jì)了多個(gè)專題地圖模板，部分地圖模板如圖2所示。

選擇不是漫無邊際的，而應(yīng)該有一定的規(guī)則和限度，即規(guī)定好范圍的有限選擇。這就需要家長掌握好“尺度”，既不要包辦代替，又不要無原則地過度滿足他。

圖2 專題地圖模板示例圖Fig.2 Example diagram of cartographic template

制圖知識(shí)規(guī)則是對(duì)制圖經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的總結(jié)歸納，以可讀文件的形式結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，有利于知識(shí)的積累和復(fù)用?；谥R(shí)規(guī)則可快速編制符合制圖規(guī)范、表達(dá)主題的統(tǒng)計(jì)專題圖，提高在線統(tǒng)計(jì)專題地圖編制的效率。本研究建設(shè)的制圖知識(shí)規(guī)則主要成果，可用于在線統(tǒng)計(jì)專題地圖編制的過程中，其流程如圖3所示。

圖3 基于制圖知識(shí)規(guī)則的在線制圖路線圖Fig.3 Technology roadmap of online thematic map based on cartographic knowledge rules

3 應(yīng)用實(shí)例

在本文構(gòu)建的制圖知識(shí)規(guī)則基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)，將制圖知識(shí)規(guī)則用于在線統(tǒng)計(jì)專題地圖編制的過程中。制圖知識(shí)規(guī)則既是建立在線統(tǒng)計(jì)專題地圖制作應(yīng)用系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)的重要組成[12]。本文基于建設(shè)的制圖知識(shí)規(guī)則庫，設(shè)計(jì)并完成了基于制圖知識(shí)規(guī)則的在線統(tǒng)計(jì)專題地圖編制應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

參照?qǐng)D3所示路線，結(jié)合動(dòng)態(tài)專題地圖服務(wù)技術(shù)，將制圖知識(shí)規(guī)則庫應(yīng)用于在線統(tǒng)計(jì)專題地圖編制應(yīng)用系統(tǒng)中。制圖知識(shí)規(guī)則在系統(tǒng)構(gòu)建中應(yīng)用過程如下：

1）將專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化處理，并按專題分類，利用專題表達(dá)規(guī)則內(nèi)容，進(jìn)行圖組和圖幅的劃分，為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)選取提供依據(jù)，將每一幅專題圖所需要的數(shù)據(jù)查詢以視圖方式存儲(chǔ)，供對(duì)應(yīng)專題地圖在線調(diào)用。

2）對(duì)可用專題符號(hào)表示的數(shù)據(jù)，基于制圖色彩規(guī)則內(nèi)容，選定符號(hào)的色彩方案，調(diào)用符號(hào)繪制引擎生成對(duì)應(yīng)的符號(hào)，形成專題符號(hào)圖層。生成的圖層符合專題的表達(dá)內(nèi)容和應(yīng)用場(chǎng)景。

3）對(duì)可用質(zhì)底法表示的專題數(shù)據(jù)，采用分級(jí)渲染的方式，以分層設(shè)色的方法表示，制圖色彩規(guī)則為分級(jí)圖的顏色方案提供依據(jù)。

4）以專題數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合專題表達(dá)規(guī)則、制圖色彩規(guī)則調(diào)用符號(hào)繪制引擎，生成專題符號(hào)圖層?；趯ｎ}表達(dá)規(guī)則內(nèi)容，與合適的地圖底圖疊加。利用制圖模板規(guī)則，進(jìn)行地圖整飾要素的配置，形成完整的專題地圖。

圖4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)圖組包含的圖幅Fig.4 Maps in the Socio-Economic group

選擇某一專題圖幅，根據(jù)ID號(hào)獲取對(duì)應(yīng)專題圖幅的結(jié)構(gòu)化規(guī)則，根據(jù)規(guī)則內(nèi)容初始化一幅專題地圖。規(guī)則限定了專題圖的符號(hào)信息、底圖信息、圖例信息、分級(jí)信息等。用戶可在規(guī)則內(nèi)容中根據(jù)需求選取合適的表達(dá)方式，并利用制圖模板規(guī)則制作專題地圖，具體效果如圖5所示。

圖5 專題圖制作Fig.5 Thematic map compiling

4 結(jié)束語

本文針對(duì)統(tǒng)計(jì)專題地圖制作中經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的特點(diǎn)，通過對(duì)制圖知識(shí)的研究，設(shè)計(jì)并建立了Web環(huán)境下的統(tǒng)計(jì)專題地圖知識(shí)規(guī)則。有效地解決了制圖經(jīng)驗(yàn)知識(shí)不易重復(fù)利用和傳播效率低等問題。利用在線動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)技術(shù)將制圖知識(shí)規(guī)則應(yīng)用到在線統(tǒng)計(jì)專題地圖制作中，有效地提高了統(tǒng)計(jì)專題地圖制作的效率和質(zhì)量，檢驗(yàn)了技術(shù)方法的可行性，為制圖知識(shí)的總結(jié)及其在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用提供了有效的解決方案。下一步的工作將在特殊專題的知識(shí)表達(dá)、總結(jié)豐富制圖知識(shí)規(guī)則、擴(kuò)大應(yīng)用環(huán)境等方面開展更深入的研究。