地圖圖例設(shè)計(jì)的新模式：圖例可視化

周夢(mèng)杰,王 睿,買淑敏,萬義良,田 晶

(1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410006；2.地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410006；3.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

圖例是地圖上使用符號(hào)的歸納和地圖內(nèi)容的必要說明[1]，它是解譯地圖的重要工具，同時(shí)也是溝通制圖者和用圖者的橋梁。傳統(tǒng)的圖例系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般按照系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)、圖示符號(hào)的設(shè)計(jì)與定義3個(gè)基本步驟進(jìn)行[2]。制圖者在設(shè)計(jì)圖例時(shí)已形成一種“設(shè)計(jì)符號(hào)，按順序擺放”的固化思維方式，難以跳出地圖設(shè)計(jì)的固有模式[3]。

制圖者通常將重心放在圖示符號(hào)的設(shè)計(jì)與定義上，將要表達(dá)的內(nèi)容由概念思維轉(zhuǎn)換成地圖形象語言。然而，圖例要素間具有一定的關(guān)系與結(jié)構(gòu)，如語義上的層次結(jié)構(gòu)與時(shí)間順序關(guān)系。更進(jìn)一步，圖例要素之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)并不是顯式表達(dá)，而是暗含于符號(hào)的色調(diào)、飽和度以及紋理的差異之中。在圖例要素的擺放上，通常按照一維順序并輔以適當(dāng)?shù)拈g距來強(qiáng)調(diào)圖例要素的結(jié)構(gòu)，用圖者較難理解或者注意到圖例要素間的關(guān)系與結(jié)構(gòu)。同時(shí)，地圖只能表達(dá)地理現(xiàn)象的空間分布特征，無法直觀地表達(dá)地理現(xiàn)象的非空間信息，如統(tǒng)計(jì)信息，這些非空間信息的表達(dá)可以與圖例的表達(dá)相結(jié)合[4]。用圖者借助于圖例把圖像語言轉(zhuǎn)換成概念或自然語言，期望圖例能夠包含更加豐富的信息，如圖例要素關(guān)系、結(jié)構(gòu)直觀，易于理解和使用，具有藝術(shù)性[5]。

針對(duì)傳統(tǒng)按順序羅列符號(hào)的圖例設(shè)計(jì)方式不能滿足用圖者需求的問題，國內(nèi)外學(xué)者從圖例設(shè)計(jì)技術(shù)及圖例基本設(shè)計(jì)原則兩大方面展開了積極探索[5-19]。相較于已有的研究成果，本研究主要關(guān)注圖例設(shè)計(jì)技術(shù)與可視化方法及動(dòng)態(tài)交互手段的結(jié)合，有效表達(dá)圖例要素的屬性及其相關(guān)關(guān)系，豐富圖例所傳達(dá)的信息。

為了使圖例表達(dá)更多有用的信息，同時(shí)顯示表達(dá)圖例要素間的空間關(guān)系，本文在對(duì)地圖圖例要素分析的基礎(chǔ)上，提出了圖例可視化及動(dòng)態(tài)交互的地圖圖例設(shè)計(jì)模式。利用可視化的方法對(duì)地圖圖例進(jìn)行表達(dá)，圖例不僅僅作為“圖邊的說明”幫助完成地圖信息的傳輸，同時(shí)也作為地圖的重要組成部分顯式表達(dá)、傳遞地圖所不能表達(dá)的相關(guān)信息，如要素統(tǒng)計(jì)信息和結(jié)構(gòu)信息。圖例可視化能夠利用讀圖者眼睛的感知能力強(qiáng)化對(duì)圖例要素的認(rèn)知理解，提高完成讀圖任務(wù)的效率。此外，隨著電子地圖技術(shù)的不斷發(fā)展完善，電子地圖的應(yīng)用日益廣泛，以用戶為核心的個(gè)性化定制地圖越來越重要。在電子地圖中，圖例可以與多種多樣的動(dòng)態(tài)交互方式相結(jié)合[20]，有效地優(yōu)化用戶體驗(yàn)，提高信息傳輸效率。

1 地圖圖例要素的分析

1.1 圖例要素表達(dá)的尺度

根據(jù)地圖上要素表達(dá)的尺度，圖例要素可分為兩大類：表達(dá)質(zhì)量特征的(定性)圖例，如圖1(a)所示；以及表達(dá)數(shù)量特征的(定量)圖例，如圖1(b)所示。

圖1 地圖圖例的類型

1.2 圖例要素之間的關(guān)系

圖例中的各要素通常不是獨(dú)立存在的，它們之間有一定的關(guān)系。圖例要素之間的關(guān)系可分為：空間關(guān)系、語義關(guān)系、時(shí)間關(guān)系。

空間關(guān)系：某些定性圖例要素之間存在一定的空間關(guān)系，如橋跨越水面、溝壑或道路等(點(diǎn)在線上，如圖2(a) ，橋?yàn)椴灰辣壤弑硎镜姆?hào))，水系交匯處為兩不同流向河流交匯處(面與面相接，如圖2(b))，海島是海中四周環(huán)水且常年高出水面的陸地(面在面內(nèi)，如圖2(c))。在地圖圖例上這些定性要素通常會(huì)輔助以與其具有空間關(guān)系的要素進(jìn)行表達(dá)。

語義關(guān)系：某些圖例帶有分類系統(tǒng)，如地貌類型圖中的圖例表達(dá)了形態(tài)系列(平原-丘陵-山地)以及成因因素這兩個(gè)指標(biāo)的綜合情況；或是圖例要素之間還具有層次結(jié)構(gòu)，如土壤類型圖，表示土壤覆蓋層的發(fā)生類別——土類、亞類、土屬(組)、土種及變種的地理分布。在地圖圖例上通常以色彩的差別(色調(diào)、色相、飽和度的差異)以及紋理的差別表現(xiàn)要素的分類系統(tǒng)以及層次結(jié)構(gòu)關(guān)系。

圖2 圖例要素的空間關(guān)系

時(shí)間關(guān)系：某些圖例要素間具有時(shí)間的順序，如在地質(zhì)圖中地層年代的新舊。在地圖圖例上通常以色彩的差別來表現(xiàn)圖例要素間的時(shí)間關(guān)系，如地層年代中較淺的顏色通常代表較新的地層，較深的顏色通常代表較舊的地層。

2 地圖圖例的可視化表達(dá)

地圖圖例除了應(yīng)包含地圖上使用的所有符號(hào)以外，還應(yīng)當(dāng)向用圖者傳遞更多的與地圖內(nèi)容相關(guān)的信息和知識(shí)。地圖主圖反映地理現(xiàn)象的空間情況，展現(xiàn)地理現(xiàn)象的空間分布特征和分布規(guī)律，而圖例除了表達(dá)地理現(xiàn)象與地圖上符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以外，還應(yīng)以一種用圖者易于理解的形式展現(xiàn)與地理現(xiàn)象相關(guān)的非空間信息，以幫助用圖者更好地閱讀、理解和分析地圖。圖例的可視化能夠形成圖例要素的感知圖像，強(qiáng)化用圖者的認(rèn)識(shí)理解，提高信息認(rèn)知的效率。在第二節(jié)地圖圖例要素分析的基礎(chǔ)上，對(duì)圖例要素自身的信息、以及圖例要素間的關(guān)系進(jìn)行可視化，并此提出了4類圖例的設(shè)計(jì)模式：①圖例及其統(tǒng)計(jì)信息可視化；②圖例要素及其空間關(guān)系可視化；③圖例要素及其語義關(guān)系可視化；④圖例要素及其時(shí)間關(guān)系可視化。圖例要素自身信息的表達(dá)與圖例要素關(guān)系的表達(dá)并不是割裂的關(guān)系，兩者間可以互相結(jié)合，單個(gè)圖例要素表達(dá)其對(duì)應(yīng)地理現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)信息，而圖例要素的布局則可以反映圖例要素間的關(guān)系。

2.1 圖例及其統(tǒng)計(jì)信息可視化

地圖反映地理現(xiàn)象的空間分布情況，圖例則可作為一種統(tǒng)計(jì)圖反映地理現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)分布情況，如條形統(tǒng)計(jì)圖、頻率(數(shù))分布圖[21]、累計(jì)頻率(數(shù))分布圖[4]等。將圖例設(shè)計(jì)為統(tǒng)計(jì)圖形式時(shí)，對(duì)于圖例要素本身，將其尺寸與其對(duì)應(yīng)的地理現(xiàn)象的某個(gè)統(tǒng)計(jì)信息相對(duì)應(yīng)，如圖3所示，圖例除了表示符號(hào)的含義以外，還表示了圖例要素對(duì)應(yīng)的土地利用類型的面積，由圖例上可以清晰看出各類土地利用類型所占的面積情況；如圖4所示，圖例除了表示符號(hào)的含義以外，還表示了屬于級(jí)別的地理要素的頻數(shù)，由圖例上可以看出位于地區(qū)生產(chǎn)總值的10 000～20 000 億元區(qū)間的省份數(shù)最多。

圖3 統(tǒng)計(jì)圖圖例—條形統(tǒng)計(jì)圖與圖例相結(jié)合

圖4 統(tǒng)計(jì)圖圖例—頻數(shù)分布直方圖與圖例相結(jié)合

2.2 圖例要素及其空間關(guān)系可視化

某些圖例要素之間存在一定的空間關(guān)系，設(shè)計(jì)圖例時(shí)可建立圖例要素間的空間關(guān)系，并據(jù)此排列圖例要素，將圖例設(shè)計(jì)成一幅“縮小的地圖”[7]。圖5為地形圖的圖例，圖例上的各要素按照?qǐng)D例要素可能具有的空間關(guān)系排列。這樣的表達(dá)使得圖例要素之間的空間關(guān)系得以清晰、直觀表達(dá)，符合人的認(rèn)知特點(diǎn)，易于用圖者查找和理解地圖上符號(hào)的含義。

2.3 圖例要素及其語義關(guān)系可視化

某些圖例帶有分類系統(tǒng)，或是圖例要素之間還具有語義上的層次結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)圖例時(shí)可對(duì)圖例要素間的語義上的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化表達(dá)，而不是簡(jiǎn)單地按照順序排列圖例要素。在信息可視化中，結(jié)構(gòu)關(guān)系的表達(dá)可采用節(jié)點(diǎn)-鏈接法、空間填充方法[9]以及節(jié)點(diǎn)-鏈接法與空間填充法相結(jié)合這3大類方法，如圖6所示，同一結(jié)構(gòu)關(guān)系采用了不同的方法可視化。節(jié)點(diǎn)-鏈接法(見圖6(a))能清晰、直觀地顯示圖例要素層次結(jié)構(gòu)，但不能有效地利用空間，不利于圖例要素非空間信息的表達(dá)?？臻g填充法—Treemap[22-23](見圖6(b))通過矩形之間的相互嵌套來隱喻表達(dá)圖例要素之間的層次關(guān)系，Treemap中顯式表達(dá)葉子節(jié)點(diǎn)，中間層次的節(jié)點(diǎn)被隱藏，能夠有效地利用空間，同時(shí)還可利用矩形的尺寸可表達(dá)圖例要素的非空間信息。節(jié)點(diǎn)-鏈接法與空間填充法的結(jié)合采用空間填充的區(qū)域表達(dá)節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間的位置關(guān)系則編碼了彼此之間的層次關(guān)系，如Sunburst[25](圖6(c))，Icicle Tree[26](圖6(d))。采用這種方法易于分辨圖例要素的層次結(jié)構(gòu)，同時(shí)還可利用填充區(qū)域的尺寸表示圖例要素的非空間信息。此外，在Treemap中，矩形的布局可采用兩種方式：①根據(jù)圖例要素的空間位置[24]布局，盡量保持圖例要素在Treemap中的位置與地圖上要素在空間位置上的相似性；②根據(jù)圖例要素對(duì)應(yīng)的非空間信息布局，可根據(jù)圖例要素對(duì)應(yīng)的非空間信息值排序。

圖5 圖例要素及其空間關(guān)系可視化

圖6 幾種層次可視化方法原理

圖7(a)為某地區(qū)地貌區(qū)劃圖，圖7(b)為其對(duì)應(yīng)的常規(guī)圖例。圖7(c)、圖7(d)采用Treemap對(duì)圖例進(jìn)行可視化表達(dá)，矩形的面積與該類型區(qū)劃的面積相對(duì)應(yīng)，在圖例要素的布局上，圖7(c)根據(jù)圖例要素的空間位置布局，以便于用圖者查找對(duì)應(yīng)地理現(xiàn)象的含義，7(d)根據(jù)圖例要素對(duì)應(yīng)區(qū)劃面積值按大小從高到低排列[9]，能夠表現(xiàn)地理現(xiàn)象屬性信息的分布情況。圖7(e)利用Sunburst對(duì)圖例進(jìn)行可視化表達(dá)，各扇區(qū)的面積與圖例所對(duì)應(yīng)的地貌區(qū)劃面積相對(duì)應(yīng)，圖例要素結(jié)構(gòu)清晰，成圖美觀。

2.4 圖例要素及其時(shí)間關(guān)系可視化

某些圖例要素之間具有線性時(shí)間的順序，同時(shí)還可能具有時(shí)間上的層次結(jié)構(gòu)?？蓪?duì)圖例要素及其時(shí)間關(guān)系進(jìn)行可視化，利用圖例要素的布局，以一種直觀、清晰的方式表現(xiàn)圖例要素間的時(shí)間關(guān)系，幫助用圖者更好地掌握?qǐng)D例要素時(shí)間上的邏輯結(jié)構(gòu)，加深對(duì)地圖表達(dá)內(nèi)容的理解。對(duì)于具有線性時(shí)間順序的圖例，將圖例要素按照一維的時(shí)間順序排列，對(duì)于具有時(shí)間層次結(jié)構(gòu)的圖例要素，可考慮使用層次結(jié)構(gòu)可視化方法表現(xiàn)圖例。如地質(zhì)圖中，地層有新老之分，具有時(shí)間概念，地層應(yīng)該由新到老來布置，此外，年代地層單位還具有時(shí)間上的層次結(jié)構(gòu)，國際地層年代表中最大的時(shí)間單位是宇，宇下分界，界下分系，系下分統(tǒng)，統(tǒng)下分階，特別的，在石炭系下分出了亞系，并在亞系下分統(tǒng)。如圖8所示，利用Icicle tree[26]可對(duì)具有時(shí)間上層次結(jié)構(gòu)的地質(zhì)年代圖例進(jìn)行可視化。

3 動(dòng)態(tài)交互的地圖圖例

不同于傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖圖例，電子地圖圖例可移動(dòng)、可縮放，具有交互性、動(dòng)態(tài)性及多維性[20]。對(duì)電子地圖圖例的特性加以分析利用，能夠設(shè)計(jì)出多種多樣的動(dòng)態(tài)可交互圖例。動(dòng)態(tài)可交互的圖例能夠幫助用圖者快速地獲取圖中信息，優(yōu)化用戶讀圖體驗(yàn)，提高信息傳輸效率。根據(jù)圖例作用的對(duì)象不同，動(dòng)態(tài)交互圖例可分為3大類：①通過交互改變圖例本身；②通過交互改變圖上內(nèi)容；③通過交互獲取圖外信息。

圖7 圖例要素及其語義關(guān)系可視化

圖8 利用Icicle tree對(duì)地質(zhì)年代圖圖例進(jìn)行可視化

3.1 改變圖例本身的動(dòng)態(tài)交互圖例

在傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖中，圖例通常被放置在圖中的固定位置，雖然不可縮放、不可平移，但一般來說都處于用戶目視范圍之內(nèi)，便于用圖者瀏覽參考。而通常電子地圖中對(duì)地圖進(jìn)行縮放、平移等操作后，圖例不會(huì)在當(dāng)前視口顯示，使得用圖者在讀圖過程中往往需要反復(fù)縮放、拖動(dòng)來瀏覽圖例。為了方便用戶使用電子地圖圖例，可以創(chuàng)建單獨(dú)的圖例框，使用戶可以輕松地控制圖例移動(dòng)、縮放、創(chuàng)建、關(guān)閉，也可以將圖例設(shè)置為可伴隨鼠標(biāo)移動(dòng)的模式。如圖9所示，當(dāng)鼠標(biāo)停留在圖中某符號(hào)上時(shí)，圖例懸浮出現(xiàn)，為用戶理解圖上內(nèi)容提供幫助。相比于傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖圖例，這種交互方式提高了用戶獲取圖中信息的速度，并可有效地優(yōu)化用戶感受。

圖9 圖例伴隨鼠標(biāo)移動(dòng)

此外，通過交互還可以改變圖例的表示方式。如圖10所示，圖例可以設(shè)計(jì)為按序排列的矩形色塊，也可以采用2.1節(jié)的方式，表達(dá)要素統(tǒng)計(jì)信息，設(shè)計(jì)為條形統(tǒng)計(jì)圖圖例或環(huán)形圖例，通過交互可以實(shí)現(xiàn)三者之間的切換，便于不同用戶選擇更適用于其關(guān)注焦點(diǎn)的圖例。

3.2 改變圖上內(nèi)容的動(dòng)態(tài)交互圖例

電子地圖環(huán)境下用戶可通過對(duì)圖例的交互控制地圖內(nèi)容，如控制圖上某些要素是否顯示，某些要素是否突出表達(dá)，以及改變地圖表達(dá)的尺度等。通過建立地圖與圖例之間關(guān)聯(lián)[14]，將圖例可作為地圖表達(dá)的“控制器”，方便非專業(yè)人員從地圖上高密度的信息中獲取更多感興趣的知識(shí)。

1)圖層控制圖例。圖層控制圖例是利用圖例作為電子地圖的圖層控制器，用戶通過圖例控制圖例對(duì)應(yīng)要素圖層在地圖上的顯示與隱藏，如圖11所示，當(dāng)表示幼兒園(紅色圓)和中學(xué)(綠色圓)的圖例要素被勾選時(shí)，地圖中關(guān)于幼兒園和中學(xué)的地理要素圖層在圖中顯示，而其他未被勾選的要素圖層(小學(xué)和大學(xué))在地圖中未顯示。這種交互方式易于理解，操作簡(jiǎn)便，方便用戶根據(jù)特定需求訂制地圖內(nèi)容，能夠減少圖中的干擾，突出主體信息，幫助用戶集中注意力。

圖10 切換圖例表達(dá)方式

圖11 圖例控制圖層開關(guān)

2)要素視覺控制圖例。除了控制圖層開關(guān)之外，電子地圖圖例還能夠控制圖上要素的視覺屬性。例如，當(dāng)用戶需要查找圖中某類要素的分布情況時(shí)，可以通過單擊該類要素所對(duì)應(yīng)的圖例，使得其對(duì)應(yīng)的圖中要素高亮、閃爍或加粗，這種交互手段能夠使被選中的圖中要素視覺層次迅速提升，便于用戶對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和分析，如圖12所示。

圖12 圖例控制圖中要素高亮顯示

3)變尺度表達(dá)圖例。變尺度表達(dá)圖例可以通過交互控制地圖要素以不同尺度進(jìn)行表達(dá)。通過改變地圖的表達(dá)尺度，可以方便用戶獲取要素的整體分布情況和具體結(jié)構(gòu)特征，不同的表達(dá)尺度可以更好地為不同需求的用戶提供更合理的服務(wù)。如圖13 所示(左側(cè)為圖例，右側(cè)為其對(duì)應(yīng)的地圖)，環(huán)形圖例的不同展開層級(jí)控制圖上內(nèi)容的不同表達(dá)語義尺度，當(dāng)圖中環(huán)形圖例一級(jí)展開時(shí)，地圖只顯示一級(jí)分類；而單擊Ⅱ類區(qū)域圖例使其第二級(jí)展開后，Ⅱ類區(qū)域被分為Ⅱ1-Ⅱ8小類以深淺不一的紫色表現(xiàn)，相應(yīng)地地圖中的Ⅱ類區(qū)域也被分為8小類。對(duì)部分只關(guān)心該區(qū)域整體情況的用圖者來說，其二級(jí)分類是不必要的，所以只顯示一級(jí)分類能夠減少信息冗余；而對(duì)部分關(guān)心該區(qū)域具體情況的用戶來說，一級(jí)分類不能表達(dá)出細(xì)節(jié)信息，二級(jí)分類圖則能夠提高信息密度，補(bǔ)充信息細(xì)節(jié)。

3.3 獲取圖外信息的動(dòng)態(tài)交互圖例

此外，在電子地圖中，用戶通過圖例交互可以獲得與圖中內(nèi)容有關(guān)、但地圖中難以表達(dá)的信息。例如可以通過單擊圖例要素跳轉(zhuǎn)至文字、圖片、視頻等多媒體資源，如圖14所示。這種交互方式可以大大地豐富電子地圖的內(nèi)容，也能夠幫助構(gòu)建更加完整的知識(shí)表達(dá)。

圖13 圖例控制以不同尺度表達(dá)圖中要素

圖14 圖例補(bǔ)充表達(dá)圖外信息

4 結(jié) 論

本文提出了圖例設(shè)計(jì)的新模式，即利用可視化的方法對(duì)圖例進(jìn)行表達(dá)。在地圖圖例要素分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)圖例的特征提出了4種圖例可視化策略：圖例及其統(tǒng)計(jì)信息可視化、圖例要素及其空間關(guān)系可視化、圖例要素及其語義關(guān)系可視化、圖例要素及其時(shí)間關(guān)系可視化。圖例可視化能夠利用讀圖者眼睛的感知能力加強(qiáng)對(duì)圖例要素的認(rèn)知理解，提高完成讀圖任務(wù)的效率。此外，本文還總結(jié)了電子地圖環(huán)境下動(dòng)態(tài)交互圖例設(shè)計(jì)的基本方法，通過添加動(dòng)態(tài)交互功能，圖例能夠優(yōu)化用戶體驗(yàn)，控制地圖上信息的表達(dá)，豐富地圖內(nèi)容，提高信息傳輸效率。進(jìn)一步的研究工作將關(guān)注多維電子地圖圖例的動(dòng)態(tài)交互及地圖時(shí)序信息的圖例控制方法。