三維電子地圖的天氣LOD符號設(shè)計(jì)

鮑曉宇 武光瑩

(武漢大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430079)

0 引言

地圖符號作為地圖“語言”構(gòu)成的基本單位,承擔(dān)著語義表達(dá)與傳送的任務(wù),制圖者借助其向用戶傳遞信息。隨著動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)的出現(xiàn),用戶希望地圖符號能自適應(yīng)可變,獲得符號多細(xì)節(jié)的現(xiàn)象揭示。為了滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同用戶的需求,多層次可視化(levels of detail, LOD)技術(shù)需要引入到地圖符號設(shè)計(jì)中。LOD自1976年克拉克(Clark)提出后,由于其符合人類空間認(rèn)知的規(guī)律,在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在地圖領(lǐng)域,LOD常用在空間、語義及時(shí)間比例尺下對空間形態(tài)、屬性及動(dòng)態(tài)等信息進(jìn)行綜合及可視化[1]。目前關(guān)于LOD技術(shù)在具體類型符號的研究成果較少,如在郭星辰等人[2]的《多細(xì)節(jié)層次的三維植被符號設(shè)計(jì)》和藍(lán)貴文等人[3]的《排水管網(wǎng)多尺度幾何語義建?！分?分別探討了LOD技術(shù)在植被和城市排水管網(wǎng)符號設(shè)計(jì)中的作用,但在點(diǎn)狀符號設(shè)計(jì)中,關(guān)于LOD技術(shù)運(yùn)用的研究還比較缺乏。本研究針對這一缺陷,試圖對點(diǎn)符號設(shè)計(jì)引入LOD思想,探索點(diǎn)符號表達(dá)的多層次化語法規(guī)則。

傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)地圖所使用的的天氣符號屬于二維符號的范疇,主要采用單一的二維圖標(biāo)表示對應(yīng)區(qū)域當(dāng)天的天氣狀況。雖然表達(dá)效果簡潔直觀,但符號樣式單一,用戶無法獲取多層次的天氣現(xiàn)象展示。針對上述不足,本文在傳統(tǒng)天氣符號的基礎(chǔ)上,將多尺度表達(dá)與天氣符號設(shè)計(jì)相結(jié)合,對LOD技術(shù)在天氣符號中的應(yīng)用做了探索和研究。

1 符號表達(dá)對象的多尺度分析

地理現(xiàn)象的多尺度表達(dá)包括語義、空間、時(shí)間三個(gè)層次[4],分別側(cè)重于不同的方向,本文從語義、空間兩個(gè)層次(本文的研究不涉及時(shí)間層次的多尺度分析)并結(jié)合天氣類型的級別劃分,設(shè)計(jì)如表1所示的天氣符號多細(xì)節(jié)層次模型。如表1所示,天氣多細(xì)節(jié)層次模型共包含LOD0至LOD3四層模型,分別代表不同級別的天氣劃分和區(qū)域尺度。本文使用區(qū)域級別尺度來對應(yīng)符號LOD層級的變化,而并未使用精確的視點(diǎn)距離來進(jìn)行LOD的切換,主要理由有以下兩點(diǎn)：(1)本文的符號展示場景為三維場景且符號表示整個(gè)區(qū)域的天氣類型而非常見的地物,故而視點(diǎn)距離不容易計(jì)算;(2)使用區(qū)域級別進(jìn)行LOD尺度的切換與符號的表示區(qū)域相契合。

表1 LOD層次

1.1 語義多尺度表達(dá)

地理語義作為地圖符號所蘊(yùn)含的信息,主要描述關(guān)于地理現(xiàn)象數(shù)據(jù)的含義,在地圖符號的設(shè)計(jì)中具有重要的作用[5-7]。地理要素的語義主要包括兩個(gè)方面：語義描述與屬性信息,其語義層次關(guān)系可借助哲學(xué)中的本體論概念劃分為kind-of、instance-of、part-of和attribute-of四種類型[8],對應(yīng)于種類、實(shí)例、部分、屬性的層次關(guān)系描述。

本文關(guān)于天氣符號語義的LOD表達(dá)將從天氣符號的廣度、粒度兩個(gè)分支共同完成：語義廣度描述了天氣符號所包含的所有類型種類;語義粒度是劃分層次、類別的最小度量單位,在本文表示為天氣符號的二級天氣劃分。表2對天氣類型進(jìn)行了兩級劃分,一級劃分屬于定性的區(qū)分,用以區(qū)別不同的天氣類型;二級劃分屬于定量的劃分,在一級天氣劃分的基礎(chǔ)上再進(jìn)行精確的定量劃分,例如根據(jù)降水量的不同將下雨天氣區(qū)分為小雨、中雨等。LOD0層符號代表最大尺度的國家和省份區(qū)域天氣類型。該層符號主要表現(xiàn)出天氣的一級定性劃分,區(qū)別出不同的天氣類型。LOD1層次描述符號所對應(yīng)天氣類型在天氣一級劃分下的二級劃分且符號所表示的區(qū)域縮小,僅代表城市級別區(qū)域的天氣類型。在符號語義上,LOD0層體現(xiàn)同屬一級天氣類型的所有二級天氣類型的共同特征,LOD1層則體現(xiàn)了特定二級天氣類型的定量特征,符號類型更加精細(xì)化,體現(xiàn)了符號在語義方向的多尺度表達(dá)。

表2 天氣類型劃分

1.2 空間多尺度表達(dá)

空間上的多尺度表達(dá)也屬于綜合的一種表現(xiàn),遵循人們對物體觀察的詳細(xì)程度與視點(diǎn)距離呈反比的空間規(guī)律?？臻g的多尺度表達(dá)即面向空間信息的多尺度表達(dá),而空間信息主要包括空間位置信息與幾何形態(tài)信息,本文的天氣符號設(shè)計(jì)主要基于幾何形態(tài)信息進(jìn)行多尺度表達(dá)。

LOD0和LOD1層皆表現(xiàn)為二維符號,而LOD2層突破了傳統(tǒng)二維地圖符號的限制,屬于三維符號的范疇。當(dāng)用戶的視角由整個(gè)城市切換成更小的區(qū)縣尺度時(shí),則需要加載該層符號。LOD3層為天氣符號表現(xiàn)的最高層次,著重表現(xiàn)符號對應(yīng)天氣在現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)狀況。本文采用粒子系統(tǒng)制作該層符號。當(dāng)?shù)貓D縮放至可以清楚地看到城市的主干道時(shí),應(yīng)將LOD2層符號切換成粒子系統(tǒng)制作的“真實(shí)符號”。LOD1至LOD3在語義上都表現(xiàn)為精確的二級天氣劃分,在空間上體現(xiàn)了符號所表示區(qū)域級別的遞減,從城市級別到區(qū)縣級別以至最低層次的主干道級別,且符號的細(xì)節(jié)程度不斷增加,體現(xiàn)了符號在空間方向的多尺度表達(dá)。

1.3 三維動(dòng)態(tài)現(xiàn)象表達(dá)的LOD

本文設(shè)計(jì)的天氣多尺度符號模型同時(shí)含有二維符號和三維符號,其中關(guān)于二維地圖符號的理論及應(yīng)用已經(jīng)較為成熟,而三維符號的設(shè)計(jì)與應(yīng)用仍處于摸索階段,現(xiàn)就三維地圖符號的相關(guān)理論做簡要介紹。

與二維符號相比,三維符號可以表示直觀的空間高程信息,更加形象地反應(yīng)空間目標(biāo)的位置屬性等信息[9],但設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜。關(guān)于三維符號設(shè)計(jì)的研究,不同學(xué)者側(cè)重于不同的方向,其中三維地圖符號的視覺變量研究受到廣泛的關(guān)注[10-12]。關(guān)于三維地圖符號描述狀態(tài)的視覺變量,不同學(xué)者存在不同的看法,但主要包括形狀、尺寸、色彩、紋理、亮度、空間姿態(tài)等六個(gè)方面的參量。此外,三維地圖符號在二維地圖符號關(guān)于狀態(tài)方面描述的基礎(chǔ)上,增加了動(dòng)態(tài)特征、交互操作等新的參量,豐富了地圖符號所表達(dá)的信息,形成獨(dú)特的三維動(dòng)態(tài)符號。動(dòng)態(tài)特征參量主要包括發(fā)生時(shí)長、變化速率、變化次序、節(jié)奏等[13],傳遞了動(dòng)態(tài)變化的信息。除了動(dòng)態(tài)特征參量能夠表達(dá)直觀的動(dòng)態(tài)特征外,交互操作也體現(xiàn)了三維符號的動(dòng)態(tài)性,主要包括旋轉(zhuǎn)、縮放、LOD調(diào)整、陰影展示等操作。

2 天氣符號的LOD設(shè)計(jì)

如上文所述,本文對天氣符號共設(shè)計(jì)了LOD0至LOD3四個(gè)層次,彼此之間存在一定差異,因此具體的設(shè)計(jì)也互相不同,且存在一些細(xì)節(jié)需要注意,現(xiàn)將不同LOD層次符號的設(shè)計(jì)及相關(guān)細(xì)節(jié)闡述如下：LOD0層和LOD1層的符號主要描述符號所屬天氣類型的一級劃分和二級劃分,LOD0層的符號更具有代表性,而LOD1層的符號更加具象化。對于LOD1層,本文采用傳統(tǒng)的二維天氣預(yù)報(bào)地圖中已有的天氣圖標(biāo),無須重新設(shè)計(jì)。LOD0層符號是對LOD1層符號的更高層次抽象,通過提取二級劃分天氣的共同特征,在LOD1層的傳統(tǒng)天氣符號基礎(chǔ)上抽象化簡得到。設(shè)計(jì)LOD0層符號的過程中需注意形狀、色彩等主要視覺變量的正確性,例如,藍(lán)色雪花代表下雪天氣,金黃色的太陽代表晴天等。此外,LOD0層符號的形狀、色彩等視覺參量需要與同屬二維符號系列的LOD1層符號保持相似性,避免讓讀者產(chǎn)生突兀的效果[1]。同屬一級劃分的二級天氣類型可通過“特征圖元”的數(shù)量或尺寸進(jìn)行區(qū)別,對比度明顯,便于讀者區(qū)分。例如,中雪符號的雪花數(shù)量多于小雪符號的雪花數(shù)量。

LOD2層符號屬于三維符號范疇,與LOD0和LOD1層符號相比具有立體感和層次感,在設(shè)計(jì)過程中需形象逼真地表現(xiàn)對應(yīng)天氣類型的特征。該層次的特定天氣符號(雨、雪等)應(yīng)在傳統(tǒng)二維符號視覺參量的基礎(chǔ)上添加動(dòng)態(tài)操作和空間姿態(tài)參量,表現(xiàn)出符號立體動(dòng)態(tài)的特征,形象逼真地表現(xiàn)對應(yīng)的二級天氣劃分類型。類似地,同屬一級劃分的二級天氣類型,可通過“特征圖元”的數(shù)量或尺寸差異進(jìn)行相互區(qū)分。此外,考慮到三維環(huán)境下,符號呈現(xiàn)出“遠(yuǎn)小近大”的效果,符號的尺寸變量會(huì)產(chǎn)生誤差,本文采用顯示輔助文字信息的方法來對符號進(jìn)行補(bǔ)充說明。

LOD3層屬于天氣符號的最高層次,本文采用粒子系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行符號制作。粒子系統(tǒng)擅長于對模糊現(xiàn)象進(jìn)行模擬,針對雨、雪、霧、霾等沒有具體空間形態(tài)的自然地理要素,可用粒子系統(tǒng)制作高度逼真的天氣符號。對于最高的細(xì)節(jié)層次,其符號粒子的制作將采用紋理代替常見的色彩視覺變量,從而模擬更加真實(shí)的視覺效果。LOD3層符號的設(shè)計(jì)也需要注意同類天氣類型之間的區(qū)別與聯(lián)系。例如,在使用粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)小雪和中雪天氣符號時(shí),可使用同樣的雪花作為“特征圖元”,從而保證其聯(lián)系性,并通過雪花的數(shù)量及尺寸等視覺參量進(jìn)行區(qū)分,便于用戶區(qū)分中雪和小雪。

3 應(yīng)用案例

如圖1至圖2所示,本文對小雪和中雪天氣分別設(shè)計(jì)了完整的多細(xì)節(jié)層次符號。依據(jù)上文所闡述的理論,小雪和中雪天氣符號多細(xì)節(jié)層次模型共包括四個(gè)等級,分別表示為LOD0、LOD1、LOD2和LOD3。

(a)LOD0二維雪符號

(b)LOD1二維小雪符號

(c)LOD2三維小雪符號

(d)LOD3粒子系統(tǒng)小雪符號圖1 LOD0至LOD3層次的小雪符號

(a)LOD0二維雪符號

(b)LOD1二維中雪符號

(c)LOD2三維中雪符號

(d)LOD3粒子系統(tǒng)中雪符號圖2 LOD0至LOD3層次的中雪符號

以小雪天氣符號為例,LOD0級為符號的最低細(xì)節(jié)層次,代表天氣類型所屬的一級劃分即代表所有的下雪天氣類型。本文采用常見的二維雪花圖標(biāo)來表示所有的下雪天氣類型,可讓讀者準(zhǔn)確無誤的獲取當(dāng)前區(qū)域的天氣類型。如圖1(a)及圖2(a)所示代表整個(gè)湖北省的下雪天氣類型。LOD1級為符號的第二層細(xì)節(jié)層次,代表天氣類型所屬的二級劃分小雪天氣類型,依然屬于二維符號范疇,可使用傳統(tǒng)二維天氣地圖中小雪的符號圖標(biāo)。相比于LOD0級,LOD1級的小雪符號表示區(qū)域縮小但是更加精確,僅表示特定城市的小雪天氣。如圖1(a)和(b)所示,LOD1層和LOD0層符號在設(shè)計(jì)的過程中需保證雪花形狀顏色等視覺變量的相似性,避免產(chǎn)生沖突。

LOD2層為符號的第三層細(xì)節(jié)層次,屬于三維符號的范疇。相比于LOD0層和LOD1層,實(shí)現(xiàn)了二維向三維的轉(zhuǎn)變,符號更加形象和逼真且表示區(qū)域進(jìn)一步縮小,僅代表特定區(qū)縣的天氣類型。如圖1(c)和圖2(c)所示,為了避免三維環(huán)境下,尺寸變量的誤差,本文在符號圖元的基礎(chǔ)上,添加了文字的輔助信息,直觀地表明了當(dāng)前符號表示的區(qū)域及其面積。本文在設(shè)計(jì)三維天氣符號時(shí),充分考慮不同符號之間的通性和個(gè)性,對其采用了環(huán)境圖元與特征圖元相結(jié)合的方式進(jìn)行符號設(shè)計(jì)。以小雪符號為例,本文使用3Dsmax三維建模軟件制作LOD2層三維符號。如圖3所示,將小雪符號分解成云和雪,其中環(huán)境圖元表示小雪形成的氣象環(huán)境,在標(biāo)準(zhǔn)符號下表現(xiàn)為云,在3Dsmax中,通過調(diào)整、拼接、合并多個(gè)球體和圓柱體,構(gòu)成云的基本形態(tài),并賦予其特定的材質(zhì),結(jié)果如圖3(a)所示。類似地,通過組合多個(gè)棱臺(tái)體和棱錐并賦予藍(lán)色的材質(zhì)得到圖3(b)的雪花。然后將代表雪的特征圖元和云的環(huán)境圖元組合成圖3(c)中完整的三維符號。此外,本文在設(shè)計(jì)三維小雪符號時(shí),還添加了動(dòng)態(tài)的效果。選中多片雪花,動(dòng)畫時(shí)間設(shè)為1 s,在1 s處設(shè)置關(guān)鍵幀,向下移動(dòng)雪花的位置,形成周期效果,完成動(dòng)態(tài)制作,使得符號在視覺感知上更加形象和寫實(shí),具有較高的可讀性。

(a)環(huán)境圖元,云

(b)特征圖元,雪

(c)初始時(shí)刻

(d)結(jié)束時(shí)刻圖3 三維小雪符號

LOD3級為符號的最高細(xì)節(jié)層次,采用粒子系統(tǒng)制作。本文采用基于WebGL封裝的Cesium.js三維引擎進(jìn)行最高層次的小雪和中雪天氣符號制作。使用特定的紋理貼圖制作單個(gè)粒子(雪花),效果更加逼真,再設(shè)置粒子的數(shù)量、運(yùn)動(dòng)方向、速度、尺寸變化、生命周期等相關(guān)參數(shù),制作完整的粒子系統(tǒng)符號。如圖1(d)和圖2(d)所示,當(dāng)用戶視角處于近距離觀察下時(shí),此時(shí),主干道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)清晰,視線場景被粒子系統(tǒng)制作的小雪和中雪符號覆蓋,具有較強(qiáng)的真實(shí)感。小雪的24 h降雪量為0.1～2.4 mm,中雪的24 h降雪量為1.3～3.7 mm,本文依據(jù)小雪和中雪的24降雪量劃分標(biāo)準(zhǔn)將小雪中雪的雪花大小和每秒發(fā)射粒子數(shù)(雪花數(shù))的比例設(shè)定為1∶2(在最大降雪量比例的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的放大,增加差異性)。對比圖1(d)和圖2(d),可清楚地發(fā)現(xiàn),中雪的雪花數(shù)量明顯多于小雪且其雪花尺寸也大于小雪雪花,與現(xiàn)實(shí)世界情況相符。

4 結(jié)束語

本文探討了LOD技術(shù)在地圖符號中的運(yùn)用,詳細(xì)剖析天氣符號的空間多尺度、語義多尺度表達(dá),將天氣符號類型概括和其表示區(qū)域范圍與多尺度表達(dá)相結(jié)合,提出了天氣符號多細(xì)節(jié)層次模型。抽象的類型和大區(qū)域?qū)?yīng)低細(xì)節(jié)層次的符號,具體的類型和小區(qū)域?qū)?yīng)高細(xì)節(jié)層次的符號,分別采用二維符號、三維動(dòng)態(tài)符號和粒子系統(tǒng)表示對應(yīng)層次的符號。對于小雪和中雪天氣類型,本文設(shè)計(jì)了完整的多細(xì)節(jié)層次符號,實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)天氣的語義多尺度和空間多尺度表達(dá),驗(yàn)證了本文所構(gòu)建模型的可行性。在制作LOD3層粒子系統(tǒng)符號時(shí),通過設(shè)定相關(guān)參數(shù)的比例關(guān)系,使得小雪和中雪具有明顯的區(qū)分度。本文在取得一定成果的同時(shí)也存在一些不足,例如,本文的天氣多細(xì)節(jié)層次模型僅探討了空間多尺度和語義多尺度表達(dá)而未考慮時(shí)間層次的多尺度表達(dá)。對于晴、多云等不適合用粒子系統(tǒng)表達(dá)的天氣類型,它們的LOD3層符號表達(dá)缺乏有效手段。