在线地图的交互可视化设计研究

赵忠君，赵 飞

(武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079)

在线地图的交互可视化设计研究

赵忠君，赵 飞

(武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079)

分析在线地图交互可视化设计模型，根据Web制图的动态性、交互性特点，提出以任务流为中心的在线地图交互可视化设计流程，即将设计过程划分为彼此紧密联系的、相互依存的不同粒度的任务集合，然后根据不同交互动态反馈形成不同粒度的任务组合构成任务流，以完成在线地图的设计任务。结果表明，该流程兼顾Web制图的动态性及用户交互性，可根据数据特点、用户动态需求给出最适宜的空间可视化表达，以满足公众、各级部门的不同应用需求。

在线地图;网络制图;可视化;交互设计

一、引 言

随着面向服务计算的发展，空间数据、统计数据多采用分布式存储方式逐渐取代以文件或部门数据库为主的单独存储［1］，并以Web和数据库相结合的方式使得数据的存取和共享变得容易。而数据源从静态到动态以及分布式存储的转变必须催生出新的制图可视化方法［2］。同时，随着传感器网络中数据获取能力的日益提高，环境数据的获取呈指数级增长［3］，但信息分析解译率却较低，因此对在线动态制图提出了更高的要求。传统专题地图更新周期长，静态使用、制作成本昂贵等特点与广大使用者期盼信息动态更新、形式自由组合、使用便捷和制作简单等需求明显冲突。为此，在线地图必须在保证传统制图质量的同时及时地反映数据的更新［3］。

二、在线地图设计模型

Web环境下，交互制图除了考虑用户的需求、认知能力外，还必须考虑交互可视化设计，主要体现在地图界面组织、地图操作习惯、制图流程等方面。图1为交互设计的交互要素及相应设计方式的网络关系图，从上到下依次是交互设计中所需关注的不同要素，交互要素所指向的即为对应的设计方式。

1.以用户为中心的设计

以用户为中心的设计(user centered design，UCD)是一种创建吸引人的、高效的以用户体验为中心的设计模式，其设计思想为:在开发产品的每一个步骤中，都要把用户列入考虑范围［4］。UCD被认为是从以人为中心的设计中发展出来的。设计者研究构成用户的所有元素，包括用户的身份、需要、需求、上下文、人种学信息等。UCD的关键之处在于，研究人员要密切地关注用户和潜在用户。这样的优点在于不会有太多的资源被用在与产品无关的人身上。同时，由于所关注人群的减少，使得设计者更容易满足用户的需求。

图1 交互设计要素及设计方式的网络关系图［5］

加拿大网络地图集［6］、奥地利在线地图集［7］均采用以用户为中心的设计方式。二者通过对用户需求、用户体验要素的研究，从内容和形式上对网络地图集的展现和界面交互进行设计，取得了很好的用户体验。其不足之处在于，所提供的在线地图集是相对静态的，空间数据、统计数据在更新后，相应的地图集则要进行重新设计、可视化。另外，用户不能动态定制所需专题地图。

2.以目标为导向的设计

目标导向设计(goal directed design，GDD)是在自上向下的产品开发流程中通过定义特定的产品需求，以及基于研究用户需求的交互行为而进行设计的一种理念［8］。从概念上看，GDD对于整个设计流程并没有直接的影响，但事实上每一种设计方式都指向一个用户的目标，即用户使用这个产品的目标。这就意味着GDD是站在了用户的立场上来指出设计的最终目标，而其他的各种方法是为设计者走向这个目标指出方向和道路［4］。

制图的最终目标就是生成一幅满足用户需求的地图。从这个意义上讲，把地图看做用户目标，以地图为中心的地图制图模型，就可以采用以目标为导向的设计模式(如瑞士地图集)。传统的专题地图制图过程中，采用的就是以地图为中心的设计方式。使用这个模型的制图系统不仅提供给用户专题选择和数据处理，并可根据所选的专题内容进行符号化展示给用户。

该模型可以让用户进行简单的定制，可以对专题图层进行选取，还可以对地图颜色进行定制或者进行数据分类分级等。用户所关注的中心为地图，地图图层可看做为可交互的地图子集。由于该模型并没有明确指出具体的设计方法，所以根据这个模型设计出来的专题地图总体上还是静态的，其交互效果只体现在专题图层的选取，很难充分考虑用户的具体需求，不适合Web交互制图。

3.以任务为中心的设计

以任务为中心的设计(task centered design，TCD)处在最底层，是一种细粒度的设计方式，它把整个设计过程划分为一个个的任务，进而对一个个不同的任务进行设计，以完成最终设计。该模型中每个任务并非独立的，而是按一定要求级连起来，从而构成了任务流。该任务流是一个能生成预期结果的任务序列。任务序列并非静态或者标准化的，而是包含必要的交互步骤和任务集合，并且这些任务是彼此紧密联系的、相互依存的。

Web环境下，制图者通过分析用户需求，按照GDD设计理念，对制图过程进行任务划分，形成任务流，以任务流为中心进行交互制图［9］(如图2所示)。任务流开始于制图相关数据的选取，包括与该制图任务有关的指标、空间、时间数据的选取。对于不同用户来说，接下来的任务可以是直接制图输出、客户端展现，也可以是统计分析、制图输出、客户端展现。按照该模型设计的交互系统能根据用户的身份、需要、需求、上下文信息，动态的为其定制满足专业需求的任务流，并且能识别用户下一步即将要做的任务并作出相应调整，相应的用户交互接口可以通过向导来实现。

图2 以任务流为中心的交互设计

三、在线地图实现机制

1.任务流程

根据以任务流为中心的设计模型，本文设计了在线动态地图的任务流程，用户可根据向导界面对地图进行交互定制，如图3所示。用户先根据系统提供的指标体系，从中选取所需指标，如果选取的为单个指标则直接进入符号库，并根据指标的时间、空间维度过滤出适合的制图方式，然后生成XML格式的符号图层描述文档，最后结合地图图层描述交给渲染引擎进行可视化，用户还可根据可视化结果进一步对该结果进行调整;如果选取的为多个指标，则向导自动进入指标语义关系定义界面，引导用户选择总量指标、对比指标、动态指标、结构指标、复合指标、相关指标中的一个，然后进入符号库。进入符号库的指标数据带有属性信息，可直接根据现有定量数据生成图层描述文件，也可以进行统计分析、分类分级后再生成图层描述文件，并可导入数学模型库进行建模分析。

图3 以任务流为中心的交互可视化流程

从整个任务流来看，该模型中客户端与服务器端具有动态的、高度交互的特点，用户可以根据需求进行可视化设计并对可视化结果进行调整。

2.应用实例

(1)社会经济中的应用

以某市在线地图集为例。图集中的社会经济专题图组，以图组-图幅-地图的组织形式按人口与劳动力、综合经济、工业、农业等专题进行划分，每个专题下分别选取相关指标形成图层描述文件。用户可直接访问每幅地图，获取专题信息，并进行符号定制(如图4所示)。图集还通过模板制图使用户选取系统设计好的地图，输入自己的统计数据，其数据模型与地图样式采用该地图缺省的配置，交互模板定制后用户也可对地图进行可视化修改与分析。图4选取了户籍人口、非户籍人口、人口密度等3个指标，其中前两个指标语义关系为结构指标，系统筛选出相应的图表符号;人口密度为相对指标，系统缺省选择分级统计图表示。用户定制后，系统会配置好图层描述文件，并提供定制界面给用户进行定制修改，用户不用关心符号描述文件，而是所见即所得。

图4 在线地图定制流程示意

(2)传感器环境监测中的应用

传感器是环境监测中空间信息数据的重要来源。它可以实时动态地对环境生态进行监测，其数据分发形式可以采用网络服务(如OGC的传感器观测服务)以便所有用户能够及时获取最新的观测数据［3］。通过在线地图的制图服务接口，传感器数据可以独立于数据的物理模型，以任务流为中心进行可视化表达。制图服务接口中的分级统计图、分区统计图表和等值线等均可用于传感器数据可视化。

图5 传感器数据的地图表达示例

图5为某市气温分布图。数据来源于传感器观测数据，每6 min更新一次;地理底图以标准的WMS服务提供，用于定位相应的观测点;进一步调用专题地图服务接口，对离散观测数据建立Delaunay三角网按照样条曲线内插成等温线并与地理地图叠加成地图图片返回客户端。客户端采用以Flex开发的Flash动画动态展示等温线，并按一定时间段动态展示实时数据，同时还给出传感器的位置和运行状态、数据值。

四、结束语

本文对在线地图的交互可视化设计进行了研究，采用XML语言作为符号的描述语言，并通过用户对指标的选取来筛选符号，以及符号与属性的动态聚合。因此，能够较好地解决统计数据在Web环境下的动态交互可视化，还较好地解决了现有网络地图符号共享性差的问题。同时，本模型中符号的描述与渲染引擎是分离的，增加了符号可扩充性，并且可实现符号的组合表达。

［1］ SYKORA P，SCHNABEL O，IOSIFESCU-ENESCU I，et al.Extended Cartographic Interfaces for Open Distributed Processing［J］.Cartographica，2007，42(3): 209-218.

［2］ HURNI L，GOGU R，IOSIFESCU I.Cartography for Environmental Systems［C］∥Proceedings of the Workshop Intelligent Embedded Systems.Bucharest:［s.n.］，2006:9-17.

［3］ IOSIFESCU-ENESCU I，HUGENTOBLER M，HURNI L.Web Cartography with Open Standards-A Solution to Cartographic Challenges of Environmental Management［J］.EnvironmentalModelling＆ Software，2010，25(9):988-999.

［4］ 周洪杰.交互设计思潮之旅［EB/OL］.［2011-02-23］.http:∥www.qiushid.com/2010/01/30.

［5］ GARRETT J J.The Elements of User Experience［M］.USA:New Riders，2003.

［6］ KRAMERS R E.Interaction with Maps on the Internet-A User Centred Design Approach for The Atlas of Canada［J］.The Cartographic Journal，2008，45(2):98-107.

［7］ PUCHER A.Use and Users of the ÖROK-Atlas Online［J］.The Cartographic Journal，2008，45(2):108-116.

［8］ COOPER A.About Face 3:The Essentials of Interaction Design［M］.USA:Wiley，2007.

［9］ COOPER M，HANEWINKEL C，SPECHT S.Graphical User Interfaces on The Transistion between Information Systems and Interaction Systems［C］∥Proc of the 21th Int.Cartographic Conf.Durban:［s.n.］，2003.

Interactive Design of Online Map—A Task flow-centric Approach

ZHAO Zhongjun，ZHAO Fei

0494-0911(2011)07-0024-03

P208

B

2011-03-23

国家自然科学基金资助项目(40871210);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(20102050101000054)

赵忠君(1982—)，男，辽宁辽阳人，博士生，主要研究方向为地理信息系统与地图制图。