校园多尺度时态信息可视化中的视觉变量运用

黄丽娜，李 阳，赵玮丹

（1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079）

三维动态电子地图及其相关领域的研究并非处于起点阶段，Riffe很早就提出静态地图和动态地图的概念；徐志勇等研究了三维符号的视觉参量问题，并给出了若干参量定义[1]；艾廷华在Bertin符号参量体系基础上扩展了符号的4 个动态参量,并提出动态地图的综合问题以及动态地图在过程再现、实时跟踪、运动模拟领域的功能及应用[2]；徐敏等提出了三维符号设计的基本原则，并综合运用边界模型(BR)、参数模型等结构来解决三维符号形体信息的结构设计问题[3]；周平以时空数据可视化表达为研究对象，提出一种以地理现象真实时间为串联、以关键帧及线性插值动画为手段的动态符号逻辑模型[4]。以上成果虽对三维动态电子地图的相关理论进行了扩充和实践，但并没有细化到时态信息的可视化表达方法上。从功能上说，三维动态电子地图应该不仅能直观地表现制图区域的空间场景，还能有效地向读者传递区域的空间信息。基于此，本文重点探讨如何在三维电子地图中表现三维场景的历史信息，即通过对视觉变量的搭配与调整，探索时态信息的可视化变量表达和不同尺度的时态信息表达，从而为时态地图的建立做好初步准备。

1 时态信息可视化的视觉变量

地图学中，地理对象的可视化表达主要通过视觉变量来实现。Bertin将地图要素的视觉变量归纳为7种：位置、尺寸、形状、明度、颜色、方向和纹理[5]。视觉变量在平面地图的设计中至关重要,在三维场景中,同样需要有视觉变量来指导模型的设计。鉴于平面地图的视觉变量并不完全适用于三维场景,高玉荣等认为三维模型的视觉变量主要包括形状、空间姿态、尺寸、纹理、明暗度(光照) 、阴影和清晰度6个方面[6]。结合Bertin提出的视觉变量以及高玉荣等对其在三维模型上做出的概念延伸，本文在建模过程中主要依靠透明度、颜色、尺寸和形状4个变量来表现时态信息。

1.1 透明度

人类的思维特质决定了人们在回忆年代久远的事物时，大脑呈现模糊的画面；在回忆较近的事物时，大脑呈现清晰的画面。此特质可在实践场景中进行模拟：图形符号的透明度越高，对本身的表达越浅淡，对图形覆盖区域的表达越清晰；透明度越低，则对图形本身的表达越浓烈，对图形覆盖区域的表达越模糊[7]。将透明度与明度结合，可更加形象地表现实体的时间特征。

1.2 色彩

色彩具有先声夺人的力量。人们面对任何一种颜色时，潜意识都会产生一种心理反应[8]。例如，人们习惯用蓝色代表天空，绿色代表湖水或草地；用暖色调代表温和柔软的事物，用冷色调代表严肃或硬朗的形象。

背景色是一个地图产品在第一时间带给读者的整体感觉[8]。一般而言，土黄色、牛皮纸色、灰色及其邻近色在表现历史性上具有很好的效果，而亮色则恰恰相反，运用这一特点可以表现地理对象在较大时间跨度上的时间定位信息；再者，根据自然景物的特点，将人们潜意识中对四季的认识用色彩可视化表示，可更加直观方便地表现地理对象的时间信息。小尺度时间变量的表达可通过调整背景色予以实现。例如，一天当中，清晨的天空通常是淡蓝色，靠近中午呈现赤白色，下午为深蓝色，再到傍晚显示橘红色，往后则越来越暗，直到接近蓝黑色。背景色的设置再加上其他时间变量的协助，对读者有暗示时间点的作用。

色彩的饱和度、亮度是时间信息的另一载体。明暗度会产生前进、后退的错觉，纯度（饱和度）高低也会产生膨胀和收缩感，从而造成前进和后退的效果[8]。这种前进后退的效果在时间尺度上表现为渐近和渐远：从历史节点到当前节点，用渐进效果表达；从当前节点到未来节点，用渐远效果表达。

1.3 形状和尺寸

随着时间的推移，自然物体的尺寸和形状都会发生微小变化，这种变化可能在短时间内无法感知，但在较长时间的积累下，会产生强烈的视觉差异。例如，一颗小树在20 a后可以长成一棵参天大树，山体形状也随时间的变化有所变动。考虑到时态地图并非像动画一样来表现物体连续性的变化，而是以一个时间段为单位，跳跃性地展示物体的发生和发展，物体本身的状态在该时间段内将会累积为一个较为显著的差异，因此需要予以展示。对地理实体的这种表达方式，有助于直接感受时间的变迁。

2 时态信息的多尺度表达

地图要素时态信息的表达尺度，是指地理目标的可视化表达中时间变化的跨度，可分为大尺度、中尺度和小尺度3个层次。各尺度在表达信息时所侧重的视觉变量不同。

2.1 大尺度时间的表示

对于大尺度时间信息，主要运用透明度和色彩2个视觉变量将时间轴上相隔较远的2个点用三维模型表示出来。例如,早期建筑采用灰色为背景色，建筑物墙体的颜色使用泛黄或者偏灰色，雾化程度高，体现朦胧感；对于晚期建筑，则采用亮色，雾化程度低，表现其真实感和现代化特征。

1、人文学科、社会科学与自然科学。人文学科（humanities）这一名称本身就是科学所界定的，是20世纪对那些被排拒在自然科学和社会科学之外的学科的简便总称。人文学科的主干可以现成地用人们常说的“文（文学）、史（历史）、哲（哲学）”来指称，或者再加上艺术。较广义的“人文学科”则还可以包括诸如现代语言和古典语言、语言学、考古学，乃至含有人道主义内容并运用人道主义的方法进行研究的社会科学。

2.2 中尺度时间的表示

四季给人最明显的感受表现在色彩这一视觉变量上。如果制图区域中植物较多，则整个制图场景将具有明显的季节特点：春天百花齐放，夏天绿意盎然，秋天落红满地，冬天银装素裹。因此可根据植物在每个季节的自然景观特点在三维符号模型中使用不同的颜色。

2.3 小尺度时间的表示

小尺度时态信息的符号表达，因为时间跨度小，符号模型本身的形状、尺寸等视觉变量一般不会有太大变化。但由于一天当中太阳高度角不同，符号模型上需要表现的明暗度和阴影都会有差别[9]。据此，可利用光源位置建立小尺度范围内的时态模型，表达不同时刻所产生的不同方向的阴影以及建筑物的明暗度变化。

3 数字校园中视觉变量的运用

为验证本文提出的时态模型建立方法的可行性，以武汉大学文理学部为实验样区，利用Sketchup进行三维时态电子地图的设计和制作。首先，根据校园景观的历史发展资料将校园地图的时态信息变化分为5个大的时间尺度，如表1所示；然后，针对具体的建筑物和景观要素建立不同尺度的模型。以2013年为实验节点，对其进行展开，亦即将这一时间点继续划分为4季，并挑选夏季中的某一天作更加详细的尺度划分。

表1 武汉大学文理学部建筑竣工时间的划分表

具体实现过程中，以a、季度和d为跨度的节点，在实际操作过程中的处理方法不同，目标效果也不同，分开予以说明：

1）对于以a为跨度单位的大尺度节点，选择用模糊度的改变和建筑物的增减来暗喻时间的推移，如图1所示。

2）对于以季度为跨度单位的中尺度节点（即本项目中所表现的四季），场景图的四季效果处理主要是对背景色及植物色彩的处理，如图2所示。

3）对于以d为跨度单位的小尺度节点，除了用不同时刻建筑物的阴影方向及浓厚程度来表现之外，还需要通过调节背景色调（主要为天空的颜色）来使得整个场景色彩搭配更为和谐，如图3所示。

以武汉大学文理学部为例，时态地图成果中部分显示效果如图4所示。其中图4 a展现的是1950-04-01（春天）9:00的场景；图4 b展现的是2013-07-01（夏天）9:00的场景。2幅图各自建立在 大尺度——“年”的基础上，又分别利用不同季节来表现中尺度概念，除此之外通过限定具体时间点来调节阴影方向从而表达小尺度概念。

4 结 语

本文通过分析视觉变量中与时间信息紧密相关的4个变量，面向三维时态地图提出了建筑物和自然景物的符号制作方法，并以武汉大学文理学部为例对该方法进行了验证。实验表明，本文提出的方法可有效表现地理目标随时间变化的时态信息，为三维时态地图的设计提供了新的思路。

本文所研究的内容主要集中在地图要素时态属性的可视化表达方法上，而三维模型本身具有丰富的信息量，再加上时态地图要求多个时刻不同模型的连续放映，如何存储和组织这些大型数据，对数据组织和存储提出了更高的要求，将是本研究下一步的研究方向。

[1]徐智勇,艾廷华,危拥军,等.三维地图符号视觉参量研究[J].武汉大学学报：信息科学版,2006,31(6):557-560

[2]艾廷华.动态符号与动态地图[J].武汉测绘科技大学学报,1998,23(1):47-51

[3]许敏,刘宁,丛凤波.三维符号构成及建模方法研究[J].海洋测绘,2006,26(2):45-48

[4]周平.一种基于关键帧动画的时空数据动态可视化方法研究[J].测绘通报,2012(1):67-69

[5]Bertin.Graphics and Graphic Information Processing[M].Bertin:Walter de Gruyter,1981

[6]高玉荣,朱庆,应申,等.GIS中三维模型的视觉变量[J].测绘科学,2005,30(3):41-43

[7]艾波,唐新明,艾廷华,等.利用透明度进行时空信息可视化[J].武汉大学学报：信息科学版，2012,37(2):229-232

[8]高建军,关焱,王友亮.专题地图基调色设计研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2008,33(7):766-770

[9]杨乃,孔凡秋,杨鸿海,等.基于空间认知的三维地图光影模型[J].测绘学报,2012,41(2):302-308