基于三维环境的二维地图符号可视化研究

曹晓明

摘 要：信息时代的来临使传统的二维信息表达不能满足新的需要，计算机的发展使显示和描述物体的三维几何特征和属性特征成为可能，研究二维环境下地图信息的有效表达是当前的一项紧迫任务在空间三维可视化经过前期的发展以后重视对二维地图符号系统的特点在新条件下的作用研究，是地图制图科学螺旋式上升的辩证观。该文详细探讨了三维环境中二维地图符号中优势，论证了三维可视化环境与二维地图符号的关系。

关键词：三维环境 二维 地图符号 可视化

中图分类号：P283 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（c）-0042-02

二维地图是人类对空间地理环境认识上的飞跃，是人类原始思维向抽象化发展的结果，就像文字的出现一样。有了地图，人类才可能把复杂的空间存在压缩为二维的简单关系，才可能去寻找自然界的规律和探索人与自然的关系。地图的这种基本功能是人类认知能力的创举，是地图长期存在的主流因素。对制图人员来说，在传统地图学的实践中所培养的如图形理解、心象构成、地图分析、地图设计等能力，在可视化的条件下仍然有用武之地。地图工作者创造性的形象思维，在新的应用水平上再次受到重视。

信息时代的来临使传统的二维信息表达不能满足新的需要，计算机的发展使显示和描述物体的三维几何特征和属性特征成为可能，研究二维环境下地图信息的有效表达是当前的一项紧迫任务。随着计算机技术的发展，人们对地理环境的描述从传统的二维地图发展到电子地图和三维虚拟地理环境。地理信息的表达从二维到三维是一次飞跃，在虚拟的三维空间里也产生了三维地图符号。二维地图符号系统作为成熟的地图表达方式在三维可视化环境中仍然具有用武之地。二维地图符号系统有其自身的特点和优点：经过长时间的发展，其体系成熟，易于认知，在电子地图系统中易于实现。

1 三维地理环境中二维地图符号

1.1 有利于空间认知

在三维地理环境中使用传统的地图符号有利于空间认知，有利于空间方位的确定。众所周知，在三维地理环境中视觉对地理信息往往是以透视图的形式获取的。在透视图中，很难进行空间距离的量测和空间位置的确定，距离感不好把握。如果在三维环境中加上一些传统的二维地图符号就可以很好地解决这个问题。如，图1中在三维中加入以白色线条表示的境界符号就很好地起到定位和方位认知的作用。尤其是在一个陌生的环境，这种作用更加突出。

1.2 有利于空间认知的连续性

在三维地理环境中使用传统的地图符号有利于空间认知的连续性。这个问题涉及生理学、心理学、认知科学、计算机科学等多学科的交叉。根据地图符号的定义，确定地图符号语义信息的过程就是地图符号与所代表的概念之间的约定过程，而这种约定已为研究人员和大众所熟悉并接受。如人们一看到两侧平行的黑线，中间套有棕色的符号自然就想到这是条公路而不是其他的符号。

1.3 有利于目标的识别及信息的有效传递

传统的二维地图符号大家都比较熟悉，因为在小比例尺的三维可视化环境下，目标的识别还是要通过符号化的途径来实现。因为此时的地理实体有可能肉眼是无法识别的，此时的符号就是对空间实体目标的抽象、放大和突出表示。以地图的制作为例来作证明。將航空照片改绘为地图是测绘学的经典技术。为什么要增加这道工序而不把航空照片拿来当地图用，就是因为地图与照片相比，可以将地面诸现象加以分类，强调重要的物体，用符号突出表示；可以将照片上没有的内容如地名、境界线加绘在上面；可以在地图上增加定量指标，将对地面的整体认知和数量指标相结合以强化对地区的认识等等。地图的这种科学概括方法，也就是当今建立可视化图像必须注意采用的方法。所以说在三维可视化环境中也存在大量的符号抽象、设计和表达。如图2所示。

1.4 有利于隐藏信息的表达

有很多非地理信息是带有空间属性的，在地理环境的三维可视化中又无法直接显示出来，要借助于特定的符号系统来表达，例如人口、经济、文化、商业等方面的信息，这些在专题方面的信息多是如此。因为不论是在二维电子地图还是三维可视化环境中，这些隐藏的与空间位置有关的非地理信息是很难说的清是三维还是二维的。这种情况下，在二维电子地图中这些具有成熟体系的，设计精美的专题符号系统不妨直接在三维可视化中应用。二维符号在三维可视化环境中的应用具有与在二维可视化环境中不同的特点。三维可视化环境一个很重要的特点就是仿真，要尽可能地从感官上反映真实环境。二维符号在三维可视化环境中的应用要把握简洁性、辅助性与和谐性的特点。

2 三维可视化环境与二维地图符号的关系

三维地理信息系统的研究是建立在三维数据结构和模型、三维地图的表示、三维空间分析与应用以及三维数据获取的基础之上的。三维空间信息的可视化研究是实现数字地球战略的基础，具有十分重要的地位和作用。三维地图是对二维地图在三维方向的拓展，包括地图设计及其原则、符号体系、地图内容的表达等。三维地图是从平面地图出发，借鉴电子地图的符号系统结合现有的计算机技术来实现地图信息的三维化。对三维可视化环境与传统二维地图符号的关系研究具有特别重要的意义。

首先，三维可视化环境与传统二维地图符号的关系是继承与发展的关系。三维地图符号的设计与应用是对二维地图符号系统理论体系的继承并有所发展。伴随着三维地理信息系统而出现的三维地理信息的显示与输出是一个比较新的研究领域，不仅需要在技术层面进行研究，还需要对其相关的理论体系进行研究。由于二维的专题地图符号经过多年的发展，已经形成了一整套设计理论与实现方法、技术，所以，不能把二维符号中有效表现专题要素的理论与方法全部舍弃。相反，还需要在对专题信息二维表达的基础上继承与发展。对有些能够很好表现专题属性数据的二维专题地图符号，可以以适当的形式继续在三维地理信息系统中使用。

其次，并不是所有三维可视化环境中的符号都需要设计成三维的。人们构建三维地理环境的一个主要目的就是能够准确地认识特定的空间地理环境，来满足特定的认知和应用需求。在这里能够满足需求是一个根本原则。三维地图符号的应用能够使空间感更加强烈，但往往需要消耗大量的计算机运行时间来进行调用和渲染。另外，由于三维地图符号设计上的差别，人们还很难形成整套的识别体系，效果并不一定好。所以，传统的二维地图符号还是具有很大的用武之地。例如前面所说的应用白色线条表示的境界符号就完全能够起到人们对行政区划认识的要求。在二维电子地图中的注记，在三维可视化环境中往往不需要设计成三维立体的，设计成其与计算机屏幕平行的二维符号就完全可以满足三维需要。最后，二维专题地图符号理论体系对三维符号体系的构建具有借鉴和指导作用。二维专题地图符号的抽象与形象的矛盾理论扩展到三维领域里，对专题制图符号的重新归类与概括是专业本身要研究解决的问题，也是整个地图符号系统的一个重要的基础研究工作。要对地图内容及符号体系的三维化方法、原则和理论进行研究，结合人类认知相关的生理学、心理学、认知科学等科学知识以及计算机科学设计制作出更适宜人们理解的符号库。

3 结论

现代技术给予了三维地图符号研究和开发的可能性，地图科学本身的发展也对三维地图符号提出了要求。三维地图符号能非常直观形象地向人们显示其所表达的内容。它在数字条件下表现方法的信息突破，是对原有地图符号的发展。在空间三维可视化经过前期的发展以后重视对二维地图符号系统的特点在新条件下的作用研究，是地图制图科学螺旋式上升的辩证观。二维地图符号系统对三维可视化地理环境系统、三维专题地图制作、数字景观地图等领域都有着很好的借鉴作用，对促进现代地图制图学理论与技术的发展有着重要的意义。

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