科学绿化地理场景的动态符号设计与多尺度表达

付乐宜,赵小阳,3,吴凯华,孙 颖

(1. 广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州 510060; 2. 广州市资源规划和海洋科技协同创新中心,广东 广州 510060; 3. 广东省城市感知与监测预警企业重点实验室,广东 广州 510060;4. 中山大学地理科学与规划学院,广东 广州 510275)

2021年6月,国务院正式出台科学绿化指导方案,随后广东、浙江等多个省份也相继出台科学绿化实施意见,强调在新时代下应使用科学的方式提高城市绿化水平,推动国土绿化高质量发展。新技术背景下,地图学衍生的“地理场景”新概念可应用于科学绿化要素的可视化表达。作为地图的表达对象,地理场景是地理空间中地理现象、事件与过程的集成,具有高度的整体性[1]。构建科学绿化场景,设计绿化专题符号,可突出科学绿化在城市建设过程中的重要特性,也是推动绿色高质量发展的重要表现。

以往测绘地理信息领域中的科学绿化研究常以现状分析、指标评价、平台开发等为主。文献[2—3]针对各研究区特征,应用遥感等技术手段,对其绿化现状进行分析,从而为后续政策制定行动方案。文献[4]基于卫星遥感影像,选取合适景观格局指数,对城市绿地景观格局变化研究。文献[5]结合RS和GIS技术,建立了基于数理统计知识的三维绿量反演模型,并以某市为例估算城区范围内的三维绿量总量并进行分析。文献[6]对现行的城市园林绿化指标进行系统研究,提出需尽快统一绿地指标口径。信息化平台研发上,文献[7]提出了一套面向资源管理与规划设计的一体化管理体系。文献[8]构建了以新一代信息技术为基础的城市园林绿化智慧化管理体系平台。文献[9]对行道树和险树危树进行专题符号化,使其在管理系统中可依据不同属性完成定制化配置与呈现。

在上述已有研究中,均涉及对科学绿化关键信息的可视化表达,大多使用二维静态符号或统计图表等常规形式进行示意,缺少绿化符号设计方法的系统研究。同时,使用的常规静态符号只能传达某一时刻信息,难以传递过程变化并突出重点。单一尺度表达的信息也受限于当前比例尺,当交互带来空间变化时,其信息不具备适应性,在视觉上会带来突兀或失焦感。

针对当前科学绿化地理场景缺少系统动态符号设计与尺度单一的问题,本文首先提出一种面向地理场景表达的动态地图符号设计方法;然后依据科学绿化关注要素,对绿化空间要素与绿化指标进行符号设计;最后以省级、区域级、地块级3个尺度下的实际场景为例,依次进行场景分析、背景构建、符号设计与场景配置,从而突出不同尺度下的科学绿化关键要素,以实现全方位、多尺度场景的科学绿化专题动态表达。

1 地理场景下的动态地图符号设计

1.1 地理场景与动态地图

作为地理信息的载体,地理场景在地理知识表达过程中具有很强的整体效应。地理场景包含面向特定功能、相互关联的地理要素,以及要素之间构成的空间子集和时空关系。借助地理场景,制图者可用于描述地理环境、地理事件与地理现象的表现状态、演化过程、相互关系与时空格局,从而揭示地理过程中隐藏的动态特征与时空规律。

地理场景及构成要素是动态地图的表达内容,动态地图是地理场景的表达载体。智能化时代动态地图的“动态”体现在地图符号与交互控制,如图1所示。使用动态符号表达内容,既可表达动态现象,又可使用动态的视觉能力进行突出强调。

图1 动态的内涵

1.2 动态地图符号设计参量体系

基于前文对地理场景与动态地图的分析,以静态视觉参量[10]、动态视觉参量[11]、感官认知[12]、交互控制[13]为基础,构成一套适宜于动态地图符号设计的参量体系:①基础建模参量,包括图形、位置、组合,基于此可基本确定符号的外形结构,即白模;②艺术设计参量,包括颜色、光效、材质,基于此可表达地理对象的内在属性;③动态表达参量,包括时刻、持续时间、变化速率、显示次序,对各参量进行组合,可传递不同功能的动态效果;④其他感知参量,包括听觉参量与触觉参量;⑤交互控制参量,包括符号控制与用户角色,可提供动态地图中的交互特征。如图2所示。

图2 动态地图符号设计参量体系

1.3 动态地图符号设计方法

地理场景下的动态地图符号设计需全局考虑表达场景的主题与动静态要素传达的有效信息。以分而治之思想为理念,提出具备场景分析、背景构建、符号设计、场景配置4大结构的动态地图符号设计方法。

1.3.1 场景分析

构建动态符号,需明确表达对象的地理概念、背景要素与动态要素的动态时间功能,从而初步确定符号形式、组成要素、动态参量、交互控制及场景配置。

1.3.2 背景构建

动态地图由地理背景与专题动态信息叠加组成,地理背景为动态变化要素的发生环境,包括基础地形及其他静态地理要素。基础地形依据场景尺度、呈现主题表达程度确定,表达上可分为高仿真、局部仿真、纹理贴图3种形式。其他静态地理要素依据具体专题场景需要,选择对应的专题要素进行表达。

图3 空间要素符号设计

1.3.3 符号设计

了解概念并确定组成要素后,对组成要素进行各视觉参量赋值。

1.3.3.1 模型外观设计

基于地图符号设计美学原理[14],对表达要素进行基础模型设计,依据场景需求确定符号维度,使用建模软件完成初步形态设计;根据语义特征与类型层次,使用贴图材质或颜色等进行属性信息赋予。

1.3.3.2 动态功能设计

不同的动态功能对应于不同的参量设计:

(1)时刻强调。表达某一时刻上的属性强调,如突出当前位置坐标或存在状态,主要使用图形、颜色、光效等视觉参量,既可准确传达位置信息,又在视觉上吸引用户的注意,达到动态强调的效果。表达当前时刻的变化趋势,常添加辅助要素,如指示箭头、辅助线等。

(2)时间段变化。对随时间变化的过程进行表达,很大程度上依赖于表达对象,动态变化主要体现在位置、形态、语义上。其中,位置变化是指表达要素随时间在空间中所处的状态发生变化,通常记录关键点坐标位置、设置动画时长与速度以路径动画和生长轨迹方式展现;形态变化由尺寸、形状与动态参量结合;语义信息基于人的认知,是地理对象除空间位置、形态外的所有属性内容,此类特征主要通过符号外貌传递,设计材质、颜色等艺术设计参量传递变化信息。

确定动态功能后,对各组件进行动态设置,常与动态参量进行组合表达,动态功能与视觉参量的对应关系见表1。

表1 动态功能与参量的对应关系

1.3.3.3 交互控制设计

交互是动态地图的第二特征[15]。设计时,使用多形式的交互方法,可让读图者依据需求与地图内容进行不同视角、要素、主题、尺度、时间段的交流,完成多版本的补充与比较,从而发现新的空间知识。从实际的应用角度,可从空间、时间、语义3个维度对交互方式进行设计。①空间交互核心是地图展示内容的整体变换。常通过鼠标按键拖拽、滑轮滚动,实现地图内容的平移放缩、观察视角的全方位旋转。②时间交互在形态上体现为时间轴与时间比例尺,进行时刻定位与变化速度设计。③语义交互涉及地图表达内容,可分为初、中、高3个级别,对应关系见表2。

表2 不同级别的语义交互与对应的操作类型

1.3.4 场景配置

场景配置分为单个符号配置与整体效应设计。地理场景中的动态要素从依赖地形程度可分为全依赖、半依赖、不依赖。地质、地貌具有明显依赖空间实体的特征,在表达现象或事件时需要依附于真实地形进行角度调整配置。在地形起伏不突出或地形要素被弱化的场景中,单个地图符号只需进行简单空间位置坐标的调整,为半依赖。不依赖地下的动态要素,如天气符号,其空间位置配置相对模糊,空间示意即可。完成单个符号的配置后,还需综合考虑整个场景环境的空间关系与分布格局等,从而反映当前主题。

2 科学绿化场景的绿化要素动态符号设计

科学绿化涵盖多项自然地理空间要素,除了森林、绿地、公园、树木等具有实体空间形态的现状要素,还包括公园节点、生态保护红线、休闲廊道、规划绿地范围等具备空间但无实体的规划体系。除了空间要素本体外,其附带的定量属性指标也常被纳入评价范畴,如服务半径、绿地率、三维绿量等。依据符号设计,分别对绿化要素模型外观与动态功能完成设计。

2.1 模型外观设计

依据绿化要素是否具有实体空间形态,将其分为科学绿化空间要素与绿化指标两大类。

2.1.1 空间要素符号设计

对具有明确空间边界的要素,依据其实际形态特征完成基础符号表达,静态呈现需合理运用颜色、纹理、图形尺寸等视觉参量进行形态、类型、级别的组合设计。

如图3所示,科学绿化空间要素依据本体特征与呈现维度可分为点、线、面、体4种:点符号具有高度抽象性,符号设计时需提炼核心特征;线要素重点集中在边界,可通过设置色相、实虚线等传递绿化语义;面要素在线要素基础上强调范围内的性质,常以填充的纹理或色彩表达质量与数量上的特征;体要素更强调其在空间范围的实体表达,在场景空间交互支持下可实现720°全视角观察。

2.1.2 指标符号设计

绿化指标在真实地理场景中具有空间定位但无实体形式,常见指标如公园可达性、人均绿地面积、森林经济效益等,常使用统计图表体现绝对数值与相对差异。图4展示了北京地区2011—2020年的建成区绿地率与人均公园绿地面积情况。在地理场景中,绿化指标符号不受空间实体制约,可灵活组合设计参量体系实现专题表达。

图4 传统指标符号设计

2.2 动态功能设计

各类绿化要素在空间形态与属性状态上各有特点,依据是否具有真实时间变化进行动态设计。

2.2.1 随时间的动态演练

时间层面的动态体现在空间位置、外观形态与属性的变化,常与时刻、变化速率、显示次序组合实现。前两者与简单属性变化可通过基础建模参量与颜色、纹理等静态视觉参量切换完成动态表达。当存在多项同时变化时,可使用多模型切换的方式予以表达:提前准备多个要素模型,在关键时刻切换不同的模型,通过控制模型的位置、运动速度与出现、消失的时间节点,从而达到动态演化的过程模拟。以树木符号为例,图5展示了树木从正常的小树生长为衰弱的大树,涉及外观形态与属性的双重变化,实际表达时结合动态视觉参量对预设计的模型进行切换可传递生长过程。

图5 随时间变化的树木动态符号

2.2.2 不具有时间特征的动态效果传递

科学绿化场景下,非时间的动态符号表达常用于强调状态属性或表达当前时刻变化趋势。对目标符号或辅助要素进行位置、尺寸、方向的移动、放缩、旋转等操作,使整个场景的视觉感受发生变化,以突出当前区域的重要内容。如图6所示,在公园本体符号下叠有不同尺寸的光环,通过切换不同显示次序对应符号实现动态效果,从而吸引读图者视线,突出场景重点。

图6 用于突出强调的公园动态符号

听觉、触觉参量与交互控制设计依赖于场景呈现载体,实际场景中可按需表达。

3 科学绿化场景的多尺度表达案例

科学绿化场景依据展示比例尺选择不同专题要素进行表达。本文分别从省级大尺度、区域级中尺度、地块级小尺度3个维度呈现不同比例尺下的科学绿化场景,并依据动态符号设计完成专题动态表达。

3.1 场景分析与背景构建

省级大尺度关注全国科学绿化情况,展现宏观绿化面貌,如城市绿地率、城市绿化覆盖率、人均绿地面积、人均公共绿地面积等指标,以呈现城市绿化总量与绿地水平,同时还可进行多城市的横向比对,反映地域差异。区域级中尺度反映城市级绿化,包括现状绿地、规划绿地、公园分布、森林等绿化现状与拟变化趋势。地块级小尺度聚焦到具体的建设项目,重点展示地块红线内的古树名木、生长状况、树木分布与连片成林等现状。

3.2 多尺度场景下动态符号设计

在不同尺度下对科学绿化的重点进行动态设计。

3.2.1 省级大尺度

为展现全国范围内各省市绿化状况,从国家统计局官方网站收集整理近20年中国市级行政区(不含港澳台地区)的重点绿化指标,包括建成区绿地率、建成区绿化覆盖率、人均公园绿地面积等。统计数据不具有真实空间形态,本次符号设计将其指标值以行政面域三维高度进行展现(如图7所示)。将统计数据与市级矢量数据关联,以城市绿地率为例,设置红-黄-绿的渐变色带,RGB中绿值越高,反映其城市绿化水平越高。

图7 绿化指标图例

统计指标具有时间周期性,在不同统计节点设置数值对应的立体符号高度与色系,可实现视觉信息动态传递。

3.2.2 区域级中尺度

区域级场景从宏微双视角进行感知,既可把控整体绿化分布现状,又可聚焦实体绿化要素。以某行政区为例,拟通过现状绿地与规划绿地比对,分析现有规划适宜程度,并对该尺度下的重点公服设施进行突出强调,展示其公园、广场等服务水平。

基于遥感影像提取范围内现状绿地与现状规划用地内的绿地、农林等,提取满足规划的现状绿地,构建交互叠加操作中的动态呈现效果;提取公服类POI信息,依据其星级、辐射范围、可达性、经济效益等特征进行动态变化。

3.2.3 地块级小尺度

以广东某真实建设地块为例,依据政策要求,该尺度下的科学绿化聚焦于“树木保护”,重点关注规划绿地、连片成林、古树名木、古树后续资源(指树龄在80年以上不足100年的树木或者胸径80 cm以上的树木)等,在场景表达时需重点关注空间位置与属性信息,如强调其连片成林范围、古树名木位置、树木生长状况、保护措施情况等。符号设计时遵循重点要素准确与次要内容概略的表达原则。

树木具有时间段的变化特性,如类型由大树生长为古树后续资源(如图8(a)所示)、长势由正常变为衰弱(如图8(b)所示),其动态信息通过预设符号与时刻点进行模型切换。古树名木为当前场景关注重点,采用基础图元与专题图元组合设计,专题图元通过空间位置与尺寸变化传递动感,从而突出对象地理位置。

图8 树木符号

此外,还可通过组合叠加箭头符号形式传递信息。该地块存在连片成林特征,如图9所示,设计多色相、等距尺寸的轮廓符号,通过多显示次序切换完成动态符号设计,构建水波纹式外扩的涟漪效果。

图9 连片成林范围

3.3 交互控制

本文设计的场景支持地图三维空间、语义与时间交互。当空间比例尺变换时场景自适应切换,完成当前尺度下的重点要素强调与次要符号综合。同时提供交互参量控制面板,如图10所示,可依据读图者兴趣选择不同的关注指标与关注时间节点,从而突出场景重点,实现智能交互。

图10 交互参量控制

3.4 场景配置与展示

基于上述分析,本次多尺度场景均为半依赖地形。依据设计方案完成多尺度场景构建,图11展示了2005—2020年全国各市建成区绿地率,可以观察出沿海地区整体绿化水平较高,且全国指标呈逐年递增趋势,整体局势向好。图12面向区级展示连片绿地情况,将现状绿化用地与规划绿地构建动态叠加,反映该区划内规划实施现状;同时,对范围内的重点绿化公服设施设置POI专题符号,以多尺寸切换实现动态闪烁特效。以广东省某控调阶段建设项目为例,经前期摸查,该区域范围内共有2片连片成林区域、2株古树后续资源,图13展示了地块级的科学绿化场景,设有3个时序进行动态呈现:连片成林外围轮廓逐渐外扩,并辅以箭头示意;古树后续资源配有三维和二维专题图元,二维图元尺寸动态变换,从而完成专题场景的动态渲染,实现城市树木保护场景重点要素的突出强调。以小尺度为例,设有语义层的高级交互:当比例尺变换时场景自适应切换,完成当前尺度下的重点要素强调与次要符号综合,且提供有交互参量控制,从而突出场景重点,实现智能交互,如图14所示。

图11 省级大尺度的科学绿化地理场景(建成区绿地率)

图13 地块级小尺度的科学绿化场景(建设项目地块)

图14 比例尺变换时的小尺度场景自适应表达

4 结 语

科学绿化已提上日程,它将生态建设、环境保护融为一体,致力于构建全方位、多体系的城市高质量均衡发展。本文首先以构建面向地理场景表达的动态地图符号设计方法为核心目标,梳理归纳了由基础建模参量、艺术设计变量、动态表达参量、其他感知参量与交互控制参量共同构成的动态地图符号设计参量体系。并提出了一套用于呈现场景整体效应的动态地图符号设计方法,自场景分析、背景构建、符号设计到场景配置,完成专题特征动态表达。在此基础上,为多视角呈现科学绿化,分别以省级大尺度、区域级中尺度、地块级小尺度为案例,对各尺度下关注要素依次进行动态符号设计与场景构建,实现全方位、多尺度场景的专题表达,验证了多尺度科学绿化场景下动态符号设计体系的适用性,一定程度上可辅助绿化部门进行科学决策,助力美丽中国建设。