来源：《武汉大学学报·信息科学版》2018年11期
作者：郭仁忠, 陈业滨 , 应申, 闾国年 , 李志林
摘要：信息通信时代促生地图的对象空间与表达空间发生了巨大变化，地图可视化理论面临空前挑战。针对泛地图的表达特点，构建泛地图可视化维度体系，给出了三元空间下泛地图可视化的研究框架，分析了泛地图可视化维度的层次、类型和特征，以具体的表达手段、状态、读图者视角、可视范围、变形、空间变换、空间参考等11个维度解构三元空间下的泛地图可视化模型，详细列出了其中6个可视化维度，并以迁徙地图、虚拟地图为例，分析不同维度组合下的泛地图可视化特征，拓展现有地图学理论框架。
关键词：地图学 泛地图 可视化 维度分析 信息通信技术
可视化是辅助人类发现数据隐含规律的一种重要手段，也是传递复杂信息的有效途径。通过将抽象的数据映射为视觉可感知的图形、符号、纹理等形象，可以起到高效传递信息的目的[1-2]，达到“百闻不如一见”“一图胜千言”的效果[3]。
早期可视化萌芽于地图与几何图表，而后视觉表达方法不断发展，促生了高维、多源、非结构化信息的可视化需求;20世纪，Bertin对图形构成的基本要素进行抽象总结，提出了图形设计的基本理论框架[4-5]，奠定了经典地图可视化理论的基石;1987年，美国国家科学基金会正式提出科学计算可视化的概念，并将计算机图形学和图像方法应用于科学与工程计算的学科称为科学计算可视化[6]。
地图是可视化的重要手段，可视化是地图表达的核心。地图学家通过图形(地图符号)表达地理要素的空间位置分布、联系以及发展变化状态的过程就是地图可视化的过程。地图可视化适应人类的认知心理，便于读者对空间对象的一览、定位、聚焦、理解与评估，进而快速获得地图对象及其上下文的知识。如1854年英国医生John Snow就采用在地图上标绘病例的方法，发现底伦敦布拉德街区爆发霍乱的源头[7]。传统地图以纸质材料作为地图信息存储及表达的主要载体[8]，通过地图投影、地图综合和符号系统三者的结合表达复杂地理世界的对象、结构和关系;该理论体系很大程度上受制于地图的平面特征和固化属性[9]。
20世纪90年代以后，随着互联网、移动通信网络以及传感器技术等的快速发展，地图迈入ICT(information and communication technology)时代。国际地图学会专门成立可视化委员会并设立“Carto-Project”研究项目，将计算机图形学的技术与方法引入到地图学与空间数据分析中，促进了科学计算可视化与地图可视化的连接和交流[8]。ICT时代，数字技术的进步大大丰富了地图的可视化手段，传统地图的平面约束一定程度上得到解除。地图可视化的对象空间和表达空间发生了翻天覆地的变化。地图对象空间从传统的地理、人文二元空间拓展到了包括信息空间在内的地理、人文和信息三元空间。在可视化表达上，地图突破传统物理空间约束，制图主客体、制图对象、展现介质和表达语言等都发生了深刻的变化，地图表达内容、表现手法和地图设计呈多样化趋势，出现了大量在精确性、可量测性和客观性等方面区别于传统地图的类地图[9]、准地图[10]或似地图[11]，诸如赛博地图、VR(virtual rea-lity)/AR(augmented reality)地图、混合现实地图、微地图、语义地图、隐喻地图等，本文统称之为泛地图。泛地图是传统地图的延伸和拓展，是对地理、人文和信息三元空间的综合表达，是一种通过地图语言、形象思维、空间思维对三元空间对象进行特征分析，实现人与人、人与物、物与物之间信息获取、传递、认知等功能的广义地图表达。ICT时代，泛地图可视化不再拘束于传统的地图理论框架，视觉变量、听觉变量、触觉变量、时间变量、空间变量、层次变量、尺度变量、虚拟变量、互动变量[12-17]等均被引入到地图的可视化过程，地图形成了多维度、层次化、立体化的综合可视化表达体系。
值得注意的是，当代地图学领域的这一状态在呈现数字技术带来的地图繁荣的同时对地图学产生了负迭代作用[9]。传统地图空间理论仅仅是对地球物质空间及其对象的简单形式化描述，未能对ICT环境下的三元空间及其表达对象间的相互映射关系进行辨析。地图可视化方面，现有的泛地图表达主要还是技术手段上的丰富，对应的地图可视化指导理论的发展却相对滞后。现有理论未能辨识泛地图可视化内部的系统结构和层次关系，地图学缺乏较为完善的地图可视化表达体系。本文列出了三元空间下泛地图可视化的研究框架，分析了泛地图可视化维度的层次、类型和特征，并以具体的维度进行讨论，论述地图可视化维度的关联和组合。
1 地图可视化理论
地图是人类感知世界和认识世界的产物[12]。通过视觉思维的图形化表达和交流，可以直观、形象地传输地理空间相关信息，发现空间现象或对象的本质规律。传统经典地图可视化理论强调空间对象的符号化表达，认知过程具有信息单向传输的特点，读者仅能凭借自身知识解读地图内容，地图的视觉思维过程缺乏交互性和定向性。
20世纪70年代，GIS、GPS、LBS(location based service)等技术的相继出现推动了地图可视化的信息化进程。视觉表达元素、信息传输模型、空间认知规则等被纳入到地图可视化研究中，地图学者相继提出了地图信息传输模式[18]、地图符号论[4-5]、地图信息论[19]、地图感受论[20]和地图认知论[21-23]等基本理论。视觉表达、信息传输和空间认知等成为了地图可视化研究的重要内容。信息可视化打破了传统地图的固化特点，新增了地图内容的层次和分类[24]，丰富了地图的表现形式。地图表达从原本的单向信息传输模式开始向开放式信息交互模式过渡，同时具有了动态性、交互性、网络性和多维性的特点[25-26]，读者的认知地图效率有所提升。
ICT时代，信息空间的介入深化了地图学表达的内涵，地图对象空间从二元空间拓展到三元空间，地图的表达空间不再仅仅是自然空间和人文空间的信息化，也包括信息空间所带来的新型地图表达空间扩展，包括赛博空间、网络空间、虚拟空间、微观小空间、社交媒体空间、社会心理空间等[27]。地理空间、人文空间和信息空间互相融合，改变了人类的生产、生活和社交方式，地图制图的目的、主体、客体和应用环境等均发生深刻变化。地图的应用领域不断拓展，表达形式不断丰富，制图技术不断创新，地图呈现出大众性、普适性和创新性等特点。但现有地图理论却鲜有描述三元空间下的泛地图可视化，现有地图可视化理论出现了无法指导当代地图实践的矛盾，如社交空间是一个集地理、人文和信息三元空间为一体的混合空间，但传统地图可视化手段却无法对其进行有效表达;现有地图理论也无法覆盖VR/AR/MR(mix reality)等新的地图表达方式。地图学迫切需要拓展地图学理论范畴，以适应时代发展需求。
2 泛地图可视化维度研究框架
ICT促进了移动互联的发展，带来了地图的强交互性和参与性，地图的科学性、可计算性(量测)、客观性存在不同程度的冲破，面向不同视点、对象、介质、目的泛地图可视化特征和视觉表象，泛地图可视化维度研究就是要探寻抽象思维、图形思维和空间概念的维度表达，确立维度本征的描述参数/指标，统一表达复杂地图场景及其维度的相互关系，建立地图可视化的维度谱系，这也是指导地图可视化、分析地图信息传输和用户理解的科学基础。本研究根据地图可视化内涵，采用特征提取与分类、结构分析、关系解析与分解等手段对泛地图可视化对象的维度特征、维度结构、组合关系进行全方面系统解译剖析，综合考虑地图的动静关系、几何形态、对象内外结构、表现手法、结构约束、结构规则、耦合嵌套以及层级关系、嵌套关系和关联关系，建立层次化、结构化、系统化的维度分类体系(见图 1)。在泛地图维度分类体系构建基础上，综合考虑地图模型的结构组成和整体功能，从要素、几何、尺度、结构、语义、过程、视角、视点、介质、风格等方面对地图可视化进行分析，梳理维度层次结构、相互作用机制和映射关系，构建泛地图可视化维度本征模型;构造泛地图对象的维度、语法、规则、约束、组合以及关联等模式，根据可视化特征，利用不同粒度的维度及其耦合与聚合方式，确定不同应用场景下的地图构造模式，形成完整的泛地图可视化维度谱系表达框架，满足ICT时代三元空间地图表达的需要。
图 1 泛地图可视化维度模型构建方案
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