周夢杰,王 睿,買淑敏,萬義良,田 晶

(1.湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院，湖南 長沙 410006；2.地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與應用湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410006；3.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079)

圖例是地圖上使用符號的歸納和地圖內(nèi)容的必要說明[1]，它是解譯地圖的重要工具，同時也是溝通制圖者和用圖者的橋梁。傳統(tǒng)的圖例系統(tǒng)設計一般按照系統(tǒng)邏輯設計、系統(tǒng)布局設計、圖示符號的設計與定義3個基本步驟進行[2]。制圖者在設計圖例時已形成一種“設計符號，按順序擺放”的固化思維方式，難以跳出地圖設計的固有模式[3]。

制圖者通常將重心放在圖示符號的設計與定義上，將要表達的內(nèi)容由概念思維轉(zhuǎn)換成地圖形象語言。然而，圖例要素間具有一定的關系與結構，如語義上的層次結構與時間順序關系。更進一步，圖例要素之間的關系和結構并不是顯式表達，而是暗含于符號的色調(diào)、飽和度以及紋理的差異之中。在圖例要素的擺放上，通常按照一維順序并輔以適當?shù)拈g距來強調(diào)圖例要素的結構，用圖者較難理解或者注意到圖例要素間的關系與結構。同時，地圖只能表達地理現(xiàn)象的空間分布特征，無法直觀地表達地理現(xiàn)象的非空間信息，如統(tǒng)計信息，這些非空間信息的表達可以與圖例的表達相結合[4]。用圖者借助于圖例把圖像語言轉(zhuǎn)換成概念或自然語言，期望圖例能夠包含更加豐富的信息，如圖例要素關系、結構直觀，易于理解和使用，具有藝術性[5]。

針對傳統(tǒng)按順序羅列符號的圖例設計方式不能滿足用圖者需求的問題，國內(nèi)外學者從圖例設計技術及圖例基本設計原則兩大方面展開了積極探索[5-19]。相較于已有的研究成果，本研究主要關注圖例設計技術與可視化方法及動態(tài)交互手段的結合，有效表達圖例要素的屬性及其相關關系，豐富圖例所傳達的信息。

為了使圖例表達更多有用的信息，同時顯示表達圖例要素間的空間關系，本文在對地圖圖例要素分析的基礎上，提出了圖例可視化及動態(tài)交互的地圖圖例設計模式。利用可視化的方法對地圖圖例進行表達，圖例不僅僅作為“圖邊的說明”幫助完成地圖信息的傳輸，同時也作為地圖的重要組成部分顯式表達、傳遞地圖所不能表達的相關信息，如要素統(tǒng)計信息和結構信息。圖例可視化能夠利用讀圖者眼睛的感知能力強化對圖例要素的認知理解，提高完成讀圖任務的效率。此外，隨著電子地圖技術的不斷發(fā)展完善，電子地圖的應用日益廣泛，以用戶為核心的個性化定制地圖越來越重要。在電子地圖中，圖例可以與多種多樣的動態(tài)交互方式相結合[20]，有效地優(yōu)化用戶體驗，提高信息傳輸效率。

1 地圖圖例要素的分析

1.1 圖例要素表達的尺度

根據(jù)地圖上要素表達的尺度，圖例要素可分為兩大類：表達質(zhì)量特征的(定性)圖例，如圖1(a)所示；以及表達數(shù)量特征的(定量)圖例，如圖1(b)所示。

圖1 地圖圖例的類型

1.2 圖例要素之間的關系

圖例中的各要素通常不是獨立存在的，它們之間有一定的關系。圖例要素之間的關系可分為：空間關系、語義關系、時間關系。

空間關系：某些定性圖例要素之間存在一定的空間關系，如橋跨越水面、溝壑或道路等(點在線上，如圖2(a) ，橋為不依比例尺表示的符號)，水系交匯處為兩不同流向河流交匯處(面與面相接，如圖2(b))，海島是海中四周環(huán)水且常年高出水面的陸地(面在面內(nèi)，如圖2(c))。在地圖圖例上這些定性要素通常會輔助以與其具有空間關系的要素進行表達。

語義關系：某些圖例帶有分類系統(tǒng)，如地貌類型圖中的圖例表達了形態(tài)系列(平原-丘陵-山地)以及成因因素這兩個指標的綜合情況；或是圖例要素之間還具有層次結構，如土壤類型圖，表示土壤覆蓋層的發(fā)生類別——土類、亞類、土屬(組)、土種及變種的地理分布。在地圖圖例上通常以色彩的差別(色調(diào)、色相、飽和度的差異)以及紋理的差別表現(xiàn)要素的分類系統(tǒng)以及層次結構關系。

圖2 圖例要素的空間關系

時間關系：某些圖例要素間具有時間的順序，如在地質(zhì)圖中地層年代的新舊。在地圖圖例上通常以色彩的差別來表現(xiàn)圖例要素間的時間關系，如地層年代中較淺的顏色通常代表較新的地層，較深的顏色通常代表較舊的地層。

2 地圖圖例的可視化表達

地圖圖例除了應包含地圖上使用的所有符號以外，還應當向用圖者傳遞更多的與地圖內(nèi)容相關的信息和知識。地圖主圖反映地理現(xiàn)象的空間情況，展現(xiàn)地理現(xiàn)象的空間分布特征和分布規(guī)律，而圖例除了表達地理現(xiàn)象與地圖上符號的對應關系以外，還應以一種用圖者易于理解的形式展現(xiàn)與地理現(xiàn)象相關的非空間信息，以幫助用圖者更好地閱讀、理解和分析地圖。圖例的可視化能夠形成圖例要素的感知圖像，強化用圖者的認識理解，提高信息認知的效率。在第二節(jié)地圖圖例要素分析的基礎上，對圖例要素自身的信息、以及圖例要素間的關系進行可視化，并此提出了4類圖例的設計模式：①圖例及其統(tǒng)計信息可視化；②圖例要素及其空間關系可視化；③圖例要素及其語義關系可視化；④圖例要素及其時間關系可視化。圖例要素自身信息的表達與圖例要素關系的表達并不是割裂的關系，兩者間可以互相結合，單個圖例要素表達其對應地理現(xiàn)象的統(tǒng)計信息，而圖例要素的布局則可以反映圖例要素間的關系。

2.1 圖例及其統(tǒng)計信息可視化

地圖反映地理現(xiàn)象的空間分布情況，圖例則可作為一種統(tǒng)計圖反映地理現(xiàn)象的統(tǒng)計分布情況，如條形統(tǒng)計圖、頻率(數(shù))分布圖[21]、累計頻率(數(shù))分布圖[4]等。將圖例設計為統(tǒng)計圖形式時，對于圖例要素本身，將其尺寸與其對應的地理現(xiàn)象的某個統(tǒng)計信息相對應，如圖3所示，圖例除了表示符號的含義以外，還表示了圖例要素對應的土地利用類型的面積，由圖例上可以清晰看出各類土地利用類型所占的面積情況；如圖4所示，圖例除了表示符號的含義以外，還表示了屬于級別的地理要素的頻數(shù)，由圖例上可以看出位于地區(qū)生產(chǎn)總值的10 000～20 000 億元區(qū)間的省份數(shù)最多。

圖3 統(tǒng)計圖圖例—條形統(tǒng)計圖與圖例相結合

圖4 統(tǒng)計圖圖例—頻數(shù)分布直方圖與圖例相結合

2.2 圖例要素及其空間關系可視化

某些圖例要素之間存在一定的空間關系，設計圖例時可建立圖例要素間的空間關系，并據(jù)此排列圖例要素，將圖例設計成一幅“縮小的地圖”[7]。圖5為地形圖的圖例，圖例上的各要素按照圖例要素可能具有的空間關系排列。這樣的表達使得圖例要素之間的空間關系得以清晰、直觀表達，符合人的認知特點，易于用圖者查找和理解地圖上符號的含義。

2.3 圖例要素及其語義關系可視化

某些圖例帶有分類系統(tǒng)，或是圖例要素之間還具有語義上的層次結構，在設計圖例時可對圖例要素間的語義上的層次結構進行可視化表達，而不是簡單地按照順序排列圖例要素。在信息可視化中，結構關系的表達可采用節(jié)點-鏈接法、空間填充方法[9]以及節(jié)點-鏈接法與空間填充法相結合這3大類方法，如圖6所示，同一結構關系采用了不同的方法可視化。節(jié)點-鏈接法(見圖6(a))能清晰、直觀地顯示圖例要素層次結構，但不能有效地利用空間，不利于圖例要素非空間信息的表達。空間填充法—Treemap[22-23](見圖6(b))通過矩形之間的相互嵌套來隱喻表達圖例要素之間的層次關系，Treemap中顯式表達葉子節(jié)點，中間層次的節(jié)點被隱藏，能夠有效地利用空間，同時還可利用矩形的尺寸可表達圖例要素的非空間信息。節(jié)點-鏈接法與空間填充法的結合采用空間填充的區(qū)域表達節(jié)點，相鄰節(jié)點之間的位置關系則編碼了彼此之間的層次關系，如Sunburst[25](圖6(c))，Icicle Tree[26](圖6(d))。采用這種方法易于分辨圖例要素的層次結構，同時還可利用填充區(qū)域的尺寸表示圖例要素的非空間信息。此外，在Treemap中，矩形的布局可采用兩種方式：①根據(jù)圖例要素的空間位置[24]布局，盡量保持圖例要素在Treemap中的位置與地圖上要素在空間位置上的相似性；②根據(jù)圖例要素對應的非空間信息布局，可根據(jù)圖例要素對應的非空間信息值排序。

圖5 圖例要素及其空間關系可視化

圖6 幾種層次可視化方法原理

圖7(a)為某地區(qū)地貌區(qū)劃圖，圖7(b)為其對應的常規(guī)圖例。圖7(c)、圖7(d)采用Treemap對圖例進行可視化表達，矩形的面積與該類型區(qū)劃的面積相對應，在圖例要素的布局上，圖7(c)根據(jù)圖例要素的空間位置布局，以便于用圖者查找對應地理現(xiàn)象的含義，7(d)根據(jù)圖例要素對應區(qū)劃面積值按大小從高到低排列[9]，能夠表現(xiàn)地理現(xiàn)象屬性信息的分布情況。圖7(e)利用Sunburst對圖例進行可視化表達，各扇區(qū)的面積與圖例所對應的地貌區(qū)劃面積相對應，圖例要素結構清晰，成圖美觀。

2.4 圖例要素及其時間關系可視化

某些圖例要素之間具有線性時間的順序，同時還可能具有時間上的層次結構。可對圖例要素及其時間關系進行可視化，利用圖例要素的布局，以一種直觀、清晰的方式表現(xiàn)圖例要素間的時間關系，幫助用圖者更好地掌握圖例要素時間上的邏輯結構，加深對地圖表達內(nèi)容的理解。對于具有線性時間順序的圖例，將圖例要素按照一維的時間順序排列，對于具有時間層次結構的圖例要素，可考慮使用層次結構可視化方法表現(xiàn)圖例。如地質(zhì)圖中，地層有新老之分，具有時間概念，地層應該由新到老來布置，此外，年代地層單位還具有時間上的層次結構，國際地層年代表中最大的時間單位是宇，宇下分界，界下分系，系下分統(tǒng)，統(tǒng)下分階，特別的，在石炭系下分出了亞系，并在亞系下分統(tǒng)。如圖8所示，利用Icicle tree[26]可對具有時間上層次結構的地質(zhì)年代圖例進行可視化。

3 動態(tài)交互的地圖圖例

不同于傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖圖例，電子地圖圖例可移動、可縮放，具有交互性、動態(tài)性及多維性[20]。對電子地圖圖例的特性加以分析利用，能夠設計出多種多樣的動態(tài)可交互圖例。動態(tài)可交互的圖例能夠幫助用圖者快速地獲取圖中信息，優(yōu)化用戶讀圖體驗，提高信息傳輸效率。根據(jù)圖例作用的對象不同，動態(tài)交互圖例可分為3大類：①通過交互改變圖例本身；②通過交互改變圖上內(nèi)容；③通過交互獲取圖外信息。

圖7 圖例要素及其語義關系可視化

圖8 利用Icicle tree對地質(zhì)年代圖圖例進行可視化

3.1 改變圖例本身的動態(tài)交互圖例

在傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖中，圖例通常被放置在圖中的固定位置，雖然不可縮放、不可平移，但一般來說都處于用戶目視范圍之內(nèi)，便于用圖者瀏覽參考。而通常電子地圖中對地圖進行縮放、平移等操作后，圖例不會在當前視口顯示，使得用圖者在讀圖過程中往往需要反復縮放、拖動來瀏覽圖例。為了方便用戶使用電子地圖圖例，可以創(chuàng)建單獨的圖例框，使用戶可以輕松地控制圖例移動、縮放、創(chuàng)建、關閉，也可以將圖例設置為可伴隨鼠標移動的模式。如圖9所示，當鼠標停留在圖中某符號上時，圖例懸浮出現(xiàn)，為用戶理解圖上內(nèi)容提供幫助。相比于傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖圖例，這種交互方式提高了用戶獲取圖中信息的速度，并可有效地優(yōu)化用戶感受。

圖9 圖例伴隨鼠標移動

此外，通過交互還可以改變圖例的表示方式。如圖10所示，圖例可以設計為按序排列的矩形色塊，也可以采用2.1節(jié)的方式，表達要素統(tǒng)計信息，設計為條形統(tǒng)計圖圖例或環(huán)形圖例，通過交互可以實現(xiàn)三者之間的切換，便于不同用戶選擇更適用于其關注焦點的圖例。

3.2 改變圖上內(nèi)容的動態(tài)交互圖例

電子地圖環(huán)境下用戶可通過對圖例的交互控制地圖內(nèi)容，如控制圖上某些要素是否顯示，某些要素是否突出表達，以及改變地圖表達的尺度等。通過建立地圖與圖例之間關聯(lián)[14]，將圖例可作為地圖表達的“控制器”，方便非專業(yè)人員從地圖上高密度的信息中獲取更多感興趣的知識。

1)圖層控制圖例。圖層控制圖例是利用圖例作為電子地圖的圖層控制器，用戶通過圖例控制圖例對應要素圖層在地圖上的顯示與隱藏，如圖11所示，當表示幼兒園(紅色圓)和中學(綠色圓)的圖例要素被勾選時，地圖中關于幼兒園和中學的地理要素圖層在圖中顯示，而其他未被勾選的要素圖層(小學和大學)在地圖中未顯示。這種交互方式易于理解，操作簡便，方便用戶根據(jù)特定需求訂制地圖內(nèi)容，能夠減少圖中的干擾，突出主體信息，幫助用戶集中注意力。

圖10 切換圖例表達方式

圖11 圖例控制圖層開關

2)要素視覺控制圖例。除了控制圖層開關之外，電子地圖圖例還能夠控制圖上要素的視覺屬性。例如，當用戶需要查找圖中某類要素的分布情況時，可以通過單擊該類要素所對應的圖例，使得其對應的圖中要素高亮、閃爍或加粗，這種交互手段能夠使被選中的圖中要素視覺層次迅速提升，便于用戶對其進行識別和分析，如圖12所示。

圖12 圖例控制圖中要素高亮顯示

3)變尺度表達圖例。變尺度表達圖例可以通過交互控制地圖要素以不同尺度進行表達。通過改變地圖的表達尺度，可以方便用戶獲取要素的整體分布情況和具體結構特征，不同的表達尺度可以更好地為不同需求的用戶提供更合理的服務。如圖13 所示(左側為圖例，右側為其對應的地圖)，環(huán)形圖例的不同展開層級控制圖上內(nèi)容的不同表達語義尺度，當圖中環(huán)形圖例一級展開時，地圖只顯示一級分類；而單擊Ⅱ類區(qū)域圖例使其第二級展開后，Ⅱ類區(qū)域被分為Ⅱ1-Ⅱ8小類以深淺不一的紫色表現(xiàn)，相應地地圖中的Ⅱ類區(qū)域也被分為8小類。對部分只關心該區(qū)域整體情況的用圖者來說，其二級分類是不必要的，所以只顯示一級分類能夠減少信息冗余；而對部分關心該區(qū)域具體情況的用戶來說，一級分類不能表達出細節(jié)信息，二級分類圖則能夠提高信息密度，補充信息細節(jié)。

3.3 獲取圖外信息的動態(tài)交互圖例

此外，在電子地圖中，用戶通過圖例交互可以獲得與圖中內(nèi)容有關、但地圖中難以表達的信息。例如可以通過單擊圖例要素跳轉(zhuǎn)至文字、圖片、視頻等多媒體資源，如圖14所示。這種交互方式可以大大地豐富電子地圖的內(nèi)容，也能夠幫助構建更加完整的知識表達。

圖13 圖例控制以不同尺度表達圖中要素

圖14 圖例補充表達圖外信息

4 結 論

本文提出了圖例設計的新模式，即利用可視化的方法對圖例進行表達。在地圖圖例要素分析的基礎上，針對圖例的特征提出了4種圖例可視化策略：圖例及其統(tǒng)計信息可視化、圖例要素及其空間關系可視化、圖例要素及其語義關系可視化、圖例要素及其時間關系可視化。圖例可視化能夠利用讀圖者眼睛的感知能力加強對圖例要素的認知理解，提高完成讀圖任務的效率。此外，本文還總結了電子地圖環(huán)境下動態(tài)交互圖例設計的基本方法，通過添加動態(tài)交互功能，圖例能夠優(yōu)化用戶體驗，控制地圖上信息的表達，豐富地圖內(nèi)容，提高信息傳輸效率。進一步的研究工作將關注多維電子地圖圖例的動態(tài)交互及地圖時序信息的圖例控制方法。