三維電子地圖的天氣LOD符號設計

鮑曉宇 武光瑩

(武漢大學 資源與環境學院, 湖北 武漢 430079)

0 引言

地圖符號作為地圖“語言”構成的基本單位,承擔著語義表達與傳送的任務,制圖者借助其向用戶傳遞信息。隨著動態可視化技術的出現,用戶希望地圖符號能自適應可變,獲得符號多細節的現象揭示。為了滿足不同應用領域、不同用戶的需求,多層次可視化(levels of detail, LOD)技術需要引入到地圖符號設計中。LOD自1976年克拉克(Clark)提出后,由于其符合人類空間認知的規律,在各領域得到了廣泛的應用。在地圖領域,LOD常用在空間、語義及時間比例尺下對空間形態、屬性及動態等信息進行綜合及可視化[1]。目前關于LOD技術在具體類型符號的研究成果較少,如在郭星辰等人[2]的《多細節層次的三維植被符號設計》和藍貴文等人[3]的《排水管網多尺度幾何語義建?！分?分別探討了LOD技術在植被和城市排水管網符號設計中的作用,但在點狀符號設計中,關于LOD技術運用的研究還比較缺乏。本研究針對這一缺陷,試圖對點符號設計引入LOD思想,探索點符號表達的多層次化語法規則。

傳統的天氣預報地圖所使用的的天氣符號屬于二維符號的范疇,主要采用單一的二維圖標表示對應區域當天的天氣狀況。雖然表達效果簡潔直觀,但符號樣式單一,用戶無法獲取多層次的天氣現象展示。針對上述不足,本文在傳統天氣符號的基礎上,將多尺度表達與天氣符號設計相結合,對LOD技術在天氣符號中的應用做了探索和研究。

1 符號表達對象的多尺度分析

地理現象的多尺度表達包括語義、空間、時間三個層次[4],分別側重于不同的方向,本文從語義、空間兩個層次(本文的研究不涉及時間層次的多尺度分析)并結合天氣類型的級別劃分,設計如表1所示的天氣符號多細節層次模型。如表1所示,天氣多細節層次模型共包含LOD0至LOD3四層模型,分別代表不同級別的天氣劃分和區域尺度。本文使用區域級別尺度來對應符號LOD層級的變化,而并未使用精確的視點距離來進行LOD的切換,主要理由有以下兩點：(1)本文的符號展示場景為三維場景且符號表示整個區域的天氣類型而非常見的地物,故而視點距離不容易計算;(2)使用區域級別進行LOD尺度的切換與符號的表示區域相契合。

表1 LOD層次

1.1 語義多尺度表達

地理語義作為地圖符號所蘊含的信息,主要描述關于地理現象數據的含義,在地圖符號的設計中具有重要的作用[5-7]。地理要素的語義主要包括兩個方面：語義描述與屬性信息,其語義層次關系可借助哲學中的本體論概念劃分為kind-of、instance-of、part-of和attribute-of四種類型[8],對應于種類、實例、部分、屬性的層次關系描述。

本文關于天氣符號語義的LOD表達將從天氣符號的廣度、粒度兩個分支共同完成：語義廣度描述了天氣符號所包含的所有類型種類;語義粒度是劃分層次、類別的最小度量單位,在本文表示為天氣符號的二級天氣劃分。表2對天氣類型進行了兩級劃分,一級劃分屬于定性的區分,用以區別不同的天氣類型;二級劃分屬于定量的劃分,在一級天氣劃分的基礎上再進行精確的定量劃分,例如根據降水量的不同將下雨天氣區分為小雨、中雨等。LOD0層符號代表最大尺度的國家和省份區域天氣類型。該層符號主要表現出天氣的一級定性劃分,區別出不同的天氣類型。LOD1層次描述符號所對應天氣類型在天氣一級劃分下的二級劃分且符號所表示的區域縮小,僅代表城市級別區域的天氣類型。在符號語義上,LOD0層體現同屬一級天氣類型的所有二級天氣類型的共同特征,LOD1層則體現了特定二級天氣類型的定量特征,符號類型更加精細化,體現了符號在語義方向的多尺度表達。

表2 天氣類型劃分

1.2 空間多尺度表達

空間上的多尺度表達也屬于綜合的一種表現,遵循人們對物體觀察的詳細程度與視點距離呈反比的空間規律。空間的多尺度表達即面向空間信息的多尺度表達,而空間信息主要包括空間位置信息與幾何形態信息,本文的天氣符號設計主要基于幾何形態信息進行多尺度表達。

LOD0和LOD1層皆表現為二維符號,而LOD2層突破了傳統二維地圖符號的限制,屬于三維符號的范疇。當用戶的視角由整個城市切換成更小的區縣尺度時,則需要加載該層符號。LOD3層為天氣符號表現的最高層次,著重表現符號對應天氣在現實世界中的真實狀況。本文采用粒子系統制作該層符號。當地圖縮放至可以清楚地看到城市的主干道時,應將LOD2層符號切換成粒子系統制作的“真實符號”。LOD1至LOD3在語義上都表現為精確的二級天氣劃分,在空間上體現了符號所表示區域級別的遞減,從城市級別到區縣級別以至最低層次的主干道級別,且符號的細節程度不斷增加,體現了符號在空間方向的多尺度表達。

1.3 三維動態現象表達的LOD

本文設計的天氣多尺度符號模型同時含有二維符號和三維符號,其中關于二維地圖符號的理論及應用已經較為成熟,而三維符號的設計與應用仍處于摸索階段,現就三維地圖符號的相關理論做簡要介紹。

與二維符號相比,三維符號可以表示直觀的空間高程信息,更加形象地反應空間目標的位置屬性等信息[9],但設計也更加復雜。關于三維符號設計的研究,不同學者側重于不同的方向,其中三維地圖符號的視覺變量研究受到廣泛的關注[10-12]。關于三維地圖符號描述狀態的視覺變量,不同學者存在不同的看法,但主要包括形狀、尺寸、色彩、紋理、亮度、空間姿態等六個方面的參量。此外,三維地圖符號在二維地圖符號關于狀態方面描述的基礎上,增加了動態特征、交互操作等新的參量,豐富了地圖符號所表達的信息,形成獨特的三維動態符號。動態特征參量主要包括發生時長、變化速率、變化次序、節奏等[13],傳遞了動態變化的信息。除了動態特征參量能夠表達直觀的動態特征外,交互操作也體現了三維符號的動態性,主要包括旋轉、縮放、LOD調整、陰影展示等操作。

2 天氣符號的LOD設計

如上文所述,本文對天氣符號共設計了LOD0至LOD3四個層次,彼此之間存在一定差異,因此具體的設計也互相不同,且存在一些細節需要注意,現將不同LOD層次符號的設計及相關細節闡述如下：LOD0層和LOD1層的符號主要描述符號所屬天氣類型的一級劃分和二級劃分,LOD0層的符號更具有代表性,而LOD1層的符號更加具象化。對于LOD1層,本文采用傳統的二維天氣預報地圖中已有的天氣圖標,無須重新設計。LOD0層符號是對LOD1層符號的更高層次抽象,通過提取二級劃分天氣的共同特征,在LOD1層的傳統天氣符號基礎上抽象化簡得到。設計LOD0層符號的過程中需注意形狀、色彩等主要視覺變量的正確性,例如,藍色雪花代表下雪天氣,金黃色的太陽代表晴天等。此外,LOD0層符號的形狀、色彩等視覺參量需要與同屬二維符號系列的LOD1層符號保持相似性,避免讓讀者產生突兀的效果[1]。同屬一級劃分的二級天氣類型可通過“特征圖元”的數量或尺寸進行區別,對比度明顯,便于讀者區分。例如,中雪符號的雪花數量多于小雪符號的雪花數量。

LOD2層符號屬于三維符號范疇,與LOD0和LOD1層符號相比具有立體感和層次感,在設計過程中需形象逼真地表現對應天氣類型的特征。該層次的特定天氣符號(雨、雪等)應在傳統二維符號視覺參量的基礎上添加動態操作和空間姿態參量,表現出符號立體動態的特征,形象逼真地表現對應的二級天氣劃分類型。類似地,同屬一級劃分的二級天氣類型,可通過“特征圖元”的數量或尺寸差異進行相互區分。此外,考慮到三維環境下,符號呈現出“遠小近大”的效果,符號的尺寸變量會產生誤差,本文采用顯示輔助文字信息的方法來對符號進行補充說明。

LOD3層屬于天氣符號的最高層次,本文采用粒子系統技術進行符號制作。粒子系統擅長于對模糊現象進行模擬,針對雨、雪、霧、霾等沒有具體空間形態的自然地理要素,可用粒子系統制作高度逼真的天氣符號。對于最高的細節層次,其符號粒子的制作將采用紋理代替常見的色彩視覺變量,從而模擬更加真實的視覺效果。LOD3層符號的設計也需要注意同類天氣類型之間的區別與聯系。例如,在使用粒子系統設計小雪和中雪天氣符號時,可使用同樣的雪花作為“特征圖元”,從而保證其聯系性,并通過雪花的數量及尺寸等視覺參量進行區分,便于用戶區分中雪和小雪。

3 應用案例

如圖1至圖2所示,本文對小雪和中雪天氣分別設計了完整的多細節層次符號。依據上文所闡述的理論,小雪和中雪天氣符號多細節層次模型共包括四個等級,分別表示為LOD0、LOD1、LOD2和LOD3。

(a)LOD0二維雪符號

(b)LOD1二維小雪符號

(c)LOD2三維小雪符號

(d)LOD3粒子系統小雪符號圖1 LOD0至LOD3層次的小雪符號

(a)LOD0二維雪符號

(b)LOD1二維中雪符號

(c)LOD2三維中雪符號

(d)LOD3粒子系統中雪符號圖2 LOD0至LOD3層次的中雪符號

以小雪天氣符號為例,LOD0級為符號的最低細節層次,代表天氣類型所屬的一級劃分即代表所有的下雪天氣類型。本文采用常見的二維雪花圖標來表示所有的下雪天氣類型,可讓讀者準確無誤的獲取當前區域的天氣類型。如圖1(a)及圖2(a)所示代表整個湖北省的下雪天氣類型。LOD1級為符號的第二層細節層次,代表天氣類型所屬的二級劃分小雪天氣類型,依然屬于二維符號范疇,可使用傳統二維天氣地圖中小雪的符號圖標。相比于LOD0級,LOD1級的小雪符號表示區域縮小但是更加精確,僅表示特定城市的小雪天氣。如圖1(a)和(b)所示,LOD1層和LOD0層符號在設計的過程中需保證雪花形狀顏色等視覺變量的相似性,避免產生沖突。

LOD2層為符號的第三層細節層次,屬于三維符號的范疇。相比于LOD0層和LOD1層,實現了二維向三維的轉變,符號更加形象和逼真且表示區域進一步縮小,僅代表特定區縣的天氣類型。如圖1(c)和圖2(c)所示,為了避免三維環境下,尺寸變量的誤差,本文在符號圖元的基礎上,添加了文字的輔助信息,直觀地表明了當前符號表示的區域及其面積。本文在設計三維天氣符號時,充分考慮不同符號之間的通性和個性,對其采用了環境圖元與特征圖元相結合的方式進行符號設計。以小雪符號為例,本文使用3Dsmax三維建模軟件制作LOD2層三維符號。如圖3所示,將小雪符號分解成云和雪,其中環境圖元表示小雪形成的氣象環境,在標準符號下表現為云,在3Dsmax中,通過調整、拼接、合并多個球體和圓柱體,構成云的基本形態,并賦予其特定的材質,結果如圖3(a)所示。類似地,通過組合多個棱臺體和棱錐并賦予藍色的材質得到圖3(b)的雪花。然后將代表雪的特征圖元和云的環境圖元組合成圖3(c)中完整的三維符號。此外,本文在設計三維小雪符號時,還添加了動態的效果。選中多片雪花,動畫時間設為1 s,在1 s處設置關鍵幀,向下移動雪花的位置,形成周期效果,完成動態制作,使得符號在視覺感知上更加形象和寫實,具有較高的可讀性。

(a)環境圖元,云

(b)特征圖元,雪

(c)初始時刻

(d)結束時刻圖3 三維小雪符號

LOD3級為符號的最高細節層次,采用粒子系統制作。本文采用基于WebGL封裝的Cesium.js三維引擎進行最高層次的小雪和中雪天氣符號制作。使用特定的紋理貼圖制作單個粒子(雪花),效果更加逼真,再設置粒子的數量、運動方向、速度、尺寸變化、生命周期等相關參數,制作完整的粒子系統符號。如圖1(d)和圖2(d)所示,當用戶視角處于近距離觀察下時,此時,主干道路網結構清晰,視線場景被粒子系統制作的小雪和中雪符號覆蓋,具有較強的真實感。小雪的24 h降雪量為0.1～2.4 mm,中雪的24 h降雪量為1.3～3.7 mm,本文依據小雪和中雪的24降雪量劃分標準將小雪中雪的雪花大小和每秒發射粒子數(雪花數)的比例設定為1∶2(在最大降雪量比例的基礎上進行了一定的放大,增加差異性)。對比圖1(d)和圖2(d),可清楚地發現,中雪的雪花數量明顯多于小雪且其雪花尺寸也大于小雪雪花,與現實世界情況相符。

4 結束語

本文探討了LOD技術在地圖符號中的運用,詳細剖析天氣符號的空間多尺度、語義多尺度表達,將天氣符號類型概括和其表示區域范圍與多尺度表達相結合,提出了天氣符號多細節層次模型。抽象的類型和大區域對應低細節層次的符號,具體的類型和小區域對應高細節層次的符號,分別采用二維符號、三維動態符號和粒子系統表示對應層次的符號。對于小雪和中雪天氣類型,本文設計了完整的多細節層次符號,實現了對應天氣的語義多尺度和空間多尺度表達,驗證了本文所構建模型的可行性。在制作LOD3層粒子系統符號時,通過設定相關參數的比例關系,使得小雪和中雪具有明顯的區分度。本文在取得一定成果的同時也存在一些不足,例如,本文的天氣多細節層次模型僅探討了空間多尺度和語義多尺度表達而未考慮時間層次的多尺度表達。對于晴、多云等不適合用粒子系統表達的天氣類型,它們的LOD3層符號表達缺乏有效手段。