科學綠化地理場景的動態符號設計與多尺度表達

付樂宜,趙小陽,3,吳凱華,孫 穎

(1. 廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東 廣州 510060; 2. 廣州市資源規劃和海洋科技協同創新中心,廣東 廣州 510060; 3. 廣東省城市感知與監測預警企業重點實驗室,廣東 廣州 510060;4. 中山大學地理科學與規劃學院,廣東 廣州 510275)

2021年6月,國務院正式出臺科學綠化指導方案,隨后廣東、浙江等多個省份也相繼出臺科學綠化實施意見,強調在新時代下應使用科學的方式提高城市綠化水平,推動國土綠化高質量發展。新技術背景下,地圖學衍生的“地理場景”新概念可應用于科學綠化要素的可視化表達。作為地圖的表達對象,地理場景是地理空間中地理現象、事件與過程的集成,具有高度的整體性[1]。構建科學綠化場景,設計綠化專題符號,可突出科學綠化在城市建設過程中的重要特性,也是推動綠色高質量發展的重要表現。

以往測繪地理信息領域中的科學綠化研究常以現狀分析、指標評價、平臺開發等為主。文獻[2—3]針對各研究區特征,應用遙感等技術手段,對其綠化現狀進行分析,從而為后續政策制定行動方案。文獻[4]基于衛星遙感影像,選取合適景觀格局指數,對城市綠地景觀格局變化研究。文獻[5]結合RS和GIS技術,建立了基于數理統計知識的三維綠量反演模型,并以某市為例估算城區范圍內的三維綠量總量并進行分析。文獻[6]對現行的城市園林綠化指標進行系統研究,提出需盡快統一綠地指標口徑。信息化平臺研發上,文獻[7]提出了一套面向資源管理與規劃設計的一體化管理體系。文獻[8]構建了以新一代信息技術為基礎的城市園林綠化智慧化管理體系平臺。文獻[9]對行道樹和險樹危樹進行專題符號化,使其在管理系統中可依據不同屬性完成定制化配置與呈現。

在上述已有研究中,均涉及對科學綠化關鍵信息的可視化表達,大多使用二維靜態符號或統計圖表等常規形式進行示意,缺少綠化符號設計方法的系統研究。同時,使用的常規靜態符號只能傳達某一時刻信息,難以傳遞過程變化并突出重點。單一尺度表達的信息也受限于當前比例尺,當交互帶來空間變化時,其信息不具備適應性,在視覺上會帶來突兀或失焦感。

針對當前科學綠化地理場景缺少系統動態符號設計與尺度單一的問題,本文首先提出一種面向地理場景表達的動態地圖符號設計方法;然后依據科學綠化關注要素,對綠化空間要素與綠化指標進行符號設計;最后以省級、區域級、地塊級3個尺度下的實際場景為例,依次進行場景分析、背景構建、符號設計與場景配置,從而突出不同尺度下的科學綠化關鍵要素,以實現全方位、多尺度場景的科學綠化專題動態表達。

1 地理場景下的動態地圖符號設計

1.1 地理場景與動態地圖

作為地理信息的載體,地理場景在地理知識表達過程中具有很強的整體效應。地理場景包含面向特定功能、相互關聯的地理要素,以及要素之間構成的空間子集和時空關系。借助地理場景,制圖者可用于描述地理環境、地理事件與地理現象的表現狀態、演化過程、相互關系與時空格局,從而揭示地理過程中隱藏的動態特征與時空規律。

地理場景及構成要素是動態地圖的表達內容,動態地圖是地理場景的表達載體。智能化時代動態地圖的“動態”體現在地圖符號與交互控制,如圖1所示。使用動態符號表達內容,既可表達動態現象,又可使用動態的視覺能力進行突出強調。

圖1 動態的內涵

1.2 動態地圖符號設計參量體系

基于前文對地理場景與動態地圖的分析,以靜態視覺參量[10]、動態視覺參量[11]、感官認知[12]、交互控制[13]為基礎,構成一套適宜于動態地圖符號設計的參量體系:①基礎建模參量,包括圖形、位置、組合,基于此可基本確定符號的外形結構,即白模;②藝術設計參量,包括顏色、光效、材質,基于此可表達地理對象的內在屬性;③動態表達參量,包括時刻、持續時間、變化速率、顯示次序,對各參量進行組合,可傳遞不同功能的動態效果;④其他感知參量,包括聽覺參量與觸覺參量;⑤交互控制參量,包括符號控制與用戶角色,可提供動態地圖中的交互特征。如圖2所示。

圖2 動態地圖符號設計參量體系

1.3 動態地圖符號設計方法

地理場景下的動態地圖符號設計需全局考慮表達場景的主題與動靜態要素傳達的有效信息。以分而治之思想為理念,提出具備場景分析、背景構建、符號設計、場景配置4大結構的動態地圖符號設計方法。

1.3.1 場景分析

構建動態符號,需明確表達對象的地理概念、背景要素與動態要素的動態時間功能,從而初步確定符號形式、組成要素、動態參量、交互控制及場景配置。

1.3.2 背景構建

動態地圖由地理背景與專題動態信息疊加組成,地理背景為動態變化要素的發生環境,包括基礎地形及其他靜態地理要素。基礎地形依據場景尺度、呈現主題表達程度確定,表達上可分為高仿真、局部仿真、紋理貼圖3種形式。其他靜態地理要素依據具體專題場景需要,選擇對應的專題要素進行表達。

圖3 空間要素符號設計

1.3.3 符號設計

了解概念并確定組成要素后,對組成要素進行各視覺參量賦值。

1.3.3.1 模型外觀設計

基于地圖符號設計美學原理[14],對表達要素進行基礎模型設計,依據場景需求確定符號維度,使用建模軟件完成初步形態設計;根據語義特征與類型層次,使用貼圖材質或顏色等進行屬性信息賦予。

1.3.3.2 動態功能設計

不同的動態功能對應于不同的參量設計:

(1)時刻強調。表達某一時刻上的屬性強調,如突出當前位置坐標或存在狀態,主要使用圖形、顏色、光效等視覺參量,既可準確傳達位置信息,又在視覺上吸引用戶的注意,達到動態強調的效果。表達當前時刻的變化趨勢,常添加輔助要素,如指示箭頭、輔助線等。

(2)時間段變化。對隨時間變化的過程進行表達,很大程度上依賴于表達對象,動態變化主要體現在位置、形態、語義上。其中,位置變化是指表達要素隨時間在空間中所處的狀態發生變化,通常記錄關鍵點坐標位置、設置動畫時長與速度以路徑動畫和生長軌跡方式展現;形態變化由尺寸、形狀與動態參量結合;語義信息基于人的認知,是地理對象除空間位置、形態外的所有屬性內容,此類特征主要通過符號外貌傳遞,設計材質、顏色等藝術設計參量傳遞變化信息。

確定動態功能后,對各組件進行動態設置,常與動態參量進行組合表達,動態功能與視覺參量的對應關系見表1。

表1 動態功能與參量的對應關系

1.3.3.3 交互控制設計

交互是動態地圖的第二特征[15]。設計時,使用多形式的交互方法,可讓讀圖者依據需求與地圖內容進行不同視角、要素、主題、尺度、時間段的交流,完成多版本的補充與比較,從而發現新的空間知識。從實際的應用角度,可從空間、時間、語義3個維度對交互方式進行設計。①空間交互核心是地圖展示內容的整體變換。常通過鼠標按鍵拖拽、滑輪滾動,實現地圖內容的平移放縮、觀察視角的全方位旋轉。②時間交互在形態上體現為時間軸與時間比例尺,進行時刻定位與變化速度設計。③語義交互涉及地圖表達內容,可分為初、中、高3個級別,對應關系見表2。

表2 不同級別的語義交互與對應的操作類型

1.3.4 場景配置

場景配置分為單個符號配置與整體效應設計。地理場景中的動態要素從依賴地形程度可分為全依賴、半依賴、不依賴。地質、地貌具有明顯依賴空間實體的特征,在表達現象或事件時需要依附于真實地形進行角度調整配置。在地形起伏不突出或地形要素被弱化的場景中,單個地圖符號只需進行簡單空間位置坐標的調整,為半依賴。不依賴地下的動態要素,如天氣符號,其空間位置配置相對模糊,空間示意即可。完成單個符號的配置后,還需綜合考慮整個場景環境的空間關系與分布格局等,從而反映當前主題。

2 科學綠化場景的綠化要素動態符號設計

科學綠化涵蓋多項自然地理空間要素,除了森林、綠地、公園、樹木等具有實體空間形態的現狀要素,還包括公園節點、生態保護紅線、休閑廊道、規劃綠地范圍等具備空間但無實體的規劃體系。除了空間要素本體外,其附帶的定量屬性指標也常被納入評價范疇,如服務半徑、綠地率、三維綠量等。依據符號設計,分別對綠化要素模型外觀與動態功能完成設計。

2.1 模型外觀設計

依據綠化要素是否具有實體空間形態,將其分為科學綠化空間要素與綠化指標兩大類。

2.1.1 空間要素符號設計

對具有明確空間邊界的要素,依據其實際形態特征完成基礎符號表達,靜態呈現需合理運用顏色、紋理、圖形尺寸等視覺參量進行形態、類型、級別的組合設計。

如圖3所示,科學綠化空間要素依據本體特征與呈現維度可分為點、線、面、體4種:點符號具有高度抽象性,符號設計時需提煉核心特征;線要素重點集中在邊界,可通過設置色相、實虛線等傳遞綠化語義;面要素在線要素基礎上強調范圍內的性質,常以填充的紋理或色彩表達質量與數量上的特征;體要素更強調其在空間范圍的實體表達,在場景空間交互支持下可實現720°全視角觀察。

2.1.2 指標符號設計

綠化指標在真實地理場景中具有空間定位但無實體形式,常見指標如公園可達性、人均綠地面積、森林經濟效益等,常使用統計圖表體現絕對數值與相對差異。圖4展示了北京地區2011—2020年的建成區綠地率與人均公園綠地面積情況。在地理場景中,綠化指標符號不受空間實體制約,可靈活組合設計參量體系實現專題表達。

圖4 傳統指標符號設計

2.2 動態功能設計

各類綠化要素在空間形態與屬性狀態上各有特點,依據是否具有真實時間變化進行動態設計。

2.2.1 隨時間的動態演練

時間層面的動態體現在空間位置、外觀形態與屬性的變化,常與時刻、變化速率、顯示次序組合實現。前兩者與簡單屬性變化可通過基礎建模參量與顏色、紋理等靜態視覺參量切換完成動態表達。當存在多項同時變化時,可使用多模型切換的方式予以表達:提前準備多個要素模型,在關鍵時刻切換不同的模型,通過控制模型的位置、運動速度與出現、消失的時間節點,從而達到動態演化的過程模擬。以樹木符號為例,圖5展示了樹木從正常的小樹生長為衰弱的大樹,涉及外觀形態與屬性的雙重變化,實際表達時結合動態視覺參量對預設計的模型進行切換可傳遞生長過程。

圖5 隨時間變化的樹木動態符號

2.2.2 不具有時間特征的動態效果傳遞

科學綠化場景下,非時間的動態符號表達常用于強調狀態屬性或表達當前時刻變化趨勢。對目標符號或輔助要素進行位置、尺寸、方向的移動、放縮、旋轉等操作,使整個場景的視覺感受發生變化,以突出當前區域的重要內容。如圖6所示,在公園本體符號下疊有不同尺寸的光環,通過切換不同顯示次序對應符號實現動態效果,從而吸引讀圖者視線,突出場景重點。

圖6 用于突出強調的公園動態符號

聽覺、觸覺參量與交互控制設計依賴于場景呈現載體,實際場景中可按需表達。

3 科學綠化場景的多尺度表達案例

科學綠化場景依據展示比例尺選擇不同專題要素進行表達。本文分別從省級大尺度、區域級中尺度、地塊級小尺度3個維度呈現不同比例尺下的科學綠化場景,并依據動態符號設計完成專題動態表達。

3.1 場景分析與背景構建

省級大尺度關注全國科學綠化情況,展現宏觀綠化面貌,如城市綠地率、城市綠化覆蓋率、人均綠地面積、人均公共綠地面積等指標,以呈現城市綠化總量與綠地水平,同時還可進行多城市的橫向比對,反映地域差異。區域級中尺度反映城市級綠化,包括現狀綠地、規劃綠地、公園分布、森林等綠化現狀與擬變化趨勢。地塊級小尺度聚焦到具體的建設項目,重點展示地塊紅線內的古樹名木、生長狀況、樹木分布與連片成林等現狀。

3.2 多尺度場景下動態符號設計

在不同尺度下對科學綠化的重點進行動態設計。

3.2.1 省級大尺度

為展現全國范圍內各省市綠化狀況,從國家統計局官方網站收集整理近20年中國市級行政區(不含港澳臺地區)的重點綠化指標,包括建成區綠地率、建成區綠化覆蓋率、人均公園綠地面積等。統計數據不具有真實空間形態,本次符號設計將其指標值以行政面域三維高度進行展現(如圖7所示)。將統計數據與市級矢量數據關聯,以城市綠地率為例,設置紅-黃-綠的漸變色帶,RGB中綠值越高,反映其城市綠化水平越高。

圖7 綠化指標圖例

統計指標具有時間周期性,在不同統計節點設置數值對應的立體符號高度與色系,可實現視覺信息動態傳遞。

3.2.2 區域級中尺度

區域級場景從宏微雙視角進行感知,既可把控整體綠化分布現狀,又可聚焦實體綠化要素。以某行政區為例,擬通過現狀綠地與規劃綠地比對,分析現有規劃適宜程度,并對該尺度下的重點公服設施進行突出強調,展示其公園、廣場等服務水平。

基于遙感影像提取范圍內現狀綠地與現狀規劃用地內的綠地、農林等,提取滿足規劃的現狀綠地,構建交互疊加操作中的動態呈現效果;提取公服類POI信息,依據其星級、輻射范圍、可達性、經濟效益等特征進行動態變化。

3.2.3 地塊級小尺度

以廣東某真實建設地塊為例,依據政策要求,該尺度下的科學綠化聚焦于“樹木保護”,重點關注規劃綠地、連片成林、古樹名木、古樹后續資源(指樹齡在80年以上不足100年的樹木或者胸徑80 cm以上的樹木)等,在場景表達時需重點關注空間位置與屬性信息,如強調其連片成林范圍、古樹名木位置、樹木生長狀況、保護措施情況等。符號設計時遵循重點要素準確與次要內容概略的表達原則。

樹木具有時間段的變化特性,如類型由大樹生長為古樹后續資源(如圖8(a)所示)、長勢由正常變為衰弱(如圖8(b)所示),其動態信息通過預設符號與時刻點進行模型切換。古樹名木為當前場景關注重點,采用基礎圖元與專題圖元組合設計,專題圖元通過空間位置與尺寸變化傳遞動感,從而突出對象地理位置。

圖8 樹木符號

此外,還可通過組合疊加箭頭符號形式傳遞信息。該地塊存在連片成林特征,如圖9所示,設計多色相、等距尺寸的輪廓符號,通過多顯示次序切換完成動態符號設計,構建水波紋式外擴的漣漪效果。

圖9 連片成林范圍

3.3 交互控制

本文設計的場景支持地圖三維空間、語義與時間交互。當空間比例尺變換時場景自適應切換,完成當前尺度下的重點要素強調與次要符號綜合。同時提供交互參量控制面板,如圖10所示,可依據讀圖者興趣選擇不同的關注指標與關注時間節點,從而突出場景重點,實現智能交互。

圖10 交互參量控制

3.4 場景配置與展示

基于上述分析,本次多尺度場景均為半依賴地形。依據設計方案完成多尺度場景構建,圖11展示了2005—2020年全國各市建成區綠地率,可以觀察出沿海地區整體綠化水平較高,且全國指標呈逐年遞增趨勢,整體局勢向好。圖12面向區級展示連片綠地情況,將現狀綠化用地與規劃綠地構建動態疊加,反映該區劃內規劃實施現狀;同時,對范圍內的重點綠化公服設施設置POI專題符號,以多尺寸切換實現動態閃爍特效。以廣東省某控調階段建設項目為例,經前期摸查,該區域范圍內共有2片連片成林區域、2株古樹后續資源,圖13展示了地塊級的科學綠化場景,設有3個時序進行動態呈現:連片成林外圍輪廓逐漸外擴,并輔以箭頭示意;古樹后續資源配有三維和二維專題圖元,二維圖元尺寸動態變換,從而完成專題場景的動態渲染,實現城市樹木保護場景重點要素的突出強調。以小尺度為例,設有語義層的高級交互:當比例尺變換時場景自適應切換,完成當前尺度下的重點要素強調與次要符號綜合,且提供有交互參量控制,從而突出場景重點,實現智能交互,如圖14所示。

圖11 省級大尺度的科學綠化地理場景(建成區綠地率)

圖13 地塊級小尺度的科學綠化場景(建設項目地塊)

圖14 比例尺變換時的小尺度場景自適應表達

4 結 語

科學綠化已提上日程,它將生態建設、環境保護融為一體,致力于構建全方位、多體系的城市高質量均衡發展。本文首先以構建面向地理場景表達的動態地圖符號設計方法為核心目標,梳理歸納了由基礎建模參量、藝術設計變量、動態表達參量、其他感知參量與交互控制參量共同構成的動態地圖符號設計參量體系。并提出了一套用于呈現場景整體效應的動態地圖符號設計方法,自場景分析、背景構建、符號設計到場景配置,完成專題特征動態表達。在此基礎上,為多視角呈現科學綠化,分別以省級大尺度、區域級中尺度、地塊級小尺度為案例,對各尺度下關注要素依次進行動態符號設計與場景構建,實現全方位、多尺度場景的專題表達,驗證了多尺度科學綠化場景下動態符號設計體系的適用性,一定程度上可輔助綠化部門進行科學決策,助力美麗中國建設。