地图图例设计的新模式：图例可视化

周梦杰,王 睿,买淑敏,万义良,田 晶

(1.湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410006；2.地理空间大数据挖掘与应用湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410006；3.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

图例是地图上使用符号的归纳和地图内容的必要说明[1]，它是解译地图的重要工具，同时也是沟通制图者和用图者的桥梁。传统的图例系统设计一般按照系统逻辑设计、系统布局设计、图示符号的设计与定义3个基本步骤进行[2]。制图者在设计图例时已形成一种“设计符号，按顺序摆放”的固化思维方式，难以跳出地图设计的固有模式[3]。

制图者通常将重心放在图示符号的设计与定义上，将要表达的内容由概念思维转换成地图形象语言。然而，图例要素间具有一定的关系与结构，如语义上的层次结构与时间顺序关系。更进一步，图例要素之间的关系和结构并不是显式表达，而是暗含于符号的色调、饱和度以及纹理的差异之中。在图例要素的摆放上，通常按照一维顺序并辅以适当的间距来强调图例要素的结构，用图者较难理解或者注意到图例要素间的关系与结构。同时，地图只能表达地理现象的空间分布特征，无法直观地表达地理现象的非空间信息，如统计信息，这些非空间信息的表达可以与图例的表达相结合[4]。用图者借助于图例把图像语言转换成概念或自然语言，期望图例能够包含更加丰富的信息，如图例要素关系、结构直观，易于理解和使用，具有艺术性[5]。

针对传统按顺序罗列符号的图例设计方式不能满足用图者需求的问题，国内外学者从图例设计技术及图例基本设计原则两大方面展开了积极探索[5-19]。相较于已有的研究成果，本研究主要关注图例设计技术与可视化方法及动态交互手段的结合，有效表达图例要素的属性及其相关关系，丰富图例所传达的信息。

为了使图例表达更多有用的信息，同时显示表达图例要素间的空间关系，本文在对地图图例要素分析的基础上，提出了图例可视化及动态交互的地图图例设计模式。利用可视化的方法对地图图例进行表达，图例不仅仅作为“图边的说明”帮助完成地图信息的传输，同时也作为地图的重要组成部分显式表达、传递地图所不能表达的相关信息，如要素统计信息和结构信息。图例可视化能够利用读图者眼睛的感知能力强化对图例要素的认知理解，提高完成读图任务的效率。此外，随着电子地图技术的不断发展完善，电子地图的应用日益广泛，以用户为核心的个性化定制地图越来越重要。在电子地图中，图例可以与多种多样的动态交互方式相结合[20]，有效地优化用户体验，提高信息传输效率。

1 地图图例要素的分析

1.1 图例要素表达的尺度

根据地图上要素表达的尺度，图例要素可分为两大类：表达质量特征的(定性)图例，如图1(a)所示；以及表达数量特征的(定量)图例，如图1(b)所示。

图1 地图图例的类型

1.2 图例要素之间的关系

图例中的各要素通常不是独立存在的，它们之间有一定的关系。图例要素之间的关系可分为：空间关系、语义关系、时间关系。

空间关系：某些定性图例要素之间存在一定的空间关系，如桥跨越水面、沟壑或道路等(点在线上，如图2(a) ，桥为不依比例尺表示的符号)，水系交汇处为两不同流向河流交汇处(面与面相接，如图2(b))，海岛是海中四周环水且常年高出水面的陆地(面在面内，如图2(c))。在地图图例上这些定性要素通常会辅助以与其具有空间关系的要素进行表达。

语义关系：某些图例带有分类系统，如地貌类型图中的图例表达了形态系列(平原-丘陵-山地)以及成因因素这两个指标的综合情况；或是图例要素之间还具有层次结构，如土壤类型图，表示土壤覆盖层的发生类别——土类、亚类、土属(组)、土种及变种的地理分布。在地图图例上通常以色彩的差别(色调、色相、饱和度的差异)以及纹理的差别表现要素的分类系统以及层次结构关系。

图2 图例要素的空间关系

时间关系：某些图例要素间具有时间的顺序，如在地质图中地层年代的新旧。在地图图例上通常以色彩的差别来表现图例要素间的时间关系，如地层年代中较浅的颜色通常代表较新的地层，较深的颜色通常代表较旧的地层。

2 地图图例的可视化表达

地图图例除了应包含地图上使用的所有符号以外，还应当向用图者传递更多的与地图内容相关的信息和知识。地图主图反映地理现象的空间情况，展现地理现象的空间分布特征和分布规律，而图例除了表达地理现象与地图上符号的对应关系以外，还应以一种用图者易于理解的形式展现与地理现象相关的非空间信息，以帮助用图者更好地阅读、理解和分析地图。图例的可视化能够形成图例要素的感知图像，强化用图者的认识理解，提高信息认知的效率。在第二节地图图例要素分析的基础上，对图例要素自身的信息、以及图例要素间的关系进行可视化，并此提出了4类图例的设计模式：①图例及其统计信息可视化；②图例要素及其空间关系可视化；③图例要素及其语义关系可视化；④图例要素及其时间关系可视化。图例要素自身信息的表达与图例要素关系的表达并不是割裂的关系，两者间可以互相结合，单个图例要素表达其对应地理现象的统计信息，而图例要素的布局则可以反映图例要素间的关系。

2.1 图例及其统计信息可视化

地图反映地理现象的空间分布情况，图例则可作为一种统计图反映地理现象的统计分布情况，如条形统计图、频率(数)分布图[21]、累计频率(数)分布图[4]等。将图例设计为统计图形式时，对于图例要素本身，将其尺寸与其对应的地理现象的某个统计信息相对应，如图3所示，图例除了表示符号的含义以外，还表示了图例要素对应的土地利用类型的面积，由图例上可以清晰看出各类土地利用类型所占的面积情况；如图4所示，图例除了表示符号的含义以外，还表示了属于级别的地理要素的频数，由图例上可以看出位于地区生产总值的10 000～20 000 亿元区间的省份数最多。

图3 统计图图例—条形统计图与图例相结合

图4 统计图图例—频数分布直方图与图例相结合

2.2 图例要素及其空间关系可视化

某些图例要素之间存在一定的空间关系，设计图例时可建立图例要素间的空间关系，并据此排列图例要素，将图例设计成一幅“缩小的地图”[7]。图5为地形图的图例，图例上的各要素按照图例要素可能具有的空间关系排列。这样的表达使得图例要素之间的空间关系得以清晰、直观表达，符合人的认知特点，易于用图者查找和理解地图上符号的含义。

2.3 图例要素及其语义关系可视化

某些图例带有分类系统，或是图例要素之间还具有语义上的层次结构，在设计图例时可对图例要素间的语义上的层次结构进行可视化表达，而不是简单地按照顺序排列图例要素。在信息可视化中，结构关系的表达可采用节点-链接法、空间填充方法[9]以及节点-链接法与空间填充法相结合这3大类方法，如图6所示，同一结构关系采用了不同的方法可视化。节点-链接法(见图6(a))能清晰、直观地显示图例要素层次结构，但不能有效地利用空间，不利于图例要素非空间信息的表达。空间填充法—Treemap[22-23](见图6(b))通过矩形之间的相互嵌套来隐喻表达图例要素之间的层次关系，Treemap中显式表达叶子节点，中间层次的节点被隐藏，能够有效地利用空间，同时还可利用矩形的尺寸可表达图例要素的非空间信息。节点-链接法与空间填充法的结合采用空间填充的区域表达节点，相邻节点之间的位置关系则编码了彼此之间的层次关系，如Sunburst[25](图6(c))，Icicle Tree[26](图6(d))。采用这种方法易于分辨图例要素的层次结构，同时还可利用填充区域的尺寸表示图例要素的非空间信息。此外，在Treemap中，矩形的布局可采用两种方式：①根据图例要素的空间位置[24]布局，尽量保持图例要素在Treemap中的位置与地图上要素在空间位置上的相似性；②根据图例要素对应的非空间信息布局，可根据图例要素对应的非空间信息值排序。

图5 图例要素及其空间关系可视化

图6 几种层次可视化方法原理

图7(a)为某地区地貌区划图，图7(b)为其对应的常规图例。图7(c)、图7(d)采用Treemap对图例进行可视化表达，矩形的面积与该类型区划的面积相对应，在图例要素的布局上，图7(c)根据图例要素的空间位置布局，以便于用图者查找对应地理现象的含义，7(d)根据图例要素对应区划面积值按大小从高到低排列[9]，能够表现地理现象属性信息的分布情况。图7(e)利用Sunburst对图例进行可视化表达，各扇区的面积与图例所对应的地貌区划面积相对应，图例要素结构清晰，成图美观。

2.4 图例要素及其时间关系可视化

某些图例要素之间具有线性时间的顺序，同时还可能具有时间上的层次结构。可对图例要素及其时间关系进行可视化，利用图例要素的布局，以一种直观、清晰的方式表现图例要素间的时间关系，帮助用图者更好地掌握图例要素时间上的逻辑结构，加深对地图表达内容的理解。对于具有线性时间顺序的图例，将图例要素按照一维的时间顺序排列，对于具有时间层次结构的图例要素，可考虑使用层次结构可视化方法表现图例。如地质图中，地层有新老之分，具有时间概念，地层应该由新到老来布置，此外，年代地层单位还具有时间上的层次结构，国际地层年代表中最大的时间单位是宇，宇下分界，界下分系，系下分统，统下分阶，特别的，在石炭系下分出了亚系，并在亚系下分统。如图8所示，利用Icicle tree[26]可对具有时间上层次结构的地质年代图例进行可视化。

3 动态交互的地图图例

不同于传统纸质地图图例，电子地图图例可移动、可缩放，具有交互性、动态性及多维性[20]。对电子地图图例的特性加以分析利用，能够设计出多种多样的动态可交互图例。动态可交互的图例能够帮助用图者快速地获取图中信息，优化用户读图体验，提高信息传输效率。根据图例作用的对象不同，动态交互图例可分为3大类：①通过交互改变图例本身；②通过交互改变图上内容；③通过交互获取图外信息。

图7 图例要素及其语义关系可视化

图8 利用Icicle tree对地质年代图图例进行可视化

3.1 改变图例本身的动态交互图例

在传统纸质地图中，图例通常被放置在图中的固定位置，虽然不可缩放、不可平移，但一般来说都处于用户目视范围之内，便于用图者浏览参考。而通常电子地图中对地图进行缩放、平移等操作后，图例不会在当前视口显示，使得用图者在读图过程中往往需要反复缩放、拖动来浏览图例。为了方便用户使用电子地图图例，可以创建单独的图例框，使用户可以轻松地控制图例移动、缩放、创建、关闭，也可以将图例设置为可伴随鼠标移动的模式。如图9所示，当鼠标停留在图中某符号上时，图例悬浮出现，为用户理解图上内容提供帮助。相比于传统纸质地图图例，这种交互方式提高了用户获取图中信息的速度，并可有效地优化用户感受。

图9 图例伴随鼠标移动

此外，通过交互还可以改变图例的表示方式。如图10所示，图例可以设计为按序排列的矩形色块，也可以采用2.1节的方式，表达要素统计信息，设计为条形统计图图例或环形图例，通过交互可以实现三者之间的切换，便于不同用户选择更适用于其关注焦点的图例。

3.2 改变图上内容的动态交互图例

电子地图环境下用户可通过对图例的交互控制地图内容，如控制图上某些要素是否显示，某些要素是否突出表达，以及改变地图表达的尺度等。通过建立地图与图例之间关联[14]，将图例可作为地图表达的“控制器”，方便非专业人员从地图上高密度的信息中获取更多感兴趣的知识。

1)图层控制图例。图层控制图例是利用图例作为电子地图的图层控制器，用户通过图例控制图例对应要素图层在地图上的显示与隐藏，如图11所示，当表示幼儿园(红色圆)和中学(绿色圆)的图例要素被勾选时，地图中关于幼儿园和中学的地理要素图层在图中显示，而其他未被勾选的要素图层(小学和大学)在地图中未显示。这种交互方式易于理解，操作简便，方便用户根据特定需求订制地图内容，能够减少图中的干扰，突出主体信息，帮助用户集中注意力。

图10 切换图例表达方式

图11 图例控制图层开关

2)要素视觉控制图例。除了控制图层开关之外，电子地图图例还能够控制图上要素的视觉属性。例如，当用户需要查找图中某类要素的分布情况时，可以通过单击该类要素所对应的图例，使得其对应的图中要素高亮、闪烁或加粗，这种交互手段能够使被选中的图中要素视觉层次迅速提升，便于用户对其进行识别和分析，如图12所示。

图12 图例控制图中要素高亮显示

3)变尺度表达图例。变尺度表达图例可以通过交互控制地图要素以不同尺度进行表达。通过改变地图的表达尺度，可以方便用户获取要素的整体分布情况和具体结构特征，不同的表达尺度可以更好地为不同需求的用户提供更合理的服务。如图13 所示(左侧为图例，右侧为其对应的地图)，环形图例的不同展开层级控制图上内容的不同表达语义尺度，当图中环形图例一级展开时，地图只显示一级分类；而单击Ⅱ类区域图例使其第二级展开后，Ⅱ类区域被分为Ⅱ1-Ⅱ8小类以深浅不一的紫色表现，相应地地图中的Ⅱ类区域也被分为8小类。对部分只关心该区域整体情况的用图者来说，其二级分类是不必要的，所以只显示一级分类能够减少信息冗余；而对部分关心该区域具体情况的用户来说，一级分类不能表达出细节信息，二级分类图则能够提高信息密度，补充信息细节。

3.3 获取图外信息的动态交互图例

此外，在电子地图中，用户通过图例交互可以获得与图中内容有关、但地图中难以表达的信息。例如可以通过单击图例要素跳转至文字、图片、视频等多媒体资源，如图14所示。这种交互方式可以大大地丰富电子地图的内容，也能够帮助构建更加完整的知识表达。

图13 图例控制以不同尺度表达图中要素

图14 图例补充表达图外信息

4 结 论

本文提出了图例设计的新模式，即利用可视化的方法对图例进行表达。在地图图例要素分析的基础上，针对图例的特征提出了4种图例可视化策略：图例及其统计信息可视化、图例要素及其空间关系可视化、图例要素及其语义关系可视化、图例要素及其时间关系可视化。图例可视化能够利用读图者眼睛的感知能力加强对图例要素的认知理解，提高完成读图任务的效率。此外，本文还总结了电子地图环境下动态交互图例设计的基本方法，通过添加动态交互功能，图例能够优化用户体验，控制地图上信息的表达，丰富地图内容，提高信息传输效率。进一步的研究工作将关注多维电子地图图例的动态交互及地图时序信息的图例控制方法。