三维电子地图的天气LOD符号设计

鲍晓宇 武光莹

(武汉大学 资源与环境学院, 湖北 武汉 430079)

0 引言

地图符号作为地图“语言”构成的基本单位,承担着语义表达与传送的任务,制图者借助其向用户传递信息。随着动态可视化技术的出现,用户希望地图符号能自适应可变,获得符号多细节的现象揭示。为了满足不同应用领域、不同用户的需求,多层次可视化(levels of detail, LOD)技术需要引入到地图符号设计中。LOD自1976年克拉克(Clark)提出后,由于其符合人类空间认知的规律,在各领域得到了广泛的应用。在地图领域,LOD常用在空间、语义及时间比例尺下对空间形态、属性及动态等信息进行综合及可视化[1]。目前关于LOD技术在具体类型符号的研究成果较少,如在郭星辰等人[2]的《多细节层次的三维植被符号设计》和蓝贵文等人[3]的《排水管网多尺度几何语义建模》中,分别探讨了LOD技术在植被和城市排水管网符号设计中的作用,但在点状符号设计中,关于LOD技术运用的研究还比较缺乏。本研究针对这一缺陷,试图对点符号设计引入LOD思想,探索点符号表达的多层次化语法规则。

传统的天气预报地图所使用的的天气符号属于二维符号的范畴,主要采用单一的二维图标表示对应区域当天的天气状况。虽然表达效果简洁直观,但符号样式单一,用户无法获取多层次的天气现象展示。针对上述不足,本文在传统天气符号的基础上,将多尺度表达与天气符号设计相结合,对LOD技术在天气符号中的应用做了探索和研究。

1 符号表达对象的多尺度分析

地理现象的多尺度表达包括语义、空间、时间三个层次[4],分别侧重于不同的方向,本文从语义、空间两个层次(本文的研究不涉及时间层次的多尺度分析)并结合天气类型的级别划分,设计如表1所示的天气符号多细节层次模型。如表1所示,天气多细节层次模型共包含LOD0至LOD3四层模型,分别代表不同级别的天气划分和区域尺度。本文使用区域级别尺度来对应符号LOD层级的变化,而并未使用精确的视点距离来进行LOD的切换,主要理由有以下两点：(1)本文的符号展示场景为三维场景且符号表示整个区域的天气类型而非常见的地物,故而视点距离不容易计算;(2)使用区域级别进行LOD尺度的切换与符号的表示区域相契合。

表1 LOD层次

1.1 语义多尺度表达

地理语义作为地图符号所蕴含的信息,主要描述关于地理现象数据的含义,在地图符号的设计中具有重要的作用[5-7]。地理要素的语义主要包括两个方面：语义描述与属性信息,其语义层次关系可借助哲学中的本体论概念划分为kind-of、instance-of、part-of和attribute-of四种类型[8],对应于种类、实例、部分、属性的层次关系描述。

本文关于天气符号语义的LOD表达将从天气符号的广度、粒度两个分支共同完成：语义广度描述了天气符号所包含的所有类型种类;语义粒度是划分层次、类别的最小度量单位,在本文表示为天气符号的二级天气划分。表2对天气类型进行了两级划分,一级划分属于定性的区分,用以区别不同的天气类型;二级划分属于定量的划分,在一级天气划分的基础上再进行精确的定量划分,例如根据降水量的不同将下雨天气区分为小雨、中雨等。LOD0层符号代表最大尺度的国家和省份区域天气类型。该层符号主要表现出天气的一级定性划分,区别出不同的天气类型。LOD1层次描述符号所对应天气类型在天气一级划分下的二级划分且符号所表示的区域缩小,仅代表城市级别区域的天气类型。在符号语义上,LOD0层体现同属一级天气类型的所有二级天气类型的共同特征,LOD1层则体现了特定二级天气类型的定量特征,符号类型更加精细化,体现了符号在语义方向的多尺度表达。

表2 天气类型划分

1.2 空间多尺度表达

空间上的多尺度表达也属于综合的一种表现,遵循人们对物体观察的详细程度与视点距离呈反比的空间规律。空间的多尺度表达即面向空间信息的多尺度表达,而空间信息主要包括空间位置信息与几何形态信息,本文的天气符号设计主要基于几何形态信息进行多尺度表达。

LOD0和LOD1层皆表现为二维符号,而LOD2层突破了传统二维地图符号的限制,属于三维符号的范畴。当用户的视角由整个城市切换成更小的区县尺度时,则需要加载该层符号。LOD3层为天气符号表现的最高层次,着重表现符号对应天气在现实世界中的真实状况。本文采用粒子系统制作该层符号。当地图缩放至可以清楚地看到城市的主干道时,应将LOD2层符号切换成粒子系统制作的“真实符号”。LOD1至LOD3在语义上都表现为精确的二级天气划分,在空间上体现了符号所表示区域级别的递减,从城市级别到区县级别以至最低层次的主干道级别,且符号的细节程度不断增加,体现了符号在空间方向的多尺度表达。

1.3 三维动态现象表达的LOD

本文设计的天气多尺度符号模型同时含有二维符号和三维符号,其中关于二维地图符号的理论及应用已经较为成熟,而三维符号的设计与应用仍处于摸索阶段,现就三维地图符号的相关理论做简要介绍。

与二维符号相比,三维符号可以表示直观的空间高程信息,更加形象地反应空间目标的位置属性等信息[9],但设计也更加复杂。关于三维符号设计的研究,不同学者侧重于不同的方向,其中三维地图符号的视觉变量研究受到广泛的关注[10-12]。关于三维地图符号描述状态的视觉变量,不同学者存在不同的看法,但主要包括形状、尺寸、色彩、纹理、亮度、空间姿态等六个方面的参量。此外,三维地图符号在二维地图符号关于状态方面描述的基础上,增加了动态特征、交互操作等新的参量,丰富了地图符号所表达的信息,形成独特的三维动态符号。动态特征参量主要包括发生时长、变化速率、变化次序、节奏等[13],传递了动态变化的信息。除了动态特征参量能够表达直观的动态特征外,交互操作也体现了三维符号的动态性,主要包括旋转、缩放、LOD调整、阴影展示等操作。

2 天气符号的LOD设计

如上文所述,本文对天气符号共设计了LOD0至LOD3四个层次,彼此之间存在一定差异,因此具体的设计也互相不同,且存在一些细节需要注意,现将不同LOD层次符号的设计及相关细节阐述如下：LOD0层和LOD1层的符号主要描述符号所属天气类型的一级划分和二级划分,LOD0层的符号更具有代表性,而LOD1层的符号更加具象化。对于LOD1层,本文采用传统的二维天气预报地图中已有的天气图标,无须重新设计。LOD0层符号是对LOD1层符号的更高层次抽象,通过提取二级划分天气的共同特征,在LOD1层的传统天气符号基础上抽象化简得到。设计LOD0层符号的过程中需注意形状、色彩等主要视觉变量的正确性,例如,蓝色雪花代表下雪天气,金黄色的太阳代表晴天等。此外,LOD0层符号的形状、色彩等视觉参量需要与同属二维符号系列的LOD1层符号保持相似性,避免让读者产生突兀的效果[1]。同属一级划分的二级天气类型可通过“特征图元”的数量或尺寸进行区别,对比度明显,便于读者区分。例如,中雪符号的雪花数量多于小雪符号的雪花数量。

LOD2层符号属于三维符号范畴,与LOD0和LOD1层符号相比具有立体感和层次感,在设计过程中需形象逼真地表现对应天气类型的特征。该层次的特定天气符号(雨、雪等)应在传统二维符号视觉参量的基础上添加动态操作和空间姿态参量,表现出符号立体动态的特征,形象逼真地表现对应的二级天气划分类型。类似地,同属一级划分的二级天气类型,可通过“特征图元”的数量或尺寸差异进行相互区分。此外,考虑到三维环境下,符号呈现出“远小近大”的效果,符号的尺寸变量会产生误差,本文采用显示辅助文字信息的方法来对符号进行补充说明。

LOD3层属于天气符号的最高层次,本文采用粒子系统技术进行符号制作。粒子系统擅长于对模糊现象进行模拟,针对雨、雪、雾、霾等没有具体空间形态的自然地理要素,可用粒子系统制作高度逼真的天气符号。对于最高的细节层次,其符号粒子的制作将采用纹理代替常见的色彩视觉变量,从而模拟更加真实的视觉效果。LOD3层符号的设计也需要注意同类天气类型之间的区别与联系。例如,在使用粒子系统设计小雪和中雪天气符号时,可使用同样的雪花作为“特征图元”,从而保证其联系性,并通过雪花的数量及尺寸等视觉参量进行区分,便于用户区分中雪和小雪。

3 应用案例

如图1至图2所示,本文对小雪和中雪天气分别设计了完整的多细节层次符号。依据上文所阐述的理论,小雪和中雪天气符号多细节层次模型共包括四个等级,分别表示为LOD0、LOD1、LOD2和LOD3。

(a)LOD0二维雪符号

(b)LOD1二维小雪符号

(c)LOD2三维小雪符号

(d)LOD3粒子系统小雪符号图1 LOD0至LOD3层次的小雪符号

(a)LOD0二维雪符号

(b)LOD1二维中雪符号

(c)LOD2三维中雪符号

(d)LOD3粒子系统中雪符号图2 LOD0至LOD3层次的中雪符号

以小雪天气符号为例,LOD0级为符号的最低细节层次,代表天气类型所属的一级划分即代表所有的下雪天气类型。本文采用常见的二维雪花图标来表示所有的下雪天气类型,可让读者准确无误的获取当前区域的天气类型。如图1(a)及图2(a)所示代表整个湖北省的下雪天气类型。LOD1级为符号的第二层细节层次,代表天气类型所属的二级划分小雪天气类型,依然属于二维符号范畴,可使用传统二维天气地图中小雪的符号图标。相比于LOD0级,LOD1级的小雪符号表示区域缩小但是更加精确,仅表示特定城市的小雪天气。如图1(a)和(b)所示,LOD1层和LOD0层符号在设计的过程中需保证雪花形状颜色等视觉变量的相似性,避免产生冲突。

LOD2层为符号的第三层细节层次,属于三维符号的范畴。相比于LOD0层和LOD1层,实现了二维向三维的转变,符号更加形象和逼真且表示区域进一步缩小,仅代表特定区县的天气类型。如图1(c)和图2(c)所示,为了避免三维环境下,尺寸变量的误差,本文在符号图元的基础上,添加了文字的辅助信息,直观地表明了当前符号表示的区域及其面积。本文在设计三维天气符号时,充分考虑不同符号之间的通性和个性,对其采用了环境图元与特征图元相结合的方式进行符号设计。以小雪符号为例,本文使用3Dsmax三维建模软件制作LOD2层三维符号。如图3所示,将小雪符号分解成云和雪,其中环境图元表示小雪形成的气象环境,在标准符号下表现为云,在3Dsmax中,通过调整、拼接、合并多个球体和圆柱体,构成云的基本形态,并赋予其特定的材质,结果如图3(a)所示。类似地,通过组合多个棱台体和棱锥并赋予蓝色的材质得到图3(b)的雪花。然后将代表雪的特征图元和云的环境图元组合成图3(c)中完整的三维符号。此外,本文在设计三维小雪符号时,还添加了动态的效果。选中多片雪花,动画时间设为1 s,在1 s处设置关键帧,向下移动雪花的位置,形成周期效果,完成动态制作,使得符号在视觉感知上更加形象和写实,具有较高的可读性。

(a)环境图元,云

(b)特征图元,雪

(c)初始时刻

(d)结束时刻图3 三维小雪符号

LOD3级为符号的最高细节层次,采用粒子系统制作。本文采用基于WebGL封装的Cesium.js三维引擎进行最高层次的小雪和中雪天气符号制作。使用特定的纹理贴图制作单个粒子(雪花),效果更加逼真,再设置粒子的数量、运动方向、速度、尺寸变化、生命周期等相关参数,制作完整的粒子系统符号。如图1(d)和图2(d)所示,当用户视角处于近距离观察下时,此时,主干道路网结构清晰,视线场景被粒子系统制作的小雪和中雪符号覆盖,具有较强的真实感。小雪的24 h降雪量为0.1～2.4 mm,中雪的24 h降雪量为1.3～3.7 mm,本文依据小雪和中雪的24降雪量划分标准将小雪中雪的雪花大小和每秒发射粒子数(雪花数)的比例设定为1∶2(在最大降雪量比例的基础上进行了一定的放大,增加差异性)。对比图1(d)和图2(d),可清楚地发现,中雪的雪花数量明显多于小雪且其雪花尺寸也大于小雪雪花,与现实世界情况相符。

4 结束语

本文探讨了LOD技术在地图符号中的运用,详细剖析天气符号的空间多尺度、语义多尺度表达,将天气符号类型概括和其表示区域范围与多尺度表达相结合,提出了天气符号多细节层次模型。抽象的类型和大区域对应低细节层次的符号,具体的类型和小区域对应高细节层次的符号,分别采用二维符号、三维动态符号和粒子系统表示对应层次的符号。对于小雪和中雪天气类型,本文设计了完整的多细节层次符号,实现了对应天气的语义多尺度和空间多尺度表达,验证了本文所构建模型的可行性。在制作LOD3层粒子系统符号时,通过设定相关参数的比例关系,使得小雪和中雪具有明显的区分度。本文在取得一定成果的同时也存在一些不足,例如,本文的天气多细节层次模型仅探讨了空间多尺度和语义多尺度表达而未考虑时间层次的多尺度表达。对于晴、多云等不适合用粒子系统表达的天气类型,它们的LOD3层符号表达缺乏有效手段。