趙忠君，趙 飛

(武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079)

在線地圖的交互可視化設(shè)計(jì)研究

趙忠君，趙 飛

(武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079)

分析在線地圖交互可視化設(shè)計(jì)模型，根據(jù)Web制圖的動態(tài)性、交互性特點(diǎn)，提出以任務(wù)流為中心的在線地圖交互可視化設(shè)計(jì)流程，即將設(shè)計(jì)過程劃分為彼此緊密聯(lián)系的、相互依存的不同粒度的任務(wù)集合，然后根據(jù)不同交互動態(tài)反饋形成不同粒度的任務(wù)組合構(gòu)成任務(wù)流，以完成在線地圖的設(shè)計(jì)任務(wù)。結(jié)果表明，該流程兼顧Web制圖的動態(tài)性及用戶交互性，可根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)、用戶動態(tài)需求給出最適宜的空間可視化表達(dá)，以滿足公眾、各級部門的不同應(yīng)用需求。

在線地圖;網(wǎng)絡(luò)制圖;可視化;交互設(shè)計(jì)

一、引 言

隨著面向服務(wù)計(jì)算的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)多采用分布式存儲方式逐漸取代以文件或部門數(shù)據(jù)庫為主的單獨(dú)存儲［1］，并以Web和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式使得數(shù)據(jù)的存取和共享變得容易。而數(shù)據(jù)源從靜態(tài)到動態(tài)以及分布式存儲的轉(zhuǎn)變必須催生出新的制圖可視化方法［2］。同時(shí)，隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)獲取能力的日益提高，環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取呈指數(shù)級增長［3］，但信息分析解譯率卻較低，因此對在線動態(tài)制圖提出了更高的要求。傳統(tǒng)專題地圖更新周期長，靜態(tài)使用、制作成本昂貴等特點(diǎn)與廣大使用者期盼信息動態(tài)更新、形式自由組合、使用便捷和制作簡單等需求明顯沖突。為此，在線地圖必須在保證傳統(tǒng)制圖質(zhì)量的同時(shí)及時(shí)地反映數(shù)據(jù)的更新［3］。

二、在線地圖設(shè)計(jì)模型

Web環(huán)境下，交互制圖除了考慮用戶的需求、認(rèn)知能力外，還必須考慮交互可視化設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在地圖界面組織、地圖操作習(xí)慣、制圖流程等方面。圖1為交互設(shè)計(jì)的交互要素及相應(yīng)設(shè)計(jì)方式的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖，從上到下依次是交互設(shè)計(jì)中所需關(guān)注的不同要素，交互要素所指向的即為對應(yīng)的設(shè)計(jì)方式。

1.以用戶為中心的設(shè)計(jì)

以用戶為中心的設(shè)計(jì)(user centered design，UCD)是一種創(chuàng)建吸引人的、高效的以用戶體驗(yàn)為中心的設(shè)計(jì)模式，其設(shè)計(jì)思想為:在開發(fā)產(chǎn)品的每一個步驟中，都要把用戶列入考慮范圍［4］。UCD被認(rèn)為是從以人為中心的設(shè)計(jì)中發(fā)展出來的。設(shè)計(jì)者研究構(gòu)成用戶的所有元素，包括用戶的身份、需要、需求、上下文、人種學(xué)信息等。UCD的關(guān)鍵之處在于，研究人員要密切地關(guān)注用戶和潛在用戶。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于不會有太多的資源被用在與產(chǎn)品無關(guān)的人身上。同時(shí)，由于所關(guān)注人群的減少，使得設(shè)計(jì)者更容易滿足用戶的需求。

圖1 交互設(shè)計(jì)要素及設(shè)計(jì)方式的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖［5］

加拿大網(wǎng)絡(luò)地圖集［6］、奧地利在線地圖集［7］均采用以用戶為中心的設(shè)計(jì)方式。二者通過對用戶需求、用戶體驗(yàn)要素的研究，從內(nèi)容和形式上對網(wǎng)絡(luò)地圖集的展現(xiàn)和界面交互進(jìn)行設(shè)計(jì)，取得了很好的用戶體驗(yàn)。其不足之處在于，所提供的在線地圖集是相對靜態(tài)的，空間數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在更新后，相應(yīng)的地圖集則要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、可視化。另外，用戶不能動態(tài)定制所需專題地圖。

2.以目標(biāo)為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)

目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)(goal directed design，GDD)是在自上向下的產(chǎn)品開發(fā)流程中通過定義特定的產(chǎn)品需求，以及基于研究用戶需求的交互行為而進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種理念［8］。從概念上看，GDD對于整個設(shè)計(jì)流程并沒有直接的影響，但事實(shí)上每一種設(shè)計(jì)方式都指向一個用戶的目標(biāo)，即用戶使用這個產(chǎn)品的目標(biāo)。這就意味著GDD是站在了用戶的立場上來指出設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，而其他的各種方法是為設(shè)計(jì)者走向這個目標(biāo)指出方向和道路［4］。

制圖的最終目標(biāo)就是生成一幅滿足用戶需求的地圖。從這個意義上講，把地圖看做用戶目標(biāo)，以地圖為中心的地圖制圖模型，就可以采用以目標(biāo)為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)模式(如瑞士地圖集)。傳統(tǒng)的專題地圖制圖過程中，采用的就是以地圖為中心的設(shè)計(jì)方式。使用這個模型的制圖系統(tǒng)不僅提供給用戶專題選擇和數(shù)據(jù)處理，并可根據(jù)所選的專題內(nèi)容進(jìn)行符號化展示給用戶。

該模型可以讓用戶進(jìn)行簡單的定制，可以對專題圖層進(jìn)行選取，還可以對地圖顏色進(jìn)行定制或者進(jìn)行數(shù)據(jù)分類分級等。用戶所關(guān)注的中心為地圖，地圖圖層可看做為可交互的地圖子集。由于該模型并沒有明確指出具體的設(shè)計(jì)方法，所以根據(jù)這個模型設(shè)計(jì)出來的專題地圖總體上還是靜態(tài)的，其交互效果只體現(xiàn)在專題圖層的選取，很難充分考慮用戶的具體需求，不適合Web交互制圖。

3.以任務(wù)為中心的設(shè)計(jì)

以任務(wù)為中心的設(shè)計(jì)(task centered design，TCD)處在最底層，是一種細(xì)粒度的設(shè)計(jì)方式，它把整個設(shè)計(jì)過程劃分為一個個的任務(wù)，進(jìn)而對一個個不同的任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以完成最終設(shè)計(jì)。該模型中每個任務(wù)并非獨(dú)立的，而是按一定要求級連起來，從而構(gòu)成了任務(wù)流。該任務(wù)流是一個能生成預(yù)期結(jié)果的任務(wù)序列。任務(wù)序列并非靜態(tài)或者標(biāo)準(zhǔn)化的，而是包含必要的交互步驟和任務(wù)集合，并且這些任務(wù)是彼此緊密聯(lián)系的、相互依存的。

Web環(huán)境下，制圖者通過分析用戶需求，按照GDD設(shè)計(jì)理念，對制圖過程進(jìn)行任務(wù)劃分，形成任務(wù)流，以任務(wù)流為中心進(jìn)行交互制圖［9］(如圖2所示)。任務(wù)流開始于制圖相關(guān)數(shù)據(jù)的選取，包括與該制圖任務(wù)有關(guān)的指標(biāo)、空間、時(shí)間數(shù)據(jù)的選取。對于不同用戶來說，接下來的任務(wù)可以是直接制圖輸出、客戶端展現(xiàn)，也可以是統(tǒng)計(jì)分析、制圖輸出、客戶端展現(xiàn)。按照該模型設(shè)計(jì)的交互系統(tǒng)能根據(jù)用戶的身份、需要、需求、上下文信息，動態(tài)的為其定制滿足專業(yè)需求的任務(wù)流，并且能識別用戶下一步即將要做的任務(wù)并作出相應(yīng)調(diào)整，相應(yīng)的用戶交互接口可以通過向?qū)韺?shí)現(xiàn)。

圖2 以任務(wù)流為中心的交互設(shè)計(jì)

三、在線地圖實(shí)現(xiàn)機(jī)制

1.任務(wù)流程

根據(jù)以任務(wù)流為中心的設(shè)計(jì)模型，本文設(shè)計(jì)了在線動態(tài)地圖的任務(wù)流程，用戶可根據(jù)向?qū)Ы缑鎸Φ貓D進(jìn)行交互定制，如圖3所示。用戶先根據(jù)系統(tǒng)提供的指標(biāo)體系，從中選取所需指標(biāo)，如果選取的為單個指標(biāo)則直接進(jìn)入符號庫，并根據(jù)指標(biāo)的時(shí)間、空間維度過濾出適合的制圖方式，然后生成XML格式的符號圖層描述文檔，最后結(jié)合地圖圖層描述交給渲染引擎進(jìn)行可視化，用戶還可根據(jù)可視化結(jié)果進(jìn)一步對該結(jié)果進(jìn)行調(diào)整;如果選取的為多個指標(biāo)，則向?qū)ё詣舆M(jìn)入指標(biāo)語義關(guān)系定義界面，引導(dǎo)用戶選擇總量指標(biāo)、對比指標(biāo)、動態(tài)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、復(fù)合指標(biāo)、相關(guān)指標(biāo)中的一個，然后進(jìn)入符號庫。進(jìn)入符號庫的指標(biāo)數(shù)據(jù)帶有屬性信息，可直接根據(jù)現(xiàn)有定量數(shù)據(jù)生成圖層描述文件，也可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、分類分級后再生成圖層描述文件，并可導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型庫進(jìn)行建模分析。

圖3 以任務(wù)流為中心的交互可視化流程

從整個任務(wù)流來看，該模型中客戶端與服務(wù)器端具有動態(tài)的、高度交互的特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)并對可視化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

2.應(yīng)用實(shí)例

(1)社會經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用

以某市在線地圖集為例。圖集中的社會經(jīng)濟(jì)專題圖組，以圖組-圖幅-地圖的組織形式按人口與勞動力、綜合經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等專題進(jìn)行劃分，每個專題下分別選取相關(guān)指標(biāo)形成圖層描述文件。用戶可直接訪問每幅地圖，獲取專題信息，并進(jìn)行符號定制(如圖4所示)。圖集還通過模板制圖使用戶選取系統(tǒng)設(shè)計(jì)好的地圖，輸入自己的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)模型與地圖樣式采用該地圖缺省的配置，交互模板定制后用戶也可對地圖進(jìn)行可視化修改與分析。圖4選取了戶籍人口、非戶籍人口、人口密度等3個指標(biāo)，其中前兩個指標(biāo)語義關(guān)系為結(jié)構(gòu)指標(biāo)，系統(tǒng)篩選出相應(yīng)的圖表符號;人口密度為相對指標(biāo)，系統(tǒng)缺省選擇分級統(tǒng)計(jì)圖表示。用戶定制后，系統(tǒng)會配置好圖層描述文件，并提供定制界面給用戶進(jìn)行定制修改，用戶不用關(guān)心符號描述文件，而是所見即所得。

圖4 在線地圖定制流程示意

(2)傳感器環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

傳感器是環(huán)境監(jiān)測中空間信息數(shù)據(jù)的重要來源。它可以實(shí)時(shí)動態(tài)地對環(huán)境生態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，其數(shù)據(jù)分發(fā)形式可以采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(如OGC的傳感器觀測服務(wù))以便所有用戶能夠及時(shí)獲取最新的觀測數(shù)據(jù)［3］。通過在線地圖的制圖服務(wù)接口，傳感器數(shù)據(jù)可以獨(dú)立于數(shù)據(jù)的物理模型，以任務(wù)流為中心進(jìn)行可視化表達(dá)。制圖服務(wù)接口中的分級統(tǒng)計(jì)圖、分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖表和等值線等均可用于傳感器數(shù)據(jù)可視化。

圖5 傳感器數(shù)據(jù)的地圖表達(dá)示例

圖5為某市氣溫分布圖。數(shù)據(jù)來源于傳感器觀測數(shù)據(jù)，每6 min更新一次;地理底圖以標(biāo)準(zhǔn)的WMS服務(wù)提供，用于定位相應(yīng)的觀測點(diǎn);進(jìn)一步調(diào)用專題地圖服務(wù)接口，對離散觀測數(shù)據(jù)建立Delaunay三角網(wǎng)按照樣條曲線內(nèi)插成等溫線并與地理地圖疊加成地圖圖片返回客戶端?？蛻舳瞬捎靡訤lex開發(fā)的Flash動畫動態(tài)展示等溫線，并按一定時(shí)間段動態(tài)展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)還給出傳感器的位置和運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)值。

四、結(jié)束語

本文對在線地圖的交互可視化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，采用XML語言作為符號的描述語言，并通過用戶對指標(biāo)的選取來篩選符號，以及符號與屬性的動態(tài)聚合。因此，能夠較好地解決統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在Web環(huán)境下的動態(tài)交互可視化，還較好地解決了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)地圖符號共享性差的問題。同時(shí)，本模型中符號的描述與渲染引擎是分離的，增加了符號可擴(kuò)充性，并且可實(shí)現(xiàn)符號的組合表達(dá)。

［1］ SYKORA P，SCHNABEL O，IOSIFESCU-ENESCU I，et al.Extended Cartographic Interfaces for Open Distributed Processing［J］.Cartographica，2007，42(3): 209-218.

［2］ HURNI L，GOGU R，IOSIFESCU I.Cartography for Environmental Systems［C］∥Proceedings of the Workshop Intelligent Embedded Systems.Bucharest:［s.n.］，2006:9-17.

［3］ IOSIFESCU-ENESCU I，HUGENTOBLER M，HURNI L.Web Cartography with Open Standards-A Solution to Cartographic Challenges of Environmental Management［J］.EnvironmentalModelling＆ Software，2010，25(9):988-999.

［4］ 周洪杰.交互設(shè)計(jì)思潮之旅［EB/OL］.［2011-02-23］.http:∥www.qiushid.com/2010/01/30.

［5］ GARRETT J J.The Elements of User Experience［M］.USA:New Riders，2003.

［6］ KRAMERS R E.Interaction with Maps on the Internet-A User Centred Design Approach for The Atlas of Canada［J］.The Cartographic Journal，2008，45(2):98-107.

［7］ PUCHER A.Use and Users of the ?ROK-Atlas Online［J］.The Cartographic Journal，2008，45(2):108-116.

［8］ COOPER A.About Face 3:The Essentials of Interaction Design［M］.USA:Wiley，2007.

［9］ COOPER M，HANEWINKEL C，SPECHT S.Graphical User Interfaces on The Transistion between Information Systems and Interaction Systems［C］∥Proc of the 21th Int.Cartographic Conf.Durban:［s.n.］，2003.

Interactive Design of Online Map—A Task flow-centric Approach

ZHAO Zhongjun，ZHAO Fei

0494-0911(2011)07-0024-03

P208

B

2011-03-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40871210);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(20102050101000054)

趙忠君(1982—)，男，遼寧遼陽人，博士生，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)與地圖制圖。