田江鵬，賈奮勵，夏 青

信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州450052

1 引 言

隨著地理信息系統(tǒng)向多維化、協(xié)同化等方向發(fā)展，三維符號應用愈加廣泛。許多學者針對三維符號的設計問題進行了研究，主要集中在：一是三維符號基本理論的探討，如三維符號定義［1］，二維符號與三維符號特征對比［2］，三維符號視覺變量理論［3］等；二是三維符號設計規(guī)則定制［4－5］，探討三維符號設計存在的問題并提出相適應的設計規(guī)則；三是大量關(guān)于符號制作與可視化算法，如三維數(shù)據(jù)模型和結(jié)構(gòu)等［6］。

縱觀當前研究現(xiàn)狀，本文認為，首先，三維符號研究在符號設計的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)特征方面仍存在一定的不足。其次，符號作為一種圖形語言，符號設計的最佳結(jié)果不僅是用戶認識或掌握一個或多個符號，還應能夠使用戶形成系統(tǒng)掌握某領域符號設計與使用的能力。具體體現(xiàn)在：①使用者可根據(jù)已有符號體系，推理、設計出與原符號體系相適應的新符號；②新設計的符號出現(xiàn)后，使用者可以無需符號規(guī)范的輔助，完成對新符號的認知，推理出其確切的含義；③不同的設計者或使用者所設計的符號應盡可能與原符號體系的結(jié)構(gòu)、風格保持一致。

上述符號設計理念適用于各領域符號設計問題，為了縮小研究范圍，本文將研究對象限定在三維符號設計方面。本文的研究目標是：借鑒語言學基本原理和方法，通過類比自然語言的結(jié)構(gòu)化成分設計三維符號構(gòu)成體系；在此基礎上，將三維符號的基本圖形與所表達領域的本體相結(jié)合，設計相應的符號設計方法，并使得符號設計者與使用者均能夠掌握并具備符號設計與認知推理的能力。

2 語言學基礎

2.1 語言學基本概念及原理

被譽為“現(xiàn)代語言學之父”的瑞士語言學家索緒爾開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)主義語言學的研究，其主要理論觀點有：“語言”和“言語”是有區(qū)分的，語言是由能指和所指組成的符號系統(tǒng)，語言的“組合”與“聚合”關(guān)系以及“歷時”與“共時”語言學觀點［7］。

圖1 語言單位的術(shù)語系統(tǒng)［8］Fig.1 Language terminology system ［8］

圖1為文獻［8］對語言學術(shù)語進行的概括，主要分為3個結(jié)構(gòu)：語音、語義和語法。語音是一種語言的物理特性，是語言的物質(zhì)材料，在自然語言中主要是聲音特性，而在書面形式中則表現(xiàn)為文字的形。語義結(jié)構(gòu)反映人類思維過程和客觀實際的方面，是人們對客觀事物的反應。語法結(jié)構(gòu)就是將具有不同物理特征、又具有不同概念意義的語言成分結(jié)合在一起，使得生成的各級新產(chǎn)生的高一級語言單位符合規(guī)則且傳達一定的意義。語音、語義和語法結(jié)構(gòu)均具有“位”和“素”的區(qū)分，例如最小語義單位稱為義位，而構(gòu)成一個義位的語義成素稱為義素。

語言學基本原理包括：①語言系統(tǒng)由語音、語法和語義3個主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在這3個各自獨立的結(jié)構(gòu)中，語音和語義分別是語言符號結(jié)構(gòu)的兩個“極”，語言的任何成分都是由這兩個“極”所組成的；②語音和語義這兩個“極”本身卻不構(gòu)成語言成分，它們只是語言成分的構(gòu)成要素，由語音和語義兩個構(gòu)成要素組合而成的才是語言成分，即詞匯成分和語法成分；③語法和詞匯不屬于語言符號的“兩極性”問題，而是屬于語言符號的“層次性”問題。

2.2 語言對符號設計的借鑒價值

現(xiàn)代語言學所具有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征使其超越了單獨的學科門類，逐漸在計算機科學、認知科學等學科中得到廣泛的應用，地圖語言學模型正是地圖學與語言學結(jié)合而產(chǎn)生的重要理論成果。

地圖語言學是將地圖與自然語言進行類比，對構(gòu)成地圖語言的地圖符號系統(tǒng)及其使用規(guī)則進行研究的一門學科。ICA在20世紀60年代開始引入地圖語言的概念，對地圖的語法、語義、語用等進行了活躍地討論，并通過與自然語言的比較討論了地圖語言的基本特征［9］。文獻［10］在國際制圖學界引起了巨大的反響；文獻［11—12］系統(tǒng)的論述了空間信息的語言學特征及其自動理解機制，認為在地理信息科學領域，語言學在過去一百多年的發(fā)展中所積累的方法論正是我們極力尋找和盼望的。

現(xiàn)代語言學發(fā)展相對比較成熟，有一套完整的方法論基礎。語言學研究對象的離散特征及研究方法強烈的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)特點，為空間信息結(jié)構(gòu)的研究提供了理論框架和方法體系［11］，同時也為本文符號設計提供了重要的借鑒示例。

3 三維符號的構(gòu)成體系設計

在語言學研究中，詞是能夠獨立應用的最小單位，是最小的自由形式［13］。類比于自然語言，一個三維符號相當于一個詞匯。因而根據(jù)語言學原理，可以從符號物理結(jié)構(gòu)、符號語義形態(tài)和符號構(gòu)造法則（分別對應于語言的語音結(jié)構(gòu)、語義結(jié)構(gòu)和語法結(jié)構(gòu)）3個角度進行類比分析。

3.1 符號的物理結(jié)構(gòu)

在地圖語言學的研究中，關(guān)于符號物理結(jié)構(gòu)的研究已有大量成果，文獻［11，14］分別從空間信息及地圖符號角度對物理結(jié)構(gòu)進行了詳細的總結(jié)。本文在相關(guān)研究基礎上，結(jié)合三維符號的特點，對三維符號的圖形物理結(jié)構(gòu)特征進行如下設計，如圖2所示。

首先，定義三維符號的視覺變量。關(guān)于三維符號視覺變量的研究，不同學者具有不同的理解和認識，例如文獻［3］提出的三維符號視覺變量包括：靜態(tài)變量（形狀、尺寸、顏色、亮度、紋理、空間造型），動態(tài)變量（持續(xù)時間、變化速率、變化次序、節(jié)奏等），操作變量（旋轉(zhuǎn)＼形態(tài)、縮放、LOD調(diào)整、陰影等）。本文則根據(jù)語音切分理論［13］，將三維符號視覺變量進一步細分為圖形元素和特征變量：圖形元素能夠代表基本的空間維度，并具有不可再分性，因此三維符號的圖形元素應包括：點（point）、線段（segment）、曲面元素（surfel）和體素（voxel）。而具有光譜特性的顏色、亮度、尺寸和形態(tài)則構(gòu)成了三維符號的特征變量。特征變量無法由其他變量組合生成，而其他變量均可以通過特征變量組合得到。例如紋理變量，三維表達中常指用于紋理映射的圖片，可以看做是不同光譜特征點的排列組合。在界定圖形元素和特征變量基礎上，本文認為具有顏色、亮度、尺寸和形態(tài)特征變量的點、線段、曲面元素和體素構(gòu)成了三維符號的視覺變量，而圖形元素和特征變量的其他任意但不構(gòu)成顯著區(qū)別的組合則為視覺變量變體形式。三維符號圖形元素和特征變量的所有組合構(gòu)成了三維符號視覺變量集合。

圖2 三維符號的物理結(jié)構(gòu)及其與語言語音結(jié)構(gòu)對應關(guān)系Fig.2 Physical structure of 3Dsymbol and its corresponding relationship between phonetic hiberarchy

其次，定義三維符號的符素概念。“符素”是借鑒語言學中“語素”的概念定義的，語素是指語言中音義結(jié)合的最小單位，也是語法分析的最小單位［15］；三維符號符素可定義為具有一定語義概念的圖形形式，并具有以下特征：①從符號圖形物理角度，應具備一定的三維圖形形式，可以是點、曲線、曲面或更為復雜的幾何圖形；②符素應與一定的語義概念相關(guān)聯(lián)，是聯(lián)系符號圖形和語義的橋梁；③區(qū)別于符號，符素不可以獨立進行空間信息表達，只能與其他符素或基本幾何圖元一起組合成符號；④區(qū)別于基本幾何圖元，符素具有一定的語義內(nèi)涵，而基本幾何圖元僅是圖形成素。

基本幾何圖元是由視覺變量組合形成的沒有意義的圖形形式。在二維地圖符號設計研究中，很多學者總結(jié)出了一些基本的圖元，如點、線段、圓、多邊形、橢圓、矩形、注記等［16－17］。三維符號的基本幾何圖元也是可以抽象和確定的，例如點、球體、棱錐和棱柱、圓柱和圓錐、曲面等。三維符號物理結(jié)構(gòu)中符素層次的建立，使得在設計三維符號時能夠以有限數(shù)量的符素為基礎，通過一定的組合規(guī)則形成數(shù)量龐大的符號系統(tǒng)。

3.2 符號的語義形態(tài)

語義是溝通符號所指（空間對象）和能指（符號圖形形式）的橋梁，即從符號表征的空間要素及其結(jié)構(gòu)關(guān)系中抽象出核心概念，形成特征語義描述并嵌入到符號表達中。需要說明的是，符號語義形態(tài)與符號具體圖形表現(xiàn)形式（二維或三維）并無直接關(guān)聯(lián)，因此本節(jié)關(guān)于符號的語義形態(tài)的論述可不限定于三維符號。具體而言，符號語義形態(tài)研究應該包括語義特征及語義關(guān)系兩個方面：

3.2.1 基于本體層次的符號語義特征提取

關(guān)于語義特征的提取與描述，在本體或地理本體構(gòu)建研究中得到了較為廣泛的研究和總結(jié)［18－20］，但無論對于哪種本體構(gòu)建方法，領域知識規(guī)范化（即本體語義特征的定義）均作為首要的、基礎的步驟。文獻［11］采用文獻［21］的“本體層次”理念對空間信息的語義特征進行了系統(tǒng)歸納。所謂本體層次是指按照不同內(nèi)在標準劃分得到的空間要素和現(xiàn)象的普遍一般性層次結(jié)構(gòu)，如圖3所示。運用到符號語義特征提取過程中，是將符號所指的語義特征分解至互不重疊的集合中，而符號語義則由不同集合下的語義特征組合而成。從方法論角度，“本體層次”對于面向不同應用領域的符號語義特征提取具有較為廣泛的指導意義。文獻［11］將空間信息的語義特征歸納為以下幾個方面：物質(zhì)（部分整體層次）、形態(tài)（形態(tài)層次）、大?。ㄐ螒B(tài)層次）、功能（功能層次）、等級（社會層次）等。在實際的符號設計過程中，由于領域本體不同，相應的符號語義特征也不同。

圖3 本體層次圖［21］Fig.3 Ontology level figure［21］

3.2.2 符號語義的組合和聚合關(guān)系

語義組合關(guān)系也稱部分整體關(guān)系，圖4（a）顯示的是一個符號語義組合關(guān)系示例。符號語義組合關(guān)系具有以下特性：①序列性，即低級語義單位按照一定序列組合構(gòu)成高級語義單位；②整體性，即高級語義單位（組合體）作為一個整體發(fā)揮作用；③擴展性，即語義組合體內(nèi)的各低級語義單位可以擴展為組合體，即組合后的單元可以繼續(xù)參與組合。語義的組合關(guān)系主要體現(xiàn)在“符素→符號”的構(gòu)造環(huán)節(jié)，即每個符號的語義均由組成該符號的符素的語義組合而成。

圖4 符號語義的關(guān)系Fig.4 Relation of semantics

語義聚合關(guān)系也稱上下義關(guān)系，即一個類包含于另一個類，包含其他類的類中的詞稱為上義詞，被其他類包含的類中的詞稱為下義詞，如圖4（b）所示。符號語義聚合關(guān)系有以下特性：①類型性，即聚合是按照不同類型、不同特點和不同層次進行的聚合，并相應的形成了不同形式的符號語義單元；②繼承性，即聚合結(jié)構(gòu)中下義詞繼承了上義詞的全部語義和性質(zhì)；③置換與推理，即同一聚合體內(nèi)部各個體可以在內(nèi)部進行置換，不同聚合體之間上義詞可以替換下義詞，并且保持替換后的命題為真。聚合關(guān)系能夠以語義特征為基礎構(gòu)建符號表征空間對象的上下義關(guān)系語義樹，并作為三維符號設計的邏輯參考體系。

符號語義的組合和聚合關(guān)系對三維符號設計具有重要的意義。如果說物理結(jié)構(gòu)保證了符號圖形上的規(guī)律性（形似），那么語義的組合和聚合關(guān)系則保證了符號與空間對象客體本質(zhì)特征的“神似”，從而最大程度上保證了符號系統(tǒng)與空間對象系統(tǒng)的統(tǒng)一。

3.3 符號的構(gòu)造法則

三維符號的構(gòu)造法則關(guān)注的是由符素組合為一個完整符號的規(guī)律。借鑒文獻［22］在研究區(qū)域空間規(guī)劃專題地圖的符號構(gòu)建時所提出的專題符號的構(gòu)造法則，本文對三維符號的構(gòu)造法則進行了設計，主要包括單體獨立構(gòu)造法則和組合構(gòu)造法則兩類。單體獨立構(gòu)造法則是指運用單一符素獨立或重復性組合為三維符號的法則；組合構(gòu)造法則指運用多個符素或符號組合成新的符號的法則。

3.3.1 單體獨立構(gòu)造法則

單體獨立構(gòu)造法則主要分為獨立出現(xiàn)和重復構(gòu)造兩類，重復構(gòu)造又可分為旋轉(zhuǎn)重復、波式中心重復、向量平行重復、鏡像重復、規(guī)則陣列以及隨機構(gòu)造等類型。表1說明了這些構(gòu)造法則的空間描述及其造型能夠表征的含義。

表1 單體獨立構(gòu)造法則及其造型含義Tab.1 Independent monomer construct rule and its shape meaning

3.3.2 組合構(gòu)造法則

按照組合的層次不同，組合構(gòu)造法則可以分為符素層次的組合法則和符號層次的組合法則。符素層次的組合法則是指針對一個以上符素按照上述構(gòu)造方法構(gòu)造符號，組合后的符素也可以作為一個獨立符素單元參與更為復雜的符號構(gòu)造。符號層次的組合法則是指對已經(jīng)構(gòu)造完畢的單體符號或多體重復構(gòu)造符號再次采用不同構(gòu)造方法生成結(jié)構(gòu)更為復雜的符號。

4 符號的設計方法

在完成三維符號構(gòu)成體系設計基礎上，本文提出一種語義驅(qū)動的層次化三維符號設計方法。該方法以空間對象的語義結(jié)構(gòu)關(guān)系為核心，以三維符號符素為基礎，特點在于面向領域本體的符號設計，使得符號更具有語義自明能力，以便于識別、理解和應用。

4.1 符號設計流程

語義驅(qū)動的層次化三維符號設計流程如下：

步驟1 分析符號設計面向的應用領域本體特征，提取符號語義特征詞匯；

步驟2 構(gòu)建符素表，即設計一定的圖形樣式，并與語義特征相關(guān)聯(lián)，多個語素則構(gòu)成了符號設計的語素表；

步驟3 根據(jù)領域內(nèi)空間對象的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建符號的語義結(jié)構(gòu)關(guān)系；

步驟4 構(gòu)建符號設計的語法規(guī)則庫，即賦予符號構(gòu)造規(guī)則相應的語義特征；

步驟5 在步驟2、3、4基礎上，根據(jù)符號表征空間對象的語義及其在語義結(jié)構(gòu)中的位置，選取相應的語素圖形樣式和符號構(gòu)造規(guī)則，完成符號的設計；

步驟6 按照符號設計的一般原則，對所設計的符號進行一定程度的簡化、美觀等操作。

語義驅(qū)動的層次化三維符號設計是以符號符素表為基礎，以符號的語義結(jié)構(gòu)關(guān)系為骨架驅(qū)動符號圖形的設計與構(gòu)造，并且語義形態(tài)的層次結(jié)構(gòu)特點使得所設計的三維符號系統(tǒng)呈現(xiàn)出較為顯著的結(jié)構(gòu)化特征。

4.2 符號設計實例

美軍軍用符號標準（MIL－STD－2525B［23］）經(jīng)過長期的發(fā)展已成為一套科學、完整的符號體系，并且其戰(zhàn)術(shù)符號（tactical symbols）通過布告板、圖標等典型三維符號表達形式在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中進行表達并得到廣泛應用［24－25］。以該符號標準為原型，以裝甲車符號體系設計為實例，對符號設計流程進行剖析。

首先，針對軍事領域，按照本體層次歸納其語義特征，并設計語義特征對應的圖形形式，從而得到一張基本語素表，如表2所示。裝甲車的聚合關(guān)系語義樹如圖4（b）所示。

表2 基本語素設計表（部分）Tab.2 The design table of basic morphemes

其次，設計符號的構(gòu)造法則。符號需要表征的信息可以分為兩類，一類是能夠表明對象本身類別的信息，此類信息可基于獨立構(gòu)造法則對不同語素進行組合構(gòu)造；另一類是描述對象的輔助說明信息，此類信息可基于旋轉(zhuǎn)重復法則進行不同語素的組合構(gòu)造。

然后，根據(jù)語義信息展開符號設計，以〈修護功能兩棲輪式裝甲車〉這一語義為例，采用巴科斯范式（Backus－naur form）對該語義進行形式化描述：

〈修護功能兩棲輪式裝甲車〉：：＝ 〈兩棲輪式裝甲車〉｜〈修護〉

〈兩棲輪式裝甲車〉：：＝ 〈輪式裝甲車〉｜〈兩棲〉

〈輪式裝甲車〉：：＝ 〈裝甲車〉｜〈輪式〉

〈裝甲車〉：：＝ 〈裝甲車〉

圖5則顯示了根據(jù)形式化描述的語義構(gòu)建符號的完整流程，而圖6則是完整的裝甲車符號系列的設計結(jié)果（對應于圖4（b）裝甲車的聚合關(guān)系語義樹）。

圖5 語義驅(qū)動的三維符號構(gòu)建流程Fig.5 The flowsheet of sematics driven 3Dsymbol design

圖6 裝甲車符號系統(tǒng)的符號設計結(jié)果Fig.6 Symbol design result of armor system

最后，根據(jù)實際應用環(huán)境確定符號的最終表現(xiàn)形式。例如給定某一語義信息“〈修護功能兩棲輪式裝甲車〉｜〈我方〉｜〈第1坦克團〉｜〈戰(zhàn)斗力100%〉｜〈已經(jīng)部署〉｜〈經(jīng)度＝112〉｜〈維度＝30〉｜〈高程＝100〉”，其符號設計結(jié)果如圖7所示，圖8則為使用該方法設計的符號在實際的三維仿真戰(zhàn)場環(huán)境中的表達效果示例圖。

圖7 給定語義的符號樣式Fig.7 Designed symbol of prescriptive semantic

圖8 三維仿真戰(zhàn)場環(huán)境中符號的表達效果Fig.8 The express effect of our symbol in a 3Dsimulation battlefield environment

理論上，本文提出的三維符號設計方法能夠?qū)崿F(xiàn)任意復雜空間對象的符號化，這是由“語言通過有限符號表達無限復雜的真實世界”這一本質(zhì)特征決定的。從符號圖形角度，合理使用三維符號視覺變量能夠設計出不同的符素圖形形式，進而組合出豐富多彩的三維符號；在符號語義形態(tài)方面，提取語義特征并與圖形形式結(jié)合構(gòu)建了符號設計的重要物質(zhì)基礎——語素表，而語義關(guān)系則從本體層次上保證了所設計的符號系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律性；在組合設計符號時，符號的構(gòu)造法則使得符號圖形具有無限組合能力且不失規(guī)律性。因此，語義驅(qū)動的三維符號設計方法是一種開放式的符號設計方法。

5 結(jié) 論

本文類比語言對三維符號設計問題進行研究，構(gòu)建了三維符號的構(gòu)成體系，包括符號的物理結(jié)構(gòu)、語義形態(tài)和構(gòu)造法則3部分；在此基礎上提出了一種語義驅(qū)動的層次化三維符號設計方法，并進行了符號設計實踐。

在語言學研究中，“語言”和“言語”的概念是不同的，索緒爾明確區(qū)分了語言和言語［7］。借鑒這兩個區(qū)別概念，本文認為傳統(tǒng)基于圖式規(guī)范的信息傳輸方式僅是一種“語言”模式，使用者對符號的認知僅限于圖式規(guī)范的范圍，無法理解設計者設計符號的基本思路，進而進行語義推理。而基于語言學方法論的三維符號設計方法，在設計者和使用者之間構(gòu)建了一種“言語”機制和能力：一方面，具有完整的物理結(jié)構(gòu)、語義形態(tài)和構(gòu)造法則，具有符素表、規(guī)則庫等符號設計的物質(zhì)基礎，提高了符號設計的系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)性；另一方面，符號設計者和使用者通過共同學習、使用和創(chuàng)造，掌握符號設計和使用的“言語”能力，設計者通過這一能力完成符號設計的信息編碼，使用者則通過這一能力完成符號信息的解碼，這無疑對提升三維符號的信息感知效率具有重要意義。

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