劉小春，李 響，王麗娜，王 培，李帥鑫

(1. 信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052； 2. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

一、引 言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，小比例尺地圖給讀圖者第一印象就是注記[1]，而地名注記是地圖注記的主要內(nèi)容。特別是網(wǎng)絡(luò)地圖，廣大用戶主要關(guān)心的地圖注記是地名，而不是山脈、河流和高程點(diǎn)等。因此研究地名注記的顯示方法是改善網(wǎng)絡(luò)地圖易讀性的有效途徑。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從3個(gè)方面來(lái)研究如何改善地圖注記的視覺(jué)效果。一是依據(jù)長(zhǎng)期制圖經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)和歸納注記設(shè)計(jì)的若干規(guī)則[2-6]；二是采用心理學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)研究地圖注記的字體、字色和字位等基本特點(diǎn)對(duì)地圖易讀性的影響[1,7-8]；三是將制圖專家注記設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)變成知識(shí)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)注記進(jìn)行自動(dòng)配置，即地圖注記自動(dòng)配置的算法研究[9]。但是這些研究在顧及用戶定位習(xí)慣方面還不足。

網(wǎng)絡(luò)地圖不僅要考慮注記的清晰性、美觀性、無(wú)二義性等因素，更應(yīng)顧及用戶查找和定位地名的習(xí)慣。用戶通常會(huì)以高級(jí)別的地名作為參考點(diǎn)來(lái)查找位置。如查找中牟縣時(shí)，用戶通常會(huì)先定位到鄭州，然后在鄭州以東的方向?qū)ふ抑心部h。因此高級(jí)別的地名注記的突出顯示更有利于用戶迅速查找到位置。地圖網(wǎng)站一般通過(guò)顯著增大字體尺寸、改變字色或淡化低等級(jí)地名注記等方法來(lái)突出高級(jí)別的地名注記。但是這種方法的不足之處在于高級(jí)別的地名注記太過(guò)醒目，容易分散用戶的注意力。正如Robinson所言：“最優(yōu)秀的注記設(shè)計(jì)是當(dāng)它們不需要被閱讀時(shí)，就不會(huì)分散人的注意力”[1]。此外，用戶在查找和定位地名時(shí)會(huì)頻繁地對(duì)地圖進(jìn)行放大和縮小操作。在這種操作過(guò)程中，用戶極易丟失所關(guān)注的地名注記。如何通過(guò)視覺(jué)設(shè)計(jì)使得被關(guān)注的地名注記不易丟失也是提高用戶體驗(yàn)的有效途徑之一。

本文建立和實(shí)現(xiàn)了一種基于“重心場(chǎng)”的網(wǎng)絡(luò)地圖地名注記顯示規(guī)則(以下簡(jiǎn)稱“重心場(chǎng)顯示規(guī)則”)。該規(guī)則適用于從全國(guó)級(jí)別(約1∶2 000萬(wàn))到城市級(jí)別(約1∶25萬(wàn))點(diǎn)狀地名注記的變化和顯示，顧及了用戶定位查找地名習(xí)慣，可以有效增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

二、重心場(chǎng)顯示規(guī)則

1. 假定條件和建立原則

重心場(chǎng)顯示規(guī)則基于以下兩個(gè)假定：

1) 假定用戶習(xí)慣以高級(jí)別的點(diǎn)狀地名注記作為參考點(diǎn)來(lái)查找低級(jí)別地名注記。

2) 假定用戶通過(guò)高級(jí)別地名注記查找低級(jí)別地名注記時(shí)，往往會(huì)有一種潛意識(shí),這種潛意識(shí)讓用戶認(rèn)為低級(jí)別注記應(yīng)位于高級(jí)別注記的附近區(qū)域，不會(huì)在距離高級(jí)別注記較遠(yuǎn)的區(qū)域，且在距離高級(jí)別注記更遠(yuǎn)的區(qū)域中的注記與要查找的目標(biāo)注記沒(méi)有關(guān)系。

該顯示規(guī)則的核心思想是將高級(jí)別的點(diǎn)狀地名注記作為重心場(chǎng)的重心，隨著以該重心為中心地圖比例尺的不斷變大向周圍輻射。當(dāng)?shù)貓D比例尺進(jìn)一步變大時(shí)，低級(jí)別的點(diǎn)狀地名注記也逐漸成為重心場(chǎng)的重心，進(jìn)而向周圍輻射。如圖1所示，隨著地圖比例尺的變大，增加了3個(gè)低級(jí)別的注記。

圖1 重心場(chǎng)顯示規(guī)則

重心場(chǎng)中以高級(jí)別地名注記為重心，建立重心場(chǎng)，以重心為中心的兩個(gè)環(huán)將地圖劃分為了3個(gè)區(qū)域，如圖2所示。最靠近重心的區(qū)域稱之為引力區(qū)，引力區(qū)除顯示重心注記外，還顯示其周圍的低級(jí)別注記；內(nèi)環(huán)和外環(huán)間的區(qū)域稱之為避讓區(qū)，避讓區(qū)需要隱藏低級(jí)別的注記；外環(huán)之外的區(qū)域稱之為外圍區(qū)，外圍區(qū)不受重心的影響，注記按照原有規(guī)則進(jìn)行顯示。

圖2 重心的區(qū)域構(gòu)成和注記顯示規(guī)則

該規(guī)則需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是引力區(qū)、避讓區(qū)和外圍區(qū)范圍的設(shè)定問(wèn)題；二是多個(gè)重心區(qū)域之間的沖突問(wèn)題。

2. 范圍設(shè)定和區(qū)域之間沖突

引力區(qū)的基本要求是重心注記必須在該區(qū)域內(nèi)完整顯示。無(wú)論四方向或八方向的點(diǎn)狀注記，引力區(qū)半徑的最小值(如圖3所示)均可以由如下公式確定

R≥L+h+r

式中，R為引力區(qū)半徑；L為注記寬度；h為符號(hào)和注記之間間隔；r為注記符號(hào)半徑。

避讓區(qū)的引入類似于藝術(shù)創(chuàng)作和攝影構(gòu)圖中的“留白”，即通過(guò)空白使目標(biāo)從背景中突出顯現(xiàn)出來(lái)，如圖4所示，通過(guò)重心場(chǎng)顯示規(guī)則將位于避讓區(qū)的原陽(yáng)縣、開(kāi)封縣、通許縣和尉氏縣注記對(duì)象隱藏，顯然查找位于引力區(qū)的中牟縣目標(biāo)更加容易。

圖3 引力區(qū)半徑最小值

圖4 避讓區(qū)效果圖

由于指定尺度地圖上存在多個(gè)重心，因此地圖上某個(gè)位置可能是重心A的避讓區(qū)，但同時(shí)也是重心B的引力區(qū)。出現(xiàn)上述情況時(shí)，注記的顯示規(guī)則遵循引力區(qū)>避讓區(qū)>外圍區(qū)的優(yōu)先級(jí)別。如某注記X在B的外圍區(qū)，但在A的避讓區(qū)，那么該注記應(yīng)隱藏；同理，若注記X在B的避讓區(qū)，而在A的引力區(qū)，則該注記需要顯示。

3. 實(shí)際應(yīng)用中的不足和解決策略

以全國(guó)1∶500萬(wàn)、部分地區(qū)1∶25萬(wàn)的居民地?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)(包含全國(guó)各省/自治區(qū)、特別行政區(qū)/直轄市、省會(huì)、地級(jí)市/自治州/地區(qū)/盟、部分市轄區(qū)、部分縣/縣級(jí)市/其他、部分鄉(xiāng)/鎮(zhèn)/其他地名注記共計(jì)7060條)，在ArcGIS 9.3平臺(tái)上將該規(guī)則應(yīng)用到從國(guó)家級(jí)別(約1∶1 900萬(wàn))到市級(jí)別(約1∶29萬(wàn))變化過(guò)程中的注記顯示。和其他顯示規(guī)則相比，該規(guī)則可以顯著提高基于用戶定位習(xí)慣的注記查找效果。

1) 在重心場(chǎng)顯示規(guī)則下，同一比例尺高級(jí)別的地名注記并非通過(guò)顏色、字體大小等顯著變化得到凸出顯示，而是通過(guò)在其周圍形成自然避讓區(qū)起到增強(qiáng)的效果。這樣既能突出高級(jí)別的地名注記，又避免了因?yàn)楦呒?jí)別地名注記過(guò)于醒目而影響讀者閱讀其他低級(jí)別地名的情況。同時(shí)由于不需要借助對(duì)比色來(lái)增強(qiáng)高級(jí)別地名注記，地圖用色數(shù)量減少，有利于整個(gè)圖面的和諧。

2) 不同比例尺下地名注記隨地圖比例尺變化時(shí)，呈現(xiàn)漸進(jìn)式擴(kuò)展和緊縮的圖形效果。同時(shí)由于色相和字號(hào)不會(huì)產(chǎn)生急劇地變化，用戶視覺(jué)不易丟失所關(guān)注的地名注記。

但重心場(chǎng)顯示規(guī)則中的避讓區(qū)使得同一行政級(jí)別的地名無(wú)法在同一比例尺下同時(shí)出現(xiàn)，這樣容易使用戶產(chǎn)生困惑。表1是百度地圖在部分比例尺下所顯示的不同級(jí)別的地名注記，以截至2005年底全國(guó)各省、自治區(qū)、行政特別區(qū)、省會(huì)、地級(jí)市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等數(shù)量可以粗略估算出百度地圖地名注記最大密度為2.59 mm2/cm2(第3～9級(jí)之間),該數(shù)值遠(yuǎn)低于普通地圖上相關(guān)研究所測(cè)定的居民地最高負(fù)載量(15 mm2/cm2)，也低于最適當(dāng)?shù)妮d負(fù)量(12 mm2/cm2)。因此該規(guī)則在實(shí)際應(yīng)用中并不適用于所有的比例尺。在幾個(gè)地圖注記載負(fù)量較低的比例尺下(第4、6和8級(jí))應(yīng)用該規(guī)則，見(jiàn)表2，而其他級(jí)別仍然遵循常規(guī)的注記顯示規(guī)則。圖5是第4級(jí)比例尺的一般規(guī)則下顯示的地名注記和重心場(chǎng)規(guī)則下顯示的地名注記。

圖5

和表1相比，表2中第4、6和8級(jí)應(yīng)用重心場(chǎng)顯示規(guī)則，使得部分低級(jí)別的居民地注記也顯示出來(lái)，顯著提高了居民地注記載負(fù)量，但是該值仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最恰當(dāng)?shù)木用竦刈⒂涊d負(fù)量。

表1 不同比例尺下顯示的地名注記(百度地圖)

表2 重心場(chǎng)規(guī)則下的地名注記顯示(○符號(hào)代表部分顯示)

三、重心場(chǎng)顯示規(guī)則的可用性測(cè)試

為了檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)該規(guī)則的有效性，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)均包含練習(xí)階段和試驗(yàn)階段。被試對(duì)象為在校大學(xué)生(15名男生，9名女生)，平均年齡為21歲，裸眼或矯正視力正常。被試對(duì)象坐在距離計(jì)算機(jī)大約50 cm處，依據(jù)指導(dǎo)語(yǔ)，通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作盡可能迅速準(zhǔn)確完成所規(guī)定的任務(wù)。當(dāng)被試對(duì)象能連續(xù)10次成功完成任務(wù)時(shí)，證明已經(jīng)完全熟悉該試驗(yàn)過(guò)程，可以進(jìn)入試驗(yàn)階段。試驗(yàn)階段除完成任務(wù)與練習(xí)階段不同之外，其他方面均相同、整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程程序會(huì)自動(dòng)記錄下被試對(duì)象測(cè)試過(guò)程中的鼠標(biāo)和鍵盤(pán)交互動(dòng)作、完成時(shí)間，以及被試對(duì)象在試驗(yàn)前填寫(xiě)的個(gè)人資料，此外，抓屏軟件會(huì)自動(dòng)記錄下每位被試對(duì)象的操作視頻。

1. 試驗(yàn)1

(1) 目 的

由于在第4、6、8級(jí)比例尺下應(yīng)用了重心場(chǎng)顯示規(guī)則，地名注記載負(fù)量提高，因此試驗(yàn)1旨在測(cè)試因重心場(chǎng)顯示規(guī)則所導(dǎo)致載負(fù)量的提高在多大程度上影響了用戶對(duì)高級(jí)別地名注記的識(shí)別。

(2) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在第4、6、8級(jí)比例尺下，以省級(jí)行政中心或直轄市(對(duì)應(yīng)第4級(jí))、地級(jí)市(對(duì)應(yīng)第6級(jí))和縣(對(duì)應(yīng)第8級(jí))為中心，按照一般注記顯示規(guī)則(見(jiàn)表1)和“重心場(chǎng)”注記顯示規(guī)則(見(jiàn)表2)分別制作相應(yīng)的靜態(tài)地圖(圖片形式)。被試對(duì)象在地圖上查找相應(yīng)的地名，如“查找北京市的位置”，以鼠標(biāo)準(zhǔn)確單擊到該地名結(jié)束。以北京市為例，被試對(duì)象會(huì)在如圖6所示的兩種地圖上進(jìn)行試驗(yàn)。

圖6

由于該試驗(yàn)主要是測(cè)試載負(fù)量的提高在多大程度上影響了用戶對(duì)高級(jí)別地名注記的識(shí)別。因此試驗(yàn)前會(huì)通過(guò)在中國(guó)行政區(qū)劃圖上標(biāo)注所需查找的地名及其位置的方法，告知被試對(duì)象，并要求被試對(duì)象盡可能熟悉。同時(shí)為避免任務(wù)之間的相似關(guān)聯(lián)性影響測(cè)試的準(zhǔn)確客觀性，試驗(yàn)會(huì)對(duì)任務(wù)出現(xiàn)的順序進(jìn)行拉丁方平衡，通過(guò)平衡試驗(yàn)順序有效地減少了試驗(yàn)順序?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響。

(3) 結(jié) 果

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，在重心場(chǎng)顯示規(guī)則下，查找地名的平均時(shí)間比一般顯示規(guī)則下的平均時(shí)間要長(zhǎng)，但是采用重心場(chǎng)顯示規(guī)則可以使地圖載負(fù)量顯著提高。時(shí)間上重心場(chǎng)顯示規(guī)則比一般顯示規(guī)則平均長(zhǎng)168.25 ms，相對(duì)一般顯示規(guī)則時(shí)間上長(zhǎng)了15.4%，但是地圖載負(fù)量卻增加了6.89倍。

表3不同類型地圖上地名查找時(shí)間的平均值/標(biāo)準(zhǔn)差與地圖載負(fù)量

地圖類型平均值/標(biāo)準(zhǔn)差/ms地圖載負(fù)量/(mm2/cm2)一般顯示規(guī)則1091.78/377.050.47重心場(chǎng)顯示規(guī)則1260.03/103.963.24

2. 試驗(yàn)2

(1) 目 的

試驗(yàn)2旨在測(cè)試重心場(chǎng)顯示規(guī)則是否能夠有效提高用戶查找居民地的速度，從而改善網(wǎng)絡(luò)地圖的易讀性。

(2) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

和試驗(yàn)1所采用的靜態(tài)地圖不同，試驗(yàn)2采用的是動(dòng)態(tài)地圖。試驗(yàn)2依據(jù)兩種不同顯示規(guī)則，通過(guò)ArcGIS制作好相應(yīng)的地圖文檔，使用戶通過(guò)ArcGIS提供的縮放和漫游工具來(lái)查找地名，同時(shí)通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)的ArcGIS小插件來(lái)記錄被試對(duì)象測(cè)試過(guò)程中的鼠標(biāo)、鍵盤(pán)交互動(dòng)作和完成時(shí)間。

此外，被試對(duì)象查找的地名注記也和試驗(yàn)1有所不同，在試驗(yàn)2中查找的地名注記分為兩類，一類是被試對(duì)象并不熟悉的地名，而另一類則是非常熟悉的地名，如家鄉(xiāng)或自己工作地點(diǎn)等。兩種類型的地名查找之前，都會(huì)輔以文字提示，如“請(qǐng)?jiān)诘貓D中查找中牟縣，它在河南鄭州市以東?！?/p>

(3) 結(jié) 果

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。在查找熟悉地名時(shí)，重心場(chǎng)顯示規(guī)則顯然比一般顯示規(guī)則要快，平均要快1 501 ms；但是在查找陌生地名時(shí)，重心場(chǎng)顯示規(guī)則卻慢于一般顯示規(guī)則，平均要慢9 359.33 ms，這和試驗(yàn)預(yù)期結(jié)果恰恰相反。通過(guò)觀察被試對(duì)象的測(cè)試錄像發(fā)現(xiàn)，原因是用戶在查找陌生地名時(shí)，重心場(chǎng)顯示規(guī)則會(huì)導(dǎo)致同一行政級(jí)別地名并非在同一比例尺下同時(shí)出現(xiàn)的情況。因此當(dāng)和所查找地名同一行政級(jí)別的地名出現(xiàn)時(shí)，用戶無(wú)法確定陌生地名的準(zhǔn)確位置，往往停止繼續(xù)放大，而是不斷在高級(jí)別地名注記周圍尋找，降低了用戶查找地名的效率。但是當(dāng)用戶查找熟悉地名時(shí)，若在地圖上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地名，用戶通常不會(huì)懷疑自己的判斷，而是選擇繼續(xù)放大，因此不會(huì)降低用戶查找地名的效率。

表4不同類型地圖上地名查找時(shí)間的平均值/標(biāo)準(zhǔn)差ms

四、結(jié) 論

通過(guò)上述試驗(yàn)可以得出如下兩點(diǎn)結(jié)論：

1) 和一般地名注記規(guī)則相比，重心場(chǎng)顯示規(guī)則會(huì)在某幾個(gè)特定比例尺下使得地名注記載負(fù)量提高5～6倍，從而在一定程度上影響了用戶對(duì)高級(jí)別地名注記的識(shí)別，但是該影響并不顯著。

2) 重心場(chǎng)顯示規(guī)則會(huì)顯著提高用戶查找熟悉地名的效率，但并不能顯著提高用戶查找陌生地名的效率，甚至?xí)档筒檎夷吧孛男省Ｓ脩粼趯?shí)際使用網(wǎng)絡(luò)地圖時(shí)，若查找熟悉地名，通常使用縮放和漫游工具；而若查找陌生地名，更傾向于使用搜索工具。因此這在一定程度上彌補(bǔ)了重心場(chǎng)顯示規(guī)則在查找陌生地名時(shí)的不足。

綜上所述，重心場(chǎng)顯示規(guī)則非常適用于網(wǎng)絡(luò)地圖點(diǎn)狀地名注記顯示，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)地圖點(diǎn)狀地名注記的易讀性，但是引力區(qū)大小與地圖尺度、圖形符號(hào)大小和注記字大小等都有一定的關(guān)系，具體應(yīng)用中需要考慮引力區(qū)大小設(shè)定問(wèn)題。

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