谷宇航，江 南，張曉楠，管凌霄，張 昊

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.68011部隊(duì)，甘肅 蘭州 730020)

導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)模型的研究

谷宇航1，江 南1，張曉楠1，管凌霄1，張 昊2

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.68011部隊(duì)，甘肅 蘭州 730020)

隨著衛(wèi)星定位的發(fā)展、道路交通水平的提高以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)航電子地圖憑借其在位置服務(wù)功能上的良好表現(xiàn)日益成為人們工作和生活必不可少的工具。但是目前市場(chǎng)上的導(dǎo)航電子地圖顯示模式少，針對(duì)性不強(qiáng)，無法滿足用戶多樣化的需求。文中通過對(duì)導(dǎo)航電子地圖表達(dá)現(xiàn)狀的分析，研究基于不同環(huán)境、不同用途、不同用戶等條件下的多模式導(dǎo)航電子地圖表達(dá)方法，并對(duì)常用模式下一些模板的樣圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。

導(dǎo)航電子地圖；表達(dá)方法；多模式表達(dá)；模型；模板

導(dǎo)航電子地圖的表達(dá)是導(dǎo)航電子地圖設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著定位導(dǎo)航可視化的效果。表達(dá)效果制約著用戶對(duì)道路以及周邊環(huán)境的認(rèn)知，影響用戶對(duì)導(dǎo)航電子地圖產(chǎn)品的使用[1]。

然而目前導(dǎo)航電子地圖的表達(dá)模式較為簡(jiǎn)單，無法滿足用戶多樣化、個(gè)性化的可視化需求。本文針對(duì)導(dǎo)航電子地圖自身的特點(diǎn)及其存在的問題，分析了其表達(dá)現(xiàn)狀，研究了導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)方法，并進(jìn)行了導(dǎo)航電子地圖多模式可視化模板的設(shè)計(jì)，為多模式表達(dá)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了有益的探索。

1 導(dǎo)航電子地圖表達(dá)現(xiàn)狀分析

1.1 導(dǎo)航電子地圖表達(dá)現(xiàn)狀

自導(dǎo)航電子產(chǎn)品出現(xiàn)以來，不少學(xué)者已經(jīng)注意到導(dǎo)航電子地圖可視化的重要性，并在導(dǎo)航電子地圖多尺度表達(dá)方面進(jìn)行了一些研究[2-6]。但目前來說，針對(duì)導(dǎo)航電子地圖表達(dá)方法的研究還較為少見。

通過對(duì)市場(chǎng)上導(dǎo)航電子地圖產(chǎn)品(如凱立德地圖、道道通地圖、高德地圖、百度地圖、谷歌地圖等)的表達(dá)方法進(jìn)行分析，歸納出目前常用的表達(dá)方法主要有：尺度變換法、平面符號(hào)法、多維符號(hào)法、顏色變換法、動(dòng)態(tài)顯示法、窗口切換法和方向變換法等,如表1所示。

尺度變換法：在導(dǎo)航過程中，根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整導(dǎo)航電子地圖的比例尺，改變導(dǎo)航電子地圖上的顯示內(nèi)容。

表1 常用導(dǎo)航電子地圖產(chǎn)品表達(dá)方法分析

多維符號(hào)法：為了能夠更加詳細(xì)地顯示空間關(guān)系，在導(dǎo)航電子地圖上不僅應(yīng)用二維符號(hào)，還使用2.5維符號(hào)和三維符號(hào)。

顏色變換法：在不同情況下，對(duì)顏色的三要素(色相、明度和飽和度)進(jìn)行改變，使配色達(dá)到最佳效果。

動(dòng)態(tài)顯示法：對(duì)特定的符號(hào)添加閃爍、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)等效果，使興趣點(diǎn)等符號(hào)更能引起用戶的注意。

窗口切換法：需要同時(shí)在導(dǎo)航電子地圖上顯示道路交叉口、立交橋、指示牌和多種比例尺地圖時(shí)，可以把屏幕分成多個(gè)窗口進(jìn)行顯示。

方向變換法：傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖以及基礎(chǔ)電子地圖大都默認(rèn)以圖的上方作為北方向，但是導(dǎo)航電子地圖的北方向會(huì)隨著導(dǎo)航方向的變化而不斷變化。

1.2 現(xiàn)有導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)存在的問題

目前導(dǎo)航電子地圖在人們工作生活中發(fā)揮著不小的作用，但在表達(dá)方法上還存在一些不足，需要改進(jìn)。

1)表達(dá)方法較少，表現(xiàn)模式相對(duì)簡(jiǎn)單 。各個(gè)產(chǎn)品的表達(dá)方法雖略有不同，但大體一致。很多表達(dá)方法都是對(duì)傳統(tǒng)地圖表達(dá)方法的延續(xù)，沒有較好地發(fā)揮計(jì)算和圖形圖像處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并豐富其表達(dá)方法。另外，對(duì)三維細(xì)節(jié)的展現(xiàn)及多手勢(shì)觸控等硬件條件的應(yīng)用不足，無法體現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備硬件的優(yōu)勢(shì)。

2)表達(dá)方法和用戶的使用特點(diǎn)結(jié)合不夠密切。不同的用戶有不同的特點(diǎn)(如年齡、性別、職業(yè)以及文化水平等)，因此每個(gè)人對(duì)導(dǎo)航電子地圖表達(dá)效果的感受不同。現(xiàn)有導(dǎo)航電子地圖在進(jìn)行表達(dá)時(shí)缺乏針對(duì)性，沒有很好地考慮用戶的偏好和特點(diǎn)，滿足不了不同用戶的需求。

3)表達(dá)方法沒有較好地顧及外界因素。表達(dá)方法在設(shè)計(jì)上大都只從理論出發(fā)，僅考慮圖面上的搭配效果。然而使用導(dǎo)航電子地圖的外界環(huán)境始終處于不同的變化中，這對(duì)表達(dá)方法的表達(dá)效果有很大的影響。用戶使用環(huán)境中的光照強(qiáng)度、用戶所處位置的地理特點(diǎn)以及地域特色等，都應(yīng)該和導(dǎo)航電子地圖的表達(dá)方法相配合，以產(chǎn)生更好的表達(dá)效果。

2 導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)模型的研究

2.1 導(dǎo)航電子地圖的表達(dá)模型設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有導(dǎo)航電子地圖在表達(dá)方面存在的問題，本文提出建立導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)模型。導(dǎo)航電子地圖的多模式表達(dá)模型是指在不同用途、不同環(huán)境、不同比例尺以及不同用戶特點(diǎn)等因素的影響下，綜合運(yùn)用不同的表達(dá)方法，將同一空間數(shù)據(jù)進(jìn)行不同樣式的顯示，以滿足不同因素影響下用戶的需求[7]。

通過對(duì)用戶偏好、地理特點(diǎn)、跟蹤方法、觀察視角、光照變化和文化背景等影響因素的分析，建立了包含不同用戶偏好模式、不同地理環(huán)境模式、不同跟蹤方法模式、不同觀察視角模式、不同光照特點(diǎn)模式和不同文化背景模式等多種表達(dá)模式的導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)模型。圖1所示為導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)模型常用的一些表達(dá)模式[8]。

圖1 導(dǎo)航電子地圖常用表達(dá)模式

1)基于不同用戶偏好的表達(dá)模式。用戶對(duì)興趣點(diǎn)的選擇都有針對(duì)性，為快速傳遞導(dǎo)航信息并獲得層次化的視覺效果，就要篩選出用戶關(guān)注程度更高的興趣點(diǎn)進(jìn)行突出表達(dá)。如當(dāng)白領(lǐng)階層使用導(dǎo)航電子地圖出行時(shí)，可能會(huì)去消費(fèi)水平較高的場(chǎng)所，而學(xué)生則會(huì)選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的場(chǎng)所；駕車的用戶更關(guān)注停車場(chǎng)、加油站等興趣點(diǎn)；而使用公共交通出行的人則更關(guān)注公交、地鐵和出租車站。依據(jù)上述區(qū)別可分別建立消費(fèi)模式和生活模式，自駕模式和乘車模式，在地圖上對(duì)相應(yīng)模式下的興趣點(diǎn)進(jìn)行突出表達(dá)，使用戶更快地查詢到自己關(guān)心的目標(biāo)。

2)基于不同地理環(huán)境的表達(dá)模式。除城市外，導(dǎo)航電子地圖還可以用于鄉(xiāng)村、山區(qū)或荒漠等地域。在不同地域使用時(shí)，可以結(jié)合其地域特點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的表達(dá)模式。如在鄉(xiāng)村和荒漠，路網(wǎng)密度小，道路交通要素少，可以用更小的比例尺顯示；在山區(qū)，地勢(shì)的起伏對(duì)行駛也有一定的影響，要想辦法將地理特點(diǎn)表現(xiàn)在圖中。根據(jù)這些特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出城市模式、山地模式和荒漠模式等。

3)基于不同跟蹤方法的表達(dá)模式。移動(dòng)設(shè)備間的通信功能不斷增強(qiáng)，導(dǎo)航電子地圖可以同時(shí)顯示多個(gè)設(shè)備的空間位置。在導(dǎo)航電子地圖上實(shí)時(shí)顯示另一個(gè)被跟蹤設(shè)備的位置，可以設(shè)計(jì)出熱點(diǎn)跟蹤模式；在地圖上顯示被跟蹤點(diǎn)走過的軌跡，可以設(shè)計(jì)出軌跡跟蹤模式；在地圖上顯示被跟蹤點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過的區(qū)域，可以設(shè)計(jì)出區(qū)域跟蹤模式。

4)基于不同觀察視角的表達(dá)模式。在進(jìn)行可視化顯示時(shí)可以從不同觀察者的角度出發(fā)再現(xiàn)地理場(chǎng)景。根據(jù)視角的不同，可以將表達(dá)模式分為第一人稱視角模式和第三人稱視角模式；還可以結(jié)合兩種表達(dá)模式從而形成混合視角模式。不同視角的模式設(shè)計(jì)不同的表達(dá)方法，體現(xiàn)出不同視角下的構(gòu)圖特點(diǎn)。

5)基于不同光照特點(diǎn)的表達(dá)模式?，F(xiàn)有導(dǎo)航電子地圖只提供手動(dòng)設(shè)置白天模式和黑夜模式兩種模式，智能化程度不高?，F(xiàn)在硬件設(shè)備已經(jīng)允許導(dǎo)航電子地圖感知周邊光照環(huán)境，因此可以根據(jù)不同的光照環(huán)境自動(dòng)調(diào)整顯示模式。如當(dāng)導(dǎo)航電子地圖從室內(nèi)移動(dòng)到室外時(shí)，根據(jù)光強(qiáng)的增量自動(dòng)提高用色的明度，以便在強(qiáng)光下也能看清地圖上的內(nèi)容；在光線暗的傍晚或夜間自動(dòng)降低明度或使用更加柔和的配色方案，減少屏幕對(duì)人眼的刺激。根據(jù)不同層次的光強(qiáng)可以建立夜間模式、室內(nèi)模式和戶外模式。此外，還可以設(shè)計(jì)出光影模式，在顯示時(shí)根據(jù)定位信息判斷太陽光照的角度，計(jì)算實(shí)地中物體的陰影方向，并將陰影效果以同樣的角度和方向添加在地圖符號(hào)上，以利于地圖與實(shí)地的相互對(duì)照。

6)基于不同文化背景的表達(dá)模式。根據(jù)導(dǎo)航儀所處的地理位置確定用戶所在的國(guó)家、省份和地區(qū)，以便產(chǎn)生符合當(dāng)?shù)厝宋奶厣谋磉_(dá)方案。據(jù)此可將表達(dá)模型分為通用模式和特殊模式，通用模式下的符號(hào)采用傳統(tǒng)并且約定俗成的視覺變量；而特殊模式下的符號(hào)設(shè)計(jì)和顏色配置要加入當(dāng)?shù)氐牡赜蛱攸c(diǎn)以及民族特色。

2.2 導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)方法的設(shè)計(jì)

多模式表達(dá)需要有多種表達(dá)方法的支持[9]。在進(jìn)行導(dǎo)航電子地圖表達(dá)方法設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循通用性與適用性相補(bǔ)充、藝術(shù)性與功能性相統(tǒng)一、繼承性和創(chuàng)新性相結(jié)合等原則，以地圖空間認(rèn)知論、地圖感受論為指導(dǎo)并充分利用圖形圖像技術(shù)[10]。本文在原有表達(dá)方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了符號(hào)層次法、透明度增減法、文字說明法、地貌顯示法、透視圖表示法、影像符號(hào)法和雷達(dá)顯示法等表達(dá)方法。

符號(hào)層次法：利用不同色彩的明度、飽和度或者不同的尺寸，來表現(xiàn)不同的興趣點(diǎn)符號(hào)，從而達(dá)到突出表現(xiàn)某一地物的目的。

透明度增減法：將半透明或者透明度較高的地圖直接疊加在已經(jīng)顯示地圖上，可以在屏幕的同一區(qū)域顯示兩種信息。這樣做有利于兩種不同尺度地圖的對(duì)比和參照，不過有時(shí)會(huì)降低可視化的準(zhǔn)確度與清晰度。

文字說明法：當(dāng)點(diǎn)擊某一地物符號(hào)時(shí)，顯示一個(gè)文本框顯示該興趣點(diǎn)的屬性信息或者其他需要用文字說明的信息。

地貌顯示法：在地圖載負(fù)量較少的情況下，為了豐富地圖內(nèi)容，可顯示該地理位置下所特有的地貌，從而增強(qiáng)導(dǎo)航電子地圖可視化的感染力。

透視圖表示法：在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維模型中，有時(shí)不易判斷用戶的位置。去除地物模型的紋理，只保留框架結(jié)構(gòu)，有利于用戶更好地判斷自己所處的空間位置。

影像符號(hào)法：利用柵格圖像作為符號(hào)，如天安門、長(zhǎng)城和兵馬俑等具有明顯代表性的圖像。在旅游電子地圖中經(jīng)常出現(xiàn)這種表現(xiàn)方法，但是目前在導(dǎo)航電子地圖中沒有使用。

雷達(dá)顯示法：將導(dǎo)航電子地圖的道路信息等全部消去，僅保留用戶位置符號(hào)和興趣點(diǎn)符號(hào)以及指示空間方位和距離的信息，用于顯示興趣點(diǎn)之間的相對(duì)空間關(guān)系。

上文設(shè)計(jì)出的不同多模式表達(dá)模型可以綜合運(yùn)用不同的表達(dá)方法，如表2所示。

表2 不同可視化表達(dá)模型常用表達(dá)方法

3 導(dǎo)航電子地圖常用多模式表達(dá)模板的設(shè)計(jì)

導(dǎo)航電子地圖表達(dá)多模式的具體表現(xiàn)為多種表達(dá)方法支撐的模板。所謂表達(dá)模板是指運(yùn)用各種可視化方法，針對(duì)同一導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)，通過內(nèi)容選取、符號(hào)設(shè)計(jì)、色彩搭配和表達(dá)方法選擇而使導(dǎo)航電子地圖體現(xiàn)出來不同可視化風(fēng)格的整體效果[11]。導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)模板的建立是多模式表達(dá)模型實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)了如下幾種常用的可視化表達(dá)模板：

3.1 基于不同用戶偏好模式的表達(dá)模板設(shè)計(jì)

圖2所示為自駕模式和乘車模式兩種模式下的導(dǎo)航電子地圖，當(dāng)用戶選擇駕駛模式時(shí)，用戶可能更加關(guān)注停車場(chǎng)、加油站；當(dāng)用戶選擇乘車模式時(shí)，用戶可能更加關(guān)注地鐵、公交站。用戶關(guān)注的興趣點(diǎn)采用大尺寸符號(hào)和鮮明的色調(diào)表達(dá)，使興趣點(diǎn)符號(hào)有主有次，層次分明。

圖2 自駕模式(左)和乘車模式(右)

3.2 基于不同地理特點(diǎn)模式的表達(dá)模板設(shè)計(jì)

圖3所示為山區(qū)模式和荒漠模式的模板(背景地貌來源于Google Earth)。現(xiàn)有導(dǎo)航電子地圖中地圖的顯示十分單調(diào)，大大降低了導(dǎo)航電子地圖的美觀程度。根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)加入與地理位置相匹配的地區(qū)地貌，可以使導(dǎo)航電子地圖更加美觀。

圖3 山區(qū)模式(左)和荒漠模式(右)

3.3 基于不同觀察視角的表達(dá)模板設(shè)計(jì)

圖4中，左圖是第三人稱視角模式下的導(dǎo)航電子地圖可視化效果，以俯視圖的形式展現(xiàn)用戶的地理位置，右上角用半透明的小比例尺鷹眼圖表現(xiàn)更大范圍下的位置關(guān)系。右圖是第一人稱視角模式的可視化效果，為了使用戶對(duì)立體建筑后遮擋的道路狀況有所了解，采用了三維透視的表達(dá)方法，這種可視化效果立體直觀，而且能確保用戶觀察到實(shí)地觀察不到的地理空間形態(tài)特征。兩種模式還可以疊加到同一屏幕下進(jìn)行表達(dá)，以獲得更豐富的表達(dá)效果。

3.4 基于不同文化背景的表達(dá)模板設(shè)計(jì)

圖5所示為江南地區(qū)特有文化背景下的導(dǎo)航電子地圖可視化效果。用戶行駛時(shí)，根據(jù)地理位置判斷所處地區(qū)，將地圖符號(hào)風(fēng)格化為該地區(qū)特色。圖中小橋流水的道路符號(hào)及青磚白墻的居民地符號(hào)，使導(dǎo)航電子地圖更加美觀，更加具有文化氣息。

圖4 第三人稱視角模式(左)和第一人稱視角模式(右)

圖5 江南風(fēng)格導(dǎo)航電子地圖

4 結(jié)束語

導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)模型研究的最終目的，就是為了改善導(dǎo)航電子地圖的表達(dá)效果，讓用戶在使用導(dǎo)航電子地圖的同時(shí)獲得豐富的視覺體驗(yàn)。本研究在導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)上進(jìn)行了初步的探索，但是更加完善的表達(dá)模型需要建立在對(duì)廣大用戶的深入調(diào)查上，因此，此后需要對(duì)用戶行為和體驗(yàn)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。同時(shí)，隨著圖形圖像處理技術(shù)的進(jìn)步及顯示硬件設(shè)備的發(fā)展，導(dǎo)航電子地圖的可視化方法也將越來越多。隨著導(dǎo)航電子地圖在人們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔萌找婕訌?qiáng)，用戶個(gè)性化要求的不斷提高，對(duì)導(dǎo)航電子地圖多模式表達(dá)模型的研究將越來越重要。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Research of multi-mode expression model for navigation electronic map

GU Yu-hang1, JIANG Nan1, ZHANG Xiao-nan1, GUAN Ling-xiao1, ZHANG Hao2

(1.Institute of Geographic Space Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052，China; 2.Troops 68011, Lanzhou 730020, China)

As the development of satellite positioning, the improvement of traffic and the progress of wireless network technology, the navigation electronic map is becoming an indispensable tool for work and life increasingly with its good performance in location services. But the navigation electronic map in market displays with single mode only, and it is unable to meet the diverse needs of users. After analysis of the current navigation electronic map expression, research is processed on expression method of navigation electronic map which is used in different models based on environments, purposes, conditions, and multi-user, and the typical is carried out design under common patterns.

navigation electronic map; expression method; multi-mode expression; model; template

2014-01-09;補(bǔ)充更新日期：2014-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271450)

谷宇航(1990-)，男，碩士研究生.

P28

：A

：1006-7949(2014)12-0012-05