田江鵬,游 雄,賈奮勵,夏 青

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院, 河南 鄭州 450052

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地圖符號的認(rèn)知語義分析與動態(tài)生成

田江鵬,游 雄,賈奮勵,夏 青

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院, 河南 鄭州 450052

面向位置服務(wù)背景下地圖符號按需和動態(tài)表達(dá)的需求，提出了一種基于認(rèn)知語義分析的地圖符號結(jié)構(gòu)化描述模型，以及建立在此基礎(chǔ)上的地圖符號動態(tài)生成方法。結(jié)構(gòu)化描述模型立足“現(xiàn)實—認(rèn)知—符號”的認(rèn)知語義原理，以地圖符號語素為基本單元、以語義結(jié)構(gòu)為描述框架，側(cè)重描寫符號圖形和語義之間的關(guān)聯(lián)映射機(jī)制。動態(tài)生成方法的核心是一種規(guī)則控制語素組合構(gòu)造符號的上下文無關(guān)文法模型，通過對圖形語素、形態(tài)結(jié)構(gòu)語素以及符號生成規(guī)則系統(tǒng)進(jìn)行建模，重構(gòu)了地圖符號動態(tài)生成的文法編譯器。以個性化導(dǎo)航路徑符號為例，通過面向不同情境和語義結(jié)構(gòu)的符號動態(tài)生成試驗，驗證了本文方法的可行性。本文研究將有助于進(jìn)一步理解地圖符號的認(rèn)知和結(jié)構(gòu)原理，并促進(jìn)相關(guān)行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域地圖符號化的按需和動態(tài)表達(dá)的水平。

地圖符號；認(rèn)知語義；語素；上下文無關(guān)文法；動態(tài)生成

符號是構(gòu)成地圖的基本元素，研究符號不僅是地圖學(xué)的經(jīng)典問題，也是伴隨地圖自身不斷進(jìn)步而提出的新問題。隨著移動定位、移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，構(gòu)建適用于位置服務(wù)需求的地圖，已經(jīng)成為地圖學(xué)新的研究熱點(diǎn)。位置服務(wù)背景下的地圖，是一種以位置為中心，全面反映與位置相關(guān)的各種特征、事件或事物的新型地圖產(chǎn)品[1-2]，具有個性化、智能化、全方位信息等特征。反映在地圖表達(dá)層面，表現(xiàn)為用戶需求的實時解析、位置關(guān)聯(lián)信息的智能處理、地圖制作和表達(dá)的動態(tài)實現(xiàn)等。動態(tài)制圖的內(nèi)在要求，使得需要根據(jù)用戶位置和情境[3]等信息，自動計算出地理要素最佳的符號表達(dá)形式。位置服務(wù)背景下地圖符號化面臨的這種需求，是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。

現(xiàn)有電子地圖的符號化方法，可概括為兩類：一是使用對照表，建立地理要素和地圖符號之間的映射關(guān)系。二是使用規(guī)則，基于地理對象的特點(diǎn)、制圖知識等進(jìn)行規(guī)則匹配[4]。這些方法的一個共同特點(diǎn)，即地圖符號是預(yù)先使用符號編輯器等工具，人工或半人工設(shè)計、編輯并保存至符號庫中，是一種“靜態(tài)存儲、匹配調(diào)用”的符號化模式。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是易于實現(xiàn)且速度快，但面向現(xiàn)實世界的復(fù)雜性、用戶需求的多變性和制圖情境的多樣性，其缺點(diǎn)在于難以窮盡各種符號化細(xì)節(jié)和需求，降低了提供特定情境下地理要素最佳的地圖符號表達(dá)形式的精準(zhǔn)度，也降低了用戶個性化體驗。因此，位置服務(wù)背景下地圖符號化更加講求“按需和動態(tài)”的特征。

為此，已有不少學(xué)者分別從描述模型[5]、句法結(jié)構(gòu)[6]、表達(dá)模板[7]等角度，探索動態(tài)符號化解決方案。還有些學(xué)者從統(tǒng)籌符號的圖形和語義兩個方面[8-11]，立足符號的深層次語義結(jié)構(gòu)及其認(rèn)知機(jī)理，探索地圖符號的制作和應(yīng)用模式。這些成果對位置服務(wù)背景下的地圖符號化具有重要的借鑒作用，但仍存在不夠系統(tǒng)、認(rèn)識的理據(jù)性不強(qiáng)等弱點(diǎn)，尚不能直接作為位置服務(wù)背景下的地圖符號化解決方案。本文從地圖符號的認(rèn)知原理剖析出發(fā)，試圖通過統(tǒng)籌語義和語法的關(guān)聯(lián)關(guān)系，探究一種能在特定情境約束下，根據(jù)地理要素的語義描述自動生成相應(yīng)符號圖形形式的動態(tài)符號化方法，以滿足位置服務(wù)背景下地圖符號化需求。

1 基于認(rèn)知語義的地圖符號結(jié)構(gòu)化描述

本節(jié)從人對地理對象的概念認(rèn)知出發(fā)，對地圖符號語義結(jié)構(gòu)、圖形構(gòu)成以及二者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行剖析，建立地圖符號的結(jié)構(gòu)化描述模型，進(jìn)而指導(dǎo)地圖符號動態(tài)生成的實現(xiàn)。

1.1 地圖符號的認(rèn)知語義原理

認(rèn)知語言學(xué)基于自然語言對人的認(rèn)知機(jī)理進(jìn)行研究，秉承“現(xiàn)實——認(rèn)知——語言”的基本原則[12]，認(rèn)為在現(xiàn)實和語言之間存在“認(rèn)知”這樣一個中介。地圖被作為人類信息交流的語言[12]，將地圖符號與自然語言進(jìn)行類比，可以劃分3個空間：即物理空間、認(rèn)知空間和符號空間，其中符號空間近似于“幾何學(xué)表達(dá)的空間”[14]的認(rèn)識。基于這一劃分，結(jié)合圖1有如下認(rèn)識。

(1) 對地理對象(屬物理空間)的體驗[12]形成了地理概念(屬認(rèn)知空間)。人通過對現(xiàn)實世界的體驗，形成地理對象的感知和認(rèn)知的結(jié)果，構(gòu)成認(rèn)知空間中的地理概念。例如，“水塔”的概念可由“避雷針”、“水柜”、“支架”和“基座”等子概念組成，且各子概念之間存在“在…上”、“由…組成”等概念間關(guān)系，它們共同構(gòu)成了一個概念的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。地理概念是物理空間在人腦中的投影，與客觀的物理世界并非完全一致。

(3) 地圖符號是對地理概念采用地圖語言的外在表達(dá)。認(rèn)知語言學(xué)對概念和語義進(jìn)行如下區(qū)分：概念是認(rèn)知和思維的基本要素，語義是用語言符號表達(dá)的概念，是語言成分中的意義要素[12]。基于這一區(qū)分，地理概念是認(rèn)知空間的要素，符號語義是符號空間的要素；地理概念構(gòu)成地圖符號語義的基礎(chǔ)，語義則形成地理概念的外在表達(dá)。地圖符號的語義均涉及一個或多個地理概念，沒有概念也就沒有語義?；谏鲜龇治觯绊懙貓D符號制作和表達(dá)的關(guān)鍵因素包括：①地圖符號的語義描述，它依賴于認(rèn)知空間中的地理概念；②符號圖形和語義的關(guān)聯(lián)映射機(jī)制。對于本文動態(tài)符號化目標(biāo)而言，符號圖形和語義的關(guān)聯(lián)映射機(jī)制是關(guān)鍵。下文將從關(guān)聯(lián)映射的最小原子(即語素)、關(guān)聯(lián)映射的模型兩個角度展開分析。

1.2 地圖符號的語素

在語言學(xué)研究中，直到最近學(xué)術(shù)界才充分認(rèn)識了作為語法單位的語素，繼而恰當(dāng)?shù)奶幚砹诵螒B(tài)學(xué)的詞的結(jié)構(gòu)[17]，因此語素在詞的形態(tài)學(xué)研究中具有重要意義。地圖語言的語法結(jié)構(gòu)中也存在語素，是地圖符號圖形和語義間的最小關(guān)聯(lián)原子，對地圖符號結(jié)構(gòu)的理解具有重要的作用。歸納起來，地圖符號的語素(或簡稱符素)的認(rèn)識有[18-19]：①語素是符號圖形和語義相結(jié)合的最小單位，也是語法系統(tǒng)中的最小單位，不可以再分解；②區(qū)別于基本幾何圖元或視覺變量，語素的圖形形式對應(yīng)有語義特征，即具有語義成分；區(qū)別于符號，語素是構(gòu)成符號的材料；③依據(jù)是否可以獨(dú)立表達(dá)，語素有自由語素和粘著語素之分：自由語素可以獨(dú)立構(gòu)成符號并用于地圖表達(dá)，此時它已經(jīng)具化為符號；粘著語素不能獨(dú)立構(gòu)成符號。

按照對語素的理解，用Sememe表示語義特征，Graphic表示相應(yīng)的圖形形式，則語素的最簡形式可概括為

Morpheme=〈Sememe,Graphic〉

語義特征方面：①語義特征也稱義原、義素等，是語義的最小原子，是憑經(jīng)驗或?qū)陀^事物本質(zhì)的了解而分析出來的語義成素，是有限的、二元的、原始的、共享的、抽象的和先天的[20];②從符號表達(dá)的角度，語義特征可分為兩類：構(gòu)成元素的語義特征和構(gòu)成關(guān)系的語義特征。構(gòu)成元素的語義特征，例如〈避雷針〉、〈水柜〉等，表征的是符號的語義構(gòu)成成素；構(gòu)成關(guān)系的語義特征，例如〈在…上〉等，表征的是構(gòu)成元素語義特征之間的形態(tài)或語義關(guān)系。

1.3 地圖符號結(jié)構(gòu)化描述模型

語素構(gòu)成了符號圖形和語義相關(guān)聯(lián)的最小原子，使得依據(jù)符號的語義結(jié)構(gòu)，以語素作為單位，按照特定的構(gòu)造規(guī)則，自動地計算出符號的圖形形式成為可能，這也是“語義驅(qū)動的地圖符號設(shè)計”的核心理念[10]。根據(jù)地圖符號的認(rèn)知語義原理，以地圖符號語素為關(guān)聯(lián)紐帶，可構(gòu)建語義、圖形相統(tǒng)一的地圖符號結(jié)構(gòu)化描述模型，如圖2所示。

圖形域和語義域：體現(xiàn)了地圖符號的“兩極性”特征[16]。對于圖形域，可以劃分為“視覺變量→基本幾何圖元→語素圖形→符號圖形→地圖圖形”幾個層次，核心問題是下一層次圖形單元組織為上一層次圖形單元過程中的圖形組織和構(gòu)圖規(guī)律。對于語義域，核心問題是語義特征、符號語義描述以及地圖語義場描述及其語義規(guī)則。已經(jīng)存在側(cè)重于地圖符號構(gòu)圖規(guī)律(例如構(gòu)成變量、構(gòu)圖規(guī)律[22]等)或空間信息語義結(jié)構(gòu)[20,23]二者之一的討論，但本文更強(qiáng)調(diào)將圖形和語義統(tǒng)一納入語法的框架下進(jìn)行討論，即通過語義規(guī)則控制圖形幾何組合運(yùn)算，使具有共性的構(gòu)圖對象和構(gòu)圖算子能夠與具體地理語義相關(guān)聯(lián)，從而彌補(bǔ)單純的圖形構(gòu)圖規(guī)則在地圖信息構(gòu)造上的不足。

圖2 統(tǒng)一圖形和語義的地圖符號結(jié)構(gòu)化描述模型Fig.2 Structural description model of cartographic symbols with unified graphic and semantic aspects

語法層次：體現(xiàn)了地圖符號的構(gòu)造具有語言的“層次性”特征[16]。借鑒自然語言詞的結(jié)構(gòu)[16,20]，將地圖符號的語法層次歸納為圖形變量層、語素層、符號層和地圖層。語義域和圖形域在自下而上的各語法層次中均形成映射，而語素則是形成這一映射的直接紐帶。語法規(guī)則是指不同層次的語法單位在組織為上一層語法單位的過程中的組合或運(yùn)算規(guī)則，是地圖符號構(gòu)建的共性結(jié)構(gòu)。語法規(guī)則不僅控制著符號的幾何運(yùn)算，也約束了符號的語義解釋。語法層次中使用圖形和語義相互映射的方式，使得地圖符號的圖形構(gòu)造可以以語義結(jié)構(gòu)作為依據(jù)，同時也使得以語義關(guān)系為內(nèi)在邏輯的符號系統(tǒng)具備更好的體系性和規(guī)律性。

2 地圖符號動態(tài)生成的上下文無關(guān)文法

本節(jié)以地圖符號的認(rèn)知語義分析和統(tǒng)一結(jié)構(gòu)化描述模型為指導(dǎo)，通過引入上下文無關(guān)文法(Context Free Grammar,CFG)建立地圖符號動態(tài)生成的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而實現(xiàn)“規(guī)則控制語素自動組構(gòu)符號”的目標(biāo)。

2.1 文法數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖2所示的地圖符號結(jié)構(gòu)化描述模型，可將地圖符號視為多級語法層次單位通過各種組合關(guān)系構(gòu)造而成的層次結(jié)構(gòu)。以“土堆三角點(diǎn)”符號為例，圖3給出了該符號的層次描述結(jié)構(gòu)。圖形語素(〈土〉，)在形態(tài)結(jié)構(gòu)語素(〈圍繞〉，)的控制下，構(gòu)成了組成符號的中間形態(tài)(〈土堆〉，)，本文稱之為部件(component)。該部件同語素(〈三角點(diǎn)〉，)一起在形態(tài)結(jié)構(gòu)(〈在…上〉，)的控制下構(gòu)成了符號(〈土堆三角點(diǎn)〉，)。

圖3 地圖符號層次結(jié)構(gòu)的抽象Fig.3The abstract hierarchical structure of a cartographic symbol

可將上述符號的層次描述結(jié)構(gòu)表述為“語素+生成規(guī)則”的最簡形式。語素包括了圖形語素和形態(tài)結(jié)構(gòu)語素。生成規(guī)則是指語素構(gòu)造為部件以及符號等更高級語法成分的組合規(guī)則，例如“部件→語素+形態(tài)結(jié)構(gòu)+語素”等。通過反復(fù)使用(有限的)語素，在(有限的)生成規(guī)則控制下，可構(gòu)成無限的地圖符號表達(dá)形式，具有典型的遞歸特征。

Chomsky抽象了4種文法層次：0型、1型、2型和3型文法，且每一種文法都是前一種文法的特化。其中，2型文法又稱上下文無關(guān)文法，其典型的特征是遞歸?；?型文法，地圖符號的上下文無關(guān)文法模型可以表示為4元組

Gsbl=(VR,VM,S,R)

其中,①VR={r1,r2,…,rn}是符號生成過程中的生成規(guī)則集，n是規(guī)則的數(shù)量，ri(i=1,…,n)是生成規(guī)則；VR中元素不能處于生成過程的終點(diǎn)；②VM={m1,m2,…,mk}是符號生成過程中使用的語素集，k是語素的數(shù)量，mi(i=1,…,k)是指圖形語素或形態(tài)結(jié)構(gòu)語素。VM中元素只能處于生成過程的終點(diǎn)；③S是文法生成的起點(diǎn)，可以取VR集合中不同規(guī)則作為初始規(guī)則；④R是規(guī)則的重寫形式，其一般形式為：A→ω。其中，A∈VR且A≠?，即A必須是VR集合中的某一規(guī)則；ω是規(guī)則的重寫結(jié)果。

以此，圖3用例中的符號抽象描述就可以用數(shù)學(xué)模型表示為

Gsbl=(VR,VM,S,R)

VR={symbol,component,morph_graph,morph_struct}

VM={msid,mtd,mnullg,son,srot}

S=symbol

R:

(1) symbol→component+morph_struct+component

(2) component→morph_graph+morph_struct+morph_graph

(3) component→morph_graph

(4) morph_graph→{msid,mtd,mnull}

(5) morph_struct→{son,srot}

2.2 語素設(shè)計和建模

根據(jù)地圖符號語素的分類，語素的設(shè)計和建模主要分為以下兩個方面。

2.2.1 圖形語素設(shè)計

圖形語素是“語義特征-圖形形式”的最小原子，其設(shè)計旨在合理使用圖形視覺變量，賦予語義特征以相應(yīng)的圖形形式。圖形語素設(shè)計遵循以下原則：①概括性原則：即采用較為規(guī)則和簡潔的圖案表示語義特征；②聯(lián)想性原則：采用象征和聯(lián)想等方式，建立起圖形和語義特征的內(nèi)在聯(lián)系，例如使用采礦鎬表示語素(〈礦井〉，)；③繼承性原則：由于文化習(xí)俗、已有符號規(guī)范等形成的認(rèn)知慣性，圖形語素設(shè)計需要繼承已有視覺變量的使用原則；④對立與統(tǒng)一原則：對于同屬類型的語義特征，使用相同視覺變量的不同值進(jìn)行表達(dá)，且需體現(xiàn)顯著的區(qū)分特點(diǎn)；⑤領(lǐng)域相關(guān)原則：面向不同的行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的需求，同一語義特征可以采用多種圖形形式表達(dá)。

表1 基于系列比例尺地圖符號進(jìn)行解構(gòu)抽取得到的語素(部分)

2.2.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)語素建模

形態(tài)結(jié)構(gòu)語素是“語義特征-形態(tài)結(jié)構(gòu)”的最小原子，可通過圖形語素間的形態(tài)結(jié)構(gòu)表達(dá)特定的語義特征，在模型坐標(biāo)系下通過特定的參數(shù)設(shè)置，在符號生成過程中控制語素、部件拼接和構(gòu)造符號。例如，圖3用例中，語素(〈在…上〉，)采用了中心邊緣結(jié)構(gòu)，表示位于中心的對象在位于邊緣對象之上，其參數(shù)化描述可以表示為S_ON：(p=(0,0),r=0.5,num=1)；語素(〈圍繞〉，)采用了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來表示土堆，其參數(shù)化描述為S_ROT：(p=(0,0),r=0.3,num=3)。

總結(jié)了地圖符號形態(tài)結(jié)構(gòu)基本類型(見表2)，并描述了各結(jié)構(gòu)及其能表征語義類型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。符號的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)分為獨(dú)立、旋轉(zhuǎn)重復(fù)、中心邊緣重復(fù)、向量平行重復(fù)、對稱重復(fù)、規(guī)則或線性重復(fù)、隨機(jī)重復(fù)7大類。歸納了每一類形態(tài)結(jié)構(gòu)和參數(shù)表、能夠表征的語義、實例類型，涵蓋了點(diǎn)、線、面狀符號中常見的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

表2 基于系列比例尺地圖符號進(jìn)行解構(gòu)抽取得到的形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.3 生成規(guī)則

其中,規(guī)則①②表明符號的生成是一種典型的遞歸形式，是實現(xiàn)“有限語素生成無限地圖符號”的關(guān)鍵。規(guī)則③④表明不同的約束條件(例如應(yīng)用領(lǐng)域和情境)會使得同一語義特征匹配得到不同的圖形或形態(tài)結(jié)構(gòu)。上述規(guī)則使得符號的生成具備適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域和情境變化的能力。

根據(jù)文法模型Gsbl和上述規(guī)則，本文構(gòu)建了地圖符號的生成規(guī)則的巴科斯范式(Backus-Naur Form,BNF)描述表(表3)。采用BNF描述生成規(guī)則，是因為其描述形式簡潔清楚、易于閱讀、容易理解，常作為計算機(jī)語言語法描述的元語言。

表3 地圖符號生成規(guī)則的BNF描述

2.4 文法編譯器

文法編譯器是介于地圖符號語義描述和底層符號圖形算法和繪制系統(tǒng)之間的一個計算裝置，負(fù)責(zé)利用生成規(guī)則控制語素完成符號圖形組織結(jié)構(gòu)的計算。文法編譯器向上能接入符號語義描述信息，向下可調(diào)用底層模塊的接口函數(shù)實現(xiàn)符號的圖形繪制。文法編譯器的設(shè)計如圖4所示，計算流程包括：①輸入形式化描述的地圖符號語義；②進(jìn)行詞法分析(lexical analysis)，獲得語素標(biāo)識符；③進(jìn)行語法分析(syntax analysis)，依據(jù)生成規(guī)則重建抽象語法樹(Abstract Syntax Tree,AST)[25]；④遍歷抽象語法樹，組織符號圖形并執(zhí)行繪制。其中，詞法分析、語法分析和抽象語法樹是編譯技術(shù)[25]中的關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 文法編譯器的架構(gòu)設(shè)計Fig.4 The design of the compiler

從實現(xiàn)角度，采用了較為成熟的Flex和Bison作為詞法分析和語法分析的工具。按照Flex和Bison的規(guī)則編寫規(guī)范，分別按照語素(圖形語素、形態(tài)結(jié)構(gòu)語素)、生成規(guī)則提供的標(biāo)識符和規(guī)則，編寫sbl-morpheme.l的詞法規(guī)則文件和sbl-rule.y的語法規(guī)則文件(注：“.l”為Flex規(guī)則文件類型，“.y”為Bison規(guī)則文件類型)；使用Flex和Bison進(jìn)行編譯，可以得到其對應(yīng)的詞法分析和語法分析程序。

3 試驗與分析

基于地圖符號上下文無關(guān)文法編譯器，以個性化導(dǎo)航路徑符號為例，進(jìn)行地圖符號動態(tài)生成試驗，以驗證地圖符號動態(tài)生成模型的可行性。

3.1 符號生成試驗

3.1.1 符號語義的形式化描述

導(dǎo)航路徑符號可抽象為起點(diǎn)(S)、終點(diǎn)(E)、當(dāng)前用戶位置點(diǎn)(C)和導(dǎo)航路徑(R)4個部分。其中，起點(diǎn)、終點(diǎn)分別位于導(dǎo)航路徑線的兩端，表示為空間關(guān)系(meet)；當(dāng)前點(diǎn)位于導(dǎo)航路徑線上，表示為空間關(guān)系(on)。采用語義三元組(triplets)的方式可以表示為：〈S,meet,R〉；〈E,meet,R〉；〈C,on,R〉。顧及符號內(nèi)部語義的層次關(guān)系，起點(diǎn)、終點(diǎn)和導(dǎo)航路徑之間有前組合關(guān)系〈E,meet,〈S,meet,R〉〉或后組合關(guān)系〈S,meet,〈E,meet,R〉〉，再與當(dāng)前用戶位置點(diǎn)組合，有如下語義描述式：〈C,on,〈E,meet,〈S,meet,R〉〉〉和〈C,on,〈S,meet,〈E,meet,R〉〉〉。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)表3規(guī)則，進(jìn)一步將符號語義關(guān)系描述為獨(dú)立形式語句

SYMBOL (Con (Emeet (SmeetR)))

SYMBOL (Con (Smeet (EmeetR)))

3.1.2 符號生成推導(dǎo)過程

在語義描述的形式語句的基礎(chǔ)上，進(jìn)行詞法分析和句法分析計算，核心是基于自頂向下或自底向上的分析方法[26]推導(dǎo)生成抽象語法樹，并將其作為符號的邏輯組織結(jié)構(gòu)的依據(jù)，調(diào)用圖形語素和形態(tài)結(jié)構(gòu)語素構(gòu)造生成符號圖形。符號生成推導(dǎo)過程的核心計算包括兩個部分：一是抽象語法樹的推導(dǎo)計算，二是圖形語素和形態(tài)結(jié)構(gòu)語素的語義特征→圖形的映射。

在抽象語法樹推導(dǎo)方面，試驗部分采用了自底向上的計算算法，也稱移近-規(guī)約[26]算法。計算過程首先從輸入的形式語句首部開始，依次取詞向前移近(shift)，并根據(jù)表3定義的規(guī)則逐級向上規(guī)約(reduce)，直到構(gòu)造出輸入語義描述的完整抽象語法樹為止。圖5是完整的推導(dǎo)過程的輸出，可見推導(dǎo)過程實質(zhì)就是依據(jù)生成規(guī)則的移位、規(guī)約和回溯計算，最終構(gòu)造圖6所示的抽象語法樹。

在語義特征-圖形映射方面：對于圖形語素而言，設(shè)計了3種情境的語義特征和圖形形式的映射方案，如表4所示，3種方案反映了同一語義特征的不同情境下的圖形表達(dá)形式。對于形態(tài)結(jié)構(gòu)的語素而言，主要考察二維地圖表達(dá)的需求，設(shè)計“meet”和“to”兩個空間關(guān)系的表達(dá)形式，如表5所示?；趫D6的抽象語法樹邏輯結(jié)構(gòu)，將圖形語素的圖形放置在相應(yīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)語素的結(jié)構(gòu)位置上，可以按照圖7所示組裝符號最終圖形。

表4 面向不同情境的圖形語素設(shè)計

Tab.4 The design of graphical morpheme for different contexts

圖形語素Context1Context2Context3起點(diǎn)(S)終點(diǎn)(E)當(dāng)前點(diǎn)(C)路徑(R)

圖5 用例符號的推導(dǎo)過程(GM：圖形語素；SM：結(jié)構(gòu)語素；COM：部件；SD：符號描述；S：符號)Fig.5 The derivation process of case symbol (GM：graphic morpheme；SM：structural morpheme；COM：component；SD：sbl_desc；S：symbol)

圖6 用例符號生成的推導(dǎo)樹Fig.6 The derivation tree of case symbol

圖7 基于推導(dǎo)樹的符號圖形組織結(jié)構(gòu)Fig.7 The graphical structure of symbol according to derivation tree

形態(tài)結(jié)構(gòu)語素PtoPPtoLLtoPAmeetBAonB

3.1.3 生成結(jié)果

基于符號的推導(dǎo)和計算，按照語義是否正確、情境是否一致進(jìn)行控制，得到了表6所示的3類符號生成結(jié)果。第1類：給定正確的語義輸入，并嚴(yán)格按照表4所設(shè)計的情境進(jìn)行符號生成；第2類：給定正確的語義輸入，置亂圖形語素和情境的對應(yīng)關(guān)系后生成相應(yīng)的符號，此類符號具有語義上的正確性，但是表達(dá)效果與預(yù)期設(shè)計不一致；第3類：給定在輸入語義上將起點(diǎn)(S)、終點(diǎn)(E)和當(dāng)前用戶位置點(diǎn)(C)置亂，使得輸入的語義存在錯誤，同時也置亂圖形語素和情境的對應(yīng)關(guān)系，此類符號不僅在語義上存在錯誤，而且表達(dá)的結(jié)果也無法認(rèn)知或認(rèn)知錯誤。

3.2 試驗結(jié)論

根據(jù)試驗，可以得出以下結(jié)論：

(1) 基于有限的語素和生成規(guī)則，能夠生成(理論上是)無限可能形式的符號。一方面，規(guī)則的迭代設(shè)計使得符號圖形可以嵌套和重用，這是符號生成能力的根源；另一方面，只要符合規(guī)則，文法編譯器均可執(zhí)行圖形構(gòu)造計算：例如在表6中，通過對情境置亂和語義置亂，生成了除“語義正確、情境一致”的符號之外的更多符號，雖然這些符號不可實際用，但這些符號的生成過程和結(jié)果均滿足規(guī)則。

(2) 符號的語義描述影響所生成符號的圖形形式。區(qū)分為語義復(fù)雜度和語義正確性兩個方面：語義復(fù)雜度方面，語義信息越復(fù)雜和越豐富，符號的圖形形式越復(fù)雜，反之亦然，這也表明符號語義和圖形的結(jié)構(gòu)一致性；語義正確性方面，錯誤的語義描述會生成形式正確、但難以認(rèn)知(甚至是誤導(dǎo)認(rèn)知)的符號，例如表6中“語義置亂”后的符號，已經(jīng)喪失正確的路徑導(dǎo)航能力。因此，語義對符號的按需表達(dá)應(yīng)用產(chǎn)生重要約束，是語法的基礎(chǔ)上尚需進(jìn)一步探討的問題。

(3) 能夠兼顧情境、行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ψ柕挠绊?。本文方法在語素層面將情境、行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的個性化特征進(jìn)行固化，例如圖形語素設(shè)計顧及了行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用習(xí)慣和約定(表4示例)，形態(tài)結(jié)構(gòu)語素也能固化表達(dá)環(huán)境特征，例如面向3D環(huán)境時表5的空間關(guān)系表達(dá)需要進(jìn)行擴(kuò)展。根據(jù)不同情境、行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行語素設(shè)計，并在應(yīng)用時進(jìn)行匹配、調(diào)用和重用，使得符號生成結(jié)果能夠一定程度上滿足按需的能力。這也表明，在語素層面進(jìn)行個性化特征的固化，要比在符號層面的固化更加具有優(yōu)勢。

(4) 符號化方法具備更好的按需和實時動態(tài)表達(dá)潛力。以語素為紐帶，語義結(jié)構(gòu)驅(qū)動符號圖形組合的符號化模式，使得符號的按需表達(dá)可以劃分為兩個階段，即語義分析、推理階段和符號組構(gòu)階段，它們以形式化的語義描述為接口。按照這一模式，在符號組構(gòu)的文法編譯器基礎(chǔ)上，符號按需和動態(tài)表達(dá)的問題就可更加集中于符號語義的分析、推理和計算方面。因此，該方法為進(jìn)一步拓展符號表達(dá)的個性化和智能化程度奠定基礎(chǔ)。

表6 用例符號的生成結(jié)果

4 總 結(jié)

位置服務(wù)背景下的地圖制圖，強(qiáng)調(diào)地圖符號的動態(tài)生成和表達(dá)。本文針對這一問題，以地圖符號的認(rèn)知語義分析為切入點(diǎn)，建立了一種以語義結(jié)構(gòu)為內(nèi)在邏輯、以語素為語義和圖形關(guān)聯(lián)原子、規(guī)則控制語素構(gòu)造符號的地圖符號動態(tài)生成模式，隸屬于符號的形態(tài)學(xué)研究范疇。

本文地圖符號生成模型，之所以能夠適應(yīng)位置服務(wù)背景下地圖符號化的自適應(yīng)和動態(tài)表達(dá)的需求，原因在于通過語素建立起符號語義和圖形的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并將符號的圖形構(gòu)建付諸于符號的語義結(jié)構(gòu)描述，是一種“語義→圖形”的自動轉(zhuǎn)換機(jī)制。對于計算機(jī)而言，這一轉(zhuǎn)換將復(fù)雜的符號圖形計算轉(zhuǎn)換為語義向量的計算，相較而言，后者更容易形式化和規(guī)則化，有利于計算機(jī)實現(xiàn)。對于人的符號認(rèn)知而言，語素維持了符號的語法結(jié)構(gòu)與語義結(jié)構(gòu)之間的一致性，有利于提高地圖符號的認(rèn)知效率。

在可用性方面，該方法不僅能夠應(yīng)用于位置服務(wù)背景下地圖符號化方面，還可能在以下領(lǐng)域發(fā)揮作用：①在語素層面(而不是符號層面)對領(lǐng)域的差異性進(jìn)行固化和重用，可為多行業(yè)和多領(lǐng)域的符號設(shè)計提供有益的思路；②以語義為符號的內(nèi)在邏輯，通過語義的對立與統(tǒng)一分析建立起良好的符號語義系統(tǒng)，能夠強(qiáng)化符號體系的系統(tǒng)性，為現(xiàn)行軍隊標(biāo)號臃腫但仍不夠使用的問題提供解決方案；③從地圖語言的角度，本文的研究可認(rèn)為是對地圖語言詞匯的形態(tài)學(xué)探討，對于地圖教學(xué)中的符號本質(zhì)和結(jié)構(gòu)理解、地圖符號閱讀和記憶等具有潛在價值。

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(責(zé)任編輯：宋啟凡)

Cognitive Semantic Analysis and Dynamic Generation of Cartographic Symbols

TIAN Jiangpeng,YOU Xiong,JIA Fenli,XIA Qing

Institute of Surveying and Mapping, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China

Location-based services (LBS) requires generating real-time personalized and dynamic cartographic symbols. In order to tackle this problem, this paper proposes a structural description model and a dynamic generation method of cartographic symbols based on cognitive analysis. Following the cognitive semantics principle of ‘reality-cognition-symbol’, the description model elaborates the mapping mechanism between symbol graphics and symbol semantics, which uses symbol morphemes as atomic units and semantic structure as description framework. The generation method is composed of a context-free grammar model which uses rules to generate cartographic symbols on the basis of morphemes. Through the modelling of graphic morphemes, structural morphemes and rule-based generation system, a grammar compiler for dynamic generation of cartographic symbols is redesigned. Lastly, experiments of dynamic generation of cartographic symbols in different contexts and semantics are performed to verify the feasibility of the proposed method. Therefore, this study leads to a further understanding of cognition and structure principles of cartographic symbols, and also pushes forward dynamic generation of cartographic symbols for related industries and applications.

cartographic symbols; cognitive semantics; morpheme; context free grammar; dynamic

The National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0503500); The National Natural Science Foundation of China (Nos.41371382； 41671407)

TIAN Jiangpeng(1987—), male, PhD, lecturer, majors in cartography and geographic information engineering．

JIA Fenli

田江鵬,游雄,賈奮勵,等.地圖符號的認(rèn)知語義分析與動態(tài)生成[J].測繪學(xué)報，2017,46(7)：928-938.

10.11947/j.AGCS.2017.20160504. TIAN Jiangpeng,YOU Xiong,JIA Fenli,et al.Cognitive Semantic Analysis and Dynamic Generation of Cartographic Symbols[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(7):928-938. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160504.

P208

A

1001-1595(2017)07-0928-11

國家重點(diǎn)研發(fā)科技專項(2017YFB0503500)；國家自然科學(xué)基金(41371382;41671407)

2016-10-14

田江鵬(1987—)，男，博士，講師，研究方向為地圖制圖學(xué)與地理信息工程。

E-mail： tjpeng2011@163.com

賈奮勵

E-mail： imjerry76@foxmail.com

generation

修回日期： 2017-06-26