付樂宜,趙小陽,3,吳凱華,孫 穎

(1. 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510060; 2. 廣州市資源規(guī)劃和海洋科技協(xié)同創(chuàng)新中心,廣東 廣州 510060; 3. 廣東省城市感知與監(jiān)測預(yù)警企業(yè)重點實驗室,廣東 廣州 510060;4. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州 510275)

2021年6月,國務(wù)院正式出臺科學(xué)綠化指導(dǎo)方案,隨后廣東、浙江等多個省份也相繼出臺科學(xué)綠化實施意見,強調(diào)在新時代下應(yīng)使用科學(xué)的方式提高城市綠化水平,推動國土綠化高質(zhì)量發(fā)展。新技術(shù)背景下,地圖學(xué)衍生的“地理場景”新概念可應(yīng)用于科學(xué)綠化要素的可視化表達。作為地圖的表達對象,地理場景是地理空間中地理現(xiàn)象、事件與過程的集成,具有高度的整體性[1]。構(gòu)建科學(xué)綠化場景,設(shè)計綠化專題符號,可突出科學(xué)綠化在城市建設(shè)過程中的重要特性,也是推動綠色高質(zhì)量發(fā)展的重要表現(xiàn)。

以往測繪地理信息領(lǐng)域中的科學(xué)綠化研究常以現(xiàn)狀分析、指標評價、平臺開發(fā)等為主。文獻[2—3]針對各研究區(qū)特征,應(yīng)用遙感等技術(shù)手段,對其綠化現(xiàn)狀進行分析,從而為后續(xù)政策制定行動方案。文獻[4]基于衛(wèi)星遙感影像,選取合適景觀格局指數(shù),對城市綠地景觀格局變化研究。文獻[5]結(jié)合RS和GIS技術(shù),建立了基于數(shù)理統(tǒng)計知識的三維綠量反演模型,并以某市為例估算城區(qū)范圍內(nèi)的三維綠量總量并進行分析。文獻[6]對現(xiàn)行的城市園林綠化指標進行系統(tǒng)研究,提出需盡快統(tǒng)一綠地指標口徑。信息化平臺研發(fā)上,文獻[7]提出了一套面向資源管理與規(guī)劃設(shè)計的一體化管理體系。文獻[8]構(gòu)建了以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)的城市園林綠化智慧化管理體系平臺。文獻[9]對行道樹和險樹危樹進行專題符號化,使其在管理系統(tǒng)中可依據(jù)不同屬性完成定制化配置與呈現(xiàn)。

在上述已有研究中,均涉及對科學(xué)綠化關(guān)鍵信息的可視化表達,大多使用二維靜態(tài)符號或統(tǒng)計圖表等常規(guī)形式進行示意,缺少綠化符號設(shè)計方法的系統(tǒng)研究。同時,使用的常規(guī)靜態(tài)符號只能傳達某一時刻信息,難以傳遞過程變化并突出重點。單一尺度表達的信息也受限于當(dāng)前比例尺,當(dāng)交互帶來空間變化時,其信息不具備適應(yīng)性,在視覺上會帶來突兀或失焦感。

針對當(dāng)前科學(xué)綠化地理場景缺少系統(tǒng)動態(tài)符號設(shè)計與尺度單一的問題,本文首先提出一種面向地理場景表達的動態(tài)地圖符號設(shè)計方法;然后依據(jù)科學(xué)綠化關(guān)注要素,對綠化空間要素與綠化指標進行符號設(shè)計;最后以省級、區(qū)域級、地塊級3個尺度下的實際場景為例,依次進行場景分析、背景構(gòu)建、符號設(shè)計與場景配置,從而突出不同尺度下的科學(xué)綠化關(guān)鍵要素,以實現(xiàn)全方位、多尺度場景的科學(xué)綠化專題動態(tài)表達。

1 地理場景下的動態(tài)地圖符號設(shè)計

1.1 地理場景與動態(tài)地圖

作為地理信息的載體,地理場景在地理知識表達過程中具有很強的整體效應(yīng)。地理場景包含面向特定功能、相互關(guān)聯(lián)的地理要素,以及要素之間構(gòu)成的空間子集和時空關(guān)系。借助地理場景,制圖者可用于描述地理環(huán)境、地理事件與地理現(xiàn)象的表現(xiàn)狀態(tài)、演化過程、相互關(guān)系與時空格局,從而揭示地理過程中隱藏的動態(tài)特征與時空規(guī)律。

地理場景及構(gòu)成要素是動態(tài)地圖的表達內(nèi)容,動態(tài)地圖是地理場景的表達載體。智能化時代動態(tài)地圖的“動態(tài)”體現(xiàn)在地圖符號與交互控制,如圖1所示。使用動態(tài)符號表達內(nèi)容,既可表達動態(tài)現(xiàn)象,又可使用動態(tài)的視覺能力進行突出強調(diào)。

圖1 動態(tài)的內(nèi)涵

1.2 動態(tài)地圖符號設(shè)計參量體系

基于前文對地理場景與動態(tài)地圖的分析,以靜態(tài)視覺參量[10]、動態(tài)視覺參量[11]、感官認知[12]、交互控制[13]為基礎(chǔ),構(gòu)成一套適宜于動態(tài)地圖符號設(shè)計的參量體系:①基礎(chǔ)建模參量,包括圖形、位置、組合,基于此可基本確定符號的外形結(jié)構(gòu),即白模;②藝術(shù)設(shè)計參量,包括顏色、光效、材質(zhì),基于此可表達地理對象的內(nèi)在屬性;③動態(tài)表達參量,包括時刻、持續(xù)時間、變化速率、顯示次序,對各參量進行組合,可傳遞不同功能的動態(tài)效果;④其他感知參量,包括聽覺參量與觸覺參量;⑤交互控制參量,包括符號控制與用戶角色,可提供動態(tài)地圖中的交互特征。如圖2所示。

圖2 動態(tài)地圖符號設(shè)計參量體系

1.3 動態(tài)地圖符號設(shè)計方法

地理場景下的動態(tài)地圖符號設(shè)計需全局考慮表達場景的主題與動靜態(tài)要素傳達的有效信息。以分而治之思想為理念,提出具備場景分析、背景構(gòu)建、符號設(shè)計、場景配置4大結(jié)構(gòu)的動態(tài)地圖符號設(shè)計方法。

1.3.1 場景分析

構(gòu)建動態(tài)符號,需明確表達對象的地理概念、背景要素與動態(tài)要素的動態(tài)時間功能,從而初步確定符號形式、組成要素、動態(tài)參量、交互控制及場景配置。

1.3.2 背景構(gòu)建

動態(tài)地圖由地理背景與專題動態(tài)信息疊加組成,地理背景為動態(tài)變化要素的發(fā)生環(huán)境,包括基礎(chǔ)地形及其他靜態(tài)地理要素?；A(chǔ)地形依據(jù)場景尺度、呈現(xiàn)主題表達程度確定,表達上可分為高仿真、局部仿真、紋理貼圖3種形式。其他靜態(tài)地理要素依據(jù)具體專題場景需要,選擇對應(yīng)的專題要素進行表達。

圖3 空間要素符號設(shè)計

1.3.3 符號設(shè)計

了解概念并確定組成要素后,對組成要素進行各視覺參量賦值。

1.3.3.1 模型外觀設(shè)計

基于地圖符號設(shè)計美學(xué)原理[14],對表達要素進行基礎(chǔ)模型設(shè)計,依據(jù)場景需求確定符號維度,使用建模軟件完成初步形態(tài)設(shè)計;根據(jù)語義特征與類型層次,使用貼圖材質(zhì)或顏色等進行屬性信息賦予。

1.3.3.2 動態(tài)功能設(shè)計

不同的動態(tài)功能對應(yīng)于不同的參量設(shè)計:

(1)時刻強調(diào)。表達某一時刻上的屬性強調(diào),如突出當(dāng)前位置坐標或存在狀態(tài),主要使用圖形、顏色、光效等視覺參量,既可準確傳達位置信息,又在視覺上吸引用戶的注意,達到動態(tài)強調(diào)的效果。表達當(dāng)前時刻的變化趨勢,常添加輔助要素,如指示箭頭、輔助線等。

(2)時間段變化。對隨時間變化的過程進行表達,很大程度上依賴于表達對象,動態(tài)變化主要體現(xiàn)在位置、形態(tài)、語義上。其中,位置變化是指表達要素隨時間在空間中所處的狀態(tài)發(fā)生變化,通常記錄關(guān)鍵點坐標位置、設(shè)置動畫時長與速度以路徑動畫和生長軌跡方式展現(xiàn);形態(tài)變化由尺寸、形狀與動態(tài)參量結(jié)合;語義信息基于人的認知,是地理對象除空間位置、形態(tài)外的所有屬性內(nèi)容,此類特征主要通過符號外貌傳遞,設(shè)計材質(zhì)、顏色等藝術(shù)設(shè)計參量傳遞變化信息。

確定動態(tài)功能后,對各組件進行動態(tài)設(shè)置,常與動態(tài)參量進行組合表達,動態(tài)功能與視覺參量的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 動態(tài)功能與參量的對應(yīng)關(guān)系

1.3.3.3 交互控制設(shè)計

交互是動態(tài)地圖的第二特征[15]。設(shè)計時,使用多形式的交互方法,可讓讀圖者依據(jù)需求與地圖內(nèi)容進行不同視角、要素、主題、尺度、時間段的交流,完成多版本的補充與比較,從而發(fā)現(xiàn)新的空間知識。從實際的應(yīng)用角度,可從空間、時間、語義3個維度對交互方式進行設(shè)計。①空間交互核心是地圖展示內(nèi)容的整體變換。常通過鼠標按鍵拖拽、滑輪滾動,實現(xiàn)地圖內(nèi)容的平移放縮、觀察視角的全方位旋轉(zhuǎn)。②時間交互在形態(tài)上體現(xiàn)為時間軸與時間比例尺,進行時刻定位與變化速度設(shè)計。③語義交互涉及地圖表達內(nèi)容,可分為初、中、高3個級別,對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 不同級別的語義交互與對應(yīng)的操作類型

1.3.4 場景配置

場景配置分為單個符號配置與整體效應(yīng)設(shè)計。地理場景中的動態(tài)要素從依賴地形程度可分為全依賴、半依賴、不依賴。地質(zhì)、地貌具有明顯依賴空間實體的特征,在表達現(xiàn)象或事件時需要依附于真實地形進行角度調(diào)整配置。在地形起伏不突出或地形要素被弱化的場景中,單個地圖符號只需進行簡單空間位置坐標的調(diào)整,為半依賴。不依賴地下的動態(tài)要素,如天氣符號,其空間位置配置相對模糊,空間示意即可。完成單個符號的配置后,還需綜合考慮整個場景環(huán)境的空間關(guān)系與分布格局等,從而反映當(dāng)前主題。

2 科學(xué)綠化場景的綠化要素動態(tài)符號設(shè)計

科學(xué)綠化涵蓋多項自然地理空間要素,除了森林、綠地、公園、樹木等具有實體空間形態(tài)的現(xiàn)狀要素,還包括公園節(jié)點、生態(tài)保護紅線、休閑廊道、規(guī)劃綠地范圍等具備空間但無實體的規(guī)劃體系。除了空間要素本體外,其附帶的定量屬性指標也常被納入評價范疇,如服務(wù)半徑、綠地率、三維綠量等。依據(jù)符號設(shè)計,分別對綠化要素模型外觀與動態(tài)功能完成設(shè)計。

2.1 模型外觀設(shè)計

依據(jù)綠化要素是否具有實體空間形態(tài),將其分為科學(xué)綠化空間要素與綠化指標兩大類。

2.1.1 空間要素符號設(shè)計

對具有明確空間邊界的要素,依據(jù)其實際形態(tài)特征完成基礎(chǔ)符號表達,靜態(tài)呈現(xiàn)需合理運用顏色、紋理、圖形尺寸等視覺參量進行形態(tài)、類型、級別的組合設(shè)計。

如圖3所示,科學(xué)綠化空間要素依據(jù)本體特征與呈現(xiàn)維度可分為點、線、面、體4種:點符號具有高度抽象性,符號設(shè)計時需提煉核心特征;線要素重點集中在邊界,可通過設(shè)置色相、實虛線等傳遞綠化語義;面要素在線要素基礎(chǔ)上強調(diào)范圍內(nèi)的性質(zhì),常以填充的紋理或色彩表達質(zhì)量與數(shù)量上的特征;體要素更強調(diào)其在空間范圍的實體表達,在場景空間交互支持下可實現(xiàn)720°全視角觀察。

2.1.2 指標符號設(shè)計

綠化指標在真實地理場景中具有空間定位但無實體形式,常見指標如公園可達性、人均綠地面積、森林經(jīng)濟效益等,常使用統(tǒng)計圖表體現(xiàn)絕對數(shù)值與相對差異。圖4展示了北京地區(qū)2011—2020年的建成區(qū)綠地率與人均公園綠地面積情況。在地理場景中,綠化指標符號不受空間實體制約,可靈活組合設(shè)計參量體系實現(xiàn)專題表達。

圖4 傳統(tǒng)指標符號設(shè)計

2.2 動態(tài)功能設(shè)計

各類綠化要素在空間形態(tài)與屬性狀態(tài)上各有特點,依據(jù)是否具有真實時間變化進行動態(tài)設(shè)計。

2.2.1 隨時間的動態(tài)演練

時間層面的動態(tài)體現(xiàn)在空間位置、外觀形態(tài)與屬性的變化,常與時刻、變化速率、顯示次序組合實現(xiàn)。前兩者與簡單屬性變化可通過基礎(chǔ)建模參量與顏色、紋理等靜態(tài)視覺參量切換完成動態(tài)表達。當(dāng)存在多項同時變化時,可使用多模型切換的方式予以表達:提前準備多個要素模型,在關(guān)鍵時刻切換不同的模型,通過控制模型的位置、運動速度與出現(xiàn)、消失的時間節(jié)點,從而達到動態(tài)演化的過程模擬。以樹木符號為例,圖5展示了樹木從正常的小樹生長為衰弱的大樹,涉及外觀形態(tài)與屬性的雙重變化,實際表達時結(jié)合動態(tài)視覺參量對預(yù)設(shè)計的模型進行切換可傳遞生長過程。

圖5 隨時間變化的樹木動態(tài)符號

2.2.2 不具有時間特征的動態(tài)效果傳遞

科學(xué)綠化場景下,非時間的動態(tài)符號表達常用于強調(diào)狀態(tài)屬性或表達當(dāng)前時刻變化趨勢。對目標符號或輔助要素進行位置、尺寸、方向的移動、放縮、旋轉(zhuǎn)等操作,使整個場景的視覺感受發(fā)生變化,以突出當(dāng)前區(qū)域的重要內(nèi)容。如圖6所示,在公園本體符號下疊有不同尺寸的光環(huán),通過切換不同顯示次序?qū)?yīng)符號實現(xiàn)動態(tài)效果,從而吸引讀圖者視線,突出場景重點。

圖6 用于突出強調(diào)的公園動態(tài)符號

聽覺、觸覺參量與交互控制設(shè)計依賴于場景呈現(xiàn)載體,實際場景中可按需表達。

3 科學(xué)綠化場景的多尺度表達案例

科學(xué)綠化場景依據(jù)展示比例尺選擇不同專題要素進行表達。本文分別從省級大尺度、區(qū)域級中尺度、地塊級小尺度3個維度呈現(xiàn)不同比例尺下的科學(xué)綠化場景,并依據(jù)動態(tài)符號設(shè)計完成專題動態(tài)表達。

3.1 場景分析與背景構(gòu)建

省級大尺度關(guān)注全國科學(xué)綠化情況,展現(xiàn)宏觀綠化面貌,如城市綠地率、城市綠化覆蓋率、人均綠地面積、人均公共綠地面積等指標,以呈現(xiàn)城市綠化總量與綠地水平,同時還可進行多城市的橫向比對,反映地域差異。區(qū)域級中尺度反映城市級綠化,包括現(xiàn)狀綠地、規(guī)劃綠地、公園分布、森林等綠化現(xiàn)狀與擬變化趨勢。地塊級小尺度聚焦到具體的建設(shè)項目,重點展示地塊紅線內(nèi)的古樹名木、生長狀況、樹木分布與連片成林等現(xiàn)狀。

3.2 多尺度場景下動態(tài)符號設(shè)計

在不同尺度下對科學(xué)綠化的重點進行動態(tài)設(shè)計。

3.2.1 省級大尺度

為展現(xiàn)全國范圍內(nèi)各省市綠化狀況,從國家統(tǒng)計局官方網(wǎng)站收集整理近20年中國市級行政區(qū)(不含港澳臺地區(qū))的重點綠化指標,包括建成區(qū)綠地率、建成區(qū)綠化覆蓋率、人均公園綠地面積等。統(tǒng)計數(shù)據(jù)不具有真實空間形態(tài),本次符號設(shè)計將其指標值以行政面域三維高度進行展現(xiàn)(如圖7所示)。將統(tǒng)計數(shù)據(jù)與市級矢量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),以城市綠地率為例,設(shè)置紅-黃-綠的漸變色帶,RGB中綠值越高,反映其城市綠化水平越高。

圖7 綠化指標圖例

統(tǒng)計指標具有時間周期性,在不同統(tǒng)計節(jié)點設(shè)置數(shù)值對應(yīng)的立體符號高度與色系,可實現(xiàn)視覺信息動態(tài)傳遞。

3.2.2 區(qū)域級中尺度

區(qū)域級場景從宏微雙視角進行感知,既可把控整體綠化分布現(xiàn)狀,又可聚焦實體綠化要素。以某行政區(qū)為例,擬通過現(xiàn)狀綠地與規(guī)劃綠地比對,分析現(xiàn)有規(guī)劃適宜程度,并對該尺度下的重點公服設(shè)施進行突出強調(diào),展示其公園、廣場等服務(wù)水平。

基于遙感影像提取范圍內(nèi)現(xiàn)狀綠地與現(xiàn)狀規(guī)劃用地內(nèi)的綠地、農(nóng)林等,提取滿足規(guī)劃的現(xiàn)狀綠地,構(gòu)建交互疊加操作中的動態(tài)呈現(xiàn)效果;提取公服類POI信息,依據(jù)其星級、輻射范圍、可達性、經(jīng)濟效益等特征進行動態(tài)變化。

3.2.3 地塊級小尺度

以廣東某真實建設(shè)地塊為例,依據(jù)政策要求,該尺度下的科學(xué)綠化聚焦于“樹木保護”,重點關(guān)注規(guī)劃綠地、連片成林、古樹名木、古樹后續(xù)資源(指樹齡在80年以上不足100年的樹木或者胸徑80 cm以上的樹木)等,在場景表達時需重點關(guān)注空間位置與屬性信息,如強調(diào)其連片成林范圍、古樹名木位置、樹木生長狀況、保護措施情況等。符號設(shè)計時遵循重點要素準確與次要內(nèi)容概略的表達原則。

樹木具有時間段的變化特性,如類型由大樹生長為古樹后續(xù)資源(如圖8(a)所示)、長勢由正常變?yōu)樗ト?如圖8(b)所示),其動態(tài)信息通過預(yù)設(shè)符號與時刻點進行模型切換。古樹名木為當(dāng)前場景關(guān)注重點,采用基礎(chǔ)圖元與專題圖元組合設(shè)計,專題圖元通過空間位置與尺寸變化傳遞動感,從而突出對象地理位置。

圖8 樹木符號

此外,還可通過組合疊加箭頭符號形式傳遞信息。該地塊存在連片成林特征,如圖9所示,設(shè)計多色相、等距尺寸的輪廓符號,通過多顯示次序切換完成動態(tài)符號設(shè)計,構(gòu)建水波紋式外擴的漣漪效果。

圖9 連片成林范圍

3.3 交互控制

本文設(shè)計的場景支持地圖三維空間、語義與時間交互。當(dāng)空間比例尺變換時場景自適應(yīng)切換,完成當(dāng)前尺度下的重點要素強調(diào)與次要符號綜合。同時提供交互參量控制面板,如圖10所示,可依據(jù)讀圖者興趣選擇不同的關(guān)注指標與關(guān)注時間節(jié)點,從而突出場景重點,實現(xiàn)智能交互。

圖10 交互參量控制

3.4 場景配置與展示

基于上述分析,本次多尺度場景均為半依賴地形。依據(jù)設(shè)計方案完成多尺度場景構(gòu)建,圖11展示了2005—2020年全國各市建成區(qū)綠地率,可以觀察出沿海地區(qū)整體綠化水平較高,且全國指標呈逐年遞增趨勢,整體局勢向好。圖12面向區(qū)級展示連片綠地情況,將現(xiàn)狀綠化用地與規(guī)劃綠地構(gòu)建動態(tài)疊加,反映該區(qū)劃內(nèi)規(guī)劃實施現(xiàn)狀;同時,對范圍內(nèi)的重點綠化公服設(shè)施設(shè)置POI專題符號,以多尺寸切換實現(xiàn)動態(tài)閃爍特效。以廣東省某控調(diào)階段建設(shè)項目為例,經(jīng)前期摸查,該區(qū)域范圍內(nèi)共有2片連片成林區(qū)域、2株古樹后續(xù)資源,圖13展示了地塊級的科學(xué)綠化場景,設(shè)有3個時序進行動態(tài)呈現(xiàn):連片成林外圍輪廓逐漸外擴,并輔以箭頭示意;古樹后續(xù)資源配有三維和二維專題圖元,二維圖元尺寸動態(tài)變換,從而完成專題場景的動態(tài)渲染,實現(xiàn)城市樹木保護場景重點要素的突出強調(diào)。以小尺度為例,設(shè)有語義層的高級交互:當(dāng)比例尺變換時場景自適應(yīng)切換,完成當(dāng)前尺度下的重點要素強調(diào)與次要符號綜合,且提供有交互參量控制,從而突出場景重點,實現(xiàn)智能交互,如圖14所示。

圖11 省級大尺度的科學(xué)綠化地理場景(建成區(qū)綠地率)

圖13 地塊級小尺度的科學(xué)綠化場景(建設(shè)項目地塊)

圖14 比例尺變換時的小尺度場景自適應(yīng)表達

4 結(jié) 語

科學(xué)綠化已提上日程,它將生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護融為一體,致力于構(gòu)建全方位、多體系的城市高質(zhì)量均衡發(fā)展。本文首先以構(gòu)建面向地理場景表達的動態(tài)地圖符號設(shè)計方法為核心目標,梳理歸納了由基礎(chǔ)建模參量、藝術(shù)設(shè)計變量、動態(tài)表達參量、其他感知參量與交互控制參量共同構(gòu)成的動態(tài)地圖符號設(shè)計參量體系。并提出了一套用于呈現(xiàn)場景整體效應(yīng)的動態(tài)地圖符號設(shè)計方法,自場景分析、背景構(gòu)建、符號設(shè)計到場景配置,完成專題特征動態(tài)表達。在此基礎(chǔ)上,為多視角呈現(xiàn)科學(xué)綠化,分別以省級大尺度、區(qū)域級中尺度、地塊級小尺度為案例,對各尺度下關(guān)注要素依次進行動態(tài)符號設(shè)計與場景構(gòu)建,實現(xiàn)全方位、多尺度場景的專題表達,驗證了多尺度科學(xué)綠化場景下動態(tài)符號設(shè)計體系的適用性,一定程度上可輔助綠化部門進行科學(xué)決策,助力美麗中國建設(shè)。