谷宇航，江 南，张晓楠，管凌霄，张 昊

(1.信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052；2.68011部队，甘肃 兰州 730020)

导航电子地图多模式表达模型的研究

谷宇航1，江 南1，张晓楠1，管凌霄1，张 昊2

(1.信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052；2.68011部队，甘肃 兰州 730020)

随着卫星定位的发展、道路交通水平的提高以及无线网络技术的进步，导航电子地图凭借其在位置服务功能上的良好表现日益成为人们工作和生活必不可少的工具。但是目前市场上的导航电子地图显示模式少，针对性不强，无法满足用户多样化的需求。文中通过对导航电子地图表达现状的分析，研究基于不同环境、不同用途、不同用户等条件下的多模式导航电子地图表达方法，并对常用模式下一些模板的样图进行设计。

导航电子地图；表达方法；多模式表达；模型；模板

导航电子地图的表达是导航电子地图设计的关键环节，直接影响着定位导航可视化的效果。表达效果制约着用户对道路以及周边环境的认知，影响用户对导航电子地图产品的使用[1]。

然而目前导航电子地图的表达模式较为简单，无法满足用户多样化、个性化的可视化需求。本文针对导航电子地图自身的特点及其存在的问题，分析了其表达现状，研究了导航电子地图多模式表达方法，并进行了导航电子地图多模式可视化模板的设计，为多模式表达的计算机实现进行了有益的探索。

1 导航电子地图表达现状分析

1.1 导航电子地图表达现状

自导航电子产品出现以来，不少学者已经注意到导航电子地图可视化的重要性，并在导航电子地图多尺度表达方面进行了一些研究[2-6]。但目前来说，针对导航电子地图表达方法的研究还较为少见。

通过对市场上导航电子地图产品(如凯立德地图、道道通地图、高德地图、百度地图、谷歌地图等)的表达方法进行分析，归纳出目前常用的表达方法主要有：尺度变换法、平面符号法、多维符号法、颜色变换法、动态显示法、窗口切换法和方向变换法等,如表1所示。

尺度变换法：在导航过程中，根据需要自动调整导航电子地图的比例尺，改变导航电子地图上的显示内容。

表1 常用导航电子地图产品表达方法分析

多维符号法：为了能够更加详细地显示空间关系，在导航电子地图上不仅应用二维符号，还使用2.5维符号和三维符号。

颜色变换法：在不同情况下，对颜色的三要素(色相、明度和饱和度)进行改变，使配色达到最佳效果。

动态显示法：对特定的符号添加闪烁、旋转、运动等效果，使兴趣点等符号更能引起用户的注意。

窗口切换法：需要同时在导航电子地图上显示道路交叉口、立交桥、指示牌和多种比例尺地图时，可以把屏幕分成多个窗口进行显示。

方向变换法：传统纸质地图以及基础电子地图大都默认以图的上方作为北方向，但是导航电子地图的北方向会随着导航方向的变化而不断变化。

1.2 现有导航电子地图多模式表达存在的问题

目前导航电子地图在人们工作生活中发挥着不小的作用，但在表达方法上还存在一些不足，需要改进。

1)表达方法较少，表现模式相对简单 。各个产品的表达方法虽略有不同，但大体一致。很多表达方法都是对传统地图表达方法的延续，没有较好地发挥计算和图形图像处理技术的优势并丰富其表达方法。另外，对三维细节的展现及多手势触控等硬件条件的应用不足，无法体现移动设备硬件的优势。

2)表达方法和用户的使用特点结合不够密切。不同的用户有不同的特点(如年龄、性别、职业以及文化水平等)，因此每个人对导航电子地图表达效果的感受不同。现有导航电子地图在进行表达时缺乏针对性，没有很好地考虑用户的偏好和特点，满足不了不同用户的需求。

3)表达方法没有较好地顾及外界因素。表达方法在设计上大都只从理论出发，仅考虑图面上的搭配效果。然而使用导航电子地图的外界环境始终处于不同的变化中，这对表达方法的表达效果有很大的影响。用户使用环境中的光照强度、用户所处位置的地理特点以及地域特色等，都应该和导航电子地图的表达方法相配合，以产生更好的表达效果。

2 导航电子地图多模式表达模型的研究

2.1 导航电子地图的表达模型设计

为了解决现有导航电子地图在表达方面存在的问题，本文提出建立导航电子地图多模式表达模型。导航电子地图的多模式表达模型是指在不同用途、不同环境、不同比例尺以及不同用户特点等因素的影响下，综合运用不同的表达方法，将同一空间数据进行不同样式的显示，以满足不同因素影响下用户的需求[7]。

通过对用户偏好、地理特点、跟踪方法、观察视角、光照变化和文化背景等影响因素的分析，建立了包含不同用户偏好模式、不同地理环境模式、不同跟踪方法模式、不同观察视角模式、不同光照特点模式和不同文化背景模式等多种表达模式的导航电子地图多模式表达模型。图1所示为导航电子地图多模式表达模型常用的一些表达模式[8]。

图1 导航电子地图常用表达模式

1)基于不同用户偏好的表达模式。用户对兴趣点的选择都有针对性，为快速传递导航信息并获得层次化的视觉效果，就要筛选出用户关注程度更高的兴趣点进行突出表达。如当白领阶层使用导航电子地图出行时，可能会去消费水平较高的场所，而学生则会选择经济实惠的场所；驾车的用户更关注停车场、加油站等兴趣点；而使用公共交通出行的人则更关注公交、地铁和出租车站。依据上述区别可分别建立消费模式和生活模式，自驾模式和乘车模式，在地图上对相应模式下的兴趣点进行突出表达，使用户更快地查询到自己关心的目标。

2)基于不同地理环境的表达模式。除城市外，导航电子地图还可以用于乡村、山区或荒漠等地域。在不同地域使用时，可以结合其地域特点设计不同的表达模式。如在乡村和荒漠，路网密度小，道路交通要素少，可以用更小的比例尺显示；在山区，地势的起伏对行驶也有一定的影响，要想办法将地理特点表现在图中。根据这些特点，可以设计出城市模式、山地模式和荒漠模式等。

3)基于不同跟踪方法的表达模式。移动设备间的通信功能不断增强，导航电子地图可以同时显示多个设备的空间位置。在导航电子地图上实时显示另一个被跟踪设备的位置，可以设计出热点跟踪模式；在地图上显示被跟踪点走过的轨迹，可以设计出轨迹跟踪模式；在地图上显示被跟踪点运动过的区域，可以设计出区域跟踪模式。

4)基于不同观察视角的表达模式。在进行可视化显示时可以从不同观察者的角度出发再现地理场景。根据视角的不同，可以将表达模式分为第一人称视角模式和第三人称视角模式；还可以结合两种表达模式从而形成混合视角模式。不同视角的模式设计不同的表达方法，体现出不同视角下的构图特点。

5)基于不同光照特点的表达模式。现有导航电子地图只提供手动设置白天模式和黑夜模式两种模式，智能化程度不高。现在硬件设备已经允许导航电子地图感知周边光照环境，因此可以根据不同的光照环境自动调整显示模式。如当导航电子地图从室内移动到室外时，根据光强的增量自动提高用色的明度，以便在强光下也能看清地图上的内容；在光线暗的傍晚或夜间自动降低明度或使用更加柔和的配色方案，减少屏幕对人眼的刺激。根据不同层次的光强可以建立夜间模式、室内模式和户外模式。此外，还可以设计出光影模式，在显示时根据定位信息判断太阳光照的角度，计算实地中物体的阴影方向，并将阴影效果以同样的角度和方向添加在地图符号上，以利于地图与实地的相互对照。

6)基于不同文化背景的表达模式。根据导航仪所处的地理位置确定用户所在的国家、省份和地区，以便产生符合当地人文特色的表达方案。据此可将表达模型分为通用模式和特殊模式，通用模式下的符号采用传统并且约定俗成的视觉变量；而特殊模式下的符号设计和颜色配置要加入当地的地域特点以及民族特色。

2.2 导航电子地图多模式表达方法的设计

多模式表达需要有多种表达方法的支持[9]。在进行导航电子地图表达方法设计时，要遵循通用性与适用性相补充、艺术性与功能性相统一、继承性和创新性相结合等原则，以地图空间认知论、地图感受论为指导并充分利用图形图像技术[10]。本文在原有表达方法的基础上设计了符号层次法、透明度增减法、文字说明法、地貌显示法、透视图表示法、影像符号法和雷达显示法等表达方法。

符号层次法：利用不同色彩的明度、饱和度或者不同的尺寸，来表现不同的兴趣点符号，从而达到突出表现某一地物的目的。

透明度增减法：将半透明或者透明度较高的地图直接叠加在已经显示地图上，可以在屏幕的同一区域显示两种信息。这样做有利于两种不同尺度地图的对比和参照，不过有时会降低可视化的准确度与清晰度。

文字说明法：当点击某一地物符号时，显示一个文本框显示该兴趣点的属性信息或者其他需要用文字说明的信息。

地貌显示法：在地图载负量较少的情况下，为了丰富地图内容，可显示该地理位置下所特有的地貌，从而增强导航电子地图可视化的感染力。

透视图表示法：在结构复杂的三维模型中，有时不易判断用户的位置。去除地物模型的纹理，只保留框架结构，有利于用户更好地判断自己所处的空间位置。

影像符号法：利用栅格图像作为符号，如天安门、长城和兵马俑等具有明显代表性的图像。在旅游电子地图中经常出现这种表现方法，但是目前在导航电子地图中没有使用。

雷达显示法：将导航电子地图的道路信息等全部消去，仅保留用户位置符号和兴趣点符号以及指示空间方位和距离的信息，用于显示兴趣点之间的相对空间关系。

上文设计出的不同多模式表达模型可以综合运用不同的表达方法，如表2所示。

表2 不同可视化表达模型常用表达方法

3 导航电子地图常用多模式表达模板的设计

导航电子地图表达多模式的具体表现为多种表达方法支撑的模板。所谓表达模板是指运用各种可视化方法，针对同一导航地图数据，通过内容选取、符号设计、色彩搭配和表达方法选择而使导航电子地图体现出来不同可视化风格的整体效果[11]。导航电子地图多模式表达模板的建立是多模式表达模型实现的物质基础。本文根据上述方法设计了如下几种常用的可视化表达模板：

3.1 基于不同用户偏好模式的表达模板设计

图2所示为自驾模式和乘车模式两种模式下的导航电子地图，当用户选择驾驶模式时，用户可能更加关注停车场、加油站；当用户选择乘车模式时，用户可能更加关注地铁、公交站。用户关注的兴趣点采用大尺寸符号和鲜明的色调表达，使兴趣点符号有主有次，层次分明。

图2 自驾模式(左)和乘车模式(右)

3.2 基于不同地理特点模式的表达模板设计

图3所示为山区模式和荒漠模式的模板(背景地貌来源于Google Earth)。现有导航电子地图中地图的显示十分单调，大大降低了导航电子地图的美观程度。根据导航数据加入与地理位置相匹配的地区地貌，可以使导航电子地图更加美观。

图3 山区模式(左)和荒漠模式(右)

3.3 基于不同观察视角的表达模板设计

图4中，左图是第三人称视角模式下的导航电子地图可视化效果，以俯视图的形式展现用户的地理位置，右上角用半透明的小比例尺鹰眼图表现更大范围下的位置关系。右图是第一人称视角模式的可视化效果，为了使用户对立体建筑后遮挡的道路状况有所了解，采用了三维透视的表达方法，这种可视化效果立体直观，而且能确保用户观察到实地观察不到的地理空间形态特征。两种模式还可以叠加到同一屏幕下进行表达，以获得更丰富的表达效果。

3.4 基于不同文化背景的表达模板设计

图5所示为江南地区特有文化背景下的导航电子地图可视化效果。用户行驶时，根据地理位置判断所处地区，将地图符号风格化为该地区特色。图中小桥流水的道路符号及青砖白墙的居民地符号，使导航电子地图更加美观，更加具有文化气息。

图4 第三人称视角模式(左)和第一人称视角模式(右)

图5 江南风格导航电子地图

4 结束语

导航电子地图多模式表达模型研究的最终目的，就是为了改善导航电子地图的表达效果，让用户在使用导航电子地图的同时获得丰富的视觉体验。本研究在导航电子地图多模式表达上进行了初步的探索，但是更加完善的表达模型需要建立在对广大用户的深入调查上，因此，此后需要对用户行为和体验进行更进一步的研究。同时，随着图形图像处理技术的进步及显示硬件设备的发展，导航电子地图的可视化方法也将越来越多。随着导航电子地图在人们日常生活中的作用日益加强，用户个性化要求的不断提高，对导航电子地图多模式表达模型的研究将越来越重要。

[1]齐晓飞，王光霞，周转向，等.位置地图情境研究[J].测绘工程，2014，23(11)：11-15.

[2]艾廷华，梁蕊. 导航电子地图的变比例尺可视化[J].武汉大学学报：信息科学版，2007,32(2)：127-130.

[3]谢超. 自适应地图可视化关键技术研究[D].郑州：信息工程大学，2009.

[4]李胜.“天地图·中山”电子地图改造技术研究[J].测绘与空间地理信息，2014，37(7)：77-79.

[5]李慧姝，廖文锋，彭小河.基于ArcGIS平台制作矢量电子地图的方法探讨[J].测绘与空间地理信息，2014，37(7)：144-146.

[6]黎慧斌，林澍哲.移动终端离线电子地图系统设计[J].测绘与空间地理信息，2014，37(8)：160-162.

[7]江南. 电子地图多模式显示的研究与实践[D].郑州：信息工程大学，2010：35-40.

[8]崔秀飞，王光霞，齐晓飞，等，交通图表达模式和表示方法设计[J].测绘工程，2012，21(4)：33-37.

[9]秦建新，张青年，王全科，等.地图可视化研究[J].地理研究，2000,19(1)：15-21.

[10]曹亚妮，江南，李嘉兴. 移动地图可视化表达的设计研究[J].地理信息世界，2008，6(6)：12-14.

[11]王欣，郑贵洲.地图制图发展及地图可视化[J].测绘通报，2002(S1)：58-60.

[责任编辑：刘文霞]

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;补充更新日期：2014-11-30

国家自然科学基金资助项目(41271450)

谷宇航(1990-)，男，硕士研究生.

P28

：A

：1006-7949(2014)12-0012-05