王施然　李雪桐　刘宇通　王庆宽　陈钊

摘要：森林抚育样地调查积累的大量数据，是森林资源管理决策的基础资料。管理者可以通过森林抚育样地信息可视化系统更直观了解数据。其中，色彩分配是可视化的重要环节。本文根据样地信息的特点以及数据的特征，结合用户的色觉特征，设计了两种配色方案：渐变色配色方案和随机色配色方案，并在系统中予以实现。

关键词：森林抚育样地；属性；可视化；配色

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0166-03

经过二十多年的发展，我国林业部门已经建立了许多林业地理信息系统。Web-GIS（互联网地理信息系统）成为应用的新趋势和热点。Web-GIS是Internet和WWW技术应用于GIS的产物。它是以互联网为环境，以Web页面作为GIS软件的用户界面，把Internet和GIS技术结合在一起。

属性数据可视化是Web-GIS研究与应用的重要组成部分。属性数据可视化就是把调查获取的属性数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的方法和技术。其主要用途在于增强数据呈现效果，让用户以直观交互的方式实现对数据的浏览，通过对比和差异分析，发现数据中隐藏的特征、关系和模式。森林样地信息可视化使得研究人员更直观更全面了解森林样地信息，进而对样地状况进行分析，最后实现科学的决策。

视觉因素的研究是属性数据可视化研究的一个热点。色彩是视觉因素的重要组成部分，研究主要集中于颜色选择的原则。这些原则基于数据类型、数值分段的数量、人的约束等。[1]

1 森林抚育样地属性数据的特点

可视化系统数据库的建立一共需要两类数据信息，一是地理位置数据，二是属性数据。地理位置以X，Y坐标表示经纬度，利用坐标在地图上确定样地位置。属性数据按照统计学分类方法，可以分为两类：定性数据和连续型取值数据。定性数据的取值范围是固定的，若是用户输入超出规定范围的数值，数据库会进行报错。连续型取值数据没有固定的取值范围，可以直接使用自然数或度量衡单位进行计量。

2 森林抚育样地属性数据可视化存在的问题

为了让属性数据的展示更直观，需要在系统中对样地进行以数据特征和数据取值特点为基础的染色。

染色过程中需要考虑两方面的问题：（1）属性类型多样，颜色的分配应当满足该属性的性质。以土壤类型为例，在选取色系时，应多以红色、橙色和黄色系，而不是蓝色或者绿色。换句话说，在选取颜色类型的方面必须不违背该属性给人带来的直观感受。（2）为某种属性数据分配颜色时，采用哪种方式为数据配色使得染色效果带给人视觉上的冲击最大。

3 森林抚育样地属性数据可视化配色方案

属性数据有定性取值和连续型取值。针对连续型取值数据，首先将所有数据进行整合，并绘制属性数据直方图，再进行颜色分配处理。绘制的直方图应当合理，并能反映出数据的特征。直方图能否较好反映出母体的分布状态与其分组有密切的联系。组数主要取决于数据容量。当容量一定时，分组太少会掩盖各组内数据的变化情况，而分组过多会导致看不出频数分布的规律性。因此需要一个根据数据形成直方图使得分组最优的数学模型。

属性数据最优分组的评价指标有三点准则：（1）分组后频数为0的组数不宜太多，最好是分组后各组的频数大于等于5；（2）直方图上部的轮廓线较为连续，这样可较清醒地反映出它可能服从的概率密度曲线；（3）组数不宜过多或过少。根据对森林抚育样地数据的经验，组数我们选择设为5到10之间取值。将上述准则定量化，设N个样本地分组为M，频数为0的组数为M1。各组频数为fi（i=1，2，3，...，M）。将上述评价指标进行整合，构成一个综合评价定量评价指标：

D（M）值越小，则分为M组越好，M组的搜索范围为区间。由此可以算出最优的分组。把最优分组中的第一个分组记为，第二个分组为，以此类推，最后一个为。

目前色彩图像应用十分广泛，而作为色彩图像中颜色表示的基础，颜色空间的重要性日益凸显。其中RGB颜色空间是目前使用最为广泛的色彩空间，其各个分量均用8位2进制整型数表示，便于存储以及计算。RGB立方体模型外观渐变色组合全貌如图1。

心理学中有一个关于颜色给人带来直观感受的研究。众多实验证明，不同的颜色带给人的感受不同。因此为了让用户有更好的视觉体验，我们在给属性分配色系时考虑到了属性本身的特性带给人的直观感受。除此之外，戴尔教授在14年前首先发现色彩有“重量”。他经过多种复杂的实验后得出结论：各種颜色在人的大脑中都代表一定“重量”。他还将颜色按“重量”从大到小排列成如下顺序：黑、红、蓝、绿、橙、黄、白。换句话说，在表示“重”或者“数量多”的时候，排位更前的颜色能带给人更合适的感受。

再引入一个求渐变色的方法。求颜色到的渐变色。颜色在RGB三维模型中的坐标取值为，目标色为。若从经过种颜色渐变到，则第i（i=1，2，...，k）种渐变色坐标为：

连续型取值型数值数据应当采取渐变色配色方案。这种数据从某种程度上说，它是连续的，为了更好表现这一特征，应当采用这种配色方案。根据我们获取的数据，我们把取值型数据分为三类：A类跟树本身有关，代表属性有蓄积、平均胸径和株数密度，因此应该采用棕色、红色、橙色、黄色。渐变色模型如图2。B类跟叶面积有关，以郁闭度为代表。在人的直观感受上，更为茂盛的树呈现绿色，而叶子稀疏的应该呈现黄色或者更淡的颜色。渐变色模型如图3。

C类是综合指标，代表属性有地位级、立地指数。综合指标的色彩选定不能跟A和B的一样。从我们的生活体验中可以知道，森林越茂盛，木材产量越高，越呈现绿色，因此给人的心理感受是“绿色”。反之，森林生产力低，给人的心理感受是“红色”，红色在一定程度带给人直观感受是“贫瘠”。渐变色模型如图4。

上述三类都可以使用渐变色原理选取颜色。首先，确定属性的类别，判定它使用哪种渐变色彩方案。根据方案确定和的值。其次，根据数据绘制直方图，并确定分组方式。系统读取组数，记为k。K同时代表了一共需要k种渐变色。根据分组状况，从数值小到大进行分配颜色。最后，系统完成颜色的分配工作。第一组分配颜色，第二组分配颜色，以此类推，最后一组分配颜色。

第二类是定性数据，这种数据属于林地自然属性，举例说坡向，这种不会带给人任何直观感受而且取值是固定的。因此在颜色分配中采用随机色配色方案。在这类分配颜色的过程中，要考虑颜色之间的差距。如果颜色差距过小，会带给用户不好的视觉体验，比如无法辨别出两种属性数值之间的差异。最初的色差公式是两点之间的距离得出，但大量实验证明，RGB颜色空间不够均匀，因此多数文献采用引入加权的色差公式，公式如下：

分别表示两个颜色在RGB中的具体坐标。该公式的加权思想来源于根据人眼对红、绿、蓝三原色的敏感程度的不同来定义权值，调整RGB颜色空间，部分补偿其非均匀性。大量参考文献引用的权重值的取值为（3，4，2）。表示两个颜色差距大时，用来表示。换句话说，当时，表示两个颜色差距达到了要求。

表示选取的第i种颜色，根据上述固定值属性一共取值的数量k，表示一共需要取k种色差大的颜色。可取的颜色应该满足如下几点：（1）顏色与底图区分开。我们的地图主要以灰色为背景，而且取值一般为：。用公式表示就是：

。

（2）两颜色之间色差应该足够大，使得两颜色能够在视觉上被清晰地分辨出来，用公式表示为：

，

i的取值范围。

（3）尽量不使用灰色系的颜色，即

，。

颜色分配总体流程如5所示，由于根据固定值数据和数值型数据分别用这两种配色方案。

4 方案在森林抚育样地信息系统中的应用

连续型取值数据采取的渐变色配色方案以及定性数据采取的随机色配色方案举例效果图如下。图6为蓄积的渐变色配色方案效果图，图7为坡向的随机色配色方案效果图。

5 仍然存在的问题

绘制直方图时，如果只是按照上文中提及的三个评价标准，形成的直方图会出现非五的倍数为组距。然而，在多数实际生产实践中，人们更多偏向于使用五的倍数作为组距，比如说分组为100-200，200-300...。而很少使用非五的倍数作为组距。因此，在其他三个指标的基础下，可以引出第四个评价指标：直方图的分组组距在5的倍数中取值。

6 结论与展望

本文探讨的只是整个Web-GIS系统中的一个色彩应用的问题，对Web-GIS的设计有重要的意义。在森林抚育样地信息系统，使用并初步实现了森林抚育样地属性数据可视化配色方案。达到了森林抚育样地基本信息的可视化查询和展示。

在未来，森林样地可视化系统有望引入便携式终端，并与物联网和传感器技术相结合，实现土壤信息采集、编辑、入库功能，从而为充分利用数据服务林业发展提供更加快捷方便的科技手段。

参考文献

[1]杨彦波，刘滨，祁明月.信息可视化研究综述.河北科技大学学报，2014（01）：91-102.