多細節層次的三維植被符號設計

多細節層次的三維植被符號設計

摘要：三維符號作為三維地圖表達的重要組成部分，可以有效增強三維地圖場景的可識讀性。針對三維符號的基本概念、設計原則和共享機制等問題，該文從符號細節層次、視覺變數和排列方式３個方面展開研究，提出了一種三維植被符號構建模型，以典型植被對象為例進行了實現。由於植被對象種類繁多、形狀不規則、結構複雜，因而建立簡單、規則、通用的圖形符號來表達植被對象，具有特殊性。在符號設計中特別地考慮了植被部分物候現象的表達，豐富了植被符號的語義內涵。

地圖是人類對空間認知的結果， 也是人們進行空間認知的工具。近年來，電子地圖逐步取代傳統紙質地圖，並呈現從二維向三維發展的趨勢。地圖符號是地圖信息的傳輸語言， 其中二維符號已經比較成熟和規範， 並被廣泛使用； 而三維符號正處於探索和研究階段， 是目前急須解決的技術難點和被廣泛關注的研究熱點。相對於二維符號，三維符號是人們對現實世界中地理對象的認知進一步在三維虛擬空間中進行歸納與抽象形成的圖解記號， 所能傳遞的空間信息更為豐富， 但符號設計和系統實現難度也相對較大。

三維符號可以分為地表符號、人造附著物符號以及自然植被符號等。由於自然界中的植被對象種類繁多， 外形特徵存在顯著差異， 因此對植被對象的符號化歸納與抽象更為困難。另外， 植被對象的幾何形態不如建築物規整， 呈現離散和隨機等特徵， 使得符號化圖形設計具有挑戰性。此外，植被具有生命，會呈現出季節性物候現象，如發芽、展葉、開花、葉變色和落葉等， 使得植被符號表達具有多樣性。通常情況下，二維植被符號在不同比例尺的地圖中採用相同的符號來指代同一對象。三維地圖中，多細節層次技術（ｌｅｖｅｌｓｏｆｄｅｔａｉｌ，ＬＯＤ）經常用來組織與表達地形， 在這種情況下， 對於地圖場景中的植被符號，若仍然採用單一層次表達，無論是採用抽象的符號還是具象的三維模型， 都存在局限性。本文針對植被對象的三維符號化表達，綜合考慮符號細節層次、符號視覺變數以及符號排列方式３個方面，提出一種三維植被符號構建模型，並在符號視覺變數設計中考慮了典型物候現象的表達。地圖符號是地圖上用來表示實地物體與現象的特定圖解記號，是以約定關係為基礎且與客觀事物具有指代關係的物質對象（圖形、圖解）， 其有兩個基本功能： 反映目標的數量和質量； 反映對象的空間位置和現象分布。三維符號源於傳統的二維符號， 是對二維符號的繼承與發展。三維符號在三維空間中呈現，包括地圖符號設計及其原則、符號體系、地圖內容的表達等。由於三維符號與指代的地理對象具有相同的空間維度，使其極大地豐富了地圖的觀察視角， 作為地圖語言可以比二維符號表達地更加直觀逼真。目前，三維符號仍處於探索和研究階段， 就三維符號的基本概念、設計原則、視覺變數等基本理論問題尚未達成共識。從數字城市建設、虛擬地理模擬等需求角度看， 三維符號傾向於使用能真實表達地理對象的逼真三維模型直接表達， 符號效果強調具象性和真實感；從地圖信息傳遞角度來看，三維符號仍然是指代地理對象的特定圖解記號，與逼真模型的表達有本質區別， 符號效果更強調泛用性、抽象性和語義性。學者對於三維符號的研究切入點與側重點有所不同，有從地圖符號視覺變數理論角度進行研究，也有從語言學理論角度對三維符號的語義、語法及語用等方面展開研究。三維符號研究仍存在很大空間， 主要體現在： 三維符號視覺變數研究有待完善、使用模型代替三維符號存在局限、三維符號較少地融入二維符號構圖模式以及三維符號共享機制缺乏。目前，對於植被對象的表達僅僅還是使用布告板技術或ＳｋｅｔｃｈＵｐ等建模軟體生成的植被模型，還沒有專門針對三維植被符號具體、完善的研究。

本文針對三維植被符號， 綜合細節層次、視覺向量和排列方式３個方面，提出了一種三維植被符號構建模型。本文提出， 三維植被符號每一細節層次下的具體符號都可以歸納為一組特定視覺向量表徵的可視化結果， 且在視覺向量設計中考慮了典型物候現象的表達， 並通過改變形狀、顏色等視覺變數來反映這些現象；另外，本文將點、線、面排列方式作為符號的狀態屬性， 簡化了三維植被符號的構建難度。隨著三維地圖細節層次的改變，用於表達同一植被對象的符號模型將在可視化效果上發生變化， 從而給用戶呈現不同的細節內容，達到豐富用戶感知結果的同時減少性能消耗的目的。

本文選取了部分典型植被對象進行符號設計與實現。對於蘆葦地和花圃兩種植被符號的最低細節層次，通過改變視覺向量中的顏色或形狀變數實現了不同季節條件和生長狀態下植被符號的多樣性表達。對於針葉樹種， 設計了完整的多細節層次的三維符號模型， 並實現了在三維地圖中面狀排列方式下的交互效果， 從而驗證了本文提出的三維植被符號構建模型的實用性和可行性。

引用格式：郭星辰，佘江峰．多細節層次的三維植被符號設計［Ｊ］．測繪科學，２０１６，４１ （６）：４８-５２．

作者簡介： 郭星辰（１９９０—）， 男， 山西呂梁人， 碩士研究生， 主要研究方向為三維ＧＩＳ及其應用。

基金項目： 國家自然科學基金項目（４１３７１３６５）

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