动态现象可视化

一、动态地图概念

电子地图在计算机技术支持下显示出其独特的优越性,与传统技术相比,对地理现象可视化表达在内容和形式上都有扩展。过去纸质地图只能展现地理现象的状态性信息,而电子地图还可以跟踪描述过程性信息,即动态特征，能形象地表示空间信息的时空变化状态和过程，可以直观而又逼真地显示地理实体运动变化的规律和特点。

动态地图是对实体世界运动变化现象的动态可视化表达，随着时间的延展,实体位置移动、形状改变、属性变化, 这一过程通过地图表达出来便是动态地图。另一方面, 实际空间的静态现象表达到地图后，在用户看来,并不一定是静止的,典型的例子便是在模拟飞行中,用户视点沿着航线获取地形地物的动感，在目前兴起的虚拟现实VR技术中得到广泛应用，由于用户视点的改变而获取的运动变化与时间无关,只是空间状态的变化,我们称作相对变化。从以上分析可知，动态地图涉及到时间、空间两方面的变化, 仅仅把动态地图看作是地理实体时态特征的表现是不准确的。动态地图可定义为：基于读图角度,可以从中获取关于地理实体空间位置、属性特征运动变化的视觉感受的地图。动态地图的表达通常采用以下方法：

（1）利用传统的地图符号和颜色等表示方法，如运动线表示气流、行军等路线。

（2）采用定义了动态视觉变量的动态符号来表示，即用闪烁、跳跃、色度、亮度变化等手段反映运动中物的矢量、数量、空间和时间变化特征。

（3）采用连续快照方法作多幅或一组地图。这是采用一系列状态对应的地图来表现时空变化的状态。

（4）结合计算机虚拟现实的技术，实现地图动画效果。

面向动态变化现象可视化表达的动态电子地图是一种新型的可视化，它强调动态、在线、多维特征，它对正在发生的变化或已经发生的变化通过动画、动态符号、模拟飞行等形式可视化显示，以期揭示现象的时空演变规律、分析现象的时态特征，它具有广泛的应用领域：LBS系统、导航系统、环境监测系统、智能交通等。

二、动态地图符号

传统的地图符号设计原则是基于Bertin视觉参量体系建立起来的,依据符号的七个视觉参量：大小、色相、方位、形状、位置、纹理及饱和度来设计描述地理实体不同方面的性质特征。显然,为了表达动态特征，需要对地图符号的参量进行扩展,引入动态特征描述。定义四个动态参量：发生时长、变化速率、变化次序、节奏。

1.发生时长

发生时长描述观察者从视觉上对符号感知到符号消失的时间长短, 通常发生时长通过划分很小的时段单位来计算，与多媒体技术中的帧的概念相应。发生时长反映了事件在时间轴上延展,与现象在空间X、Y或Z轴上的投影覆盖范围可建立映射关系。地图设计中，发生时长可用于表现动态现象的延续过程,发生时长的帧值越大, 现象生成的时间和出现的时间就越长，如图7.7所示。

图7.7  动态符号发生时长

2.变化速率

变化速率是一个复合参量,需要借助于符号的其他参量来表述,描述符号的状态改变速度。符号的状态可以是前面定义的动态参量发生时长，也可以是表态参量大小、方位、饱和度等。可以借助于一阶微分公式来表达，变化速率v=dg(s)/df，其中g(s)为符号s的状态，f为帧。当g(s)为发生时长时,变化速率描述符号“闪烁”的快慢。图7.8表述了符号不同参量的变化速率。

图7.8   基于符号不同参量的变化速率

变化速率的大小与运动过程的快慢相一致,变化速率可以是常量(加速度为零),也可以是变量(加速度为非零), 加速度大小与运动过程的平稳与激烈性相应。基于变化着的现象对人的视觉感受有较强的吸引力的事实,符号的变化速率除了用以描述地理现象的运动过程外,还可用于静态现象的重要性描述和显式定位,闪烁速率大的符号描述发射功能强的电视塔,亮度变化率大的符号描述人口流动快的区域,天气预报中用动态符号描述城市的天气的变化情况。

3.变化次序

时间是有序的,可以类似于二维空间中的前后、邻接关系建立时间段之间的先后、相邻拓扑关系。符号的变化次序描述符号状态改变过程中各帧状态出现的顺序,依据时间分辨率,可以将连续变化状态离散化处理成各帧状态值,使其交替出现。符号的变化次序可以用于任意有序量的可视化表达, 升序变化对应着特征的显著性增强,降序变化对应着特征的显著性减弱,符号色相依据“灰―-淡红―-红-蓝”的次序反映天气由阴变晴,反之反映天气由晴变阴。此外,气温在四季中冷、暖、热的交替也可用符号的某个参量的变化次序来体现。

4.节奏

    符号的节奏描述符号周期性变化的特征，它是由发生时长、 变化速率以及其他参量融合到一起而生成的复合参量, 同时又表现独出独立的视觉意义，用于地理信息的时态特征及变化规律的描述。节奏与静态符号的纹理相对应，构成纹理的原子符号之间的间隔对应着发生时长，原子符号的排列顺序对应着变化次序。描述节奏的参量可以进一步细分为频率(周期)和振幅。符号的节奏变化可以用周期性函数表示并用周期性曲线显示。如图7.9所示，节奏的振幅对应着地理现象变化的峰值，频率则对应着变化速度。 符号的节奏参量可用于描述周期性变化现象重复性特征，也可描述质量性质，节奏越快对应的地理实体越重要,等级越高等。

图7.9动态符号大小变化（a）和灰度变化（b）节奏曲线

 

地理实体的时态特征和变化规律可由符号动态参量体现出来。地理实体在空间中生存的时间由符号的发生时长表达,位置移动、属性变化的快慢由符号的变化速率表达。在实体与符号的时态映射关系上，与空间表现一样同样存在着制图综合问题，包括时态比例尺确定，时间分辨率选取，跨越比例尺时态变化的简化或夸大等。动态符号表现动态变化可以用于历史过程的再现、同步过程的实时跟踪监控及其他用途。

三、动态电子地图分类

动态电子地图的应用领域非常广泛，产品形式多样，功能丰富，可依据不同标准对其分类。

（1）根据变化的主体，动态地图可视化的内容可分为专题性质变化（排放污水环境质量超标、航标灯熄灭）和空间位置移动变化（运钞车行进、洪水淹没面扩展、森林大火蔓延、热带气旋移动）。前者通过各种专业传感器获取被监控目标的性质变化信息，由无线通讯传回到电子地图上表达；后者通过GPS或航测遥感获取目标的位置或空间状态的变化信息。

（2）根据运行平台，电子地图系统可分为多目标远程监控和当前目标实时监控。前者表现为在室内大屏幕上实时监控一定区域范围内的多个目标的变化，如110报警台、航班运行控制中心、船舶搜救报警站、污水排放环境监测站等安装的电子地图系统；后者表现为移动目标中安装的对当前目标的变化状态实时监控的电子地图系统，如海船驾驶舱安装的电子海图导航系统、飞机上GPS定位显示系统等。

（3）根据动态电子地图的时态特性可分为：对正在发生变化的实时监控、对已经发生变化的过程再现以及对将要发生变化的模拟推演。“过去时”变化的表达类似于飞机失事后“黑匣子”分析，在船舶导航系统中记录船舶运动的轨迹、速度、水下障碍物信息，在发生碰撞后通过运行状态的回放可分析事故产生的原因；“将来时”变化的表达可根据当前目标的规划线路、运动状态参数模拟表现变化的发生，如基于“移动计算模型”分析在涨潮时船是否能安全通过某搁浅区域（GIS中典型的“点在多边形内”的判断，但点是移动的，多边形的区域范围是变化的）。

（4）根据用户感知的变化内容的真实性，动态电子地图可分为实际变化的感知和静态现象的模拟感知。前者是真实变化，在实体世界发生的变化映射到概念世界（地图或地理信息系统）后，其变化映象为用户世界感知；后者是模拟变化，实体世界的静态现象映射到概念世界，通过相对改变概念世界与用户世界之间的视点位置关系，让观察者获得静态现象的“动态”感觉，典型的例子便是“模拟飞行”观察地物景观。

四、动态电子地图的设计

1.地理背景底图设计

动态电子地图在内容结构上表现为地理背景信息与动态变化主题信息的叠加，地理背景信息为预处理存储表达的电子地图内容，为后继动态变化现象的表达提供定位支持，通过定位背景的上下文关系表达解释现象发生的过程与原因。作为定位背景的底图层就需要具备较高的可调性，以适应不同监控目标的变化表达对定位背景的动态需要。需根据监控对象的性质特征实时导出相适应的地理底图。如：服务于船舶导航的电子海图根据水深变化有“安全区”与“非安全区”之分，电子海图上该多边形区域的划分显然不是固定的，取决于船舶的吨位与吃水深度，同样的电子海图安装在不同船上后，根据当前船的有关参数在等深线模型上实时导出不同的“安全区”与“非安全区”，作为导航的定位背景。更进一步的要根据航行当天的潮位数据对水深进行改正，进而计算出当天的“安全区”与“非安全区”，如图7.10所示。

图7.10根据不同船舶参数导出不同安全区表达的地理背景地图，用于船舶导航。

其中（a）图的安全区为15M水深，（b）图则为5M水深，图面浅色调区域表示安全区

2.动态符号设计

由GPS、红外探测仪、专业性传感器获取的位置、性质变化信息并不是按专业化数据形式直接显示在地图上，而是经过抽样、分类、性质分析、概括综合后由地图符号表达，通过符号参量来传递动态变化的性质、幅度、趋势等特征。当排放污水环境质量超标、航行船舶即将撞上障碍物时，通过“警戒色”、“鸣笛”等可视化、可听化方式报警，而不是显示由监测器发回的一系列环境化学指标。

前文讨论了发生时长、变化次序、变化速度和节奏四个动态参量，分别用于变化现象的动态符号描述，这四个参量在变化表达的“度”上具有不同的功能。用动态符号来表现变化现象，首先依据时态综合原则（抽样规则等）在符号的动态参量与实际变化的特征之间建立映射关系, 地理实体的时态特征和变化规律就可由符号动态参量体现出来。

依据三种变化与四种动态参量在度量刻画上的对应关系，监控目标在实体空间中生存的时间可由符号的发生时长表达, 属性状态的交替改变可由符号的变化次序表达，位置移动、属性变化的快慢可由符号的变化速率表达，周期性变化现象（航标灯在风力、波浪作用下的位置晃动）则可由符号的变化节奏表达，节奏所蕴涵的“振幅”与“频率”分别刻画变化的“强弱”与“速率”。用动态符号参量描述监控目标的变化特性时, 与空间表达一样存在着制图综合问题, 包括时态比例尺确定、时间分辨率选取、跨比例尺时态变化的简化或夸大等。对三种时态变化（历史过程的再现、同步过程的实时跟踪、将来过程的推演）动态符号的描述参量有不同的调节功效。

3.多尺度表达设计

多尺度、多分辨率空间数据支持下的变焦式可视化是动态电子地图特别青睐的，它提供多层次、多细节化展示变化的发生以及发生的上下文环境。一方面，监控目标的位置移动、性质状态的改变都会牵引用户的注意力，聚焦透视局部的细节信息；另一方面，用户又需要在大尺度范围内从全局性获取目标的区位、目标间的空间关系。

可采用三种方法，一是通过概略图、区位图、索引图等方式配以主地图内容实现地物目标的多尺度可视化，从而完成目标搜索和空间信息的查询；二是跨比例尺切换，当放大到一定显示比例尺时，从数据库中调用大比例尺详细表达地图数据；三是在不同区域设置不同比例尺组合在同一平面显示，产生“哈哈镜”式的显示效果，对特别关注的区域采用大比例尺（“凸透镜”放大），其他区域采用小比例尺（“凹透镜”缩小），实现“近大远小”的效果。

在汽车导航电子地图中，当汽车运行到街道交叉口时，对十字交叉口一定范围内的区域放大，让小型的建筑物、城建设施都有空间将其显示出来（供驾驶员对窗外小视野范围内观察到的目标与导航系统上显示的图形进行匹配），而对远离街道交叉口的区域缩小比例尺显示，在小空间内只显示主要的街道。这样既能保证驾驶员感知目前行进在大区域范围的什么位置，又能观察车外邻近范围的详细目标，实现“近大远小”的可视化效果, 缺点则是空间度量上产生变形（橡皮尺子），难以获取准确的空间距离远近关系。

4.时间比例尺设计

实际发生时态现象在动态电子地图表达时也要通过一定比率关系1∶T实施转换，从而产生时间比例尺的设计问题。与空间比例尺不同的是，时间比例尺分母T的取值有三种情形：  

（1）T>1，长时间段完成的变化过程在短时间内再现或推演出来，例如，在海上航行了数月的船舶，在几秒钟内将其航行过程再现出来；在一定风力作用下未来12小时内森林大火的蔓延过程通过20秒钟模拟表达出来。

 (2) T=1，实时跟踪表达正在发生的现象，主要用于导航系统中移动目标的监控。

 (3) T<1，变化发生的时间太短，需要延时用“慢镜头”夸大表达，例如，山体滑坡在数秒钟内完成，为详细分析山体的变化过程，需要延长时间一帧一帧地展示该过程。

时间比例尺的设计取决于时间分辨率的确定，在动态电子地图中存在两种时间分辨率：一是变化过程数据采集分辨率d1，二是可视化表达分辨率d2，这里分辨率di 定义为时间轴上的“粒度”或“刻度”。数据采集分辨率d1控制对连续变化离散化采集时的抽样过程，可视化表达分辨率d2控制再现变化过程的快慢，时间比例尺分母T＝d2/ d1，例如，导航系统中每2秒钟记录一次GPS测得的位置，在回放时每0.1秒钟显示一记录点的位置，则时间比例尺为1∶20。对变化现象的实时监控，两时间分辨率相等，因此时间比例尺分母为1。

表现运动变化特征的动态地图,在时间分辨率和时间比例尺控制下，存在时间综合问题。主要包括：时间分辨率的重新划分以表现运动变化的详细过程或粗略概况；随着时间比例尺和时间分辨率的变化，对变化过程细节进行选取；对变化过程重新分级或分类；依据一定模型简化变化过程的轨迹, 舍弃变化的细节；由空间比例尺的改变重新定义时态特征, 如在实时跟踪汽车行驶的电子地图上,当地图的空间比例尺变大时,两点间的图面距离变大, 时间分辨率也要提高, 这样才能保证目标移动连续与实地同步，不出现突变。空间显示有图幅载幅量限制, 在动态地图的变化中有机器运行时间资源占用的限制。

5.交互式操作的设计

动态地图的显著特点之一便是用户阅读时的交互式操作，下面区别四种显著的动态变化过程分别讨论。

（1）变化模拟（模拟飞行）：用户的控制权最大。通过用户视点的变化实现对监控目标的变化模拟，变化过程完全由用户来设计规划，不仅可控制显示状态, 运行轨迹、变化速度、变化次序也由用户选择确定。在模拟飞行中, 用户视点变化的三维路线的选定、速度、加速度、方向调整都由用户完成, 是这一应用的典型例子。

（2）过程推演：用户的控制权减小。在输入监控目标的状态参量、运动参量后，依据一定的运动模型，实现变化过程模拟推演，用户可设计多套候选参量，但不能控制由模型决定的运动轨迹、运动速度等。

（3）过程再现：用户的控制权进一步减小。交互式操作表现为：改变时间分辨率控制变化过程再现的快慢,；暂停运行过程观察某一个时间快照；在空间上变换观察视点；获取多角度三维景观等；选择某一时间段观察局部变化过程。图7.11（a）展示了过程再现的用户操作界面和参数设置。

（4）实时跟踪：用户交互式操作的自由度最小，用户的操作只能在显示状态上修改参量, 不能控制实体或模型的运行。对于复杂运动过程的实时表达需占用机器较多的时间资源, 要让用户设定合适的数据采集时间分辨率，得到连续的变化过程而又没有数据的冗余。此外，对实时跟踪的操作，还表现在监控信息的在线式处理，根据不同级别的报警讯号作出后继决策。在什么条件下报警？由用户实时定义。图7.11（b）表示了在船舶导航报警系统中，用户对报警条件控制的操作菜单。

         图7.11  船舶航行过程再现的用户交互式操作界面（a）和用于航行安全报警的参量设置（b）