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地圖符號設(shè)計理念與流程

符號設(shè)計理念（1）語義驅(qū)動理念本文認(rèn)為地圖符號設(shè)計內(nèi)容應(yīng)包含以下3點：一是概念語義模型；二是符號設(shè)計賴以構(gòu)成的物質(zhì)材料基礎(chǔ)———圖形形式；三是符號的構(gòu)造生成法則。符號是空間信息的載體，用于表征空間信息，因而在符號的構(gòu)成范疇內(nèi)，語義模型直接描述了空間信息的本質(zhì)特征，圖形形式是空間信息或語義模型的外在表現(xiàn)形式，構(gòu)造法則更多的專注于符號的構(gòu)造程序。因此，以語義關(guān)系作為符號圖形構(gòu)造的基準(zhǔn)，通過語義關(guān)系控制符號的圖形構(gòu)成，這種以語義關(guān)系為“骨架”來驅(qū)動符號圖形構(gòu)造的符號設(shè)計思路，本文稱之為語義驅(qū)動的符號設(shè)計理念。（2）符號與符號設(shè)計語言學(xué)中，“語言”和“言語”是兩個彼此不同而又相互聯(lián)系的概念［14］?？梢院唵蔚恼J(rèn)為，語言為“話”，言語為“說”，語言和言語共同構(gòu)成了言語活動，即“說話”。類比語言和言語的概念區(qū)分，本文界定了符號、符號設(shè)計及符號設(shè)計活動這3個基本概念，三者之間的關(guān)系如圖1所示。符號（類比“語言”）是指面向某一領(lǐng)域的約定的符號標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或體系；符號設(shè)計（類比“言語”）是指符號設(shè)計者（或使用者）通過自己的構(gòu)思創(chuàng)造（或使用）符號的一種心理過程，是人駕馭符號語言能力的體現(xiàn)；符號及符號設(shè)計構(gòu)成了符號設(shè)計活動的內(nèi)容。圖1符號、符號設(shè)計以及符號設(shè)計活動Fig．1Symboldesignactivities明確區(qū)分符號及符號設(shè)計的概念，才能真正使得地圖符合人類“第二語言”這一稱謂。這是因為：語言最為重要的特征在于交流，交流是一種雙向的信息傳輸過程。作為人類第二語言的地圖，理應(yīng)具備空間信息雙向傳輸（即交流）的能力，而這一能力體現(xiàn)在符號設(shè)計活動之中：符號設(shè)計者（或使用者）通過設(shè)計（或使用）地圖符號進行空間信息的表達、傳輸和理解，實現(xiàn)空間知識的雙向、互動交流，并最終實現(xiàn)地圖符號語言的地理空間認(rèn)知。相關(guān)概念（1）語義特征———亦稱義素，反映了空間要素和現(xiàn)象的客觀本質(zhì)，是憑經(jīng)驗或?qū)陀^事物本質(zhì)的了解而分析出來的語義成素。語義特征與詞所表達的真實世界的本體有著密切聯(lián)系。（2）符素———是借鑒語言學(xué)中“語素（mor－pheme）”的概念定義的，即一定圖形形式和概念語義的最小結(jié)合單位。區(qū)別于符號，其不可以獨立用于符號表達；區(qū)別于基本幾何圖元，其具有一定的語義內(nèi)涵（基本幾何圖元僅是圖形成素）。符素是地圖符號圖形結(jié)構(gòu)中，介于符號和基本幾何圖元層次之間的概念。（3）組合、聚合語義關(guān)系———組合語義關(guān)系是符號所表達的對象或?qū)ο箢愔g的部分整體關(guān)系，具有序列性、整體性和擴展性等特點；聚合語義關(guān)系也稱上下義關(guān)系，即一個類包含于另一個類，包含其他類的類中的詞稱為上義詞，被其他類包含的類中的詞稱為下義詞，具有類型性、繼承性和置換與推理等特點［15－16］。符號設(shè)計流程以地圖符號的語義結(jié)構(gòu)關(guān)系為骨架驅(qū)動符號圖形的構(gòu)造，語義結(jié)構(gòu)關(guān)系的約束使得所設(shè)計的地圖符號具有較為顯著的結(jié)構(gòu)化特征。語義驅(qū)動的層次化地圖符號設(shè)計流程如圖2所示。①對應(yīng)用領(lǐng)域的空間對象進行語義成分分析，提取語義特征詞匯。②符素表設(shè)計，即合理使用視覺變量，設(shè)計步驟①語義特征對應(yīng)的圖形形式，形成符素；符素表即為一定數(shù)量符素的集合。③根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域空間對象的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征，梳理符號系統(tǒng)語義的聚合關(guān)系，構(gòu)建聚合關(guān)系語義結(jié)構(gòu)模型。④單個符號組合關(guān)系語義描述，即對聚合關(guān)系語義結(jié)構(gòu)中的每一個節(jié)點（單個符號），形式化描述為符號語義的組合關(guān)系結(jié)構(gòu)；⑤符號圖形構(gòu)造，即根據(jù)符號組合關(guān)系語義結(jié)構(gòu)，通過選取特征語義對應(yīng)的符素圖形形式，組合構(gòu)造符號，完成符號設(shè)計；⑥按照符號設(shè)計的一般原則，對符號進行一定程度的簡化、美觀等操作；⑦遍歷聚合關(guān)系語義結(jié)構(gòu)的每一個節(jié)點，設(shè)計構(gòu)造每一個節(jié)點對應(yīng)的符號圖形形式，完成整個應(yīng)用領(lǐng)域的符號系統(tǒng)設(shè)計。圖2語義驅(qū)動的層次化地圖符號設(shè)計流程Fig．2Thedesignflowofthesemantic－drivenhierarchicalmapsymbols從圖2看出，語義驅(qū)動的層次化地圖符號設(shè)計方法的4個關(guān)鍵步驟是：語義特征提取（①）、符素設(shè)計（②）、語義建模（③）和符號構(gòu)造（④、⑤），下文將對其進行詳細分析。

地圖符號設(shè)計方法

基于本體層次的語義特征提取在語言學(xué)、本體論和地理本體研究中，語義特征的提取尚無有效理論。例如，地理本體研究領(lǐng)域，常見的做法是通過收集和整理文獻資料、領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜抑R等方法實現(xiàn)領(lǐng)域知識規(guī)范化，歸納概念語義［17］。從目前的研究情況來看，語義特征提取的主要手段是依靠經(jīng)驗和內(nèi)省的方法，如杜清運［15］采用Guarino等的“本體層次”理念對空間信息的語義特征進行了系統(tǒng)歸納，例如：（1）物質(zhì)（部分－整體層次）：水、土、泥、石、沙、植物、人造材料等；（2）形態(tài)（形態(tài)層次）：流動、靜態(tài)、自然彎曲、規(guī)則形態(tài)、維度等；（3）大?。ㄐ螒B(tài)層次）：大、中、小等；（4）功能（功能層次）：交通、阻隔、居住、蓄積、旅游、養(yǎng)殖等；（5）等級（社會層次）：政治、經(jīng)濟、文化等。其中，部分－整體層次、形態(tài)層次、功能層次等即為本體層次。以地圖符號表征的地理要素的語義特征為例，可以進行如下的語義成分分析，進而得到語義特征：（1）河流－［水］＋［流動］＋［自然彎曲］＋［交通］＋［現(xiàn)狀］；（2）湖泊－［水］＋［靜態(tài)］＋［旅游］＋［養(yǎng)殖］＋［面狀］；（3）公路－［人造材料］＋［交通］＋［約束彎曲］＋［線狀］＋［經(jīng)濟含義］；（4）圍墻－［人造材料］＋［阻隔］＋［規(guī)則形態(tài)］＋［線狀］；（5）建筑－［人造材料］＋［居?。荩垡?guī)則形態(tài)］＋［面狀］＋［阻隔］＋［政治、經(jīng)濟含義］；符素設(shè)計符素是本文符號設(shè)計方法的核心概念，是區(qū)別于傳統(tǒng)符號設(shè)計方法的重要特征。符素對地圖符號的構(gòu)成具有重要的承上啟下作用：首先，符素是以基本幾何圖元（可參見文獻［18］）和視覺變量構(gòu)造而成，其自身是數(shù)量有限的，但有限數(shù)量的符素可組合成無限數(shù)量的符號系統(tǒng)。其次，由于符素具有一定的語義概念，基于符素進行符號設(shè)計，降低了符號語義形式化描述的難度。最后，符素統(tǒng)一了地圖符號的圖形和語義的組合關(guān)系，使得符號更易于識別和解譯，提高了地圖符號的易用性。符素的設(shè)計應(yīng)包含以下3個主要原則，以文獻［19］和［20］為參照原型進行說明：（1）繼承原則現(xiàn)有基本比例尺地圖符號或?qū)ｎ}圖符號標(biāo)準(zhǔn)，均已經(jīng)過了長期的設(shè)計實踐積累，具有很高的科學(xué)性和廣泛的認(rèn)知慣性。符素是構(gòu)成符號的基礎(chǔ)，因此符素設(shè)計可遵從認(rèn)知的慣性，從已有符號設(shè)計成果中汲取經(jīng)驗，在繼承的基礎(chǔ)上創(chuàng)新。最為簡單有效的方法就是分析現(xiàn)有的符號規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，抽象提取滿足符素條件的基本“圖形－語義”結(jié)構(gòu)作為符素。表1為從文獻［19］、［20］抽取出來的符素，并標(biāo)注有其表征的特征語義。（2）對立與統(tǒng)一原則統(tǒng)一是指對某一類型語義特征，應(yīng)使用相同視覺變量的不同值進行表達。例如，在設(shè)計有系列關(guān)系的符素時，可使用不同顏色或尺寸變量進行表達，而不能部分應(yīng)用顏色變量而部分應(yīng)用尺寸變量。對立是指符素設(shè)計應(yīng)能體現(xiàn)顯著的區(qū)分特點。對立與統(tǒng)一原則能夠保證符素能夠清晰、易識別且不失系統(tǒng)規(guī)律特點。例如，可以使用顏色表示公路等級，但不同等級公路的顏色應(yīng)當(dāng)具有顯著的可分辨特點。（3）相似與抽象原則相似是指所設(shè)計的符素圖形形式應(yīng)能夠抓住其所表征的對象的某一特征，體現(xiàn)特征的相似性，以激發(fā)人的聯(lián)想。抽象是指符素設(shè)計應(yīng)注意符素圖形形式的抽象設(shè)計，抓住對象的最主要特征，使得符素簡單、規(guī)則。在符素設(shè)計過程中應(yīng)把握這二者之間的平衡，過于抽象則符素難以識別，過于相似則易喪失簡潔特點。聚合關(guān)系語義結(jié)構(gòu)建模聚合關(guān)系語義結(jié)構(gòu)建模與本體建模具有強烈的類同性。本體建模元語中，具有4類重要的概念之間的關(guān)系：part－of，kind－of，instance－of，attrib－ute－of［21］。就本質(zhì)而言，符號語義的聚合關(guān)系即為本體建模元語中的kind－of關(guān)系，因此，本文認(rèn)為聚合關(guān)系語義結(jié)構(gòu)建模可視為kind－of這一特殊語義關(guān)系的本體建模。當(dāng)前，關(guān)于本體的開發(fā)或建立方法，基本上均采用手工方式，沒有形成一個統(tǒng)一的工程方法。歸納起來，比較著名的本體建模方法有MikeUscholdded＆King的“骨架法”、Gruninger＆Fox的企業(yè)建模法、Gomez－Perez等的Meth－ontology方法等［21］。總結(jié)這些本體建模方法，其一般步驟是：①明確本體范圍：即梳理所要建模的本體范圍，定義本體的邊界條件；②本體建立階段：即進行領(lǐng)域本體的獲取、概念化、確定概念之間的關(guān)系、本體的形式化語言描述以及本體集成等；③評價與文檔化：進行已構(gòu)本體的評估和標(biāo)準(zhǔn)化，并最終形成本體成果并。在這3個步驟中，與聚合關(guān)系語義結(jié)構(gòu)建模密切相關(guān)的是本體的建立階段，借鑒于上述對本體建立方法的分析，總結(jié)了聚合關(guān)系語義樹構(gòu)建的一般步驟，如圖3所示。其中，最為重要的步驟就是對象概念的語義分析，并確定與其他對象語義之間的聚合關(guān)系。目前，本體構(gòu)建方法仍無法實現(xiàn)自動化建模，需要人的參與和領(lǐng)域?qū)＜抑R的指導(dǎo)，對領(lǐng)域知識越了解，其所構(gòu)建的語義聚合關(guān)系也就越完善和科學(xué)。根據(jù)聚合語義結(jié)構(gòu)建模的流程，結(jié)合文獻［20］可得到以下基礎(chǔ)地理信息符號相關(guān)的聚合語義結(jié)構(gòu)，如圖4所示。國家基本比例尺地形圖符號第一等級可劃分為測量控制點、水系……植被與土質(zhì)、注記等大類。每一大類均可以繼續(xù)按照聚合關(guān)系進行細分，例如，測量控制點可分為三角點、埋石點、……等小類；三角點還可以分為（常規(guī)）三角點和土堆上的三角點。通過這一方式，可以有效地將整個基本比例尺地形圖符號組織為一個完整的聚合關(guān)系樹形結(jié)構(gòu)模型。圖4基本比例尺地形圖符號聚合語義結(jié)構(gòu)Fig．4Associativerelationstructureoffundamentalscalemapsymbols4．4語義驅(qū)動的地圖符號生成本節(jié)主要討論的是由符素組合為一個完整地圖符號的方法。首先，地圖符號的語義應(yīng)該包括有以下兩個部分構(gòu)成：＜符號語義＞：：＝＜構(gòu)詞規(guī)則語義＞｜＜符素語義＞其中，構(gòu)詞規(guī)則語義是指符號不同的空間造型賦予符號的含義；符素是構(gòu)成符號的基礎(chǔ)材料，因此，符素語義是符號語義的主體構(gòu)成部分。其次，單個符號組合關(guān)系語義形式化描述。組合語義關(guān)系亦稱部分整體關(guān)系，主要體現(xiàn)在“符素→符號”的構(gòu)造環(huán)節(jié)中。以語義“土堆上的三角點”為例，可以將其分解為如圖5（a）所示的組合語義分解結(jié)構(gòu)。其中，“土堆上的三角點”、“三角點”為語義特征的組合結(jié)構(gòu)，其余為獨立語義特征，該符號的語義對應(yīng)的圖形符號組織方式如圖5（b）所示。最后，根據(jù)符號語義的組合關(guān)系形式化描述模型，驅(qū)動符號構(gòu)造生成。圖6示例了語義驅(qū)動的地圖符號構(gòu)建流程，符素“測量控制點”和符素“三角測量相關(guān)的”可以按照獨立構(gòu)造規(guī)則組合為“三角點”組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以作為獨立的符號出現(xiàn)，也可以作為組合更高一級符號的符素。符素“土堆”采取了極向旋轉(zhuǎn)重復(fù)構(gòu)詞規(guī)則與符素“三角點”組合成“土堆上的三角點”符號。還可以進一步通過其他構(gòu)造規(guī)則，添加例如高程、比高等語義信息，構(gòu)建更為復(fù)雜、詳細的符號。圖6語義驅(qū)動的地圖符號構(gòu)建流程Fig．6Theconstructionflowofthesemantic－drivenmapsymbols語義驅(qū)動的符號生成方法具有以下典型特征：第一，符號的最終設(shè)計樣式取決于語義信息的詳細程度：語義信息越豐富，符號樣式越詳細具體，也更容易認(rèn)知，反之亦然。第二，符號具有顯著的結(jié)構(gòu)規(guī)律可循，亦即符號設(shè)計時符素、構(gòu)造規(guī)則是根據(jù)符號所蘊含的語義信息進行選取的，語義信息決定了符號的最終樣式。第三，對于每一個符號，均可以使用這種方法將其分解為組合語義結(jié)構(gòu)，進而根據(jù)該結(jié)構(gòu)組構(gòu)符號。

地圖符號設(shè)計實驗

本文設(shè)計了一組認(rèn)知實驗，用于驗證語義驅(qū)動的層次化地圖符號設(shè)計方法是否具有可行性和科學(xué)性。實驗設(shè)計與實施（1）實驗素材：素材I為從文獻［19］中選取的部分符號組成；素材II是利用本文符號設(shè)計方法，對素材I進行重構(gòu)改進而成。素材II包含有2個部分：一是符素表部分，將符素顯式地展現(xiàn)給被試人員；二是按照聚合語義層次結(jié)構(gòu)組織的符號系統(tǒng)。（2）實驗人員：被試人員主要為信息工程大學(xué)二年級本科學(xué)員共計47人，所有人員視力、智力等各方面正常，但不具備地圖符號的學(xué)習(xí)知識基礎(chǔ)。實驗一：不同符號系統(tǒng)認(rèn)知效率測試實驗。本實驗通過測量兩套素材在認(rèn)知效率上的數(shù)值指標(biāo)，數(shù)字化測定符號認(rèn)知效率，以驗證本文符號設(shè)計方法能否一定程度上提高符號認(rèn)知效率。本實驗設(shè)計6次“訓(xùn)練→測試”循環(huán)，每次循環(huán)均給定訓(xùn)練時間（3～5min不等）。實驗結(jié)果如圖7（a）所示。圖7（a）實驗一認(rèn)知正確率均值和方差曲線Fig．7（a）MeanandvariancecurveofcorrectratioofthecognitiveexperimentI實驗二：符號信息傳輸過程模擬實驗。本實驗通過模擬自然語言交流過程，驗證本文符號設(shè)計方法是否具有“語言交流機制”這一特征。實驗方法是通過給定語義，被試A（或B）設(shè)計符號，并交予被試B（或A）識別解譯，并通過相似度判斷信息傳輸效率。實驗共有6次循環(huán)，其結(jié)果如圖7（b）所示。圖7（b）實驗二相似度比率均值和方差曲線Fig．7（b）MeanandvariancecurveofsimilarityratiooftheexperimentII5．2結(jié)果分析由于所有被試人員不具備地圖符號的學(xué)習(xí)知識基礎(chǔ)，因此，本實驗結(jié)果反映了符號系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、掌握和使用的效率。本次實驗不討論被試具備地圖符號學(xué)習(xí)經(jīng)驗基礎(chǔ)的情況。實驗一結(jié)果表明：①總體趨勢上，兩套素材的識別正確率均隨著學(xué)習(xí)時間的累積而提高，且標(biāo)準(zhǔn)差隨時間累積而降低，反映了被試學(xué)習(xí)并掌握符號系統(tǒng)能力的提升；②重構(gòu)后的素材II正確率均值均高于素材I，反映了本文符號設(shè)計方法在符號認(rèn)知效率方面的高效性；③6次實驗正確率方差曲線表明，重構(gòu)后的符號系統(tǒng)在統(tǒng)計意義上具有更好的穩(wěn)定性。因此，可以認(rèn)為本文符號設(shè)計方法在符號認(rèn)識效率測試方面表現(xiàn)較優(yōu)。實驗二結(jié)果表明：6次實驗中，重構(gòu)后的符號系統(tǒng)在信息傳輸效率方面均較優(yōu)，且方差呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，這說明了本文重構(gòu)的符號系統(tǒng)在模擬信息傳輸過程實驗中體現(xiàn)了較為穩(wěn)定的高傳輸效率。

本文論述以空間對象的語義結(jié)構(gòu)關(guān)系為核心、以地圖符號圖形設(shè)計與理解為目標(biāo)，特點在于面向領(lǐng)域本體的符號設(shè)計，使得符號更具有語義自明能力，以便于識別、理解和應(yīng)用。一方面，通過符素表、語義結(jié)構(gòu)驅(qū)動地圖符號生成，提高了符號設(shè)計的系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)性；另一方面，符號設(shè)計者和使用者均能夠掌握符號設(shè)計能力，設(shè)計者通過這一能力完成符號設(shè)計的信息編碼，使用者則通過這一能力完成符號信息的解碼，設(shè)計者和使用者共同參與符號設(shè)計活動，能夠有效提升地圖符號的信息感知效率。

本文作者：田江鵬賈奮勵夏青吳金兵工作單位：信息工程大學(xué)