基礎(chǔ)電子地圖變化規(guī)律的探究范文

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1基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量的計(jì)算及變化趨勢(shì)分析

為了探究基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量隨比例尺變化的規(guī)律，筆者進(jìn)行了多個(gè)比例尺電子地圖載負(fù)量數(shù)據(jù)的計(jì)算和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在全尺度范圍內(nèi)，基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量隨比例尺變化規(guī)律呈“雙峰”型而不是紙質(zhì)地圖的“S”型。

1.1基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量的計(jì)算及數(shù)據(jù)的獲取

本文采用基于RGB特征提取要素顏色的方法自動(dòng)計(jì)算電子地圖面積載負(fù)量，即地圖的面積載負(fù)量是指圖上要素符號(hào)和注記所占面積與圖幅總面積之比，就是計(jì)算要素所占像素的個(gè)數(shù)與總像素個(gè)數(shù)之比。其中，可以根據(jù)要素顏色和背景顏色在RGB值域上的差別。為了使結(jié)果更加科學(xué)，筆者對(duì)目前流行的多個(gè)地圖網(wǎng)站的電子地圖進(jìn)行了分析。在全尺度范圍內(nèi)（本文研究的比例尺范圍確定為1∶3000到1∶2億），以電子地圖的17個(gè)級(jí)別為樣本，截取各個(gè)地圖網(wǎng)站不同級(jí)別下同一視窗內(nèi)的電子地圖，將每種尺度下的電子地圖轉(zhuǎn)化為柵格圖像，計(jì)算地圖要素和注記的面積與整個(gè)視窗的面積之比，獲取了同一地區(qū)（北京）不同電子地圖網(wǎng)站的面積載負(fù)量（表1）和同一網(wǎng)站不同密度區(qū)域的電子地圖載負(fù)量（表2）。此時(shí)載負(fù)量的單位為百分比，與紙質(zhì)地圖不同。不同地圖網(wǎng)站電子地圖載負(fù)量的總體變化趨勢(shì)相同，但細(xì)化到每一個(gè)比例尺時(shí)還存在差異，這與數(shù)據(jù)來(lái)源和可視化符號(hào)不同有一定關(guān)系。

1.2基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量的數(shù)據(jù)處理和變化曲線(xiàn)擬合

考慮到不同網(wǎng)站和不同區(qū)域的差異性，筆者對(duì)幾十組數(shù)據(jù)進(jìn)行了以下預(yù)處理：首先剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；其次，把尺度級(jí)別轉(zhuǎn)換為比例尺，并考慮到比例尺分母跨度較大，對(duì)其進(jìn)行了換算，然后，對(duì)表2中同一尺度不同密度區(qū)的數(shù)據(jù)取平均值，得到了如表3所示的全尺度范圍內(nèi)的電子地圖載負(fù)量均值。其中M表示比例尺分母；x（lgM）表示比例尺分母M以10為底取對(duì)數(shù)的換算值；y表示面積載負(fù)量。建立載負(fù)量隨比例尺變化的曲線(xiàn)，從而能夠更直觀地分析電子地圖載負(fù)量的變化規(guī)律。在此，利用Matlab方法實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)的計(jì)算，具體過(guò)程如下：

1.2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理分為等步長(zhǎng)化插值和光滑處理兩步［15－16］。插值的方法采用目標(biāo)內(nèi)插法。將表3中的數(shù)據(jù)按照上述插值方法以軸作0．1步長(zhǎng)的插值處理，處理后得到的數(shù)據(jù)如表4所示，該表一共有47組數(shù)據(jù)，有效提高了曲線(xiàn)擬合的光滑性。

1.2.2曲線(xiàn)擬合在數(shù)據(jù)插值和光滑處理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)資料和反復(fù)試驗(yàn)，階數(shù)越高的多項(xiàng)式擬合越精確，因此，采用九階多項(xiàng)式對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。

1.3基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化曲線(xiàn)分析

擬合出來(lái)的曲線(xiàn)與“S”型曲線(xiàn)有較大的差別，即具有兩個(gè)波峰兩個(gè)波谷，故可以稱(chēng)之為“雙峰”型曲線(xiàn)。

1.3.1電子地圖載負(fù)量隨比例尺變化趨勢(shì)分析電子地圖屏幕載負(fù)量的變化曲線(xiàn)存在兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷，當(dāng)比例尺大于1∶2萬(wàn)時(shí)，面積載負(fù)量逐漸增加；當(dāng)比例尺小于1∶2萬(wàn)大于1∶80萬(wàn)時(shí)，面積載負(fù)量呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)比例尺小于1∶80萬(wàn)而大于1∶1000萬(wàn)時(shí)，面積載負(fù)量又呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)比例尺小于1∶1000萬(wàn)時(shí)，面積載負(fù)量又逐漸減小。因此，其總體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)為先逐漸增加，當(dāng)增加到最大值后，開(kāi)始衰減；在衰減的過(guò)程中又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由增加到衰減的起伏變化。

1.3.2不同網(wǎng)站的電子地圖載負(fù)量曲線(xiàn)分析對(duì)于不同的電子地圖產(chǎn)品它的波峰位置也不盡相同。如圖2所示，對(duì)比6個(gè)網(wǎng)站載負(fù)量變化曲線(xiàn)第一個(gè)波峰的位置：搜狗地圖和bing地圖在1∶1．5萬(wàn)左右，天地圖和百度地圖在1∶1．8萬(wàn)左右，我要地圖和Google地圖在1∶2萬(wàn)左右。雖然曲線(xiàn)波峰位置不一，但基本在1∶2萬(wàn)左右，符合變化規(guī)律第一個(gè)峰值的結(jié)論。

1.3.3不同密度區(qū)域電子地圖載負(fù)量曲線(xiàn)分析因?yàn)榈乩硪胤植嫉牟痪鶆蛐裕虼耍貓D上有的地方稀疏，有的地方密集。所以，即使在同一個(gè)電子地圖產(chǎn)品中，也會(huì)出現(xiàn)同一比例尺下不同區(qū)域的載負(fù)量值不同的情況。如圖3，分別是北京、貴陽(yáng)、甘肅天水和西藏那曲的載負(fù)量變化曲線(xiàn)，從圖中可以看出，在小比例尺部分載負(fù)量的值差異不大，均為0．2左右，但在大比例尺部分差異較大，北京地區(qū)峰值為0．69，而那曲僅為0．14。這就造成密集區(qū)載負(fù)量變化曲線(xiàn)的兩個(gè)峰值差異較大，擬合時(shí)甚至出現(xiàn)第2個(gè)波峰不明顯的情況，而稀疏區(qū)載負(fù)量變化曲線(xiàn)的兩個(gè)峰值差異較小，甚至第一個(gè)峰值比第2個(gè)峰值小。但是，即使在地理要素稀疏地區(qū)，其載負(fù)量的變化規(guī)律仍然是“雙峰”型。

2基于眼動(dòng)儀的基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化規(guī)律感知試驗(yàn)

本文利用眼動(dòng)研究，記錄并分析被試在觀看不同載負(fù)量電子地圖的過(guò)程中眼睛觀看的位置和查找目標(biāo)的時(shí)間，從而探尋出不同比例尺下基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量的變化規(guī)律。

2.1試驗(yàn)原理和環(huán)境

利用眼動(dòng)儀記錄人眼在瀏覽多尺度電子地圖時(shí)各眼動(dòng)參數(shù)，并從數(shù)據(jù)中分析人眼視覺(jué)與電子地圖載負(fù)量變化的聯(lián)系，進(jìn)一步驗(yàn)證基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化規(guī)律為“雙峰”型曲線(xiàn)。本試驗(yàn)選取不同比例尺（載負(fù)量不同）的多幅電子地圖，在每一幅電子地圖上設(shè)置尋找任務(wù)，通過(guò)記錄被試完成尋找任務(wù)的時(shí)間，得出比例尺與載負(fù)量的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，單位面積內(nèi)載負(fù)量愈大完成任務(wù)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，反之，單位面積內(nèi)載負(fù)量愈小完成任務(wù)所需的時(shí)間越短。本試驗(yàn)使用的儀器為瑞典進(jìn)口的獨(dú)立式To－biiX120眼動(dòng)儀，其多樣化的安裝方式使之適用于廣泛的研究領(lǐng)域。該眼動(dòng)儀可以記錄第一次注視點(diǎn)、注視時(shí)間、回視次數(shù)和注視點(diǎn)分布等多個(gè)參數(shù)。試驗(yàn)選取的被試者主要由地圖制圖學(xué)與地理信息工程專(zhuān)業(yè)大三、大四學(xué)員各20名組成，其中男女比例約為3∶1。被試者視力狀況良好，具備基本的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和電腦操作能力。其試驗(yàn)流程為被試者基本信息登錄、被試者預(yù)試驗(yàn)（主要是熟悉試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)內(nèi)容）、正式試驗(yàn)和數(shù)據(jù)記錄。

2.2試驗(yàn)內(nèi)容和方法

本試驗(yàn)選取了某網(wǎng)站成都地區(qū)的12幅不同比例尺的電子地圖，見(jiàn)表5。并設(shè)定了不同的任務(wù)，如在1∶50萬(wàn)地圖上查找成都市、在1∶25萬(wàn)地圖上查找紅旗水庫(kù)、在1∶12．5萬(wàn)地圖查找都江堰市云華寺等，如圖4所示。通過(guò)被試者完成任務(wù)的時(shí)間及熱點(diǎn)圖，分析人眼視覺(jué)隨不同比例尺（載負(fù)量）的變化趨勢(shì)。

2.3試驗(yàn)結(jié)果和分析

通過(guò)試驗(yàn)，可以得到20名被試者的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果包括兩類(lèi)：完成任務(wù)的時(shí)間和眼動(dòng)熱點(diǎn)圖。其中，完成任務(wù)時(shí)間（s）與比例尺的變化關(guān)系也呈現(xiàn)出“雙峰”型變化趨勢(shì)，與前面通過(guò)載負(fù)量計(jì)算得出的結(jié)論基本一致；通過(guò)熱點(diǎn)圖（圖6）可以看出被試者完成該任務(wù)的難易程度，熱點(diǎn)區(qū)域較多說(shuō)明完成該任務(wù)較難，熱點(diǎn)區(qū)域較少說(shuō)明完成該任務(wù)較容易，（c）的熱點(diǎn)區(qū)域較多，說(shuō)明尋找目標(biāo)的難度較大，所需時(shí)間就長(zhǎng)；（b）的熱點(diǎn)區(qū)域較少，說(shuō)明較容易尋找到目標(biāo)，所需時(shí)間就短。通過(guò)上述試驗(yàn)與分析，可以看出眼動(dòng)感知試驗(yàn)也說(shuō)明在全尺度范圍內(nèi)基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量與其比例尺的變化規(guī)律呈現(xiàn)為“雙峰”型。

3“雙峰”型基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化規(guī)律的機(jī)理分析

3.1“S”型曲線(xiàn)的形成及特點(diǎn)分析

“S”型曲線(xiàn)載負(fù)量變化規(guī)律是在紙質(zhì)地圖、系列比例尺（1∶1萬(wàn)、1∶2．5萬(wàn)、1∶5萬(wàn)、1∶10萬(wàn)、1∶20萬(wàn)、1∶50萬(wàn)、1∶100萬(wàn)）條件下通過(guò)計(jì)算不同比例尺的載負(fù)量和插值計(jì)算形成的。其中M為比例尺分母。“S”型曲線(xiàn)具有以下特點(diǎn)：

（1）“S”型曲線(xiàn)是由系列比例尺地圖載負(fù)量擬合出來(lái)的。該系列比例尺下，各個(gè)尺度的地圖內(nèi)容以及地圖要素類(lèi)型變化較小，各個(gè)尺度表示的主要要素是：居民地、地貌、水系、道路和境界等。

（2）從大比例尺到小比例尺，地圖載負(fù)量逐漸增加。對(duì)于紙質(zhì)地圖來(lái)說(shuō)，當(dāng)把大比例尺的地圖要素縮編到小比例尺地圖上時(shí)，由于地圖圖幅面積的減小，圖面勢(shì)必會(huì)越來(lái)越擁擠，即地圖載負(fù)量越來(lái)越大，其相應(yīng)的載負(fù)量變化規(guī)律符合“S”型曲線(xiàn)。

（3）地圖載負(fù)量隨比例尺的變化是一種典型的受限增長(zhǎng)，因?yàn)閳D面的最大承載力是有限的。若考慮到地圖的清晰易讀性等要求，則圖面承載力就更為有限了。

3.2“雙峰”型基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化規(guī)律的形成機(jī)理

通過(guò)上述定量分析和感知試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在全尺度范圍內(nèi)，基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)為“雙峰”型，而不是紙質(zhì)地圖的“S”型，究其原因，主要有如下幾個(gè)方面：

（1）電子地圖的表示內(nèi)容不再固化。

對(duì)于系列比例尺地形圖來(lái)說(shuō)，地圖主體內(nèi)容和表示方法相對(duì)固定，因而紙質(zhì)地圖載負(fù)量值的變化范圍相對(duì)較小。而對(duì)于電子地圖來(lái)說(shuō)，隨著地圖用途、用戶(hù)的多樣性，基礎(chǔ)電子地圖表示的內(nèi)容大大增加，不僅有系列比例尺地圖上的內(nèi)容，而且還有許多用戶(hù)關(guān)注的其他要素，如獨(dú)立地物的種類(lèi)大大增加等。因此，電子地圖載負(fù)量值的變化范圍相對(duì)較大，有的地圖載負(fù)量較小，有的地圖載負(fù)量又很大。

（2）電子地圖的表達(dá)方法豐富多彩。

由于計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，電子地圖表達(dá)方法形式多樣、豐富多彩，影響到電子地圖載負(fù)量值的變化范圍。一方面，符號(hào)類(lèi)型大大增加，不僅有二維符號(hào)還有三維符號(hào)；不僅有線(xiàn)劃矢量符號(hào)，還有載負(fù)量較大的圖片柵格符號(hào)；不僅有一般效果符號(hào)，還有特殊效果（陰影、描邊、漸變等）符號(hào)等。另一方面，表示方法不僅有圖形符號(hào)法、色彩表示法，還有注記表示法、多媒體表示法等，因此，有的符號(hào)樣式或表達(dá)方法所占面積較大。如圖8所示，街區(qū)的表達(dá)方式所占面積較大，相應(yīng)的載負(fù)量的值為0．36；居民地大多采用外圍輪廓形狀的符號(hào)表示，突出顯示區(qū)域位置和地理要素之間的方位關(guān)系，因而載負(fù)量較小。

（3）電子地圖的尺度范圍跨度較大。

對(duì)于紙質(zhì)地圖載負(fù)量變化規(guī)律的研究主要集中于7種系列比例尺的地形圖。而對(duì)于電子地圖來(lái)說(shuō)，由于其無(wú)級(jí)縮放的優(yōu)勢(shì)，載負(fù)量變化規(guī)律的研究是在全尺度范圍內(nèi)的，比例尺跨度大，影響因素更為復(fù)雜。目前，網(wǎng)絡(luò)電子地圖尺度數(shù)量可以達(dá)到20個(gè)尺度。

（4）電子地圖的顯示方式靈活多樣。

在電子地圖條件下，電子地圖提供給用戶(hù)多種顯示方式來(lái)查看重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，如分層瀏覽、放大顯示、動(dòng)態(tài)閃爍等。當(dāng)比例尺縮小時(shí)，為了保證地圖的清晰性和美觀性，用戶(hù)常常把非熱點(diǎn)圖層關(guān)閉；當(dāng)比例尺增大時(shí)，為了獲取更多的細(xì)節(jié)，常常打開(kāi)更多的圖層。有的圖層的要素少，表示方法簡(jiǎn)單，因而載負(fù)量的值變化不大；而有的圖層的要素會(huì)出現(xiàn)劇烈變化的情況，因而載負(fù)量的值變化較大。比例尺為1∶1000萬(wàn)，相應(yīng)的載負(fù)量的值為0．22，和圖10（1∶80萬(wàn)）比較起來(lái)，載負(fù)量的值較大，這是因?yàn)楸磉_(dá)的地圖要素種類(lèi)較多。在1∶1000萬(wàn)圖上，詳細(xì)表達(dá)了各級(jí)道路、居民地等幾何信息和注記信息，這些要素造成了地圖載負(fù)量的劇增。而在1∶80萬(wàn)的地圖上，只表示了城市的概略位置和主要道路的分布情況，要素較少，注記也少，載負(fù)量就小。

4結(jié)論

電子地圖條件下，由于電子地圖尺度范圍、表示內(nèi)容、表達(dá)方式和應(yīng)用特點(diǎn)等的變化，使得傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖載負(fù)量的“S”型模型，在某些方面不能準(zhǔn)確地表達(dá)電子地圖載負(fù)量的變化規(guī)律。為此，本文研究了基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化規(guī)律，創(chuàng)新點(diǎn)在于：①?gòu)碾娮拥貓D載負(fù)量的計(jì)算方法和實(shí)際數(shù)據(jù)獲取入手，通過(guò)載負(fù)量計(jì)算、數(shù)理分析，發(fā)現(xiàn)了基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化呈“雙峰”型，并設(shè)計(jì)了基于眼動(dòng)儀的地圖感知試驗(yàn)，對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證；②分析了“雙峰”型基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化規(guī)律的形成機(jī)理。對(duì)“雙峰”型基礎(chǔ)電子地圖載負(fù)量變化規(guī)律的探究，不僅明確了電子地圖載負(fù)量與紙質(zhì)地圖載負(fù)量變化規(guī)律的區(qū)別，而且能為基礎(chǔ)電子地圖的多尺度動(dòng)態(tài)顯示模型的建立提供有力的依據(jù)。（本文來(lái)自于《測(cè)繪學(xué)報(bào)》雜志。《測(cè)繪學(xué)報(bào)》雜志簡(jiǎn)介詳見(jiàn).）

作者：江南曹亞妮孫慶輝張昊谷宇航單位：信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室61540部隊(duì)