摘要：随着空间数据要素的丰富和场景差异粒度细化，同质化的电子地图严重影响空间数据辅助决策效果。本文提出一种场景化电子地图设计概念框架，明确了应用场景的定义和分类规则，确定了应用主题、客观环境、目标用户和制图内容4大类别，并归纳出差异化场景对电子地图的内在要求。根据上

本文内容来源于《测绘学报》2024年第11期（审图号GS京(2024)2421号）

场景化电子地图设计概念框架及实践

1.武汉大学资源与环境科学学院城市计算与可视化研究室，湖北 武汉 430079

2.

3.

基金项目

第一作者：亢孟军（1983—），男，博士，副教授，研究方向为智能制图理论方法。 E-mail：

通讯作者:陈舒颖 E-mail：shuyingchen@whu.edu.cn

摘要

随着空间数据要素的丰富和场景差异粒度细化，同质化的电子地图严重影响空间数据辅助决策效果。本文提出一种场景化电子地图设计概念框架，明确了应用场景的定义和分类规则，确定了应用主题、客观环境、目标用户和制图内容4大类别，并归纳出差异化场景对电子地图的内在要求。根据上述要求，本文提出了一种场景化电子地图设计方法，通过场景暗示的符号系统搭建、语义驱动的符素组合表达等具体的设计手段，完成电子地图设计。列举3个需求案例，从场景提取、数据组织和电子地图设计整个流程验证本文方法，通过认知试验表明：基于本文方法设计的场景化电子地图在视觉处理、视觉搜索、认知负担方面的有效性，以及认知效果的预期一致性，为场景化电子地图设计提供了理论依据和实践路径。

关键词

电子地图设计地图认知应用场景符号

本文引用格式

亢孟军, 陈舒颖, 翁敏, 苏世亮, 杜清运, 王少一.

KANG Mengjun, CHEN Shuying, WENG Min, SU Shiliang, DU Qingyun, WANG Shaoyi.

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电子地图设计受传统制图理念的影响，长期处于经验制图而非用图设计的不成熟状态，并陷入阶段性艺术规范和设计模仿的思维定式，以位置导航和商业消费服务为目的的产品设计，远大于对实用和形式美学的追求[1]。电子地图制图者经常忽视场景差异导致的用户个性化需求，而以主观审美开展设计工作，未能遵循用户地图认知是艺术设计前提这一准则。

电子地图与技术、生产和生活的关系日益紧密，其背后的理论框架和设计实践有待进一步探索。人类学本体论关注人类的行为、文化和认知方式，为各领域提供了深入有效的人性化洞察力[2]。当前，以人类学本体论为代表的思维方法融入空间设计价值观，设计师开始注重以形传神、以情寄物、以道融器，建立设计产品与人类社会文化心理结构间的紧密联系，推广到电子地图设计领域，即根据用户地图认知和应用的需求，进行场景分类及针对性设计，实现场景化电子地图表达。然而，当前电子地图的场景化设计尚未得到广泛关注，缺少对场景的明确定义和界定，以及从制图角度开展的设计实施。

电子地图设计与表达的发展分为4个阶段，全面反映了地图设计与社会经济发展的密切关系及内在推动力。

（1）空间表征（geo-spatial representation）：电子地图从出现、完善到流行。计算机制图技术变革初期，电子地图采用仿纸质地图的设计样式，向读者呈现突破印刷媒介时空约束和数据量限制的信息内容，并逐渐由二维静态向多维动态表达跨越[3]。

（2）空间分析（geo-spatial analysis）：电子地图功用从数据表达扩展到数据探索。时空数据获取、处理能力日益提升，激发了数据产品深加工需求[4]。电子地图趋向引入更具语义密度的定制信息，集成科学可视化、综合分析等信息挖掘服务，实现地理要素外观和内在的联合表征[5-6]。

（3）空间服务（geo-spatial service）：电子地图的通用化信息管理与技术创新时期[7]。商业经济产出诉求被强化，电子地图成为一种新型生产资料，寻求自动化制图与更新，并通过高精定位、智能导航等技术提升电子地图产品效益。这是电子地图技术突破的重要阶段[8]。

（4）空间体验（geo-spatial experience）：技术赋权、参与民主化进一步解放个体表达意愿，电子地图成为用户自我呈现的一种重要形式。人类文化情感表达需求的提升，要求把地图看作具有美学意义的事物[9-11]。电子地图设计不再囿于自适应制图的固化范式及技术评价指标，通过虚拟现实等手段化为寄托情感与想象的意识工具，强调表达方式带来的认知体验[12-15]。

电子地图设计的场景化演进是上述发展趋势的延续，这一过程围绕谁在设计（who）、如何设计（how）、设计何用（what use）3个认识问题不断深化，进而基于众包时代公众对自我价值的觉察并期待掌控空间信息[16]、数据来源和技术手段多元化发展[17]及多学科交流[18-20]等原因产生了个性化电子地图需求[21]。场景化是对这些需求的深刻理解和设计响应。

本文提出一种场景化电子地图设计概念框架（图1），将人类学本体论融入电子地图场景化理论，并进一步明确场景化电子地图的设计实施，具体包括：①基于应用过程产生的多元需求引入分类场景，明确不同场景对电子地图的内在设计要求；②从符号系统的整体认知入手，基于个体遵循的视觉认知规律，量化人眼感知量所需的地图刺激量结构参数，搭建符号系统视觉层级；③强调符号个体的意义认知，基于场景建构的形态外延和文化内涵，将语义信息转译为相应符素，进行多通道符号表达。

图1 场景化电子地图设计概念框架

Fig.1 Conceptual framework of scene-based electronic map design

场景化电子地图是基于一定情景，设计适于应用主旨理解的可视化形式，从而协助识图者进行认知的虚拟空间载体。

场景（scene）是指行为主体活动发生的上下文（context）结构、特征和功能等。从制图信息传输过程来看，可以归纳出涵盖不同传输阶段和不同粒度的场景[22-23]。而面向地图用户的应用需求，挖掘视觉分析潜力，提供应用场景沉浸感的场景化设计，才能真正发挥电子地图对地理现象的演绎能力。

因此，本文将场景定义为电子地图的应用场景（以下称“场景”），即由特定地理属性和人文属性所组成，与识图过程中知识、视觉、操作协同的电子地图应用上下文环境。场景建立起识图者认知情景与地图精细化表达的双向耦合，提高了人们对高层语义信息的感知速度与理解深度。

电子地图场景作为自媒体形式艺术范畴的概念，强调面向用户的亲和性，以人的识图需求为分类规则，将预期结果需求、虚拟-现实感受关联需求、接收源兼容性需求、发送源可靠度需求等不同阶段的应用需求具象为应用主题、客观环境、目标用户、制图内容4大类别[24-26]。各类别相互关系如图2。

图2 场景类别关系

Fig.2 The relationship among scene categories

表1为完全的场景分类体系。场景由某一应用主题主导，多指标组合而成[27]。

表1场景分类

Tab.1

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（1）应用主题类别。电子地图根据专题性质强弱分为专题电子地图、基础电子地图两类，其场景化分别可概述为行业专题、目的导向的风格化。

（2）客观环境类别。具体包括电脑等设备环境、年代等时间环境、城市等空间环境、天气等自然环境、节庆等人文环境。以设备环境为例，设备间因环境光、软硬件配置等参数区别将产生一定的显示效果差异。

（3）目标用户类别。不同用户受年龄、性别等基础因素和识图能力等行为因素的影响，存在一定的图形化方式选取偏好。如，从事设计属性职业的人更容易接受新颖跳脱的地图风格，艺术抽象符号及不完全还原的比例关系对识图能力较强的用户更加友好。

（4）制图内容类别。制图内容的专题及空间属性共同决定了表现形式。专题属性上，定性数据需保证元素的视觉区分度足够，定量数据则需能够展现值级关系的元素来支持；空间属性上，几何类型、空间维度及其分布特点对应不同的空间数据表示方法[28]。

差异化场景表现出不同的要素特征，这些特征对应的内在设计要求见表2[29-31]。

表2场景对电子地图的设计要求

Tab.2

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展开而言，关系依赖存在于满足再分析条件的（非）空间信息。具有明显关系依赖的场景，可通过数据的加工处理及分析模拟，直观呈现提取后的统计关系。语义依赖存在于辅助空间知识理解的应用描述。面向特定主题的场景，应强化对系统构图与层次结构的编排设计，实现信息聚焦与多尺度表达目标。背景依赖存在于包含历史底蕴或人文关怀的客观环境。具有背景内涵的场景，符号设计过程需适应场景变化，将隐喻文化转译到地图表达的符号成分中[32-33]。而形式依赖存在于目标用户提出的一定生产形式需求。针对群体特殊需求，当尽量满足其实景街景、视频信息等视觉效果需要，完成多源集成-多媒体兼容展示[34]。

场景化电子地图设计利用场景理论规划配置电子地图。总体设计框架如图3[35-36]所示。

图3 场景化电子地图设计框架[35-36]

Fig.3 Design framework of scene-based electronic map[35-36]

场景暗示的符号系统搭建，即根据场景特征，暗示各图层空间认知和场景表达的重要程度，并基于此进行电子地图视觉层次设计，形成读者的识图文脉[37]。依赖电子地图的多尺度特性，使读者构成宏观到微观对整体空间形态、区域分布特征及个体细节信息的空间认知[38]。

本文将场景化层次结构设计原则概括为：强化场景相关-认知重要要素与其周围的视觉对比，引导用户产生外源性注意[39]。设计手段包括：①增加尺寸、饱和度等视觉变量成分造成视觉反差；②通过立体阴影、加粗廓线突出场景区域边界，或叠加透明度、降低分辨率削弱非场景环境创建目标特写[40-41]。

视觉层次通过量化多层结构和扩展结构参数进行详细设计[42-43]。结合设计经验及可用性测试，场景层变量差阈值见表3。当达到分辨图形细节的视力敏锐度、感知层级之间差异的反差敏感度标准时，跨度较大的多层结构突显长调生动感，跨度较小的扩展结构呈现短调柔和感。对于同等的多阶感受量，所需的相对刺激量可根据韦伯-费希纳定律（式（1））估算，如分级圆公式（式（2））[44]

式中，S为感受量；R为刺激量；X为实际面积差；Y为感受面积差。

表3场景层变量差阈值

Tab.3

注：px为像素单位；H、S、V分别为色相、饱和度及色明度。

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语义驱动的符素组合表达，即基于多类型语义设计视觉变量并组成符号，完善从数据到知识的图化认知过程以降低理解偏差[45]。符素被定义为空间对象形态特征和内涵特征的可视化呈现，是介于基本几何图元和符号之间的图形单元[46]。单一符号个体与符素之间的关系可以表示为：符号={语义符素1，语义符素2，…，语义符素n，辅助符素}。

本文将符素语义类型总结于图4。其中，形状、颜色等通用性质和门类、功能等辨识特征属于外延成分；内涵成分文化象征、社会结构、愿望寄托，反映了符号本体的历史积淀、发展现状、未来欲求。5种符素语义类型依次对应转译手法：形态抽象（简化非必要特征）、变量映射（属性字段符号化）、元素复刻（标志形象表征抽象概念）、组织提取（大数据通约为小规律）及情感标识（利用视觉变量传递通识感受）。后3类符号的内涵理解分别要求读者具有一定的文化背景知识、识图能力、生活经验。表4为常见的组合符号示例。

图4 符素语义类型

Fig.4 Semantic types of morphemes

表4场景化组合符号示例

Tab.4

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场景符号的外延使用具有具象性和近语义距离特征的形状模型表示，通过手绘、贴图等修饰手段表现出一定的艺术效果；内涵理解则在于利用空间分析与处理等手段对原生数据进行特征提取与知识发现，抽象表达再加工信息的同时简化其他无意义信息，深化主旨认知[47-48]。

场景化电子地图的第一视觉载体是色彩变量，其共同作用于外延及内涵的表征。在选择主色盘时，应利用媒体图库获取“地方”的色彩图式，并计算主色值及饱和度、亮度平均值等HSV特征，从而确定实际场景代表色或风格特征感知色[49-51]。

本文列举3个需求案例，进行场景提取和场景特征分析，基于该案例在历史文化、交通系统和城市发展方面的丰富性和典型性，抽象得到试验样本，在此基础上设计对应电子地图，最后开展认知试验以验证设计效果。

（1）案例1：面向公众的天津市通用地图服务，满足用户认识、理解城市形态和应用空间信息的基本要求。

上述调研需求可提取为面向天津城市政务的综合应用场景，该场景对应的电子地图为公众版基础电子地图，具有城市环境语义特征及地域文化背景特征。语义依赖特征要求电子地图设计侧重全要素的认知需要与目的导向要素的突出显现，因此系统构图维度，针对各比例尺显示特点，表达重点由线面分割空间过渡到点群分布空间，要素精细度不断提高，搭建了契合城市环境理解的符号系统。背景依赖特征要求电子地图设计结合城市风貌呈现当地居民的生活体验和集体记忆，因此符号适应维度，分析天津典型区域色彩（图5），并围绕红棕色系与融古通今的文化底蕴，形成了与地域内涵相符的场景化符号。结果如图6所示。

图5 天津色彩分析案例

Fig.5 The color analysis case of Tianjin

图6 案例1电子地图成果

Fig.6 The electronic map product of case 1

色彩设计对应内涵意义见表5，城市特性源于官方定位及发展目标。分析过程如下：抓取天津市媒体图片库下高热检索的地名关键字图片，遍历所有样本得到主色值、平均饱和度及亮度，以此确定基调色彩区间。若平均饱和度或亮度存在显著高于或低于正常的情况，则考虑在电子地图上突出该特征，否则，结合城市特性，使用情感标识的图符转译手法，可视化城市特性。选择15°以内的同类色与60°以内的邻近色来搭配基调色，得出配色方案[52]。

表5色彩设计对应内涵意义

Tab.5

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（2）案例2：针对交通行业相关人员的专门空间服务，从交通管理和出行服务的角度，满足用户对城市主干线交通、公共交通和交通设施的重点关注需求。

上述调研需求可提取为聚焦交通信息服务的专题应用场景，该场景对应的电子地图为交通专题电子地图，具有交通网络关系特征及多类型要素空间集成的形式特征。场景2的形式依赖特征对应设计原则：立足于电子地图不同尺度的认知优势，规划相应的路网展示重点，因此集成展示维度，基于电子地图屏幕的一次性可见范围，在小、中、大比例尺分别突出全国枢纽地位的交通主骨架（图7（a））、市域高速-主干道网（图7（b））、主城区公共交通网（图7（c）），并在最大层级补充交通设施、公交站点等点要素信息[53]。关系依赖特征对应设计要求：综合化简类型丰富且分布密集的交通数据，组织提取场景符号内涵，因此信息再生维度，通过要素综合、拓扑重建手段处理密集型公交线路要素，以热力渐变线段直观呈现统计结果。

图7 案例2电子地图成果

Fig.7 The electronic map product of case 2

（3）案例3：以展现“南北田园、中部都市”南京市空间格局为首要目的的通用地图服务，充分宣传城市的自然风光与人文特色。

上述调研需求可提取为突显南京发展规划的综合应用场景，该场景对应的电子地图为规划版基础电子地图。其中，南北田园依赖于大型植被的空间关系特征，信息再生维度，应借助植被综合并叠加地貌晕渲，突出山水田园本底；中部都市依赖于城市结构的语义特征，系统构图维度，从宏观优先呈现中部城区的高级路网、政务中心及重要POI，响应城市规划结论；自然风光与人文特色依赖于依山就势的生态景观和沧久悠远的古都风貌，符号适应维度，选择钟山玄武湖、明城墙夫子庙等地标制作艺术符号并进行三维场景渲染，表现南京城市特色[51]。结果如图8所示。

图8 案例3电子地图成果

Fig.8 The electronic map product of case 3

试验评估采用眼动追踪、操作与提问测试相结合的方法，验证以下两个问题：①基础场景电子地图能否更容易、更轻松地为受试者所接收，并具备可靠的定位导航等基本功能；②专题场景电子地图能否让受试者快速定位到搜索目标，并能够读懂空间结构、统计信息等专题可视化内容。

眼动试验设置不同区域尺度的场景化电子地图试验项和不使用本文所述方法设计的传统电子地图对照项，通过Tobii眼动仪追踪获取眼跳类、注视类及瞳孔大小等7项指标，计算以相同时间浏览相同范围时，两者在视觉处理量、视觉搜索量及认知负担量上的差异[54]。同时，操作与提问测试试验比较同一图面内自由扫视各组地图的视觉选择结果，并以“哪项地图更能体现融古通今的文化背景”等问题得出受试者对地图环境的理解程度，统计定位导航、结构识别（辨别由广域要素划分出的区域结构）、专题解译（解读统计信息的可视化含义）等认知目标的平均完成情况[55]。具体参数总结见表6。

表6场景化电子地图评估指标

Tab.6

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该评估共收取22位受试者样本，经采样点清洗、数据处理及指标统计，得到表7所示结果。分析可知，场景化设计对视觉处理及认知负担分别起到了6.12%、8.50%的正向作用，受试者倾向多分配59.80%的传统电子地图视觉注意用于浏览场景化电子地图，且定位导航、环境理解等基础功能的完成率均达到80%以上；视觉搜索效率显著提升62.04%，且85%以上受试者能够完成结构识别、信息解译过程。各类型指标优化率见图9。

表7场景化电子地图评估结果

Tab.7

注：优化率=（

（|试验项平均值i-对照项i|÷对照项i×100%）/n，n=该类型指标个数。

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图9 评估指标优化率

Fig.9 The optimization rate of the evaluation indicators

综上，场景特征影响下的电子地图符号化形式，具有以下特点：①满足了信息理解需求，具备更好的认知接收优势。相较于一般设计结果，场景化电子地图在空间理解方面表现出更优的性能，能够以更高的效率和准确率完成定位导航、视觉搜索等电子地图高频请求。②满足了情感互动需求，具备更好的按需表达潜力。符号设计集中于语义文化的分析、推理和关联过程，为各类空间场景生产更加适合场景认知的符号及其系统，内涵意义的图形化使用户能够快速响应并理解各类场景信息。

本文提出一种场景化电子地图概念框架和设计方法，完成以下内容。

（1）明确了电子地图应用场景的定义、分类及不同场景特征对电子地图的设计要求。

（2）基于场景理论，系统阐述了场景暗示的符号系统搭建、语义驱动的符素组合表达等电子地图设计流程，具体包括：①建立定量的具有复用价值的场景化层次结构；②形成符素的完整语义类型体系，及其与图符转译手法间的典型关联规则；③总结场景符号外延使用和内涵理解的通用设计方法，特别是色彩设计的科学量化过程。

（3）设计电子地图验证了本文方法，并通过认知试验证明，场景化电子地图能够以更适合认知思维的表达方式进行设计，实现了场景驱动的体系化制图配图，提高了用户对空间知识及内在现象的认知能力，并予以更好的电子地图使用体验。

由于场景的复杂多样性及可视化理解程度的用户差异，场景化电子地图的场景需求-符号表达规则有待进一步完善。后续研究将继续深入符号系统的可量化指标，探索反馈机制下的场景化电子地图设计标准，使场景化电子地图的场景针对性更强，传输适配度更高。

来源：测绘学报