論語義驅動的層次化設計

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地圖符號設計理念與流程

符號設計理念（1）語義驅動理念本文認為地圖符號設計內容應包含以下3點：一是概念語義模型；二是符號設計賴以構成的物質材料基礎———圖形形式；三是符號的構造生成法則。符號是空間信息的載體，用于表征空間信息，因而在符號的構成范疇內，語義模型直接描述了空間信息的本質特征，圖形形式是空間信息或語義模型的外在表現形式，構造法則更多的專注于符號的構造程序。因此，以語義關系作為符號圖形構造的基準，通過語義關系控制符號的圖形構成，這種以語義關系為“骨架”來驅動符號圖形構造的符號設計思路，本文稱之為語義驅動的符號設計理念。（2）符號與符號設計語言學中，“語言”和“言語”是兩個彼此不同而又相互聯系的概念［14］。可以簡單的認為，語言為“話”，言語為“說”，語言和言語共同構成了言語活動，即“說話”。類比語言和言語的概念區分，本文界定了符號、符號設計及符號設計活動這3個基本概念，三者之間的關系如圖1所示。符號（類比“語言”）是指面向某一領域的約定的符號標準、規范或體系；符號設計（類比“言語”）是指符號設計者（或使用者）通過自己的構思創造（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；符號及符號設計構成了符號設計活動的內容。圖1符號、符號設計以及符號設計活動Fig．1Symboldesignactivities明確區分符號及符號設計的概念，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，理應具備空間信息雙向傳輸（即交流）的能力，而這一能力體現在符號設計活動之中：符號設計者（或使用者）通過設計（或使用）地圖符號進行空間信息的表達、傳輸和理解，實現空間知識的雙向、互動交流，并最終實現地圖符號語言的地理空間認知。相關概念（1）語義特征———亦稱義素，反映了空間要素和現象的客觀本質，是憑經驗或對客觀事物本質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系。（2）符素———是借鑒語言學中“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合單位。區別于符號，其不可以獨立用于符號表達；區別于基本幾何圖元，其具有一定的語義內涵（基本幾何圖元僅是圖形成素）。符素是地圖符號圖形結構中，介于符號和基本幾何圖元層次之間的概念。（3）組合、聚合語義關系———組合語義關系是符號所表達的對象或對象類之間的部分整體關系，具有序列性、整體性和擴展性等特點；聚合語義關系也稱上下義關系，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］。符號設計流程以地圖符號的語義結構關系為骨架驅動符號圖形的構造，語義結構關系的約束使得所設計的地圖符號具有較為顯著的結構化特征。語義驅動的層次化地圖符號設計流程如圖2所示。①對應用領域的空間對象進行語義成分分析，提取語義特征詞匯。②符素表設計，即合理使用視覺變量，設計步驟①語義特征對應的圖形形式，形成符素；符素表即為一定數量符素的集合。③根據應用領域空間對象的內在結構特征，梳理符號系統語義的聚合關系，構建聚合關系語義結構模型。④單個符號組合關系語義描述，即對聚合關系語義結構中的每一個節點（單個符號），形式化描述為符號語義的組合關系結構；⑤符號圖形構造，即根據符號組合關系語義結構，通過選取特征語義對應的符素圖形形式，組合構造符號，完成符號設計；⑥按照符號設計的一般原則，對符號進行一定程度的簡化、美觀等操作；⑦遍歷聚合關系語義結構的每一個節點，設計構造每一個節點對應的符號圖形形式，完成整個應用領域的符號系統設計。圖2語義驅動的層次化地圖符號設計流程Fig．2Thedesignflowofthesemantic－drivenhierarchicalmapsymbols從圖2看出，語義驅動的層次化地圖符號設計方法的4個關鍵步驟是：語義特征提取（①）、符素設計（②）、語義建模（③）和符號構造（④、⑤），下文將對其進行詳細分析。

地圖符號設計方法

基于本體層次的語義特征提取在語言學、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，地理本體研究領域，常見的做法是通過收集和整理文獻資料、領域標準規范，并結合領域專家知識等方法實現領域知識規范化，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驗和內省的方法，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歸納，例如：（1）物質（部分－整體層次）：水、土、泥、石、沙、植物、人造材料等；（2）形態（形態層次）：流動、靜態、自然彎曲、規則形態、維度等；（3）大小（形態層次）：大、中、小等；（4）功能（功能層次）：交通、阻隔、居住、蓄積、旅游、養殖等；（5）等級（社會層次）：政治、經濟、文化等。其中，部分－整體層次、形態層次、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］＋［現狀］；（2）湖泊－［水］＋［靜態］＋［旅游］＋［養殖］＋［面狀］；（3）公路－［人造材料］＋［交通］＋［約束彎曲］＋［線狀］＋［經濟含義］；（4）圍墻－［人造材料］＋［阻隔］＋［規則形態］＋［線狀］；（5）建筑－［人造材料］＋［居住］＋［規則形態］＋［面狀］＋［阻隔］＋［政治、經濟含義］；符素設計符素是本文符號設計方法的核心概念，是區別于傳統符號設計方法的重要特征。符素對地圖符號的構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］）和視覺變量構造而成，其自身是數量有限的，但有限數量的符素可組合成無限數量的符號系統。其次，由于符素具有一定的語義概念，基于符素進行符號設計，降低了符號語義形式化描述的難度。最后，符素統一了地圖符號的圖形和語義的組合關系，使得符號更易于識別和解譯，提高了地圖符號的易用性。符素的設計應包含以下3個主要原則，以文獻［19］和［20］為參照原型進行說明：（1）繼承原則現有基本比例尺地圖符號或專題圖符號標準，均已經過了長期的設計實踐積累，具有很高的科學性和廣泛的認知慣性。符素是構成符號的基礎，因此符素設計可遵從認知的慣性，從已有符號設計成果中汲取經驗，在繼承的基礎上創新。最為簡單有效的方法就是分析現有的符號規范標準，抽象提取滿足符素條件的基本“圖形－語義”結構作為符素。表1為從文獻［19］、［20］抽取出來的符素，并標注有其表征的特征語義。（2）對立與統一原則統一是指對某一類型語義特征，應使用相同視覺變量的不同值進行表達。例如，在設計有系列關系的符素時，可使用不同顏色或尺寸變量進行表達，而不能部分應用顏色變量而部分應用尺寸變量。對立是指符素設計應能體現顯著的區分特點。對立與統一原則能夠保證符素能夠清晰、易識別且不失系統規律特點。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當具有顯著的可分辨特點。（3）相似與抽象原則相似是指所設計的符素圖形形式應能夠抓住其所表征的對象的某一特征，體現特征的相似性，以激發人的聯想。抽象是指符素設計應注意符素圖形形式的抽象設計，抓住對象的最主要特征，使得符素簡單、規則。在符素設計過程中應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。聚合關系語義結構建模聚合關系語義結構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系：part－of，kind－of，instance－of，attrib－ute－of［21］。就本質而言，符號語義的聚合關系即為本體建模元語中的kind－of關系，因此，本文認為聚合關系語義結構建模可視為kind－of這一特殊語義關系的本體建模。當前，關于本體的開發或建立方法，基本上均采用手工方式，沒有形成一個統一的工程方法。歸納起來，比較著名的本體建模方法有MikeUscholdded＆King的“骨架法”、Gruninger＆Fox的企業建模法、Gomez－Perez等的Meth－ontology方法等［21］。總結這些本體建模方法，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：即進行領域本體的獲取、概念化、確定概念之間的關系、本體的形式化語言描述以及本體集成等；③評價與文檔化：進行已構本體的評估和標準化，并最終形成本體成果并。在這3個步驟中，與聚合關系語義結構建模密切相關的是本體的建立階段，借鑒于上述對本體建立方法的分析，總結了聚合關系語義樹構建的一般步驟，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系。目前，本體構建方法仍無法實現自動化建模，需要人的參與和領域專家知識的指導，對領域知識越了解，其所構建的語義聚合關系也就越完善和科學。根據聚合語義結構建模的流程，結合文獻［20］可得到以下基礎地理信息符號相關的聚合語義結構，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、注記等大類。每一大類均可以繼續按照聚合關系進行細分，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）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系樹形結構模型。圖4基本比例尺地形圖符號聚合語義結構Fig．4Associativerelationstructureoffundamentalscalemapsymbols4．4語義驅動的地圖符號生成本節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，地圖符號的語義應該包括有以下兩個部分構成：＜符號語義＞：：＝＜構詞規則語義＞｜＜符素語義＞其中，構詞規則語義是指符號不同的空間造型賦予符號的含義；符素是構成符號的基礎材料，因此，符素語義是符號語義的主體構成部分。其次，單個符號組合關系語義形式化描述。組合語義關系亦稱部分整體關系，主要體現在“符素→符號”的構造環節中。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構。其中，“土堆上的三角點”、“三角點”為語義特征的組合結構，其余為獨立語義特征，該符號的語義對應的圖形符號組織方式如圖5（b）所示。最后，根據符號語義的組合關系形式化描述模型，驅動符號構造生成。圖6示例了語義驅動的地圖符號構建流程，符素“測量控制點”和符素“三角測量相關的”可以按照獨立構造規則組合為“三角點”組合結構，該結構可以作為獨立的符號出現，也可以作為組合更高一級符號的符素。符素“土堆”采取了極向旋轉重復構詞規則與符素“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造規則，添加例如高程、比高等語義信息，構建更為復雜、詳細的符號。圖6語義驅動的地圖符號構建流程Fig．6Theconstructionflowofthesemantic－drivenmapsymbols語義驅動的符號生成方法具有以下典型特征：第一，符號的最終設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，也更容易認知，反之亦然。第二，符號具有顯著的結構規律可循，亦即符號設計時符素、構造規則是根據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構，進而根據該結構組構符號。

地圖符號設計實驗

本文設計了一組認知實驗，用于驗證語義驅動的層次化地圖符號設計方法是否具有可行性和科學性。實驗設計與實施（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是利用本文符號設計方法，對素材I進行重構改進而成。素材II包含有2個部分：一是符素表部分，將符素顯式地展現給被試人員；二是按照聚合語義層次結構組織的符號系統。（2）實驗人員：被試人員主要為信息工程大學二年級本科學員共計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習知識基礎。實驗一：不同符號系統認知效率測試實驗。本實驗通過測量兩套素材在認知效率上的數值指標，數字化測定符號認知效率，以驗證本文符號設計方法能否一定程度上提高符號認知效率。本實驗設計6次“訓練→測試”循環，每次循環均給定訓練時間（3～5min不等）。實驗結果如圖7（a）所示。圖7（a）實驗一認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，其結果如圖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結果分析由于所有被試人員不具備地圖符號的學習知識基礎，因此，本實驗結果反映了符號系統的學習、掌握和使用的效率。本次實驗不討論被試具備地圖符號學習經驗基礎的情況。實驗一結果表明：①總體趨勢上，兩套素材的識別正確率均隨著學習時間的累積而提高，且標準差隨時間累積而降低，反映了被試學習并掌握符號系統能力的提升；②重構后的素材II正確率均值均高于素材I，反映了本文符號設計方法在符號認知效率方面的高效性；③6次實驗正確率方差曲線表明，重構后的符號系統在統計意義上具有更好的穩定性。因此，可以認為本文符號設計方法在符號認識效率測試方面表現較優。實驗二結果表明：6次實驗中，重構后的符號系統在信息傳輸效率方面均較優，且方差呈現出顯著的下降趨勢，這說明了本文重構的符號系統在模擬信息傳輸過程實驗中體現了較為穩定的高傳輸效率。

本文論述以空間對象的語義結構關系為核心、以地圖符號圖形設計與理解為目標，特點在于面向領域本體的符號設計，使得符號更具有語義自明能力，以便于識別、理解和應用。一方面，通過符素表、語義結構驅動地圖符號生成，提高了符號設計的系統性和結構性；另一方面，符號設計者和使用者均能夠掌握符號設計能力，設計者通過這一能力完成符號設計的信息編碼，使用者則通過這一能力完成符號信息的解碼，設計者和使用者共同參與符號設計活動，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