论语义驱动的层次化设计

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地图符号设计理念与流程

符号设计理念（1）语义驱动理念本文认为地图符号设计内容应包含以下3点：一是概念语义模型；二是符号设计赖以构成的物质材料基础———图形形式；三是符号的构造生成法则。符号是空间信息的载体，用于表征空间信息，因而在符号的构成范畴内，语义模型直接描述了空间信息的本质特征，图形形式是空间信息或语义模型的外在表现形式，构造法则更多的专注于符号的构造程序。因此，以语义关系作为符号图形构造的基准，通过语义关系控制符号的图形构成，这种以语义关系为“骨架”来驱动符号图形构造的符号设计思路，本文称之为语义驱动的符号设计理念。（2）符号与符号设计语言学中，“语言”和“言语”是两个彼此不同而又相互联系的概念［14］。可以简单的认为，语言为“话”，言语为“说”，语言和言语共同构成了言语活动，即“说话”。类比语言和言语的概念区分，本文界定了符号、符号设计及符号设计活动这3个基本概念，三者之间的关系如图1所示。符号（类比“语言”）是指面向某一领域的约定的符号标准、规范或体系；符号设计（类比“言语”）是指符号设计者（或使用者）通过自己的构思创造（或使用）符号的一种心理过程，是人驾驭符号语言能力的体现；符号及符号设计构成了符号设计活动的内容。图1符号、符号设计以及符号设计活动Fig．1Symboldesignactivities明确区分符号及符号设计的概念，才能真正使得地图符合人类“第二语言”这一称谓。这是因为：语言最为重要的特征在于交流，交流是一种双向的信息传输过程。作为人类第二语言的地图，理应具备空间信息双向传输（即交流）的能力，而这一能力体现在符号设计活动之中：符号设计者（或使用者）通过设计（或使用）地图符号进行空间信息的表达、传输和理解，实现空间知识的双向、互动交流，并最终实现地图符号语言的地理空间认知。相关概念（1）语义特征———亦称义素，反映了空间要素和现象的客观本质，是凭经验或对客观事物本质的了解而分析出来的语义成素。语义特征与词所表达的真实世界的本体有着密切联系。（2）符素———是借鉴语言学中“语素（mor－pheme）”的概念定义的，即一定图形形式和概念语义的最小结合单位。区别于符号，其不可以独立用于符号表达；区别于基本几何图元，其具有一定的语义内涵（基本几何图元仅是图形成素）。符素是地图符号图形结构中，介于符号和基本几何图元层次之间的概念。（3）组合、聚合语义关系———组合语义关系是符号所表达的对象或对象类之间的部分整体关系，具有序列性、整体性和扩展性等特点；聚合语义关系也称上下义关系，即一个类包含于另一个类，包含其他类的类中的词称为上义词，被其他类包含的类中的词称为下义词，具有类型性、继承性和置换与推理等特点［15－16］。符号设计流程以地图符号的语义结构关系为骨架驱动符号图形的构造，语义结构关系的约束使得所设计的地图符号具有较为显著的结构化特征。语义驱动的层次化地图符号设计流程如图2所示。①对应用领域的空间对象进行语义成分分析，提取语义特征词汇。②符素表设计，即合理使用视觉变量，设计步骤①语义特征对应的图形形式，形成符素；符素表即为一定数量符素的集合。③根据应用领域空间对象的内在结构特征，梳理符号系统语义的聚合关系，构建聚合关系语义结构模型。④单个符号组合关系语义描述，即对聚合关系语义结构中的每一个节点（单个符号），形式化描述为符号语义的组合关系结构；⑤符号图形构造，即根据符号组合关系语义结构，通过选取特征语义对应的符素图形形式，组合构造符号，完成符号设计；⑥按照符号设计的一般原则，对符号进行一定程度的简化、美观等操作；⑦遍历聚合关系语义结构的每一个节点，设计构造每一个节点对应的符号图形形式，完成整个应用领域的符号系统设计。图2语义驱动的层次化地图符号设计流程Fig．2Thedesignflowofthesemantic－drivenhierarchicalmapsymbols从图2看出，语义驱动的层次化地图符号设计方法的4个关键步骤是：语义特征提取（①）、符素设计（②）、语义建模（③）和符号构造（④、⑤），下文将对其进行详细分析。

地图符号设计方法

基于本体层次的语义特征提取在语言学、本体论和地理本体研究中，语义特征的提取尚无有效理论。例如，地理本体研究领域，常见的做法是通过收集和整理文献资料、领域标准规范，并结合领域专家知识等方法实现领域知识规范化，归纳概念语义［17］。从目前的研究情况来看，语义特征提取的主要手段是依靠经验和内省的方法，如杜清运［15］采用Guarino等的“本体层次”理念对空间信息的语义特征进行了系统归纳，例如：（1）物质（部分－整体层次）：水、土、泥、石、沙、植物、人造材料等；（2）形态（形态层次）：流动、静态、自然弯曲、规则形态、维度等；（3）大小（形态层次）：大、中、小等；（4）功能（功能层次）：交通、阻隔、居住、蓄积、旅游、养殖等；（5）等级（社会层次）：政治、经济、文化等。其中，部分－整体层次、形态层次、功能层次等即为本体层次。以地图符号表征的地理要素的语义特征为例，可以进行如下的语义成分分析，进而得到语义特征：（1）河流－［水］＋［流动］＋［自然弯曲］＋［交通］＋［现状］；（2）湖泊－［水］＋［静态］＋［旅游］＋［养殖］＋［面状］；（3）公路－［人造材料］＋［交通］＋［约束弯曲］＋［线状］＋［经济含义］；（4）围墙－［人造材料］＋［阻隔］＋［规则形态］＋［线状］；（5）建筑－［人造材料］＋［居住］＋［规则形态］＋［面状］＋［阻隔］＋［政治、经济含义］；符素设计符素是本文符号设计方法的核心概念，是区别于传统符号设计方法的重要特征。符素对地图符号的构成具有重要的承上启下作用：首先，符素是以基本几何图元（可参见文献［18］）和视觉变量构造而成，其自身是数量有限的，但有限数量的符素可组合成无限数量的符号系统。其次，由于符素具有一定的语义概念，基于符素进行符号设计，降低了符号语义形式化描述的难度。最后，符素统一了地图符号的图形和语义的组合关系，使得符号更易于识别和解译，提高了地图符号的易用性。符素的设计应包含以下3个主要原则，以文献［19］和［20］为参照原型进行说明：（1）继承原则现有基本比例尺地图符号或专题图符号标准，均已经过了长期的设计实践积累，具有很高的科学性和广泛的认知惯性。符素是构成符号的基础，因此符素设计可遵从认知的惯性，从已有符号设计成果中汲取经验，在继承的基础上创新。最为简单有效的方法就是分析现有的符号规范标准，抽象提取满足符素条件的基本“图形－语义”结构作为符素。表1为从文献［19］、［20］抽取出来的符素，并标注有其表征的特征语义。（2）对立与统一原则统一是指对某一类型语义特征，应使用相同视觉变量的不同值进行表达。例如，在设计有系列关系的符素时，可使用不同颜色或尺寸变量进行表达，而不能部分应用颜色变量而部分应用尺寸变量。对立是指符素设计应能体现显著的区分特点。对立与统一原则能够保证符素能够清晰、易识别且不失系统规律特点。例如，可以使用颜色表示公路等级，但不同等级公路的颜色应当具有显著的可分辨特点。（3）相似与抽象原则相似是指所设计的符素图形形式应能够抓住其所表征的对象的某一特征，体现特征的相似性，以激发人的联想。抽象是指符素设计应注意符素图形形式的抽象设计，抓住对象的最主要特征，使得符素简单、规则。在符素设计过程中应把握这二者之间的平衡，过于抽象则符素难以识别，过于相似则易丧失简洁特点。聚合关系语义结构建模聚合关系语义结构建模与本体建模具有强烈的类同性。本体建模元语中，具有4类重要的概念之间的关系：part－of，kind－of，instance－of，attrib－ute－of［21］。就本质而言，符号语义的聚合关系即为本体建模元语中的kind－of关系，因此，本文认为聚合关系语义结构建模可视为kind－of这一特殊语义关系的本体建模。当前，关于本体的开发或建立方法，基本上均采用手工方式，没有形成一个统一的工程方法。归纳起来，比较著名的本体建模方法有MikeUscholdded＆King的“骨架法”、Gruninger＆Fox的企业建模法、Gomez－Perez等的Meth－ontology方法等［21］。总结这些本体建模方法，其一般步骤是：①明确本体范围：即梳理所要建模的本体范围，定义本体的边界条件；②本体建立阶段：即进行领域本体的获取、概念化、确定概念之间的关系、本体的形式化语言描述以及本体集成等；③评价与文档化：进行已构本体的评估和标准化，并最终形成本体成果并。在这3个步骤中，与聚合关系语义结构建模密切相关的是本体的建立阶段，借鉴于上述对本体建立方法的分析，总结了聚合关系语义树构建的一般步骤，如图3所示。其中，最为重要的步骤就是对象概念的语义分析，并确定与其他对象语义之间的聚合关系。目前，本体构建方法仍无法实现自动化建模，需要人的参与和领域专家知识的指导，对领域知识越了解，其所构建的语义聚合关系也就越完善和科学。根据聚合语义结构建模的流程，结合文献［20］可得到以下基础地理信息符号相关的聚合语义结构，如图4所示。国家基本比例尺地形图符号第一等级可划分为测量控制点、水系……植被与土质、注记等大类。每一大类均可以继续按照聚合关系进行细分，例如，测量控制点可分为三角点、埋石点、……等小类；三角点还可以分为（常规）三角点和土堆上的三角点。通过这一方式，可以有效地将整个基本比例尺地形图符号组织为一个完整的聚合关系树形结构模型。图4基本比例尺地形图符号聚合语义结构Fig．4Associativerelationstructureoffundamentalscalemapsymbols4．4语义驱动的地图符号生成本节主要讨论的是由符素组合为一个完整地图符号的方法。首先，地图符号的语义应该包括有以下两个部分构成：＜符号语义＞：：＝＜构词规则语义＞｜＜符素语义＞其中，构词规则语义是指符号不同的空间造型赋予符号的含义；符素是构成符号的基础材料，因此，符素语义是符号语义的主体构成部分。其次，单个符号组合关系语义形式化描述。组合语义关系亦称部分整体关系，主要体现在“符素→符号”的构造环节中。以语义“土堆上的三角点”为例，可以将其分解为如图5（a）所示的组合语义分解结构。其中，“土堆上的三角点”、“三角点”为语义特征的组合结构，其余为独立语义特征，该符号的语义对应的图形符号组织方式如图5（b）所示。最后，根据符号语义的组合关系形式化描述模型，驱动符号构造生成。图6示例了语义驱动的地图符号构建流程，符素“测量控制点”和符素“三角测量相关的”可以按照独立构造规则组合为“三角点”组合结构，该结构可以作为独立的符号出现，也可以作为组合更高一级符号的符素。符素“土堆”采取了极向旋转重复构词规则与符素“三角点”组合成“土堆上的三角点”符号。还可以进一步通过其他构造规则，添加例如高程、比高等语义信息，构建更为复杂、详细的符号。图6语义驱动的地图符号构建流程Fig．6Theconstructionflowofthesemantic－drivenmapsymbols语义驱动的符号生成方法具有以下典型特征：第一，符号的最终设计样式取决于语义信息的详细程度：语义信息越丰富，符号样式越详细具体，也更容易认知，反之亦然。第二，符号具有显著的结构规律可循，亦即符号设计时符素、构造规则是根据符号所蕴含的语义信息进行选取的，语义信息决定了符号的最终样式。第三，对于每一个符号，均可以使用这种方法将其分解为组合语义结构，进而根据该结构组构符号。

地图符号设计实验

本文设计了一组认知实验，用于验证语义驱动的层次化地图符号设计方法是否具有可行性和科学性。实验设计与实施（1）实验素材：素材I为从文献［19］中选取的部分符号组成；素材II是利用本文符号设计方法，对素材I进行重构改进而成。素材II包含有2个部分：一是符素表部分，将符素显式地展现给被试人员；二是按照聚合语义层次结构组织的符号系统。（2）实验人员：被试人员主要为信息工程大学二年级本科学员共计47人，所有人员视力、智力等各方面正常，但不具备地图符号的学习知识基础。实验一：不同符号系统认知效率测试实验。本实验通过测量两套素材在认知效率上的数值指标，数字化测定符号认知效率，以验证本文符号设计方法能否一定程度上提高符号认知效率。本实验设计6次“训练→测试”循环，每次循环均给定训练时间（3～5min不等）。实验结果如图7（a）所示。图7（a）实验一认知正确率均值和方差曲线Fig．7（a）MeanandvariancecurveofcorrectratioofthecognitiveexperimentI实验二：符号信息传输过程模拟实验。本实验通过模拟自然语言交流过程，验证本文符号设计方法是否具有“语言交流机制”这一特征。实验方法是通过给定语义，被试A（或B）设计符号，并交予被试B（或A）识别解译，并通过相似度判断信息传输效率。实验共有6次循环，其结果如图7（b）所示。图7（b）实验二相似度比率均值和方差曲线Fig．7（b）MeanandvariancecurveofsimilarityratiooftheexperimentII5．2结果分析由于所有被试人员不具备地图符号的学习知识基础，因此，本实验结果反映了符号系统的学习、掌握和使用的效率。本次实验不讨论被试具备地图符号学习经验基础的情况。实验一结果表明：①总体趋势上，两套素材的识别正确率均随着学习时间的累积而提高，且标准差随时间累积而降低，反映了被试学习并掌握符号系统能力的提升；②重构后的素材II正确率均值均高于素材I，反映了本文符号设计方法在符号认知效率方面的高效性；③6次实验正确率方差曲线表明，重构后的符号系统在统计意义上具有更好的稳定性。因此，可以认为本文符号设计方法在符号认识效率测试方面表现较优。实验二结果表明：6次实验中，重构后的符号系统在信息传输效率方面均较优，且方差呈现出显著的下降趋势，这说明了本文重构的符号系统在模拟信息传输过程实验中体现了较为稳定的高传输效率。

本文论述以空间对象的语义结构关系为核心、以地图符号图形设计与理解为目标，特点在于面向领域本体的符号设计，使得符号更具有语义自明能力，以便于识别、理解和应用。一方面，通过符素表、语义结构驱动地图符号生成，提高了符号设计的系统性和结构性；另一方面，符号设计者和使用者均能够掌握符号设计能力，设计者通过这一能力完成符号设计的信息编码，使用者则通过这一能力完成符号信息的解码，设计者和使用者共同参与符号设计活动，能够有效提升地图符号的信息感知效率。

本文作者：田江鹏贾奋励夏青吴金兵工作单位：信息工程大学