地图符号的视觉变量
表象性符号之所以能形成众多类型和形式，是各种基本图形元素变化与组合的结果，这种能引起视觉差别的图形和色彩变化因素称为“视觉变量”或“图形变量”。有了这些变量系统，地图符号就具有了描述各种事物性质和特征的功能。
最早研究视觉变量的是法国地图学家兼图表信息传输学专家贝尔廷(J.Bertin)。他所主导的巴黎大学图形实验室经多年的研究，总结出一套图形符号的变化规律，在其专著《图形符号学》中提出了包括颜色、形状、尺寸、方向、明度和密度的视觉变量。各国地图学家在此基础上也进行了多方面的研究，提出了地图符号的各种视觉变量。
1.基本的视觉变量
从传统的纸质地图角度来看，视觉变量包括形状、尺寸、方向、明度、密度、颜色结构和位置，如图2-1所示。
(1)形状:
形状是最主要的视觉变量之一。对于点状符号来说，形状就是符号的外形，可以是规则图形(如几何图形)，也可以是不规则图形(如艺术符号)；对于线状符号，形状是指构成线的那些点(即像元)的形状，而不是线的外部轮廓。面状符号的形状是指构成各种面状所用的图案小标志的组成，它们可以是一棵树、一个点或一条线。
(2)尺寸:
点状符号的尺寸是指符号整体的大小，即符号的直径、宽、高和面积大小。尺寸变量通常是用来显示所代表数据的大小。如果用一个圆圈来表示城市，圆圈的大小可根据城市的人口变化。对于线状符号，构成它的点的尺寸变了，线宽的尺寸自然也改变了。线的测量标准(线宽)表示相对重要或实际的数量。尺寸与面积符号范围轮廓无关。
(3)方向:
符号的方向指点状符号或线状符号的构成元素的方向，面状符号本身没有方向变化，但它的内部填充符号可能是点或线，也有方向。方向变量受图形特点的限制较大，如三角形、方形有方向区别，而圆形就无方向之分(除非借助其他结构因素)。
(4)明度:
明度是指符号色彩调子的相对明暗程度。明度差别不仅限于消失色(白、灰、黑)，也是彩色的基本特征之一。需要注意的是，明度不改变符号内部像素的形状、尺寸、组织，不论视觉能否分辨像素，都以整个表面的明度平均值为标志。明度变量在面积符号中具有很好的可感知性，在较小的点、线符号中明度变化范围就比较小。
图2-1 地图符号的视觉变量
(5)密度:
密度是指单位面积或单位长度内构成点、线、面符号基本元素的面积或数量，用百分比表示。对点状符号和面状符号而言，密度是点状或面状符号单位面积内构成元素的面积或数量；线状符号的密度是单位长度内构成元素的面积或数量。密度的高低显示了符号视觉上的明暗程度，与明度变量产生的视觉效果相似。
(6)颜色:
颜色作为一种变量除同时具有明度属性外，还包括两种视觉变化，即色相和饱和度变化，它们可以分别变化以产生不同的感受效果。色相变化可以形成鲜明的差异，饱和度变化则相对比较含蓄平和。通常情况下，色相应该用来表示种类的不同，也就是不同的分类，而不是数量上的不同。可以用饱和度和亮度的差异来进行等级或数量上差异的符号化。如用浅色调表示少量，深色调表示大量。
(7)结构:
结构变量指符号内部像素组织方式的变化。与密度的不同在于它反映符号内部的形式结构，即一种形状的像素的排列方式(如整列、散列)或多种形状、尺寸像素的交替组合和排列方式。结构虽然是指符号内部基本图解成分的组织方式，需要借助其他变量来完成，但仅依靠其他变量则无法给出这种差别，因而也应列入基本的视觉变量之中。
(8)位置:
在大多数情况下，位置是由制图对象的地理排序和坐标所规定的，是一种被动因素，因而往往不被列入视觉变量。但实际上位置并非没有制图意义，在地图上仍然存在一些可以在一定范围内移动位置的成分。如某些定位于区域的符号、图表或注记的位置效果；某些制图成分的位置远近对整体感的影响等。所以从理论上讲，位置仍然是视觉变量之一。
以上视觉变量是对所有符号视觉差异的抽象，它依附于这些符号的基本图形属性，其中大多数变量并不具有直接构图的能力，因为它们只相当于构词的基本成分(词素)，但每一种视觉变量都可以产生一定的感受效果。想要构成地图符号间的差别，不仅可以根据需要选择某一种变量，为了加强阅读的效果，往往同时使用两个或更多的视觉变量，即多种视觉变量的联合应用。
2.视觉变量的扩展
上述视觉变量是传统的纸介质地图上构成图形(图像)符号的基本参量，一般只能表现制图对象的四种特征:空间分布形状、性质特征、数量特征和空间分布位置。随着计算机技术的发展，电子地图已成为地图大家族中的主要品种之一，与传统地图相比，屏显电子地图在视觉表达形式上有了新的发展，不仅能表达静态地图，而且能在地图上对动态现象的过程(动态)信息进行描述，这种用于动态变化现象可视化表达的电子地图我们称之为动态电子地图。动态电子地图是一种新型的可视化视觉效果，具有动态、在线，多维等特征，在Mobile GIS、时态GIS、动态GIS中被广泛应用。
为描述对象的动态特征，电子地图扩展了四种新的变量，分别为发生时长、变化速率、变化次序和节奏等变量。这些变量与基本视觉变量结合，形成了动态符号，如图2-2所示，用来描述动态现象的变化过程，以期揭示现象的时空演变规律、分析现象的时态特征。
(1)发生时长:
发生时长是指符号形象在屏幕上从出现到消失所经历的时间。发生时长以划分为很小的时间单位计算，通常与多媒体技术中“帧”的概念相对应。在地图设计中，发生时长主要用于表现动态现象的延续过程。
图2-2 电子地图符号的动态视觉变量
(2)变化速率:
变化速率也要借助于符号的其他参量来表现，描述符号状态改变的速度，可以反映同一图像在方向、明度、颜色等方面的变化速度，也可以反映图像在尺寸、形状或空间位置上的变化速度。由于变化着的现象对人的视觉有强烈的吸引力，因而成为电子地图的一种重要的图形变化手段。
(3)变化次序:(https://www.daowen.com)
时间是有序的，以类似于二维空间中的前后、邻接关系的方式建立时间段之间的先后、相邻拓扑关系。把符号状态变化过程中各帧状态按出现的时间顺序，离散化处理成各帧状态值，使之依次出现。它可用于任何有序量的可视化表达。
(4)节奏:
节奏是对符号周期性变化规律的描述，它是将发生时长、变化速率等变量融合到一起而形成的复合变量，但它又表现出独立的视觉意义。符号的节奏变化可以用周期性函数表示。节奏变量主要用于描述周期性变化现象的重复性特征。
3.地图视觉感受效果
视觉变量提供了符号辨别的基础，同时由于各种视觉引起的心理反应不同，又产生了不同的感受效果，这正是表现制图对象各种特征所需要的知觉差异。感受效果可归纳为整体感、差异感、等级感、数量感、质量感、动态感、立体感。
1)整体感和差异感
“整体感”也称为“联合感受”，“差异感”也称为“选择性感受”，这是矛盾的两个方面。“整体感”是指当我们观察由一些像素或符号组成的图形时，它们在感觉中是一个独立于另外一些图形的整体。整体感可以是一种图形环境、一种要素，也可以是一个物体。每一个符号的构图也需要整体感。整体感是通过控制视觉变量之间的差异和构图完整性来实现的。换句话说，就是各符号使用的视觉变量差别较小，其感受强度、图形特征都较接近，那么在知觉中就具有归属同一类或同一个对象的倾向。形状、方向、颜色、密度、结构、明度、尺寸和位置等变量都可用于形成整体感，如图2-3所示，效果如何主要取决于差别的大小和环境的影响。如形状变量(圆、方、三角形等简单几何图形)组合，整体感较强，而其他复杂图形组合则整体感较弱。
图2-3 整体感的形成
位置变量对整体感也有影响。图形越集中、排列越有秩序，越容易看成相互联系的整体。
当各部分差异很大，某些图形似乎从整体中突出来，各有不同的感受特征时，就表现出“差异感”。当某些要素需要突出表现时，就要加大它们与其他符号的视觉差别。
整体感和差异感这一对矛盾的同时性关系对制图设计具有重大的意义。地图设计者必须根据地图主题、用途，处理好整体感和差异感的关系，在两者之间寻求适当的平衡，使地图取得最佳视觉效果。只注意统一而忽视差异，就难以表现分类和分级的层次感，缺乏对比，没有生气；反之，片面强调差异而无必要的统一，其结果会破坏地图内容的有机联系，不能反映规律性。差异感可以表现为各种形式，以下几种感知效果实际上都属于差异感。
2)等级感
等级感是指观察对象可以凭直觉迅速而明确地被分为几个等级的感受效果。这是一种有序的感受，没有明确的数量概念，由于人们心理因素的参与和视觉变量的有序变化，就形成了这种等级感。如居民地符号的大小、注记字号、道路符号宽窄等所产生的大与小，重要与次要，一级、二级、三级……的差别，如图2-4所示。
在视觉变量中，尺寸和明度是形成等级感的主要因素。例如，用不同尺寸的分级符号、由白到黑的明度色阶表现等级效果是地图上最常用的方法之一。形状、方向没有表现等级的功能；颜色、结构和密度可以在一定条件下产生等级感，但它们一般都要在包含明度因素时才有较好的效果。
3)数量感
数量感是从图形的对比中获得具体差值的感受效果。等级感只凭直觉就可产生，而数量感需要经过对图形的仔细辨别、比较和思考等过程，它受心理因素的影响较大，也与读者的知识和实践经验有关。
图2-4 等级感的主要形式
尺寸大小是产生数量感的最有效变量，如图2-5所示。由于数量感具有基于图形的可量度性，所以简单的几何图形如方形、圆形、三角形等效果较好。形状越复杂，数量判别的准确性越差。以一个向量表现数量的柱形，数量估读性最好；以面积表现数量的方、圆等图形次之；体积图形的估读难度就更大一些。不规则的艺术符号一般不宜用来表现数量特征。
图2-5 数量感的形成主要在于尺寸比较
4)质量感
质量感即质量差异感，就是观察对象被知觉区分为不同类别的感知效果，它使人产生“性质不同”的印象。形状、颜色(主要是色相)和结构是产生质量差异感的最好变量；密度和方向也可以在一定程度上形成质量感，但变化很有限，单独使用效果不很明显；尺寸、明度很难表现质量差别。
5)动态感
传统的地图图形是一种静态图形，但在一定的条件下某些图形却可以给读者一种运动的视觉效果，即动态感，也称为“自动效应”。图形符号的动态感依赖于构图上的规律性。一些视觉变量有规律地排列和变化可以引导视线的顺序运动，从而产生运动感觉，如图2-6所示。运动感有方向性，因而都与形状有关。在一定形状的图形中，利用尺寸、明度、方向、密度等变量的渐变都可以形成一定的运动感。箭头是表现动向的一种习惯性用法。
图2-6 尺寸和明度渐变产生运动感
6)立体感
立体感是指在平面上采用适当的构图手段使图形产生三维空间的视觉效果。视觉立体感的产生主要有两种途径:一种主要由双眼视差构成，称为“双眼线索”，如戴上红绿眼镜观看补色地图，在立体镜下观察立体像对等；另一种是根据空间透视规律组织图形，只要用一只眼睛观看就能感受，称为“单眼线索”或经验线索。由各种视觉变量有规律地变化组合，在平面地图上形成立体感属于后者。这种透视规律包括线性透视、结构级差、光影变化、遮挡以及色彩空间透视等，如图2-7所示。
尺寸的大小变化，密度和结构的变化，明度、饱和度以及位置等都可以作为形成立体感的因素，如地图上的地理坐标网的结构渐变、地貌素描写景、透视符号、块状透视图等都是具有立体效果的实例。以明度变化为主的光影方法和以色彩饱和度及冷暖变化的方法常用于表现地貌立体感，如单色或多色地貌晕渲、地貌分层设色等。
运用视觉变量引起的视觉感受上的变化，可以形成图形不同的感受效果，达到更有效地传输地图信息的目的。
