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-1-专题地图点符号配色系统设计与测评#吴笑乐1,唐曦2,黄余明2,3**基金项目:华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室主任基金(KLGIS2011C02)作者简介:吴笑乐(1988-),女,硕士研究生,专题地图设计与编制通信联系人:黄余明(1952-),男,教授,专题地图设计与编制.
E-mail:ymhuang@geo.
ecnu.
edu.
cn(1.
华东师范大学地理信息教育部重点实验室,中国上海200241;2.
华东师范大学地图研究所,中国上海200241;53.
华东师范大学地理信息教育部重点实验室,中国上海200241)摘要:色彩配置是专题地图要素表达与视觉设计的重要环节,但亟需系统的指导方案.
针对前景点符号与背景底图间的配色问题,基于Flash平台设计并开发了面向非专业制图者的专题地图点符号配色系统.
依据互补、对比、邻近、同类配色的基本原则,对可选配色方案进10行分类,共提供覆盖有色和无色系等1344种配色方案.
通过用户测评实验,与传统标准色彩面板环境下的自主选色方式进行比较分析,验证了系统具有明确的功能导向性和满意度,能够缩小用户选色范围,降低配色专业性难度,提高配色效率.
关键词:配色;专题制图;点符号;前\背景色中图分类号:{P285+.
56}综合地图集、区域地图集15DesigningandEvaluatingaPrototypeSystemofPointSymbolColorScheminginThematicMapsWUXiaole1,TANGXi2,HUANGYuming2,3(1.
TheKeyLabofGeoscience,MinistryofEducation,EastChinaNormalUniversity,Shanghai20200241,China;2.
InstituteofCartography,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China;3.
TheKeyLabofGeoscience,MinistryofEducation,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)Abstract:Colorschemeisanimportantpartoftheexpressionofthematicmapelementsandtheir25visualdesign.
However,thereisstilllackinginsystematicalguidance.
Thedevelopmentofa'PrototypeSystemofPointSymbolColorScheminginThematicMaps'aimsatthecolorschemeproblembetweenforegroundpointsymbolsandbackgroundareas.
ThesystemisbasedonFlashplatformandfornon-professionalcartographers.
Basedonthebasicprinciplesofcomplementary,contrast,adjacentandsimilarcolorrelations,1344alternativecolorschemesare30dividedintothefourcategorieswhichcovercoloredandgrayseries.
Throughaevaluationexperimentwecompareoursystemwithatraditionaluser-independentcolorselectionmodeusingstandardcolorpanels.
Theresultsshowthatoursystempossessesaclearfunctionalorientationandbetterusersatisfaction,whileitnotonlycannarrowtherangeofcolorselectionaswellasreducethecolorschemingdifficultyforlaypersons,butalsocanimproveoperationalefficiency.
35Keywords:ColorScheme;ThematicMapping;PointSymbol;Foreground\BackgroundColor0引言专题地图因其比普通地图更广泛的应用领域而需要更加多样的专题符号,色彩则成为构建符号时几何图形之外的重要补充元素.
色彩作为最基本的视觉变量之一,既是地图符号表达与图面整饰的关键因素,40也是构建图面视觉层次的最主要手段[1,2].
同时,色彩形成的特殊视觉效果也可引发不同的情绪反应和心理体验,成为向用户直观传递特定专题信息的重要手段.
科学合理的色彩配置能支持多变量的符号系统,增加地图的信息负载量,有助于体现各地理要素之间的关系[2,3,4].
然而,地图色彩配置仍未建立系统全面的理论和方法.
一方面,因其受传统经验和个人主观影响较大,http://www.
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cn-2-难以形成普遍规范;其次,需要制图者具备较好的视觉设计功底,对于非艺术美学专业人员而言,不是一45日之功[5].
尽管Kuler、ColorSchemeDesigner等网站已提供便捷的配色工具,可实现图片取色、色盘配色等功能;但并非为专题地图制图量身定做,矩阵式的色块配色方案界面未考虑分级设色和分类设色,且无法适应"所见即所得"的地图审阅需要.
另一方面,专题地图用色更关注要素数\质量特征的清晰表达甚至语义相关性,对于用户视觉识读和辨别的效率和效果也需考量.
专题用色基本上可归纳为点、线、面符号的质别色与色级色.
根据符号维度和尺寸,通常定位或分区符号、各类线符号一般处于视觉前景层;50范围法或质底法、分区色级统计或等值面等图种的符号则处于视觉背景层.
而已有研究多涉及色级统计图中面状区块对象的渐变分级填色[6,7,8,9,10],其中仅在线平台ColorBrewer[6,7,11]提供适于名义、次序等多类量表的多种分类、级数和色相的配色建议方案,是适于专业或非专业用户选色的最为成熟的可用系统.
但目前仍鲜有针对点或线状符号前景色与面状要素背景色间配置问题的研究,亦无面向非专业用户的配色工具成品.
尽管JonKimerling提出平均度量标准探索前景符号与背景色彩的视觉对比效果,但仍未解决制55图者的困扰.
因此,本研究选择专题地图表示法中的定位\分区点符号(简单几何图形)作为前景层,色级统计等值区域的面状分区作为背景层,聚焦未深涉色彩设计领域且缺乏配色经验和技巧的非专业制图者,设计开发了操作简易的"专题地图点符号配色系统"(PointSymbolColorSchemingSystemforThematicMaps,以下简称PSCSS)原型,并对系统功能和所提供的配色方案进行用户比较评测.
601色彩配置基础与方案设计1.
1色彩配置的基础依据色彩由光源、物体和观察者共同作用而产生,具有色相、明度、彩度三个基本属性,任意一种色彩都可以用此三个参数来定义[3].
色彩配置则是根据设色对象的属性特征和成色环境,参考用户的认知习惯,选择一定的种类、明度和彩度的色彩,对其用色比例、结构分布方式、混成效果等进行设计,达成调和或65对比且满足审美需求的状态[2,3].
在点符号专题地图配色中,核心任务就是前景点符号和背景面区域的色彩选择和搭配.
其一般原则是通过凸显点符号、协调底图实现清晰的视觉分层,避免不必要的干扰与冲突,以不同强度的色彩刺激观察者的视觉通道,引导其视觉顺序,有效促进关键专题信息的获取;其难点即"专题对比充分"而"整体感受协调"的矛盾处理.
"色彩的对比效果"可通过色相对比、明度亮暗对比、彩度浓淡对比、冷暖轻重等色调对比来实现.

70由于点状定位或分区符号通常为简单的点、圆形、正多边形或星形(边数一般小于6),其面积往往较底图面状分区(行政分区或等值区域等)小.
小比例的用色面积就需要色相的对比或互补(优先),或明度\浓度\色调的反差来弥补(辅助色相对比,或在无色相对比时起作用).
如底图与点符号互为对比或互补色,且底图色淡或色亮,点符号就应色浓或色暗;底图和点符号若互为同类或邻近色时亦如此.

其次,"色彩的调和效果"由面积比例占优势的用色对象决定,因此,地图中往往需要处理好底图面75状分区的分级色(顺序、间隔、比率量表)或质别色(名义量表).
范围法或质地法等斑块的质别色色相繁多,一般应维持较均一的明度或彩度(在纸介质上通常选择较高的明度且略低的彩度);在等值面或等值区域的分层或分级设色中,各分区的色彩级别间差异需明显,而渐变色阶一般不超过2个色相,其整体平均明度和彩度不得影响上层其他符号的显示,最暗或最浓色彩一般要适度.

1.
2色彩配置方案设计80本研究采用"分区统计符号法"与"色级等值区域法"组合的专题地图作为示意地图.
前者模拟前景分区点符号;后者模拟背景分区面符号,分级数为1-6级可选(根据视觉识辨力,分区统计图色级一般不宜超过7级).
配色步骤先由用户选定背景主色和色级数;然后由系统生成其他各级色级色,并提供前景点符号的色彩配置方案.
方案依据前-背景色在色环上的角度间隔关系,分为互补色、对比色、邻近色、同类色四类[2],具有不同的视觉感受特点(表1).
85表1PSCSS系统的配色方案分类特征Tab.
1CharacteristicsoftheColorSchemeinthePSCSS方案类型在色环上的夹角特点http://www.
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cn-3-互补色180°两色相互排斥,视觉刺激性强;色环中对比最强烈的一种.
对比色90°-180°两色对比强烈,差异鲜明.
邻近色60°以内两色视觉效果统一协调,整体感强.
同类色0°同一色相的色彩改变饱和度与亮度;如色彩渐变,统一性.
色彩配置是多重因素作用下的复杂任务,不仅具有主观性和不确定性,与地图专题也存在一定的相关性,同时也受用色习惯、制图要求和传统因素的影响.
因此,系统提供的配色方案不限定于某专题,主要三整理优秀地图(集)作品和部分专业地图制图者的建议,以及配色设计类书籍中适用性较好的配置方案,90覆盖有色和无色系等各主要色相共计1344套配色方案.
2配色系统(PSCSS)设计PSCSS系统采用ActionScript3.
0脚本语言并基于FlashCS4平台环境设计开发.
为便于提高配色效率和易于非专业用户操作,系统界面如图1所示,如图所示系统由的七块功能区构成:1-6为参数选择和方案色显示区,自上而下为"地图环境色选择-色级数和色级主色定义-点符号类型选择-点符号配色方案类95型划分-其他要素控制",整个流程符合制图配色逻辑;7为"所见即所得"示例地图展示窗口,空间占比充足,便于用户充分评阅配色方案效果和满意度.
图1专题地图点符号配色系统界面布局示意Fig.
1TheLayoutofthePSCSS100a.
地图显示环境色定义区(图1右1):根据实际需要为示例地图展示区选取暗(85%灰度)或亮来两种显示环境(8%灰度).
通常亮背景适于纸质地图,暗背景适于屏幕显示.

b.
色级统计图色级数选择区(图1右2):定义作为底图背景的色级统计图的色阶级数(1-6),1即等效均质区域,2-6可表征色彩差异水平不同的非均质区域.
c.
色级统计图色级色选择区(图1右3):缩减传统标准色盘取色数量,将搜集整理的可选配色方案105中的112种覆盖有色和无色系的底图主色以矩阵式下拉列表供选择.
这112种主色在色相环上的分布如图2所示,其中部分色相有多个方案选择,即相关色相有明度高低或彩度深浅的变化.
示例地图展示窗口中不同分区的色级色按照所选主色的亮度值每级叠加15%来设定.
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cn-4-图2配色方案中底图色级色色相分布示意110Fig.
2TheHueDistributionoftheColorSchemeinthePSCSSd.
专题点符号类型选区(图1右4):前景"分区统计符号法"中分区点符号设定圆、方柱、环三种常用的单变量简单图形供选择(为限定讨论范畴,暂不考虑多变量统计图表).

e.
专题点符号配色方案选择区(图1右5):整理所得配色方案中,针对112种背景分区色级主色,各按互补色、对比色、邻近色、同类色四类配色原则,每类配置3种前景分区点符号色彩(共12种),以115色块形式排列供用户选择,同时被选中颜色的RGB值给予标注.
f.
背景底图其他要素图层控制区(图1右6):为了模拟真实制图情境,满足配色方案显示需要,额外提供国道、省道、高速、铁路、主干道路及行政界线、水系等地理要素图层选择框,用户可按需选取,以便评估配色方案在不同图面要素密度下的适用性.
g.
示例地图配色效果展示区(图1左7):以"所见即所得"的方式,实时显示用户选定的背景分区120色级色和前景分区统计符号色彩配置方案的效果通.
3PSCSS系统测评实验PSCSS系统的设计目的是缩小用户在专题制图时的前-背景选色范围,降低配色难度,使其能快速、合理配色.
为评估PSCSS系统实际配色功能的导向性与满意度,又设计了一款模拟常规配色环境和用户自主配色方式的对比测试系统,与PSCSS系统进行配色效率和效果比较.
1253.
1实验环境设计对比测试系统与PSCSS系统采用同型号NVIDIA19寸LCD显示器,分辨率为1440*900.
测试任务均在室内光线亮度适中的同环境条件中进行.
计算机软件环境为Windows8操作系统,配置FlashPlayer10播放器,对比测试系统与PSCSS系统界面均采取全屏播放模式.
被试选择50名地理系非地图制图专业的本科生,年龄在23-30岁之间,视力(或矫正视力)与色觉均正常.
130实验指标聚焦"导向性"与"满意度".
导向性指系统配色功能和流程是否能够提高配色效率;满意度指系统提供的配色方案是否能满足用户的制图需求并带来良好的视觉效果.
50名被试者共完成100幅地图配色方案,其中对比测试系统和PSCSS系统各50幅(每人两系统各一幅).
为评估导向性,实验采用电子秒表(精度毫秒),待被试进入测试环节后分别自动记录被试在对比系统与PSCSS系统下完成各配色任务所需的时间;两者进行比较统计,若PSCSS系统所需时间较短的被试者人数的百分比越高,其导向性越135好,配色效率越高.
为检测满意度,将所有100张地图配色结果通过网络投票平台发布,进行非特定用户的读图主观感受评测(不告知所使用的配色系统),若统计得到PSCSS系统下制作的地图选中率较高,则其配色方案的满意度越高,其色彩配置功能的可用性也越好.
3.
2对比测试系统设计如图3所示,对比测试系统的设计界面的布局与PSCSS系统基本相同.
仅色级统计图色级色选择区采140http://www.
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cn-5-用与常规制图软件通用的216色矩阵式色盘,比PSCSS系统的色彩选择范围更广;专题点符号配色方案选择区(图3-1)不再区分对比色、邻近色、近似色和同类色,也采用通用的216色矩阵式色盘供用户自定义配色方案.
图3对比测试系统界面示意145Fig.
3TheInterfaceoftheContrastSystem3.
3测评流程a.
阅读实验规则.
测试者依次进入实验环境,由计算机系统向其展示实验须知(图4)和任务目标(图5):制作一张关于嘉兴市农业领域的专题地图.

150图4.
实验须知图5.
实验任务目标Fig.
4ExperimentalInstructionFig.
5ExperimentalObjectiveb.
对比测试系统配色.
进入系统后,被试点击"开始"进入测试并开始计时,待被试任务完成后点击"退出系统"按钮结束计时.
系统将配色结果地图以"Ref-01.
jpg"的格式命名存储.
所有被试均先使用对比测试系统配色,以避免混用PSCSS系统带来的指向性影响.
155c.
10秒休息.
两系统配色任务间给予10秒钟黑屏时间(黑屏前以文字形式提醒被试休息),不仅可以防止视觉疲劳,也可以消除使用对比系统后产生的视觉残留对PSCSS系统配色的干扰.
d.
PSCSS系统配色.
休息结束后,点击"开始"进入测试,点击"退出系统"完成任务,配色计时过程与上一任务相同.
配色结果地图以"Pscss.
01"的格式命名存储.
e.
两系统配色方案调查与分析.
将两系统完成的所有100幅地图(图6)分为A、B两组(A得于对比160测试系统,B来自PSCSS系统),并将其各分为10个任务批次(每批次包括相同5位被试在A、B组中的10个配色方案,随机排列),再上传至互联网投票平台,进行非特定用户评选(每人每批次任务最多可投1票),验证PSCSS的满意度.
同时,对两系统每位被试各任务的消耗时间进行统计和对比分析,对PSCSS的导向性进行评估.
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cn-6-165图6评估实验中100幅地图配色结果排列方案Fig.
6100KindsofColorSchemesintheExperiments3.
4测评结果分析a.
PSCSS系统导向性评估统计任务完成时间后发现50名被试中仅4人用PSCSS系统配色所需时间多于用对比测试系统(图7),170充分验证使用PSCSS系统能够有效提高配色效率,具有较好的导向性.
图7任务耗时B组少于A组的被试人数占比Fig.
7TheProportionofgroupBTime-consumingLessthangroupAhttp://www.
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cn-7-175图8两系统配色方案网络评选选中率占比Fig.
8TheSelectedRatefromthetwoSystemb.
PSCSS系统指向性评估网络投票共获得128份有效反馈数据,其中由对比测试系统完成的配色结果图被选中52次,在PSCSS系统中完成的配色结果图被选中76次,两系统配色方案的选中率占比结构见图8,这一结果在一定程度上180说明PSCSS系统所提供的配色方案得到广泛社交网络用户的认可,具有较高的满意度性.

c.
评估实验结果综合导向性和满意度评估结果,发现:PSCSS系统能够提高一般专题制图者的点符号配色效率,缩短地图配色时间;同时,PSCSS系统能够为制图者提供可行的配色建议;总体说,PSCSS系统在制图实践中具有较好的可用性.
1854总结色彩配置对专题地图制作至关重要,不仅是项技术性工作,也是项艺术性强且依赖于经验的工作,尤其是专题要素与底图的合理配色更是困扰非专业地图设计者的难题.
通过设计与开发PSCSS系统,集成多源合理的前-背景配色方案,以简洁易用的交互界面提供可行的点符号专题地图配色流程和多种配色选择,并通过在线投票和任务耗时统计的对比实验,验证其具有较好的配色导向性和满意度.

190因诸多客观原因,PSCSS系统还可进一步完善:系统提供的配色方案仅来源于公开出版和网络发布的地图集、设计类配色书籍以及部分专家建议,尽管可用但在色相分布上需更严格的数理划分和机理描述;系统仅以色级统计图和点状符号组合的专题图种为示例,今后需考虑其他常用的专题地图表达方法和符号样式;系统配色方案虽以"农业"为语义背景,但用户响应不明显,今后应针对多种专题领域提供必要的专家方案库;此外,系统不能导入用户自己的地图进行配色,需要设计能够动态处理矢量地图数据的系统195以满足更智能化的高级配色解决方案.
致谢(可选)感谢地理信息科学教育部重点实验室的项目资助.
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