故事地图时空数据组织方法研究

故事地图时空数据组织方法研究

吴升伟

（中煤地西安地图制印有限公司 陕西西安 710199）

摘 要：Esri在2012年提出故事地图的概念，随着技术成熟和数据激增，故事地图正逐渐走进我们的视野并为时空数据的可视化提供了新的载体。本文根据故事地图的发展论述了故事地图的时空数据组织方法，针对故事地图数据源中的文本类数据可视化提出了文本—空间映射的方法，将文本资料中的时空信息提取并匹配到地理空间中，通过故事内容共现模型和空间匹配模型解决了“一名多现”等数据匹配过程中的问题，实现信息与空间位置的匹配，并分别从时间、空间和时空集成的角度论述了常用的时空数据模型。

关键词：故事地图；数据可视化；时空数据模型

1 绪论

地图作为地理信息可视化表达的载体，随着时代的发展逐渐成为人们认识地理空间、获取地理信息过程中不可或缺的工具。新时代的地图要求我们在原有的电子地图和多媒体技术的基础上将现实世界中发生的事件、信息在地理空间的基础上进行有效地组织和表达。通过故事地图可以生动有趣地将现实世界还原，将讲述故事与空间信息表达结合是大数据时代地图发展创新的机遇，这不仅是地图的进步，也是文旅、历史、新闻等领域的需求。因此，如何将故事地图涉及的各类信息合理分析处理，是故事地图研究的关键和重点。

国内外应用地图讲述故事已经发展了很多年，1812年的拿破仑征俄战役图运用静态可视化对战役的描述成为经典的故事信息图。1850伦敦霍乱病例地图将霍乱传播的途径定位到水渠。Bentley在设计历史地图集时将图集中的地图按照顺序组织成为类似故事小说的章节分段形式，描述了Pacific铁路建设途中发生故事，并将其通过时间轴的形式呈现在图面上。北美五湖皮草交易地图将时间粒度精确到天，在对应的时间空间中讲述船员的经历，通过文本的形式对故事加以描述。

2时空数据组织方法

2.1数据内容

故事地图可以很好地延续多媒体电子地图和互联网地图的技术优势，不仅具有界面操作灵活，地图影像无缝拼接，实时动态更新，多维动态可视化，自由缩放、漫游、检索等功能，其更大的优势在于表现手段的多样化。故事地图可以集地图、遥感影像、文字、表格、图片、音频、视频等多种信息于一体[1]，最大限度地发挥地图的功能。

作为地图的地理基础，专题数据需要在地理底图这一“骨架”上搭建起来。故事地图描述自然事物或社会现象时，其中的专题数据都是与时空相对应，紧密联系起来的，而合适的底图数据能在很大程度上丰富需要表达的专题数据。所以深入分析底图数据，能够将故事地图上需要表达的专题数据及其分布发展等潜在内容挖掘出来。底图数据作为必要的基础数据，主要包括基础地理要素及位置、地势地貌和地形等数据，便于在其基础上将专题数据更合适地加以呈现。

专题地图的制图要素有文字等说明性数据，定量或定性描述地理现象的地理数据，描述地理现象所在位置的定位数据，描述地理要素质量、数量特征的属性数据以及描述地理现象时间特征的时间数据等。在故事地图中，专题数据主要以多媒体的方式存在，包括文字、图表、图片、动画、音频、视频等。这些专题数据不仅可以多维动态显示，也能实时更新、检索。

2.2文本—空间映射方法

专题地图制图的数据来源主要有：地图数据、遥感数据、统计数据和资料、文字报告等。作为编制专题地图的主要数据来源，所有比例尺的普通地图和专题地图数据均可作为数据源[2]。在故事地图中，将故事文本转换到时间和空间这一过程对故事地图的搭建非常必要，需用文本—空间映射的方法完成。故事地图的文本—空间映射主要指从文本数据转换为空间数据，可分为两步：一是将故事地图的故事信息进行存储；二是将故事对应的空间地理信息转换为故事地图中的定位坐标。

2.2.1时空语义

时空数据能够精确地将地理世界中包含的信息表示出来。时间数据能够描述事件信息的变化发展、现状与时间的关联，空间数据表示与故事地图中事件对应的坐标位置，分布情况和空间关联性。地图对于专题数据的表示一般以空间作为出发点去描述其特征，而故事的讲述则会更多会以时间轴作为故事从开始、演变到结束的主线。

故事地图中，可将时间理解为一系列现象的发生顺序，通过时间演变将图面信息衔接起来并将空间数据随时间顺序进行拓展。舒红[3]在1997年将时间的时态关系从语义的角度出发归纳总结为8大类：相隔、相遇、部分同期、完全同期、甲出现于乙的变化阶段、乙出现于甲的变化阶段、甲发生在乙的产生过程中、乙发生在甲的产生过程中。故事信息从时间轴的角度划分为两大类，一是点信息，二是线信息。点信息指现象发生于某个时间节点之上，例如某地区某天日出时间。线信息指现象在某个时间节点开始持续到某个时间节点结束，例如某地区的雨季。结合语义角度的时态关系分类以及时间轴角度的故事地图信息分类可将地图信息时态关系分为三类：点信息与点信息、点信息与线信息、线信息与线信息。这三种关系结合时间语义可以分为如下七种：包含关系、继承关系、前后关系、交叉关系、同期关系、同始关系和同终关系。

故事地图中，各类空间数据均可以通过地图语言表达。故事地图中不同类型的空间关系会引申出与之相对应的空间存在形式。地图的认知和空间尺度有很强的关联，空间尺度能够增强我们对故事地图信息的阅读与分析[4]。随着时空数据应用范围的不断扩大，空间关系的运用领域越来越广泛。故事地图中的空间关系表示图中不同信息之间存在的具有空间特性的关系，故事地图中的空间关系可以划分为如下三种：空间拓扑关系、度量关系和顺序关系。

故事地图中所描述的地理事件其本身是空间中存在的一部分现象，这些信息的空间位置、本身形态、结构大小等都通过空间的特性来表达，空间特征是GIS所独有的特点，也是主要表达的内容。文本类数据资料中所描述的地理信息多采用叙述的表达方式，因此要把叙述性文字转化为故事地图图面上的空间信息需要了解空间及空间语义的特征。地理信息的空间语义特征可以概括为多尺度、演变性和歧义性[5]。

2.2.2故事内容共现模型

（1）地名共现

高频率出现在搜索或新闻热点中的地名需要通过地名共现模型分析研究，通过对地名的分析可以得出对应现象在地理空间中的高频聚集点，同时可以分析这些高频聚集点附近出现所有地名之间的相互关系。地名共现的分析结果不能使用空间分析功能，因为其分析所得结果并非以空间坐标的形式直接映射到坐标系中进行显示的，所以需要为地名匹配相应的空间信息，以便通过地图上的对应地点将地名对应的故事事件展开，从而进一步获得故事内容及对应信息的分布特点。构建地名共现模型需要通过五个步骤实现[5]：一、计算地名共现矩阵；二、生成地名共现网络；三、通过地理匹配将地名的空间分布特征可视化；四、时间切片，表示不同时间段中的共现网络；五、网络社区探测，获取地名聚类分布情况。

（2）人物现象共现

人物和现象是故事讲述的核心内容，人物现象共现模型可以从海量文字资料和历史文献中提取出现的人物、现象和事件，通过搭建共现网络将资料中高频次出现的重要人物和关键现象罗列出来，同时对人物与人物、人物与现象、现象与现象之间的关系进行可视化。构建人物现象共现模型的需要通过四个步骤实现：第一，分别计算人物、现象的共现矩阵；第二，分别生成人物、现象的共现网络；第三，地理匹配，人物可视化无需地理匹配，现象可视化可以通过地理匹配达到现象分布特征可视化的目的；第四，时间切片，将生成的网络按时间分成不同时间片段；第五，网络社区探测，深入挖掘人物的亲密关系，现象的分布情况。

2.2.3空间匹配模型

空间匹配模型的建立可以解决故事地图使用的文本类资料中位置信息向空间坐标转换的问题。定位过程中描述地名与实际地名能否准确匹配会受到古今地名差异、同名不同位问题的影响，因此需要通过Geocoding、地名字典和人工干预的方式提高空间匹配的精度。

故事地图空间位置匹配时，Geocoding的使用是最简单便捷的方式，只要是在线地图现有的地名数据，Geocoding都能对其实施编码转换。但对于部分地名信息不够详细的地区，通过地理编码并不能得到匹配结果，需要使用地名字典检索和匹配得到其空间位置，同时注意使用消歧算法解决一名多地的问题。如果故事地图的文字资料数据中地名描述较为模糊，Geocoding和地理字典均不能得到匹配结果，则需引入人工定位得到匹配结果。

3常用时空数据模型

时空数据模型伴随着TGIS的诞生已经成为GIS领域研究的重点，为了更好地表示和模拟现实世界，各种各样的时空数据模型应运而生，例如早期的时空立方体、时空快照等数据模型[6]，后面产生了面向对象时空数据模型、基于对象变化的时空数据模型、时空集成的时空数据模型和以过程为核心的时空数据模型。对于故事地图而言，要将现实世界模拟地更加逼真，使故事地图表达的信息更加充分和精确，有必要深入研究时空数据模型并将合理的运用。

（1）以空间为核心的时空数据模型：按照时间序列记录了空间信息的变化，它不仅能直接获取现实世界中空间信息在某时间节点上的存在状态，还能通过模型的拓展得到事件和现象的变化趋势和变化量等数据。但是该模型数据的冗余量大，会缺失时间空隙的数据。

（2）以时间为核心的时空数据模型：从时空的角度出发，表达现象的过程中加入了现实世界按照时间系列的变化信息，例如国家进出口总量变化率。但以时间为核心的时空数据模型对于连续变化的空间信息可能因时间尺度问题导致故事内容缺失。

（3）时空集成的时空数据模型：将现实世界中需要表达现象的时间、空间以及与之对应的属性同时放置在一个框架中，在这一框架下既能表示对象的空间位置和属性，又能结合时间将事件的变化以及变化过程进行演示。

4展望

地图的故事性虽然已经有很长的发展历程，但从故事地图诞生至今寥寥几年，可参考的实例较少且设计理念仍不够成熟，人工智能时代地图学和GIS进入新的发展阶段，我们在传承和发展基本原理与理论的同时也要注重创新。故事地图方兴未艾，故事地图数据组织方法需要不断的探索和创新。短期内故事地图的主要问题还是如何将信息有效地提取并将其全自动地匹配到地理空间中，实现故事地图的场景再现和交互性。虽然当前故事地图已经得到很多学者的关注，但是需要从多学科、多领域中提取有效的理论以推动故事地图的进步。

参考文献

[1]李琳. 2015.基于ArcGIS电子地图配图技巧探讨[J].城市地理, 2015(12):166.

[2]黄仁涛,庞小平和马晨燕. 2003.专题地图编制[M].武汉:武汉大学出版社.

[3]舒红,陈军,等.1997.时空拓扑关系定义及时态拓扑关系描述[J].测绘学报, 26 (4): 299-306.

[4]李霖,应申.2005.空间尺度基础性问题研究[J].武汉大学学报(信息科学版), 30(3): 199-203.

[5]王双. 2017.时空叙事可视化理论与方法研究[D].郑州:解放军信息工程大学.

[6]吴正升. 2006. GIS中时空数据组织方法研究[D].郑州:解放军信息工程大学.

[7]BENTLEY E.A Historical Atlas in Narrative Form[J].Cartographic and Geographic Information Science,2012,39(4):219-231.

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