論文推薦| 田江鵬:地圖符號的認知語義分析與動態生成

地圖符號的認知語義分析與動態生成

田江鵬, 遊雄, 賈奮勵, 夏青     

信息工程大學地理空間信息學院, 河南 鄭州 450052

收稿日期：2016-10-14；修回日期：2017-06-26

基金項目：國家重點研發科技專項（2017YFB0503500）；國家自然科學基金（41371382；41671407）

第一作者簡介：田江鵬(1987—), 男, 博士, 講師, 研究方向為地圖製圖學與地理信息工程。E-mail: [e-mail]

通信作者：賈奮勵. E-mail: [e-mail]

摘要：面向位置服務背景下地圖符號按需和動態表達的需求，提出了一種基於認知語義分析的地圖符號結構化描述模型，以及建立在此基礎上的地圖符號動態生成方法。結構化描述模型立足「現實—認知—符號」的認知語義原理，以地圖符號語素為基本單元、以語義結構為描述框架，側重描寫符號圖形和語義之間的關聯映射機制。動態生成方法的核心是一種規則控制語素組合構造符號的上下文無關文法模型，通過對圖形語素、形態結構語素以及符號生成規則系統進行建模，重構了地圖符號動態生成的文法編譯器。以個性化導航路徑符號為例，通過面向不同情境和語義結構的符號動態生成試驗，驗證了本文方法的可行性。本文研究將有助於進一步理解地圖符號的認知和結構原理，並促進相關行業和應用領域地圖符號化的按需和動態表達的水平。

關鍵詞：地圖符號    認知語義    語素    上下文無關文法    動態生成    

Cognitive Semantic Analysis and Dynamic Generation of Cartographic Symbols

TIAN Jiangpeng, YOU Xiong, JIA Fenli, XIA Qing     

Abstract: Location-based services (LBS) requires generating real-time personalized and dynamic cartographic symbols. In order to tackle this problem, this paper proposes a structural description model and a dynamic generation method of cartographic symbols based on cognitive analysis. Following the cognitive semantics principle of'reality-cognition-symbol', the description model elaborates the mapping mechanism between symbol graphics and symbol semantics, which uses symbol morphemes as atomic units and semantic structure as description framework. The generation method is composed of a context-free grammar model which uses rules to generate cartographic symbols on the basis of morphemes. Through the modelling of graphic morphemes, structural morphemes and rule-based generation system, a grammar compiler for dynamic generation of cartographic symbols is redesigned. Lastly, experiments of dynamic generation of cartographic symbols in different contexts and semantics are performed to verify the feasibility of the proposed method. Therefore, this study leads to a further understanding of cognition and structure principles of cartographic symbols, and also pushes forward dynamic generation of cartographic symbols for related industries and applications.

Key words: cartographic symbols     cognitive semantics     morpheme     context free grammar     dynamic generation    

符號是構成地圖的基本元素，研究符號不僅是地圖學的經典問題，也是伴隨地圖自身不斷進步而提出的新問題。隨著移動定位、移動通信和網際網路的發展，構建適用於位置服務需求的地圖，已經成為地圖學新的研究熱點。位置服務背景下的地圖，是一種以位置為中心，全面反映與位置相關的各種特徵、事件或事物的新型地圖產品[1-2]，具有個性化、智能化、全方位信息等特徵。反映在地圖表達層面，表現為用戶需求的實時解析、位置關聯信息的智能處理、地圖製作和表達的動態實現等。動態製圖的內在要求，使得需要根據用戶位置和情境[3]等信息，自動計算出地理要素最佳的符號表達形式。位置服務背景下地圖符號化面臨的這種需求，是本文研究的出發點。

現有電子地圖的符號化方法，可概括為兩類：一是使用對照表，建立地理要素和地圖符號之間的映射關係。二是使用規則，基於地理對象的特點、製圖知識等進行規則匹配[4]。這些方法的一個共同特點，即地圖符號是預先使用符號編輯器等工具，人工或半人工設計、編輯並保存至符號庫中，是一種「靜態存儲、匹配調用」的符號化模式。這種模式的優點是易於實現且速度快，但面向現實世界的複雜性、用戶需求的多變性和製圖情境的多樣性，其缺點在於難以窮盡各種符號化細節和需求，降低了提供特定情境下地理要素最佳的地圖符號表達形式的精準度，也降低了用戶個性化體驗。因此，位置服務背景下地圖符號化更加講求「按需和動態」的特徵。

為此，已有不少學者分別從描述模型[5]、句法結構[6]、表達模板[7]等角度，探索動態符號化解決方案。還有些學者從統籌符號的圖形和語義兩個方面[8-11]，立足符號的深層次語義結構及其認知機理，探索地圖符號的製作和應用模式。這些成果對位置服務背景下的地圖符號化具有重要的借鑑作用，但仍存在不夠系統、認識的理據性不強等弱點，尚不能直接作為位置服務背景下的地圖符號化解決方案。本文從地圖符號的認知原理剖析出發，試圖通過統籌語義和語法的關聯關係，探究一種能在特定情境約束下，根據地理要素的語義描述自動生成相應符號圖形形式的動態符號化方法，以滿足位置服務背景下地圖符號化需求。

1 基於認知語義的地圖符號結構化描述

本節從人對地理對象的概念認知出發，對地圖符號語義結構、圖形構成以及二者之間的內在關聯關係進行剖析，建立地圖符號的結構化描述模型，進而指導地圖符號動態生成的實現。

1.1 地圖符號的認知語義原理

認知語言學基於自然語言對人的認知機理進行研究，秉承「現實--認知--語言」的基本原則[12]，認為在現實和語言之間存在「認知」這樣一個中介。地圖被作為人類信息交流的語言[12]，將地圖符號與自然語言進行類比，可以劃分3個空間：即物理空間、認知空間和符號空間，其中符號空間近似於「幾何學表達的空間」[14]的認識。基於這一划分，結合圖 1有如下認識。

圖 1 地圖符號的認知語義分析：以「水塔」為例Fig. 1 Cognitive semantics analysis of cartographic symbols: take water tower as example

圖選項

(1) 對地理對象(屬物理空間)的體驗[12]形成了地理概念(屬認知空間)。人通過對現實世界的體驗，形成地理對象的感知和認知的結果，構成認知空間中的地理概念。例如，「水塔」的概念可由「避雷針」、「水櫃」、「支架」和「基座」等子概念組成，且各子概念之間存在「在…上」、「由…組成」等概念間關係，它們共同構成了一個概念的關係網絡。地理概念是物理空間在人腦中的投影，與客觀的物理世界並非完全一致。

(2) 地圖符號(屬符號空間)是由能指和所指兩項要素構成的統一整體[15]。根據語言的「兩極性」原理，任何一個語言都是語音和語義的內部結合[16]；地圖符號也不例外，是符號圖形和語義的內部結合。例如，水塔符號的語義可以描述為(〈避雷針〉，〈在…上〉，〈水櫃〉)，(〈水櫃〉，〈在…上〉，〈支架〉)等，再賦予語義以相應圖形形式，例如(〈水櫃〉，)，構成符號的圖形表達形式。

(3) 地圖符號是對地理概念採用地圖語言的外在表達。認知語言學對概念和語義進行如下區分：概念是認知和思維的基本要素，語義是用語言符號表達的概念，是語言成分中的意義要素[12]。基於這一區分，地理概念是認知空間的要素，符號語義是符號空間的要素；地理概念構成地圖符號語義的基礎，語義則形成地理概念的外在表達。地圖符號的語義均涉及一個或多個地理概念，沒有概念也就沒有語義。基於上述分析，影響地圖符號製作和表達的關鍵因素包括：① 地圖符號的語義描述，它依賴於認知空間中的地理概念；② 符號圖形和語義的關聯映射機制。對於本文動態符號化目標而言，符號圖形和語義的關聯映射機制是關鍵。下文將從關聯映射的最小原子(即語素)、關聯映射的模型兩個角度展開分析。

1.2 地圖符號的語素

在語言學研究中，直到最近學術界才充分認識了作為語法單位的語素，繼而恰當的處理了形態學的詞的結構[17]，因此語素在詞的形態學研究中具有重要意義。地圖語言的語法結構中也存在語素，是地圖符號圖形和語義間的最小關聯原子，對地圖符號結構的理解具有重要的作用。歸納起來，地圖符號的語素(或簡稱符素)的認識有[18-19]：① 語素是符號圖形和語義相結合的最小單位，也是語法系統中的最小單位，不可以再分解；② 區別於基本幾何圖元或視覺變量，語素的圖形形式對應有語義特徵，即具有語義成分；區別於符號，語素是構成符號的材料；③ 依據是否可以獨立表達，語素有自由語素和粘著語素之分：自由語素可以獨立構成符號並用於地圖表達，此時它已經具化為符號；粘著語素不能獨立構成符號。

按照對語素的理解，用Sememe表示語義特徵，Graphic表示相應的圖形形式，則語素的最簡形式可概括為

語義特徵方面：① 語義特徵也稱義原、義素等，是語義的最小原子，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，是有限的、二元的、原始的、共享的、抽象的和先天的[20]; ② 從符號表達的角度，語義特徵可分為兩類：構成元素的語義特徵和構成關係的語義特徵。構成元素的語義特徵，例如〈避雷針〉、〈水櫃〉等，表徵的是符號的語義構成成素；構成關係的語義特徵，例如〈在…上〉等，表徵的是構成元素語義特徵之間的形態或語義關係。

圖形形式方面：① 圖形形式可區分為圖形和形態結構兩類，例如，構成元素的語義特徵通常表徵為圖形，例如例中的(〈水櫃〉，)；構成關係的語義特徵通常表徵為圖形的形態結構，例如例中的(〈在…上〉，)；② 將某一語義特徵映射為何種圖形形式，取決於幾何規律、認知規律和文化聯想作用，這與空間信息的音位層的規律[13, 20]相一致。例如，「水櫃」還可以表達為(〈水櫃〉，)，從語素設計角度，並無嚴格的合理性斷定，同樣的案例還可以在「教堂」符號的設計中[21]發現; ③ 形態結構能反映語素組合為符號的結構模式，是空間關係作為各級無語義的、同義的或上下義的語言單位之間的組合約束[20]。因此，形態結構具有有序性，能夠通過正確處理語素間的相對位置來表達特定的語義關係，有助於形成正確的符號認知。例如，使用上下結構()表達「A在B上」，其結構關係應是A/B而不能是B/A。

1.3 地圖符號結構化描述模型

語素構成了符號圖形和語義相關聯的最小原子，使得依據符號的語義結構，以語素作為單位，按照特定的構造規則，自動地計算出符號的圖形形式成為可能，這也是「語義驅動的地圖符號設計」的核心理念[10]。根據地圖符號的認知語義原理，以地圖符號語素為關聯紐帶，可構建語義、圖形相統一的地圖符號結構化描述模型，如圖 2所示。

圖 2 統一圖形和語義的地圖符號結構化描述模型Fig. 2 Structural description model of cartographic symbols with unified graphic and semantic aspects

圖選項

圖形域和語義域：體現了地圖符號的「兩極性」特徵[16]。對於圖形域，可以劃分為「視覺變量→基本幾何圖元→語素圖形→符號圖形→地圖圖形」幾個層次，核心問題是下一層次圖形單元組織為上一層次圖形單元過程中的圖形組織和構圖規律。對於語義域，核心問題是語義特徵、符號語義描述以及地圖語義場描述及其語義規則。已經存在側重於地圖符號構圖規律(例如構成變量、構圖規律[22]等)或空間信息語義結構[20, 23]二者之一的討論，但本文更強調將圖形和語義統一納入語法的框架下進行討論，即通過語義規則控制圖形幾何組合運算，使具有共性的構圖對象和構圖算子能夠與具體地理語義相關聯，從而彌補單純的圖形構圖規則在地圖信息構造上的不足。

語法層次：體現了地圖符號的構造具有語言的「層次性」特徵[16]。借鑑自然語言詞的結構[16, 20]，將地圖符號的語法層次歸納為圖形變量層、語素層、符號層和地圖層。語義域和圖形域在自下而上的各語法層次中均形成映射，而語素則是形成這一映射的直接紐帶。語法規則是指不同層次的語法單位在組織為上一層語法單位的過程中的組合或運算規則，是地圖符號構建的共性結構。語法規則不僅控制著符號的幾何運算，也約束了符號的語義解釋。語法層次中使用圖形和語義相互映射的方式，使得地圖符號的圖形構造可以以語義結構作為依據，同時也使得以語義關係為內在邏輯的符號系統具備更好的體系性和規律性。

2 地圖符號動態生成的上下文無關文法

本節以地圖符號的認知語義分析和統一結構化描述模型為指導，通過引入上下文無關文法(Context Free Grammar, CFG)建立地圖符號動態生成的數學模型，進而實現「規則控制語素自動組構符號」的目標。

2.1 文法數學模型

根據圖 2所示的地圖符號結構化描述模型，可將地圖符號視為多級語法層次單位通過各種組合關係構造而成的層次結構。以「土堆三角點」符號為例，圖 3給出了該符號的層次描述結構。圖形語素(〈土〉，)在形態結構語素(〈圍繞〉，)的控制下，構成了組成符號的中間形態(〈土堆〉，)，本文稱之為部件(component)。該部件同語素(〈三角點〉，)一起在形態結構(〈在…上〉，)的控制下構成了符號(〈土堆三角點〉，)。

圖 3 地圖符號層次結構的抽象Fig. 3 The abstract hierarchical structure of a cartographic symbol

圖選項

可將上述符號的層次描述結構表述為「語素+生成規則」的最簡形式。語素包括了圖形語素和形態結構語素。生成規則是指語素構造為部件以及符號等更高級語法成分的組合規則，例如「部件→語素+形態結構+語素」等。通過反覆使用(有限的)語素，在(有限的)生成規則控制下，可構成無限的地圖符號表達形式，具有典型的遞歸特徵。

Chomsky抽象了4種文法層次：0型、1型、2型和3型文法，且每一種文法都是前一種文法的特化。其中，2型文法又稱上下文無關文法，其典型的特徵是遞歸。基於2型文法，地圖符號的上下文無關文法模型可以表示為4元組

其中, ① VR={r1, r2, …, rn}是符號生成過程中的生成規則集，n是規則的數量，ri(i=1, …, n)是生成規則；VR中元素不能處於生成過程的終點；② VM={m1, m2, …, mk}是符號生成過程中使用的語素集，k是語素的數量，mi(i=1, …, k)是指圖形語素或形態結構語素。VM中元素只能處於生成過程的終點；③ S是文法生成的起點，可以取VR集合中不同規則作為初始規則；④ R是規則的重寫形式，其一般形式為：A→ω。其中，A∈VR且A≠∅，即A必須是VR集合中的某一規則；ω是規則的重寫結果。

以此，圖 3用例中的符號抽象描述就可以用數學模型表示為

VR={symbol, component, morph_graph, morph_struct}

VM={msid, mtd, mnullg, son, srot}

S=symbol

R:

(1) symbol→component+morph_struct+component

(2) component→morph_graph+morph_struct+morph_graph

(3) component→morph_graph

(4) morph_graph→{msid, mtd, mnull}

(5) morph_struct→{son, srot}

2.2 語素設計和建模

根據地圖符號語素的分類，語素的設計和建模主要分為以下兩個方面。

2.2.1 圖形語素設計

圖形語素是「語義特徵-圖形形式」的最小原子，其設計旨在合理使用圖形視覺變量，賦予語義特徵以相應的圖形形式。圖形語素設計遵循以下原則：① 概括性原則：即採用較為規則和簡潔的圖案表示語義特徵；② 聯想性原則：採用象徵和聯想等方式，建立起圖形和語義特徵的內在聯繫，例如使用採礦鎬表示語素(〈礦井〉，)；③ 繼承性原則：由於文化習俗、已有符號規範等形成的認知慣性，圖形語素設計需要繼承已有視覺變量的使用原則；④ 對立與統一原則：對於同屬類型的語義特徵，使用相同視覺變量的不同值進行表達，且需體現顯著的區分特點；⑤ 領域相關原則：面向不同的行業和應用領域的需求，同一語義特徵可以採用多種圖形形式表達。

色彩是地圖符號區別於其他符號的一個重要特徵，以色彩視覺變量使用為例：基於聯想性原則，藍色與自然水色聯繫在一起，可表達海洋、河流和湖泊相關的語義特徵，如(〈泉〉，)；同理，棕色表達山地、沙漠和戈壁相關語義特徵，綠色表達植被相關語義特徵，藍紫色表達冰川相關語義特徵等。基於對立與統一原則，可以使用色彩區分同屬類型的語義特徵，例如語素(〈電〉，)可以基於顏色派生出(〈水電〉，)、(〈火電〉，)和(〈核電〉，)等語素。表 1為以系列比例尺地圖符號為對象抽取獲得的語素表，涵蓋了點、線、面狀符號中使用的常見語素。類似的研究還包括以軍隊標號和警用符號為對象的語素抽取工作[24]。

表 1 基於系列比例尺地圖符號進行解構抽取得到的語素(部分)Tab. 1 A lists of symbol-morphemes which are extracted from topographic map symbols (portion)

表選項

2.2.2 形態結構語素建模

形態結構語素是「語義特徵-形態結構」的最小原子，可通過圖形語素間的形態結構表達特定的語義特徵，在模型坐標系下通過特定的參數設置，在符號生成過程中控制語素、部件拼接和構造符號。例如，圖 3用例中，語素(〈在…上〉，)採用了中心邊緣結構，表示位於中心的對象在位於邊緣對象之上，其參數化描述可以表示為S_ON：(p=(0, 0), r=0.5, num=1)；語素(〈圍繞〉，)採用了旋轉結構來表示土堆，其參數化描述為S_ROT：(p=(0, 0), r=0.3, num=3)。

總結了地圖符號形態結構基本類型(見表 2)，並描述了各結構及其能表徵語義類型的關聯關係。符號的基本形態結構分為獨立、旋轉重複、中心邊緣重複、向量平行重複、對稱重複、規則或線性重複、隨機重複7大類。歸納了每一類形態結構和參數表、能夠表徵的語義、實例類型，涵蓋了點、線、面狀符號中常見的形態結構。

表 2 基於系列比例尺地圖符號進行解構抽取得到的形態結構Tab. 2 The morphological structures which are extracted from topographic map symbols

表選項

2.3 生成規則

生成規則規定了圖形和形態結構語素相互組合為符號的計算規則，主要包括：① 符號重寫規則：符號→部件+形態結構語素+部件；② 部件重寫規則：部件→部件+形態結構語素+部件，或部件→圖形語素+形態結構語素+圖形語素，或部件→圖形語素；③ 形態結構語素重寫規則：根據語義特徵和約束條件匹配形態結構，例如if(〈圍繞〉) then()；④ 圖形語素重寫規則：根據語義特徵和約束條件匹配圖形，例如if(〈泉〉) then()。

其中, 規則①② 表明符號的生成是一種典型的遞歸形式，是實現「有限語素生成無限地圖符號」的關鍵。規則③④ 表明不同的約束條件(例如應用領域和情境)會使得同一語義特徵匹配得到不同的圖形或形態結構。上述規則使得符號的生成具備適應應用領域和情境變化的能力。

根據文法模型Gsbl和上述規則，本文構建了地圖符號的生成規則的巴科斯範式(Backus-Naur Form, BNF)描述表(表 3)。採用BNF描述生成規則，是因為其描述形式簡潔清楚、易於閱讀、容易理解，常作為計算機語言語法描述的元語言。

表 3 地圖符號生成規則的BNF描述Tab. 3 The BNF description of cartographic symbols generation rules

表選項

2.4 文法編譯器

文法編譯器是介於地圖符號語義描述和底層符號圖形算法和繪製系統之間的一個計算裝置，負責利用生成規則控制語素完成符號圖形組織結構的計算。文法編譯器向上能接入符號語義描述信息，向下可調用底層模塊的接口函數實現符號的圖形繪製。文法編譯器的設計如圖 4所示，計算流程包括：① 輸入形式化描述的地圖符號語義；② 進行詞法分析(lexical analysis)，獲得語素標識符；③ 進行語法分析(syntax analysis)，依據生成規則重建抽象語法樹(Abstract Syntax Tree, AST)[25]；④ 遍歷抽象語法樹，組織符號圖形並執行繪製。其中，詞法分析、語法分析和抽象語法樹是編譯技術[25]中的關鍵技術。

圖 4 文法編譯器的架構設計Fig. 4 The design of the compiler

圖選項

從實現角度，採用了較為成熟的Flex和Bison作為詞法分析和語法分析的工具。按照Flex和Bison的規則編寫規範，分別按照語素(圖形語素、形態結構語素)、生成規則提供的標識符和規則，編寫sbl-morpheme.l的詞法規則文件和sbl-rule.y的語法規則文件(註：「.l」為Flex規則文件類型，「.y」為Bison規則文件類型)；使用Flex和Bison進行編譯，可以得到其對應的詞法分析和語法分析程序。

3 試驗與分析

基於地圖符號上下文無關文法編譯器，以個性化導航路徑符號為例，進行地圖符號動態生成試驗，以驗證地圖符號動態生成模型的可行性。

3.1 符號生成試驗

3.1.1 符號語義的形式化描述

導航路徑符號可抽象為起點(S)、終點(E)、當前用戶位置點(C)和導航路徑(R)4個部分。其中，起點、終點分別位於導航路徑線的兩端，表示為空間關係(meet)；當前點位於導航路徑線上，表示為空間關係(on)。採用語義三元組(triplets)的方式可以表示為：〈S, meet, R〉；〈E, meet, R〉；〈C, on, R〉。顧及符號內部語義的層次關係，起點、終點和導航路徑之間有前組合關係〈E, meet, 〈S, meet, R〉〉或後組合關係〈S, meet, 〈E, meet, R〉〉，再與當前用戶位置點組合，有如下語義描述式：〈C, on, 〈E, meet, 〈S, meet, R〉〉〉和〈C, on, 〈S, meet, 〈E, meet, R〉〉〉。在此基礎上，根據表 3規則，進一步將符號語義關係描述為獨立形式語句

SYMBOL (C on (E meet (S meet R)))

SYMBOL (C on (S meet (E meet R)))

3.1.2 符號生成推導過程

在語義描述的形式語句的基礎上，進行詞法分析和句法分析計算，核心是基於自頂向下或自底向上的分析方法[26]推導生成抽象語法樹，並將其作為符號的邏輯組織結構的依據，調用圖形語素和形態結構語素構造生成符號圖形。符號生成推導過程的核心計算包括兩個部分：一是抽象語法樹的推導計算，二是圖形語素和形態結構語素的語義特徵→圖形的映射。

在抽象語法樹推導方面，試驗部分採用了自底向上的計算算法，也稱移近-規約[26]算法。計算過程首先從輸入的形式語句首部開始，依次取詞向前移近(shift)，並根據表 3定義的規則逐級向上規約(reduce)，直到構造出輸入語義描述的完整抽象語法樹為止。圖 5是完整的推導過程的輸出，可見推導過程實質就是依據生成規則的移位、規約和回溯計算，最終構造圖 6所示的抽象語法樹。

圖 5 用例符號的推導過程(GM：圖形語素；SM：結構語素；COM：部件；SD：符號描述；S：符號)Fig. 5 The derivation process of case symbol (GM:graphic morpheme; SM:structural morpheme; COM:component; SD:sbl_desc; S:symbol)

圖選項

圖 6 用例符號生成的推導樹Fig. 6 The derivation tree of case symbol

圖選項

在語義特徵-圖形映射方面：對於圖形語素而言，設計了3種情境的語義特徵和圖形形式的映射方案，如表 4所示，3種方案反映了同一語義特徵的不同情境下的圖形表達形式。對於形態結構的語素而言，主要考察二維地圖表達的需求，設計「meet」和「to」兩個空間關係的表達形式，如表 5所示。基於圖 6的抽象語法樹邏輯結構，將圖形語素的圖形放置在相應形態結構語素的結構位置上，可以按照圖 7所示組裝符號最終圖形。

表 4 面向不同情境的圖形語素設計Tab. 4 The design of graphical morpheme for different contexts

表選項

圖 7 基於推導樹的符號圖形組織結構Fig. 7 The graphical structure of symbol according to derivation tree

圖選項

表 5 形態結構語素設計Tab. 5 The design of structural morpheme

表選項

3.1.3 生成結果

基於符號的推導和計算，按照語義是否正確、情境是否一致進行控制，得到了表 6所示的3類符號生成結果。第1類：給定正確的語義輸入，並嚴格按照表 4所設計的情境進行符號生成；第2類：給定正確的語義輸入，置亂圖形語素和情境的對應關係後生成相應的符號，此類符號具有語義上的正確性，但是表達效果與預期設計不一致；第3類：給定在輸入語義上將起點(S)、終點(E)和當前用戶位置點(C)置亂，使得輸入的語義存在錯誤，同時也置亂圖形語素和情境的對應關係，此類符號不僅在語義上存在錯誤，而且表達的結果也無法認知或認知錯誤。

表 6 用例符號的生成結果Tab. 6 The generation list of case symbol

表選項

3.2 試驗結論

根據試驗，可以得出以下結論：

(1) 基於有限的語素和生成規則，能夠生成(理論上是)無限可能形式的符號。一方面，規則的迭代設計使得符號圖形可以嵌套和重用，這是符號生成能力的根源；另一方面，只要符合規則，文法編譯器均可執行圖形構造計算：例如在表 6中，通過對情境置亂和語義置亂，生成了除「語義正確、情境一致」的符號之外的更多符號，雖然這些符號不可實際用，但這些符號的生成過程和結果均滿足規則。

(2) 符號的語義描述影響所生成符號的圖形形式。區分為語義複雜度和語義正確性兩個方面：語義複雜度方面，語義信息越複雜和越豐富，符號的圖形形式越複雜，反之亦然，這也表明符號語義和圖形的結構一致性；語義正確性方面，錯誤的語義描述會生成形式正確、但難以認知(甚至是誤導認知)的符號，例如表 6中「語義置亂」後的符號，已經喪失正確的路徑導航能力。因此，語義對符號的按需表達應用產生重要約束，是語法的基礎上尚需進一步探討的問題。

(3) 能夠兼顧情境、行業和應用領域對符號的影響。本文方法在語素層面將情境、行業和應用領域的個性化特徵進行固化，例如圖形語素設計顧及了行業領域應用習慣和約定(表 4示例)，形態結構語素也能固化表達環境特徵，例如面向3D環境時表 5的空間關係表達需要進行擴展。根據不同情境、行業和應用領域進行語素設計，並在應用時進行匹配、調用和重用，使得符號生成結果能夠一定程度上滿足按需的能力。這也表明，在語素層面進行個性化特徵的固化，要比在符號層面的固化更加具有優勢。

(4) 符號化方法具備更好的按需和實時動態表達潛力。以語素為紐帶，語義結構驅動符號圖形組合的符號化模式，使得符號的按需表達可以劃分為兩個階段，即語義分析、推理階段和符號組構階段，它們以形式化的語義描述為接口。按照這一模式，在符號組構的文法編譯器基礎上，符號按需和動態表達的問題就可更加集中於符號語義的分析、推理和計算方面。因此，該方法為進一步拓展符號表達的個性化和智能化程度奠定基礎。

4 總結

位置服務背景下的地圖製圖，強調地圖符號的動態生成和表達。本文針對這一問題，以地圖符號的認知語義分析為切入點，建立了一種以語義結構為內在邏輯、以語素為語義和圖形關聯原子、規則控制語素構造符號的地圖符號動態生成模式，隸屬於符號的形態學研究範疇。

本文地圖符號生成模型，之所以能夠適應位置服務背景下地圖符號化的自適應和動態表達的需求，原因在於通過語素建立起符號語義和圖形的關聯關係，並將符號的圖形構建付諸於符號的語義結構描述，是一種「語義→圖形」的自動轉換機制。對於計算機而言，這一轉換將複雜的符號圖形計算轉換為語義向量的計算，相較而言，後者更容易形式化和規則化，有利於計算機實現。對於人的符號認知而言，語素維持了符號的語法結構與語義結構之間的一致性，有利於提高地圖符號的認知效率。

在可用性方面，該方法不僅能夠應用於位置服務背景下地圖符號化方面，還可能在以下領域發揮作用：① 在語素層面(而不是符號層面)對領域的差異性進行固化和重用，可為多行業和多領域的符號設計提供有益的思路；② 以語義為符號的內在邏輯，通過語義的對立與統一分析建立起良好的符號語義系統，能夠強化符號體系的系統性，為現行軍隊標號臃腫但仍不夠使用的問題提供解決方案；③ 從地圖語言的角度，本文的研究可認為是對地圖語言詞彙的形態學探討，對於地圖教學中的符號本質和結構理解、地圖符號閱讀和記憶等具有潛在價值。

【引文格式】田江鵬，遊雄，賈奮勵，等。地圖符號的認知語義分析與動態生成[J]. 測繪學報，2017，46(7)：928-938. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20160504

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