第一章 绪论
1.1 引言
科学技术的不断进步，极大的促进了地图学的发展，新的理论和技术为地图学的每一次变革均提供了新的表现方法和手段，不断推动地图学前进。作为人类空间认知工具的地图也经历了由纸质地图、电子地图、虚拟地理环境(VGE)的发展历程，每一种新的地图产品的出现均引发了人类地理空间认知能力的巨大飞跃。虚拟现实技术与地图学的结合产生了虚拟地理环境。虚拟地理环境，可定义为包括作为主体化身的人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境，包括计算机、网络、传感器等硬件环境，软件环境，数据环境，……和文化环境等[1]。虚拟地理环境是现实世界的一个概括，是区域自然环境和社会经济环境的虚拟模型。它强调身临其境之感，但又追求超越现实的理解，不仅可以较为真实地反映现实世界，还能支持我们重建过去、预测未来。可以说，虚拟地理环境是在地图与地理信息系统基础上发展形成的地理学新一代语言[2][3]。随着虚拟地理环境研究的深入，三维符号作为虚拟地理环境的语言得到了较为广泛的研究，利用三维符号表现具有时空定位特征的各类信息已成为研究的热点与难点之一。三维符号是指在三维环境中，用来描述各种地理实体的形状、位置、大小、姿态以及地理现象的时空分布、变化特征的图形、图像以及图解模型[4]。较之二维符号，三维符号具有信息维度多、表现形式丰富、实现难度大等特点。三维符号以其对客观事物表达的真实感和直观性，改变了二维地图符号表达信息的抽象化、平面化和表达方式固定化的缺点，用更加自然的方式向用户展现信息[5]。目前，三维符号已经在诸如城市规划、市政管理、公共交通、环境保护、土地管理、资源调查、灾害预测与防治、区域开发规划、公安消防以及军事等领域得到了广泛的应用。
1.2 课题研究背景
20 世纪 50 年代以来，随着地图学理论研究和计算机技术、遥感技术等新技术在军事测绘保障领域的应用，地理空间数据的处理和表示能力得到了稳步的提高。在军事测绘保障方面，虚拟现实技术的出现为指挥员产生亲历战场环境的感受提供了可能。基于虚拟现实技术的战场仿真环境能够为指挥员、参谋人员提供现地勘察与地图阅读各自优势相结合的认知环境，更重要的是把指挥、参谋人员从旁观者的位置变为身临其境的参与者。―地图与兵要地志→数据库支持下的电子地图与地理信息系统→环境信息系统支持下的战场环境仿真‖是一个合乎技术与军事发展逻辑的军事测绘保障模式[14][15]。根据战场环境仿真在作战模拟中的应用，可以区分为数据仿真和感知仿真两种描述方式[16]。感知仿真亦称战场感知化，即通过战场声像来展现战场环境，实现战场可感知的前提是虚拟战场环境建模。虚拟战场环境构建可分为三个部分[17]：战场空间环境建模、武器装备建模和三维态势表达。战场空间环境建模和武器装备建模本质上是通过符号模型对战场环境进行可视化表达：战场空间环境建模包括地理环境、电磁环境和气象环境的建模；武器装备建模包括几何建模和行为建模，用于模拟战场武器装备。对于三维态势表达，军队标号是战场态势可视化的工具和图形语言，因而实现战场态势的虚拟环境可视化的关键是建立战场态势表达的三维符号体系，以满足不同军兵种、不同军事级别的需要。因此，从战场可感知化角度，战场环境仿真迫切需求三维符号这一基础课题研究的支撑。
第二章 基于语言学的三维符号设计与表达基础理论研究
针对―基于语言学的三维符号设计与表达这一命题，从理论角度需要回答以下两个问题：一是语言学对三维符号研究有何支撑作用？二是三维符号本质是什么？针对第一个问题，语言学是本文的方法论基础，对语言学的基本原理及组成结构介绍，对语言学与地图学相结合产物地图语言学研究的追溯等，对整个课题研究具有重要启迪和参考价值。针对第二个问题，―三维符号是本文的研究对象，结合语言学及三维符号已有研究成果，界定三维符号的概念、特点等基本问题，构成本文研究的理论基石。
2.1 语言学基础及地图语言学基本理论
被誉为―现代语言学之父的瑞士语言学家 Saussure(1857-1913)开创了结构主义语言学的研究，引发了语言学的第一场革命，开启了现代语言学的研究[78]。Chomsky（1928- ）及其转换生成语法被誉为语言学研究的另一场革命（或称认知科学革命），把语言学研究从语言自身的描写引申到对语言背后的人脑或心智研究上来[79][80]。现代语言学已经走过了百年历程，百年积淀使得其越来越超越一个单独的学科门类而成为一种方法论，广泛用于认知科学、社会学、哲学、心理学、计算机科学以及其他自然和社会学科。
2.1.1 语言结构、术语及语言学基本原理
高明凯在《语言论》一书中，对语言系统的内部结构进行了系统性的论述，主要分为四个方面：语音系统、语义系统、词汇系统和语法系统，语言结构中具有典型的“位”与“素”的区分，这种区分体现了典型的结构主义理念。 语音系统语言中的语音方面所组成的系统就是语言的语音系统。语音系统是由不同音位、音素单位组织而成的，而各个单位之间都彼此相互联系。音素是从语音的自然性质角度区分出来的最小单位，是人们言语运动神经所发出的发音动作或因之而说出口的物理声音的最小片段。人们在说话时所发出的各种音素，有的具有区别表义的作用，有些则不具有这种作用。从功能角度把不具有区别表义作用的音素归并为同一个语音单位，而把能够区别表义作用的音素分别属于不同的语音单位，这样的语音单位就是音位。 语义系统和语音相似，语义是语言符号结构的另一个基本要素，是语言成分的意义要素。语义作为语言符号的一个组成要素，在语言系统中构成了语言的一个特有的内部结构系统，虽然这个系统要受语言的交际职能和思维职能影响。语言中最小的语义单位称为义位，是由一个或几个概念在外延与内涵上一致的语义成素及其附加的各种语义色彩组合而成的。构成一个义位的语义成素称为义素。
2.1.2 语言学与符号学的关系依托
语言学理论研究三维符号，本身涉及的是两个相互联系而又区别的学科；如何认识这两个学科之间本质关系，是回答―符号学具有自身的理论体系，利用符号学理论指导地图符号研究是地图学传统方法；那么在研究三维符号时为什么不继承符号学理论，而要采用语言学理论和方法？这一对本文起着重要基础支撑作用的理论问题的关键。因此，怎样理解语言学与符号学的关系，关系到本文的理论取向。关于语言学与符号学之间的关系，总体上具有三种观点：一种观点认为语言学隶属于符号学，语言学只是符号学的一部分；另一种观点认为符号学从属于语言学。介于二者之间的第三种折中观点认为语言学和符号学是两个独立学科，各有其独立的研究范围[82]。关于语言学与符号学之间关系，本文认为王铭玉的观点具有一定的代表性：一方面，虽然语言作为一种特殊的符号系统可以归为符号的下位概念，但语言学作为一门科学，并不仅仅研究语言符号本身，还要研究语言的普遍性质和规律，所以它和符号学是并行的，二者是两个相对独立的学科；另一方面，语言学和符号学彼此交叉更能发挥综合学科的优势，语言学和符号学相互影响和相互制约、互动和互融的基础早已存在，二者的结合不仅是可行的，同时也是一种理想的选择。
2.2 三维符号基本理论问题
三维符号是虚拟现实技术与传统地图符号结合的产物，对于三维符号的理解，目前尚未达成统一的共识。本节主要从类比语言的角度，对三维符号的基本概念、设计原则等问题进行论述。
2.2.1 三维符号基本概念
（一）三维符号的定义
模型是对客观事物的简化反映和抽象，目的在于发现和了解客观事物的本质属性和基本规律，三维符号就是一种抽象化的三维模型。危拥军[4]将三维符号定义为：在三维环境中，用来描述各种地理实体的形状、位置、大小、姿态以及地理现象时空分布、变化特征的图形、图像以及图解模型。并且，研究三维符号不是简单的对二维符号的否定和抛弃，而是对它的完善和发展，其目的是丰富和增强地图的表达手段，促进地图学在三维空间信息领域的深化。本文认为，上述学者对三维符号的定义过于关注符号的图形形式方面，忽略了对符号的另一重要方面——概念或语义的讨论。
2.2.2 三维符号设计原则
（一）三维符号设计的基本原则
本文认为三维符号设计需要考虑符号的可识性、系统性、简洁性以及可行性等。根据本文对三维符号的理解，三维符号设计的基本原则可归结为以下几点： 易于识别和解译：符号的最终目的是实现空间信息的有效传输，因而符号设计的首要原则就是符号应易于被用户感知、识别并正确解译符号所负载的空间信息； 具有显著的逻辑组合特征：类同于二维符号，三维符号设计也应充分利用符号的组合和派生，以构成新的符号系统；
（二）三维符号设计应注意的两个问题
三维符号设计最终的目的是强化对客观世界的理解和认识，提高读者对空间信息的理解能力。目前，关于三维表达方式引起的认知问题，主要集中在以下两个方面：
（1）三维显示方式的不确定性问题 问题描述二维显示方式则通常采用顶视视角（90 ）进行观察，而三维显示一般采用小于90 的透视投影观察视角，视角通常为25 ~ 45 之间。两种显示方式在观察视点和观察视线方向存在一定差别：二维显示方式具有高度 Z 方向上的不确定性，而三维显示方式倾斜的视线使得在 X、Y、Z 方向上均存在不确定性，这对三维符号的精确判断产生了巨大的影响。同时，三维显示方式由于透视投影变换产生的距离和角度变形，对人理解三维场景中符号对象造成了一定困难。 解决方案当前解决三维显示方式不确定性问题的方法主要有：一是借助二维视图，二维视图可实现精确的对象空间位置、距离和角度判断；二是提供三维显示对象深度线索，例如进行遮挡计算、添加对象空间定位线、以及计算对象阴影等。这些方法在三维符号具体设计过程中可借鉴参考。
（2）形象与抽象的问题 问题描述该问题围绕空间信息有效传输展开，是对符号的逼真和抽象表达方法进行的比较。逼真形象的三维模型在传递类型或方向信息时，人可以通过经验和知识直接感知，要优于抽象设计的符号；但形象的三维模型具有很强的相似性，尤其是在区别同类别的三维模型时，人往往难以区分，甚至经常出错，形象的三维模型并未取得期望的认知效果。实验研究表明在三维环境中表达对象时，抽象符号的方法比具象符号的方法更有效，尽管用户更倾向于选择具象逼真的表达形式[32][33]。因此，如何在抽象设计与形象表达之间形成一种平衡，抑或是兼取各自之优势，是三维符号设计必须考虑的问题。
第二章 基于语言学的三维符号设计与表达基础理论研究...........14
2.1 语言学基础及地图语言学基本理论...........14
2.1.1 语言结构、术语及语言学基本原理...........14
第三章 基于语言学方法论的三维符号设计与建模...........29
3.1 基于语言学方法论的三维符号设计概念模型...........29
3.1.1 三维符号的图形物理结构...........29
第四章 以语义计算为中心的三维符号表达策略...........58
4.1 问题分析与策略总体设计...........58
4.1.1 问题描述与分析............58
结论
随着虚拟地理环境研究的深入，作为虚拟地理环境的语言，三维符号得到了愈加广泛的重视。目前，三维符号仍处于研究的起步阶段，相比于二维符号成熟完善的研究体系，三维符号研究还有待进一步提高。本文针对三维符号研究存在的问题，以语言学理论与方法作为基础，对三维符号的基本理论、三维符号设计以及三维符号计算表达等问题进行了详细的论述。希冀通过本文研究，能够有效激发三维符号自身研究的兴趣，同时也是对地图语言学的一种有益探索。
参考文献
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