从绘画到地图的风格迁移适宜性分析
李雅倩，孙彦杰，乔莉鸽，吴明光
（南京师范大学地理科学学院，南京，210023）
摘 要 ：针对当前地图风格迁移中参考
的适宜性研究缺失这一问题，该文以强调色彩表现力的（后）印象派画家莫奈、梵高和塞尚的绘画为例，设计包含点、线、面不同几何形态和等级、差异、关联语义关系的测试地图，从地图颜色科学性和地图色彩美两方面对参考图的风格与测试地图制图内容的匹配程度进行定量分析，并提取3位画家绘画的色域特征，对其地图风格迁移结果进行定性和定量的对比分析。初步结果表明：梵高的绘画色彩对不同比例尺、几何形态、语义关系的地图都具有较高的迁移适宜性；塞尚的绘画色彩在以等级关系为主的地图迁移中具有较高的迁移适宜性；莫奈的绘画色彩总体的迁移适宜性相对偏低。参考图的风格对地图风格迁移结果的科学性和艺术性都有较大的影响。本文提出的定量和定性相结合的参考图适宜性评价方法可辅助非专业制图者自动甄别出适合制图内容的形式，也可辅助专业制图者二次创作迭代，快速收敛到形式与内容的和谐统一。
0 引言
信息和通讯技术(information and communication technologies, ICT)时代，随着制图数据和制图工具的不断丰富，地图的制作门槛“降低”，地图制图从专业化走向大众化，大众制图时代来临，人人都是制图员[1-2]。在大众制图和泛地图时代，个性、创意的地图成为“新宠”，用户可以根据个人喜好和业务需求自定义地图的风格[3]。人人都能制作地图，但制图的质量却参差不齐。地图颜色通常被认为是制图可视化表达中一个重要方面[4-5]，在制图中起着双重作用：颜色被用作视觉变量来对定性、定量信息进行编码，高质量的地图颜色设计有利于增加地图的信息容量、提高信息传输的效率和有效性、降低读者的认知负担[6-7]；颜色也是一种美学元素，美的地图颜色能够增强地图的表现力，好的地图设计应该同时考虑颜色的科学性和美[8]。然而，设计既科学又美的地图颜色，对专家和新手来说都是挑战。新手由于缺少地图学、色彩学、美学等专业知识，制图时往往采用默认颜色模版，得到的地图“千篇一律”；个性的制图者在设计时挥洒“创意”，得到的地图往往个性有余，而科学性不足；即使是专业人士，设计创意、科学的地图也是费时、费力的。
地图风格迁移是将一个或多个图像上个性创意的风格元素，比如将颜色、纹理、几何形态等迁移到地图上[8-15]。目前在这个方面已经取得了不少的研究进展，比如文献[9]使用交互式工具提取了一幅莫奈绘画上的典型颜色，并将其迁移到一幅测试图上。文献[10-11]提出保留颜色占比和互补的地图色彩迁移原则，并以马蒂斯、波普艺术绘画为例，迁移得到个性、创意的地形图。文献[12]提出了一种从正射影像中提取自然颜色以提高地图表现力的方法。上述颜色迁移主要以手工操作为主，其质量依赖于经验。
神经网络方法也被引入地图颜色迁移。文献[13]使用条件生成式对抗网络在具有相同地理覆盖范围和比例尺以及相似主题的地图图像（配对）之间迁移风格。文献[14]引入条件生成式对抗网络尝试了将绘画作品到地图的情感迁移。上述方法忽略了地图内容的可读性，产生的结果更像是绘画而不是地图。文献[8,15]量化了地图颜色的若干设计规则，如语义关系和习惯颜色等，提出了一种兼顾地图科学性和美的矢量地图风格迁移方法，能够实现任意绘画、摄影作品到地图的颜色迁移，甚至包括地图到地图的颜色迁移。
但是，好的绘画作品并不一定能够迁移得到好的地图。康定斯基认为“（艺术作品）可能同时存在众多具有同样良好效果的不同形式，形式是由必须创造的”[16]。一方面，艺术家创造了风格各异的“有意味的形式”，通过风格迁移可能得到极具表现力的地图设计方案。另一方面，绘画形式中的“必须”与地图形式的需求往往存在较大差异。绘画的形式服务于艺术家情感和意图的表达，而地图的形式需求则由制图内容、读者、任务、读图环境等诸多因素决定。所以，绘画的形式不一定适合于地图内容。比如：点彩法利用颜色的同时对比效应，采用小的、密集的色点排列，使人远观时产生整体的视觉感受，这种技法并不适合精确展现线状、面状制图对象。而且，绘画的形式也不一定能够从绘画内容中完全剥离出来，色彩形式也不一定能从造型中完全提取出来。又比如梵高的绘画中，颜色往往与其短小、旋转的笔触紧密联系，仅仅提取其颜色，则必然损失其动感。当前的研究侧重于地图风格迁移算法研究，缺少风格迁移适宜性分析以及对不同风格的参考
的迁移结果评价分析，导致风格迁移结果质量良莠不齐。
针对这一问题，本文选取（后）印象派莫奈、梵高和塞尚各100幅代表作品，设计包含不同比例尺，点、线、面几何形态，等级、差异、关联语义关系的两幅测试地图，进行地图风格迁移适宜性分析。具体包括：依据每幅绘画迁移得到的地图颜色科学性和地图色彩美得分进行统计检验，利用单因素方差分析方法进行显著性差异分析；利用二维散点图和统计柱状图，进行画家整体的绘画风格迁移适宜性及优/良绘画内容迁移适宜性的对比分析，试图为地图风格迁移质量提供定性的参考指标。
1 适宜性评价模型
1.1评价指标
在设计地图时，既要考虑地图的信息传输的质量，又要考虑地图给人带来的视觉愉悦。本文采用文献[8]中的地图风格迁移方法，通过量化地图颜色科学性和地图色彩美，将它们转化成双目标优化问题，以自适应地将颜色从任意图像迁移到地图。然后通过地图颜色科学性和地图色彩美两个指标定量地评价迁移结果图。
1）地图颜色科学性。
本文中，地图颜色科学性是指用颜色表达定性、定量信息的有效程度[8,15,17,18]。从视觉变量语法的角度来看，地理要素之间普遍存在差异、关联和顺序3种语义关系，差异关系要用色差明显的颜色表示；关联关系需用近似色表示；顺序关系则需要色彩等级来表示，否则就会传递错误的信息。另外，地图上的要素通常还会按照惯例来配置颜色，比如蓝色代表水，绿色代表森林，通过颜色与语义共鸣来提高信息传输效率。本文考虑了地图要素间的语义关系以及习惯用色规则，地图颜色的科学性计算。
2）地图色彩美的度量。
地图美可以度量吗？地图美涉及到审美主体（个体、群体读者）和客体（不同专题、类型的地图），地图审美还受到个人经验、社会与时代背景等因素的影响，存在不同程度的个体差异。但是，康德认为“美是不涉及概念而普遍地使人愉快的”[19]，也就是说审美具有同感性，美感具有相似性，即所谓“人同此心，心同此理”。康德称之为主观的普遍可达性。依据格式塔理论的同构说，作为视觉作品的地图，其视觉愉悦来源于地图的形式结构与读者的生理-心理结构相对应，产生同构感应。脑科学领域，文献[20]通过功能性磁共振成像等手段，构建了高分辨人脑语义地图，发现个体的语义系统之间存在内在结构上的一致性，这类内在的相似性或许是审美中同感、同构的来源之一。探讨美的本源超出了本文讨论的范畴，本文试图量化地图中能够引起视觉愉悦的颜色特征。颜色调和研究指出邻近、对比等颜色搭配可以产生视觉愉悦，但是缺少针对多元配色的定量计算方法。计算美学（computational aesthetics）试图定量度量具有一定普遍性的形式美，其中较有代表性的学者是Birkhoff，他于1933年提出：美度（aesthetic measure）等于秩序（order）除以复杂度（complexity）[21]。后续诸多学者对其进行完善来度量形态美、色彩美。
本文采用基于样本学习的半经验模型来度量针对普通人群的地图颜色共性美。从颜色偏好和颜色调和两个方面进行量化表达。
1.2 测试参考图
从当前的风格迁移研究来看，绘画和摄影作品常被用作风格迁移的参考图，本文针对绘画来展开适宜性研究。绘画作品的风格有很多种，包括现实主义、超现实主义、极简主义、未来主义、抽象派、印象派、野兽派、行动派等[24]，在诸多风格中，（后）印象派风格开辟了色彩语言的新天地，绘画中的线条、色彩以及某种特殊的组合方式能够激起人们的审美感情，具有较高的审美价值，深受大众喜欢。因此，本文选择（后）印象派绘画作为地图风格迁移适宜性评价的参考图。具体选择莫奈、梵高和塞尚作为代表。其中莫奈致力于大自然中环境与光线的研究，在他的绘画作品中，淡化物体的体积感，看不到明显的阴影或平涂式的轮廓线，强化色彩因素[25]。塞尚的绘画用色彩构建形体空间，模糊“图-底”关系，没有强烈的颜色对比，以达到整体间和谐的韵律[26-27]。梵高的绘画利用强烈的色彩对比，包括冷暖色对比，互补色对比和色彩自身的张力创造画面的进退感、远近感，使他的每幅绘画都具有强烈的情感特征[26]。整体来看，莫奈重视光影与色彩的结合，塞尚重视色彩的逻辑性，梵高重视色彩的表现性功能，他们有共同的创作倾向但又有各自鲜明的艺术风格，因此，本文参考《梵高画传》（2020）[28]、《莫奈的故事》（2020）[29]、《塞尚画传》(2010)[30]，分别选取三位画家最具代表性的100幅绘画作为实验素材（包含人物画44幅、花卉画20幅、田野画42幅等不同内容），如图1所示。
1.3测试地图
为了测试参考图的风格迁移适宜性，本文考虑地图内容上的差异，选择具有代表性的l两种地图类型，分别是南京交通图和玄武湖公园地图（数据来源：OpenStreetMap）。其中南京交通图为中比例尺，包含不同等级的线状道路网、点状POI（point of information）、和不同类型的面状用地；玄武湖公园地图为大比例尺，以离散分布的点要素为主，包含景点、植被和建筑物等图层。从概念上讲，比例尺不直接影响地图风格，本文将大比例尺测试地图配置形象符号，将中比例尺符号配置抽象符号，从而考察风格迁移对不同复杂程度地图符号的转移效果。两个测试地图的内容特征归纳如表1所示，测试地图如图2所示。
2 适宜性评价结果与分析
2.1色域特征分析
首先提取每幅绘画的主导颜色，然后分别在CIELab、HSV两种色空间下对其进行对比分析。图3展示了3位画家的主导色在CIELab色空间中的分布。可见，梵高绘画的色域最广（如红、黄、绿等区域），塞尚和莫奈的绘画色域相对较窄。3位画家的主导色均包含邻近、对比等色彩结构特征，为地图颜色转移提供了广阔的空间。从主导色的纯度来看，3位画家均大量使用了红黄、黄绿和蓝青等混合色，莫奈还较多的使用红粉混合色，如图3（b）中圈出部分。相比较而言，梵高使用纯色相对较多（靠近基本色轴线）。
其在HSV色空间下的分布如图4所示。从色相上看，3位画家都常用黄色和蓝色，尤其梵高绘画冷暖色对比明显；从饱和度上看，饱和度越高的颜色越醒目且明快，反之则越灰，在直方图中，梵高绘画更多地分布在中高值区域，莫奈绘画则集中分布在低值区，塞尚绘画大多分布在低中值区域，梵高、莫奈和塞尚绘画的饱和度加权均值分别为0.419、0.267、0.339：梵高绘画整体的颜色饱和度最高，塞尚绘画次之，莫奈绘画最低；从绘画颜色的亮度来看，梵高、莫奈和塞尚绘画的亮度加权均值分别为0.582、0.581、0.507：梵高和莫奈绘画整体亮度无显著性差异，同梵高和莫奈的绘画相比，塞尚绘画整体亮度偏暗（p-value < 0.01）。
从整体上看，三者均包含众多邻近色与对比色特征，为多要素类型地图风格迁移提供了较为广阔的定义域。其中，梵高绘画颜色冷暖和明暗对比明显，饱和度较高，有利于对不同几何形态、属性类型、语义关系等制图内容进行表达；莫奈的绘画色域相对较窄，饱和度偏低，适用的地图内容有限；塞尚的绘画没有强烈的颜色对比，亮度偏暗，但其色阶丰富、强调颜色调和，因此塞尚的绘画比较适用于暗色、顺序型制图内容。
2.2科学-美对比分析
2.2.1颜色科学性适宜分析
通过对地图颜色科学性得分数据进行正态性分析，对比峰度、偏度值和显著性可以认为所有数据近似服从正态分布或者偏正态分布。然后对每位画家的地图颜色科学性得分数据进行单因素的方差分析，统计得到的地图颜色科学性得分差异如图5所示。
从测试地图的颜色科学性得分的均值来看，梵高绘画迁移得到的颜色科学性得分最高，塞尚次之，莫奈绘画的迁移得分相对较低；在两幅地图的颜色科学性得分的离散程度上，离散程度最大的是莫奈的绘画，塞尚的绘画次之，梵高的绘画离散程度最小。从画家绘画迁移的显著性差异上看，对于南京交通图的迁移，3位画家的绘画迁移得分差异不明显，只有梵高与塞尚的绘画迁移结果之间存在显著差异；对于玄武湖公园地图的迁移，3位画家绘画的迁移得分之间的差异都相当显著。
综上，在地图风格迁移中，梵高的绘画色彩能够在不同内容的地图迁移中达到显著的颜色科学性，而且表达结果较聚集；塞尚的绘画色彩能够在以连通要素为主的地图迁移中达到较好的颜色科学性，但是表达结果相对离散，莫奈的绘画色彩在不同类型图的迁移中得到的颜色科学性普遍较低且离散。
2.2.2地图色彩美适宜分析
通过对地图色彩美得分数据进行正态性分析，对比峰度、偏度值和显著性可以认为所有数据近似服从正态分布或者偏正态分布。对地图色彩美得分数据进行单因素的方差分析得到结果，统计得到的地图色彩美得分差异如图6所示。
从绘画的地图风格迁移结果来看，同一幅测试图的地图色彩美得分的平均水平相差不大；地图色彩美得分的离散程度也大致相同，这说明在整体上（后）印象派绘画在地图色彩美的表达差异较小。从迁移得分的显著性差异来看，在南京交通图的迁移结果上，不同画家的绘画迁移结果之间没有显著性差异，但在玄武湖公园地图的迁移上，梵高绘画与莫奈、塞尚绘画的迁移结果之间存在显著差异，其中梵高与莫奈的绘画迁移结果差异最为显著，而莫奈与塞尚绘画之间不存在显著性差异，这说明在以离散要素为主的地图色彩美的表达上，梵高的绘画明显优于莫奈的绘画。
2.3适宜性对比分析
2.3.1画作-画家适宜性分析
按不同测试地图的迁移结果得分制作散点图，以每幅测试地图迁移结果的平均值将散点图划分为四个象限，然后统计散点图中颜色科学性和地图色彩美都高于均值的散点，记为高高值，都低于均值的散点，记为低低值，绘制出高高值和低低值的柱状图，如图7所示。
从散点图来看，玄武湖公园地图的地图色彩美得分分布在0.12~0.26数值之间，南京交通图的地图色彩美得分在0.14~0.32之间，略高于玄武湖公园地图，但是不同测试地图的地图色彩美得分差异并不大，都集中分布在0.14~0.26之间，这说明地图色彩美差异与地图内容相关性较小。
在地图的颜色科学性得分的散点分布上，南京交通图的得分分布在0.72~0.96之间；玄武湖公园地图的得分分布在0.58~0.82之间，这说明地图颜色科学性的得分不仅与输入的参考
有关，还与地图的内容、形态及要素间语义关系有关。南京交通图包含要素最少，要素关系简单，因此颜色科学性的得分较高；玄武湖公园地图包含习惯用色和差异关系要素多，因此颜色科学性的得分偏低。
从柱状图来看，对于南京交通图的迁移结果，3位画家绘画高高值的数量相差不大，虽然在高高值上莫奈绘画稍多，但是在低低值的数量上，莫奈绘画也是最多的，占总绘画数的34%，这说明莫奈绘画的迁移结果并不稳定，迁移结果具有两极性，要想得到较高质量的迁移结果，需要对莫奈绘画风格进行严格的筛选，梵高和塞尚绘画低低值的数量相差不大；计算高高值和低低值绘画数量比值得到梵高0.821、莫奈0.735、塞尚0.885，这说明3位画家的绘画对于连通要素为主的地图迁移结果没有显著性差异。对于玄武湖公园地图的迁移结果，梵高绘画高高值的数量最多，高达54幅，占总绘画数54%，塞尚绘画数量次之，占总绘画数34%，莫奈绘画最少仅有18幅；在低低值数量上，梵高的绘画最少，仅有11幅，莫奈的绘画最多，高达45幅，接近总绘画数的一半，塞尚的绘画有27幅，计算高高值和低低值绘画数量比值得到梵高4.9、莫奈0.4、塞尚1.25，这说明梵高的绘画非常有利于玄武湖公园地图的迁移，塞尚的绘画次之，莫奈的绘画并不利于玄武湖公园地图的迁移，即梵高的绘画对于以离散的差异型要素为主的地图迁移最适宜。
综上，对于具有不同尺度、不同内容、不同语义关系的测试地图来说，梵高绘画都具有较高的迁移适宜性，塞尚绘画次之，莫奈绘画迁移适宜性偏低。
2.3.2画作-内容适宜性分析
将所有绘画的地图风格迁移得分，分别计算得到每个测试地图两个指标的上四分位点和下四分位点，得到结果如表2所示（S：地图颜色科学性，A：地图色彩美）。
然后筛选出颜色科学性和地图色彩美得分同时高于上四分位点的绘画记为优，低于下四分位点的绘画记为良，统计得到这些绘画的数量和所属画家，如表3所示。
从以上表格可以发现，在两种类型图的转移结果中，梵高的绘画对玄武湖公园地图转移效果最突出，莫奈的绘画在两种类型图的转移中，都产生了最多且较差的转移结果。
将以上在不同类型地图的转移中，挑选3幅重复产生两次及以上优的结果的绘画及其转移结果如图8所示。
这3幅具有较高转移适宜性的绘画均属于室外风景画，具有色域广，饱和度和亮度高的颜色特征，在地图风格转移中能够满足更多视觉变量的有效表达以及习惯用色的匹配，另外这四副绘画前-背景分离，在地图风格转移中能够满足地图制图中的图底分离，可辨识规则的表达，使测试地图中要素达到较好的视觉层次，因而这种类型的绘画在地图风格转移中能够兼顾地图的颜色科学性和地图色彩美的表达，具有较高的转移适宜性。
将以上在不同类型地图的转移中，挑选3幅重复产生两次及以上非优结果的绘画及其结果如图9所示。
这3幅绘画中点状颜色较少，矢量地图往往同时具有点线面3种维度的要素，如果输入的参考图中缺少点、线或面的颜色或者仅有面状颜色，内容维度的不匹配将导致地图色彩美的指数降低；另外，这些绘画的色域过于单一，不足以支撑地图中的语义关系的表达；对于(b)和(c)绘画，缺少制图要素所需的习惯用色，比如湖泊通常用蓝色，植被通常用绿色等，这将导致地图的颜色科学性大大减弱。
通过对比优/良绘画作品，可以得到在地图风格转移中，参考
同时具有以下特点：①参考图前背景分离②参考图的色域广且具备制图要素中的习惯用色③参考图与地图的要素维度匹配，这将更有利于转移出较佳的结果地图。
3 结束语
本文从（后）印象派3位画家绘画的风格特点出发，结合不同类型的测试地图，使用定性的方法评估了参考图的颜色分布，并采用具有评分的地图风格迁移方法，定量地评估地图风格迁移结果的颜色科学性和色彩美，通过对大量（后）印象派绘画的迁移结果的统计分析，得到参考图的迁移适宜性以及适宜性高的参考图所具有的特点。结论如下：
1） 画家风格对地图风格迁移适宜性的影响。梵高的绘画色彩具有色域广、冷暖和明暗对比明显以及饱和度较高的特点，整体迁移适宜性较高且结果较稳定；塞尚的绘画色彩强调整体的色彩和谐，没有强烈的颜色对比，使得迁移结果的地图整体的视觉层次不强，所以迁移适宜性一般；莫奈的绘画多使用自然色，色域窄，饱和度低，难于表达制图中要素间的语义关系，绘画的迁移适宜性相对较低。推广到单个参考图，如果参考图色域广、包含绘画风格的颜色结构特征，则迁移结果一般具有较高的科学性。
2） 绘画色彩对迁移地图科学性和艺术性的影响不同。在色彩美上，3位画家的绘画色彩对迁移结果的地图色彩美的表达上差异并不显著。在颜色科学性上，梵高绘画颜色冷暖和明暗对比明显，饱和度较高，有利于对不同几何形态、属性类型、语义关系等制图内容进行表达，所以梵高的绘画色彩在不同尺度、不同内容和不同语义关系的专题地图的迁移中，都具有较高的迁移适宜性；塞尚的绘画没有强烈的颜色对比，亮度偏暗，但其色阶丰富、强调颜色调和，因此塞尚的绘画比较适用于暗色、顺序型制图内容，能够在以突变、连通的要素为主的地图迁移中达到较好的颜色科学性；莫奈的绘画色域相对较窄，饱和度偏低，适用的地图内容有限，迁移结果的科学性偏低。
3） 地图风格迁移中具有较高适宜性的参考图具有一定的共性特征。在地图风格迁移中，参考
同时具有以下特点，将更有利于迁移出较佳的结果地图：①参考图前-背景分离②参考图色域广且具备制图要素中的习惯用色③参考图与地图的要素维度匹配。
对于绘画地图风格迁移而言，非专业制图者可以直接使用高质量的风格迁移结果；专业地图者则可以在风格迁移结果的基础上二次创作。适宜性研究也期望服务于这两种情况：定量的适宜性分析结果可辅助非专业制图者自动甄别出适合制图内容的形式，也可辅助专业制图者诊断出参考图的形式对制图内容的何种不适，如：是参考图的色域太窄不足以支撑多样的制图内容？还是参考图本身颜色不够调和？从而辅助二次创作迭代，快速收敛到形式与内容的和谐统一。
在参考图选取上，本文选取的绘画风格有限，后续研究可以对更多风格的参考图进行试验；在制图因素考虑上，本文主要针对不同地图内容进行迁移适宜性评价，后续研究将考虑参考图在不同主题、不同用户、不同读图环境等制图因素下的迁移适宜性研究；在分析指标上，目前所用的调和模型缺少地图制图要素的考虑，后续可考虑加入地图设计原理来进行地图色彩美度量分析。
（原文有删减）
作者简介：李雅倩（1995—），女，安徽宿州人，硕士研究生，主要研究方向为地图可视化。
E-mail：201345001@njnu.edu.cn
基金项目：基于流形学习的地图自动设色方法（41971417）
通信作者：吴明光 教授，E-mail:wmg@njnu.edu.cn
引用格式：李雅倩,孙彦杰,乔莉鸽,吴明光.从绘画到地图的风格迁移适宜性分析[J].测绘科学,2022,47(7):176-187.DOI:10.16251/j.cnki.1009-2307.2022.07.023.
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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