穿越时空的可视化（5）：导视设计的灵感

原创 杨柳桦樱 VisIt有视没事 收录于话题#灵感系列：穿越时空的可视化6#地图1#设计1#可视化1

编译者前言

《穿越时空的可视化》是一个编译系列，本文是第五篇。该系列编译自Paul Kahn发表在Nightingale上的《全球信息设计》系列文章。《全球信息设计》介绍了大量经典的可视化设计，涵盖了从现存最早至今的视觉语言。通过研究这些经典设计的思路，不管是设计构图、布局、叙事技巧，还是对主题数据的不同设计方式，相信都能为我们当下的可视化实践带来灵感。

本文继续讲述交通篇章的海空导航信息设计。海空航行与陆地不同，因看不见目的地，缺乏地标，只能靠把握基本方向、恒星位置及航行时间来导航。

航海图的信息设计与两个主要影响紧密相关：导航工具，与开放空间的表征方式。且让我们看看，不同文化传统与时代的设计是如何处理这个问题的。

郑和下西洋

郑和下西洋时期的图反应了中国早期航海图的设计方式。1405至1433年间，郑和七次率领考察，由政府资助，数百艘船，从扬子江上的明朝首都南京出发，前往东南亚、印度、波斯湾和东非。郑和西洋远征在中国历史上独一无二，但其走的贸易航线已有数百年历史。《马可·波罗游记》中记载的13世纪从中国沿海出发的海航路线就与之类似。

1644年，茅元仪编著了《武备志》，并收录了他的祖父茅坤绘制的郑和航海图。我们今天看到的版本，也被称为《茅坤图》，应该是根据1420年代的原图重新绘制的。原《郑和航海图》为轴画，复本《茅坤图》为40页印刷分图。

郑和航海图与其他尚存的中国海河地图的设计形式相似。长江、南海、孟加拉湾、阿拉伯海和印度洋被均匀处理，构成连续的狭长页面，并分布着岛屿、河流和港口。即使舰队穿越公海也被压缩成河流的大小。地标与港口之间的距离用指南文字填充，而不是测量空间。

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《武备志》中的《茅坤图》的开篇。

根据信息不同，页面运用了不同的比例尺和方向。地图从右向左开始，最右是南京的长江段，画有明皇宫和建造郑和帆船队的宝船厂。地图的朝向始终与出航船只保持一致。

与其它交通图一样，在熟悉的地区，信息的密度最大。沿海比例尺约为每1英寸7英里，而在不熟悉的东非地区，甚至急剧扩大到每1英寸200英里。

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《茅坤图》的最后几篇，显示了印度、马尔代夫岛和波斯湾之间的多条路线，印度和东非之间的水域被压缩了。

航行路线用虚线标出，多条路线表示多次远征。方向、航行时间和探测深度等航行指南，与这些虚线平行。航向采用中国24方位，航行时间以“更”为单位（一“更”约为一天的1/10，或2.4小时）。位置信息，是通过用手指测量的地平线上方已知恒星的高度来确定。

编者注：地支、八卦、天干24方位，如“北辰”。“过洋牵星术”，通过观测星象，确定所在纬度，单位为“指”（1度36分），一指还可细分为四“角”。

编者小言

以我们现在的要求来看，可能这都算不上真正意义上的地图，而更像是“概念图（concept map）”。纸上按相对位置排着地名（也不是准确的实际地理位置），画出地点之间大概的路线（也不需要精确画出转弯），然后在线的旁边标上文字：“往东开3小时，再往东南开1小时……”

但这种导航思路被“继承”下来了。在没有导航软件和地图的时候，我们也常常用纸笔，画这种类似的图给别人导路。甚至，现代城市的一些导视指示牌也是如此。

左图为中国高速公路指示牌；右图为苏州地铁2号线指示牌。（图片取自网络）

地图的朝向变来变去这点，在出行前规划时可能让人感到头疼，但对于在船上导着航的人来说可能更直观。这种设计思路和我们现在的App实时导航功能异曲同工。

文字说明设计：将指南文字写在航线上的设计也很有意思。虽然有人会指出带角度的字不易读，但这种排版设计也有优势：更清楚字是随附哪一条线，同时节省空间，为排版上带来更多可能性。

截取自《茅坤图》

波特兰航海图

地中海和北大西洋的航海图也出自海航指南。希腊最早的《航行记》（Periplus），相当于海航版的路线史，可追溯到1世纪。几千年的航海实践，为地中海和黑海以及北大西洋沿岸提供了详细的港口与沿海信息。这些信息与指南针的结合，促成了波特兰海图的发展。

波特兰（Portolan），来自意大利语单词“ portolano”，是海航指南的书面名称。波特兰海图用罗盘玫瑰和放射线来可视化航向。罗盘玫瑰是由32个风向组成的圆盘，放射线画出了两点之间的固定航行角度，并且这些角度在所有经度线上都相同。

最早的经典波特兰海图，就是亚伯拉罕·克雷斯克斯的《加泰罗尼亚语地图集》。

《加泰罗尼亚语地图集》（ 1375年）。罗盘玫瑰和放射线把法国和西班牙海岸线的地点连了起来。

在天气允许的情况下，船的纬度可以通过测量太阳或导航星在地平线上方的角度来确定。但船的经度计算比较复杂。

地球经度有360度，15度代表地球自转一小时。如果舵手知道船舶位置的当前时间与某固定参考点时间的差，就能算出船相对于那个固定参考点的位置。获取船的当前时间相对容易，难的是在船上确定远处参考点的时间。

直到18世纪中叶，有了能带上船的钟表，经度问题才得以解决。自学成才的木匠兼钟表匠约翰·哈里森（John Harrison）为英航发明了一系列轻便可靠的天文钟表。法国的钟表匠皮埃尔·勒·罗伊（Pierre Le Roy）和费迪南德·贝索德（Ferdinand Berthoud）也发明了类似的设备。这些设备，结合由单一位置测量时间的概念——现在称为格林威治标准时间（GMT），成了海上定位工具。

不过早在这之前，海航图信息设计就已经开始发展了。尽管在现代人看来，18世纪前海图的线条网有计算精密的感觉，但在很大程度上，跨海航行还是靠技巧和运气。船驶出陆地后，在看不见目的地的情况下，舵手要不断尽力计算航向、估计已航行的时间和距离，直到抵达陆地。葡萄牙航海家把这种估算的船舶位置称为“ponto de fantasia（幻想点）”。航程越长，这种方法的不确定性就越成问题。等上岸后，这些欧洲航海家才能测量纬度，并补充到海图中。

例子1/ 新海岸线

佩德罗·雷纳尔的1504年海图是海航过渡时期的波特兰海图。图的右侧是地中海东部港口、北大西洋沿岸以及到佛得角（Cape Verde）群岛的西非海岸。

佩德罗·雷纳尔（Pedro Reinel）的1504年海图。

地图中间是加那利（Canary）群岛和葡萄牙亚速尔（Azores）群岛上的西班牙居住地，被九个罗盘玫瑰中最大的玫瑰分隔。在这些岛屿之间海航需要纬度尺，用来获知从不列颠群岛到非洲的垂直位置。旗帜表示领土管辖权，如带有五个白色圆点的蓝旗标志着葡萄牙的领土。

原图左上方是纽芬兰。对于这条新海岸线，雷纳尔加了一个倾斜的纬度尺，解决了磁偏角引起的罗盘方向偏移问题。

纽芬兰细节。我在上面叠加了道森重画的图，他把第二个纬度尺往右移，放大了海岸文字。

例子2/ 七海扬帆

1929年，托普卡珀皇宫图书馆的编目人员发现了奥斯曼帝国海军上将皮里·里斯（Piri Reis）于1513年的世界地图。

皮里·里斯地图的左下角碎片，现存于托普卡匹皇宫博物馆图书馆，不知何时撕下来的，也找不到地图的其它部分。

这张地图面朝北，右上方是伊比利亚和西非，海岸上是亚速尔群岛和加那利群岛，左边则是南美和加勒比海岛屿的海岸。航海用罗盘玫瑰和放射线测量。皮里在图上用文字记载了他如何整合阿拉伯、葡萄牙和西班牙海图以及世界地图来画的这幅地图。

和前面雷纳尔的例子一样，皮里的地图碎片说明了波特兰海图如何被运用到新航线。这些大大小小的罗盘玫瑰与热带和赤道对应。皮里足以运用波特兰海图系统实现那时所谓的“七海扬帆”。放射线也说明这个地图也包括大西洋、整个非洲和印度洋。

学者索切克（Svat Soucek）重构的整幅地图，将主要的罗盘玫瑰对齐后可看出，地图的中心是埃及。

例子3/ 新大陆

这张1520年西班牙的南美图，于1578年发表于约翰·马丁内斯（Joan Martinez）的地图集，结合了罗盘玫瑰（与赤道和南回归线平行）和放射线。即使是南美大陆这么大的区域，也可以将航海图本地化后加以运用。

《约翰·马丁内斯的宣教世界（Tipus orbis terrarum de Joan Martinez）》里的《1520年南美洲通用地图》。这是1587年在西班牙墨西拿出版的版本。

编者小言

数据产品服务的两种战略：波特兰海图的数据来源类似于我们现在常说的“众包”，使用者（无数的商船）的出行经验被记录为数据，新数据又被添加到海图里给使用者导航。并且，还可能根据这些“大”数据推算出新导向。

而郑和航海图更像是“定制”服务，根据已有资料（航海日记等）和经验（水手等），为郑和船队量身打造，船队规模、船只大小和速度等都有考量，换一个船队还不一定好使。

大革新：墨卡托投影

对于长途越洋，缺乏统一的纬度尺一直是个问题。杰拉杜斯·墨卡托（Gerardus Mercator）设计了一种数学投影，将平行于赤道的纬度线和穿过极点的经度线转换为二维网格。

《一种适用于航海的新而更全的地图》（ Nova et Aucta Orbis Terrae Descriptio ad Usum Navigantium Emendate Accommodata，英文为A new and more complete representation of the terrestrial globe properly adapted for use in navigation），杰拉杜斯·墨卡托，1569年。这个图结合了波特兰海图和经纬度网格系统。

墨卡托（Mercator）是法兰德斯制图师、作家和仪器制造商，在制作地球仪和欧洲地图挂画方面有非凡建树，承接世界各地贵族和教会精英的订单。他提出的航海图解决方案——“一种适用于航海的新而更全的地图”，首次出版于1569年，现在被称为墨卡托投影。该投影增大了两极处的纬线间距，将经度绘制为直线，而不是曲线，从而形成均匀的网格。有了这张地图，舵手就可以通过在地点之间连直线，导航到正确的目的地。

我用黑圈标出了罗盘玫瑰，红线是赤带和热带线，黑线和灰线是纬线和经线，白色数字是经纬度。由此可看出，纬度线在30度内外的比例变化。

全欧洲的制图师都采用了墨卡托投影来绘制新世界。起初是因为它对海航非常有用。之后即便没人记得其海航优势，人们还是首选它来画世界地图。

事实上，这个投影无意间增加了两极附近的陆地大小，比如格陵兰岛和北欧亚大陆，而缩小了南美、非洲和南亚的赤道区域的大小。后世的人便学会了低估非洲的规模而高估欧洲的大小。

编者小言

从视觉感知上来说，二维投影系统可以简化空间的复杂度，大脑对二维信息的处理比对三维球体更容易。如今，针对地球体的不同问题，也有各种不同的投影系统，虽然墨卡托投影已成为默认选项，但并不是唯一选择。

该网站提供了超过200种投影系统的对比 https://map-projections.net/imglist.php

墨卡托投影的发明初衷，是为了解决超长途旅行的纬度尺不统一问题。波特兰海图的发源地——地中海、红海和黑海一带，因为属于短途，受纬度尺影响不大，加上波特兰海图已积累了大量数据，以至于之后的两三个世纪里，那里的人们仍然继续使用着波特兰海图。

浅滩的高深

前面的例子都用来规划、辅助和记录长途航行，而安全靠岸和启航也需要一种图，于是便有了从航行指南演变成而来的海岸线与港口信息图。

之前提到的奥斯曼帝国海军上将皮里·里斯，还绘制过地中海的海图。他的《导航书（Kitāb-ibaḥriye）》描述了从土耳其的边界开始，以顺时针方向向南航行到埃及，然后向西穿过北非到达直布罗陀，再向东回到爱琴海的环游。书中有200张地图，配上描述海岸线和主要岛屿的文字。舵手需要从海上眺望目的地的远景图，需要海岸线的细节图，以预估从海上中看不到的遮蔽区，也需要浅滩和岩石的警示信息。港口文字说明也提供了有用位置的信息，例如可以在船上补充淡水或其他补给的地方。

《导航书》里的其中一个图，皮里·里斯，1525年。希腊的科希斯岛（Khios Island）和土耳其的切什梅（Çeşme），上面文字说明了在遇东北强风时去哪儿停泊。《导航书》里的其中一个图的副本，是从希腊米蒂利尼（Midilli）面向海岸线的视野，着重画了沿海山脉的图。

卢卡斯·詹索恩·瓦格纳尔（Lucas Janszoon Waghenaer）是一位经验丰富的荷兰舵手，曾从挪威北大西洋海岸航行至加的斯。他根据自己的笔记设计了从北海以南到直布罗陀的海岸图。并在荷兰莱顿以《水手的镜子（Spieghel der zeevaerdt）》出版。

英法间海峡的英属海岸，《水手的镜子》, 卢卡斯·詹索恩·瓦格纳尔，1584年。

他整合了三种基本信息。图顶部是沿海轮廓，以帮助飞行员从远处识别位置。往下是沿海特征，用于定位港口和河流，也包括土地用途（耕地、牧羊）和海港建筑轮廓的插图。最后，在船只可以入港的地方用数字标出深度。

编者从上图中截的细节图——港口、土地和牧羊。

《导航书》和《水手的镜子》是为同一类读者而设计的，写作和出版相距仅60年（1525年和1584年）。即便来自不同文化，两者在信息设计上也极为相似，都采用了统一的比例来绘制系统的沿海航图。但两者的书籍生产技术却大相径庭。

《导航书》是一本手稿书，是精致的书法和微型绘画笔法的产物。皮里是用它来打动新的苏丹苏莱曼。不论苏丹是否喜欢它，该书能留存多个副本便足以说明它曾打动过不少人。但手稿书没法广泛发行。

瓦格纳尔的书是专门献给他的贵族赞助人——英格兰国王威廉三世（William of Orange），但目的是打动海航员而不是国王。里面的图由顶尖的雕刻师和印刷师克里斯托弗·普兰汀（Christoffel Plantijn）用新的铜版技术制作的。这书经历了荷兰语、法语和拉丁语的多次印刷，以致不得不重刻磨损的铜版。

上图是皮里的直布罗陀海峡。下图是瓦格纳尔的《航海宝藏（Thresoor der zeevaert）》中的直布罗陀海峡。

根据荷兰水手的反馈和新信息，瓦格纳尔还增加了北海和波罗的海的图。他之后又出了一本书《航海宝藏》，以椭圆形雕刻和印刷，不太适合图书馆，反而更适合在船上使用。也许对他的设计最大的褒扬，就是后来所有沿海和港口的海图都被称为“ waggoners”。

海面的可视化

早在没有接触欧亚航海地图信息和技术前，波利尼西亚的舵手就在南太平洋各岛之间海航了。他们既没有指南针也没有地图，而是发明了棒图。

马绍尔群岛由34个环礁组成，位于夏威夷西南两千多英里处。两组环礁延伸起来超过500英里。舵手驶着独木舟，通过阅读天空和感知海面在岛屿间航行。他们的航海棒图由19世纪的西方游客们——传教士、水手和作家罗伯特·路易斯·史蒂文森（Robert Louis Stevenson）作为文物收集起来，现收藏于欧美的博物馆。在德日美的文化迁移浪潮下，这种导航技术已在20世纪绝迹，好在我们还能解读它。

三种类型的棒图记录了通过独木舟船体感知到的海面特征。Mattang是基础教学工具，高度对称的设计说明了岛边的海浪如何反射和折射，并交汇出一系列结点。它说明了如何在结点上感知一个看不见的岛屿。

国会图书馆收藏的三种类型棒图：Mattang用于教学，并不表征任何具体位置。

在此基础上，有了另外两种图，用来记录特定岛群间的海面。Meddo绘制了特定岛屿间的关系。

Meddo是西部或拉利克群岛（Ralik Chain）。

Rebblib绘制了整个岛群的海面。如前所述，海图上的线表示波浪地形，而不是船的航行路径。

Rebblib是东部或拉塔克（Ratak）群岛与拉利克群岛的导航图。

棒图不仅信息内容有所不同，用法也不同。马绍尔海图在旅行之前而非旅途中使用。虽然一些尚存的波特兰海图是为皇家收藏而制作的艺术品，但给舵手用的都是在航行途中。视觉图形可辅助记忆，马绍尔舵手将棒图里的信息内化后便不再需要它了。

编者小言

凭借着在群岛之间航行的巨大需求，马绍尔棒图体现出一种完全不同的导视思路。没有纸和印刷术，就用木头和贝壳，没有罗盘等工具测量方向和时间，但正好船小，没有比小木舟更能感受到海浪起伏的船了。

将这种主观感受性的数据作为导航信息，并形成系统性教学知识，以现代人标准看来也许不可思议。但其实，即便是21世纪，在没有科技支持的领域，仍然是这种思路。比如，我们还没有一种仪器能给心情好坏测量出一个通用的客观值，常见的测量方式还是自评量表。

抑郁自评量表（部分）

航空图的发展

和舵手一样，飞行员也没有既定的路线，同样需要一个能提供固定方向的导航系统。只是进出的不再是港口，而是机场，应规避的不再是礁石浅滩，而是山地。

早期的跨洲航空旅行被当作陆行业务，交通量小，也没什么限制。头几十年的民航图基本上就是在地理地图上的点线图，目的是规划行程和预估路线上的通讯服务。

1938年3月31日，美国商务部航空局《民用航空法规》（第160部分）中颁布的美国民用航空路线，现收藏于史密森尼航空航天博物馆。该图列出了紧急着陆点的机场顺序、每个控制塔提供的无线电通信类型以及主要机场周围的控制区域。

在罗盘导航下，即便看不到目的地，飞机也能一直保持正确的方向。早期的航空图将海航把指南针与陆地路线图的视觉策略结合在一起，可以从空中看到河流、铁路和公路等。可视化陆地特征有助于飞行员识别或验证当前位置，并避免危险。

日本在二战期间占领台湾时的台湾航空图（1943年）。

这幅日本地图的右上方是冲绳的西南诸岛飞机场的指南针航向，在台湾的东、西海岸和左岸附近岛屿有多个着陆点。航向以度为单位，也包括了到目的地机场的距离（以公里为单位）。海拔用颜色编码，突出高地之处。高峰处标有海拔高度数，并用小横线表示其相对危险度。

编者从上图中截的冲绳附近的细节图。

海航图的陆地特征随地形的显着特征而变化。下面这张地图来自驻法国海岸的德国空军地图集，画的是英吉利海峡最狭窄的部分，目标读者是德国飞行员。

《法国海峡沿岸航空地理图（Anlage zur Luftgeographischen Beschreibung der Französischen Kanalkuste）》 ，1943年，作者收藏。

这幅图突出的信息有助于飞行员跨海峡前往伦敦执行任务的途中保持方向。除了主要公路网外，它用视觉符号标出了沿海沼泽、沙丘和砾石以及三种类型的悬崖。设计师是如何决定将逼真的沿海悬崖草图与二维抽象的路线图相结合，还挺令人惊讶。在执行轰炸任务的始末，能视觉上识别出可能的沿海悬崖至关重要。

编者从上图中截的冲绳附近的细节图。注意悬崖礁石附近连向海岸的线条。

20世纪末，商用航空已国际化，标准化水平也很高。现代航空图是设计给受飞行培训的专业人士，结合了视觉提示、导航仪和无线电通讯。飞行员要与航空管制员时刻保持口头交流，航空管制员会跟踪飞机的位置和高度，并为行进、起飞和着陆提供口头指示。

飞机有两套运行规则：晴天运行的小型飞机的VFR（可视飞行规则）和依赖导航仪的商用飞机的IFR（仪表飞行规则）。VFR和IFR的信息图设计截然不同。我们可以比较波士顿洛根国际机场的航空图。

VFR图的细节（2019年11月7日波士顿VFR航站区图）。IFR图的细节（2019年12月5日含波士顿的低海拔航路L33，来自航空局IFR航路航空图与规划）。两图显示了马萨诸塞州和罗德岛海岸大致相同的区域。

VFR图是给非商用的飞行员的，传达了接近有多个机场的主要城市时应遵循的多层限制。洛根机场周围的蓝色圆圈标出了各个高度的飞行限制。棕色轮廓线画出了附近其它机场的复杂重叠空域。图上的数字表示与不同塔架通信的特定频率。

IFR图表现出完全不同的抽象性。该图主要围绕三个商用机场——中心的波士顿、下方的普罗维登斯（Providence）和上方的曼彻斯特（Manchester），而飞机无法降落的小型机场则无关紧要。只有沿海轮廓以浅色保留下来，作为指南针的参考背景。矢量的黑线提供了行进和起飞的航向，这些航向也被编程到飞行导航系统中。

编译者后语

导航导视系统的突破，很大程度依赖于科技发展。三角定位法的发明给我们带来大量距离数据，罗盘给了方向信息，便携式钟表解决了经度问题等等。但不管这些科技是否来临，导航和导视的设计都孜孜不倦。用设计去弥补科技的缺席，应验了那句老话，只要思想不滑坡，方法总比困难多。

下期预告：《穿越时空的可视化（6）：设计迭代的灵感》

编译源文：

https://medium.com/@pauldavidkahn

第9篇 Reaching Invisible Destinations: Information Design for Sea and Air Transportation

其它参考资料：

《郑和航海图》交互版：https://barbierilow.faculty.history.ucsb.edu/Research/ZhengHeMapZoomify/ZhengHe.htm

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/the-mystery-of-extraordinarily-accurate-medieval-maps

原标题：《穿越时空的可视化（5）：导视设计的灵感》

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