導航電子地圖主動表達規(guī)則研究

武麗麗，江 南，馬 健，張 超

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450052；2.信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450052)

導航電子地圖主動表達規(guī)則研究

武麗麗1，江 南2，馬 健2，張 超1

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450052；2.信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450052)

針對當前導航電子地圖表達方面存在的弊端，對導航電子地圖主動表達規(guī)則進行了研究。在對導航電子地圖影響要素的分析的基礎上，提出了基于興趣點權值的通用規(guī)則和偏好規(guī)則，并在此基礎上設計了導航電子地圖主動表達規(guī)則庫。該規(guī)則庫的構建為導航電子地圖內容的主動表達提供了基礎，為導航電子地圖內容從被動、內容固定的表達模式轉換為主動、內容符合用戶偏好的表達模式提供了基礎理論和方法。

主動表達；規(guī)則庫；通用；偏好；興趣點

1 引言

導航電子地圖是移動位置服務(location based services，LBS)的可視化產品，是導航數據顯示的載體。隨著現(xiàn)代交通、旅游業(yè)、通訊技術和網絡技術的發(fā)展，正逐漸深入到普通百姓的日常生活中。導航電子地圖的應用特點，決定了其與普通電子地圖在表達方面有很大不同。如果將普通電子地圖看作文學作品，導航電子地圖則是一篇時效性很強的新聞報道。目前對導航電子地圖表達的研究主要在符號設計[1-2]、空間認知方面[3-5]等，缺乏一個完善的理論體系，尤其在以用戶為中心的主動表達研究方面才剛剛起步，大大影響了導航電子地圖信息傳輸的效率。

導航電子地圖主動表達，是圍繞用戶認知特點及需求，根據導航設備所處的上下文環(huán)境(設備、區(qū)域特點等)，對導航電子地圖地理要素選取并可視化的過程。主動表達，顧名思義就是以用戶能夠獲得最大認知效果的表達方法進行地圖的顯示。主動表達的內容包括比例尺自適應、載負量自適應、興趣點(point of interest，POI)等地理要素顯示迎合用戶需求、導航設備自適應、時空環(huán)境自適應等，其中地理要素的選取及顯示方式是主動表達最主要的問題。導航電子地圖作為普通電子地圖一種新的應用模式，其載體、用戶群體以及應用環(huán)境都發(fā)生了深刻變化，導航電子地圖的表達亟需新的解決思路[6]。

為此，本文分析了導航電子地圖表達的影響要素，并基于傳統(tǒng)導航電子地圖的可視化理論進行深入研究，提出了導航電子地圖表達的通用規(guī)則以及用戶偏好規(guī)則的提取方法，構建了用戶表達規(guī)則庫，為主動表達技術在導航電子地圖的發(fā)展奠定了一定的基礎。

2 導航電子地圖主動表達的影響要素

經過分析發(fā)現(xiàn)，導航電子地圖主動表達效果主要與用戶、POI重要性程度、比例尺與硬件設備和環(huán)境等因素有關。

2.1 用戶類型

用戶類型從根本上影響導航電子地圖主動表達。用戶是主動表達實現(xiàn)的關鍵和主導因素，直接影響表達內容中符號體系，背景、注記顏色，POI權值等諸多方面。用戶類型主要由用戶職業(yè)、文化背景(國籍、語言等)共同決定，因此根據各種用戶的心理特點、知識經驗和使用目的對用戶進行分類。

文獻[7]將用戶分為：專業(yè)人士(professionals)、研究者(explorers)、旅游者(tourists)和一般用戶(everyday users)。考慮到專業(yè)人士和研究者可以歸為一類，而旅游者和一般用戶的分類又略顯粗糙，本文遵照“實用性、科學性、穩(wěn)定性、可擴展性”的分類原則，在文獻[7]分類的基礎上進行了修正，將用戶分為旅游者、商務人士、測繪研究者、當地常住用戶、途中休息用戶五大類。對于導航電子地圖，測繪研究者在查詢地圖時更偏向于精確的地理位置，且更關注地貌、水文等信息；旅游者關注旅游線路和交通等信息，對地理位置的精度要求不高；商務人士一般只關注距離目的地最省時的交通線路，以及工作目的地周邊的商務酒店信息；當地常住用戶更關注地理要素以及交通要素的更新信息，以及知名度不是特別高的要素信息；途中休息用戶更關注距離高速路口或主要道路中等的住宿、超市、餐飲等信息。這一分類還可以進一步細分，如旅游者可分為汽車旅游者、自行車旅游者及徒步旅游者等。

2.2 區(qū)域地理要素

區(qū)域地理要素的選擇從內容上影響導航電子地圖主動表達。地理要素構成了導航電子地圖的主體。導航電子地圖的地理要素主要包括道路、背景、POI、注記四種。每一大類又可進行進一步細分。具體來說，道路按照功能不同可以分為六級，例如高速公路及附屬道路(如出入口)、國道、省道、縣道、鄉(xiāng)村道路等。背景可以分為境界(省界、市界、縣界)綠地、水系等。POI可分為餐飲、零售業(yè)、汽車、住宿、休閑、公共設施、交通、文化媒體、其他八大類。其中背景是電子地圖顯示的基礎要素，一般都要進行表達；道路要素，根據當前行車地點顯示當前道路及周圍道路信息，表達比較固定且成熟；注記主要起輔助認知的作用，尺寸大小根據人的視覺感受能力相對固定，并且一般采用傳統(tǒng)的設色方案；POI種類較多，空間尺寸小，卻是需要重點表達的對象，因此，主動表達需重點研究POI的選取及表達方式。

2.3 地圖比例尺

比例尺從載負量和符號類型上影響導航電子地圖主動表達。比例尺主要是通過載負量對電子地圖表達產生影響。當導航電子地圖比例尺較小時，為避免圖上要素和注記過于擁擠影響表達效果，應該適當的隱去一些要素不進行表達；根據設定的規(guī)則當比例尺增大到載負量許可的尺度時再將其表達出來。比例尺也是要素選擇的內因。比例尺在載負量和符號類型兩方面影響導航電子地圖主動表達。文獻[8]詳細介紹了比例尺對電子地圖顯示的影響，并在不同密度區(qū)建立了多尺度顯示模型，控制地圖要素的表達。

受地圖載負量的約束，某些要素在不同的比例尺范圍內以不同的符號類型表示，甚至有的比例尺下不能顯示。而在小比例尺下，用戶更關注的是區(qū)域整體地理信息，POI可以以簡要概括的二維符號表達，而在大比例尺情況下，用戶更趨向于查找感興趣的地物，則可以以三維符號輔以鮮艷的色彩顯示POI信息，更易于獲取用戶視覺焦點。

2.4 導航設備

導航設備從符號視覺變量設計上影響導航電子地圖主動表達。導航電子地圖表達在一定程度上受導航設備影響。導航設備的分辨率和尺寸大小影響著導航電子地圖的表達內容。一方面，隨著導航設備分辨率的增高，地圖載負量以對數函數的形式增大并趨于穩(wěn)定；另一方面，隨著導航設備尺寸的縮小，用戶與導航設備的距離也隨之縮小，這就使得在相同的設備尺寸下可以有更大的載負量。因此，導航設備影響著導航電子地圖的表達。

3 基于POI權值的導航電子地圖主動表達規(guī)則研究

通過對導航電子地圖影響要素的總結，本文對導航電子地圖的表達規(guī)則進行了研究，具體將這些規(guī)則分通用規(guī)則和用戶偏好規(guī)則兩方面，選取何種POI的規(guī)則具體表現(xiàn)在對POI權值的設定上。

3.1 導航電子地圖表達的通用規(guī)則

導航電子地圖通用規(guī)則，就是具有一定的普適性的適合一般用戶的規(guī)則。目前導航電子地圖的POI顯示方法是首先判斷用戶設置的類型的興趣點是否符合載負量限制和壓蓋限制要求，對符合要求的興趣點進行顯示，繼而對符合該要求的普通興趣點進行顯示。該方式存在兩個弊端：一是對各POI重要性的判斷過于粗略，即限制條件僅從地圖顯示的角度考慮，忽略了其屬性和空間的重要性；二是根據編碼進行依次篩選，因而編碼較前的POI顯示的可能性大，顯然是不合理的。

為了避免上述弊端，本文提出了根據POI的權值對導航電子地圖上POI進行選擇顯示的方法。這種方法的優(yōu)點是根據權值的大小對興趣點進行依次顯示，因而是更客觀的一種方法。因而下面本文將POI權值的影響因素展開了具體研究，在第二節(jié)研究的基礎上，本文將其分為五個方面：

(1)用戶對POI的關注權值P1

按照旅游者、商務人士、測繪研究者、當地常住用戶、途中休息用戶五類用戶對不同的POI的關注程度制作調查表并提供給用戶進行打分。按照用戶的打分情況，用數理統(tǒng)計的方法，分別計算每類用戶的各類POI關注程度，用求得相應的權值。

(2)POI的重要性權值P2

POI的重要性與其知名度、規(guī)模、地理位置等因素有關。它是各POI的初始權值。一般來說，知名度越高，規(guī)模越大，地理位置越重要，POI的重要性權值就越大。

(3)POI與屏幕中心點的距離權值P3

(1)

式(1)中，w為導航設備屏幕的寬，h為導航設備屏幕的高，dw為POI的屏幕橫坐標與屏幕中心點的橫坐標之差的絕對值，dh為POI的屏幕縱坐標與屏幕中心點的縱坐標之差的絕對值。為了計算的簡便，將屏幕區(qū)域分為五個以屏幕中心點為中心與屏幕形狀相似的幾何區(qū)域，根據POI的位置，決定其權值。

(4)POI與當前前進方向的方向權值P4

在此將導航設備當前的狀態(tài)分為行車模式和靜止模式(靜止模式不是絕對的靜止，速度小于某閾值的都可歸為靜止模式)。在靜止模式，各POI的方向權值均為1，而在行車模式，位于當前前進方向的POI權值較大，其具體設置方式如下所示：

(2)

式(2)中，θ為前進方向與當前用戶位置的方向夾角，xp、yp為POI的地理坐標轉化的屏幕坐標，x0、y0為當前用戶位置的屏幕坐標。

(5)POI周圍已有要素載負量權值P5

為了避免圖上出現(xiàn)有的區(qū)域過于擁擠，而有的區(qū)域空白過多的情況，將POI周圍像素情況考慮到內。地圖上人眼的分辨率為2mm，以當前待計算POI中心點所在屏幕位置為中心，分別以1mm、2mm、3mm、4mm為半徑，計算各載負量，即各同心圓內非背景像素占總像素數量的比例，并賦予不同的權值。具體如下所示：

(3)

式(3)中，L1為半徑為1mm的圓的載負量，L2為半徑為2mm的圓的載負量，L3為半徑為3mm的圓的載負量，L4為半徑為4mm的圓的載負量。

通常情況下，導航電子地圖對每個規(guī)則項設置初始默認權值，當用戶需要調整時，可進入系統(tǒng)設置對默認權值進行修改。通過參考制圖專家的意見，對各項權值的初始設置如表1所示。

以往多采用常規(guī)護理予以護理，但不具有針對性，能夠滿足患者的一般護理需求，難以滿足患者的實際護理需要，也不能優(yōu)化手術。近年來，我院開始在臨床護理當中應用優(yōu)質護理，效果理想[4]。優(yōu)質護理可在保證患者基本護理需要的同時，優(yōu)化手術配合，提升手術質量[5]。優(yōu)質護理下，患者的手術時間更短，護理后的視力水平更高，并發(fā)癥發(fā)生率更低，滿意程度更好。

表1 通用規(guī)則項權值列表

3.2 導航電子地圖表達的用戶偏好規(guī)則

通用規(guī)則適合于一般用戶，屬于先驗知識的范疇。為了定制因人而異的服務模式，需要采用數據挖掘技術挖掘用戶偏好信息，從而探索用戶的認知特征，據此對導航地圖主動表達的內容進行調整，以滿足用戶的需求。用戶的偏好信息包括尺度偏好、興趣點偏好、外觀偏好[9]等，根據導航電子地圖的應用特點，其尺度、外觀等相對固定，因此下面本文重點研究興趣點偏好信息的挖掘方法。

對用戶偏好信息的挖掘是通過分析用戶的訪問信息進行的，訪問信息可從歷史操作文件中提取特定用戶的信息進行提取和挖掘，其存儲結構用三元組的形式表示，即，其中U為用戶名，O為設置的興趣點類型，D為目的點的興趣點類型。本文設計的挖掘算法的特點在于考慮了目的點與興趣點以及興趣點之間的相關性。

①目的點與興趣點的相關性提取。特定用戶設定的目的地類型與關注的興趣點類型的相關性的計算方法為：

②興趣點之間的相關性提取。已設置類型的興趣點與其他未設置的類型的興趣點類型的相關性的計算方法為：

對導航電子地圖進行顯示表達時，同時應用通用規(guī)則和偏好規(guī)則。其應用方式為計算興趣點總的權值，根據總的權值的大小依次顯示：

P總=P通×V1+P偏×V2(6)

式(6)中，P通為通用規(guī)則的權值，V1為通用規(guī)則的重要性程度，P偏為偏好規(guī)則的權值，V2為偏好規(guī)則的重要程度，有V1+V2=1。

4 導航電子地圖主動表達規(guī)則庫構建和實現(xiàn)

對導航電子地圖表達規(guī)則理論研究后，需要進行建庫實現(xiàn)[10]。本文利用典型的關系數據庫—Access數據庫設計了導航電子地圖主動表達規(guī)則庫，具體包括規(guī)則索引總表(Rule_Index)、通用規(guī)則表(Rule_General)、偏好規(guī)則表(Rule_Reference)、規(guī)則結果表(Rule_Result)。

(1)規(guī)則索引總表，主要記錄了通用規(guī)則和偏好規(guī)則的數目、ID以及重要性程度等信息，其表設計圖(部分)如圖1所示。

圖1 規(guī)則索引總表(部分)設計圖

(2)通用規(guī)則表，主要記錄了各通用規(guī)則項的ID，規(guī)則名稱、項權重以及相應的參數信息等，其表設計圖(部分)如圖2所示。

圖2 通用規(guī)則表(部分)設計圖

(3)偏好規(guī)則表，主要記錄了各偏好規(guī)則項的ID，規(guī)則名稱、項權重以及相應的閾值信息等，其表設計圖(部分)如圖3所示。

圖3 偏好規(guī)則表(部分)設計圖

(4)規(guī)則結果表。將規(guī)則項運行的結果存入規(guī)則結果表中，具體記錄了根據當前用戶設置、用戶操作以及當前導航電子地圖的表達情況實時計算的各POI的權值。

選取若干名實驗者分別應用普通的導航設備和嵌入了主動表達規(guī)則庫的導航設備進行多次用戶體驗，發(fā)現(xiàn)主動表達模式具有更好的用戶體驗，表達效果更暗合用戶的需求，達到了以同樣的載負量下表達的POI對用戶而言更有參考意義的效果。

5 結束語

本文重點對導航電子地圖內容主動表達規(guī)則進行了研究，并將重點放在POI的選取上。通過對導航電子地圖主動表達影響要素的總結，提出了主動表達的通用規(guī)則和基于關聯(lián)度的用戶偏好規(guī)則，使導航電子地圖能夠定制因人而異的表達模式。最后本文構建了主動表達規(guī)則庫。本文是導航電子地圖從以數據驅動向以用戶驅動模式轉變的有益探索。

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Study on the Navigation Electronic Maps’ Active Expression Rules

WU Li-li1，JIANG Nan2，MA Jian2，ZHANG Chao1

(1.College of Navigation & Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China；2.College of geographic information，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China)

Aiming at the shortcomings of current expression problems of navigation electronic maps，this paper researched the navigation electronic maps’ active expression rules.Through the analysis of influence factors of the navigation electronic maps，the author summarized the general rules and preference rules of active expression of the navigation electronic maps，and designed a rule database.The construction of the rule database provided the basis for the active expression of navigation electronic maps’ content，besides，it provided the basic theory and methods for navigation electronic maps’ expression pattern from passive，fixed one to one which is active and in line with the user preferences.

active expression，rule database，general rules，preference rules，point of interest(POI)

2014-04-25

國家自然科學基金項目(41271450)。

武麗麗(1984)，女，山西臨汾人，講師，博士，主要從事測繪導航、地理信息系統(tǒng)等方面的研究。

P228

A

2095-4999(2015)-01-0052-05