面向行人空間認知的路徑描述自動生成算法與模擬實驗

周 沙,甄 文 杰,王 潤,方 芳

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北 武漢 430074)

面向行人空間認知的路徑描述自動生成算法與模擬實驗

周 沙,甄 文 杰,王 潤*,方 芳

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北 武漢 430074)

路徑描述是人類心理空間表征外化的方式之一，與人們的日常生活息息相關。針對目前行人導航無法滿足行人空間認知偏好多樣性的問題，首先通過認知實驗驗證了參與者在確定自身位置時選取地標所考慮的主要因素為可視性和距離；然后結合行人的步行方向發(fā)展了一種基于地標可視性、地標與行人之間的距離以及步行方向的地標選取模型，并以該模型為基礎提出一種以行人為中心的定性路徑描述自動生成算法；最后，采用C++編程語言實現(xiàn)了基于路徑描述自動生成算法的模擬程序。模擬實驗表明，該算法能根據(jù)行人步行方向和位置的變化，實時調(diào)整相應的路徑指示信息。因此，該文提出的算法可提供以行人為中心的路徑描述動態(tài)生成服務，以滿足行人空間認知偏好多樣性的需求。

地標；行人導航；路徑描述；空間認知；算法

0 引言

隨著城市交通的發(fā)展，人們對出行信息的需求越來越高[1]。面向行人的路徑描述是空間認知學科和導航技術領域研究的熱點問題之一，受到了國內(nèi)外相關學者的廣泛關注[2-7]。實際上，比起幾何描述，幾乎絕大部分的路徑描述傾向于采用地標[8,9]。目前，基于地標的路徑指示中，地標影像及地標相對于觀察者的方向關系的表達是固定不變的[10]，這導致行人需要通過主觀判斷確定真實地標的方位。地標判斷時間受到行人實際視角的影響，且判斷時間較長容易造成認知壓力[11]。另外，地標的選取方法主要采用Klipple等提出的地標顯著性計算模型[12]，這種方法以地標為主要研究對象，忽略了路徑描述面向的是行人這一客觀事實，未顧及行人空間認知規(guī)律的影響；且該方法依賴不切實際的數(shù)據(jù)集[13]，即無法直接獲取與地標顯著性相關的數(shù)據(jù)源(視覺特征、結構特征、語義特征等)。

典型的GIS提供了附加的數(shù)據(jù)源，如與實體相關的信息：建筑名、建筑物的邊界坐標、興趣點等。Dale等結合真實的GIS數(shù)據(jù)與自然語言生成方法，提出了基于地標的路徑指示自動生成方法[7]，但是該方法面向的是車載導航。相比汽車的行駛，行人的步行具有更大的靈活性，不受馬路約束且方向變化較大(步行過程中可以任意改變方向)。另外，隨著移動GIS的發(fā)展，行人經(jīng)常要查詢自己所處的位置[14]并與所處真實環(huán)境做比較。因此，設計符合行人空間認知的路徑描述并通過現(xiàn)有GIS數(shù)據(jù)源自動獲取地標信息是實現(xiàn)以行人為中心的導航服務的關鍵。

本文設計了一種以行人為中心的路徑描述自動生成算法，主要聚焦于輔助行人確定自身的位置；最后根據(jù)設計的算法實現(xiàn)了路徑描述自動生成模擬程序。

1 基于地標的路徑指示與認知實驗

1.1 基于地標的路徑指示

目前，行人導航系統(tǒng)中路徑指示的形式包括語言指示、圖形指示[15]、圖像指示和混合指示等，混合指示較為常見。其中語言指示首先提示行人當前的行走方向，且該方向與圖形指示(方向箭頭)相對應，然后提醒行人沿此方向行走會觀察到某地標，行人需要判斷路徑指示信息中顯示的地標是否與真實地標相匹配。

在智能導航終端普及的情況下，行人的位置可實時獲得并能夠與地圖進行比對，從而找到行人所處位置附近的地標?，F(xiàn)有的路徑描述方法雖然給出了與地標相關的信息(如名稱、距離等)，但是沒有考慮給出的地標對于行人是否有意義(如由于角度和距離的原因，行人可能無法識別路徑指示中的地標)，為行人認知環(huán)境帶來了障礙。具體存在的問題有：1)圖像中顯示的地標影像角度是固定的，當行人視角與該影像提供的視角不一致時，行人無法迅速確定自身所處位置，容易產(chǎn)生認知壓力；2)由于認知偏好的多樣性，行人是否會使用現(xiàn)有路徑指示的地標確定自身所處的位置是不確定的。因此，本文從空間認知的角度入手解決這兩個問題。

1.2 空間認知實驗

地標在路徑描述中的主要作用是輔助行人確定自身所處位置和前進方向，本研究聚焦于前者。因此，本文設計了位置描述實驗，來確定參與者利用地標描述自身所處位置時的一般規(guī)律，從而將其運用到路徑指示的地標選擇中。

召集15名中國地質(zhì)大學信息工程學院的學生進行現(xiàn)場空間位置描述實驗，實驗區(qū)域為中國地質(zhì)大學圖書館周圍3條人行道(AB、BC和CD)，邊長分別為65 m、85 m和65 m，每條人行道包含6個測試點(如圖書館北側的A、①、②、③、④ 和B)(圖1)。實驗過程中，15名參與者隨機被分成3組，每組(5人)分別被分配到3條不同的人行道上，每位參與者都被引導到相應的人行道上，描述該人行道上5個不重復的抽樣點，且描述順序由實驗者隨機選取，最后，位置描述結果由參與者自己記錄。

圖1 現(xiàn)場調(diào)查區(qū)域Fig.1 In situ survey area

參與者選取地標時主要考慮地標是否可見以及地標與自身的距離。實驗結果中一共收集了75條位置描述，提到的地標個數(shù)為131個(包含相同的地標)，其中：1)有31(41.3%)條位置描述中只包含1個地標，且一條描述中最多包含3個地標；2)所有地標對于參與者均可見；3)130個地標(99.2%)與參與者之間的距離小于50 m。另外，不同的參與者在描述相同的測試點時會采用相同或不同的地標。這說明由于認知偏好的多樣性，人們對相同位置的描述具有不確定性。

2 路徑指示的自動生成算法

2.1 地標選取規(guī)則及模型

為了生成對于行人有意義的路徑指示信息，即行人容易感知到的地標信息。根據(jù)位置描述認知實驗結果以及行人步行的方向，本文制定了地標選取規(guī)則及其實現(xiàn)過程：

規(guī)則1：地標對于行人可見。在沒有遮擋物的情況下，以尋路者為中心、r為半徑的圓形緩沖區(qū)內(nèi)的地標對于尋路者而言均為可見地標。如圖2所示，OA間沒有遮擋物，且A點(地標的邊界點)在觀察者(位于O點)的可見區(qū)域內(nèi)，故包含A點的地標對于觀察者可見；而B點被遮擋物遮擋，C點雖未被遮擋但其不在可見區(qū)域內(nèi)，故該地標上的其他點均對O點不可見，因此包含B點和C點的地標對于行人不可見。

圖2 可見地標Fig.2 Visible landmark

圖3 行人與地標之間的距離和方位角Fig.3 Distance and azimuth between pedestrian and landmark

規(guī)則2：地標與行人之間距離較近。計算行人與可見地標的所有可見邊界點的距離，選擇其中最短的距離作為行人與地標之間的距離。圖3中，距行人所處位置O點距離最近的地標邊界點為A點，因此行人與地標之間的最短距離則為D。另外，圖3中的θ為行人與地標之間的方位角，由行人的步行方向與OA(行人當前位置和距行人最近的可見地標邊界點之間的連線)之間的夾角組成。行人的步行方向為行人當前位置O與前一個GPS點P之間的連線。

根據(jù)以上規(guī)則本文將地標的顯著性作為地標的選取標準：

(1)

其中:S表示地標的顯著性；V=1表示地標對于行人可見，V=0表示不可見；WD(式(2))和Wθ(圖4)[16]分別為地標與行人間的距離權重和相對方向權重。

(2)

由于行人所處的環(huán)境中可能不只存在一個地標，故本文選取最顯著的地標作為路徑描述中的地標，如式(3)所示：

Smax=max(S1,S2,…,Sn)

(3)

路徑指示中地標選取的流程如圖5所示：

圖5 地標選取流程Fig.5 Flow chart of landmark selection

2.2 面向行人空間感知的路徑描述

指向手勢是行人較容易感知的方向指引，可以有效地引導行人到達目的地，故為了符合行人的空間感知，并降低行人尋路時的認知壓力，本文生成的路徑描述算法給出了地標相對于尋路者的實時相對方向。日常生活中的路徑描述是通過自然語言表達的，這種方式對于行人更容易接受。因此本文參考文獻[16]將不同的角度歸類為不同的定性方向描述(圖6)，從而實現(xiàn)了方向的定性表達。

圖6 方向的定性描述Fig.6 Qualitative descriptions of direction

另外，距離是路徑描述中需要考慮的重要因素。目前的路徑指示在行人距離地標較遠時就提示距地標的距離，行人需要分散注意力去思考地標的方位、距離等因素，這將導致行人產(chǎn)生認知壓力[13]。故本文給出的路徑描述中，用于行人確定自身位置的形式為{地標名，“位于”，相對方向，距離}(如圖書館位于右前方30 m)，其中地標必須對于行人可見，且兩者之間的距離小于50 m(根據(jù)1.2節(jié)的實驗結果設定)。由于本研究主要聚焦于利用地標輔助行人確定自身所處位置，故在本節(jié)和算法實現(xiàn)部分不涉及與前進方向指示相關的知識。

3 算法實現(xiàn)及模擬實驗

本文利用C++編程語言實現(xiàn)了面向行人空間認知的路徑描述模擬程序，以中國地質(zhì)大學西區(qū)的部分區(qū)域作為實驗區(qū)域，程序運行結果如圖7所示。圖中的箭頭表示行人的步行方向，箭頭右上方的信息為提示行人當前位置的路徑指示，如“物探樓位于右前方7 m”。雖然圖7a和圖7b 中行人的步行方向相同，但由于位置不同，故生成的路徑描述有所不同。

現(xiàn)實生活中，因為視角、個人偏好等原因，依據(jù)此方法選擇的地標對行人而言不一定顯著；而且由認知實驗可知，行人不只采用一個地標描述自身所處位置，這種情況下，行人可以通過當前局部環(huán)境中對于其更有吸引力的(一個或多個)地標實現(xiàn)自身定位。但是，如果同時顯示多個地標信息，容易出現(xiàn)信息冗余的情況，不符合路徑描述的簡潔性原則。因此，本模擬程序只在路徑指示上顯示最顯著的地標信息(也可以采用語音提示的方式)，可見區(qū)域內(nèi)的其他地標信息作為輔助信息，為行人提供位置判斷的依據(jù)。圖7右上角的列表(刷新按鈕的上方)為行人當前位置周圍所有可見且與該位置距離小于50 m的地標，以及這些地標與行人之間的方位和距離信息，該列表中的地標信息可以提示行人路徑指示信息中地標附近的其他地標。例如，當路徑指示中提到圖書館西北角處的交叉路口時，行人也可以通過該交叉口附近的地標信息(足球場、圖書館等)確定自身當前所處的位置。

從上述模擬結果可以看出，本文提出的算法可以根據(jù)行人步行方向和位置的變化調(diào)整相應的路徑指示信息。因此，該算法可以實時地為行人提供位置信息，具有一定的靈活性。

圖7 路徑描述模擬結果Fig.7 Simulation results of route descriptions

4 結語

本文面向行人空間認知，通過認知實驗驗證了行人在確定自身位置時，選取地標所考慮的主要因素，據(jù)此提出了地標選取的規(guī)則，設計了以行人為中心的路徑描述自動生成算法。模擬實驗表明，本文提出的算法不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的路徑描述方法(在固定的位置提供路徑描述)，而且還能提供以行人為中心的動態(tài)路徑描述生成服務，以滿足行人認知偏好多樣性的需求。以行人為中心，基于行人的實際位置和步行方向，描述行人視野范圍內(nèi)的地標，是減輕行人認知壓力、提高導航效率的有效途徑。但是，本文沒有通過志愿者測試實際生成的路徑描述是否比傳統(tǒng)的更加有效，這將是下一步的工作。

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An Automatic Generation Algorithm of Route Description for Pedestrian Spatial Cognition and Simulation Experiment

ZHOU Sha,ZENG Wen-jie,WANG Run,FANG Fang

(CollegeofInformationEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Route descriptions are the externalization of human mental spatial representation,and are so common in our daily life.However,the existing route descriptions are insufficient to satisfy the diversity of pedestrians′ cognitive preferences,such as generate route descriptions based on properties of landmark but not on pedestrians′ cognition.Several studies show that landmarks play an important role in route descriptions,hence,landmark selection is a key element for automatic generation algorithm of route description.In this paper,the main factors (i.e.,the visibility of landmarks and distances between landmarks and test positions) that effecting landmark selection are firstly verified through an in-situ cognitive experiment,then the landmark selection model,considering these two factors and the heading directions of pedestrians,is proposed.Based on the model,an automatically generated algorithm of pedestrian-centered qualitative route descriptions is devised.For the purpose of implementing the automatic generation algorithm for route descriptions,a simulation program is developed by Clanguage.The simulation results indicate that the proposed algorithm can adjust route instructions in real time,as the heading directions and the locations of pedestrians change.Traditional navigation systems provide route descriptions at pre-set locations.In contrast,the algorithm proposed in this paper could provide a dynamic generating service of pedestrian-centered route descriptions,which compliances the diversity of spatial cognition preferences of pedestrians.

landmarks;pedestrian navigation;route description;spatial cognition;algorithm

2015-12-13；

2016-03-11

國家自然科學基金項目(41371422、41201385、41301426、41301427、41501433)

周沙(1985-)，男，碩士，主要研究方向為行人導航理論與應用。*通訊作者E-mail：runwang_cug@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.03.004

P208

A

1672-0504(2016)03-0019-04