位置地圖的空間認知研究

楊 飛，江 南，牛 浩，李柏地

(1.信息工程大學，河南 鄭州 450001；2.65014部隊，遼寧 沈陽 110000；3.78092部隊，四川 成都 610000)

位置地圖的空間認知研究

楊 飛1，江 南1，牛 浩2，李柏地3

(1.信息工程大學，河南 鄭州 450001；2.65014部隊，遼寧 沈陽 110000；3.78092部隊，四川 成都 610000)

作為信息時代實現(xiàn)位置服務的重要基礎，位置地圖交互性強、使用方便，并且能實時、應景地向用戶提供位置關(guān)聯(lián)信息，因而比傳統(tǒng)的電子地圖更能滿足用戶的位置服務需求。文中分析位置地圖的特點和服務模式，并基于地圖空間認知理論，提出位置地圖的空間認知過程，最后探討位置地圖的認知設計原則，為基于位置地圖的位置服務中空間信息的認知與表達提供理論依據(jù)。

位置地圖；服務模式；空間認知；認知設計原則

地圖是人類進行空間認知的工具，也是空間認知的產(chǎn)物，它貫穿整個人類發(fā)展史。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用和位置服務(Location Based Service，LBS)的迅速發(fā)展，人類社會對空間認知的需求也與日俱增，傳統(tǒng)的電子地圖已不能滿足泛在信息社會和大數(shù)據(jù)時代對信息傳播和感知能力的基本要求。周成虎[1]率先明確提出“位置地圖”的概念，將“以感興趣的位置為中心的一種地圖”稱為位置地圖，并且認為從社會產(chǎn)業(yè)發(fā)展看，位置信息服務已成為現(xiàn)代服務業(yè)的重要構(gòu)成之一，發(fā)展個性化、智能化、全方位信息的位置地圖將是支撐位置服務業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。位置地圖作為一種全新的地圖產(chǎn)品應運而生，它和位置服務一樣被廣泛用于商業(yè)、旅游、救援、醫(yī)療等社會生活的多個領(lǐng)域，進而為智慧城市構(gòu)建和位置社會感知提供重要的信息資源保障。

作為一種新型的地圖產(chǎn)品，位置地圖是當今互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代實現(xiàn)位置服務的重要基礎。目前已有部分學者從不同角度對位置地圖進行研究。齊曉飛等[2-5]闡釋位置地圖情景的相關(guān)概念，并研究位置地圖情景分類分級與切換，顧及時間的情景推理、情景建模、情景匹配、情景表達等相關(guān)技術(shù)；周小軍等[6]研究基于情境的位置地圖的表示內(nèi)容；袁田等[7-9]探討基于移動終端的位置地圖服務的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并著重研究位置地圖的表示內(nèi)容和基于模板的表達運行機制；高利佳[10]等研究面向旅客個性化服務的機場室內(nèi)位置地圖與服務系統(tǒng)的構(gòu)建；李一鳴[11]通過調(diào)研43幅沈陽市房地產(chǎn)廣告中的項目位置地圖，對房地產(chǎn)廣告的誠信度進行考量。但以上研究多是從位置地圖應用的層面出發(fā)，對位置地圖的相關(guān)技術(shù)和具體應用所做的探討，缺乏對位置地圖基本特點和服務模式的分析。相比一般的電子地圖，位置地圖的服務模式和特點均發(fā)生明顯改變。同時，地圖空間認知是地圖設計、制作和應用的重要基礎，地圖使用者在使用位置地圖的過程中如何進行空間認知是一個尚未提及且亟待研究和解決的問題。本文分析位置地圖的基本特點及服務模式，闡明位置地圖的空間認知過程和認知特性，并對位置地圖的認知設計原則進行較深入的探討。

1 位置地圖的特點與服務模式

1.1 位置地圖的特點

互聯(lián)網(wǎng)的快速普及、位置服務的迅猛發(fā)展和數(shù)字地圖制圖技術(shù)的與時俱進催生位置地圖的形成和日漸發(fā)展成熟，它一出現(xiàn)就迅速得到廣大用戶的青睞，并得到廣泛的應用，是電子地圖未來發(fā)展的一個重要方向。位置地圖以位置為核心，將用戶和時空環(huán)境高度統(tǒng)一、有機結(jié)合起來，不僅為用戶實時提供感興趣的位置信息服務，而且通過豐富多樣的交互方式，極大地提升用戶的自主性，使其能夠自發(fā)地編輯、制作地圖，在這種意義下，制圖者和用戶之間的界限逐漸模糊，二者近似實現(xiàn)角色互換。作為一種新型的信息傳播和服務媒介，要想研究位置地圖對使用者的空間認知的影響，首先應當分析和理解其特點。位置地圖的特點體現(xiàn)在以下5個方面：

1)以位置為核心。據(jù)統(tǒng)計，世界上80%的信息都與位置相關(guān)[12]。位置地圖區(qū)別于一般電子地圖的最重要特點是將位置作為核心表示內(nèi)容，并且這些位置不同于一般意義上的靜態(tài)位置，而是在位置服務中，通過實時定位獲得的動態(tài)位置與在線地圖(如網(wǎng)絡地圖)中的靜態(tài)位置及其關(guān)聯(lián)信息的組合。位置地圖通過將上述兩種位置進行動態(tài)關(guān)聯(lián)和語義匹配，實時提供滿足用戶需求的位置信息。以位置為核心是位置地圖區(qū)別于其它種類地圖的根本特點，其本質(zhì)是以用戶為核心的理念的體現(xiàn)。

2)情境依賴。情境這一概念適用于多個領(lǐng)域，位置地圖的情境是指與位置地圖的制作和應用相關(guān)的，對位置地圖的表達與服務有直接影響的人、位置和環(huán)境等信息的集合。用戶使用位置地圖展開的活動是情境的重要組成部分，用戶活動與情境是相互作用、相互依存的，即情境通過用戶活動進行聚合，而活動能為情境提供實例性表達。同時，情景的分類分級的合理性也關(guān)乎位置地圖的內(nèi)容表達及其在情境間的相互切換。因此，位置地圖具有自身特有的情境依賴特性。

3)現(xiàn)勢性強。相對于紙質(zhì)地圖和一般電子地圖，位置地圖為制圖者和用戶、用戶與用戶之間提供了一個更加方便、快捷的信息交流媒介，也為用戶提供了一個更加實時變化的地圖環(huán)境。位置地圖的現(xiàn)勢性與位置服務的實時特性是一脈相承的，將位置服務中實時傳播的信息通過在線地圖制圖的方式可視化表達出來就形成了位置地圖。當前，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)和各種移動智能終端的飛速發(fā)展以及人們對時空信息傳輸效率需求的急劇加大，位置服務越來越注重時效性，因而位置地圖的更新速度越來越快，更新周期越來越短，現(xiàn)勢性越來越強，這是位置地圖符合信息化時代要求和用戶需求的一個必然發(fā)展趨勢。

4)自發(fā)性強。這里的自發(fā)性是從普通用戶在地圖制圖中的參與度方面來講的。紙質(zhì)地圖和一般電子地圖的制圖更傾向于專家制圖、定期發(fā)布的傳統(tǒng)模式，即使用戶有參與到地圖生產(chǎn)，最多也只是提供地理空間數(shù)據(jù)，但不進行制圖表達。對于位置地圖，用戶自主發(fā)揮的空間明顯擴大，可以在地圖上實時編輯、修改位置信息后再將新的地圖上傳分享，這就實現(xiàn)了將普通用戶的集體智慧充分表達以滿足多種社會需要(如災情分析、疫情監(jiān)控等)的目標。這個過程中用戶不僅自發(fā)提供多種形式的地理空間數(shù)據(jù)(如與位置關(guān)聯(lián)的文本、圖片、音頻、視頻等)，而且能夠完全獨立自主地參與到地圖制圖過程中來。但另一方面不足的是，用戶所提供數(shù)據(jù)的質(zhì)量和地圖的權(quán)威性也受到質(zhì)疑。

5)交互性強。紙質(zhì)地圖上的內(nèi)容一經(jīng)制圖者確定就很難改變，用戶接收地圖信息是極為被動的，信息傳輸是極為單向的；一般電子地圖僅提供放大、縮小、漫游和查詢等一些簡單的交互功能，用戶和地圖間的交互性仍不夠高。而位置地圖除了提供一般電子地圖的基本交互功能外，還能為用戶提供不同類型的位置服務功能，如用戶自身位置和目的地位置查詢與顯示、目的地詳細信息查詢與顯示(如某酒店的星級、電話、設施圖片、評論等)、最短路徑規(guī)劃(考慮交通擁堵、道路施工等情況的時間最短和距離最短)、周邊信息查詢等。這些豐富多樣、操作便捷的交互功能使得用戶能根據(jù)自身需要主動獲取位置信息，充分表明位置地圖在設計上強調(diào)用戶的中心地位，體現(xiàn)了位置地圖交互性強、以人為本的基本特性。

1.2 位置地圖的服務模式

基于位置地圖實現(xiàn)位置服務的過程中，制圖者將制作的位置地圖經(jīng)過位置服務中心(由中心數(shù)據(jù)庫和管理者組成)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)或移動終端供用圖者使用，這仍是目前位置地圖的主流服務模式。當下隨著社會進步和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，具備高水平制圖能力的用圖者越來越多，很多用圖者已經(jīng)可以全程參與制圖。傳統(tǒng)的“制圖者”和“用圖者”之間的界限逐漸消失，制圖者也可以下載用圖者制作的地圖，我們將迎來一個“全民制圖”的時代。但實際上，普通大眾所提供數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及自身的平均制圖水平與專業(yè)制圖人員相比仍存在一定差距，所以最初、最基本的位置地圖仍是由用圖者向位置服務管理者發(fā)送服務請求，管理者查詢中心數(shù)據(jù)庫或?qū)⒄埱筠D(zhuǎn)發(fā)給制圖者后，將地圖結(jié)果返回給用戶(中心數(shù)據(jù)庫中的位置地圖由制圖者通過網(wǎng)絡發(fā)布)。所以制圖者和以普通大眾為代表的用圖者之間并非直接進行服務傳輸?shù)?，而需要?jīng)過位置服務管理者加工處理后，再面向用圖者開放。用圖者在此基礎上可以享用現(xiàn)有的位置信息或發(fā)出新的服務請求，也可以進行反饋式消費，即把地圖的使用效果、自身的感受(地圖評價)經(jīng)位置服務管理者反饋給制圖者，在一些網(wǎng)站上(如OpenStreetMap，簡稱OSM)還可以自己對地圖進行在線編輯、修改后向位置服務管理者提出發(fā)布和分享的請求。但大多情況下新圖的可信度需要通過位置服務管理者的審查(如SuperMap的“在線商店”)，如果可信則進行更新，否則不予采納。不論是被動接收服務還是主動發(fā)布服務，普通用戶在此過程中，其自身的地圖認知和制圖技能水平都會逐步提高，最終達到或近似達到專業(yè)制圖者的水平。位置地圖具體的服務模式如圖1所示。

圖1 位置地圖的服務模式

2 位置地圖的空間認知過程分析

2.1 地圖空間認知的一般過程

地圖空間認知包括感知過程、表象過程、記憶過程和思維過程[13]。其中，感知過程是研究人的視感覺器官受到地圖上的制圖對象刺激后形成對地理空間環(huán)境的感覺和知覺的過程；表象過程是研究人經(jīng)過多次感知后通過回憶、聯(lián)想等行為對制圖對象“情景再現(xiàn)”的過程，也是開始形成心象地圖的過程，具有一定的間接性和概括性；記憶過程根據(jù)地圖空間記憶操作時間的長短可劃分為感覺記憶、短時記憶和長時記憶3種基本類型；空間思維過程是研究制圖對象在人腦中實現(xiàn)“由現(xiàn)象到本質(zhì)”的轉(zhuǎn)化的過程，即基于心象地圖的形成和存儲記憶進行思維再加工的過程，是地圖空間認知的高級階段。地圖空間認知的一般過程如圖2所示。

圖2 地圖空間認知的一般過程

2.2 位置地圖的空間認知過程

通過前面的分析可知，位置地圖同紙質(zhì)地圖和一般電子地圖相比具有以位置為核心、現(xiàn)勢性強、自發(fā)性強和交互性強等與眾不同的特點，這決定了其使用方式和空間認知過程也要發(fā)生顯著的變化。本文從用戶角度出發(fā)，結(jié)合位置地圖的特點以及用戶使用位置地圖獲得位置服務的具體過程，提出位置地圖的空間認知過程如圖3所示，并且對位置地圖的空間認知過程作詳細分析。

圖3 位置地圖的空間認知過程

通常用戶在使用位置地圖時首先根據(jù)服務需求找到自己感興趣的位置點(即興趣點，Point of Interest，POI)，然后才開始關(guān)注周邊的事物(如用戶準備去某個景點旅游，首先在位置地圖上定位該景點，然后再搜索該景點周邊的餐廳、賓館等地物)；用戶會重點研究自己認為重要的興趣點及其相關(guān)位置信息，如景點到周邊若干餐廳或賓館的路線、交通工具、地標等信息，這樣就在腦中初步形成心象地圖并進行短時記憶存儲；然后用戶會結(jié)合自身經(jīng)驗，經(jīng)過判斷、篩選得出從景點通往周邊目的地的最佳路線方案，摒棄不合適的方案，這樣其腦中形成的心象地圖被不斷強化；最后，用戶按照選定的最佳方案進行實踐檢驗，如果所形成的心象地圖與其主、客觀需求相一致，用戶會在頭腦中將這個地圖作為最終的心象地圖長期存儲記憶下來，從而對這一地區(qū)的地理空間信息形成最終的認知，否則用戶可以重新規(guī)劃方案或者將錯誤信息(如沒找到理想的路線)經(jīng)服務管理者實時反饋給制圖者。如果用戶通過手提GPS裝置、某些現(xiàn)有的地圖資料甚至自身常識，發(fā)現(xiàn)該位置地圖上的某個或某些位置點標記(地理位置、注記等)存在明顯誤差或錯誤，可以通過向上反饋或自己編輯、修改后上傳的方式，等待位置服務管理者予以確認。無論編輯、修改正確與否，用戶都將得到管理者的反饋信息，這樣用戶會積極主動地將這個地圖作為最終的心象地圖進行長期存儲記憶，在獲得地理空間知識的同時，其空間認知水平和制圖水平也會得到進一步提升。

從上述分析可以看出，在認知科學范疇中，位置地圖的空間認知是一個自下而上的認知過程，即先局部后整體的認知方式。用戶首先根據(jù)自身需求輸入單個興趣點，然后以此興趣點為中心進行發(fā)散式認知，即形成興趣點周邊地理環(huán)境、事物的最初的心象地圖；再經(jīng)過判斷、篩選、實踐檢驗甚至主動創(chuàng)造，形成最終被強化的心象地圖，即對興趣點所在的局部地理環(huán)境的空間認知。這樣用戶就提升了自身的空間認知水平，完善自己的空間認知體系，實現(xiàn)從逐步認知(量變)到獲得知識(質(zhì)變)的轉(zhuǎn)變。

2.3 位置地圖的認知特性分析

從位置地圖的空間認知過程可以看出，用戶在使用位置地圖的全程中都聚焦于自己所在的位置(即當前位置)、自己感興趣的位置(周邊位置或目標位置)以及這二者之間的路徑(可以理解為連續(xù)的位置變化)，這與用戶從紙質(zhì)地圖或一般電子地圖上進行專題信息查詢或者簡單的位置查詢是有著顯著區(qū)別的，即“位置”在位置地圖的使用和空間認知過程中占據(jù)著全局性、決定性的地位。沒有位置，位置地圖的使用和空間認知都無從談起。這種認知特性是和位置地圖“以位置為核心”的本質(zhì)特征完全一致的。同時，在位置地圖的使用過程中，用戶的空間認知是以某個位置為中心向四周逐漸發(fā)散的過程，整個過程中用戶、設備與環(huán)境是相互聯(lián)系的統(tǒng)一體，這正好與情境理論相吻合。另一方面，情境的分類分級直接影響著位置地圖的表示內(nèi)容及其在情境間切換的效果，因而也直接影響著用戶對環(huán)境的空間認知效果。因此，位置地圖的空間認知又具有明顯的情境依賴特性。此外，位置地圖強現(xiàn)勢性、強交互性、強自發(fā)性的特征也直接決定了用戶空間認知的易變性、深刻性和主動性等特性。由于位置地圖更新迅速，用戶使用位置地圖時的空間認知結(jié)果是不斷變化的；由于用戶會循環(huán)往復地與位置地圖進行交互，因而其空間認知是一個由淺入深、不斷深化的過程；由于對位置地圖的編輯、修改成為現(xiàn)實，同時用戶自身也能制作位置地圖，因而相比紙質(zhì)地圖或一般電子地圖，用戶對位置地圖的空間認知具有極強的主動性特征。

3 位置地圖的認知設計原則

位置地圖的使用不再是傳統(tǒng)的被動的信息輸入過程，而是一個用戶積極、主動地加工信息的過程。以用戶為中心，提供便捷、可靠的位置服務是位置地圖設計的核心理念和根本目標。位置地圖的設計應該充分考慮人腦中心象地圖從產(chǎn)生、形成到永久存儲的一般過程，盡量從滿足用戶需求的角度出發(fā)，使得設計出的地圖更加人性化、實用化。本文結(jié)合地圖空間認知的一般過程，提出如下的位置地圖的認知設計原則：

3.1 位置關(guān)聯(lián)要突出

位置地圖以位置為基礎實現(xiàn)空間信息的靜態(tài)和動態(tài)關(guān)聯(lián)。用戶使用位置地圖，最關(guān)心的是當前位置、目標位置、到目的地的路線規(guī)劃和路況、重要的POI及其周邊概況等與位置緊密相關(guān)的信息。因此，位置地圖在具備多尺度表達功能的基礎上，同一尺度下的內(nèi)容顯示首先應突出用戶感興趣的、與定位和導航緊密相關(guān)的位置關(guān)聯(lián)要素，例如美食、酒店、景點、廁所、加油站等興趣點及其地名、道路等要素，同時還要對興趣點周邊的其它興趣點按照用戶的關(guān)注度進行分類分級和遞進表示。其次再視情況對位置關(guān)聯(lián)性不大的要素選擇性表示或不表示，使得內(nèi)容顯示詳略得當，信息表達簡明扼要，便于用戶快速獲取到自己所需的位置關(guān)聯(lián)信息。

3.2 交互界面要友好

交互性的優(yōu)劣直接決定了用戶對地圖的使用效果，交互性強是位置地圖的一個重要特色，充分體現(xiàn)了位置地圖以用戶為中心的設計理念。位置地圖的界面應緊密圍繞用戶感興趣的內(nèi)容進行設計，并且交互界面力求簡潔直觀、友好大方，著重以按鈕、彈出式菜單、工具條等呈現(xiàn)即可。底圖的顏色不要過于花哨，而應力求“色簡意賅”。同時，交互界面的設計還要重點考慮界面的整體布局，各構(gòu)圖要素的大小、密度(數(shù)量)應保持均衡?？傊?，交互界面的設計應以地圖空間認知理論為指導，符合用戶空間認知的基本規(guī)律和一般原則。

3.3 查詢分析注重實效

位置地圖為用戶提供位置服務的核心環(huán)節(jié)就在于其查詢和分析結(jié)果的實時傳輸和顯示，因此位置地圖的查詢和分析功能應秉承“實用、高效但不復雜”的基本原則，在信息傳輸?shù)臅r效性、準確性上狠下功夫，功能力求簡單實用，查詢和分析力求準確及時，結(jié)果表達要采用形象、直觀的表現(xiàn)手法(如音頻、全景、放大顯示)，地圖數(shù)據(jù)應實時更新，從而滿足用戶全方位的位置服務需求，達到高效傳輸位置信息的目的。

4 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)時代的互聯(lián)網(wǎng)和位置服務二者的迅猛發(fā)展和有機結(jié)合為位置地圖提供了寶貴的發(fā)展機遇，而可信、可用的位置地圖是實現(xiàn)位置服務的重要基礎。目前關(guān)于位置地圖的研究主要是從具體應用的角度出發(fā)展開的，缺乏對位置地圖的服務模式、基本特點和空間認知過程的研究。本文分析位置地圖的特點，闡釋了位置地圖的服務模式，并基于地圖空間認知理論，提出了位置地圖的空間認知過程和認知特性，同時提出了位置地圖的認知設計原則，為基于位置地圖的位置服務中空間信息的認知與表達提供了理論支撐。

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[13] 王家耀，陳毓芬.理論地圖學[M].北京:解放軍出版社，2000.

[責任編輯：張德福]

Spatial cognition research on location map

YANG Fei1,JIANG Nan1,NIU Hao2,LI Bo-di3

(1.Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China;2.Troops 65014,Shenyang 110000,China;3.Troops 78092,Chengdu 610000,China)

As the foundation of location-based services in the information age,a location map is excellently interactive,convenient to use and able to provide real-time and occasional location-related information to their users,thus better meeting users’ needs for location-based services when compared with traditional electronic maps.The characteristics and service model of location maps are analyzed,and the spatial cognition process of location maps is proposed based on the spatial cognition theories of map in this paper.Finally,the cognition and design principles are discussed.All of the work above provides a theoretical foundation for the cognition and expression of spatial information in location-based services based on location map.

location map;service model;spatial cognition;cognition and design principle

引用著錄：楊飛，江南，牛浩，等.位置地圖的空間認知研究[J].測繪工程，2017，26(5)：20-24.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.005

2016-06-09

國家自然科學基金資助項目(41271450)

楊 飛(1991-)，男，碩士研究生.

P208

A

1006-7949(2017)05-0020-05