桌面式虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境中個(gè)體特征影響空間認(rèn)知能力的差異分析

黃麗娜，張定嬈，應(yīng) 申，艾廷華

1. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 4. 廣西壯族自治區(qū)地圖院，廣西 南寧 530023

虛擬地理環(huán)境與現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境相對(duì)應(yīng)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)復(fù)雜地理信息系統(tǒng)進(jìn)行模擬、重構(gòu)和全息表達(dá)，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)地理環(huán)境的感知、認(rèn)知、理解與探索[1]。在虛擬環(huán)境中可以開展控制試驗(yàn)，尤其是在針對(duì)人地關(guān)系耦合的空間研究中，為研究個(gè)體/群體對(duì)環(huán)境的感知、認(rèn)知及行為提供了有效的方法和途經(jīng)[2-4]。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，建立虛擬地理環(huán)境開展模擬試驗(yàn)已成為ICT大地圖時(shí)代的一種重要科學(xué)研究范式[5-6]。

基于虛擬地理環(huán)境的空間認(rèn)知研究以虛擬與真實(shí)“有無相生、虛實(shí)共濟(jì)”的設(shè)定為前提[1]，通過虛擬環(huán)境的模擬試驗(yàn)探究真實(shí)環(huán)境中人與環(huán)境的相互作用。例如，使用三維迷宮分析人們利用全局或局部地標(biāo)進(jìn)行空間認(rèn)知的群組差異[7]；通過搭建規(guī)則環(huán)境和不規(guī)則環(huán)境分析不同年齡人群對(duì)空間信息組織和存儲(chǔ)的行為偏好[8]；模擬突發(fā)危機(jī)情景，分析個(gè)體在恐懼和警覺等高喚起情緒中的認(rèn)知水平及從眾行為[9]。這些研究的理想情況是在真實(shí)環(huán)境中開展試驗(yàn)。但由于難以在真實(shí)環(huán)境中控制試驗(yàn)材料、將被試者從一個(gè)環(huán)境移動(dòng)到另一個(gè)環(huán)境的過程會(huì)產(chǎn)生學(xué)習(xí)效應(yīng)等。相比之下，虛擬環(huán)境靈活性高、試驗(yàn)材料易于組織和控制，因此多數(shù)試驗(yàn)都采用虛擬環(huán)境來代替真實(shí)環(huán)境。也有不少認(rèn)知心理學(xué)者認(rèn)為，虛擬環(huán)境存在著難以維持被試本體感受、缺少真實(shí)環(huán)境的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性、試驗(yàn)過程易受被試者的個(gè)體偏好和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)影響等問題[7,10-12]，因此，不能將虛擬環(huán)境的空間認(rèn)知簡(jiǎn)單等同于真實(shí)環(huán)境的空間認(rèn)知。得益于嵌入式跟蹤設(shè)備的發(fā)展，在真實(shí)環(huán)境中開展空間認(rèn)知試驗(yàn)正受到越來越多的關(guān)注[13-14]。如利用眼動(dòng)儀記錄行人借助地圖導(dǎo)航的注視行為，發(fā)現(xiàn)抽象地圖相比詳細(xì)平面圖更有利于用戶集中視覺注意，進(jìn)而幫助用戶在室內(nèi)空間中更快到達(dá)目的地[15]；空間定位、地圖閱讀和地圖導(dǎo)航不受性別影響，但受到性別與年齡的交互作用[16]。此外，還可利用谷歌眼鏡和智能手機(jī)獲取人們的動(dòng)作行為，通過狀態(tài)模型識(shí)別運(yùn)動(dòng)中的熟悉、陌生、迷路等認(rèn)知狀態(tài)[17-18]。

縱觀現(xiàn)有研究，往往關(guān)注選擇虛擬環(huán)境或真實(shí)環(huán)境之一作為試驗(yàn)場(chǎng)景，但對(duì)兩種環(huán)境是否導(dǎo)致認(rèn)知行為差異卻不夠重視。虛擬環(huán)境中影響人們空間認(rèn)知的因素在真實(shí)環(huán)境中是否具有同等作用？反之，在真實(shí)環(huán)境中表現(xiàn)出的人地關(guān)系特征在虛擬環(huán)境中是否仍然存在？不同類型的空間環(huán)境對(duì)人們的行為表現(xiàn)有怎樣的影響？這些問題都有待深入探討。基于此，本文設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)，分別以虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境為試驗(yàn)場(chǎng)景，分析兩種環(huán)境中個(gè)體特征對(duì)空間認(rèn)知能力的影響，進(jìn)而探討不同環(huán)境下空間認(rèn)知效果的一致性問題。研究結(jié)果可以為虛擬地理環(huán)境的建立提供理論依據(jù)。了解空間認(rèn)知的個(gè)體差異及其環(huán)境效應(yīng)，還可為設(shè)計(jì)基于虛擬地理環(huán)境的認(rèn)知研究提供先驗(yàn)支持。

虛擬地理環(huán)境的建立，有桌面式、墻體式、全景沉浸式和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等多種技術(shù)方法[1]。其中，桌面式虛擬環(huán)境利用個(gè)人計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)地理場(chǎng)景，設(shè)備成本低且操作方便，在導(dǎo)航仿真、駕駛訓(xùn)練等領(lǐng)域研究中廣泛應(yīng)用[19]。結(jié)合軟硬件條件，本文搭建桌面式虛擬地理環(huán)境進(jìn)行與真實(shí)環(huán)境的對(duì)照試驗(yàn)。

1 三維環(huán)境的空間認(rèn)知試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要探討在虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，個(gè)體特征對(duì)空間認(rèn)知能力的影響。通過對(duì)比人們?cè)趦煞N三維環(huán)境中的空間認(rèn)知效果和行為響應(yīng)差異，分析不同場(chǎng)景的環(huán)境效應(yīng)。認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒄J(rèn)知空間的能力分離為基于對(duì)象的空間能力(object-based spatial abilities)和基于環(huán)境的空間能力(environmental spatial abilities)兩類[20-21]。前者主要通過視覺觀察獲取空間目標(biāo)的形態(tài)及變換特征(如旋轉(zhuǎn)、組合、分解等)，認(rèn)知空間是物體對(duì)象的小尺度空間[22]。后者與大尺度場(chǎng)景和自身運(yùn)動(dòng)知覺(self-motion cue)有關(guān)，通過在場(chǎng)景中執(zhí)行搜索、移動(dòng)等空間任務(wù)，不斷更新和完善對(duì)環(huán)境布局及場(chǎng)景要素的認(rèn)識(shí)。認(rèn)知空間同時(shí)也是個(gè)體的活動(dòng)空間。本文將基于對(duì)象的空間能力，即通過視覺感知物體形態(tài)特征的能力劃入個(gè)體的基本空間能力范疇，三維環(huán)境的空間認(rèn)知能力則特指在大尺度場(chǎng)景中學(xué)習(xí)活動(dòng)空間進(jìn)而指導(dǎo)執(zhí)行空間任務(wù)的能力。

本文圍繞兩個(gè)問題設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究。

(1) 在三維環(huán)境中，個(gè)體特征，包括性別、專業(yè)背景、基礎(chǔ)空間能力等，對(duì)空間認(rèn)知有怎樣的影響?性別、專業(yè)背景等基本個(gè)體特征可從調(diào)查問卷中提取。根據(jù)心理行為研究[23]，當(dāng)人們?cè)谌S環(huán)境中尋路時(shí)，會(huì)激發(fā)心理旋轉(zhuǎn)和抽象推理兩種認(rèn)知過程。其中，空間定向與心理旋轉(zhuǎn)有關(guān)，空間定位與抽象推理有關(guān)[24]。因此，選取心理旋轉(zhuǎn)能力和抽象推理能力來量化表征基礎(chǔ)空間能力，作為認(rèn)知分析的自變量。

空間認(rèn)知表現(xiàn)通過控制試驗(yàn)來觀測(cè)。結(jié)合文獻(xiàn)[25—26]的認(rèn)知模型，將空間認(rèn)知分解為對(duì)象認(rèn)知、格局認(rèn)知、空間響應(yīng)3個(gè)維度，設(shè)計(jì)如表1所示的相應(yīng)的空間任務(wù)，記錄參與者完成空間任務(wù)的時(shí)間和正確率，作為認(rèn)知分析的因變量。

表1 空間任務(wù)及評(píng)價(jià)方法

(2) 人們?cè)谔摂M三維環(huán)境中的認(rèn)知表現(xiàn)是否與在真實(shí)環(huán)境中的一致？若不考慮暈眩、視角差異等生理?xiàng)l件對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的約束，理想情況下可將虛擬三維環(huán)境看作是現(xiàn)實(shí)環(huán)境的數(shù)字孿生[27]。選擇試驗(yàn)區(qū)域并建立與之相應(yīng)的虛擬場(chǎng)景，招募對(duì)試驗(yàn)區(qū)域不熟悉的參與者在兩種環(huán)境中分別完成空間任務(wù)，分析他們?cè)趦煞N環(huán)境中的表現(xiàn)。采用多因素混合模型進(jìn)行差異分析：三維環(huán)境類型(真實(shí)環(huán)境、虛擬環(huán)境)、個(gè)體特征(性別、專業(yè)背景等)和空間認(rèn)知效果(對(duì)象認(rèn)知、格局認(rèn)知、空間響應(yīng))。根據(jù)前人的空間認(rèn)知試驗(yàn)研究[12,16,28]，對(duì)照分析的樣本規(guī)模不少于12人，且各因素分組規(guī)模均衡。

1.2 試驗(yàn)材料

(1) 研究區(qū)域。本文設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)，主要關(guān)注在相似場(chǎng)景的不同類型環(huán)境(虛擬和真實(shí))中人們的空間認(rèn)知表現(xiàn)，試驗(yàn)者需要先后在兩種環(huán)境中完成空間任務(wù)。大學(xué)校園是一種布局相對(duì)簡(jiǎn)單且完整的活動(dòng)空間，從真實(shí)環(huán)境可達(dá)性和虛擬環(huán)境配對(duì)的可操作性考慮，選擇武漢大學(xué)信息學(xué)部校園作為試驗(yàn)區(qū)域。利用SketchUp建立兩個(gè)虛擬三維場(chǎng)景：一為普通城市場(chǎng)景(圖1(b))，用于練習(xí)試驗(yàn)，指導(dǎo)參與者熟悉試驗(yàn)環(huán)境和相關(guān)操作；二為信息學(xué)部校園對(duì)應(yīng)的虛擬場(chǎng)景(圖1(c))，用于正式試驗(yàn)，與真實(shí)場(chǎng)景構(gòu)成配對(duì)環(huán)境。

(2) 問卷。獲取參與者的基本信息，并基于普通能力傾向測(cè)驗(yàn)量表(general aptitude test battery，GATB)測(cè)評(píng)其基礎(chǔ)空間能力[29]。包括心理旋轉(zhuǎn)能力測(cè)試(mental rotation test，MRT)和抽象推理能力測(cè)試(abstract reasoning test，ART)，分別由5道樣題和10道評(píng)測(cè)題組成，具體如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域與試驗(yàn)材料Fig.1 Experimental area and materials

圖2 基礎(chǔ)空間能力測(cè)試?yán)}Fig.2 Samples of basic spatial ability test

1.3 參與者選擇和試驗(yàn)流程

為了保證對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的熟悉程度相當(dāng)，要求參與者均未到過試驗(yàn)區(qū)域或使用試驗(yàn)區(qū)域的三維場(chǎng)景模型。根據(jù)《2018上半年中國VR市場(chǎng)調(diào)查》(http:∥www.sohu.com/a/235255974_310972)，目前中國的VR用戶主要為年輕高知人群，因此，最終招募了武漢地區(qū)67名大學(xué)生參加試驗(yàn)。

試驗(yàn)分為3個(gè)階段，流程如圖3所示。第1階段任務(wù)，即用戶畫像和MRT、ART測(cè)試問卷。參與者進(jìn)入問卷系統(tǒng)答題，作答完畢時(shí)交卷確認(rèn)。第2階段，參與者通過練習(xí)場(chǎng)景熟悉軟件操作后開始正式試驗(yàn)。首先，以自由視角瀏覽校園場(chǎng)景1 min以初步了解校園格局，繪制場(chǎng)景地圖展現(xiàn)其空間格局認(rèn)知水平；然后，以第一視角進(jìn)入虛擬校園，根據(jù)指示逐步完成對(duì)象認(rèn)知和尋路任務(wù)，并繪制尋路地圖。第3階段，參與者進(jìn)入真實(shí)校園環(huán)境完成空間任務(wù)，再次繪制尋路地圖。試驗(yàn)過程中，為避免試驗(yàn)場(chǎng)景相似而形成記憶干擾，兩個(gè)場(chǎng)景的對(duì)象認(rèn)知和尋路任務(wù)均使用不同的空間目標(biāo)。參與者全程佩戴TobiiGlass 2眼鏡，監(jiān)測(cè)其注視對(duì)象的眼動(dòng)軌跡和執(zhí)行空間任務(wù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)路線。試驗(yàn)后輔以訪談，了解參與者的試驗(yàn)體驗(yàn)和任務(wù)策略。整個(gè)過程遵循試驗(yàn)倫理規(guī)范，所有參與者都同意試驗(yàn)程序并自愿參加，且在試驗(yàn)過程中也可隨時(shí)退出。

圖3 試驗(yàn)流程Fig.3 The experimental procedures

1.4 因子計(jì)算

1.4.1 基礎(chǔ)空間能力指數(shù)

采用單位時(shí)間內(nèi)MRT和ART答題正確率來衡量參與者的基礎(chǔ)空間能力。為便于差異分析，需對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，如式(1)所示。

(1)

式中，Si表示參與者i的單位時(shí)間答題正確率，Smax和Smin分別表示所有參與者單位時(shí)間答題正確率的最大值和最小值。MRT指數(shù)與ART指數(shù)的計(jì)算方法相同。

1.4.2 格局認(rèn)知指數(shù)

將心象地圖作為參與者環(huán)境認(rèn)知的具象化表征，從場(chǎng)景地圖中提取地物和道路結(jié)構(gòu)，評(píng)估其環(huán)境格局認(rèn)知的能力。其中，心象地圖的有效地物包括有形地物(如建筑、設(shè)施或路段等)和無形對(duì)象(如方向、交通的描述)。道路結(jié)構(gòu)指對(duì)道路交叉口模式的識(shí)別，分為正交、斜交和折彎3種，如圖4所示?？紤]到垂直交叉口對(duì)認(rèn)知能力的要求最低，基于垂直關(guān)系表示路徑結(jié)構(gòu)時(shí)，容易忽略折彎結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致拓?fù)溴e(cuò)誤，而折彎是指一條路段中發(fā)生方向的變化，對(duì)折彎結(jié)構(gòu)的記憶需要更高的認(rèn)知能力，將正交交叉口、斜交交叉口和折彎交叉口的數(shù)量賦權(quán)分別為w1、w2、w3，有w1

圖4 道路結(jié)構(gòu)認(rèn)知因子提取示例Fig.4 The example of extracting road structure cognitive factors

因此，格局認(rèn)知指數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

Li=Count(Landmarksi)

(3)

Ci=Count(Cross 1i)×w1+Count(Cross 2i)×

w2+Count(Cross 3i)×w3

(4)

式中，CIi為參與者i的格局認(rèn)知指數(shù)；Li表示心象地圖中地物的數(shù)量；Ci為心象地圖中道路結(jié)構(gòu)認(rèn)知得分；Count(Cross 1i)；指正交交叉口數(shù)量；Count(Cross 2i)指斜交交叉口數(shù)量；Count(Cross 3i)為表達(dá)正確的折彎點(diǎn)數(shù)量。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景的格局相似，并且只在第2任務(wù)階段要求參與者繪制場(chǎng)景地圖，之后繪制的認(rèn)知地圖是參與者完成空間任務(wù)的尋路地圖。因此，格局認(rèn)知指數(shù)的計(jì)算主要從場(chǎng)景地圖中提取認(rèn)知要素，若兩次尋路地圖中有新增或變化要素，則按時(shí)間先后順序修正統(tǒng)計(jì)數(shù)量。本文未對(duì)交叉口賦權(quán)開展專門研究，取w1=1、w2=2、w3=3。

1.4.3 對(duì)象認(rèn)知指數(shù)

高度和距離的認(rèn)知任務(wù)是開放性問題，考慮到人的視覺感受有一定模糊性，使用自然裂點(diǎn)法對(duì)場(chǎng)景內(nèi)建筑物的高度及與參考點(diǎn)的距離進(jìn)行分級(jí)打分。若參與者的回答屬于某一分級(jí)范圍內(nèi)則獲得對(duì)應(yīng)分值。然后將距離認(rèn)知得分與高度認(rèn)知得分并轉(zhuǎn)化為百分?jǐn)?shù)，作為對(duì)象認(rèn)知指數(shù)。

1.4.4 空間響應(yīng)指數(shù)

空間響應(yīng)指數(shù)采用完成尋路任務(wù)的移動(dòng)路徑總長度和累計(jì)轉(zhuǎn)角來量化。參與者需要憑借記憶在無提示條件下從指定地點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)特定目標(biāo)地，最后回到起點(diǎn)，完成路徑閉合。完成空間任務(wù)后，回放參與者佩戴的眼動(dòng)儀的監(jiān)測(cè)記錄，將參與者的運(yùn)動(dòng)軌跡沿道路中心線展繪到路網(wǎng)上，提取移動(dòng)路徑長度和轉(zhuǎn)角。最佳的空間響應(yīng)行為應(yīng)是完成尋路任務(wù)的路徑最短、轉(zhuǎn)向最小。路徑和轉(zhuǎn)角的空間響應(yīng)能力也需進(jìn)行歸一化，路徑響應(yīng)指數(shù)(DI)i和轉(zhuǎn)角響應(yīng)指數(shù)AIi的計(jì)算公式與基礎(chǔ)空間能力指數(shù)的相似

DIi=(Di-Dmin)/(Dmax-Dmin)

(5)

AIi=(Ai-Amin)/(Amax-Amin)

(6)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 一般描述性統(tǒng)計(jì)分析

經(jīng)過初步整理，本次研究的有效參與者為51人，年齡在18～26歲，專業(yè)涵蓋化學(xué)、醫(yī)學(xué)、珠寶、地理等。其中，男生23人，女生28人；地理學(xué)專業(yè)27人，非地理學(xué)專業(yè)24人，且均有三維地圖使用經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)參與者的空間能力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。參與者在虛擬環(huán)境中的高度認(rèn)知指數(shù)、距離認(rèn)知指數(shù)、路徑響應(yīng)指數(shù)和轉(zhuǎn)角響應(yīng)指數(shù)均優(yōu)于真實(shí)環(huán)境。虛擬環(huán)境中的能力指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差比真實(shí)環(huán)境小，表明空間認(rèn)知表現(xiàn)可能更向平均水平收斂。虛擬環(huán)境的路徑響應(yīng)指數(shù)和轉(zhuǎn)角響應(yīng)指數(shù)較小，表明參與者在虛擬環(huán)境中執(zhí)行尋路任務(wù)時(shí)定向和移動(dòng)更有效。

表2 各空間能力因子描述性統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)過程中，要求參與者先后以自由視角和第一人稱視角完成空間任務(wù)再繪制尋路地圖，結(jié)果得到了有心理旋轉(zhuǎn)和無心理旋轉(zhuǎn)兩種類型的認(rèn)知地圖，如圖5所示。有心理旋轉(zhuǎn)的認(rèn)知地圖，即執(zhí)行空間任務(wù)后繪制的尋路地圖與自由瀏覽后繪制的尋路地圖朝向相同，均采用自由瀏覽時(shí)初始俯視圖的視角朝向，這說明參與者在記憶和認(rèn)知場(chǎng)景時(shí)進(jìn)行了心理旋轉(zhuǎn)和匹配。無心理旋轉(zhuǎn)的認(rèn)知地圖則反之，表現(xiàn)為前后繪制的地圖隨空間任務(wù)的起始視角不同而地圖朝向不同。

圖5 虛擬環(huán)境試驗(yàn)中尋路任務(wù)的起始視角及參與者繪制的尋路地圖Fig.5 The initial view of way-finding task in virtual scene experiment and the mental road-finding map drawn by participants

與文獻(xiàn)[30—31]的研究一致，可按認(rèn)知要素的繪制順序?qū)⑴c者的尋路地圖進(jìn)一步分為自我參考框架、固定參考框架和協(xié)調(diào)參考框架3種類型，如圖6所示。自我參考框架以參與者自身為中心，沿移動(dòng)方向同步繪制或者先繪制路徑再繪制途經(jīng)地標(biāo)，關(guān)注地標(biāo)與路徑的拓?fù)潢P(guān)系。固定參考框架則以地標(biāo)群格局分布建立地圖參照系統(tǒng)，參與者在繪制地圖時(shí)首先繪制足夠的場(chǎng)景地物，再在其中勾繪移動(dòng)路徑。相比之下，協(xié)調(diào)參考框架首先繪制路網(wǎng)作為骨架，然后對(duì)地標(biāo)進(jìn)行整體布局，再依次標(biāo)繪經(jīng)過的路段。

圖6 使用不同空間參考框架的尋路地圖Fig.6 Mental way-finding maps using diffenrent spatial reference frames

2.2 空間認(rèn)知能力在個(gè)體特征上的差異

按個(gè)體特征因子對(duì)空間認(rèn)知指數(shù)進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，除格局認(rèn)知指數(shù)外，其他指數(shù)均不具備正態(tài)分布特征，故主要采用非參數(shù)模型進(jìn)行個(gè)體特征影響空間認(rèn)知表現(xiàn)的差異顯著性計(jì)算。根據(jù)自然裂點(diǎn)法，可將MRT水平指數(shù)分為較高組(≥0.8)、中等(0.8>且≥0.4)、較低組(<0.4)共3組，采用Kruskal Wallis檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停豢蓪RT水平指數(shù)分為較高組(≥0.8)、較低組(<0.8)兩組，采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

分析結(jié)果表明，專業(yè)背景對(duì)場(chǎng)景的格局認(rèn)知、室外路徑響應(yīng)和轉(zhuǎn)角響應(yīng)均具有顯著影響(Sig=0.043,0.017,0.001)，如表3所示。對(duì)比可知，地理相關(guān)專業(yè)參與者的格局認(rèn)知(V=0.458 1)較非地理專業(yè)的高(0.322 0)。在真實(shí)環(huán)境中，地理專業(yè)的參與者能夠以更短的移動(dòng)(V=26.227 7)和更少的轉(zhuǎn)向(V=45.833 3)完成尋路任務(wù)，具有更高效的空間行為響應(yīng)。心象地圖旋轉(zhuǎn)因子對(duì)場(chǎng)景格局認(rèn)知也有一定的影響(Sig=0.094)，無心象地圖旋轉(zhuǎn)的參與者具有較高的格局認(rèn)知指數(shù)(V=0.426 9)，表明對(duì)環(huán)境的記憶更準(zhǔn)確和詳細(xì)。

表3 空間認(rèn)知因子在個(gè)體特征上的差異分析

此外，MRT因子對(duì)虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境的轉(zhuǎn)角響應(yīng)(Sig=0.037,0.074)、空間參考框架因子對(duì)格局認(rèn)知(Sig=0.000)和真實(shí)環(huán)境的高度認(rèn)知(Sig=0.074)也具有統(tǒng)計(jì)意義上的影響。對(duì)MRT水平因子和空間參考框架因子作事后檢驗(yàn)。結(jié)果表明，較高M(jìn)RT組與較低MRT組在真實(shí)環(huán)境中的轉(zhuǎn)角響應(yīng)具有一定差異(Sig=0.078，ΔV=-17.500)，且較高M(jìn)RT組的轉(zhuǎn)角響應(yīng)能力優(yōu)于較低MRT組。在格局認(rèn)知方面，自我參考框架組與協(xié)調(diào)參考框架組(Sig=0.000,ΔV=-0.386 5)、固定參考框架組與協(xié)調(diào)參考框架組(Sig=0.000,ΔV=-0.280 6)之間具有顯著差異，自我參考框架組與固定參考框架組之間有一定差異(Sig=0.056,ΔV=-0.105 7)。格局認(rèn)知水平表現(xiàn)為：協(xié)調(diào)參考框架>固定參考框架>自我參考框架。

2.3 空間認(rèn)知能力在環(huán)境類型上的差異

按環(huán)境類型分析參與者的空間認(rèn)知表現(xiàn)，結(jié)果如表4所示。除轉(zhuǎn)角響應(yīng)外，空間認(rèn)知能力在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中均未有明顯差異。表明虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景建立有效，為使用虛擬場(chǎng)景來代替真實(shí)場(chǎng)景提供了實(shí)證支持。

表4 空間認(rèn)知因子在環(huán)境類型上的差異分析

需注意的是，轉(zhuǎn)角響應(yīng)具有顯著的環(huán)境效應(yīng)(Sig=0.004)。結(jié)合表2可知，虛擬環(huán)境的平均轉(zhuǎn)角響應(yīng)指數(shù)(V=23.862 78)小于真實(shí)環(huán)境(V=30.263 79)，說明在虛擬環(huán)境中可以更有效的識(shí)別正確方向。根據(jù)對(duì)參與者的訪談，推測(cè)原因在于虛擬環(huán)境的試驗(yàn)場(chǎng)景較安靜，試驗(yàn)者能夠?qū)Ｗ⒂趫?zhí)行空間任務(wù)，而真實(shí)環(huán)境中干擾因素較多，如周圍行人、行駛車輛、噪音等，一定程度分散了參與者的注意力，導(dǎo)致決策失誤。

參與者按先虛擬環(huán)境后真實(shí)環(huán)境的順序執(zhí)行尋路任務(wù)，但真實(shí)環(huán)境中的路徑響應(yīng)和轉(zhuǎn)角響應(yīng)均未表現(xiàn)出優(yōu)于虛擬環(huán)境。計(jì)算兩種環(huán)境空間響應(yīng)的能力值相關(guān)系數(shù)(表5)，可知均不具有統(tǒng)計(jì)意義上的相關(guān)性。因此，可認(rèn)為本次試驗(yàn)中參與者從虛擬環(huán)境階段到真實(shí)環(huán)境階段轉(zhuǎn)換的學(xué)習(xí)遷移效應(yīng)較小。原因可能是，一方面不同環(huán)境的尋路任務(wù)出發(fā)點(diǎn)不同，并使用了不同的目的地；另一方面，參與者因?qū)υ囼?yàn)場(chǎng)景陌生而具有一定的空間焦慮[32]，導(dǎo)致不能有效利用在虛擬環(huán)境獲得的空間格局知識(shí)指導(dǎo)在真實(shí)環(huán)境中執(zhí)行尋路任務(wù)。

2.4 環(huán)境類型與個(gè)體特征對(duì)空間認(rèn)知的聯(lián)合效應(yīng)

以環(huán)境類型、專業(yè)、MRT水平為自變量，轉(zhuǎn)角響應(yīng)指數(shù)為因變量，進(jìn)一步分析環(huán)境類型、專業(yè)背景、MRT水平對(duì)尋路任務(wù)轉(zhuǎn)角響應(yīng)的交叉作用。結(jié)果表明：專業(yè)背景主效應(yīng)顯著(Sig=0.014)，MRT水平主效應(yīng)明顯(Sig=0.056)，環(huán)境與專業(yè)類型對(duì)轉(zhuǎn)角響應(yīng)指數(shù)的交互作用明顯(Sig=0.063)。

表5 兩種環(huán)境的空間響應(yīng)因子的相關(guān)性系數(shù)

相比之下，地理專業(yè)組的轉(zhuǎn)角響應(yīng)(V=40.084 6)明顯優(yōu)于非地理專業(yè)組的轉(zhuǎn)角響應(yīng)(V=62.386 6)。地理組的環(huán)境類型主效應(yīng)不顯著(Sig=0.672)，但MRT水平主效應(yīng)顯著(Sig=0.04)；MRT水平與環(huán)境類型之間存在顯著的交互作用(Sig=0.005)。如圖7(a)所示，MRT水平對(duì)轉(zhuǎn)角響應(yīng)的影響受環(huán)境類型的交叉作用：MRT水平中等時(shí)，轉(zhuǎn)角響應(yīng)在虛擬環(huán)境中顯著優(yōu)于真實(shí)環(huán)境(Sig=0.024)；但MRT水平較低時(shí)，轉(zhuǎn)角響應(yīng)在真實(shí)環(huán)境中顯著優(yōu)于虛擬環(huán)境(Sig=0.007)。

對(duì)非地理組而言，環(huán)境類型主效應(yīng)也不顯著(F=0.508，Sig=0.479)，而MRT水平主效應(yīng)顯著(F=3.742，Sig=0.029)，MRT與環(huán)境類型之間也存在明顯的交互作用(F=3.251，Sig=0.046)。MRT水平與環(huán)境類型交互作用的簡(jiǎn)單效應(yīng)檢驗(yàn)如圖7(b)所示：當(dāng)MRT水平為中等時(shí)，在虛擬環(huán)境中的轉(zhuǎn)角響應(yīng)表現(xiàn)優(yōu)于真實(shí)環(huán)境中的轉(zhuǎn)角響應(yīng)表現(xiàn)(Sig=0.001)。

圖7 MRT水平與環(huán)境類型交互作用對(duì)轉(zhuǎn)角響應(yīng)表現(xiàn)的簡(jiǎn)單效應(yīng)檢驗(yàn)Fig.7 Simple effect test on the corner response under the between-subject effect of MRT level and environment type

3 討 論

3.1 環(huán)境類型與個(gè)體特征對(duì)空間認(rèn)知的影響

本文通過實(shí)證分析環(huán)境類型及個(gè)體特征對(duì)人們空間認(rèn)知的影響，將空間認(rèn)知分為格局認(rèn)知、對(duì)象認(rèn)知和行為響應(yīng)3個(gè)維度，探討虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境中個(gè)體特征的影響及其交互作用。為直觀表達(dá)，將分析過程和結(jié)果梳理如圖8所示。

3.1.1 空間格局認(rèn)知

根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，格局認(rèn)知能力在性別、MRT水平、ART水平上無顯著差異，結(jié)合40.58%的案例研究也支持空間能力無性別差異[33]，因此認(rèn)為：對(duì)于參與本次試驗(yàn)的大學(xué)生群組，性別、心理旋轉(zhuǎn)和抽象推理能力不是空間格局認(rèn)知的影響因素。然而，專業(yè)背景、心象地圖旋轉(zhuǎn)和空間參考框架對(duì)空間格局認(rèn)知均有明顯影響。地理專業(yè)背景組、心象地圖不旋轉(zhuǎn)組、協(xié)調(diào)參考框架組相比于非地理專業(yè)組、心象地圖旋轉(zhuǎn)組、自我參考框架組對(duì)場(chǎng)景格局的記憶明顯更詳細(xì)和準(zhǔn)確。這與文獻(xiàn)[34]的研究一致。由于地理知識(shí)和空間參考框架可以借助后天學(xué)習(xí)來強(qiáng)化，因此推論通過相關(guān)訓(xùn)練可提升人們對(duì)陌生環(huán)境的空間格局認(rèn)知能力。本次試驗(yàn)中兩種環(huán)境的空間認(rèn)知能力無顯著性別差異也可由此解釋：參與者的學(xué)歷水平較高，都有使用三維地圖的經(jīng)驗(yàn)，并掌握了桌面式虛擬環(huán)境的應(yīng)用技能，后天學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)抑制了性別差異的影響。

圖8 試驗(yàn)分析框架Fig.8 Experimental analysis framework

此外，從心象地圖還可發(fā)現(xiàn)，圖上標(biāo)注的地物數(shù)量明顯多于道路交叉口數(shù)量，表明人們主要通過地標(biāo)建立與環(huán)境空間的關(guān)聯(lián)。這對(duì)導(dǎo)航服務(wù)具有一定啟示：可以在地圖上盡可能豐富的標(biāo)注地標(biāo)，以幫助人們高效建立地圖空間與尋路空間的映射，有助于減輕用戶的認(rèn)知負(fù)擔(dān)和心理壓力[35]；同時(shí)，提供導(dǎo)航服務(wù)時(shí)需重視關(guān)鍵路口的表達(dá)，可考慮突出表達(dá)重要認(rèn)知元素，輔助人們快速進(jìn)行場(chǎng)景匹配和尋路決策。

3.1.2 對(duì)象認(rèn)知

試驗(yàn)分析表明，個(gè)體特征，包括性別、MRT水平、ART水平和專業(yè)背景，對(duì)對(duì)象認(rèn)知均沒有明顯影響，人們?cè)谔摂M環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中的對(duì)象認(rèn)知也沒有顯著差別。這與影響空間格局認(rèn)知的分析結(jié)果稍有不同?？赡艿脑蚴潜敬卧囼?yàn)建立的虛擬環(huán)境以提供真實(shí)感為目標(biāo)；并且本次研究的參與者雖然沒有到過試驗(yàn)區(qū)域和使用過試驗(yàn)區(qū)域的三維場(chǎng)景，但對(duì)虛擬三維技術(shù)環(huán)境并不陌生。這也間接證明了虛擬三維環(huán)境在一定條件下可以替代現(xiàn)實(shí)環(huán)境的假設(shè)成立，為建設(shè)虛擬地理環(huán)境的有效性提供了實(shí)證支持。

3.1.3 行為響應(yīng)

參與者通過自由瀏覽學(xué)習(xí)空間環(huán)境，然后在試驗(yàn)中“憑感覺”尋找指定的系列地點(diǎn)。結(jié)果表明，不同環(huán)境類型對(duì)路徑響應(yīng)沒有明顯影響，但對(duì)轉(zhuǎn)角響應(yīng)影響顯著。人們?cè)谔摂M環(huán)境中完成尋路任務(wù)的累計(jì)轉(zhuǎn)角明顯小于在真實(shí)環(huán)境中。結(jié)合訪談和分析參與者的眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析，可能因?yàn)樘摂M場(chǎng)景試驗(yàn)是在理想的實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行，周圍環(huán)境干擾較小，執(zhí)行空間任務(wù)時(shí)能夠集中注意力；但在真實(shí)環(huán)境中，環(huán)境噪聲較多，視域范圍更大，并且在尋路過程中除了觀察周圍環(huán)境還需要配合轉(zhuǎn)身、快走等較大幅度動(dòng)作，注意力容易被分散。提取參與者在試驗(yàn)中佩戴眼動(dòng)儀獲取的眼動(dòng)數(shù)據(jù)也佐證了這一論點(diǎn)。參與者在虛擬環(huán)境中注視點(diǎn)數(shù)量較多且總注視時(shí)長更長，表明人們?cè)谔摂M環(huán)境執(zhí)行尋路任務(wù)時(shí)處理了更多的視覺信息[36]。

3.2 試驗(yàn)研究的局限性

本文屬于驗(yàn)證性試驗(yàn)研究，可以為虛擬地理環(huán)境的設(shè)計(jì)與建立，以及基于桌面式虛擬環(huán)境的認(rèn)知心理與行為研究提供實(shí)證支持。需要注意的是，由于技術(shù)條件的限制，也存在著一定的局限性：

(1) 試驗(yàn)結(jié)論的普適性。試驗(yàn)中虛擬環(huán)境雖然允許參與者以第一人稱視角進(jìn)入，但仍屬于呈現(xiàn)在顯示屏幕上的窗口視圖，而非完全浸入式的三維空間。桌面式虛擬環(huán)境的視域范圍明顯小于全景視域，尚缺少證據(jù)表明本次試驗(yàn)結(jié)論也適用于沉浸式VR環(huán)境。因此需要改造虛擬場(chǎng)景模型以適應(yīng)沉浸式虛擬設(shè)備，并組建更多對(duì)照試驗(yàn)場(chǎng)景，如對(duì)稱型、放射型場(chǎng)景等，以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

為降低試驗(yàn)復(fù)雜性、聚焦到環(huán)境的虛擬和真實(shí)二元變量，本文設(shè)計(jì)對(duì)照?qǐng)鼍斑M(jìn)行配對(duì)分析。人們進(jìn)行空間認(rèn)知活動(dòng)的環(huán)境類型很多，大學(xué)校園僅是其中一類包含建筑和植被的社區(qū)尺度活動(dòng)區(qū)域，還可能涉及更復(fù)雜的地理環(huán)境，如建筑密集的商業(yè)和住宅小區(qū)，或者視覺線索稀缺(景致相似甚至沒有明確的道路結(jié)構(gòu)，或需要借助駕駛設(shè)備)的山區(qū)和林區(qū)。后續(xù)研究可以場(chǎng)景配對(duì)的思想為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)精細(xì)分解和控制各類環(huán)境因子的認(rèn)知試驗(yàn)，增加諸如地標(biāo)顯著性、空間尺度、人文與自然景觀屬性等新變量。由于環(huán)境變量較多，試驗(yàn)研究的關(guān)鍵在于選擇合適的真實(shí)場(chǎng)景和構(gòu)建相應(yīng)虛擬環(huán)境，并且擴(kuò)大樣本以滿足多因素分析需要。

(2) 樣本數(shù)據(jù)的不確定性。雖然試驗(yàn)參與者的年齡、文化程度和數(shù)量符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，但分析數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布。究其原因，可能是由于參與者主要為大學(xué)生、隨機(jī)性較低，參與者數(shù)量偏少所致，將試驗(yàn)結(jié)果泛化為一般性結(jié)論尚需要開展更大樣本規(guī)模和更多場(chǎng)景的驗(yàn)證。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)背景下，可考慮設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)密集型試驗(yàn)[6]，從不同尺度和視角進(jìn)行驗(yàn)證。此外，本文屬于被試內(nèi)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，雖然從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異分析和相關(guān)性分析都表明虛擬環(huán)境試驗(yàn)階段未對(duì)真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)階段產(chǎn)生影響，但試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論上仍然存在兩種試驗(yàn)環(huán)境的學(xué)習(xí)遷移效應(yīng)和疲勞效應(yīng)。后續(xù)研究可通過平衡試驗(yàn)順序、增加試驗(yàn)階段時(shí)間間隔等方法進(jìn)行完善[37]，如參與者隨機(jī)選擇先執(zhí)行虛擬環(huán)境任務(wù)或真實(shí)環(huán)境任務(wù)，完成第1階段環(huán)境任務(wù)后間隔72 h再進(jìn)入下一階段。

(3) 深度挖掘視覺認(rèn)知機(jī)理。本次研究參照實(shí)驗(yàn)心理學(xué)方法設(shè)計(jì)空間認(rèn)知試驗(yàn)，并使用眼動(dòng)技術(shù)記錄參與者的行為狀態(tài)和眼動(dòng)信息。受到眼動(dòng)儀硬件的束縛，真實(shí)環(huán)境中因紫外線干擾而無法有效采集注視點(diǎn)和眼動(dòng)軌跡等指標(biāo)，故未能充分利用眼動(dòng)數(shù)據(jù)作深入分析。基于眼動(dòng)跟蹤方法挖掘人們的視覺搜索過程和認(rèn)知機(jī)理為空間認(rèn)知研究提供了一條新的途徑[36]。后續(xù)研究需要充分利用多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深層次解析空間認(rèn)知規(guī)律。這也是空間認(rèn)知研究的核心內(nèi)容。

就虛擬環(huán)境而言，場(chǎng)景內(nèi)容裝載的視域范圍、空間信息表達(dá)的呈現(xiàn)模式、虛擬環(huán)境中的人機(jī)交互方式等均具有靈活性和多樣性，極大提升了人們的空間認(rèn)知能力[1]，同時(shí)也增加了探究其視覺認(rèn)知機(jī)理(進(jìn)而指導(dǎo)虛擬環(huán)境構(gòu)建)的難度[38]?？舍槍?duì)不同認(rèn)知情景(如信息導(dǎo)覽、應(yīng)急疏散、汽車駕駛等)和不同空間任務(wù)(如定位、尋路、視覺搜索等)，引入多種生理監(jiān)測(cè)指標(biāo)(如眼動(dòng)、心跳、腦電波等)設(shè)計(jì)精細(xì)認(rèn)知試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)和可視分析等方法，定量和定性分析個(gè)體在虛擬環(huán)境中進(jìn)行視覺信息獲取、處理和決策的動(dòng)態(tài)過程，深入挖掘人們?cè)谔摂M環(huán)境的空間認(rèn)知規(guī)律。

4 結(jié) 語

本文從虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的共生關(guān)系出發(fā)，設(shè)計(jì)兩種環(huán)境的對(duì)照試驗(yàn)，論證了空間認(rèn)知的個(gè)體差異存在環(huán)境效應(yīng)。研究表明：

(1) 人們的空間對(duì)象認(rèn)知不受環(huán)境類型和個(gè)體特征的影響，一定程度上也證明了使用虛擬地理環(huán)境模擬現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境開展認(rèn)知研究的有效性。

(2) 對(duì)于空間尋路任務(wù)，環(huán)境類型對(duì)路徑響應(yīng)無影響，但對(duì)轉(zhuǎn)角響應(yīng)影響顯著。人們?cè)谔摂M環(huán)境中可以更有效地識(shí)別正確方向；專業(yè)背景主效應(yīng)顯著，地理專業(yè)組的轉(zhuǎn)角響應(yīng)指數(shù)優(yōu)于非地理專業(yè)組的轉(zhuǎn)角響應(yīng)指數(shù)。MRT水平與環(huán)境類型具有顯著的聯(lián)合效應(yīng)，MRT水平中等時(shí)，虛擬環(huán)境的轉(zhuǎn)角響應(yīng)顯著優(yōu)于真實(shí)環(huán)境；MRT水平較低時(shí)，真實(shí)環(huán)境的轉(zhuǎn)角響應(yīng)優(yōu)于虛擬環(huán)境。

(3) 空間格局認(rèn)知受專業(yè)背景、心象地圖定向風(fēng)格和空間參考框架的影響顯著，具有地理知識(shí)背景、心象地圖不旋轉(zhuǎn)、使用協(xié)調(diào)空間參考框架對(duì)場(chǎng)景格局的記憶更詳細(xì)和準(zhǔn)確。本文結(jié)果為基于虛擬環(huán)境進(jìn)行空間對(duì)象認(rèn)知的模擬試驗(yàn)有效性提供了依據(jù)，也可用于指導(dǎo)根據(jù)用戶特征建立個(gè)性化虛擬環(huán)境。

由于技術(shù)限制，研究也存在著局限性。在未來的研究中，可進(jìn)一步將桌面式虛擬環(huán)境擴(kuò)展至視域范圍更大的沉浸式VR環(huán)境，擴(kuò)充試驗(yàn)場(chǎng)景類型，擴(kuò)大樣本范圍和規(guī)模。同時(shí)，可提升技術(shù)方法，如利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備建立沉浸式三維環(huán)境或混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，增加虛擬環(huán)境的多樣性、動(dòng)態(tài)性和交互性設(shè)計(jì)控制試驗(yàn)，并充分利用眼動(dòng)儀等傳感器采集高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深層次探究空間認(rèn)知個(gè)體差異和環(huán)境效應(yīng)的形成過程和機(jī)理。