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基于空间认知的导航电子地图道路要素的研究

1引言 在信息化时代下,得益于移动通信技术和GIS技术的推广与应用,基于地图的地理信息导航定位服务受到越来越多人群的关注,各式各样的导航电子地图相继出现,并已经渗透到人们生产生活的多个方面,极大地促进了数字地图的普及应用,加快了GIS技术服务大...

作者:段润豪,耀临海来源:2014测绘学会|2014年12月28日

1引言

在信息化时代下,得益于移动通信技术和GIS技术的推广与应用,基于地图的地理信息导航定位服务受到越来越多人群的关注,各式各样的导航电子地图相继出现,并已经渗透到人们生产生活的多个方面,极大地促进了数字地图的普及应用,加快了GIS技术服务大众、融入IT主流服务行业的步伐[1]。目前,导航电子地图作为一种实时的空间认知工具已广泛应用于交通、旅游、灾害应急保障等各个领域[2]

随着导航电子地图的推广,国内外也出现了许多相关导航电子地图的生产厂商,国内具有代表性的有凯立德,高德等。但大部分导航电子产品侧重于具体功能的实现,而对用户在使用过程中存在的认知问题关注较少,例如道路要素的缩放显示,POI的重叠压盖等。这些问题将增加用户的认知负担,影响用户的实施决策,直接影响地图的整体效能。所以增强地图认知功能,提供地图的可用性,满足用户的需求,是当前导航电子地图的研究热点。

2导航电子地图的功能特点

导航电子地图是指建立在计算机软件、硬件技术上和地图学基础上, 借助于多媒体处理技术, 将文本、图形、图像、声音、动画和视频结合, 使多种媒体信息逻辑地联结而集成的一种空间信息可视化产品和工具[3]。主要为用户提供导航定位,距离量算,路径规划、信息查询和空间分析等多种功能服务。

导航电子地图的整体功能一般分为三个部分,即地图显示、地理位置相关的信息查询和空间分析。由于导航电子地图主要应用移动嵌入式环境下,所以其显示、查询和分析等功能将受限于移动便携设备的处理计算能力和存储能力,所以导航电子地图整体上要求的数据量相对较小,地图要素的种类比较简单,显示表达的效率较高,而且便于操作使用。

1)地图显示功能。导航电子地图的组成要素有道路、注记、POI、背景等,地图显示功能主要完成上述要素的显示表达,可以通过不同比例尺的缩放以及漫游的功能,使用户能够对当前所处区域环境有一个整体的认识。导航作为地图的基本目的,所以地图的显示主要以简单而又形象的点、线符号为主,更多侧重于显示的清晰性。

2)地理信息查询功能。信息查询是导航电子地图的基本功能,通过对存储的信息按照用户关键字词的检索,反馈给出一些相关的位置、路线等地理信息,通过查询功能,用户可以轻松获取自己感兴趣的目标点。其中查询效率是最先考虑因素,所以查询方式不易过于繁琐。

3)空间分析功能。导航是导航电子地图的首要任务,那如何才能为用户提供一条最佳路线方案呢?GIS的优点之一就是分析功能,其中最为重要的是要为用户提供类似于路径分析等找路指引, 包括最优路径选择、自动导航提示等, 以及根据已知信息进行与其位置相关的缓冲区分析和统计分析, 如提供用户为中心的周边5km 范围内的酒店或者餐厅信息等, 分析的结果要求能够以醒目的方式给用户以提示, 特别强调满足对用户的实用价值。

3导航电子地图的认知过程及特征

3.1导航电子地图的认知过程

按照王家耀院士和陈毓芬教授的理论,地图认知包括了感知过程、表象过程、记忆过程和思维过程等[4]。根据导航电子地图的功能特点,可以得到导航电子地图地图的一般认知过程,本文以一名游客来郑州二七纪念塔游览为例对整个认知过程进行分析和说明,如图1所示。

图1 导航电子地图认知过程

首先用户在获取导航电子地图后,有了自己的兴趣点郑州市二七纪念塔,以该点为视觉中心的地图区域内地理信息,如具体路线、某事物的详细信息、事物之间的空间位置关系等,就成为了用户关注的焦点。接着用户按照自己的游览二七塔的意愿开始筛选、研究分析有价值的空间信息,例如到达二七塔的公交/步行路线、沿途重要的餐饮食宿以及其他相关信息等,此时在用户思想中便形成了一个初步的心象地图。

然后,用户会根据自己以往的经验和路途中与其他路人的信息交流情况,对上面形成的初步心象地图进行分析和比较,经过大脑的综合分析,如果整体上基本满足自己游览二七纪念塔的一系列要求(路线最优,时间最短,成本最低等),则该心象地图会被进一步加强。然而,如果在某一个或者几个方面尚未达到用户心里的标准,用户会重新查询获取存在疑问的空间信息,直至能够基本解决后,方可生成改进过后的心象地图,从而获取所需要的地理信息。

从导航电子地图的认知过程可以看出地图空间认知过程是一个空间信息加工的过程,即用户对于导航电子地图所提供的各种信息进行内在的认知加工的过程。而在整个认知过程中,道路信息无疑是其中最为重要的组成部分,它根据用户确定的目标点贯穿于地图认知当中,那么作为导航电子地图最基本要素的道路要素除了一般电子地图认知特征之外,有无其他特殊之处呢?

3.2导航电子地图道路要素的认知特征

道路要素作为导航电子地图的最重要组成部分,其图形表达和内容划分的优劣将决定着导航电子地图的可读性,从而影响地图的辅助决策效能,所以通过对导航电子地图道路要素的认知特征进行分析,可以有效地指导地图的设计和制作,将很大程度上提高地图的认知功能和可用性。本文从地图负载量、可视化效果以及地图可用性三个方面进行具体分析[5]

1)地图载负量的空间认知特征 

在嵌入式移动设备环境下,导航电子地图能够承载和传递的空间信息十分有限,为了更好地帮助人们进行空间认知,以用户为中心的服务理念就显得尤为重要。就道路要素本身来讲,由于导航电子地图一般装载在车辆等移动交通载体中,使得地图道路要素的显示表达也将始终围绕着移动载体的相关位置进行显示,用户的关注区域、参考框架以及比例尺大小等将随着载体的移动而发生改变,动态化程度比较高。但是嵌入式显示设备的限制,导航电子地图很难给用户建立起一个从整体到局部细节的清晰感觉,所以用户在进行地图认知的过程,所形成的“心象地图”是有跳跃的。由于导航电子地图载负量相对普通电子地图较小,在道路整体表达上具有不完整性。但是在局部区域内,道路要素信息的表达清晰,内容主题突出,能够详细地反映出用户所处位置的具体情况,给用户较强的视觉感受,便于用户形成区域的方位和轮廓图形,增强认知效果,便于用户进行辅助决策判断。 

2)可视化方法的空间认知特征

由于读图环境和设备的影响,导航电子地图一般以手触摸点击的方式代替了桌面电子地图的鼠标点击,道路引导过程中屏幕将随着载体的移动不断变化,所以其视觉变量的运用受到一些限制。因此,视觉变量的选择和组合变换尤为重要的。在导航电子地图可视化中,道路将在不同层次上进行切换,比例尺不断变换,以道路要素为主的线状目标应以线条粗细、颜色变化和阴影立体感符号显示效果为佳,以达到视觉效果清晰简洁,给人一种直观的感觉,让用户能够很快地建立起整体环境结构。

3)地图可用性分析

地图可用性是影响地图认知的最重要环节,地图的交互是改善认知效果的最佳方式。道路要素的信息表达必须按照用户读图习惯和思维方式进行,将有价值的道路要素信息转化成清晰易懂的图形、文字进行在导航电子地图上进行显示,最大程度上满足以用户为中心的服务理念。导航电子地图中定位定向是一个重点,使用过程中地图实时为用户提供道路位置信息和方向信息,此时道路的行进方向显示应该与实际车辆等运动载体的方向保持一致,而不是一般电子地图正常上北下南左西右东的方向,地图屏幕也将随着运动载体的方向改变而旋转,以提供给用户更好的视觉效果和认知感受。此外,道路要素的信息表达不能只是传统的经纬度坐标,应该转换为用户能够便于理解的门牌号、道路名称等具体地址,使用户对方向方位的认知从抽象的数字化信息转化为表象特征更强的图形图像信息。

4导航电子地图道路要素的设计方法

根据导航电子地图道路要素认知特征以及具体应用特点的方式,本文提出了基于空间认知的导航电子地图道路要素的设计方法,按照类型分为一般道路要素设计和特殊要素的设计。

4.1一般道路要素的设计方法

一般道路要素指的是各级道路交通网中的道路,方向位置特征都比较明显,例如城市快速路、主干道、次干道、支路等。导航电子地图一般对这些道路采取简化的方法进行处理,只保留对导航有主要认知价值的空间地理信息。在保证道路之间的拓扑关系的同时,在道路形状、长度和角度上等几何数据的表达过程中都存在一定程度上的失真,但并不影响导航基本功能的实现。这种以“导航认知”为基础的设计方法,既能够满足嵌入式移动环境下导航电子地图设备的限制,而且能够保证在用户使用导航电子地图的过程中也有良好的认知效果。

常用的简化方法有[6]

1)形状综合:当行路者在一条路段行驶时,只是顺路行走而不需做出决策。此时,道路的准确形状对行路者的意义不大。因此,在形状简化时要过滤多余形状信息,保留有重要认知意义的形状点和转向点。形状简化后的道路更容易区分单个实体,而且也容易清晰标注,如图2,图3所示。

        

    图2 原始道路形状         图3化简后道路图形状

2)路段长度伸缩:为在较小视野范围内最大限度表现路线信息,要对所有路段作不同比例尺伸缩即延长短路段、压缩长路段,使所有路段都清晰可见且易标注。这种简化地图通常不注重路段的准确长度而只关注路段间的长度相对关系。简化原则是路段之间的相对长短关系在简化前后不发生改变,而且尽可能保持原路线的大致形状。

3)角度简化:为获得清晰、规则地图,可以将道路简化成水平、竖直或45°、斜线等8个方向。也就是说将所有的路段方向规划成从0°开始,15°为间隔的16个角度之一。方向的这种改变可以提高转向点处清晰度并且可以为注记的配置提供空间。这种角度失真不会使人产生认知错误,因为在道路转向时需要的是转向的方向(左或右而非准确的转向角度。

道路要素可视化表达的视觉变量以线条粗细和颜色变化为主,通过视觉变量的控制进行要素的内容表达。

1)道路线宽作为视觉变量

道路线条越粗,其道路等级越高,相反线条较细,则道路等级相对较低。导航电子地图可以根据不同的道路等级对相应道路进行具体的规范和设计。图中西三环路明显其道路等级要高于电厂路,通过道路宽窄一目了然,大大增加了导航电子地图的可读性和认知效果,如图4所示。

 

图4 以道路线宽为视觉变量

2)道路颜色作为视觉变量

道路颜色越深,其通行能力越强,属于热门道路更易拥堵,相反颜色较浅,其通行能力相对较弱,但却便于车辆绕行。通过颜色深浅变化有助于用户进行自主道路规划设计,选择更合适的同行道路方案,最大程度上满足用户的需求。图中科学大道虽然通行能力较瑞达路强了很多,但如果处于上下班高峰期,车辆拥堵带来的不便也将大大影响用户的通行,此时可绕行至车流量较低的路段通行,提高了出行的效率,如图5所示。

 

图5 以道路颜色为视觉变量

此外道路要素位置信息的表达应以用户熟悉的门牌号码、街道名称等为主,尽量减少以经纬度坐标的直接数字表达形式,使道路信息更加清晰易懂。

4.2特殊道路要素的设计方法

特殊道路要素主要包括交叉口,立交桥,快速路匝道,转盘式道路等,其形状方向特征不够明显,普通电子地图主要以特殊符号或者直接压盖的形式进行表达。而导航电子地图为了增加地图的认知感受,通常采用2.5维或者三维技术,通过立体图片的形式进行特殊道路的显示和表达,方法是将事先做好的2.5维或三维模型转换成AI格式并导入至地图中,利用Illustrator等软件进行颜色配置和美化,并设计符号,如图6,图7所示。

     

图6 立交桥2.5维显示                           图7 交叉口2.5维显示

当运动载体即将到达交叉口或立交桥,导航电子地图界面中自动弹出小屏幕显示当前的行驶状态和道路空间信息,使用户更好地感受当前的环境情况。当车辆继续行驶,通过交叉口或立交桥后,地图将返回原先的二维平面,继续之前的地图路径导航过程,这种设计方法很好地表达了道路要素的延续性,大大地增加了导航电子地图的整体感。

5结束语

导航电子地图的空间认知是地图效能的重要影响因素,而道路要素又是导航电子地图可视化表达的关键环节,本文根据导航电子地图的空间认知过程和道路要素特征分析,提出了基于空间认知的导航电子地图道路要素设计方法,验证了道路要素设计方法的合理性,表明通过空间认知的表达,导航电子地图的可视化效果和可用性将大大地提高,从而进一步增强用户使用导航电子地图的决策判断能力,以满足用户的需求。但目前导航电子地图的表达基本上还是处于二维显示模型阶段,只是借助了少量2.5维或3维模型,如何有效地采用三维表达模型,增强现实技术的表达方法,还需要进一步的研究和实验。

参考文献

[1] 王涛等.移动空间信息服务系统的研究与实现[J].测绘工程,2005,14( 2) :1.

[2] 杜清运,邬国锋,蔡忠亮.多媒体电子地图集中超媒体结构的语言学机制[J].武汉测绘科技大学学报,2000,25(1) :18-24.

[3] 祝茂良,李海祥,窦超.浅谈导航电子地图信息设计与图形编绘[J].2010,7:46-48.

[4] 王家耀,陈毓芬.理论地图学[M].北京:解放军出版社,2000.

[5] 王慧谟.移动地图及其空间认知特征分析[ J] .测绘科学,2006,26( 4) : 25-28.

[6] 宁永香,刘召芹,谢彩香.基于空间认知理论的移动导航电子地图设计[ J] .测绘工程,200716( 2) : 43-46.

 

Research of road feature in navigation digital map based on space cognitive theory

Duan Run-haoYao Lin-hai

Xian Information Technique Institute of Surveying and Mapping, Shaanxi, Xian, 710054

Abstract Navigation electronic map is a new kind of electronic map mode, whose application is more and more widely. The current designs of navigation electronic maps mainly focus on the function of navigation. The cognitive function and usability analysis of map have few attentions. This article analyzes the spatial cognition of navigation electronic maps, proposing the method of road elements design in navigation electronic map, which adapts to the development of navigation electronic maps.

Key words navigation digital mapspace cognitive theoryroad featureusability.

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