實(shí)景地圖的空間認(rèn)知研究

柳佳佳，葛 文

（1．信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2．65014部隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

近年來(lái)隨著攝影測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，實(shí)景地圖應(yīng)運(yùn)而生，它是以一種可量測(cè)影像直接反映現(xiàn)實(shí)世界的地圖。目前，實(shí)景地圖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸、公共設(shè)施管理、軍事公安等領(lǐng)域，也有一些學(xué)者從不同角度對(duì)實(shí)景地圖展開研究。李德仁院士在國(guó)內(nèi)首先提出可量測(cè)實(shí)景影像（也叫實(shí)景地圖或全景地圖）的概念，研究了可量測(cè)實(shí)景影像與傳統(tǒng)4D產(chǎn)品的集成模式和基于可量測(cè)實(shí)景影像的空間信息服務(wù)體系，并牽頭制定該產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［1，2］；狄琳探討了實(shí)景地圖的技術(shù)審查方法［3］；胡慶武、王萬(wàn)峰、李大軍等討論了實(shí)景地圖的應(yīng)用問(wèn)題［4－6］。

可以看出，學(xué)者們對(duì)于實(shí)景地圖的應(yīng)用問(wèn)題討論較多，但是實(shí)景地圖作為一種新的地圖產(chǎn)品，人們?nèi)绾卫盟フJ(rèn)知現(xiàn)實(shí)世界也是一個(gè)值得探討的問(wèn)題；另外，學(xué)者們針對(duì)紙質(zhì)地圖、電子地圖、虛擬地理環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)地圖、導(dǎo)航地圖的空間認(rèn)知問(wèn)題均有研究［7－11］，而對(duì)于實(shí)景地圖的空間認(rèn)知問(wèn)題目前還未見(jiàn)到。基于此，本文對(duì)實(shí)景地圖的空間認(rèn)知問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 實(shí)景地圖的概念

實(shí)景地圖也叫可量測(cè)實(shí)景影像（Digital Meas－urable Image DMI 是利用三維全景技術(shù)建立的地圖，它實(shí)際上是一種以地面近景攝影測(cè)量立體影像文件及其外方位元素構(gòu)成的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品，可量測(cè)實(shí)景影像可通過(guò)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（Mobile Mapping System，MMS）采集獲得［1－2］。根據(jù)近景攝影測(cè)量原理，一對(duì)DMI立體像對(duì)記錄了攝影范圍內(nèi)空間對(duì)象的三維立體空間，通過(guò)攝影測(cè)量交會(huì)計(jì)算，可獲取目標(biāo)地物的空間三維坐標(biāo)、物理尺寸。移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以道路巡航的方式高密度采集連續(xù)的可量測(cè)影像，在車輛高速行進(jìn)過(guò)程中，能夠在一定的間隔時(shí)間內(nèi)采集一次覆蓋360°范圍的影像［4］。通過(guò)沿道路進(jìn)行掃描，即可建立海量的DMI立體影像庫(kù)，從而構(gòu)成如圖1所示的實(shí)景三維空間。

圖1 實(shí)景三維空間示意

實(shí)景地圖是現(xiàn)實(shí)空間的真實(shí)寫照，與傳統(tǒng)地圖產(chǎn)品相比，實(shí)景地圖具有獲取快、定位準(zhǔn)、可量測(cè)、影像連續(xù)、信息豐富、直觀易讀、數(shù)據(jù)海量等特點(diǎn)，是新一代的地圖產(chǎn)品。

2 實(shí)景地圖的空間認(rèn)知過(guò)程

實(shí)景地圖是一種以地面近景影像直接反映制圖物體和客觀環(huán)境原貌的地圖，在影像所表達(dá)的世界里，包含著全要素、全紋理的空間特征，其中既包含目標(biāo)地物信息，也包含與之相關(guān)聯(lián)的各種自然和社會(huì)信息。實(shí)景地圖是客觀世界直觀、真實(shí)的寫照，人們進(jìn)行實(shí)景地圖空間認(rèn)知時(shí)基本無(wú)需專業(yè)知識(shí)。

實(shí)景地圖的空間認(rèn)知的過(guò)程遵循地圖空間認(rèn)知的一般過(guò)程，即包括感知過(guò)程、表象過(guò)程、記憶過(guò)程和思維過(guò)程［12］，具體如圖2所示。

實(shí)景地圖的感知過(guò)程總體而言可以概括為“親歷式”，但“親歷”的視角和路線都是受到限制的。實(shí)景地圖以類似于人眼視角的方式構(gòu)建了一個(gè)連續(xù)“播放”影像序列的環(huán)境，觀看實(shí)景地圖時(shí)基本就類似于在道路上移動(dòng)時(shí)的視角體驗(yàn)，所以在實(shí)景地圖中感知到的內(nèi)容也就是拍攝時(shí)某一時(shí)刻的客觀環(huán)境原貌，使人產(chǎn)生真實(shí)的親歷“暢游”體驗(yàn)。但是在感知過(guò)程中，實(shí)景地圖的交互行為受限，因?yàn)槠渎蔚姆较騼H限于沿著道路進(jìn)行，導(dǎo)致實(shí)景地圖感知的地理目標(biāo)或部分特征可能缺失（被遮擋）。

實(shí)景地圖的空間認(rèn)知表象過(guò)程建立的心象地圖主要是視覺(jué)圖像，通過(guò)視覺(jué)編碼存儲(chǔ)腦的記憶中。由于實(shí)景地圖的空間感知類似于親歷真實(shí)客觀環(huán)境，所以其對(duì)空間行為的指導(dǎo)效果較好，尤以尋路效果最佳，特別是在熟悉的環(huán)境下效果更好，但是通過(guò)實(shí)景地圖的空間認(rèn)知能夠指導(dǎo)的空間行為類型有限。

圖2 虛擬地理環(huán)境的空間認(rèn)知過(guò)程

在實(shí)景地圖空間認(rèn)知的記憶過(guò)程中，人們通過(guò)心象地圖一種視覺(jué)編碼形式進(jìn)行記憶保持并積累經(jīng)驗(yàn)，形成對(duì)客觀事物整體的心理映像，當(dāng)以后大腦受到類似的刺激時(shí)，先前的心象地圖可以通過(guò)回憶或再認(rèn)的方式呈現(xiàn)出來(lái)。實(shí)景地圖空間認(rèn)知的思維過(guò)程構(gòu)成地圖空間認(rèn)知的高級(jí)階段，是借助心象地圖這一復(fù)雜中介對(duì)客觀事物的本質(zhì)特性和內(nèi)在規(guī)律的反映，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀事物“從現(xiàn)象到本質(zhì)”的認(rèn)識(shí)，具有顯著的概括性和間接性的特點(diǎn)。

總體而言，實(shí)景地圖的感知過(guò)程比較容易讓人接受，因?yàn)槠浔磉_(dá)的是最符合人類視覺(jué)和記憶習(xí)慣的地面微觀影像數(shù)據(jù)，是完全物理的、客觀的、具體的、肉眼可視的。另外，影像表達(dá)地物還具有唯一性，可以排除符號(hào)系統(tǒng)的誤差，避免造成錯(cuò)誤的認(rèn)知。

3 實(shí)景地圖的空間認(rèn)知效果分析

3．1 空間格局認(rèn)知

3．1．1 位置認(rèn)知

位置認(rèn)知主要解決空間事物“在哪”的問(wèn)題，有兩種認(rèn)知實(shí)現(xiàn)的方式，即絕對(duì)坐標(biāo)和相對(duì)位置的認(rèn)知方式，相對(duì)位置的認(rèn)知方式如某個(gè)地物附近，某兩條道路的交叉口等等。實(shí)景地圖的本質(zhì)是可量測(cè)實(shí)景影像，也就是影像上的每一點(diǎn)都可以測(cè)量、都有坐標(biāo)，所以實(shí)景地圖可通過(guò)坐標(biāo)量算的方式進(jìn)行位置認(rèn)知（見(jiàn)圖3）。但是在日常應(yīng)用過(guò)程中，人們采用絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行位置認(rèn)知的場(chǎng)合并不多，更多的是相對(duì)位置的認(rèn)知。由于受人們的認(rèn)識(shí)事物習(xí)慣，總是喜歡從整體的角度去認(rèn)識(shí)，因此在人們進(jìn)行位置認(rèn)知時(shí)，也總是首先搞清楚在整個(gè)地圖所表達(dá)的客觀環(huán)境中的該位置所處的情況。但是實(shí)景地圖所展現(xiàn)的場(chǎng)景基本是人的某一視角范圍，無(wú)法給人整體的位置感受，所以實(shí)際應(yīng)用中實(shí)景地圖的位置認(rèn)知效果很差，這也是實(shí)景地圖在使用過(guò)程中幾乎都與二維電子地圖相結(jié)合的原因。

圖3 實(shí)景地圖中的幾何量測(cè)

3．1．2 距離認(rèn)知

距離認(rèn)知主要解決將圖上距離轉(zhuǎn)化為實(shí)地距離的問(wèn)題，實(shí)景地圖主要提供三種方式幫助人們進(jìn)行距離認(rèn)知。第一種方式是精確的距離量測(cè)，如圖3所示，是在影像點(diǎn)都具有坐標(biāo)值的基礎(chǔ)上完成的。第二種方式是圖中目標(biāo)距離標(biāo)注，如圖4（a）中的B矩形框所示，圖中標(biāo)注的是中糧大廈距當(dāng)前視點(diǎn)位置1．0 k m。第三種方式以焦點(diǎn)的圖形大小造成距離遠(yuǎn)近的認(rèn)知體驗(yàn)，是一種主觀距離的認(rèn)知方式，有的還直接標(biāo)注焦點(diǎn)離當(dāng)前視點(diǎn)的距離，這時(shí)又加入物理距離因素，如圖4（a）和圖4（b）中的A矩形框所示都屬于這種認(rèn)知方式，其中圖4（a）所示的實(shí)景地圖還直接標(biāo)注距離。

圖4 實(shí)景地圖的輔助認(rèn)知手段

3．1．3 方向認(rèn)知

方向認(rèn)知能夠?qū)崿F(xiàn)方位定向和相對(duì)方位判斷兩種功能。與二維電子地圖“上北下南、左西右東”固定方向模式不同，實(shí)景地圖本身的方向會(huì)隨著人視角的移動(dòng)和變換而改變。實(shí)景地圖的方向認(rèn)知主要依靠導(dǎo)航標(biāo)志完成，與三維電子地圖相似，如果沒(méi)有導(dǎo)航標(biāo)志用戶很容易陷入方向迷失。在實(shí)景地圖中，一般有兩種導(dǎo)航標(biāo)志實(shí)現(xiàn)方式，第一種方式是類似于三維電子地圖的全局導(dǎo)航標(biāo)志，如圖4（b）中的D矩形框所示，全局導(dǎo)航標(biāo)志會(huì)隨著人們觀察的視角旋轉(zhuǎn)，并給出正北方向的提示；第二種是沿著道路在“地面”上或在“道路交叉口”給出方向標(biāo)識(shí)，如圖4（a）和圖4（b）中的C矩形框所示，用戶在觀看實(shí)景地圖過(guò)程中可以根據(jù)此“箭頭”標(biāo)識(shí)同時(shí)結(jié)合其文字標(biāo)注方向說(shuō)明來(lái)定向，但圖4（b）中“箭頭”標(biāo)識(shí)也沒(méi)有文字方向說(shuō)明，這時(shí)還需結(jié)合全局導(dǎo)航標(biāo)志進(jìn)行方向判斷，會(huì)相對(duì)困難。

3．2 空間對(duì)象認(rèn)知

實(shí)景地圖空間對(duì)象的微觀認(rèn)知效果較好，因?yàn)閷?shí)景地圖的影像中包含大量直觀的、隱藏的甚至可挖掘的空間對(duì)象信息。實(shí)景地圖能夠按照人的視角提供詳細(xì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境立面信息，例如建筑物外立面信息、道路及附屬設(shè)施信息、自然景觀信息以及現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)乃至人文信息。例如建筑物表面的廣告牌、路標(biāo)指示牌等都可以幫助人們更好地認(rèn)知空間對(duì)象。此外，實(shí)景地圖還提供一些有效的工具或手段來(lái)輔助空間對(duì)象認(rèn)知，如圖4（a）和圖4（b）中的B矩形框所示直接標(biāo)注了建筑物的名稱、所在位置等信息，圖4（b）中的E矩形框所示還直接鏈接該建筑照片信息。

但是，實(shí)景地圖在認(rèn)知空間對(duì)象時(shí)由于受觀察視角的局限，還存在宏觀上認(rèn)知上的不足，特別是對(duì)線狀目標(biāo)和面狀目標(biāo)的認(rèn)知。因?yàn)榫€狀目標(biāo)和面狀目標(biāo)往往跨越很長(zhǎng)或很廣闊的空間，而實(shí)景地圖的每一視角是以人的視野為度量的，所以無(wú)法觀察到線狀目標(biāo)和面狀目標(biāo)的外形、輪廓等整體情況。實(shí)際應(yīng)用中，往往是由二維電子地圖切入實(shí)景地圖，例如在二維電子地圖中突出顯示出包含有實(shí)景地圖的道路，用戶縱覽道路情況后，可以點(diǎn)擊選擇某條道路切入實(shí)景地圖，觀看實(shí)景地圖結(jié)束后往往會(huì)返回二維電子地圖再重新選擇實(shí)景地圖進(jìn)行微觀認(rèn)知。

3．3 整體認(rèn)知比較

從視角、真實(shí)性、信息量、感知度等方面對(duì)二維電子地圖、虛擬地理環(huán)境和實(shí)景地圖進(jìn)行整體認(rèn)知比較，以更好地理解三者存在的差異，具體如表1所示。

表1 整體認(rèn)知比較

從視角方面來(lái)看，二維電子地圖采用的是鳥瞰視角，所以其地理要素的整體概念認(rèn)知效果好；虛擬地理環(huán)境采用的視角形式多樣，可任意變動(dòng)視角；實(shí)景地圖采用的是人眼視角，視角比較單一。

從真實(shí)性方面來(lái)看，二維電子地圖是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象符號(hào)表達(dá)，其真實(shí)性最低；虛擬地理環(huán)境是“身臨其境感”的逼真模擬，也能達(dá)到很高的真實(shí)性；實(shí)景地圖是以實(shí)景圖片展示的微觀環(huán)境，是完全物理地、客觀地，真實(shí)地。

從信息量方面來(lái)看，二維電子地圖以點(diǎn)、線、面的形式表達(dá)地理要素，存在大量信息損失；虛擬地理環(huán)境主要以面元、體元表達(dá)多維的地理環(huán)境，僅顯示已采集的三維地物，存在不少信息損失，但其提供地理過(guò)程和人類空間行為的模擬，所以總體信息量還是較高；實(shí)景地圖的影像都是真實(shí)的環(huán)境信息，無(wú)信息損失。

從空間感方面來(lái)看，二維電子地圖是平面圖形的表達(dá)，空間感弱；虛擬地理環(huán)境是構(gòu)建在逼真的多維地理空間的基礎(chǔ)上的，所以其空間感自然強(qiáng)；實(shí)景地圖雖然是360°的全景表達(dá)，但其認(rèn)知范圍受限，導(dǎo)致空間感較弱。

從感知度方面來(lái)看，二維電子地圖通常需要借助圖式規(guī)范才能完成地理要素的識(shí)別感知，感知度較低；虛擬地理環(huán)境提供接近自然的多維、多通道感知與交互方式，感知度較高；實(shí)景地圖雖然支持的感覺(jué)類型和交互方式并不豐富，但其表達(dá)的是最符合人類視覺(jué)和記憶習(xí)慣的地面微觀影像數(shù)據(jù)，所以其感知度高。

通過(guò)整體認(rèn)知比較可知，實(shí)景地圖是完全真實(shí)的場(chǎng)景再現(xiàn)，其真實(shí)性是二維電子地圖和虛擬地理環(huán)境無(wú)可比擬的，另外其信息量龐大，感知度極高，雖然其人眼視角造成位置認(rèn)知的局限，但也使其符合人類的視覺(jué)習(xí)慣。虛擬地理環(huán)境是客觀環(huán)境的仿真模擬，與實(shí)景地圖相比其認(rèn)知效果也不差，但虛擬地理環(huán)境是建立在地形和地物模型基礎(chǔ)之上的［13］，數(shù)據(jù)量和計(jì)算量大，系統(tǒng)構(gòu)建成本高，且數(shù)據(jù)更新周期長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

利用實(shí)景地圖能夠?qū)⒄鎸?shí)世界的場(chǎng)景還原在計(jì)算機(jī)構(gòu)建的虛擬世界中以“人眼視角”進(jìn)行顯示，為用戶提供更加真實(shí)、更加準(zhǔn)確、更富細(xì)節(jié)的地圖瀏覽服務(wù)。本文討論了實(shí)景地圖的概念、空間認(rèn)知過(guò)程和空間認(rèn)知效果3個(gè)問(wèn)題，結(jié)論如下：

1）實(shí)景地圖“親歷式”感知的過(guò)程比較容易讓人接受，符合人類視覺(jué)和記憶習(xí)慣，但其認(rèn)知的視角和路線受限；

2）實(shí)景地圖的位置認(rèn)知效果較差，距離認(rèn)知方式多且效果好，方向認(rèn)知依靠導(dǎo)航標(biāo)志完成，空間對(duì)象的認(rèn)知效果好；

3）與二維電子地圖和虛擬地理環(huán)境相比，實(shí)景地圖在真實(shí)性、信息量、感知度方面存在優(yōu)勢(shì)，而在視角和空間感方面劣勢(shì)明顯。

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