基于活動(dòng)理論的位置地圖情境框架設(shè)計(jì)

齊曉飛，張　蘭，楊　巍

1. 西安測(cè)繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710054；3.中國(guó)天繪衛(wèi)星中心，北京，100000；4.第四測(cè)繪導(dǎo)航基地，四川 成都，610000

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基于活動(dòng)理論的位置地圖情境框架設(shè)計(jì)

齊曉飛1,2，張?zhí)m3，楊巍4

1. 西安測(cè)繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710054；3.中國(guó)天繪衛(wèi)星中心，北京，100000；4.第四測(cè)繪導(dǎo)航基地，四川 成都，610000

針對(duì)目前導(dǎo)航地圖存在智能化程度不高、導(dǎo)航效率偏低以及服務(wù)結(jié)果不理想等問題，本文引進(jìn)情境理論解決當(dāng)前位置服務(wù)發(fā)展中所遇到的瓶頸。首先，提出位置地圖情境的概念，框定位置地圖情境的研究?jī)?nèi)容及范圍；其次，探討活動(dòng)與情境的關(guān)系，指出活動(dòng)在位置地圖情境建模、推理中的特殊地位；最后，基于活動(dòng)理論，建立位置地圖情境的概念框架、邏輯框架和應(yīng)用框架，為后續(xù)進(jìn)一步構(gòu)建位置地圖情境模型及應(yīng)用作參考。

位置服務(wù)；位置地圖；情境；活動(dòng)；框架設(shè)計(jì)

1　引　言

2014年，位置服務(wù)(Location Based Services，LBS)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)被列為科技部“羲和”重大專項(xiàng)及國(guó)家發(fā)改委衛(wèi)星導(dǎo)航中長(zhǎng)期規(guī)劃的核心內(nèi)容，以位置為基礎(chǔ)的地圖服務(wù)迎來了重要發(fā)展戰(zhàn)略機(jī)遇。然而，包括Google、Microsoft、Nokia、ESRI、百度和高德等國(guó)內(nèi)外地圖商家卻都難以實(shí)現(xiàn)“4A”(Anytime, Anywhere, Anybody and Anything)要求。為此，周成虎提出位置地圖的概念，把它稱為一種以“感興趣的位置”為中心的地圖，將地圖的服務(wù)模式由用戶主動(dòng)判斷、獲取需求信息轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢玫貓D根據(jù)實(shí)際情形實(shí)時(shí)、實(shí)地推送；由顯示一般性查詢信息轉(zhuǎn)變?yōu)轱@示不同信息背后的深層次關(guān)系，使得位置地圖不僅僅是一種導(dǎo)航地圖，更像一種融合了多種知識(shí)在內(nèi)的智能地圖[1]。

因此，以模板為核心的傳統(tǒng)地圖制圖理論不再能滿足需求。情境作為一種聯(lián)系客觀世界中形形色色信息的有效方式，被位置服務(wù)引入，它能夠?qū)⒌貓D學(xué)原有內(nèi)容與位置地圖的拓展要素融合在一起，使得位置地圖的研究對(duì)象不再是單一的影響因素，而是由這些因素構(gòu)成的情境模型。Guoray Cai等對(duì)比分析了基于模版的情境建模與基于行為的情境建模，指出基于模版的建模有許多缺陷[2]。A Schmidt從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度，提出了五條關(guān)于情境感知系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)的啟示[3]。李偉以用戶為中心，研究了用戶獲取知識(shí)的多維情境，并建立其概念模型和服務(wù)流程模型[4]。但情境作為位置服務(wù)的新理論，如何理解其概念內(nèi)涵、位置地圖情境究竟涉及哪些環(huán)節(jié)、它們之間又如何聯(lián)系還鮮少有人做深入分析。本文將針對(duì)以上幾個(gè)問題對(duì)位置地圖情境的設(shè)計(jì)框架進(jìn)行研究。

2　位置地圖情境的特點(diǎn)

2.1位置地圖情境

情境的定義方式分為列舉法[5]和分類法[6]兩種，特別是隨著情境在心理學(xué)、人類學(xué)等領(lǐng)域的拓展，不同學(xué)科對(duì)情境的理解出現(xiàn)很大分歧[7]，但絕大多數(shù)學(xué)者普遍認(rèn)可以下幾個(gè)觀點(diǎn)：

(1)只有與另一個(gè)實(shí)體相關(guān)聯(lián)，情境才存在，如任務(wù)、代理或交互等；

(2)情境是一系列與某一實(shí)體相關(guān)的項(xiàng)目組合，其中包括概念、規(guī)則以及命題等；

(3)只有當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目有助于解決當(dāng)前的問題時(shí)，才將該項(xiàng)目看作一個(gè)情境。

根據(jù)Anind K.Dey給出的經(jīng)典情境定義[8]，可以將位置地圖情境理解為與位置地圖相關(guān)的人、地點(diǎn)或物體情形的任何信息，但這種描述過于模糊，情境信息不具體，使得難以進(jìn)行實(shí)際的信息取舍。為此，本文從大多數(shù)學(xué)者普遍認(rèn)可的三個(gè)觀點(diǎn)入手，分析位置地圖情境的內(nèi)涵和主要特征：觀點(diǎn)一對(duì)于位置地圖情境來講，人在位置地圖的關(guān)系分為制作者和使用者兩種，位置地圖情境也可以分為制作情境與應(yīng)用情境兩類；觀點(diǎn)二指出“情境是一系列與某一實(shí)體相關(guān)的項(xiàng)目的組合”，觀點(diǎn)一將實(shí)體分為兩種，因此與實(shí)體相關(guān)的項(xiàng)目也可以分為兩類，一類與制作有關(guān)包括界面風(fēng)格、界面布局、地圖設(shè)色、符號(hào)類型和模板設(shè)計(jì)等，另一類與應(yīng)用有關(guān)包括導(dǎo)航、定位、查詢、識(shí)別和事件檢查等行為；觀點(diǎn)三則意指在位置地圖情境應(yīng)用中，與項(xiàng)目導(dǎo)航、定位相關(guān)的因素很多，包括位置、時(shí)間、環(huán)境(溫度、濕度和亮度等)、用戶和活動(dòng)等，只有當(dāng)某因素對(duì)當(dāng)前的導(dǎo)航、定位產(chǎn)生影響時(shí)，才將其稱之為導(dǎo)航情境或定位情境，制作情境也是同理。

因此，本文將位置地圖情境定義如下：位置地圖情境是指與位置地圖的制作和應(yīng)用相關(guān)的、對(duì)位置地圖表達(dá)與服務(wù)有直接(或間接)影響的人、位置和環(huán)境等信息的集合。其中，與位置地圖情境相關(guān)的位置、時(shí)間、天氣、交通、興趣點(diǎn)、用戶、環(huán)境和事件等因素被稱為情境信息。

2.2活動(dòng)與位置地圖情境

在位置服務(wù)領(lǐng)域，位置地圖最大的特點(diǎn)就是要隨時(shí)隨地滿足用戶個(gè)性化位置需求。其中，用戶的個(gè)性化包括兩方面：用戶自身的個(gè)性化(指用戶特征)和用戶行為的個(gè)性化(即用戶活動(dòng))。孟麗秋在探討移動(dòng)地理服務(wù)中的概念框架時(shí)，指出了建立一種能夠同時(shí)描述活動(dòng)和情境信息模型的重要性[9]。所以，活動(dòng)在位置地圖、乃至位置服務(wù)領(lǐng)域占有不可或缺的地位，理清活動(dòng)與情境的關(guān)系，對(duì)于建立位置地圖情境框架至關(guān)重要。關(guān)于活動(dòng)與情境，從情境概念來看，活動(dòng)是情境的一部分，兩者是一種包含關(guān)系。但活動(dòng)同樣作為人類對(duì)客觀世界的抽象方式，研究客觀世界對(duì)其的影響和作用，焦點(diǎn)在于人類活動(dòng)；而情境則以客觀世界為主體，研究人在所處條件下的境況與可能反應(yīng)，焦點(diǎn)在于客觀世界。因此，從活動(dòng)和情境本源出發(fā)，兩者是一種并列關(guān)系，Tumasch Reichenbacher通過活動(dòng)理論和情境建模將地理實(shí)體描述為常識(shí)知識(shí)(如圖1所示)，并把與之相關(guān)的用戶情境和實(shí)體活動(dòng)列為解決地理關(guān)系問題的途徑[10]。

兩種描述是否矛盾呢？其實(shí)不然，活動(dòng)理論認(rèn)為活動(dòng)是由主體(subject)、客體(object)、工具(tools)、規(guī)則(rules)、團(tuán)體(community)和分工(division labour)六要素組成。Huang H通過拓展活動(dòng)理論，建立了活動(dòng)要素與情境信息之間的映射關(guān)系[11]。所以，情境與活動(dòng)所描述的對(duì)象是一致的，它們之間既可以理解為包含與被包含的關(guān)系，也可以理解為并列關(guān)系，它們屬于是對(duì)同一對(duì)象的兩種不同描述方式，如圖2所示。

圖1　地理相關(guān)的概念模型[10]

圖2　活動(dòng)與情境的關(guān)系

可以看出，位置地圖中的情境和活動(dòng)是不可分割的，情境信息可以通過活動(dòng)聯(lián)系起來：一方面，活動(dòng)可以作為情境信息的主導(dǎo)和牽引，通過它將眾多情境信息聚合起來；另一方面，它也將情境模型具體化、實(shí)例化，在目前普適情境模型還難以建立和應(yīng)用的情況下，具有較大的實(shí)際意義。

3　基于活動(dòng)的位置地圖情境框架設(shè)計(jì)

位置地圖情境框架設(shè)計(jì)是指將位置地圖情境的結(jié)構(gòu)、層次與應(yīng)用方式等抽象出來，是進(jìn)一步情境模型構(gòu)建與自適應(yīng)推理服務(wù)技術(shù)的基礎(chǔ)。一般說來，框架設(shè)計(jì)包括概念框架設(shè)計(jì)、邏輯框架設(shè)計(jì)和應(yīng)用框架設(shè)計(jì)三類。

3.1概念框架

概念框架是指信息到達(dá)時(shí)，用戶對(duì)其解讀的方法或者思路。它受人類大腦的基本構(gòu)造影響，直接制約和控制著人類對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的理解程度。普適計(jì)算早期，對(duì)情境的解讀主要包括兩個(gè)部分：情境信息的獲取與情境推理。其中，情境信息的獲取主要完成情境信息的預(yù)處理，而情境推理則是依據(jù)處理過的情境信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的篩選和排序。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感器的迅速發(fā)展，越來越多的因素被獲取并增加到情境信息中，使得情境模型日漸龐雜，如何從眾多情境信息中挖掘潛在的用戶需求變得異常困難，情境推理變得更為復(fù)雜。因此，情境建模作為連接情境信息獲取與情境推理之間的橋梁應(yīng)運(yùn)而生，它通過模型構(gòu)建，使得情境推理變得有章可循，人們對(duì)情境的解讀增加到三個(gè)部分：情境信息提取、情境建模和情境推理。

位置地圖情境是普適計(jì)算情境的一個(gè)特殊應(yīng)用事例，它繼承了普適計(jì)算情境的概念框架。同時(shí)，由于情境的承載載體和表達(dá)方式都發(fā)生了變化，因此位置地圖的情境框架也比普適計(jì)算情境增加了更多元素。它要求情境推理的結(jié)果在位置地圖中展示出來，即情境推理的結(jié)果以圖形化的方式描述出來。因此，位置地圖情境概念框架由四個(gè)部分組成：情境信息獲取、情境建模、情境推理和情境表達(dá)，詳細(xì)描述如圖3所示。

圖3　位置地圖情境概念框架

(1)情境信息獲取是數(shù)據(jù)處理層，它是整個(gè)情境模型的數(shù)據(jù)來源，主要完成底層情境信息的轉(zhuǎn)換和形式化描述，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源、不同獲取途徑的情境信息統(tǒng)一和共享。

(2)情境建模是不同情境信息之間的關(guān)系描述層，它是情境推理的前提和依據(jù)，主要完成不同情境信息之間的關(guān)系模型構(gòu)建。

(3)情境推理是位置地圖情境的核心，主要根據(jù)前面建立的情境模型和已經(jīng)提取的情境信息，根據(jù)推理的算法、規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)?zāi)酥脸ＷR(shí)挖掘當(dāng)前情境的深層次需求。

(4)情境表達(dá)是位置地圖情境推理結(jié)果的最終呈現(xiàn)形式，它直接影響用戶對(duì)情境服務(wù)結(jié)果的滿意程度，主要完成情境推理結(jié)果與位置地圖表達(dá)模板的映射關(guān)系。

位置地圖情境概念框架屬于心理模型的一部分，若想建立情境的數(shù)據(jù)模型，還需要進(jìn)行位置地圖情境的邏輯框架設(shè)計(jì)。

3.2邏輯框架

邏輯框架是從待解決的核心問題入手，向上逐級(jí)展開，得到其影響及結(jié)果，然后向下逐級(jí)推演獲取問題的根源。在位置地圖情境中，概念框架是待解決的核心問題，位置地圖情境的邏輯框架是圍繞概念框架提出的幾個(gè)方面，發(fā)掘其來源依據(jù)及歸屬去向。由于情境信息獲取受傳感器等接收設(shè)備的影響，這里主要研究后三個(gè)階段的邏輯框架。

3.2.1情境建模階段

情境建模階段主要完成的是對(duì)眾多情境信息之間相互關(guān)系的描述。在基于活動(dòng)的情境邏輯框架設(shè)計(jì)中，活動(dòng)不僅是情境模型的重要參與者，也是不同情境信息之間的連接橋梁。因此，位置地圖情境建?？梢砸罁?jù)活動(dòng)與其它情境信息的相互作用構(gòu)建關(guān)系模型。如圖4所示，位置地圖情境建模分為三部分：活動(dòng)建模、關(guān)系建模和情境信息建模。

①活動(dòng)建模描述用戶的位置地圖使用活動(dòng)。按照活動(dòng)的三種細(xì)節(jié)層次，再分為活動(dòng)建模、行為建模和操作建模，每一類型建模代表了情境的不同粒度。另外，活動(dòng)建模還需要描述不同細(xì)節(jié)層次活動(dòng)之間的關(guān)系，包括活動(dòng)與行為、行為與行為和行為與操作，從活動(dòng)的不同維度描述活動(dòng)模型。

②關(guān)系建模描述的是活動(dòng)與其它情境信息之間的關(guān)系。按照活動(dòng)的不同細(xì)節(jié)層次，分為活動(dòng)與情境信息的關(guān)系建模、行為與情境信息的關(guān)系建模和操作與情境信息的關(guān)系建模。

③情境信息建模描述的是與位置地圖情境相關(guān)的情境信息(除活動(dòng)信息以外)自身的邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)系。包括位置、時(shí)間、天氣、交通和興趣點(diǎn)等等建模。

3.2.2情境推理階段

情境推理階段主要完成情境推理算法的實(shí)現(xiàn)。在情境建模階段，基于活動(dòng)的位置地圖情境建模分為三部分，顧及到情境信息的實(shí)時(shí)提取和情境模型的匹配，情境推理算法按照流程也可分為三級(jí)：活動(dòng)匹配、情境信息提取和綜合推理，如圖4所示。

①活動(dòng)匹配是情境推理的第一階段，它主要通過實(shí)時(shí)獲取的情境信息與用戶活動(dòng)的匹配判斷，獲取當(dāng)前的用戶活動(dòng)狀態(tài)。按照活動(dòng)的層次與匹配順序，活動(dòng)匹配包括活動(dòng)匹配、行為匹配和操作匹配。

②情境信息提取是情境推理的中間階段，主要通過情境模型中的關(guān)系模型和匹配成功的活動(dòng)，獲取與當(dāng)前活動(dòng)相關(guān)的情境信息，為下一步綜合推理提供數(shù)據(jù)。它包括提取與活動(dòng)相關(guān)的情境信息、提取與行為相關(guān)的情境信息和提取與操作相關(guān)的情境信息。

③綜合推理是情境推理的核心，它主要依據(jù)當(dāng)前的活動(dòng)狀態(tài)和與之相關(guān)的情境信息，根據(jù)算法、經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)等挖掘用戶的潛在需求。包括活動(dòng)推理、行為推理和操作推理三類。

3.2.3情境表達(dá)階段

情境表達(dá)階段主要將前面推理出的結(jié)果與位置地圖表達(dá)的方式方法聯(lián)系起來?？紤]到位置地圖表達(dá)以“底圖+疊加要素”的方式實(shí)現(xiàn)位置地圖服務(wù)，同時(shí)顧及不同情境之間的切換，位置地圖情境表達(dá)可以分為底圖要素表達(dá)、疊加要素表達(dá)和情境切換表達(dá)三大類，如圖4所示。

①底圖要素表達(dá)主要通過分析單一情境信息與底圖要素表達(dá)模板的觸發(fā)關(guān)系，解析相應(yīng)的情境推理結(jié)果，并選擇適宜的底圖要素表達(dá)模板。

②疊加要素表達(dá)主要根據(jù)分析不同疊加類型[12]與疊加要素表達(dá)模板的觸發(fā)關(guān)系，解析包括疊加興趣點(diǎn)、疊加時(shí)間距離、疊加語(yǔ)義位置、疊加事件和疊加特殊場(chǎng)景五種疊加類型，并選擇適宜的疊加要素表達(dá)模板。

③情境切換表達(dá)主要依據(jù)不同切換情境的特點(diǎn)，建立不同切換情境與切換方法、切換條件的關(guān)系，進(jìn)而選擇適宜的位置地圖情境切換表達(dá)模板[13]。

圖4　位置地圖情境邏輯框架

3.3應(yīng)用框架

上文已經(jīng)把情境在位置地圖中的應(yīng)用分為情境信息獲取、情境建模、情境推理和情境表達(dá)四個(gè)環(huán)節(jié)，并描述了每一環(huán)節(jié)的邏輯結(jié)構(gòu)。下面則介紹這幾個(gè)環(huán)節(jié)在位置地圖情境中的應(yīng)用流程，如圖5所示。

圖5　位置地圖情境應(yīng)用框架

從上圖可以看出，情境模型是在情境推理之前完成的，存儲(chǔ)在情境模型庫(kù)里面的事先情境。情境推理是實(shí)時(shí)完成的，需要用到實(shí)時(shí)獲取的情境信息及與之相關(guān)的情境模型。其中，活動(dòng)匹配與情境模型中的活動(dòng)模型有關(guān)，情境信息提取與情境模型中的關(guān)系模型和情境信息模型有關(guān)，而綜合推理則是聯(lián)合利用前面匹配的活動(dòng)及提取的與之相關(guān)情境信息，再根據(jù)綜合推理算法進(jìn)一步分析。在情境表達(dá)中，疊加情境表達(dá)和切換情境表達(dá)與綜合推理有關(guān)，而底圖情境表達(dá)與情境信息模型的關(guān)聯(lián)度更高。

下面以用戶道路導(dǎo)航中的特殊場(chǎng)景提醒為例，描述位置地圖情境模型的應(yīng)用，如圖6所示。首先，情境建模將情境信息與情境之間的關(guān)系描述出來，并存儲(chǔ)到情境模型庫(kù)中；其次，通過情境推理中的活動(dòng)匹配判斷當(dāng)前活動(dòng)(機(jī)場(chǎng)登機(jī)，導(dǎo)航，疊加特殊場(chǎng)景)；然后，情境信息提取與用戶活動(dòng)相關(guān)的實(shí)時(shí)位置信息、用戶行駛速度信息、時(shí)間信息(包括當(dāng)前信息與截止信息)等；再次，綜合推理算法推算出距用戶當(dāng)前的位置50m外是一處立交橋；最后，情境表達(dá)將情境推理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為立交橋圖片，疊加在導(dǎo)航地圖上推薦給用戶。

(a)情境應(yīng)用前 (b)情境應(yīng)用后圖6　位置地圖情境應(yīng)用框架

4　結(jié)束語(yǔ)

情境并不是一個(gè)新概念，它在心理學(xué)、人類學(xué)領(lǐng)域早有應(yīng)用，但在地圖制圖領(lǐng)域，盡管也有學(xué)者研討過其在移動(dòng)位置服務(wù)中的重要地位，但往往深度不夠，基本沒有提出確切的解決思路。為此，本文從位置服務(wù)對(duì)導(dǎo)航地圖的新要求入手，通過引進(jìn)位置地圖的概念，將情境與智能地圖服務(wù)聯(lián)系在一起，重點(diǎn)分析活動(dòng)與位置地圖情境的關(guān)系，指出活動(dòng)在其中的重要地位，提出建立的概念模型、邏輯模型與應(yīng)用模型，將為后續(xù)進(jìn)一步詳細(xì)刻畫位置地圖情境并應(yīng)用于位置服務(wù)提供參考。應(yīng)該講，隨著以后物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，一切與位置服務(wù)相關(guān)聯(lián)的情境信息都可能被獲取，更多的情境信息可以作為位置地圖情境的推理判斷依據(jù)，位置服務(wù)的結(jié)果勢(shì)必更加及時(shí)、準(zhǔn)確。從這個(gè)角度上說，情境在位置服務(wù)上的應(yīng)用前景非?？捎^，需要更多的感興趣人員從事這方面研究。

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Frame Design of Location Map Context Based on Activity Theory

Qi Xiaofei1,2，Zhang Lan3, Yang Wei4

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping，Xi’an 710054，China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China 3. Tianhui Satellite Center of China, Beijing 100000, China 4. The Fourth Surveying, Mapping & Navigation Base, Chengdu 610000, China

In order to solve the problems of present navigation maps, such as low intelligence degree, poor navigation efficiency and unsatisfactory service result, the context theory is introduced to overcome the development bottleneck of location based services (LBS). Firstly, the concept of location map context is presented, and the research content and scope are defined. Secondly, relations between activity and context are discussed, and the special role of location map in context modeling and reasoning is pointed. Finally, the concept, logic, application frames of location map context are set up based on activity theory, which will provide reference for the follow-up model and application construction in location map context.

location based services; location map; context; activity; frame design

2016-01-04。

齊曉飛(1985—)，男，助理研究員，主要從事數(shù)字地圖制圖與空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的研究。

P283

A