地球球觀認(rèn)知分析：以谷歌地球上的尋路任務(wù)為例

應(yīng) 申，張?chǎng)┎?，蘇俊如，黃麗娜

1. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 自然資源部城市國(guó)土資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518034

認(rèn)知是人腦在進(jìn)行知識(shí)應(yīng)用或信息加工的基本心理過(guò)程，包括感覺(jué)、知覺(jué)、記憶、思維、想象和語(yǔ)言等步驟[1]。空間認(rèn)知是指在地理環(huán)境中獲取、表達(dá)、使用空間信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和決策的過(guò)程[2]，研究對(duì)象包含地理空間參照、空間知識(shí)表達(dá)以及人類與空間相關(guān)的行為，如地圖閱讀、目的地路徑尋找、場(chǎng)景認(rèn)知與記憶等，可用于指導(dǎo)地圖設(shè)計(jì)、完善地圖導(dǎo)航的使用感受，以及幫助地理教學(xué)和相關(guān)職業(yè)訓(xùn)練。空間一詞不僅包含室內(nèi)空間或抽象的歐式空間，而是涵蓋一切人類參與活動(dòng)的空間[3]。心理學(xué)上按照知覺(jué)方式不同將空間劃分為身邊、街景、環(huán)境和地理空間四種尺度[4]，對(duì)宏觀的地球可進(jìn)行空間感知和認(rèn)知，監(jiān)測(cè)時(shí)空位置，提升用戶現(xiàn)場(chǎng)感知[7-8]。其中，從范圍來(lái)看，地理空間范圍最大，不能通過(guò)具身感知的方式，必須通過(guò)符號(hào)化表達(dá)的方式(如地圖、三維場(chǎng)景等)，將地理空間縮減成可以體驗(yàn)或感知的表達(dá)進(jìn)行感知[5-6]。早在1995年美國(guó)國(guó)家地理信息與分析中心就將地理空間認(rèn)知模型研究視作地理信息科學(xué)的三大戰(zhàn)略領(lǐng)域之一。在地理空間中的認(rèn)知推理過(guò)程可表現(xiàn)為定性和定量?jī)煞N模式：定性推理是根據(jù)地理實(shí)體之間的空間關(guān)系進(jìn)行相對(duì)定位，涉及方向和距離因素[5-6]；定量推理則以幾何坐標(biāo)的方法進(jìn)行絕對(duì)定位[9]，被試者會(huì)在定位過(guò)程中建立坐標(biāo)空間實(shí)現(xiàn)參考。

眼動(dòng)試驗(yàn)可以作為一種直觀地提取球觀思維和決策過(guò)程的方法，最初被用于指導(dǎo)傳統(tǒng)地圖設(shè)計(jì)、提高視覺(jué)設(shè)計(jì)效果。隨著眼動(dòng)試驗(yàn)與地圖學(xué)更加緊密的結(jié)合，利用視線移動(dòng)的軌跡可以提取尋找目的地時(shí)的路線和方法(包含著興趣區(qū)、影響元素以及搜索策略信息)。通過(guò)記錄被試者在觀看圖形或閱讀文字過(guò)程中眼睛觀看的位置和眼球運(yùn)動(dòng)的形式，發(fā)現(xiàn)其注意力和興趣所在，并進(jìn)一步分析讀圖時(shí)的思維過(guò)程[10]。利用眼動(dòng)試驗(yàn)的參數(shù)(包括注視、眼跳和追隨運(yùn)動(dòng)等)，可以記錄被試者在閱讀地圖時(shí)的視線軌跡、感興趣區(qū)域等，常用于分析視覺(jué)認(rèn)知規(guī)律及大腦思維過(guò)程，為地圖認(rèn)知研究提供了新思路[11-14]，并指導(dǎo)二維地圖的設(shè)計(jì)[15-16]。通過(guò)眼動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試二維地圖與三維場(chǎng)景可視化的認(rèn)知差異，發(fā)現(xiàn)被試者在二維地圖下可以更快、更有效地理解和認(rèn)識(shí)地圖[17]。三維環(huán)境下被試者會(huì)因?yàn)樾畔⑦^(guò)載以及視線阻礙而降低信息獲取能力[18]，但是眼動(dòng)試驗(yàn)可分析虛擬地理環(huán)境下的地理認(rèn)知，有效地支持地理知識(shí)工程的構(gòu)建[19]。三維空間認(rèn)知和尋路緊密相關(guān)，并因性別、空間能力差別不同而不同[20-21]。

谷歌地球(Google Earth)提供了探尋人們球觀分析的基本工具，不僅可以用于瀏覽分析全球地理位置、地形地貌，還可以憑借其本身與真實(shí)世界非常相似的三維球體圖像形式的特點(diǎn)，作為三維地理空間認(rèn)知能力的測(cè)試平臺(tái)[19]，如利用Google Earth進(jìn)行在線地圖定位和地點(diǎn)命名的測(cè)試，研究地理位置認(rèn)知能力，彌補(bǔ)了使用傳統(tǒng)二維紙質(zhì)地圖填圖法研究地理位置認(rèn)知能力的不足[22]。利用Google Earth設(shè)計(jì)試驗(yàn)任務(wù)，通過(guò)目的地定位、sketch map繪制、心理旋轉(zhuǎn)與抽象推理能力測(cè)試等方式，可以辨析讀者認(rèn)知能力的個(gè)體差異與在Google Earth上進(jìn)行目的地搜索表現(xiàn)方式的關(guān)系[23]。傳統(tǒng)電子地圖甚至是地球儀具有固定的方位，造成思維定式和認(rèn)知錯(cuò)誤，但Google Earth沒(méi)有固定軸線，地理意義上的南北極會(huì)隨著被試者的使用隨時(shí)變化，被試者必須對(duì)環(huán)境加以判斷才能確定自己的位置并進(jìn)行目的地搜索。

本文通過(guò)對(duì)被試者在使用Google Earth時(shí)的操作過(guò)程，用眼動(dòng)儀記錄被試者在使用Google Earth時(shí)的眼動(dòng)軌跡。通過(guò)軌跡及視點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合分析球體認(rèn)知過(guò)程，試圖揭示具有一定地理素養(yǎng)的被試者，在數(shù)字模擬地球的環(huán)境下，對(duì)地球上國(guó)家或區(qū)域進(jìn)行定向、定位和尋徑的空間推理過(guò)程，獲得他們基于地球球體的空間觀(簡(jiǎn)稱球觀)，從而推演出被試者的球觀認(rèn)知特征及構(gòu)建方式，分析和總結(jié)人群的球觀認(rèn)知和影響球觀的因素。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 試驗(yàn)環(huán)境及被試者

試驗(yàn)環(huán)境選擇Google Earth軟件模擬的地球球體宏觀場(chǎng)景，沒(méi)有固定軸和北向限制，去除軟件中的導(dǎo)航、方向羅盤(pán)等附件，被試者可完全自由的通過(guò)漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作來(lái)瀏覽地球。

使用Tobii Pro Glasses 2眼動(dòng)儀捕捉被試者的視覺(jué)行為數(shù)據(jù)，包括在Google Earth地球球體上完成目標(biāo)尋找任務(wù)時(shí)被試者的感興趣區(qū)域、注視軌跡、路徑構(gòu)建和地球球體的旋轉(zhuǎn)方式等。眼動(dòng)儀采樣頻率為50 Hz，Google Earth軟件在筆記本電腦顯示屏上顯示。同時(shí)，設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷收集被試者的姓名、年齡、性別、國(guó)籍、專業(yè)、地理素養(yǎng)以及先驗(yàn)知識(shí)等材料，并在每一條目的地尋找任務(wù)結(jié)束時(shí)詢問(wèn)并記錄被試者試驗(yàn)過(guò)程的回溯描述。試驗(yàn)要求被試者具有一定的地理素養(yǎng)背景，對(duì)地球的兩極、七大洲四大洋具有基本的概念。因而選擇來(lái)自地理信息或土地管理專業(yè)的本科生，共30名(男14，女16)，年齡在20—24歲之間，都是中國(guó)學(xué)生，了解過(guò)中國(guó)版的橫版世界地圖。被試者具有一致的年齡和知識(shí)背景，便于分析此類被試者的共同特征。本次試驗(yàn)中不考慮如性別因素等個(gè)體差異導(dǎo)致的不同影響。被試者的視力正常，佩戴眼動(dòng)設(shè)備可以正常操作軟件，均為第一次參與此試驗(yàn)。其中，眼動(dòng)數(shù)據(jù)采樣率達(dá)到使用需求的有24個(gè)樣本。本文重在定性分析和描述，在后續(xù)的處理過(guò)程中弱化單純的眼動(dòng)數(shù)據(jù)處理和分析。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

地球球觀環(huán)境的球面定向與定位、可旋轉(zhuǎn)不同于一般地理場(chǎng)景的局部認(rèn)知，有著全新的第三者閱讀地球場(chǎng)景的認(rèn)知環(huán)境。本文針對(duì)球觀研究中的兩個(gè)核心問(wèn)題——定位和方向判斷，試驗(yàn)任務(wù)被設(shè)計(jì)為兩個(gè)部分：在球體上搜索不同的目標(biāo)地，用以測(cè)試球觀中的位置及相對(duì)位置的定位和過(guò)程；對(duì)南極、北極的搜索，用于測(cè)試球觀中的方向認(rèn)知。因此搜索任務(wù)形式上一共分為兩步，從初始位置到目標(biāo)地，再由目標(biāo)地到南極或北極附近。

考慮到地球上球體的定位和陸海分布以及海洋、大陸參考特征，將初始位置設(shè)定為3類：①四面環(huán)海的群島，這一類目的地特點(diǎn)是在地圖上都不與陸地直接相連(如亞速爾群島)，識(shí)圖者需要建立自我中心的定位和方向判斷；②一側(cè)臨海、與某個(gè)大陸相連的陸地，這一類目的地可以讓被試者借助陸地和海洋的形狀和被試者的已有的心象進(jìn)行定位(心象中的球觀到Google Earth上是有一個(gè)映射和匹配過(guò)程的，這個(gè)過(guò)程不在本文的探討范圍內(nèi))，包括大洲陸地區(qū)及被試者熟悉的國(guó)家等，這是為了對(duì)比判斷熟悉的位置是否比陌生環(huán)境更易于找到方向。同時(shí)，對(duì)于被試者熟悉的國(guó)家，會(huì)在試驗(yàn)時(shí)將其國(guó)家地圖進(jìn)行倒置，如將中國(guó)地圖由傳統(tǒng)的“上北下南”進(jìn)行倒置，即南半球在上北半球在下部。在這種情況下，根據(jù)被試者的在地球上的眼動(dòng)軌跡，判斷“南”、“北”方向敏感度對(duì)被試者地球球觀認(rèn)知的影響。兼顧到全球的范圍，將目標(biāo)地的選取分別位于南半球、北半球和不同的大洲，南極以南極洲作為目的地，北極以格陵蘭島作為目的地。這樣安排的目的是為了探究被試者球觀模式下選擇相對(duì)定位時(shí)如何構(gòu)建瞬時(shí)參考系。將初始位置和目標(biāo)地進(jìn)行組合搭配，一共設(shè)計(jì)5組測(cè)試路徑，如圖1所示。同時(shí)在目標(biāo)地設(shè)計(jì)時(shí)考慮到搜尋路徑體現(xiàn)出的球形特征認(rèn)知，如由法國(guó)出發(fā)搜索美國(guó)時(shí)，在球體上的最短路徑與傳統(tǒng)二維平面地圖的最短路徑并不相同。

圖1 5組試驗(yàn)路徑設(shè)計(jì)Fig.1 Five tasks of different paths

試驗(yàn)開(kāi)始前，被試者首先填寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷并穿戴眼動(dòng)設(shè)備，有30 s的時(shí)間自由使用和瀏覽Google Earth軟件，目的是使得被試者熟練Google Earth的操作，避免后期因試驗(yàn)環(huán)境的不熟悉造成的記錄誤差。測(cè)試開(kāi)始前，由工作人員先將Google Earth視圖設(shè)置到初始地點(diǎn)，然后告知被試者需要尋找的目標(biāo)地點(diǎn)，被試者開(kāi)始在地球模型上進(jìn)行自由的放縮、移動(dòng)操作，以找到目標(biāo)國(guó)家或地區(qū)。因本文試驗(yàn)研究宏觀的球體認(rèn)知，所以不考慮尺度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試中目標(biāo)區(qū)域不具備明確的確定性，找到目標(biāo)地以被試者在球體上視點(diǎn)核實(shí)并落到目標(biāo)區(qū)域(試驗(yàn)中點(diǎn)擊區(qū)域)即可。這也是球觀模式下對(duì)區(qū)域定位的一種模糊性。無(wú)須具體到城市或某個(gè)國(guó)內(nèi)的位置，整個(gè)過(guò)程會(huì)被眼動(dòng)儀記錄其視覺(jué)搜尋過(guò)程和球體操作行為。當(dāng)被試者結(jié)束試驗(yàn)后，詢問(wèn)他在搜尋目的地過(guò)程中的感受和想法，以便對(duì)眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的背景補(bǔ)充，包括被試者的地理知識(shí)、對(duì)球體的操作習(xí)慣等。

2 結(jié)果分析

2.1 任務(wù)A試驗(yàn)結(jié)果分析

Google Earth軟件中無(wú)方向羅盤(pán)和任何導(dǎo)航輔助，被試者開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)只被告知屏幕中心所在區(qū)域，因此需要借助當(dāng)前視圖中的陸地與海洋來(lái)進(jìn)行自定位，才能開(kāi)始下一步的目的地尋找。被試者的起始動(dòng)作是縮小區(qū)域，以便對(duì)地球球體全局進(jìn)行瀏覽作位置判斷。由于亞速爾群島在海洋中，無(wú)相對(duì)參考的對(duì)象，被試者首先縮小地球，然后再以其為中心在周邊搜索大陸形狀進(jìn)行判斷。視點(diǎn)熱力圖如圖2(a)所示，由圖中注視點(diǎn)關(guān)注度最高的區(qū)域可知，從陌生海域出發(fā)時(shí)，被試者選擇以陸地(本例中是非洲大陸和歐洲大陸)作為參考目標(biāo)來(lái)確定方向和位置，同時(shí)輔助格陵蘭島和北美洲進(jìn)行相對(duì)位置的判斷(圖2(b))。在確定亞速爾群島和非洲的位置關(guān)系形成對(duì)球體的定位后，被試者以澳大利亞作為目標(biāo)，根據(jù)亞、歐、非大陸確定向東南方向(圖2(b)中右下角方向)尋找，在球體上的操作行為體現(xiàn)為由右向左轉(zhuǎn)動(dòng)地球。由熱力圖可以觀察出，本階段中被試者視點(diǎn)較為集中，分散較少，較快地形成基本的參考框架。

在從澳大利亞出發(fā)尋找格陵蘭島過(guò)程中，被試者從澳大利亞出發(fā)，視線移動(dòng)軌跡基本上以北方向?yàn)槁窂?，且視點(diǎn)分散較少(圖3)。這說(shuō)明被試者腦海中具有較強(qiáng)的地理知識(shí)，快速產(chǎn)生澳大利亞(位于南半球)與格陵蘭島(北極)的相對(duì)方向判定，形成球體上“南”與“北”的認(rèn)知。由軌跡圖也可以清晰地看出，相比于圖2中亞速爾群島通過(guò)與大陸架相對(duì)位置和參考來(lái)定位而言，方向的判定更加直接。

圖2 亞速爾群島周邊視點(diǎn)熱力圖1Fig.2 View heat map of the Azores

圖3 由澳大利亞尋找格陵蘭島北上的視點(diǎn)圖Fig.3 Heat map and sequence map of the gaze points from Australia to Greenland

隨著球體轉(zhuǎn)動(dòng)視場(chǎng)到亞洲，由于被試者全部來(lái)自于中國(guó)，對(duì)于中國(guó)在球體的熟悉度使得其以中國(guó)和周邊地區(qū)空間位置和方向來(lái)判斷。由被試者的視線軌跡圖可以看到在中國(guó)進(jìn)行了一定程度的調(diào)整，參照中國(guó)的北方向繼續(xù)向上移動(dòng)，借助于白令海峽(圖4(b)中熱點(diǎn)順序5)判斷北冰洋，進(jìn)一步搜索對(duì)面的目標(biāo)(圖4(b)中熱點(diǎn)順序8和9)來(lái)找到格陵蘭島。

圖4 以中國(guó)參考的格陵蘭群島搜索過(guò)程的視點(diǎn)圖Fig.4 Direction and location adjustment of the gaze points to judge Greenland

2.2 任務(wù)B試驗(yàn)結(jié)果分析

任務(wù)B是從南非出發(fā)尋找加拿大。由于初始南非的兩側(cè)都是海洋，縮小后被試者試圖定位初始點(diǎn)在地球上的位置(如圖5(a))，由視點(diǎn)熱力圖分布可以得知，被試者對(duì)海洋的敏感程度與關(guān)注度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)陸地的關(guān)注度。當(dāng)可視界面上以海洋為主時(shí)，被試者視點(diǎn)較為集中的聚集在附近陸地上，并且會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)球體尋找更大面積的陸地，與心象已有的球體定位來(lái)進(jìn)行匹配。在確定南非的球體位置后，被試者由南非出發(fā)依據(jù)非洲與北美的相對(duì)位置，借助南美洲的相對(duì)位置定位(圖5(b)中視點(diǎn)序列3、4、5)，向圖中左上方方向轉(zhuǎn)動(dòng)球體。其視線軌跡圖如圖5(b)所示，由視線次序可以體現(xiàn)出被試者先進(jìn)行相對(duì)定位，后根據(jù)大洲形狀判斷出南美洲方位，并明確向左上方繼續(xù)尋找加拿大的狀態(tài)。這也說(shuō)明被試者心象認(rèn)知中有個(gè)球體上南北美洲與南非分布在大西洋兩側(cè)的認(rèn)識(shí)，并且能快速地實(shí)施向左旋轉(zhuǎn)地球，不受一般的向右旋轉(zhuǎn)操作習(xí)慣的影響。

圖5 由南非尋找加拿大過(guò)程中到南美洲過(guò)渡的視點(diǎn)圖Fig.5 Heat map and sequence map of the gaze points from South Africa to South America

由加拿大向南極洲的尋找過(guò)程，在球體上實(shí)際是一個(gè)由“北”向“南”的路徑。受任務(wù)A測(cè)試和學(xué)習(xí)過(guò)程的影響，被試者定位南、北相對(duì)位置時(shí)，先觀察格陵蘭島(即“北”的定位)(圖6(a))，再逐漸向“南”的方向遞進(jìn)，視點(diǎn)序列圖如圖6(b)所示。

圖6 由加拿大尋找南極洲過(guò)程的視點(diǎn)序列圖Fig.6 Sequence map of the gaze points from Canada to Antarctic

2.3 任務(wù)C試驗(yàn)結(jié)果分析

任務(wù)C初始地點(diǎn)位于夏威夷群島，第1個(gè)目標(biāo)地點(diǎn)是愛(ài)爾蘭。初始視圖的海拔高度為1163 km。由于夏威夷群島幾乎位于太平洋中心且完全被海洋包圍，被試者無(wú)法獲得其在球體上定位的任何信息，被試者的首要操作行為是縮小視圖。由圖7中熱力圖可知，被試者主要觀察區(qū)域?yàn)閳D7中左側(cè)的亞洲與北美洲陸地，對(duì)海洋的觀察度和參照度則較小，而且此時(shí)姿態(tài)處于北極不在正上方或右上方的“非常態(tài)”。

圖7 夏威夷群島周邊視點(diǎn)熱力圖Fig.7 Heat map of the gaze points around Hawaiian Islands

被試者在識(shí)別出了亞洲陸地的位置，在球體上的操作行為體現(xiàn)為向右轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)亞洲、非洲與歐洲的相對(duì)位置判斷，以亞洲為過(guò)渡(圖8)，判定亞歐非大陸的交界處，確定歐洲以及目的地愛(ài)爾蘭的位置。

圖8 由亞洲尋找愛(ài)爾蘭過(guò)程的視點(diǎn)圖Fig.8 Heat map and sequence map of the gaze points from Asia to Ireland

接下來(lái)的任務(wù)是由愛(ài)爾蘭出發(fā)尋找美國(guó)，這一路徑選擇能夠體現(xiàn)出不同被試者地球球觀的認(rèn)知方式。受到傳統(tǒng)橫向的二維世界地圖影響，被試者多會(huì)選擇由歐洲經(jīng)過(guò)亞洲，跨過(guò)太平洋到達(dá)北美洲。

其中兩位被試者由愛(ài)爾蘭出發(fā)，借助非洲、北冰洋、格陵蘭島，匹配自我心象中球體上的位置，對(duì)球體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直接跨過(guò)格陵蘭島和北冰洋，找到北美洲，并確定了美國(guó)所在位置(圖9)。這是一條球體上的最短路線，反映了被試者有極強(qiáng)的球體上國(guó)家區(qū)域定位和球體大圓航線的認(rèn)識(shí)。

緊接著的任務(wù)是繼續(xù)由美國(guó)找到法國(guó)。這一設(shè)計(jì)的目的是檢驗(yàn)被試者能否在類似路徑的認(rèn)知和學(xué)習(xí)過(guò)程中找到一條更優(yōu)路線。10位被試者使用類似從愛(ài)爾蘭到美國(guó)的路線，從美國(guó)橫過(guò)太平洋經(jīng)亞洲到歐洲的近乎同緯度搜尋路線；14位被試者均在這一尋找模式中產(chǎn)生自我學(xué)習(xí)過(guò)程，從而在由北美洲回到歐洲的過(guò)程里選擇一條最短路徑。這些被試者由美國(guó)出發(fā)時(shí)，借助北冰洋完成相對(duì)定位，跨過(guò)北冰洋與格陵蘭島，再由格陵蘭島與歐洲跨海關(guān)系搜尋歐洲，找到目的地法國(guó)(圖10)。對(duì)比圖10與圖9往返兩組的視點(diǎn)軌跡和被試者數(shù)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)被試者球體認(rèn)知較為完善時(shí)，會(huì)選擇球體上的最短路徑。

圖9 由愛(ài)爾蘭尋找美國(guó)過(guò)程的視點(diǎn)序列軌跡圖Fig.9 Heat map and sequence map of the gaze points from Ireland to the US

圖10 由美國(guó)尋找法國(guó)的搜尋過(guò)程的視點(diǎn)序列軌跡圖Fig.10 Heat map and sequence map of the gaze points from the US to France

2.4 任務(wù)D試驗(yàn)結(jié)果分析

任務(wù)D的起始點(diǎn)仍然在夏威夷群島，第1個(gè)目的地為埃及，位于非洲大陸。被試者仍然通過(guò)亞洲大陸確定相對(duì)位置，目標(biāo)較為明確，視點(diǎn)集中不分散，體現(xiàn)在球體上的操作行為是向右旋轉(zhuǎn)地球，通過(guò)亞洲大陸沿海形狀判定和過(guò)渡(圖11)，直至找到非洲，并在亞洲、非洲交界處利用多個(gè)區(qū)域位置(如亞丁灣處、阿曼灣處、沙特阿拉伯、埃及等)的交叉判定，確定埃及的位置(圖12)。

圖11 由亞洲向埃及尋找過(guò)程中的視點(diǎn)圖Fig.11 Heat map and sequence map of the gaze points from Asia to Egypt

圖12 亞非交界處多點(diǎn)交叉判定埃及位置Fig.12 Sequence map of the gaze points between Asia and Africa to judge the location of Egypt

任務(wù)接著需從埃及找到格陵蘭島，這是測(cè)試從北半球到北極的路徑尋找。埃及全境都位于赤道線以上，因此尋找北是一個(gè)“單向”路徑，被試者明確“北為上”這個(gè)概念，只需要通過(guò)相對(duì)位置來(lái)矯正北的具體位置。被試者根據(jù)葡萄牙、西班牙、突尼斯等歐洲與非洲國(guó)家(圖13)，矯正格陵蘭島的方向應(yīng)該在當(dāng)前視圖的右上方，從而完成對(duì)目的地的尋找。

圖13 由埃及尋找格陵蘭島視點(diǎn)序列圖Fig.13 Sequence map of the gaze points from Egypt to Greenland

2.5 任務(wù)E試驗(yàn)結(jié)果分析

任務(wù)E的起始地為被試者國(guó)籍國(guó)家(本試驗(yàn)中參與的被試者一律為中國(guó)國(guó)籍，所以起始地為中國(guó))，目的地為巴西，即南半球國(guó)家。為了測(cè)試熟悉地區(qū)的南北方向轉(zhuǎn)換是否會(huì)對(duì)被試者造成影響，起始狀態(tài)的地球?yàn)椤吧夏舷卤薄薄Ｔ谠囼?yàn)中，16位被試者將中國(guó)地圖先轉(zhuǎn)為“上北下南”的狀態(tài)，其余6位被試者沒(méi)有受到地圖倒置的影響，而是根據(jù)中國(guó)臺(tái)灣、菲律賓群島、南亞等地區(qū)和國(guó)家的相對(duì)位置確定了南的方向(圖14)。由亞洲向南找到澳大利亞，澳大利亞作為由北半球向南北求過(guò)渡的中間位置，由澳大利亞、新西蘭進(jìn)一步作為相對(duì)位置參考，向右旋轉(zhuǎn)地球，借助南極洲的參考定位，在南美洲找到巴西。

圖14 由中國(guó)尋找巴西過(guò)程的視點(diǎn)圖Fig.14 Sequence map of the gaze points from China to Brazil

任務(wù)接著由巴西找到格陵蘭島，是由南半球向北極的方向確定及尋找。被試者受任務(wù)A的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，以及本任務(wù)過(guò)程中借助了澳大利亞的位置參考，快速地向上轉(zhuǎn)動(dòng)地球確定北美洲的位置，并在北美洲正上方確定了最終目的地格陵蘭島的位置。

3 討 論

3.1 人對(duì)球觀中的相對(duì)位置的認(rèn)識(shí)

相對(duì)位置判定需要借助地球球面上標(biāo)志性的參考目標(biāo)，大體上分為兩類：宏觀的大陸架、大洲、海洋以及微觀的具體國(guó)家、島嶼等。此處的宏觀與微觀是相對(duì)地球球體為整體而言的尺度。試驗(yàn)中出發(fā)地設(shè)置為局部的放大視圖，相對(duì)于地球整體面積而言屬于局部的觀察點(diǎn)，所以被試者的第一個(gè)行為動(dòng)作是縮小視角。被試者會(huì)選擇根據(jù)附近大陸架形狀、海洋進(jìn)行相對(duì)位置以及自我心象位置的判定。在試驗(yàn)中，對(duì)大陸的敏感性遠(yuǎn)高于海洋?？赡茉蚴鞘艿綄?duì)各大陸架或大洲陸地“形狀”的熟悉度，而海洋的認(rèn)知過(guò)程由于尺度較大，難以分辨形狀。

球體上相對(duì)位置關(guān)系的模式非常多樣，如受到常規(guī)平面世界地圖及國(guó)籍的影響，中國(guó)居民會(huì)對(duì)亞洲和東南亞較為熟悉，對(duì)澳大利亞的判定則是在亞洲的“右下方”，隔著印度尼西亞。被試者熟悉的國(guó)家、洲等也會(huì)造成影響，一個(gè)在國(guó)外有過(guò)一定生活經(jīng)歷的人會(huì)在腦海中形成以該國(guó)家、大洲或臨近海域?yàn)橹行牡南鄬?duì)位置參考。先驗(yàn)知識(shí)或地理背景也是影響因素之一。有較為完善的地理知識(shí)的人，對(duì)于大洲大洋之間的分布有基本的了解，而另一部分地理素養(yǎng)相對(duì)較差的人，則只能基于已有的認(rèn)識(shí)或熟悉的國(guó)家進(jìn)行位置判斷。

在這個(gè)過(guò)程中，不同的人會(huì)體現(xiàn)出不同的空間定位方法，這些行為背后體現(xiàn)出他們?cè)谀X海里將對(duì)地球的認(rèn)知碎片拼成一個(gè)球體的思維過(guò)程，也就是球觀的一部分。

3.2 球觀中的自我定向

被試者在可自由操作Google Earth上進(jìn)行方向判定時(shí)，是一種以心象地圖“自我為中心”的方向確定。在判斷相對(duì)被試者主觀視角的“南”與“北”時(shí)，通常會(huì)先尋找傳統(tǒng)意義上的“南極”和“北極”。在地球球體上最為直觀的參照目標(biāo)分別是格陵蘭島、白領(lǐng)海峽、俄羅斯北部、澳大利亞南部、南極洲等，當(dāng)這些區(qū)域在被試者視線范圍內(nèi)時(shí)，幫助其相對(duì)參考的位置定位。

而當(dāng)被試者處于其他環(huán)境下無(wú)法直接判斷，則以當(dāng)前視圖為基礎(chǔ)，通常有兩種判斷模式。①傳統(tǒng)的“上北下南”定位模式，被試者以主觀視角為中心，結(jié)合當(dāng)前所處國(guó)家(或陸地)，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，判斷出大致的“北”所在方位。試驗(yàn)中，尋找南北極時(shí)，被試者的初始行為都是尋找“北”方向。②丟失方向感或當(dāng)前所處區(qū)域非被試者先驗(yàn)知識(shí)中熟悉的地點(diǎn)，無(wú)法根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)判斷大致南北方向，被試者會(huì)通過(guò)找到熟悉的國(guó)家、島嶼等進(jìn)行重新定位后，再搜索目的地方向。此行為的表現(xiàn)為被試者會(huì)突然偏離對(duì)目標(biāo)的搜索方向，轉(zhuǎn)而尋找一個(gè)與目的地?zé)o關(guān)的參照物，并轉(zhuǎn)動(dòng)球體，直到滿足以被試者為中心的“上北下南”的視覺(jué)狀態(tài)為止。

球觀模式下方位意味著一種可以糾偏的存在，即在空間中迷失時(shí)可以依靠相對(duì)參考定位重新找回自己的位置。地理上定義的南極和北極是確定方向的依據(jù)，所以當(dāng)?shù)厍虮旧砜梢詿o(wú)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，方向就不再是固定的參考系，需要隨著球體轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)時(shí)重新定位。

4 總 結(jié)

以地球球體為對(duì)象的空間感知，是一種大尺度下的地理空間認(rèn)知情景，對(duì)空中飛行、太空觀測(cè)等具有重要意義。本文探索地球球觀模式下球體上的定位參考和定向過(guò)程，通過(guò)設(shè)置地球上不同起始點(diǎn)位置的視覺(jué)搜尋和瀏覽過(guò)程試驗(yàn)，獲取了其眼動(dòng)數(shù)據(jù)和操作行為數(shù)據(jù)，測(cè)試人們?cè)谇蛴^模式下對(duì)國(guó)家或區(qū)域的定位、搜索和對(duì)數(shù)字地球的操作。通過(guò)視點(diǎn)數(shù)據(jù)和視線軌跡制作成熱力圖和軌跡圖，并結(jié)合對(duì)被試者的背景調(diào)查和事后訪談，揭示了Google Earth球體環(huán)境下，不同于平面地圖中的定向(如上下左右與東南西北的關(guān)系)和地球儀的左右旋轉(zhuǎn)，被試者三維球體的方向參考框架是即時(shí)改變的，被試者需要根據(jù)自身的心象空間參考來(lái)構(gòu)建外部參考框架，并及時(shí)的判斷當(dāng)前地球的姿態(tài)和地球上區(qū)域的定位，尤其是大陸架形狀中特殊區(qū)域和形狀(如白令海峽、馬六甲海峽、非洲的凹陷特征)，在定位、搜索過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，并通過(guò)訪談的文字記錄復(fù)核校驗(yàn)眼動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的認(rèn)知過(guò)程。