位置地图情境研究

齐晓飞, 王光霞, 周转向, 孙卫新

(1.信息工程大学，河南 郑州 450001；2.75711部队，广东 广州 510515)

位置地图情境研究

齐晓飞1, 王光霞1, 周转向2, 孙卫新1

(1.信息工程大学，河南 郑州 450001；2.75711部队，广东 广州 510515)

随着位置服务、位置地图的兴起，情境作为一种研究客观世界与人类之间关系的抽象工具，已被逐渐地引入到移动地图服务中来。鉴于目前情境理论在地图的应用过程中存在基本概念不清、主要研究内容不明确的问题，重点剖析了位置地图情境的内涵，并从情境建模、情境匹配、情境推理和情境表达四方面，开展了位置地图情境的相关技术研究。

情境；位置地图情境；情境建模；情境匹配；情境推理；情境表达

地图，是人类进入文明社会的表现之一，随着目前计算机技术、互联网技术以及传感器技术等的飞速发展，其理论基础与研究范围都发生了显著的改变。纸质地图阶段，地图学主要研究人、实地与地图的三者关系；数字地图阶段，高俊[1]提出地图学四面体，将地图学的研究范围拓展到人、实地、地图与数字地图的四者关系；网络地图阶段，刘芳[2]提出网络地图的设计理念，并把网络因素纳入到了地图的研究范畴……，周成虎[3]提出全息位置地图的概念，指出位置服务、特别是位置地图在今后信息社会的重要地位，强调以位置为中心，将与当前位置有关的时间、设备、网路、用户和环境等信息聚合起来，从而为用户挖掘出深层次的、及时的位置服务。因此，位置地图的引入使得地图学的研究内容得到了新拓展，如何将这些因素组织起来并确定最终的服务内容成为当前的研究难点，位置地图迫切需要一种新的理论支撑。

情境理论认为人、设备与环境是相互联系的统一体，以情境为桥梁，通过情境建模可以建立位置地图与这些影响因素之间的关系，因此，情境理论是位置地图的基础理论。Nivala[4]、Guoray Cai[5]讨论了情境理论在地图服务中的意义；但这些研究大多关注在情境信息的总结、建模原则的提取以及单一情境信息的建模上，并没有很好地把与情境相关的概念、研究内容确定下来，以至于难以进行下一步的实际应用。为此，本文从情境的基本概念出发，提出位置地图情境的内涵，并探讨位置地图情境建模、匹配、推理与表达四种关键技术。

1 位置地图情境

1.1 情境

目前，人们主要通过两种方法对情境进行定义[6]：一是列举法；二是分类法，如表1所示。

表1 情境的定义

1999年AnindK.Dey等给出了经典的情境定义：情境是能够用来描述实体(如人，地点或物体)情形的任何信息。按照其定义的描述，与位置地图相关的位置、时间、环境等因素都可以视为情境信息。随着情境在心理学、人类学等领域的不断应用，各不同科学领域对情境的理解虽不尽相同，但是大部分学者都普遍认可以下观点[6]：

1)只有与另一个实体相关联，情境才存在。如任务、代理或交互等；

2)情境是一系列与某一实体相关的项目的组合，其中项目包括了概念，规则以及命题等；

3)只有当一个项目能够对解决当前的问题有帮助时，才将该项目看作是一个情境。

以项目“天气”为例，它在一个室外交通导航条件中(如去机场的路上)被看作是一个情境，因为雨、雪、雾等因素会在能见度、通畅性以及行驶方式的选择上为用户的出行提供参考。然而，在一个室内导航条件中(如大型商场)，该项目则不应该成为一个情境。

1.2 位置地图情境

与上述情境相比，位置地图情境将情境的应用范围做了限定。AnindK.Dey给出了情境定义，位置地图情境可以理解为与位置地图相关的“人、地点或物体情形的任何信息”。该定义虽然比较全面，但存在两个缺陷：一是“与位置地图相关的”含义太模糊，无法描述情境与位置、时间等信息的内在联系；二是“人、地点或物体情形的任何信息”概念太宽泛，情境的信息量太大难以进行实际的信息取舍。

为了容易理解位置地图情境的内涵，本文从前面提到的普遍认可的三个观点入手，分析位置地图情境的内涵和主要特征。第一个观点指出情境依需要附于实体，这种实体可以是任务、交互等。对于位置地图而言，人与地图的关系可以分为制作和应用两部分，其中，制作包括符号设计、色彩设计、界面设计和交互设计等；应用包括定位、导航、查询、识别和事件检查等[7]。因此，位置地图的情境也可以划分为制作情境和应用情境两大类。第二个观点指出情境是一系列与某实体相关的项目的组合，前面，我们已经将实体描述为两类，同理，与某实体相关的项目也可以分为两类。一类与制作相关，包括界面风格、界面布局、地图设色和符号类型等特征；另一类与应用相关，包括位置、时间、环境、用户和活动等因素。第三个观点指出项目必须能够解决当前问题，才能将其看作是情境，即与当前情境相关的信息很多，但相关并不意味着每一种信息都对情境的结果存在意义，只有当某一信息对情境存在直接影响时，才能将其称为情境信息。对于位置地图应用而言，与导航、定位等相关的信息很多，也只有当这些信息对导航、定位等会造成影响时，才可以称之为导航情境或定位情境。制作情境也是同理。

本文将位置地图情境定义如下：位置地图情境是指与位置地图的制作和应用相关的、对位置地图的表达与服务有直接影响的人、位置和环境等信息的集合。其中，本文主要研究与位置地图应用的相关情境信息对位置地图服务的影响。应该讲，情境在位置地图中的应用涉及到一系列环节，包括情境建模、情境匹配、情境推理和情境表达。如图1所示，描述了用户导航过程中情境的四个环节在位置地图中的应用。首先，利用情境建模将情境信息与情境之间的关系描述出来，并存储到情境模型库中；其次，获取当前位置情境信息，通过情境匹配，从模型库中筛选出最合适的情境模型；再次，借助情境推理规则或算法推算出用户当前的位置地图服务需求；最后，将情境推理的结果通过图形、文字或声音等形式表达出来。本文从四个方面入手，探讨了位置地图情境的相关研究。

2 位置地图情境相关技术

2.1 位置地图情境建模

情境建模是指对情境信息的显性描述，是对于收集到的情境信息建立起一个通用、可扩展的模型框架进行管理，并利用统一的表达方式描述，以便于应用程序的识别、读取和共享[8]。因此，情境建模分为两个方面：一是要构建一个通用的、可扩展的框架去描述情境信息的分类以及不同情境信息之间的关系；二是要统一地描述由各种渠道获得的情境信息，以便于应用程序能够无偏差地识别和使用。位置地图情境作为一般情境的一个特殊应用领域，其建模也应该参考这两个方面。

图1 导航过程中情境的四个环节在位置地图中的应用

对于第一方面，目前，关于情境信息的分类主要有按照信息类型划分和信息的不同产生方式划分，如表2所示。可以看出两种方式的侧重点各有不同，前一种方式主要考虑情境信息的性质和特征，而后一种方式主要考虑用户与情境信息之间的交互。由于前一种方式更便于描述不同情境信息之间的关系，所以本文采用的是第一种方式，将位置地图的情境信息分为用户、位置、时间、活动、天气、交通和兴趣点七类。关于不同情境信息之间关系的描述，Alejandro Cadenas[9]在讨论移动环境下的情境管理时，采用形式化描述语言——本体，建立了不同情境信息之间的关系，如图2所示。可以看出，该方式描述了情境信息之间的一般性关系，但对位置地图情境而言，不同情境信息在位置地图情境应用的不同阶段是不一样的。以位置地图的导航情境为例，在室外导航路上，天气、交通等信息是室外导航需要考虑的情境信息，但在室内导航条件下，天气、交通状况却不会对导航造成影响，即此时天气、交通等信息不是室内导航需要考虑的情境信息。所以，笔者认为位置地图情境间相互关系的描述离不开位置地图的应用(即定位、导航、查询、识别和事件检查等)，也只有将不同信息与位置地图应用结合起来，位置地图情境建模才有意义。

表2 情境信息的分类

图2 Alejandro Cadenas提出的情境本体网络图

对于第二方面，目前，情境建模的方法主要有关键字-值模型、标记语言模型、图模型、面向对象的情境模型、基于逻辑的情境模型和基于本体的情境模型六种。其中，本体模型兼具面向对象和逻辑模型的双重优点，被广泛地应用到情境模型的形式化表达中来，因此，位置地图的情境建模也应该采取这种方法。但统一的描述由各种渠道获得的情境信息并不是完全的统一，因为不同情境信息所强调的关系和描述的重点是有区别的。在位置地图情境建模中，活动作为情境信息的重要一环，它不仅能描述用户的行为关系特征，还能通过将活动进一步细分为行为和操作，建立起不同情境信息与活动之间的联系，Huang H[10]就通过拓展活动理论，很好的建立了活动要素与情境信息之间的映射关系。尽管该研究更偏向于理论探索，但是它很好地证明了情境信息是可以通过活动联系起来的。为此，本文认为位置地图情境本体应分为两类：一是通用情境信息本体，包括时间、用户、位置、天气、交通和兴趣点六种，描述情境信息自身的特征和语义关系；二是活动本体，描述活动的组成及不同阶段的活动与情境信息之间的联系。

2.2 位置地图情境匹配

情境匹配是指判断情境信息属于情境模型库中何种情境的过程或方法。本质上，情境模型匹配就是一个检索最相似模型的过程。目前，常用方法是最邻近法，通常分为两步：第一步是设定一个相似度阈值，小于此阈值模型便认为是相似模型，因此，相似模型往往不止一个；第二步是从这些相似模型中借助某种算法再找到最相似匹配模型。

对于位置地图来讲，阈值以内的多个相似模型难以取舍，相似度最高的未必是最佳匹配模型。匹配算法经常需要改进，包括两种思路：一是匹配概率改进匹配算法[11]，即匹配概率大的模型可用性更强；二是匹配时间改进匹配算法[12]，即离当前时间越近的模型使用效果越好。这两种思路究竟哪一种更适合于位置地图情境匹配呢？笔者认为情境匹配并不应该只拥有一种固定的模型，没有一种匹配算法能够一劳永逸。对于匹配概率改进匹配算法，它应该是更适用于情境模型匹配的早期，因为此时情境模型库中的模型还相对较少，用户使用频率高的模型往往就是最佳匹配模型；对于匹配时间改进匹配算法，它应该是更适用于情境模型匹配的晚期，由于此时情境模型库中的模型经过增加和改进已经非常庞大，并且旧模型已经被情境匹配过多次，再根据匹配概率改进匹配算法获取的情境模型中旧模型的比例一般会比新模型高，而新模型是在旧模型的基础之上总结、提炼出来的，并且随着时间的推移，人们素质的提高、地图认知能力的增强和计算机水平的提升，新模型更能体现当前的情境状况，所以，此时根据模型建立时间的远近来匹配最佳模型是更好的方法。

2.3 位置地图情境推理

情境推理是指从己知情境信息中推断出未知情境的过程。Pettrei和Patrik在其研究中给出了明确的解释：“一个情境推理严谨的定义为从各种不同的情境数据源中推导出新的、相关的信息以提供给应用程序或用户使用[13]。”一般认为，情境推理分为两个层次：一是将原始的传感数据转换为情境模型中的情境信息；二是在情境信息基础上，利用一定的规则或算法推导出新的、有用信息。目前，推理算法也分为精确推理[14]和模糊推理[15]两大类。

位置地图情境推理与一般情境推理类似，但在上面的情境推理定义中，它并没有将情境建模的概念区分开来，导致情境建模和推理都混在一起，认为都是情境推理的一部分，当然这也是一种研究思路。在本文中，因为已经明确了情境建模是解决情境信息形式化的描述，因此，对比情境推理的两个层次，情境建模主要对应的就是情境推理中的第一个层次，即将原始的传感数据统一形式化描述为可用的情境信息，所以本文的位置地图情境推理主要研究的是第二个层次。

从最终目的上看，位置地图情境推理是为用户提供深层次的、及时的位置地图服务，但位置地图情境的影响因素众多，使得由所有这些情境信息推理出来的结果往往具有很强的不一致性，即情境推理的结果不为一，制约了情境模型的进一步应用。为此，本文认为可以参考位置地图的服务内容来反推情境推理方式方法。由于位置地图的服务内容很多，本文无法一一细述，仅选择其中的四种：时间信息提醒、距离信息提醒、兴趣点信息提醒和其它信息提醒。同理，情境推理也可以分为四大类，如表3所示。每一种推理方式都对应着相应的影响因素，最大化地将推理过程变得简单、直接，有助于情境推理的实时进行。

表3 情境推理的分类

2.4 位置地图情境表达

情境表达相对于情境建模、情境匹配和情境推理来讲，并不是情境理论的关注重点，因为在通用情境模型里表达并不是一个固定的概念，情境推理的结果可以通过各种各样的方式推荐给用户或应用程序。它可以是文字、声音甚至于一个指令，因此，人们对于情境表达的研究较少。但对于位置地图来讲，情境表达却是情境理论在位置地图能否得到合理应用的一个不可或缺环节，因为在位置地图情境中，情境与用户之间的交互并不是直接进行的，情境推理的结果是通过地图这一工具与用户进行交流。所以，位置地图情境表达可以认为是指将情境推理的结果采用一定的表达方式和方法在位置地图上展示出来。

由于位置地图表达是根据用户所处情境自动进行位置地图表示内容的选取、地图制图的综合、符号设计、色彩设计等，因此情境表达是一种智能化的过程。目前，地图的智能化表达技术主要包括三种：基于模板的[16][17]、基于规则的[18]和基于知识的[19]，在这三种方法中，基于模板的智能化技术最为成熟，但该方式却将地图的表示内容和方式固定为一个个表达模板，地图的灵巧性受到限制；而基于知识的智能化将用户知识、专家知识和生活常识知识等都融入进来，地图的智能化表达更为合理，但目前对于知识的获取、建模和推理等还缺乏成形的结果供大家参考，这种方式还不是很成熟。为此，本文认为位置地图的情境表达应采用建立规则库的形式构建位置地图的表达方案，情境模型最后根据设计好的规则，选取恰当的表达方式与方法进行位置地图表达。

3 结束语

情境理论最早是从心理学拓展出来的，后应用到了教学领域，而情境在地图中的应用是近十年的事情。随着移动地理服务的兴起，地图作为承载人类文明与地理世界之间的桥梁，其应用领域与研究基础均发生了巨大的变革，国内对情境理论的研究很少涉及到地图领域，2005年孟立秋等探讨了情境理论在移动地图服务中的重要意义(这里的移动地图也可以理解成位置地图)，但关于位置地图情境的概念、内涵以及情境模型的相关技术等鲜少有人研究。为此，本文开展了相关的探索工作，显然，本文对位置地图情境的研究还处在理论阶段，探讨了情境在位置地图中的应用所涉及的一些问题，具体的实际应用，将是下一步的研究重点。

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[责任编辑：王文福]

Research on context of location map

QI Xiao-fei1, WANG Guang-xia1, ZHOU Zhuan-xiang2, SUN Wei-xin1

(1.Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China; 2.Troops 75711, Guangzhou 510515, China)

In recent years, with the rise of location-based services, especially the location map, context as an abstraction tool between the objective world and the human beings has been gradually introduced into the mobile map service. Given context theory of the map application process,there are no fundamental concepts and the content is unclear. The connotation of the location map is analyzed, especially from the context modeling, context matching, context reasoning and context expressed.

context; context of location map; context modeling; context matching; context reasoning; context expression

2013-11-06；补充更新日期：2014-10-09

国家863计划资助项目(2013AA12A202)

齐晓飞(1985-)，男，博士研究生.

P208

：A

：1006-7949(2014)11-0011-05