实景地图的空间认知研究

柳佳佳，葛 文

（1．信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052；2．65014部队，辽宁 沈阳 110027）

近年来随着摄影测量技术和计算机技术的迅速发展，实景地图应运而生，它是以一种可量测影像直接反映现实世界的地图。目前，实景地图已经广泛应用于城市规划、交通运输、公共设施管理、军事公安等领域，也有一些学者从不同角度对实景地图展开研究。李德仁院士在国内首先提出可量测实景影像（也叫实景地图或全景地图）的概念，研究了可量测实景影像与传统4D产品的集成模式和基于可量测实景影像的空间信息服务体系，并牵头制定该产品的国家标准［1，2］；狄琳探讨了实景地图的技术审查方法［3］；胡庆武、王万峰、李大军等讨论了实景地图的应用问题［4－6］。

可以看出，学者们对于实景地图的应用问题讨论较多，但是实景地图作为一种新的地图产品，人们如何利用它去认知现实世界也是一个值得探讨的问题；另外，学者们针对纸质地图、电子地图、虚拟地理环境、网络地图、导航地图的空间认知问题均有研究［7－11］，而对于实景地图的空间认知问题目前还未见到。基于此，本文对实景地图的空间认知问题进行研究。

1 实景地图的概念

实景地图也叫可量测实景影像（Digital Meas－urable Image DMI 是利用三维全景技术建立的地图，它实际上是一种以地面近景摄影测量立体影像文件及其外方位元素构成的基础地理信息产品，可量测实景影像可通过移动测量系统（Mobile Mapping System，MMS）采集获得［1－2］。根据近景摄影测量原理，一对DMI立体像对记录了摄影范围内空间对象的三维立体空间，通过摄影测量交会计算，可获取目标地物的空间三维坐标、物理尺寸。移动测量系统以道路巡航的方式高密度采集连续的可量测影像，在车辆高速行进过程中，能够在一定的间隔时间内采集一次覆盖360°范围的影像［4］。通过沿道路进行扫描，即可建立海量的DMI立体影像库，从而构成如图1所示的实景三维空间。

图1 实景三维空间示意

实景地图是现实空间的真实写照，与传统地图产品相比，实景地图具有获取快、定位准、可量测、影像连续、信息丰富、直观易读、数据海量等特点，是新一代的地图产品。

2 实景地图的空间认知过程

实景地图是一种以地面近景影像直接反映制图物体和客观环境原貌的地图，在影像所表达的世界里，包含着全要素、全纹理的空间特征，其中既包含目标地物信息，也包含与之相关联的各种自然和社会信息。实景地图是客观世界直观、真实的写照，人们进行实景地图空间认知时基本无需专业知识。

实景地图的空间认知的过程遵循地图空间认知的一般过程，即包括感知过程、表象过程、记忆过程和思维过程［12］，具体如图2所示。

实景地图的感知过程总体而言可以概括为“亲历式”，但“亲历”的视角和路线都是受到限制的。实景地图以类似于人眼视角的方式构建了一个连续“播放”影像序列的环境，观看实景地图时基本就类似于在道路上移动时的视角体验，所以在实景地图中感知到的内容也就是拍摄时某一时刻的客观环境原貌，使人产生真实的亲历“畅游”体验。但是在感知过程中，实景地图的交互行为受限，因为其漫游的方向仅限于沿着道路进行，导致实景地图感知的地理目标或部分特征可能缺失（被遮挡）。

实景地图的空间认知表象过程建立的心象地图主要是视觉图像，通过视觉编码存储脑的记忆中。由于实景地图的空间感知类似于亲历真实客观环境，所以其对空间行为的指导效果较好，尤以寻路效果最佳，特别是在熟悉的环境下效果更好，但是通过实景地图的空间认知能够指导的空间行为类型有限。

图2 虚拟地理环境的空间认知过程

在实景地图空间认知的记忆过程中，人们通过心象地图一种视觉编码形式进行记忆保持并积累经验，形成对客观事物整体的心理映像，当以后大脑受到类似的刺激时，先前的心象地图可以通过回忆或再认的方式呈现出来。实景地图空间认知的思维过程构成地图空间认知的高级阶段，是借助心象地图这一复杂中介对客观事物的本质特性和内在规律的反映，实现对客观事物“从现象到本质”的认识，具有显著的概括性和间接性的特点。

总体而言，实景地图的感知过程比较容易让人接受，因为其表达的是最符合人类视觉和记忆习惯的地面微观影像数据，是完全物理的、客观的、具体的、肉眼可视的。另外，影像表达地物还具有唯一性，可以排除符号系统的误差，避免造成错误的认知。

3 实景地图的空间认知效果分析

3．1 空间格局认知

3．1．1 位置认知

位置认知主要解决空间事物“在哪”的问题，有两种认知实现的方式，即绝对坐标和相对位置的认知方式，相对位置的认知方式如某个地物附近，某两条道路的交叉口等等。实景地图的本质是可量测实景影像，也就是影像上的每一点都可以测量、都有坐标，所以实景地图可通过坐标量算的方式进行位置认知（见图3）。但是在日常应用过程中，人们采用绝对坐标进行位置认知的场合并不多，更多的是相对位置的认知。由于受人们的认识事物习惯，总是喜欢从整体的角度去认识，因此在人们进行位置认知时，也总是首先搞清楚在整个地图所表达的客观环境中的该位置所处的情况。但是实景地图所展现的场景基本是人的某一视角范围，无法给人整体的位置感受，所以实际应用中实景地图的位置认知效果很差，这也是实景地图在使用过程中几乎都与二维电子地图相结合的原因。

图3 实景地图中的几何量测

3．1．2 距离认知

距离认知主要解决将图上距离转化为实地距离的问题，实景地图主要提供三种方式帮助人们进行距离认知。第一种方式是精确的距离量测，如图3所示，是在影像点都具有坐标值的基础上完成的。第二种方式是图中目标距离标注，如图4（a）中的B矩形框所示，图中标注的是中粮大厦距当前视点位置1．0 k m。第三种方式以焦点的图形大小造成距离远近的认知体验，是一种主观距离的认知方式，有的还直接标注焦点离当前视点的距离，这时又加入物理距离因素，如图4（a）和图4（b）中的A矩形框所示都属于这种认知方式，其中图4（a）所示的实景地图还直接标注距离。

图4 实景地图的辅助认知手段

3．1．3 方向认知

方向认知能够实现方位定向和相对方位判断两种功能。与二维电子地图“上北下南、左西右东”固定方向模式不同，实景地图本身的方向会随着人视角的移动和变换而改变。实景地图的方向认知主要依靠导航标志完成，与三维电子地图相似，如果没有导航标志用户很容易陷入方向迷失。在实景地图中，一般有两种导航标志实现方式，第一种方式是类似于三维电子地图的全局导航标志，如图4（b）中的D矩形框所示，全局导航标志会随着人们观察的视角旋转，并给出正北方向的提示；第二种是沿着道路在“地面”上或在“道路交叉口”给出方向标识，如图4（a）和图4（b）中的C矩形框所示，用户在观看实景地图过程中可以根据此“箭头”标识同时结合其文字标注方向说明来定向，但图4（b）中“箭头”标识也没有文字方向说明，这时还需结合全局导航标志进行方向判断，会相对困难。

3．2 空间对象认知

实景地图空间对象的微观认知效果较好，因为实景地图的影像中包含大量直观的、隐藏的甚至可挖掘的空间对象信息。实景地图能够按照人的视角提供详细现实环境立面信息，例如建筑物外立面信息、道路及附属设施信息、自然景观信息以及现实环境中的社会、经济乃至人文信息。例如建筑物表面的广告牌、路标指示牌等都可以帮助人们更好地认知空间对象。此外，实景地图还提供一些有效的工具或手段来辅助空间对象认知，如图4（a）和图4（b）中的B矩形框所示直接标注了建筑物的名称、所在位置等信息，图4（b）中的E矩形框所示还直接链接该建筑照片信息。

但是，实景地图在认知空间对象时由于受观察视角的局限，还存在宏观上认知上的不足，特别是对线状目标和面状目标的认知。因为线状目标和面状目标往往跨越很长或很广阔的空间，而实景地图的每一视角是以人的视野为度量的，所以无法观察到线状目标和面状目标的外形、轮廓等整体情况。实际应用中，往往是由二维电子地图切入实景地图，例如在二维电子地图中突出显示出包含有实景地图的道路，用户纵览道路情况后，可以点击选择某条道路切入实景地图，观看实景地图结束后往往会返回二维电子地图再重新选择实景地图进行微观认知。

3．3 整体认知比较

从视角、真实性、信息量、感知度等方面对二维电子地图、虚拟地理环境和实景地图进行整体认知比较，以更好地理解三者存在的差异，具体如表1所示。

表1 整体认知比较

从视角方面来看，二维电子地图采用的是鸟瞰视角，所以其地理要素的整体概念认知效果好；虚拟地理环境采用的视角形式多样，可任意变动视角；实景地图采用的是人眼视角，视角比较单一。

从真实性方面来看，二维电子地图是对现实世界的抽象符号表达，其真实性最低；虚拟地理环境是“身临其境感”的逼真模拟，也能达到很高的真实性；实景地图是以实景图片展示的微观环境，是完全物理地、客观地，真实地。

从信息量方面来看，二维电子地图以点、线、面的形式表达地理要素，存在大量信息损失；虚拟地理环境主要以面元、体元表达多维的地理环境，仅显示已采集的三维地物，存在不少信息损失，但其提供地理过程和人类空间行为的模拟，所以总体信息量还是较高；实景地图的影像都是真实的环境信息，无信息损失。

从空间感方面来看，二维电子地图是平面图形的表达，空间感弱；虚拟地理环境是构建在逼真的多维地理空间的基础上的，所以其空间感自然强；实景地图虽然是360°的全景表达，但其认知范围受限，导致空间感较弱。

从感知度方面来看，二维电子地图通常需要借助图式规范才能完成地理要素的识别感知，感知度较低；虚拟地理环境提供接近自然的多维、多通道感知与交互方式，感知度较高；实景地图虽然支持的感觉类型和交互方式并不丰富，但其表达的是最符合人类视觉和记忆习惯的地面微观影像数据，所以其感知度高。

通过整体认知比较可知，实景地图是完全真实的场景再现，其真实性是二维电子地图和虚拟地理环境无可比拟的，另外其信息量庞大，感知度极高，虽然其人眼视角造成位置认知的局限，但也使其符合人类的视觉习惯。虚拟地理环境是客观环境的仿真模拟，与实景地图相比其认知效果也不差，但虚拟地理环境是建立在地形和地物模型基础之上的［13］，数据量和计算量大，系统构建成本高，且数据更新周期长。

4 结 论

利用实景地图能够将真实世界的场景还原在计算机构建的虚拟世界中以“人眼视角”进行显示，为用户提供更加真实、更加准确、更富细节的地图浏览服务。本文讨论了实景地图的概念、空间认知过程和空间认知效果3个问题，结论如下：

1）实景地图“亲历式”感知的过程比较容易让人接受，符合人类视觉和记忆习惯，但其认知的视角和路线受限；

2）实景地图的位置认知效果较差，距离认知方式多且效果好，方向认知依靠导航标志完成，空间对象的认知效果好；

3）与二维电子地图和虚拟地理环境相比，实景地图在真实性、信息量、感知度方面存在优势，而在视角和空间感方面劣势明显。

［1］ 李德仁，胡庆武．基于可量测实景影像的空间信息服务［J］．武 汉 大 学 学 报：信 息 科 学 版，2007，32（5）：377－380．

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［3］ 狄琳．实景影像地图的特点和技术审查探讨［J］．测绘与空间地理信息，2010，33（4）：130－132．

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