基于室内空间特征的室内地图表达

应 申,朱利平*,李 霖,苏慧哲,曹晓航

(1.武汉大学资源与环境科学学院,武汉 430079;2.北京四维图新科技股份有限公司,北京 100028)

基于室内空间特征的室内地图表达

应 申1,朱利平1*,李 霖1,苏慧哲1,曹晓航2

(1.武汉大学资源与环境科学学院,武汉 430079;2.北京四维图新科技股份有限公司,北京 100028)

当前室内地图的研究主要侧重于定位、导航等位置服务,却很少关注其自身的建模和表达。而室内地图是室内位置服务的信息载体和计算基础,其建模与表达会在很大程度上影响地图信息的传输。目前的室内地图大多从建筑设计的角度出发,仅表示出建筑要素,其传达出的信息相对于复杂的室内空间是十分有限的,并且由于其缺乏空间认知的支持以及适当的地图要素表达方式,会给用图者带来困难和误解。本文从空间认知的角度,以人们对空间定位、边界的首要需求出发,将室内环境中的空间分为封闭空间、半封闭空间以及开放空间,并特别关注空间边界的半高情形。据此进行室内要素的建模选择与表达,使室内地图更符合我们人类的空间认知,并且可以满足室内地图的导航、应用等需求。

室内地图;空间认知;开放空间;半高边界;建模与表达

0 引言

随着城市的快速建设发展,大型室内建筑的结构日益复杂以及线上到线下(online to offline, O2O)商业化运营模式的出现,人们对室内地图的需求也日益增长,各种室内地图产品应运而生。相比于室内地图的实际应用,其理论发展稍显滞后,室内地图的制作尚未有统一的标准与规范。针对室内地图的设计与表达,相关研究也较为鲜见。文献[1]总结了室内紧急用图的标准,并针对YAH地图(You-Are-Here Maps)提出了其地图设计评估的一般准则。文献[2]受到伦敦地铁图的启发,提出了一种室内通道的设计方法,即提取出每层楼的通道,将这些通道叠加显示在一张图中,使读图者只通过一幅图即可大致了解整栋建筑物的空间结构。文献[3]通过众多被试对不同类型地图的实用反馈情况进行分析,表明室内地图的设计对于室内寻路、导航具有至关重要的作用。文献[4]基于室内要素分析,设计了室内地图的概念模型。文献[5]基于空间认知提出了移动室内地图的设计指导原则,并根据其原则设计了三种模式的室内地图。

上述研究对室内地图的设计与可视化表达有一定的指导意义,但室内地图的研究尚处于起步阶段,仍存在很多问题亟待研究解决。纵观目前现有的室内地图,大多是从建筑设计的角度出发,仅表示出建筑要素,这种方式的室内地图所传达出的信息相对于复杂的室内空间是很有限的,且由于缺乏空间认知的支持以及适当的地图要素表达方式,容易引起误解,使读图者误认为面状区域是完全封闭或是完全开放的。当应用在室内导航中时,将无法把用户准确地引导进/出该区域。现有的室内导航中,虽然在导航数据里有店铺的出入口位置信息,但是没有在地图上直观地显现出来,无法使用户主动地从地图上获取信息。已有的室内数据模型,如IndoorGML、建筑信息建模(building information modeling,BIM)中的工业基础类(industry foundation class,IFC)等,一方面缺乏其论述要素选择的认知依据和理论基础,另一方面重在从信息管理角度出发对数据模型的建模以支持后期的数据管理,缺乏从表达和视觉认知角度对室内地图的展现。本文就从空间认知的角度出发,以空间分割特征为重点,对室内空间要素进行建模选择与表达,以利于读图者对室内空间的认知与理解,并满足室内导航、应用等需求。

1 室内空间的特点和室内空间认知

空间认知是指人们认识自己赖以生存的环境,包括其中的诸事物、现象的相关位置、空间分布、依存关系,以及它们的变化和规律[6]。恰当的空间认知可以使人们在各种环境中都能清晰地对自我进行定位及方向的指引,它既能保证场所的各项活动井然有序,在紧急情况发生时也有利于人员的安全疏散[7]。与室外地图成熟的理论相比,室内地图的理论研究处于刚刚起步的阶段,其关于空间认知方面的研究尤为缺乏。

1.1 室内空间的特点

与室外空间相比,室内空间具有自己独特的特点:

1)室内空间的空间粒度较小。相比于室外地理空间,室内空间的尺寸较小。

2)室内空间的分割特征较为明显。通常通过墙体、栏杆、柜台、玻璃体等将室内空间进行进一步分割。

3)室内空间中的实体都是人工设施[8],具有一定的规范性。

4)室内空间存在大量的物体阻碍人的视野,从而妨碍了人们对于室内整体空间结构的理解,也限制了人们对于室内局部线索的获取[3],影响人的认知,使人产生负面的情绪。

5)室内空间中的“通道”比室外的道路更加复杂。室外的道路通常是地理空间中做加法、通过人为建造而产生的;而通道通常是室内空间被分割,空间单元被占用后做减法剩下的部分。不同于室外道路的线性布局,室内环境是基于开放空间的,很多没有显性的线性通道,也无法表达出通道;换句话,通道是通过开放空间来表达的。只要是无阻碍物、可通行的区域均可认为是通道,且没有名称予以区分,这会使行人无法快速准确地进行基于“道路”的自我定位,易于迷失方向。这就给室内导航路线的确定带来转换的难度,进而增加室内定位和导航的挑战。

6)大型室内建筑多为多层或错层的情形,不同楼层之间的连接和通行是用户十分关心的。

1.2 室内空间的认知

在不同情境下不同类型的空间对人的行为产生不同影响,这是人与环境之间存在的一种结构性关系,也就是可供性(Affordance)[9]。可供性与视知觉和认知紧密相关,可供性是真实行为的可能性,视知觉信息是凭借视觉而感知到的可能行为的信息[9]。当应用在地图设计中时,只有保持两者的一致性,也就是利用可感知的可供性,才能使读图者不加思考或是经过稍微思考,就能在最短时间内读懂地图。因此在室内地图中以视觉的形式区分不同类型的空间是十分必要的。

室内环境可分为实体和“空”空间这两部分。“空”空间由实体界定,实体处于“空”空间之中,二者相互依存。从空间认知的角度看,实体与“空”空间的本质区别在于实体会阻隔视线,而“空”空间则会保证视线畅通[10]。人的活动都是在“空”空间中进行的,所以人们在室内环境中活动时,主要通过视线引导来避开实体,这种视觉引导规则决定了人们在环境中的移动行为[11]。日常生活中,人们在无意识的漫游中对环境首先感知其阻挡关系,也就是人们对空间的认知表现为对视线的阻挡或指引,其次才是空间的远近和形态。室内空间认知在描述建筑内部空间模式时重点利用空间分割特征,不仅关注局部的空间可达性,而且强调整体的空间通达性和关联性。

室内场景大致可以分为商场、货场、交通中心、会展中心这四种类型,不同的室内场景有各自的特点。由于机场、车站、地铁站等交通中心提供的是地点之间的连接功能,在该室内场景中的人们具有很强的目的性,总是希望用最短的时间到达目的地,所以其具有较高连接度,即有着较长的视线长度或是较大的视域面积[12],并且决策点数也较少。商场提供的是逛的功能,在该场景中的人或是有目的的购买,或是无意识的闲逛,所以其具有迂回性与可连通性,且商场的空间粒度相比于交通中心要更小。

1.3 基于分割的室内空间划分

由于室内空间认知的基础是视觉认知,而视觉认知的核心与室内空间的分割密不可分。本文就基于空间认知中的空间分割特征对室内空间进行表达。空间分隔是指对一独立空间或组合空间进行重新分隔组合[13],包括横向分割和竖向分割。横向分割是指将室内空间在水平方向上进行分割,根据水平方向上空间边界的封闭与否,可将空间分成全封闭空间、全开放空间、半封闭半开放空间。其中半封闭半开放空间中的开放空间可以是纯粹的开放空间(即无门的情形),也可以是由门打开而形成的空间。竖向分割是指将室内空间在垂直方向上进行分割,根据垂直方向上空间的高度,可将空间分成全高空间、半高空间。全高空间指该空间的高度等于层高,而半高空间指该空间的高度低于层高,其中半高空间又可细分为高分割空间和低分割空间。低分割空间的空间边界高度低于正常成年人身高,如图1(a)中所示的柜台;高分割空间的空间边界高度高于正常成年人身高,但又低于楼层的高度,如图1(b)中所示的货架。综合横向分割和竖向分割可将室内空间分为开放空间、封闭半高空间、半封闭全高空间、半封闭半高空间。

1)开放空间是指空间在边界的水平和垂直两个方向上均可通行,如图2(a)所示,这种类型空间的特点是视野开阔,流动性好,易于视觉、声音传达,具有良好的视觉连续性和通达性[14];

2)封闭半高空间是指空间在水平方向上不可通行,在垂直方向上部分可通行,如图2(b)所示,这种类型的空间边界具有一定高度,可以阻挡人流,通达性没有开放空间强,但空间并没有被完全遮挡,不影响视觉连续性[14];

3)半封闭全高空间是指空间在水平方向上部分可通行,在垂直方向上不可通行,如图2(c)所示;

4)半封闭半高空间是指空间在水平方向上部分可通行,在垂直方向上部分可通行,如图2(d)所示,这种类型空间内的声音、气味、景观、灯光等可以渗透到空间外部,从而引起人们一探究竟的好奇心,使空间具有吸引力[14]。

图1 半高空间

图2 不同类型的室内空间

不同类型的空间对人的行为将产生重要影响,包括应急逃生、灾害预警、室内导航等。在正常的情况下,各类型空间发挥各自主要的功能,如购物、展示、休憩、办公等。但在其他情况下,又将发挥不同的功能,以应急逃生为例,低分割空间在发生紧急情况时可直接跨越,而无需绕至开放边界,节省逃生的时间,为存活争取更多的希望;高分割空间虽不可跨越,但由于该类型空间与楼顶之间存在空隙,在火灾发生时,烟雾可进行扩散,使人们及早意识到火灾的发生;而封闭空间由于与周围环境的流动性较差,具有较强的抗干扰能力,所以可将紧急事态控制在小空间内,减少对外界的影响。导航是人类认知和行为的直接体现,室内导航的前提是明确室内空间的通行和阻挡信息。开放空间对于室内的导航具有十分重要的作用,只有明确表示出开放空间,导航系统才能将用户准确地引导进/出某区域。

2 室内地图的表达方法

2.1 室内地图制图原则

基于空间分割,综合考虑室内空间的建造特征、通行特征等,制定如下室内地图制图时的一些原则:

1)由于人类的室内空间认知行为是直接与室内空间对象发生作用的[15],而室内空间对象是用以表示空间实体的,所以在空间分割时,室内空间对象应与空间实体保持关系、边界、性质等方面的一致性[16];

2)由于人类对事物的认知遵循整体到局部的规律,室内空间也不例外,首先确定一个由边界表示的室内空间,然后对室内空间进行进一步划分;

3)由于目前已有众多室内地图产品,人们对室内地图中的常用符号已有先验认知,所以无需对常用符号进行创新,使用现已约定俗成的符号即可,以避免用图者视觉上的混淆;

4)由于室内要素繁多,而室内地图大多应用于移动端,所以应考虑图面的简洁性,对室内人工要素做一定的综合和简化,仅保留显著要素,清晰地将室内要素呈现在地图上;

5)考虑到室内空间类型和使用特征的不同,应将制图要素分类分级,在要素表达时主次区分,重点突出;

6)由于室内的楼层概念较强,所以应突出表示直梯、自动扶梯、步行梯等楼层间的连接要素。

2.2 室内要素的选择

在确定室内空间被分割形成不同的空间单元后,进一步对空间单元进行形式化处理和建模,这也是当前CityGML和BIM等室内数据建模研究开展的内容。室内空间的语义相关属性(如兴趣点、通道、店铺、房间等)则根据室内场景(如购物中心、交通中心、会展中心等)和应用目的的不同而存在很大的不同。本文从例证室内空间认知的完整性出发,选择了以购物中心为例来说明完整的室内地图内容。对分割后确定的空间单元辅以语义属性就构成通常人们最为关注的店铺、兴趣点、收银台、服务台等购物类要素,同时综合室内空间的通行性,具有通行功能的通道、门、出入口、步行梯、直梯、扶梯等室内通行要素就成为室内地图的重点制图对象。不论是处于何种室内场景中,卫生间、问讯处等这类与服务相关的要素也都是用户所关注的内容。本文以购物中心为例重点选取了三类要素,如表1所示。

表1 购物中心室内要素选择

2.3 室内地图表达

现有的室内地图大都以线、面两种数据类型进行简单结合来表示空间。本文为了表达出不同类型的空间,以线、面进行稍复杂的组合来进行表达。其中面用以表示区域的空间占有,面域色彩标示面域的不同属性;用线来表示区域的边界,又以不同的线型来标示不同的空间边界类型。水平方向上的空间分割用实线来表示,垂直方向上的空间分割用虚线来表示,而是否有边界则用线的有无来表示。对于有出入方向限制的出入口,用与边界垂直、且与出入方向一致的短线来表示。根据此原则, 4种不同类型的室内空间的表达如图3所示。

图3 不同类型室内空间的表达

本文依据上述要素选择、制图原则以及基于空间认知的表达方法,以武汉市群光广场一楼和大洋百货(中山店)一楼为实验区,制作了室内地图,如图4和图5所示。

图4 群光广场一楼室内地图

图5 大洋百货一楼室内地图

以群光广场室内地图为例,将右下侧进行局部放大,如图6(a)所示。再将其与现场实景(图6 (b))进行对比,可以清楚地看出空间单元“周大福”为半封闭全高空间,“明牌”和“新金”为封闭半高空间,地图与实景表达的内容是一致的。

图6 室内地图的局部(a)与对应的实景(b)

3 结果分析

将本文制作出的室内地图与现有的室内地图进行对比:图7为已有图商制作的群光广场一楼的室内地图,排除因采集时间不同而出现的店铺属性不同的因素,可以看出由于本文制作出的群光广场室内地图(图4)表达出了空间的分割特征和开放性,用户对于室内空间的整体和局部细节的认知和把握更清晰,并且室内地图并没有因为空间开放性的表达而影响图面的简洁性。

图7 不同图商的室内地图对比

将本研究中基于室内空间分割特性制作出的群光广场室内地图分发给30位被试进行调研,结果发现所有的被试表示较易获取室内空间的阻挡与通行关系,均能根据图中实线的有无快速找到商场以及室内小粒度空间的出入口,其中大多数人也能根据现有室外地图中虚线一般表示在建道路的经验判断出室内地图中的虚线代表空间上的高度关系,比如轻易识别出图6中店铺的围栏的不同。并且借助于该地图,所有的被试均能快速的到达指定的某一店铺入口处。实验结果表明,基于本文提出的方法制作出的室内地图符合人类关于室内空间的认知,并能有效应用于用户的室内寻路、导航行为中。

4 结束语

随着室内地图需求的日益增长,国内外学者也越来越重视室内地图的研究。但是目前的研究主要侧重于室内地图的定位、导航等位置服务,很少关注室内地图自身的建模和表达,更缺乏对室内地图空间认知的研究。本文从室内空间认知中的分割特征出发,总结了室内地图制图的原则,并进行室内空间要素的建模选择和表达。并以两个商场为例说明了本文提出的室内地图表达方法的有效性,这种方法也适用于其他室内场景,如博物馆、展览馆、会议中心、大型交通中心等。但本文仅对单一楼层下室内地图的建模与表达方法进行了研究,在后续的研究中将对多楼层的情况进行深入探究。

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Representation of Indoor Maps with the Analysis of Indoor Space

YING Shen1,ZHU Liping1*,LI Lin1,SU Huizhe1,CAO Xiaohang2
(1.School of Resource and Environment Science,Wuhan University,Wuhan 430079,China; 2.NavInfo Co.,Ltd.,Beijing 100028,China)

Current researches on indoor maps primarily focus on indoor location-based services,such as positioning and navigation,but little attention was paid on modeling and representation of indoor maps.However,the indoor maps are the foundation of information and computation for indoor location services,and their modeling and representation will affect the transmission of map information seriously,which is vital for human cognition.Most of the current indoor maps,from the view of architectural design,focus on the representation of architectural elements.However,these indoor maps convey very limit information about indoor cartographic features.Even worse,they would make people confused or misled.In this paper,from the perspective of spatial cognition,based on the cognitive demands on spatial location,spatial positioning and spatial navigation,the indoor space is divided into three types:closed,semi-closed or open space according to the different types of space boundaries,and pay particular attention on the case of half-height boundary.Accordingly,we choose responding objects to model and represent the space,which would cater to human’s cognition to easily understand and interpret the indoor map.Furthermore,this method can meet the navigation and application needs of indoor maps.

indoor maps;spatial cognition;open space;half-height boundary;modeling and representation

P228

A

2095-4999(2015)-04-0074-05

2015-07-18

国家863项目(2013AA12A203)。

应申(1979—),男,安徽界首人,副教授,主要从事地图学与GIS、三维地籍研究和教学工作。

朱利平(1990—),女,湖北襄阳人,硕士生,主要从事室内地图和手机增强现实研究。

应申,朱利平,李霖,等.基于室内空间特征的室内地图表达[J].导航定位学报,2015,3(4):74-78,91.YING Shen,ZHU Liping,LI Lin,et al.Representation of Indoor Maps with the Analysis of Indoor Space[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):74-78,91.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150414