导航电子地图主动表达模型研究

马　健，江　南，武丽丽，冯长强

(信息工程大学，河南郑州450052)

导航电子地图主动表达模型研究

马健，江南，武丽丽，冯长强

(信息工程大学，河南郑州450052)

摘要：目前，导航电子地图“千人一面”的服务模式不能满足用户追求个性的时代特点。文中从用户因素和时空环境两方面对导航电子地图内容主动表达的影响因子进行深入研究，建立导航电子地图主动表达模型。与传统表达模式相比, 主动表达模式关注特定时空环境下用户的个性和偏好，对有不同的认知特征和不同导航任务的用户在不同环境下采取不同的表达策略，服务质量有所提高。

关键词：导航电子地图;用户因素;时空环境;影响因子;主动表达模型

导航电子地图是移动位置服务(LBS)的可视化产品，是导航数据显示的载体。随着现代交通、旅游业、通讯技术和网络技术的发展，正逐渐深入到普通百姓的日常生活中。导航电子地图的应用特点，决定其与普通电子地图在表达方面有很大不同。如果将普通电子地图看作文学作品，导航电子地图则是一篇时效性很强的新闻报道。目前，对导航电子地图表达的研究主要集中在符号设计[1]、空间认知方面[2-3],而在以用户为中心的主动表达研究方面才刚刚起步，大大影响导航电子地图信息传输的效率。

导航电子地图主动表达，就是围绕用户认知特点及需求，根据导航设备所处的时空环境(设备、区域特点等)，对导航电子地图地理要素选取并可视化的过程。主动表达，顾名思义就是以用户能够获得最大认知效果的表达方法进行地图的显示。导航电子地图作为普通电子地图一种新的应用模式，其载体、用户群体以及应用环境都发生深刻变化，导航电子地图的表达亟需新的解决思路[4]。导航电子地图最重要的特征是移动性，其表达内容随着环境的变化以及用户的操作不断更新。移动性的特点一方面注定导航电子地图最重要的任务是让用户快速理解地图，及时从图中获得位置相关的信息。因此，需要将用户关注的信息以一种最符合用户认知思维习惯的方式提供给用户；另一方面，移动性对导航电子地图数据的显示速度提出更高的要求[5]。

目前，对导航电子地图的主动表达的研究集中在比例尺的自适应调整方面[6]，对用户和时空特征研究较少，但导航电子地图面向个体用户，应更切合用户的认知水平、认知习惯及任务需求，而且应能根据其时空环境的不同，调整其表达方式，使表达效果更便于用户接受导航信息。

因此，本文针对导航电子地图用户需求、使用环境、设备特点等因素，在传统导航电子地图的可视化理论的基础上进行深入研究， 并构建面向个体用户主动表达的用户兴趣模型，为主动表达技术的发展和导航电子地图自动化、智能化程度的提高奠定理论基础。

1导航电子地图主动表达的影响因子分析

Reichenbacher提出用户、时空环境以及任务影响地图的自适应可视化表达[7]，并总结移动环境中影响信息选择及表达的因素[8]。时空环境状态是信息选择及表达的核心，技术、信息、用户、行为都是围绕着特定的时空展开(见图1)。在该理论引导下，导航电子地图因时空环境不同有着不同的表达模式，但是由于对用户的关注较少，导致地图内容在表达上“千人一面”，没有体现“以用户为中心”的地图服务理念。导航电子地图主动表达影响因子主要分为用户和时空环境两大类，不同的时空条件下不同的用户有不同的需求，应采取不同的表达策略，下面对这两大部分进行详细阐述。

图1　移动环境中影响信息选择及表达的因素

1.1　用户因素直接影响导航电子地图主动表达

主动表达主旨在于体现用户的需求并为用户服务，用户因素是影响导航电子地图主动表达的核心，因此一切都要从用户的角度出发，分析用户的认知特点及任务需求，才能实现导航电子地图主动表达。

1.1.1　用户认知特征

用户是影响主动表达的关键和主导因素，其认知特征直接影响POI的选取与表达。认知过程有很强的目的性，导航地图的作用是以最小代价提供相关位置服务和辅助决策信息[9]。不同的用户，其文化层次、能力和个性不同，对导航电子地图信息的接受程度和偏好也存在差异[10]。为了更加人性化地进行信息抽取与可视化，表1总结用户群的认知特征。

表1　用户认知特征表达需求分析

1.1.2　导航任务

导航任务作为用户的需求，也属于用户因素的大范畴。不同的任务，其表达特点有所不同。表2详细分析几种常用的导航任务的表达特点。

1.2　时空环境间接影响导航电子地图主动表达

用户在特定的时空环境下使用导航设备，不同的时空环境用户认知能力不同，用户不断对时空环境进行反馈，导航系统将反馈信息记录在历史记录文件，作为下一步建立主动表达模型的基础。

不同的区域特点和时间特点，表达方法也存在差异，主要体现在POI(Point of Interest,兴趣点)重要性的差别上，如在村庄导航时，超市、商店、小饭馆等的重要性都需要提升，又如在用餐时间导航时，餐饮类的POI重要性也应该提高。不同的时空环境可以采用多模式[9]进行表达, 以便更加贴近用户的认知习惯。此外，不同区域密度常用比例尺也不同[11]。

表2　导航任务表达需求分析

该部分针对时空环境表达方法的研究是以符合一般用户认知习惯为原则，属于先验知识的范畴。导航地图是面向个体用户的，因此需要在通用表达机制的基础上研究每个用户的个性特点。除了用户自身的因素外，用户对不同的时空环境反应也是不同的：有的用户对环境变化较为敏感，有的用户可能对某类POI含有特殊偏好等。因此，必须建立针对个体用户建立导航电子地图主动表达模型，引入自学习机制，通过分析历史记录挖掘特定时空环境下用户的个性需求和偏好，体现导航电子地图主动表达服务用户的理念。

2导航电子地图主动表达模型的构建及触发

为了定制因人而异的服务模式，需要研究个体用户在特定时空环境的认知特征，本文通过用户历史操作记录挖掘用户的偏好信息，在此基础上建立导航电子地图主动表达模型，实现对导航地图表达的内容进行主动调整。本文建立的顾及用户及时空环境的主动表达模型主要涉及对表达有较大影响的方面，对诸如屏幕显示能力和数据处理能力等不予考虑，其可形式化描述为九元组的形式：

(1)

式中：M，T，S为条件因子；I，R，L为结论因子；s1，s2为可靠性因子。具体含义及描述形式为：M为导航任务类型,以整形数值表示；T代表时间特征，用6个整数分别表示早上、上午、中午、下午、傍晚、夜晚；S代表空间特征，用三位整数表示，高位整数代表行政区划等级，中间位置整数以区分城市和农村，第三位分别表示密集区、较密集区、较为适中区域、较为稀疏区、稀疏区；I为当前条件下的权重兴趣点有所增加的类型，s1为对应的该兴趣点权重增加的可靠性。R为当前条件下的比例尺级别，表示当前条件下用户对R级别比例尺的偏好权重，s2为比例尺级别的可靠性；L为当前条件下适宜的载负量，s3为此载负量的可靠性。可靠性用1~10表示，每一条件最多产生10个结论因子。在初始设置的基础上当新的用户记录传入该模型，首先寻找匹配的条件因子和结论因子，如果非最高值(10)，将可靠性调整到10，其他的依前面的顺序排列。具体示例(顾及文章的可读性，此处没有进行编码处理)如表3所示。

对导航历史记录进行形式化表达之前，还需对其进行预处理，因此引入模型库机制。用户在导航地图上的操作主要包括放大、缩小、漫游、设置兴趣点、设置起始点目标点等。针对前3种操作，模型库处理方法主要包括以下两种：对连续相同的操作进行合并，如连续的放大；对于短暂连续时间内的互异操作，如放大、缩小，视为用户错误操作，对该种噪声数据予以删除。在导航电子地图主动表达模型支持下的主动表达过程如图2所示。

表3　主动表达模型简要示例

图2　导航电子地图主动表达过程

从图2可以看出，系统收集用户导航任务信息以及当前空间特性和时间特性，从模型中提取用户的要素偏好和尺度偏好等信息，根据用户偏好进行表达，在此过程中，用户将根据自己的需求不断地操作，将此操作记录到历史记录，模型库对数据进行分析，并调整记录的可靠性。正是由于反馈机制的存在，该模型具有一定程度的自学习能力，经过多次使用和训练，该模型将越来越“熟悉”用户的认知习惯，用户使用起来将越来越得心应手。

此模型首先在用户设置目的点及兴趣点时确定用户的导航任务，比如兴趣点是“火锅店”，导航任务为寻找单个模糊目标，设置目的点是“**

市”，表明导航任务为旅游或出差，导航任务对应的编码记录为M；用户认知特征一般有默认参数，也可由用户在导航前设置，不同的用户认知特征将改变整体载负量、POI载负量的大小(具体数值将根据经验值设定)，即在模型给出结果之后将第二次调整；提取当前目标所在行政区划判断区域特征；提取用户设置的兴趣点类型，将兴趣点本身的重要性(在属性数据中)进行综合，得到POI综合的权重；系统时间信息的提取直接简单计算得到时间编码。将规则的条件，根据模型查找最优可靠性表达策略进行符号表达[12]。因此，本模型是个实时应用实时更新的模型。

3实验

为了验证本文研究的有效性，笔者在VS2010平台上开发了相应的试验系统，基于郑州市导航数据进行相关实验。引入主动表达模型后， POI的显示将顾及用户的要素偏好和尺度偏好信息。同一位置下、相同的移动环境中，截取典型区域效果对比图如图3、图4所示，其中图3是没有引入主动表达模型的普通的导航地图，图4是引入针对某用户的主动表达模型下相同时空环境的导航地图。

图3　普通模式下的导航地图

通过两图的对比可知，引入主动表达模型的导航地图，考虑到用户的需求，针对在该导航时空环境下某偏好于餐饮类的用户，在表达时将餐饮类的POI增加显示。对于其他的偏好类型，如尺度偏好、外观偏好等采取其他显示策略。

4结束语

本文对导航电子地图内容主动表达的影响因子从用户因素和时空环境两方面进行深入研究，在此基础上建立导航电子地图主动表达模型，与没有引入主动表达模型的传统表达模式相比,主动表达对不同的用户采取不同的表达策略，显然具有更高的服务质量。本文为导航电子地图内容主动表达理论体系的构建做了一定的探讨，但是本文构建的模型具体的参数、最合理的设置还需要经过导航实践和专家讨论，是下一步要进行的工作。

图4　引入主动表达模型的导航地图

参考文献：

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[5]于艳平.面向移动地图表达的POI动态综合方法研究[D].南京：南京师范大学，2012.

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[7]Reichenbacher T. Adaptive Concepts For A Mobile Cartorgraphy[J]. Supplement Journal of Geographical Sciences,2001(11)：43-53.

[8]Reichenbacher T.Adaptive Methods For Mobile Cartography[C].Proceedings of the 21st 2 International Cartographic Conference (ICC), 2003(8):1311-1322.

[9]刘召芹，谢彩香，林宗坚，等.空间认知对等导航电子地图的简化探讨[J]. 地理与地理信息科学，2006,22(4):11-15.

[10]白小双，江南，肖颖俊.中小比例尺基础电子地图多尺度显示的尺度划分[J].测绘科学，2014，39(5)：126-129.

[11]江南，曹亚妮，等.不同密度区电子地图多尺度显示模型的建立与应用[J].武汉大学学报：信息科学版,2013，38(4):465-469.

[12]张志军，邱俊武.通用地图符号表达机制的研究[J].测绘工程，2013,22(5):20-28.

[责任编辑：张德福]

中图分类号：P208

文献标志码：A

文章编号：1006-7949(2015)02-0019-05

收稿日期：2014-01-04；修回日期：2014-10-10 国家自然科学基金资助项目 (41271450)

作者简介：马健(1988-)，女，硕士研究生.

Research on active expression model of navigation electronic map

MA Jian, JIANG Nan,WU Li-li,FENG Chang-qiang

(Information Engineering University, Zhengzhou 450000,China)

Abstract：At present, the navigation electronic map “one-size-fits-all” service mode can not satisfy the user’s age characteristics of the pursuit of personality. So this paper carries out a navigation electronic map active expression model research. The navigation electronic map content active expression is thoroughly studied from two aspects of user and time and space environment, and navigation electronic map active expression model is established. Compared with traditional expression pattern, active expression pattern is focused on the user’s personality and preferences in the specific time and space environment and different strategies are taken for the user with different cognitive characteristics and different navigation task in different environment. And the quality of service has been improved.

Key words：navigation electronic maps; user factor; time and space environment; impact factor; the active expression model