一種顧及用戶定位習慣的網絡地圖地名注記顯示方法

劉小春，李 響，王麗娜，王 培，李帥鑫

(1. 信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052； 2. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083)

一、引 言

據不完全統計，小比例尺地圖給讀圖者第一印象就是注記[1]，而地名注記是地圖注記的主要內容。特別是網絡地圖，廣大用戶主要關心的地圖注記是地名，而不是山脈、河流和高程點等。因此研究地名注記的顯示方法是改善網絡地圖易讀性的有效途徑。

國內外學者主要從3個方面來研究如何改善地圖注記的視覺效果。一是依據長期制圖經驗，總結和歸納注記設計的若干規則[2-6]；二是采用心理學實驗的方法來研究地圖注記的字體、字色和字位等基本特點對地圖易讀性的影響[1,7-8]；三是將制圖專家注記設計的經驗變成知識，然后通過計算機來對注記進行自動配置，即地圖注記自動配置的算法研究[9]。但是這些研究在顧及用戶定位習慣方面還不足。

網絡地圖不僅要考慮注記的清晰性、美觀性、無二義性等因素，更應顧及用戶查找和定位地名的習慣。用戶通常會以高級別的地名作為參考點來查找位置。如查找中牟縣時，用戶通常會先定位到鄭州，然后在鄭州以東的方向尋找中牟縣。因此高級別的地名注記的突出顯示更有利于用戶迅速查找到位置。地圖網站一般通過顯著增大字體尺寸、改變字色或淡化低等級地名注記等方法來突出高級別的地名注記。但是這種方法的不足之處在于高級別的地名注記太過醒目，容易分散用戶的注意力。正如Robinson所言：“最優秀的注記設計是當它們不需要被閱讀時，就不會分散人的注意力”[1]。此外，用戶在查找和定位地名時會頻繁地對地圖進行放大和縮小操作。在這種操作過程中，用戶極易丟失所關注的地名注記。如何通過視覺設計使得被關注的地名注記不易丟失也是提高用戶體驗的有效途徑之一。

本文建立和實現了一種基于“重心場”的網絡地圖地名注記顯示規則(以下簡稱“重心場顯示規則”)。該規則適用于從全國級別(約1∶2 000萬)到城市級別(約1∶25萬)點狀地名注記的變化和顯示，顧及了用戶定位查找地名習慣，可以有效增強用戶體驗。

二、重心場顯示規則

1. 假定條件和建立原則

重心場顯示規則基于以下兩個假定：

1) 假定用戶習慣以高級別的點狀地名注記作為參考點來查找低級別地名注記。

2) 假定用戶通過高級別地名注記查找低級別地名注記時，往往會有一種潛意識,這種潛意識讓用戶認為低級別注記應位于高級別注記的附近區域，不會在距離高級別注記較遠的區域，且在距離高級別注記更遠的區域中的注記與要查找的目標注記沒有關系。

該顯示規則的核心思想是將高級別的點狀地名注記作為重心場的重心，隨著以該重心為中心地圖比例尺的不斷變大向周圍輻射。當地圖比例尺進一步變大時，低級別的點狀地名注記也逐漸成為重心場的重心，進而向周圍輻射。如圖1所示，隨著地圖比例尺的變大，增加了3個低級別的注記。

圖1 重心場顯示規則

重心場中以高級別地名注記為重心，建立重心場，以重心為中心的兩個環將地圖劃分為了3個區域，如圖2所示。最靠近重心的區域稱之為引力區，引力區除顯示重心注記外，還顯示其周圍的低級別注記；內環和外環間的區域稱之為避讓區，避讓區需要隱藏低級別的注記；外環之外的區域稱之為外圍區，外圍區不受重心的影響，注記按照原有規則進行顯示。

圖2 重心的區域構成和注記顯示規則

該規則需要解決兩個關鍵問題：一是引力區、避讓區和外圍區范圍的設定問題；二是多個重心區域之間的沖突問題。

2. 范圍設定和區域之間沖突

引力區的基本要求是重心注記必須在該區域內完整顯示。無論四方向或八方向的點狀注記，引力區半徑的最小值(如圖3所示)均可以由如下公式確定

R≥L+h+r

式中，R為引力區半徑；L為注記寬度；h為符號和注記之間間隔；r為注記符號半徑。

避讓區的引入類似于藝術創作和攝影構圖中的“留白”，即通過空白使目標從背景中突出顯現出來，如圖4所示，通過重心場顯示規則將位于避讓區的原陽縣、開封縣、通許縣和尉氏縣注記對象隱藏，顯然查找位于引力區的中牟縣目標更加容易。

圖3 引力區半徑最小值

圖4 避讓區效果圖

由于指定尺度地圖上存在多個重心，因此地圖上某個位置可能是重心A的避讓區，但同時也是重心B的引力區。出現上述情況時，注記的顯示規則遵循引力區>避讓區>外圍區的優先級別。如某注記X在B的外圍區，但在A的避讓區，那么該注記應隱藏；同理，若注記X在B的避讓區，而在A的引力區，則該注記需要顯示。

3. 實際應用中的不足和解決策略

以全國1∶500萬、部分地區1∶25萬的居民地數據為基礎(包含全國各省/自治區、特別行政區/直轄市、省會、地級市/自治州/地區/盟、部分市轄區、部分縣/縣級市/其他、部分鄉/鎮/其他地名注記共計7060條)，在ArcGIS 9.3平臺上將該規則應用到從國家級別(約1∶1 900萬)到市級別(約1∶29萬)變化過程中的注記顯示。和其他顯示規則相比，該規則可以顯著提高基于用戶定位習慣的注記查找效果。

1) 在重心場顯示規則下，同一比例尺高級別的地名注記并非通過顏色、字體大小等顯著變化得到凸出顯示，而是通過在其周圍形成自然避讓區起到增強的效果。這樣既能突出高級別的地名注記，又避免了因為高級別地名注記過于醒目而影響讀者閱讀其他低級別地名的情況。同時由于不需要借助對比色來增強高級別地名注記，地圖用色數量減少，有利于整個圖面的和諧。

2) 不同比例尺下地名注記隨地圖比例尺變化時，呈現漸進式擴展和緊縮的圖形效果。同時由于色相和字號不會產生急劇地變化，用戶視覺不易丟失所關注的地名注記。

但重心場顯示規則中的避讓區使得同一行政級別的地名無法在同一比例尺下同時出現，這樣容易使用戶產生困惑。表1是百度地圖在部分比例尺下所顯示的不同級別的地名注記，以截至2005年底全國各省、自治區、行政特別區、省會、地級市、縣、鄉鎮等數量可以粗略估算出百度地圖地名注記最大密度為2.59 mm2/cm2(第3～9級之間),該數值遠低于普通地圖上相關研究所測定的居民地最高負載量(15 mm2/cm2)，也低于最適當的載負量(12 mm2/cm2)。因此該規則在實際應用中并不適用于所有的比例尺。在幾個地圖注記載負量較低的比例尺下(第4、6和8級)應用該規則，見表2，而其他級別仍然遵循常規的注記顯示規則。圖5是第4級比例尺的一般規則下顯示的地名注記和重心場規則下顯示的地名注記。

圖5

和表1相比，表2中第4、6和8級應用重心場顯示規則，使得部分低級別的居民地注記也顯示出來，顯著提高了居民地注記載負量，但是該值仍然遠遠低于最恰當的居民地注記載負量。

表1 不同比例尺下顯示的地名注記(百度地圖)

表2 重心場規則下的地名注記顯示(○符號代表部分顯示)

三、重心場顯示規則的可用性測試

為了檢驗和評價該規則的有效性，本文設計了兩個試驗。每個試驗均包含練習階段和試驗階段。被試對象為在校大學生(15名男生，9名女生)，平均年齡為21歲，裸眼或矯正視力正常。被試對象坐在距離計算機大約50 cm處，依據指導語，通過鼠標和鍵盤操作盡可能迅速準確完成所規定的任務。當被試對象能連續10次成功完成任務時，證明已經完全熟悉該試驗過程，可以進入試驗階段。試驗階段除完成任務與練習階段不同之外，其他方面均相同、整個試驗過程程序會自動記錄下被試對象測試過程中的鼠標和鍵盤交互動作、完成時間，以及被試對象在試驗前填寫的個人資料，此外，抓屏軟件會自動記錄下每位被試對象的操作視頻。

1. 試驗1

(1) 目 的

由于在第4、6、8級比例尺下應用了重心場顯示規則，地名注記載負量提高，因此試驗1旨在測試因重心場顯示規則所導致載負量的提高在多大程度上影響了用戶對高級別地名注記的識別。

(2) 試驗設計

在第4、6、8級比例尺下，以省級行政中心或直轄市(對應第4級)、地級市(對應第6級)和縣(對應第8級)為中心，按照一般注記顯示規則(見表1)和“重心場”注記顯示規則(見表2)分別制作相應的靜態地圖(圖片形式)。被試對象在地圖上查找相應的地名，如“查找北京市的位置”，以鼠標準確單擊到該地名結束。以北京市為例，被試對象會在如圖6所示的兩種地圖上進行試驗。

圖6

由于該試驗主要是測試載負量的提高在多大程度上影響了用戶對高級別地名注記的識別。因此試驗前會通過在中國行政區劃圖上標注所需查找的地名及其位置的方法，告知被試對象，并要求被試對象盡可能熟悉。同時為避免任務之間的相似關聯性影響測試的準確客觀性，試驗會對任務出現的順序進行拉丁方平衡，通過平衡試驗順序有效地減少了試驗順序對試驗結果的影響。

(3) 結 果

數據統計結果見表3，在重心場顯示規則下，查找地名的平均時間比一般顯示規則下的平均時間要長，但是采用重心場顯示規則可以使地圖載負量顯著提高。時間上重心場顯示規則比一般顯示規則平均長168.25 ms，相對一般顯示規則時間上長了15.4%，但是地圖載負量卻增加了6.89倍。

表3不同類型地圖上地名查找時間的平均值/標準差與地圖載負量

地圖類型平均值/標準差/ms地圖載負量/(mm2/cm2)一般顯示規則1091.78/377.050.47重心場顯示規則1260.03/103.963.24

2. 試驗2

(1) 目 的

試驗2旨在測試重心場顯示規則是否能夠有效提高用戶查找居民地的速度，從而改善網絡地圖的易讀性。

(2) 試驗設計

和試驗1所采用的靜態地圖不同，試驗2采用的是動態地圖。試驗2依據兩種不同顯示規則，通過ArcGIS制作好相應的地圖文檔，使用戶通過ArcGIS提供的縮放和漫游工具來查找地名，同時通過編程實現的ArcGIS小插件來記錄被試對象測試過程中的鼠標、鍵盤交互動作和完成時間。

此外，被試對象查找的地名注記也和試驗1有所不同，在試驗2中查找的地名注記分為兩類，一類是被試對象并不熟悉的地名，而另一類則是非常熟悉的地名，如家鄉或自己工作地點等。兩種類型的地名查找之前，都會輔以文字提示，如“請在地圖中查找中牟縣，它在河南鄭州市以東。”

(3) 結 果

數據統計結果見表4。在查找熟悉地名時，重心場顯示規則顯然比一般顯示規則要快，平均要快1 501 ms；但是在查找陌生地名時，重心場顯示規則卻慢于一般顯示規則，平均要慢9 359.33 ms，這和試驗預期結果恰恰相反。通過觀察被試對象的測試錄像發現，原因是用戶在查找陌生地名時，重心場顯示規則會導致同一行政級別地名并非在同一比例尺下同時出現的情況。因此當和所查找地名同一行政級別的地名出現時，用戶無法確定陌生地名的準確位置，往往停止繼續放大，而是不斷在高級別地名注記周圍尋找，降低了用戶查找地名的效率。但是當用戶查找熟悉地名時，若在地圖上沒有發現地名，用戶通常不會懷疑自己的判斷，而是選擇繼續放大，因此不會降低用戶查找地名的效率。

表4不同類型地圖上地名查找時間的平均值/標準差ms

四、結 論

通過上述試驗可以得出如下兩點結論：

1) 和一般地名注記規則相比，重心場顯示規則會在某幾個特定比例尺下使得地名注記載負量提高5～6倍，從而在一定程度上影響了用戶對高級別地名注記的識別，但是該影響并不顯著。

2) 重心場顯示規則會顯著提高用戶查找熟悉地名的效率，但并不能顯著提高用戶查找陌生地名的效率，甚至會降低查找陌生地名的效率。用戶在實際使用網絡地圖時，若查找熟悉地名，通常使用縮放和漫游工具；而若查找陌生地名，更傾向于使用搜索工具。因此這在一定程度上彌補了重心場顯示規則在查找陌生地名時的不足。

綜上所述，重心場顯示規則非常適用于網絡地圖點狀地名注記顯示，可以有效提高網絡地圖點狀地名注記的易讀性，但是引力區大小與地圖尺度、圖形符號大小和注記字大小等都有一定的關系，具體應用中需要考慮引力區大小設定問題。

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