實景地圖的空間認知研究

柳佳佳，葛 文

（1．信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052；2．65014部隊，遼寧 沈陽 110027）

近年來隨著攝影測量技術和計算機技術的迅速發展，實景地圖應運而生，它是以一種可量測影像直接反映現實世界的地圖。目前，實景地圖已經廣泛應用于城市規劃、交通運輸、公共設施管理、軍事公安等領域，也有一些學者從不同角度對實景地圖展開研究。李德仁院士在國內首先提出可量測實景影像（也叫實景地圖或全景地圖）的概念，研究了可量測實景影像與傳統4D產品的集成模式和基于可量測實景影像的空間信息服務體系，并牽頭制定該產品的國家標準［1，2］；狄琳探討了實景地圖的技術審查方法［3］；胡慶武、王萬峰、李大軍等討論了實景地圖的應用問題［4－6］。

可以看出，學者們對于實景地圖的應用問題討論較多，但是實景地圖作為一種新的地圖產品，人們如何利用它去認知現實世界也是一個值得探討的問題；另外，學者們針對紙質地圖、電子地圖、虛擬地理環境、網絡地圖、導航地圖的空間認知問題均有研究［7－11］，而對于實景地圖的空間認知問題目前還未見到。基于此，本文對實景地圖的空間認知問題進行研究。

1 實景地圖的概念

實景地圖也叫可量測實景影像（Digital Meas－urable Image DMI 是利用三維全景技術建立的地圖，它實際上是一種以地面近景攝影測量立體影像文件及其外方位元素構成的基礎地理信息產品，可量測實景影像可通過移動測量系統（Mobile Mapping System，MMS）采集獲得［1－2］。根據近景攝影測量原理，一對DMI立體像對記錄了攝影范圍內空間對象的三維立體空間，通過攝影測量交會計算，可獲取目標地物的空間三維坐標、物理尺寸。移動測量系統以道路巡航的方式高密度采集連續的可量測影像，在車輛高速行進過程中，能夠在一定的間隔時間內采集一次覆蓋360°范圍的影像［4］。通過沿道路進行掃描，即可建立海量的DMI立體影像庫，從而構成如圖1所示的實景三維空間。

圖1 實景三維空間示意

實景地圖是現實空間的真實寫照，與傳統地圖產品相比，實景地圖具有獲取快、定位準、可量測、影像連續、信息豐富、直觀易讀、數據海量等特點，是新一代的地圖產品。

2 實景地圖的空間認知過程

實景地圖是一種以地面近景影像直接反映制圖物體和客觀環境原貌的地圖，在影像所表達的世界里，包含著全要素、全紋理的空間特征，其中既包含目標地物信息，也包含與之相關聯的各種自然和社會信息。實景地圖是客觀世界直觀、真實的寫照，人們進行實景地圖空間認知時基本無需專業知識。

實景地圖的空間認知的過程遵循地圖空間認知的一般過程，即包括感知過程、表象過程、記憶過程和思維過程［12］，具體如圖2所示。

實景地圖的感知過程總體而言可以概括為“親歷式”，但“親歷”的視角和路線都是受到限制的。實景地圖以類似于人眼視角的方式構建了一個連續“播放”影像序列的環境，觀看實景地圖時基本就類似于在道路上移動時的視角體驗，所以在實景地圖中感知到的內容也就是拍攝時某一時刻的客觀環境原貌，使人產生真實的親歷“暢游”體驗。但是在感知過程中，實景地圖的交互行為受限，因為其漫游的方向僅限于沿著道路進行，導致實景地圖感知的地理目標或部分特征可能缺失（被遮擋）。

實景地圖的空間認知表象過程建立的心象地圖主要是視覺圖像，通過視覺編碼存儲腦的記憶中。由于實景地圖的空間感知類似于親歷真實客觀環境，所以其對空間行為的指導效果較好，尤以尋路效果最佳，特別是在熟悉的環境下效果更好，但是通過實景地圖的空間認知能夠指導的空間行為類型有限。

圖2 虛擬地理環境的空間認知過程

在實景地圖空間認知的記憶過程中，人們通過心象地圖一種視覺編碼形式進行記憶保持并積累經驗，形成對客觀事物整體的心理映像，當以后大腦受到類似的刺激時，先前的心象地圖可以通過回憶或再認的方式呈現出來。實景地圖空間認知的思維過程構成地圖空間認知的高級階段，是借助心象地圖這一復雜中介對客觀事物的本質特性和內在規律的反映，實現對客觀事物“從現象到本質”的認識，具有顯著的概括性和間接性的特點。

總體而言，實景地圖的感知過程比較容易讓人接受，因為其表達的是最符合人類視覺和記憶習慣的地面微觀影像數據，是完全物理的、客觀的、具體的、肉眼可視的。另外，影像表達地物還具有唯一性，可以排除符號系統的誤差，避免造成錯誤的認知。

3 實景地圖的空間認知效果分析

3．1 空間格局認知

3．1．1 位置認知

位置認知主要解決空間事物“在哪”的問題，有兩種認知實現的方式，即絕對坐標和相對位置的認知方式，相對位置的認知方式如某個地物附近，某兩條道路的交叉口等等。實景地圖的本質是可量測實景影像，也就是影像上的每一點都可以測量、都有坐標，所以實景地圖可通過坐標量算的方式進行位置認知（見圖3）。但是在日常應用過程中，人們采用絕對坐標進行位置認知的場合并不多，更多的是相對位置的認知。由于受人們的認識事物習慣，總是喜歡從整體的角度去認識，因此在人們進行位置認知時，也總是首先搞清楚在整個地圖所表達的客觀環境中的該位置所處的情況。但是實景地圖所展現的場景基本是人的某一視角范圍，無法給人整體的位置感受，所以實際應用中實景地圖的位置認知效果很差，這也是實景地圖在使用過程中幾乎都與二維電子地圖相結合的原因。

圖3 實景地圖中的幾何量測

3．1．2 距離認知

距離認知主要解決將圖上距離轉化為實地距離的問題，實景地圖主要提供三種方式幫助人們進行距離認知。第一種方式是精確的距離量測，如圖3所示，是在影像點都具有坐標值的基礎上完成的。第二種方式是圖中目標距離標注，如圖4（a）中的B矩形框所示，圖中標注的是中糧大廈距當前視點位置1．0 k m。第三種方式以焦點的圖形大小造成距離遠近的認知體驗，是一種主觀距離的認知方式，有的還直接標注焦點離當前視點的距離，這時又加入物理距離因素，如圖4（a）和圖4（b）中的A矩形框所示都屬于這種認知方式，其中圖4（a）所示的實景地圖還直接標注距離。

圖4 實景地圖的輔助認知手段

3．1．3 方向認知

方向認知能夠實現方位定向和相對方位判斷兩種功能。與二維電子地圖“上北下南、左西右東”固定方向模式不同，實景地圖本身的方向會隨著人視角的移動和變換而改變。實景地圖的方向認知主要依靠導航標志完成，與三維電子地圖相似，如果沒有導航標志用戶很容易陷入方向迷失。在實景地圖中，一般有兩種導航標志實現方式，第一種方式是類似于三維電子地圖的全局導航標志，如圖4（b）中的D矩形框所示，全局導航標志會隨著人們觀察的視角旋轉，并給出正北方向的提示；第二種是沿著道路在“地面”上或在“道路交叉口”給出方向標識，如圖4（a）和圖4（b）中的C矩形框所示，用戶在觀看實景地圖過程中可以根據此“箭頭”標識同時結合其文字標注方向說明來定向，但圖4（b）中“箭頭”標識也沒有文字方向說明，這時還需結合全局導航標志進行方向判斷，會相對困難。

3．2 空間對象認知

實景地圖空間對象的微觀認知效果較好，因為實景地圖的影像中包含大量直觀的、隱藏的甚至可挖掘的空間對象信息。實景地圖能夠按照人的視角提供詳細現實環境立面信息，例如建筑物外立面信息、道路及附屬設施信息、自然景觀信息以及現實環境中的社會、經濟乃至人文信息。例如建筑物表面的廣告牌、路標指示牌等都可以幫助人們更好地認知空間對象。此外，實景地圖還提供一些有效的工具或手段來輔助空間對象認知，如圖4（a）和圖4（b）中的B矩形框所示直接標注了建筑物的名稱、所在位置等信息，圖4（b）中的E矩形框所示還直接鏈接該建筑照片信息。

但是，實景地圖在認知空間對象時由于受觀察視角的局限，還存在宏觀上認知上的不足，特別是對線狀目標和面狀目標的認知。因為線狀目標和面狀目標往往跨越很長或很廣闊的空間，而實景地圖的每一視角是以人的視野為度量的，所以無法觀察到線狀目標和面狀目標的外形、輪廓等整體情況。實際應用中，往往是由二維電子地圖切入實景地圖，例如在二維電子地圖中突出顯示出包含有實景地圖的道路，用戶縱覽道路情況后，可以點擊選擇某條道路切入實景地圖，觀看實景地圖結束后往往會返回二維電子地圖再重新選擇實景地圖進行微觀認知。

3．3 整體認知比較

從視角、真實性、信息量、感知度等方面對二維電子地圖、虛擬地理環境和實景地圖進行整體認知比較，以更好地理解三者存在的差異，具體如表1所示。

表1 整體認知比較

從視角方面來看，二維電子地圖采用的是鳥瞰視角，所以其地理要素的整體概念認知效果好；虛擬地理環境采用的視角形式多樣，可任意變動視角；實景地圖采用的是人眼視角，視角比較單一。

從真實性方面來看，二維電子地圖是對現實世界的抽象符號表達，其真實性最低；虛擬地理環境是“身臨其境感”的逼真模擬，也能達到很高的真實性；實景地圖是以實景圖片展示的微觀環境，是完全物理地、客觀地，真實地。

從信息量方面來看，二維電子地圖以點、線、面的形式表達地理要素，存在大量信息損失；虛擬地理環境主要以面元、體元表達多維的地理環境，僅顯示已采集的三維地物，存在不少信息損失，但其提供地理過程和人類空間行為的模擬，所以總體信息量還是較高；實景地圖的影像都是真實的環境信息，無信息損失。

從空間感方面來看，二維電子地圖是平面圖形的表達，空間感弱；虛擬地理環境是構建在逼真的多維地理空間的基礎上的，所以其空間感自然強；實景地圖雖然是360°的全景表達，但其認知范圍受限，導致空間感較弱。

從感知度方面來看，二維電子地圖通常需要借助圖式規范才能完成地理要素的識別感知，感知度較低；虛擬地理環境提供接近自然的多維、多通道感知與交互方式，感知度較高；實景地圖雖然支持的感覺類型和交互方式并不豐富，但其表達的是最符合人類視覺和記憶習慣的地面微觀影像數據，所以其感知度高。

通過整體認知比較可知，實景地圖是完全真實的場景再現，其真實性是二維電子地圖和虛擬地理環境無可比擬的，另外其信息量龐大，感知度極高，雖然其人眼視角造成位置認知的局限，但也使其符合人類的視覺習慣。虛擬地理環境是客觀環境的仿真模擬，與實景地圖相比其認知效果也不差，但虛擬地理環境是建立在地形和地物模型基礎之上的［13］，數據量和計算量大，系統構建成本高，且數據更新周期長。

4 結 論

利用實景地圖能夠將真實世界的場景還原在計算機構建的虛擬世界中以“人眼視角”進行顯示，為用戶提供更加真實、更加準確、更富細節的地圖瀏覽服務。本文討論了實景地圖的概念、空間認知過程和空間認知效果3個問題，結論如下：

1）實景地圖“親歷式”感知的過程比較容易讓人接受，符合人類視覺和記憶習慣，但其認知的視角和路線受限；

2）實景地圖的位置認知效果較差，距離認知方式多且效果好，方向認知依靠導航標志完成，空間對象的認知效果好；

3）與二維電子地圖和虛擬地理環境相比，實景地圖在真實性、信息量、感知度方面存在優勢，而在視角和空間感方面劣勢明顯。

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