基于活動理論的位置地圖情境框架設計

齊曉飛，張　蘭，楊　巍

1. 西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054；3.中國天繪衛星中心，北京，100000；4.第四測繪導航基地，四川 成都，610000

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基于活動理論的位置地圖情境框架設計

齊曉飛1,2，張蘭3，楊巍4

1. 西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054；3.中國天繪衛星中心，北京，100000；4.第四測繪導航基地，四川 成都，610000

針對目前導航地圖存在智能化程度不高、導航效率偏低以及服務結果不理想等問題，本文引進情境理論解決當前位置服務發展中所遇到的瓶頸。首先，提出位置地圖情境的概念，框定位置地圖情境的研究內容及范圍；其次，探討活動與情境的關系，指出活動在位置地圖情境建模、推理中的特殊地位；最后，基于活動理論，建立位置地圖情境的概念框架、邏輯框架和應用框架，為后續進一步構建位置地圖情境模型及應用作參考。

位置服務；位置地圖；情境；活動；框架設計

1　引　言

2014年，位置服務(Location Based Services，LBS)關鍵技術攻關被列為科技部“羲和”重大專項及國家發改委衛星導航中長期規劃的核心內容，以位置為基礎的地圖服務迎來了重要發展戰略機遇。然而，包括Google、Microsoft、Nokia、ESRI、百度和高德等國內外地圖商家卻都難以實現“4A”(Anytime, Anywhere, Anybody and Anything)要求。為此，周成虎提出位置地圖的概念，把它稱為一種以“感興趣的位置”為中心的地圖，將地圖的服務模式由用戶主動判斷、獲取需求信息轉變為位置地圖根據實際情形實時、實地推送；由顯示一般性查詢信息轉變為顯示不同信息背后的深層次關系，使得位置地圖不僅僅是一種導航地圖，更像一種融合了多種知識在內的智能地圖[1]。

因此，以模板為核心的傳統地圖制圖理論不再能滿足需求。情境作為一種聯系客觀世界中形形色色信息的有效方式，被位置服務引入，它能夠將地圖學原有內容與位置地圖的拓展要素融合在一起，使得位置地圖的研究對象不再是單一的影響因素，而是由這些因素構成的情境模型。Guoray Cai等對比分析了基于模版的情境建模與基于行為的情境建模，指出基于模版的建模有許多缺陷[2]。A Schmidt從系統實現的角度，提出了五條關于情境感知系統交互設計的啟示[3]。李偉以用戶為中心，研究了用戶獲取知識的多維情境，并建立其概念模型和服務流程模型[4]。但情境作為位置服務的新理論，如何理解其概念內涵、位置地圖情境究竟涉及哪些環節、它們之間又如何聯系還鮮少有人做深入分析。本文將針對以上幾個問題對位置地圖情境的設計框架進行研究。

2　位置地圖情境的特點

2.1位置地圖情境

情境的定義方式分為列舉法[5]和分類法[6]兩種，特別是隨著情境在心理學、人類學等領域的拓展，不同學科對情境的理解出現很大分歧[7]，但絕大多數學者普遍認可以下幾個觀點：

(1)只有與另一個實體相關聯，情境才存在，如任務、代理或交互等；

(2)情境是一系列與某一實體相關的項目組合，其中包括概念、規則以及命題等；

(3)只有當一個項目有助于解決當前的問題時，才將該項目看作一個情境。

根據Anind K.Dey給出的經典情境定義[8]，可以將位置地圖情境理解為與位置地圖相關的人、地點或物體情形的任何信息，但這種描述過于模糊，情境信息不具體，使得難以進行實際的信息取舍。為此，本文從大多數學者普遍認可的三個觀點入手，分析位置地圖情境的內涵和主要特征：觀點一對于位置地圖情境來講，人在位置地圖的關系分為制作者和使用者兩種，位置地圖情境也可以分為制作情境與應用情境兩類；觀點二指出“情境是一系列與某一實體相關的項目的組合”，觀點一將實體分為兩種，因此與實體相關的項目也可以分為兩類，一類與制作有關包括界面風格、界面布局、地圖設色、符號類型和模板設計等，另一類與應用有關包括導航、定位、查詢、識別和事件檢查等行為；觀點三則意指在位置地圖情境應用中，與項目導航、定位相關的因素很多，包括位置、時間、環境(溫度、濕度和亮度等)、用戶和活動等，只有當某因素對當前的導航、定位產生影響時，才將其稱之為導航情境或定位情境，制作情境也是同理。

因此，本文將位置地圖情境定義如下：位置地圖情境是指與位置地圖的制作和應用相關的、對位置地圖表達與服務有直接(或間接)影響的人、位置和環境等信息的集合。其中，與位置地圖情境相關的位置、時間、天氣、交通、興趣點、用戶、環境和事件等因素被稱為情境信息。

2.2活動與位置地圖情境

在位置服務領域，位置地圖最大的特點就是要隨時隨地滿足用戶個性化位置需求。其中，用戶的個性化包括兩方面：用戶自身的個性化(指用戶特征)和用戶行為的個性化(即用戶活動)。孟麗秋在探討移動地理服務中的概念框架時，指出了建立一種能夠同時描述活動和情境信息模型的重要性[9]。所以，活動在位置地圖、乃至位置服務領域占有不可或缺的地位，理清活動與情境的關系，對于建立位置地圖情境框架至關重要。關于活動與情境，從情境概念來看，活動是情境的一部分，兩者是一種包含關系。但活動同樣作為人類對客觀世界的抽象方式，研究客觀世界對其的影響和作用，焦點在于人類活動；而情境則以客觀世界為主體，研究人在所處條件下的境況與可能反應，焦點在于客觀世界。因此，從活動和情境本源出發，兩者是一種并列關系，Tumasch Reichenbacher通過活動理論和情境建模將地理實體描述為常識知識(如圖1所示)，并把與之相關的用戶情境和實體活動列為解決地理關系問題的途徑[10]。

兩種描述是否矛盾呢？其實不然，活動理論認為活動是由主體(subject)、客體(object)、工具(tools)、規則(rules)、團體(community)和分工(division labour)六要素組成。Huang H通過拓展活動理論，建立了活動要素與情境信息之間的映射關系[11]。所以，情境與活動所描述的對象是一致的，它們之間既可以理解為包含與被包含的關系，也可以理解為并列關系，它們屬于是對同一對象的兩種不同描述方式，如圖2所示。

圖1　地理相關的概念模型[10]

圖2　活動與情境的關系

可以看出，位置地圖中的情境和活動是不可分割的，情境信息可以通過活動聯系起來：一方面，活動可以作為情境信息的主導和牽引，通過它將眾多情境信息聚合起來；另一方面，它也將情境模型具體化、實例化，在目前普適情境模型還難以建立和應用的情況下，具有較大的實際意義。

3　基于活動的位置地圖情境框架設計

位置地圖情境框架設計是指將位置地圖情境的結構、層次與應用方式等抽象出來，是進一步情境模型構建與自適應推理服務技術的基礎。一般說來，框架設計包括概念框架設計、邏輯框架設計和應用框架設計三類。

3.1概念框架

概念框架是指信息到達時，用戶對其解讀的方法或者思路。它受人類大腦的基本構造影響，直接制約和控制著人類對現實世界的理解程度。普適計算早期，對情境的解讀主要包括兩個部分：情境信息的獲取與情境推理。其中，情境信息的獲取主要完成情境信息的預處理，而情境推理則是依據處理過的情境信息進行簡單的篩選和排序。近年來，隨著計算機技術、網絡技術以及傳感器的迅速發展，越來越多的因素被獲取并增加到情境信息中，使得情境模型日漸龐雜，如何從眾多情境信息中挖掘潛在的用戶需求變得異常困難，情境推理變得更為復雜。因此，情境建模作為連接情境信息獲取與情境推理之間的橋梁應運而生，它通過模型構建，使得情境推理變得有章可循，人們對情境的解讀增加到三個部分：情境信息提取、情境建模和情境推理。

位置地圖情境是普適計算情境的一個特殊應用事例，它繼承了普適計算情境的概念框架。同時，由于情境的承載載體和表達方式都發生了變化，因此位置地圖的情境框架也比普適計算情境增加了更多元素。它要求情境推理的結果在位置地圖中展示出來，即情境推理的結果以圖形化的方式描述出來。因此，位置地圖情境概念框架由四個部分組成：情境信息獲取、情境建模、情境推理和情境表達，詳細描述如圖3所示。

圖3　位置地圖情境概念框架

(1)情境信息獲取是數據處理層，它是整個情境模型的數據來源，主要完成底層情境信息的轉換和形式化描述，實現不同數據源、不同獲取途徑的情境信息統一和共享。

(2)情境建模是不同情境信息之間的關系描述層，它是情境推理的前提和依據，主要完成不同情境信息之間的關系模型構建。

(3)情境推理是位置地圖情境的核心，主要根據前面建立的情境模型和已經提取的情境信息，根據推理的算法、規則、經驗乃至常識挖掘當前情境的深層次需求。

(4)情境表達是位置地圖情境推理結果的最終呈現形式，它直接影響用戶對情境服務結果的滿意程度，主要完成情境推理結果與位置地圖表達模板的映射關系。

位置地圖情境概念框架屬于心理模型的一部分，若想建立情境的數據模型，還需要進行位置地圖情境的邏輯框架設計。

3.2邏輯框架

邏輯框架是從待解決的核心問題入手，向上逐級展開，得到其影響及結果，然后向下逐級推演獲取問題的根源。在位置地圖情境中，概念框架是待解決的核心問題，位置地圖情境的邏輯框架是圍繞概念框架提出的幾個方面，發掘其來源依據及歸屬去向。由于情境信息獲取受傳感器等接收設備的影響，這里主要研究后三個階段的邏輯框架。

3.2.1情境建模階段

情境建模階段主要完成的是對眾多情境信息之間相互關系的描述。在基于活動的情境邏輯框架設計中，活動不僅是情境模型的重要參與者，也是不同情境信息之間的連接橋梁。因此，位置地圖情境建模可以依據活動與其它情境信息的相互作用構建關系模型。如圖4所示，位置地圖情境建模分為三部分：活動建模、關系建模和情境信息建模。

①活動建模描述用戶的位置地圖使用活動。按照活動的三種細節層次，再分為活動建模、行為建模和操作建模，每一類型建模代表了情境的不同粒度。另外，活動建模還需要描述不同細節層次活動之間的關系，包括活動與行為、行為與行為和行為與操作，從活動的不同維度描述活動模型。

②關系建模描述的是活動與其它情境信息之間的關系。按照活動的不同細節層次，分為活動與情境信息的關系建模、行為與情境信息的關系建模和操作與情境信息的關系建模。

③情境信息建模描述的是與位置地圖情境相關的情境信息(除活動信息以外)自身的邏輯轉換關系。包括位置、時間、天氣、交通和興趣點等等建模。

3.2.2情境推理階段

情境推理階段主要完成情境推理算法的實現。在情境建模階段，基于活動的位置地圖情境建模分為三部分，顧及到情境信息的實時提取和情境模型的匹配，情境推理算法按照流程也可分為三級：活動匹配、情境信息提取和綜合推理，如圖4所示。

①活動匹配是情境推理的第一階段，它主要通過實時獲取的情境信息與用戶活動的匹配判斷，獲取當前的用戶活動狀態。按照活動的層次與匹配順序，活動匹配包括活動匹配、行為匹配和操作匹配。

②情境信息提取是情境推理的中間階段，主要通過情境模型中的關系模型和匹配成功的活動，獲取與當前活動相關的情境信息，為下一步綜合推理提供數據。它包括提取與活動相關的情境信息、提取與行為相關的情境信息和提取與操作相關的情境信息。

③綜合推理是情境推理的核心，它主要依據當前的活動狀態和與之相關的情境信息，根據算法、經驗和常識等挖掘用戶的潛在需求。包括活動推理、行為推理和操作推理三類。

3.2.3情境表達階段

情境表達階段主要將前面推理出的結果與位置地圖表達的方式方法聯系起來。考慮到位置地圖表達以“底圖+疊加要素”的方式實現位置地圖服務，同時顧及不同情境之間的切換，位置地圖情境表達可以分為底圖要素表達、疊加要素表達和情境切換表達三大類，如圖4所示。

①底圖要素表達主要通過分析單一情境信息與底圖要素表達模板的觸發關系，解析相應的情境推理結果，并選擇適宜的底圖要素表達模板。

②疊加要素表達主要根據分析不同疊加類型[12]與疊加要素表達模板的觸發關系，解析包括疊加興趣點、疊加時間距離、疊加語義位置、疊加事件和疊加特殊場景五種疊加類型，并選擇適宜的疊加要素表達模板。

③情境切換表達主要依據不同切換情境的特點，建立不同切換情境與切換方法、切換條件的關系，進而選擇適宜的位置地圖情境切換表達模板[13]。

圖4　位置地圖情境邏輯框架

3.3應用框架

上文已經把情境在位置地圖中的應用分為情境信息獲取、情境建模、情境推理和情境表達四個環節，并描述了每一環節的邏輯結構。下面則介紹這幾個環節在位置地圖情境中的應用流程，如圖5所示。

圖5　位置地圖情境應用框架

從上圖可以看出，情境模型是在情境推理之前完成的，存儲在情境模型庫里面的事先情境。情境推理是實時完成的，需要用到實時獲取的情境信息及與之相關的情境模型。其中，活動匹配與情境模型中的活動模型有關，情境信息提取與情境模型中的關系模型和情境信息模型有關，而綜合推理則是聯合利用前面匹配的活動及提取的與之相關情境信息，再根據綜合推理算法進一步分析。在情境表達中，疊加情境表達和切換情境表達與綜合推理有關，而底圖情境表達與情境信息模型的關聯度更高。

下面以用戶道路導航中的特殊場景提醒為例，描述位置地圖情境模型的應用，如圖6所示。首先，情境建模將情境信息與情境之間的關系描述出來，并存儲到情境模型庫中；其次，通過情境推理中的活動匹配判斷當前活動(機場登機，導航，疊加特殊場景)；然后，情境信息提取與用戶活動相關的實時位置信息、用戶行駛速度信息、時間信息(包括當前信息與截止信息)等；再次，綜合推理算法推算出距用戶當前的位置50m外是一處立交橋；最后，情境表達將情境推理的結果轉換為立交橋圖片，疊加在導航地圖上推薦給用戶。

(a)情境應用前 (b)情境應用后圖6　位置地圖情境應用框架

4　結束語

情境并不是一個新概念，它在心理學、人類學領域早有應用，但在地圖制圖領域，盡管也有學者研討過其在移動位置服務中的重要地位，但往往深度不夠，基本沒有提出確切的解決思路。為此，本文從位置服務對導航地圖的新要求入手，通過引進位置地圖的概念，將情境與智能地圖服務聯系在一起，重點分析活動與位置地圖情境的關系，指出活動在其中的重要地位，提出建立的概念模型、邏輯模型與應用模型，將為后續進一步詳細刻畫位置地圖情境并應用于位置服務提供參考。應該講，隨著以后物聯網的發展，一切與位置服務相關聯的情境信息都可能被獲取，更多的情境信息可以作為位置地圖情境的推理判斷依據，位置服務的結果勢必更加及時、準確。從這個角度上說，情境在位置服務上的應用前景非常可觀，需要更多的感興趣人員從事這方面研究。

[1]周成虎, 朱欣焰, 王蒙等. 全息位置地圖研究[J]. 地理科學進展, 2011, 30(11):1331-1335.

[2]Cai G, Xue Y. Activity-oriented Context-aware Adaptation Assisting Mobile Geo-spatial Activities[C]. Proceedings of the 11th International Conference on Intelligent User Interfaces. ACM, 2006.

[3]Schmidt A. Context-aware Computing: Context-awareness, Context-aware User Interfaces, and Implicit Interaction[J]. The Encyclopedia of Human-computer Interaction, 2nd Ed., 2013.

[4]李偉. 面向空間知識地圖服務的用戶研究[D]. 鄭州: 信息工程大學, 2014.

[5]Abowd D, Dey A K, Orr R, et al. Context-awareness in Wearable and Ubiquitous Computing[J]. Virtual Reality, 1998, 3(3): 200-211.

[6]Chen G, Kotz D. Solar: an Open Platform for Context-aware Mobile Applications[R]. DARTMOUTH COLL HANOVER NH, 2005.

[7]Brézillon P. Context in Artificial Intelligence: I. A survey of the Literature[J]. Computers and Artificial Intelligence, 1999(18):321-340.

[8]Salber D, Dey A K, Abowd G D. The Context Toolkit: Aiding the Development of Context-enabled Applications[C]. In Proceedings of CHI l999, Pittsburgh, PA, ACM Press, 1999.

[9]Meng L, Reichenbacher T. Map-based Mobile Services[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2005.

[10]Tumasch Reichenbacher. Geographic Relevance in Mobile services[C]. Proceedings of the Second International Workshop on Location and the Web, LocWeb 2009, Boston, MA, USA,2009.

[11]Huang H, Gartner G. Using Activity Theory to Identify Relevant Context Parameters[M]. Location Based Services and TeleCartography II. Springer Berlin Heidelberg, 2009.

[12]齊曉飛, 王光霞, 崔秀飛等. 位置地圖情境建模與實例分析[J]. 地球信息科學學報, 2014,5(5):712-719.

[13]齊曉飛, 王光霞, 薛志偉等. 位置地圖情境分類分級與切換研究[J]. 地理信息世界, 2013(6):13-18.

Frame Design of Location Map Context Based on Activity Theory

Qi Xiaofei1,2，Zhang Lan3, Yang Wei4

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping，Xi’an 710054，China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China 3. Tianhui Satellite Center of China, Beijing 100000, China 4. The Fourth Surveying, Mapping & Navigation Base, Chengdu 610000, China

In order to solve the problems of present navigation maps, such as low intelligence degree, poor navigation efficiency and unsatisfactory service result, the context theory is introduced to overcome the development bottleneck of location based services (LBS). Firstly, the concept of location map context is presented, and the research content and scope are defined. Secondly, relations between activity and context are discussed, and the special role of location map in context modeling and reasoning is pointed. Finally, the concept, logic, application frames of location map context are set up based on activity theory, which will provide reference for the follow-up model and application construction in location map context.

location based services; location map; context; activity; frame design

2016-01-04。

齊曉飛(1985—)，男，助理研究員，主要從事數字地圖制圖與空間數據質量控制方面的研究。

P283

A