导航电子地图主动表达规则研究
2015-05-06武丽丽
武丽丽，江 南，马 健，张 超
(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450052；2.信息工程大学 地理空间信息学院，郑州 450052)
导航电子地图主动表达规则研究
武丽丽1，江 南2，马 健2，张 超1
(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450052；2.信息工程大学 地理空间信息学院，郑州 450052)
针对当前导航电子地图表达方面存在的弊端，对导航电子地图主动表达规则进行了研究。在对导航电子地图影响要素的分析的基础上，提出了基于兴趣点权值的通用规则和偏好规则，并在此基础上设计了导航电子地图主动表达规则库。该规则库的构建为导航电子地图内容的主动表达提供了基础，为导航电子地图内容从被动、内容固定的表达模式转换为主动、内容符合用户偏好的表达模式提供了基础理论和方法。
主动表达；规则库；通用；偏好；兴趣点
1 引言
导航电子地图是移动位置服务(location based services，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，决定了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在符号设计[1-2]、空间认知方面[3-5]等，缺乏一个完善的理论体系，尤其在以用户为中心的主动表达研究方面才刚刚起步，大大影响了导航电子地图信息传输的效率。
导航电子地图主动表达，是围绕用户认知特点及需求，根据导航设备所处的上下文环境(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。主动表达的内容包括比例尺自适应、载负量自适应、兴趣点(point of interest，POI)等地理要素显示迎合用户需求、导航设备自适应、时空环境自适应等，其中地理要素的选取及显示方式是主动表达最主要的问题。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了深刻变化，导航电子地图的表达亟需新的解决思路[6]。
为此，本文分析了导航电子地图表达的影响要素，并基于传统导航电子地图的可视化理论进行深入研究，提出了导航电子地图表达的通用规则以及用户偏好规则的提取方法，构建了用户表达规则库，为主动表达技术在导航电子地图的发展奠定了一定的基础。
2 导航电子地图主动表达的影响要素
经过分析发现，导航电子地图主动表达效果主要与用户、POI重要性程度、比例尺与硬件设备和环境等因素有关。
2.1 用户类型
用户类型从根本上影响导航电子地图主动表达。用户是主动表达实现的关键和主导因素，直接影响表达内容中符号体系，背景、注记颜色，POI权值等诸多方面。用户类型主要由用户职业、文化背景(国籍、语言等)共同决定，因此根据各种用户的心理特点、知识经验和使用目的对用户进行分类。
文献[7]将用户分为：专业人士(professionals)、研究者(explorers)、旅游者(tourists)和一般用户(everyday users)。考虑到专业人士和研究者可以归为一类，而旅游者和一般用户的分类又略显粗糙，本文遵照“实用性、科学性、稳定性、可扩展性”的分类原则，在文献[7]分类的基础上进行了修正，将用户分为旅游者、商务人士、测绘研究者、当地常住用户、途中休息用户五大类。对于导航电子地图，测绘研究者在查询地图时更偏向于精确的地理位置，且更关注地貌、水文等信息；旅游者关注旅游线路和交通等信息，对地理位置的精度要求不高；商务人士一般只关注距离目的地最省时的交通线路，以及工作目的地周边的商务酒店信息；当地常住用户更关注地理要素以及交通要素的更新信息，以及知名度不是特别高的要素信息；途中休息用户更关注距离高速路口或主要道路中等的住宿、超市、餐饮等信息。这一分类还可以进一步细分，如旅游者可分为汽车旅游者、自行车旅游者及徒步旅游者等。
2.2 区域地理要素
区域地理要素的选择从内容上影响导航电子地图主动表达。地理要素构成了导航电子地图的主体。导航电子地图的地理要素主要包括道路、背景、POI、注记四种。每一大类又可进行进一步细分。具体来说，道路按照功能不同可以分为六级，例如高速公路及附属道路(如出入口)、国道、省道、县道、乡村道路等。背景可以分为境界(省界、市界、县界)绿地、水系等。POI可分为餐饮、零售业、汽车、住宿、休闲、公共设施、交通、文化媒体、其他八大类。其中背景是电子地图显示的基础要素，一般都要进行表达；道路要素，根据当前行车地点显示当前道路及周围道路信息，表达比较固定且成熟；注记主要起辅助认知的作用，尺寸大小根据人的视觉感受能力相对固定，并且一般采用传统的设色方案；POI种类较多，空间尺寸小，却是需要重点表达的对象，因此，主动表达需重点研究POI的选取及表达方式。
2.3 地图比例尺
比例尺从载负量和符号类型上影响导航电子地图主动表达。比例尺主要是通过载负量对电子地图表达产生影响。当导航电子地图比例尺较小时，为避免图上要素和注记过于拥挤影响表达效果，应该适当的隐去一些要素不进行表达；根据设定的规则当比例尺增大到载负量许可的尺度时再将其表达出来。比例尺也是要素选择的内因。比例尺在载负量和符号类型两方面影响导航电子地图主动表达。文献[8]详细介绍了比例尺对电子地图显示的影响，并在不同密度区建立了多尺度显示模型，控制地图要素的表达。
受地图载负量的约束，某些要素在不同的比例尺范围内以不同的符号类型表示，甚至有的比例尺下不能显示。而在小比例尺下，用户更关注的是区域整体地理信息，POI可以以简要概括的二维符号表达，而在大比例尺情况下，用户更趋向于查找感兴趣的地物，则可以以三维符号辅以鲜艳的色彩显示POI信息，更易于获取用户视觉焦点。
2.4 导航设备
导航设备从符号视觉变量设计上影响导航电子地图主动表达。导航电子地图表达在一定程度上受导航设备影响。导航设备的分辨率和尺寸大小影响着导航电子地图的表达内容。一方面，随着导航设备分辨率的增高，地图载负量以对数函数的形式增大并趋于稳定；另一方面，随着导航设备尺寸的缩小，用户与导航设备的距离也随之缩小，这就使得在相同的设备尺寸下可以有更大的载负量。因此，导航设备影响着导航电子地图的表达。
3 基于POI权值的导航电子地图主动表达规则研究
通过对导航电子地图影响要素的总结，本文对导航电子地图的表达规则进行了研究，具体将这些规则分通用规则和用户偏好规则两方面，选取何种POI的规则具体表现在对POI权值的设定上。
3.1 导航电子地图表达的通用规则
导航电子地图通用规则，就是具有一定的普适性的适合一般用户的规则。目前导航电子地图的POI显示方法是首先判断用户设置的类型的兴趣点是否符合载负量限制和压盖限制要求，对符合要求的兴趣点进行显示，继而对符合该要求的普通兴趣点进行显示。该方式存在两个弊端：一是对各POI重要性的判断过于粗略，即限制条件仅从地图显示的角度考虑，忽略了其属性和空间的重要性；二是根据编码进行依次筛选，因而编码较前的POI显示的可能性大，显然是不合理的。
为了避免上述弊端，本文提出了根据POI的权值对导航电子地图上POI进行选择显示的方法。这种方法的优点是根据权值的大小对兴趣点进行依次显示，因而是更客观的一种方法。因而下面本文将POI权值的影响因素展开了具体研究，在第二节研究的基础上，本文将其分为五个方面：
(1)用户对POI的关注权值P1
按照旅游者、商务人士、测绘研究者、当地常住用户、途中休息用户五类用户对不同的POI的关注程度制作调查表并提供给用户进行打分。按照用户的打分情况，用数理统计的方法，分别计算每类用户的各类POI关注程度，用求得相应的权值。
(2)POI的重要性权值P2
POI的重要性与其知名度、规模、地理位置等因素有关。它是各POI的初始权值。一般来说，知名度越高，规模越大，地理位置越重要，POI的重要性权值就越大。
(3)POI与屏幕中心点的距离权值P3
(1)
式(1)中，w为导航设备屏幕的宽，h为导航设备屏幕的高，dw为POI的屏幕横坐标与屏幕中心点的横坐标之差的绝对值，dh为POI的屏幕纵坐标与屏幕中心点的纵坐标之差的绝对值。为了计算的简便，将屏幕区域分为五个以屏幕中心点为中心与屏幕形状相似的几何区域，根据POI的位置，决定其权值。
(4)POI与当前前进方向的方向权值P4
在此将导航设备当前的状态分为行车模式和静止模式(静止模式不是绝对的静止，速度小于某阈值的都可归为静止模式)。在静止模式，各POI的方向权值均为1，而在行车模式，位于当前前进方向的POI权值较大，其具体设置方式如下所示：
(2)
式(2)中，θ为前进方向与当前用户位置的方向夹角，xp、yp为POI的地理坐标转化的屏幕坐标，x0、y0为当前用户位置的屏幕坐标。
(5)POI周围已有要素载负量权值P5
为了避免图上出现有的区域过于拥挤，而有的区域空白过多的情况，将POI周围像素情况考虑到内。地图上人眼的分辨率为2mm，以当前待计算POI中心点所在屏幕位置为中心，分别以1mm、2mm、3mm、4mm为半径，计算各载负量，即各同心圆内非背景像素占总像素数量的比例，并赋予不同的权值。具体如下所示：
(3)
式(3)中，L1为半径为1mm的圆的载负量，L2为半径为2mm的圆的载负量，L3为半径为3mm的圆的载负量，L4为半径为4mm的圆的载负量。
通常情况下，导航电子地图对每个规则项设置初始默认权值，当用户需要调整时，可进入系统设置对默认权值进行修改。通过参考制图专家的意见，对各项权值的初始设置如表1所示。
以往多采用常规护理予以护理，但不具有针对性，能够满足患者的一般护理需求，难以满足患者的实际护理需要，也不能优化手术。近年来，我院开始在临床护理当中应用优质护理，效果理想[4]。优质护理可在保证患者基本护理需要的同时，优化手术配合，提升手术质量[5]。优质护理下，患者的手术时间更短，护理后的视力水平更高，并发症发生率更低，满意程度更好。
表1 通用规则项权值列表
3.2 导航电子地图表达的用户偏好规则
通用规则适合于一般用户，属于先验知识的范畴。为了定制因人而异的服务模式，需要采用数据挖掘技术挖掘用户偏好信息，从而探索用户的认知特征，据此对导航地图主动表达的内容进行调整，以满足用户的需求。用户的偏好信息包括尺度偏好、兴趣点偏好、外观偏好[9]等，根据导航电子地图的应用特点，其尺度、外观等相对固定，因此下面本文重点研究兴趣点偏好信息的挖掘方法。
对用户偏好信息的挖掘是通过分析用户的访问信息进行的，访问信息可从历史操作文件中提取特定用户的信息进行提取和挖掘，其存储结构用三元组的形式表示，即
①目的点与兴趣点的相关性提取。特定用户设定的目的地类型与关注的兴趣点类型的相关性的计算方法为：
②兴趣点之间的相关性提取。已设置类型的兴趣点与其他未设置的类型的兴趣点类型的相关性的计算方法为：
对导航电子地图进行显示表达时，同时应用通用规则和偏好规则。其应用方式为计算兴趣点总的权值，根据总的权值的大小依次显示：
P总=P通×V1+P偏×V2(6)
式(6)中，P通为通用规则的权值，V1为通用规则的重要性程度，P偏为偏好规则的权值，V2为偏好规则的重要程度，有V1+V2=1。
4 导航电子地图主动表达规则库构建和实现
对导航电子地图表达规则理论研究后，需要进行建库实现[10]。本文利用典型的关系数据库—Access数据库设计了导航电子地图主动表达规则库，具体包括规则索引总表(Rule_Index)、通用规则表(Rule_General)、偏好规则表(Rule_Reference)、规则结果表(Rule_Result)。
(1)规则索引总表，主要记录了通用规则和偏好规则的数目、ID以及重要性程度等信息，其表设计图(部分)如图1所示。
图1 规则索引总表(部分)设计图
(2)通用规则表，主要记录了各通用规则项的ID，规则名称、项权重以及相应的参数信息等，其表设计图(部分)如图2所示。
图2 通用规则表(部分)设计图
(3)偏好规则表，主要记录了各偏好规则项的ID，规则名称、项权重以及相应的阈值信息等，其表设计图(部分)如图3所示。
图3 偏好规则表(部分)设计图
(4)规则结果表。将规则项运行的结果存入规则结果表中，具体记录了根据当前用户设置、用户操作以及当前导航电子地图的表达情况实时计算的各POI的权值。
选取若干名实验者分别应用普通的导航设备和嵌入了主动表达规则库的导航设备进行多次用户体验，发现主动表达模式具有更好的用户体验，表达效果更暗合用户的需求，达到了以同样的载负量下表达的POI对用户而言更有参考意义的效果。
5 结束语
本文重点对导航电子地图内容主动表达规则进行了研究，并将重点放在POI的选取上。通过对导航电子地图主动表达影响要素的总结，提出了主动表达的通用规则和基于关联度的用户偏好规则，使导航电子地图能够定制因人而异的表达模式。最后本文构建了主动表达规则库。本文是导航电子地图从以数据驱动向以用户驱动模式转变的有益探索。
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Study on the Navigation Electronic Maps’ Active Expression Rules
WU Li-li1，JIANG Nan2，MA Jian2，ZHANG Chao1
(1.College of Navigation & Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China；2.College of geographic information，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China)
Aiming at the shortcomings of current expression problems of navigation electronic maps，this paper researched the navigation electronic maps’ active expression rules.Through the analysis of influence factors of the navigation electronic maps，the author summarized the general rules and preference rules of active expression of the navigation electronic maps，and designed a rule database.The construction of the rule database provided the basis for the active expression of navigation electronic maps’ content，besides，it provided the basic theory and methods for navigation electronic maps’ expression pattern from passive，fixed one to one which is active and in line with the user preferences.
active expression，rule database，general rules，preference rules，point of interest(POI)
2014-04-25
国家自然科学基金项目(41271450)。
武丽丽(1984)，女，山西临汾人，讲师，博士，主要从事测绘导航、地理信息系统等方面的研究。
P228
A
2095-4999(2015)-01-0052-05
