基于活动理论的位置地图情境框架设计

齐晓飞，张　兰，杨　巍

1. 西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.中国天绘卫星中心，北京，100000；4.第四测绘导航基地，四川 成都，610000



基于活动理论的位置地图情境框架设计

齐晓飞1,2，张兰3，杨巍4

1. 西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.中国天绘卫星中心，北京，100000；4.第四测绘导航基地，四川 成都，610000

针对目前导航地图存在智能化程度不高、导航效率偏低以及服务结果不理想等问题，本文引进情境理论解决当前位置服务发展中所遇到的瓶颈。首先，提出位置地图情境的概念，框定位置地图情境的研究内容及范围；其次，探讨活动与情境的关系，指出活动在位置地图情境建模、推理中的特殊地位；最后，基于活动理论，建立位置地图情境的概念框架、逻辑框架和应用框架，为后续进一步构建位置地图情境模型及应用作参考。

位置服务；位置地图；情境；活动；框架设计

1　引　言

2014年，位置服务(Location Based Services，LBS)关键技术攻关被列为科技部“羲和”重大专项及国家发改委卫星导航中长期规划的核心内容，以位置为基础的地图服务迎来了重要发展战略机遇。然而，包括Google、Microsoft、Nokia、ESRI、百度和高德等国内外地图商家却都难以实现“4A”(Anytime, Anywhere, Anybody and Anything)要求。为此，周成虎提出位置地图的概念，把它称为一种以“感兴趣的位置”为中心的地图，将地图的服务模式由用户主动判断、获取需求信息转变为位置地图根据实际情形实时、实地推送；由显示一般性查询信息转变为显示不同信息背后的深层次关系，使得位置地图不仅仅是一种导航地图，更像一种融合了多种知识在内的智能地图[1]。

因此，以模板为核心的传统地图制图理论不再能满足需求。情境作为一种联系客观世界中形形色色信息的有效方式，被位置服务引入，它能够将地图学原有内容与位置地图的拓展要素融合在一起，使得位置地图的研究对象不再是单一的影响因素，而是由这些因素构成的情境模型。Guoray Cai等对比分析了基于模版的情境建模与基于行为的情境建模，指出基于模版的建模有许多缺陷[2]。A Schmidt从系统实现的角度，提出了五条关于情境感知系统交互设计的启示[3]。李伟以用户为中心，研究了用户获取知识的多维情境，并建立其概念模型和服务流程模型[4]。但情境作为位置服务的新理论，如何理解其概念内涵、位置地图情境究竟涉及哪些环节、它们之间又如何联系还鲜少有人做深入分析。本文将针对以上几个问题对位置地图情境的设计框架进行研究。

2　位置地图情境的特点

2.1位置地图情境

情境的定义方式分为列举法[5]和分类法[6]两种，特别是随着情境在心理学、人类学等领域的拓展，不同学科对情境的理解出现很大分歧[7]，但绝大多数学者普遍认可以下几个观点：

(1)只有与另一个实体相关联，情境才存在，如任务、代理或交互等；

(2)情境是一系列与某一实体相关的项目组合，其中包括概念、规则以及命题等；

(3)只有当一个项目有助于解决当前的问题时，才将该项目看作一个情境。

根据Anind K.Dey给出的经典情境定义[8]，可以将位置地图情境理解为与位置地图相关的人、地点或物体情形的任何信息，但这种描述过于模糊，情境信息不具体，使得难以进行实际的信息取舍。为此，本文从大多数学者普遍认可的三个观点入手，分析位置地图情境的内涵和主要特征：观点一对于位置地图情境来讲，人在位置地图的关系分为制作者和使用者两种，位置地图情境也可以分为制作情境与应用情境两类；观点二指出“情境是一系列与某一实体相关的项目的组合”，观点一将实体分为两种，因此与实体相关的项目也可以分为两类，一类与制作有关包括界面风格、界面布局、地图设色、符号类型和模板设计等，另一类与应用有关包括导航、定位、查询、识别和事件检查等行为；观点三则意指在位置地图情境应用中，与项目导航、定位相关的因素很多，包括位置、时间、环境(温度、湿度和亮度等)、用户和活动等，只有当某因素对当前的导航、定位产生影响时，才将其称之为导航情境或定位情境，制作情境也是同理。

因此，本文将位置地图情境定义如下：位置地图情境是指与位置地图的制作和应用相关的、对位置地图表达与服务有直接(或间接)影响的人、位置和环境等信息的集合。其中，与位置地图情境相关的位置、时间、天气、交通、兴趣点、用户、环境和事件等因素被称为情境信息。

2.2活动与位置地图情境

在位置服务领域，位置地图最大的特点就是要随时随地满足用户个性化位置需求。其中，用户的个性化包括两方面：用户自身的个性化(指用户特征)和用户行为的个性化(即用户活动)。孟丽秋在探讨移动地理服务中的概念框架时，指出了建立一种能够同时描述活动和情境信息模型的重要性[9]。所以，活动在位置地图、乃至位置服务领域占有不可或缺的地位，理清活动与情境的关系，对于建立位置地图情境框架至关重要。关于活动与情境，从情境概念来看，活动是情境的一部分，两者是一种包含关系。但活动同样作为人类对客观世界的抽象方式，研究客观世界对其的影响和作用，焦点在于人类活动；而情境则以客观世界为主体，研究人在所处条件下的境况与可能反应，焦点在于客观世界。因此，从活动和情境本源出发，两者是一种并列关系，Tumasch Reichenbacher通过活动理论和情境建模将地理实体描述为常识知识(如图1所示)，并把与之相关的用户情境和实体活动列为解决地理关系问题的途径[10]。

两种描述是否矛盾呢？其实不然，活动理论认为活动是由主体(subject)、客体(object)、工具(tools)、规则(rules)、团体(community)和分工(division labour)六要素组成。Huang H通过拓展活动理论，建立了活动要素与情境信息之间的映射关系[11]。所以，情境与活动所描述的对象是一致的，它们之间既可以理解为包含与被包含的关系，也可以理解为并列关系，它们属于是对同一对象的两种不同描述方式，如图2所示。

图1　地理相关的概念模型[10]

图2　活动与情境的关系

可以看出，位置地图中的情境和活动是不可分割的，情境信息可以通过活动联系起来：一方面，活动可以作为情境信息的主导和牵引，通过它将众多情境信息聚合起来；另一方面，它也将情境模型具体化、实例化，在目前普适情境模型还难以建立和应用的情况下，具有较大的实际意义。

3　基于活动的位置地图情境框架设计

位置地图情境框架设计是指将位置地图情境的结构、层次与应用方式等抽象出来，是进一步情境模型构建与自适应推理服务技术的基础。一般说来，框架设计包括概念框架设计、逻辑框架设计和应用框架设计三类。

3.1概念框架

概念框架是指信息到达时，用户对其解读的方法或者思路。它受人类大脑的基本构造影响，直接制约和控制着人类对现实世界的理解程度。普适计算早期，对情境的解读主要包括两个部分：情境信息的获取与情境推理。其中，情境信息的获取主要完成情境信息的预处理，而情境推理则是依据处理过的情境信息进行简单的筛选和排序。近年来，随着计算机技术、网络技术以及传感器的迅速发展，越来越多的因素被获取并增加到情境信息中，使得情境模型日渐庞杂，如何从众多情境信息中挖掘潜在的用户需求变得异常困难，情境推理变得更为复杂。因此，情境建模作为连接情境信息获取与情境推理之间的桥梁应运而生，它通过模型构建，使得情境推理变得有章可循，人们对情境的解读增加到三个部分：情境信息提取、情境建模和情境推理。

位置地图情境是普适计算情境的一个特殊应用事例，它继承了普适计算情境的概念框架。同时，由于情境的承载载体和表达方式都发生了变化，因此位置地图的情境框架也比普适计算情境增加了更多元素。它要求情境推理的结果在位置地图中展示出来，即情境推理的结果以图形化的方式描述出来。因此，位置地图情境概念框架由四个部分组成：情境信息获取、情境建模、情境推理和情境表达，详细描述如图3所示。

图3　位置地图情境概念框架

(1)情境信息获取是数据处理层，它是整个情境模型的数据来源，主要完成底层情境信息的转换和形式化描述，实现不同数据源、不同获取途径的情境信息统一和共享。

(2)情境建模是不同情境信息之间的关系描述层，它是情境推理的前提和依据，主要完成不同情境信息之间的关系模型构建。

(3)情境推理是位置地图情境的核心，主要根据前面建立的情境模型和已经提取的情境信息，根据推理的算法、规则、经验乃至常识挖掘当前情境的深层次需求。

(4)情境表达是位置地图情境推理结果的最终呈现形式，它直接影响用户对情境服务结果的满意程度，主要完成情境推理结果与位置地图表达模板的映射关系。

位置地图情境概念框架属于心理模型的一部分，若想建立情境的数据模型，还需要进行位置地图情境的逻辑框架设计。

3.2逻辑框架

逻辑框架是从待解决的核心问题入手，向上逐级展开，得到其影响及结果，然后向下逐级推演获取问题的根源。在位置地图情境中，概念框架是待解决的核心问题，位置地图情境的逻辑框架是围绕概念框架提出的几个方面，发掘其来源依据及归属去向。由于情境信息获取受传感器等接收设备的影响，这里主要研究后三个阶段的逻辑框架。

3.2.1情境建模阶段

情境建模阶段主要完成的是对众多情境信息之间相互关系的描述。在基于活动的情境逻辑框架设计中，活动不仅是情境模型的重要参与者，也是不同情境信息之间的连接桥梁。因此，位置地图情境建模可以依据活动与其它情境信息的相互作用构建关系模型。如图4所示，位置地图情境建模分为三部分：活动建模、关系建模和情境信息建模。

①活动建模描述用户的位置地图使用活动。按照活动的三种细节层次，再分为活动建模、行为建模和操作建模，每一类型建模代表了情境的不同粒度。另外，活动建模还需要描述不同细节层次活动之间的关系，包括活动与行为、行为与行为和行为与操作，从活动的不同维度描述活动模型。

②关系建模描述的是活动与其它情境信息之间的关系。按照活动的不同细节层次，分为活动与情境信息的关系建模、行为与情境信息的关系建模和操作与情境信息的关系建模。

③情境信息建模描述的是与位置地图情境相关的情境信息(除活动信息以外)自身的逻辑转换关系。包括位置、时间、天气、交通和兴趣点等等建模。

3.2.2情境推理阶段

情境推理阶段主要完成情境推理算法的实现。在情境建模阶段，基于活动的位置地图情境建模分为三部分，顾及到情境信息的实时提取和情境模型的匹配，情境推理算法按照流程也可分为三级：活动匹配、情境信息提取和综合推理，如图4所示。

①活动匹配是情境推理的第一阶段，它主要通过实时获取的情境信息与用户活动的匹配判断，获取当前的用户活动状态。按照活动的层次与匹配顺序，活动匹配包括活动匹配、行为匹配和操作匹配。

②情境信息提取是情境推理的中间阶段，主要通过情境模型中的关系模型和匹配成功的活动，获取与当前活动相关的情境信息，为下一步综合推理提供数据。它包括提取与活动相关的情境信息、提取与行为相关的情境信息和提取与操作相关的情境信息。

③综合推理是情境推理的核心，它主要依据当前的活动状态和与之相关的情境信息，根据算法、经验和常识等挖掘用户的潜在需求。包括活动推理、行为推理和操作推理三类。

3.2.3情境表达阶段

情境表达阶段主要将前面推理出的结果与位置地图表达的方式方法联系起来。考虑到位置地图表达以“底图+叠加要素”的方式实现位置地图服务，同时顾及不同情境之间的切换，位置地图情境表达可以分为底图要素表达、叠加要素表达和情境切换表达三大类，如图4所示。

①底图要素表达主要通过分析单一情境信息与底图要素表达模板的触发关系，解析相应的情境推理结果，并选择适宜的底图要素表达模板。

②叠加要素表达主要根据分析不同叠加类型[12]与叠加要素表达模板的触发关系，解析包括叠加兴趣点、叠加时间距离、叠加语义位置、叠加事件和叠加特殊场景五种叠加类型，并选择适宜的叠加要素表达模板。

③情境切换表达主要依据不同切换情境的特点，建立不同切换情境与切换方法、切换条件的关系，进而选择适宜的位置地图情境切换表达模板[13]。

图4　位置地图情境逻辑框架

3.3应用框架

上文已经把情境在位置地图中的应用分为情境信息获取、情境建模、情境推理和情境表达四个环节，并描述了每一环节的逻辑结构。下面则介绍这几个环节在位置地图情境中的应用流程，如图5所示。

图5　位置地图情境应用框架

从上图可以看出，情境模型是在情境推理之前完成的，存储在情境模型库里面的事先情境。情境推理是实时完成的，需要用到实时获取的情境信息及与之相关的情境模型。其中，活动匹配与情境模型中的活动模型有关，情境信息提取与情境模型中的关系模型和情境信息模型有关，而综合推理则是联合利用前面匹配的活动及提取的与之相关情境信息，再根据综合推理算法进一步分析。在情境表达中，叠加情境表达和切换情境表达与综合推理有关，而底图情境表达与情境信息模型的关联度更高。

下面以用户道路导航中的特殊场景提醒为例，描述位置地图情境模型的应用，如图6所示。首先，情境建模将情境信息与情境之间的关系描述出来，并存储到情境模型库中；其次，通过情境推理中的活动匹配判断当前活动(机场登机，导航，叠加特殊场景)；然后，情境信息提取与用户活动相关的实时位置信息、用户行驶速度信息、时间信息(包括当前信息与截止信息)等；再次，综合推理算法推算出距用户当前的位置50m外是一处立交桥；最后，情境表达将情境推理的结果转换为立交桥图片，叠加在导航地图上推荐给用户。

(a)情境应用前 (b)情境应用后图6　位置地图情境应用框架

4　结束语

情境并不是一个新概念，它在心理学、人类学领域早有应用，但在地图制图领域，尽管也有学者研讨过其在移动位置服务中的重要地位，但往往深度不够，基本没有提出确切的解决思路。为此，本文从位置服务对导航地图的新要求入手，通过引进位置地图的概念，将情境与智能地图服务联系在一起，重点分析活动与位置地图情境的关系，指出活动在其中的重要地位，提出建立的概念模型、逻辑模型与应用模型，将为后续进一步详细刻画位置地图情境并应用于位置服务提供参考。应该讲，随着以后物联网的发展，一切与位置服务相关联的情境信息都可能被获取，更多的情境信息可以作为位置地图情境的推理判断依据，位置服务的结果势必更加及时、准确。从这个角度上说，情境在位置服务上的应用前景非常可观，需要更多的感兴趣人员从事这方面研究。

[1]周成虎, 朱欣焰, 王蒙等. 全息位置地图研究[J]. 地理科学进展, 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]李伟. 面向空间知识地图服务的用户研究[D]. 郑州: 信息工程大学, 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]齐晓飞, 王光霞, 崔秀飞等. 位置地图情境建模与实例分析[J]. 地球信息科学学报, 2014,5(5):712-719.

[13]齐晓飞, 王光霞, 薛志伟等. 位置地图情境分类分级与切换研究[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。

齐晓飞(1985—)，男，助理研究员，主要从事数字地图制图与空间数据质量控制方面的研究。

P283

A