本文内容來源于《測繪通報》2024年第3期，審圖号：GS京（2024）0499号
面向城市結構形态的地圖認知負荷差異眼動試驗研究
黎雪兒, 鄭束蕾
資訊工程大學, 河南 鄭州 450001
基金項目：國家自然科學基金(42271464)
關鍵詞：空間認知, 地圖, 眼動試驗, 認知負荷, 城市結構
引文格式：黎雪兒, 鄭束蕾. 面向城市結構形态的地圖認知負荷差異眼動試驗研究. 測繪通報，2024(3)：101-106. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2024.0317.摘要
摘要 ：在空間認知領域,随着技術的進步,地圖出現了三維地圖、影像地圖、虛拟地圖等新的形式,同時帶來了地圖認知适用性不清、認知負荷差異缺乏量化的問題。本文針對面向城市結構形态認知問題,以二維地圖、三維地圖、影像地圖、航拍地圖圖檔為例,采用問卷調查、眼動試驗和量表分析相結合的方法,研究不同類型地圖的認知作用,同時關注其中的性别差異。結果顯示,地圖類型與性别兩個變量均對地圖認知負荷産生一定影響,組間差異顯著;二維地圖适用性較好,男性認知負荷與認知效果高于女性。
正文空間認知研究用于揭示地理實體世界在大腦中如何建立空間概念(結果表現為心象地圖)，如何在表達空間中描述地理事物與現象，如在心象地圖中通過認知推理诠釋空間現象和揭示空間規律[1]。空間認知需要依靠地圖才能實作感覺過程，地圖既是人類認知空間環境的結果，又是認知依據的資訊加工基礎[2]。但近年來，三維地圖、影像地圖、互動式地圖、沉浸式地圖、虛拟地圖、移動地圖、寫意地圖、手繪地圖等各類地圖應運而生[3]。由于地圖認知理論研究嚴重滞後于其技術發展，泛化的地圖定義有時導緻制圖規則寬泛而模糊，繁雜的地圖産品反而造成選擇困難和認知混淆。各種新型地圖的認知适用性不清，非必要的地圖認知負荷影響了地圖資訊傳輸效率，不同使用者的認知差異缺少量化分析，以上問題亟須解決。認知科學為其供了理論依據。其中，認知負荷指在解決問題和完成任務時所需的認知資源總量，當其超過工作記憶資源總量，便會帶來認知超載，進而導緻解決問題和完成任務的效率低下。地圖的适用性問題可通過認知負荷表征。是以，本文以地圖認知負荷為研究目标，選擇二維地圖、三維地圖、遙感影像、航拍圖檔等幾種常見類型的地圖為研究對象，設計面向城市結構形态的單因子試驗，采用眼動試驗與問卷、量表結合的方式，記錄反應時、正确率、瞳孔直徑、眨眼頻率、眼跳幅度、注視時長、視覺注意力及任務表現等試驗資料，通過定量化統計分析，将人腦中隐式的認知負荷顯式表達出來，同時擷取不同地圖類型和使用者性别對空間認知負荷的影響差異。1 相關研究 1.1 認知負荷測量 文獻[4—5]提出認知負荷理論，盡可能降低認知超載的可能性，目的是解決完成任務效率低下的問題。認知負荷可通過生理儀器和性能名額客觀測量。在生理測量方面，眼動追蹤技術被認為是視覺資訊加工研究中最客觀、有效、自然的研究手段，使用者無需佩戴額外的裝置，最大限度地消除了實驗室效應。不同任務下的注視時間、眼跳距離可作為認知負荷差異的表現，瞳孔大小已被證明是提供認知負荷的可靠名額[6]。此外，眨眼頻率和掃視持續時間等眼動特征，也被證明在研究認知工作量方面有效[7]。相比較而言，腦成像技術等對于被試對象和試驗環境的要求都較高，試驗壓力更大。是以，本文采用眼動追蹤技術與問卷、量表相結合方法進行研究。1.2 地圖認知眼動研究目前地圖認知眼動試驗研究已取得一定進展，成果集中在地圖注記[8-9]、圖例[10]、背景[11-14]及使用者分析[15]等方面，具體包括：地理空間導航中不同地理資訊可視化類型對視覺認知規律影響的研究[11-13]；對個體空間認知能力中真實環境和桌面虛拟環境的差異[16]、三維[17]和谷歌地球[18]環境尋路結果比較研究；對二維電子地圖領域不同背景、地标等的個體差異、認知負荷等空間認知能力的研究[15, 19]；對導航路标可視化的認知負荷、抽象和三維地标對路線訓示擷取影響的研究[20-21]等。以上對各類地圖形式使用效果的比較研究較少，缺少對地圖認知負荷及影響因素的研究。1.3 城市形态結構地圖研究地理學對城市空間結構進行分析的目的是确定城市結構類型，幫助建設城市環境[22]。針對城市結構形态的研究，也被稱為城市意象研究，如文獻[23]通過問卷得到323份北京居民繪制的感覺地圖，分析北京城市居民的空間感覺類型，發現與西方類型的差别較小及居民間的差異性；文獻[24]通過266份問卷分析蘭州城市居民的意象空間認知，發現居民對蘭州城市的空間認知水準較低，通過地物和要素頻率概括蘭州城市意象空間結構與現實中的蘭州城市格局十分相似等。目前城市形态結構的地圖研究大都采用問卷調查法，主觀意識較強，且缺乏量化分析。本文針對面向城市結構形态的認知問題，采用眼動試驗技術方法，以不同類型的地圖載體為試驗素材，對其認知負荷進行量化分析。2 試驗設計及方案 2.1 試驗設計本文關注不同地圖素材引起的認知負荷問題，以及面向城市結構形态認知問題，設計了地圖與城市結構比對試驗任務，通過對結果進行測試分析，以期了解各類地圖的适用性問題。首先在“天地圖”網站選取10個不同城市1∶500的二維地圖、三維地圖、遙感影像30幅，6張航拍照片；然後将其随機組成3組，保證每個城市的不同類型地圖配置設定到不同組中，即每組包含10張二維地圖、三維地圖、遙感影像及2張航拍照片，共12張地圖。根據文獻[25—26]的研究結論，将城市結構形态分為8類，如圖 1所示。最後，将地圖放置在白闆中間上方位置，并在下面放置4個城市形态結構圖作為選擇，如圖 2所示。
圖 1 城市結構形态類型[25-26]
圖 2 地圖與城市結構比對試驗材料
2.2 被試及試驗儀器選取24名被試進行眼動試驗。被試均為在讀碩士研究所學生，且右利手，男女比例1∶1，所有參與者裸眼視力或矯正視力正常，有地圖教育經驗，使用地圖頻率較高，對試驗涉及的地圖内容事先不了解。試驗使用國産品牌七鑫易維的aSee Pro桌面式眼動儀，采樣頻率為140 Hz，顯示器采用戴爾桌上型電腦，23 inch(1 inch=2.54 cm)，分辨率為1920×1080像素，采用眼動儀自帶的aSee Studio軟體用于管理和分析眼動資料。2.3 試驗過程參與者首先被要求填寫一張測前問卷，包括背景資訊(性别、年齡、教育程度和地圖熟悉程度)和不同類型地圖(二維地圖、三維地圖、遙感影像、航拍圖檔) 對心象地圖形成的自我報告評估；然後進入眼動實驗室内，保證每位參與者在安靜且不受幹擾的環境下單獨完成試驗。主試向被試介紹眼動裝置及操作步驟、注意事項等，随後運作程式，采用五點校準後開始試驗，具體眼動試驗步驟如圖 3所示，包括：①指導圖檔介紹8種城市結構形态；②進行兩次預訓練，幫助被試了解熟悉試驗任務操作，被試被要求觀看提示語後進入預訓練步驟，根據提示語進行任務操作，兩次預訓練後進入正式任務；③感覺任務，被試被要求自由浏覽地圖，并選擇與地圖顯示城市區域比對的城市結構圖，選擇好後用滑鼠點選選擇的城市結構圖，進入下一幅地圖選擇，每次任務間插入“十”字圖檔0.5 s，讓被試視線回歸螢幕中心，任務重複12次。所有的任務都沒有時間限制。
圖 3 地圖與城市結構比對眼動試驗步驟眼動試驗結束後，由被試填寫測後問卷，說明任務結束後，不同類型地圖心象地圖形成的自我報告評估，用于與開始的評估進行對比。3 試驗結果與分析 3.1 不同地圖類型認知負荷的整體差異性分析在認知試驗中，選擇地圖顯示城市區域相比對的城市結構形态，其中對于準确率的研究可以反映被試對于地圖的感覺程度，反應時、瞳孔直徑和眨眼頻率可以反映被試在感覺階段的認知負荷大小，反應用時越短、瞳孔直徑越小、眨眼頻率越低，被試的認知負荷越小[14]。以4種地圖類型為自變量，準确率、反應時、瞳孔直徑、眨眼頻率為因變量，進行單因素方差分析檢驗自變量對因變量的影響。(1) 準确率：二維地圖的準确率最高；三維地圖與遙感影像次之；航拍圖檔最低；但其差異性(P=0.331>0.05)不顯著。(2) 反應時：三維地圖的用時最多；二維地圖與遙感影像次之；航拍圖檔用時最少；其差異性(P=0.916>0.05)不顯著。(3) 瞳孔直徑：三維地圖>遙感影像>航拍圖檔>二維地圖，其差異性顯著，在事後檢驗中發現二維地圖與三維底圖、二維地圖與遙感影像間瞳孔直徑差異性(P=0.000 < 0.05)顯著，且二維地圖瞳孔直徑顯著小于遙感影像，也顯著小于三維地圖。(4) 眨眼頻率：三維地圖>二維地圖>航拍圖檔>遙感影像，其差異性(P=0.280>0.05)不顯著。反應時、瞳孔直徑與眨眼頻率結果說明，二維地圖的認知負荷與其他地圖相比要小，且認知結果上也優于其他地圖。是以，面向城市結構形态的認知中，二維地圖效果更好。3.2 不同地圖類型認知負荷的眼動名額分析對AOI(area of interest)按照地圖區域、錯誤城市結構形态區域、正确結構形态區域進行繪制，如圖 4所示。
圖 4 認知試驗AOI劃分AOI内注視時長[27]指從進入一個區域到退出該區域的時間總和，能作為心理加工程度的測量名額，即作為認知負荷測量名額。首次進入時間指刺激開始呈現到被試注視點第1次出現在AOI的時間，可用于訓示感覺速度，首次進入時間越短，感覺速度越快，認知效率越高；首次注視時間指AOI内第1個注視點的持續時長，可訓示感覺程度，即AOI引起被試注意的程度[28]。試驗以地圖類型為自變量，選取地圖區域注視持續時長，正确區域首次進入時間，以及在正确區域首次注視時間為因變量。選用的時長參數均為計算AOI與整體區域時長的比例，即
，并進行方差分析。結果差異雖不顯著，但描述結果中可以發現三維地圖的首次進入時間最長；正确城市形态結構區域首次進入時間與注視時間最長。即三維地圖的加工程度要高于其他3類，感覺程度與認知效率要低于其他3類，這與整體統計中三維地圖認知負荷高的結果吻合。3.3 性别差異分析認知試驗的性别差異結果顯示，男性準确率要高于女性，結果不顯著(P=0.419>0.05)；男性瞳孔直徑小于女性，結果不顯著(P=0.220>0.05)。然而眼跳，即一個注視點到另一個注視點的行為，能作為認知負荷的名額，其中眼跳幅度與眼跳速度越大，認知負荷越高[28]，而男性的眼跳幅度(P=0.031 < 0.05)與速度(P=0.000 < 0.05)均顯著低于女性。在面向城市形态的認知中，認知負荷的性别因素差異顯著。3.4 問卷主觀評估結果分析試驗前後均進行了問卷調查，可以從被試主觀角度判斷地圖适用性，且分析試驗對主觀結果的影響，見表 1。可知，試驗前問卷結果顯示大部分被試認為航拍照片的結果最好；遙感影像最差；測後後問卷結果顯示二維地圖與遙感影像中認為結果為“好”“非常好”的比例增大，航拍照片結果相反，三維地圖中認為“比較不好”人數減少，“較好”與“好”的人數增加。表 1 測前、測後問卷結果
4 讨論與分析對以上試驗結果進行分析，以下問題值得進一步深入探讨。4.1 地圖類型對于認知過程的适用性試驗分析發現，二維地圖、三維地圖、遙感影像、航拍照片之間的瞳孔直徑差異顯著。事後檢驗發現，二維地圖與三維地圖、二維地圖與遙感影像間瞳孔直徑差異性顯著，且二維地圖的瞳孔直徑明顯小于三維地圖、影像及航片。在其他統計結果中，雖無顯著差異，但二維地圖的準确率高于其他類型地圖。而三維地圖的瞳孔直徑顯著最大，且在反應時、眨眼頻率、AOI注視時長、正确區域首次進入時間、正确區域首次注視時間中表現均不好。在認知心理學的研究中，瞳孔直徑、眨眼頻率等已被證明是評估認知負荷的可靠名額。在以往的心理學和地圖學眼動試驗中表明，瞳孔直徑大、眨眼頻率高表征了較高的認知負荷[14-15, 29]，首次進入時間與首次注視時間可以表征被試對于AOI區域的感覺速度與程度[29-30]。是以，在面向城市結構形态的地圖認知中，二維地圖的适用性最好，三維地圖的适用性相較最差。在認知負荷的研究上，與文獻[12]在尋路行為上發現三維地圖的認知負荷高于二維地圖的研究結果一緻。試驗中并未發現三維和影像間差異明顯，這可能與“天地圖”1∶500比例尺下的三維地圖與影像地圖間的設計差别不明顯有關，後續将補充試驗素材進一步驗證。試驗測前與測後的主觀評價中發現，二維地圖的整體良好率高于其他類型地圖，但總體變化較小，可以說明二維地圖适用性總體上優于其他類型地圖。但被試對于三維地圖的認知能力在試驗中有所提高，即三維地圖認知有助于心象地圖的形成，如果加強認知學習和使用訓練，能夠增強其适用性。4.2 地圖認知過程中的性别差異總體而言，男性與女性認知負荷差異顯著，女性認知負荷明顯高于男性，不僅展現在眼跳幅度上，也展現在眼跳速度上。雖瞳孔直徑的差異性不顯著，但統計結果上女性的瞳孔直徑大于男性，說明在面向城市結構形态認知上，男性認知負荷要低于女性。這可能與男性的理性思維方式有關，與文獻[31]發現在地圖閱讀上男性的表現更好也符合。5 結論本文通過眼動試驗和問卷調查得到一些規律：①面向城市結構形态認知中，二維地圖适用性好；②男性認知負荷高于女性；③通過對地圖的學習、訓練與普及使用，可以增強地圖的适用性。但由于時間和被試範圍有限，本文隻是探索可行的試驗方法，被試年齡、教育程度等相對集中，結論仍有一定的局限性。今後可以通過更大範圍地選取被試，增加試驗普适性和有效性；拓展地圖素材類型的多樣性，如加入虛拟地理環境、沙盤地圖、更加真實的三維地圖試驗素材等；設定時間壓力等應激條件，以增加試驗的複雜性，進而更加實時、動态、精确地了解地圖認知負荷；分别設計位置辨識、路徑規劃、記憶拼圖等試驗任務進行後續深入研究，發現不同地圖類型在感覺、辨識、記憶等細粒度認知階段上的認知差異和适用性問題，如通過設計拼圖任務考察記憶階段認知負荷的預試驗，初步得到了三維地圖認知負荷最高，認知結果最優，且男性在記憶階段認知負荷仍小于女性等結論。
作者簡介作者簡介：黎雪兒(2000—),女,碩士生,主要研究方向為地圖認知眼動分析。E-mail: li＿[email protected]通信作者：鄭束蕾，E-mail: [email protected]
初審：紀銀曉複審：宋啟凡
終審：金 君
資訊