本文内容来源于《测绘通报》2024年第3期，审图号：GS京（2024）0499号
面向城市结构形态的地图认知负荷差异眼动试验研究
黎雪儿, 郑束蕾
信息工程大学, 河南 郑州 450001
基金项目：国家自然科学基金(42271464)
关键词：空间认知, 地图, 眼动试验, 认知负荷, 城市结构
引文格式：黎雪儿, 郑束蕾. 面向城市结构形态的地图认知负荷差异眼动试验研究. 测绘通报，2024(3)：101-106. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2024.0317.摘要
摘要 ：在空间认知领域,随着技术的进步,地图出现了三维地图、影像地图、虚拟地图等新的形式,同时带来了地图认知适用性不清、认知负荷差异缺乏量化的问题。本文针对面向城市结构形态认知问题,以二维地图、三维地图、影像地图、航拍地图图片为例,采用问卷调查、眼动试验和量表分析相结合的方法,研究不同类型地图的认知作用,同时关注其中的性别差异。结果显示,地图类型与性别两个变量均对地图认知负荷产生一定影响,组间差异显著;二维地图适用性较好,男性认知负荷与认知效果高于女性。
正文空间认知研究用于揭示地理实体世界在大脑中如何建立空间概念(结果表现为心象地图)，如何在表达空间中描述地理事物与现象，如在心象地图中通过认知推理诠释空间现象和揭示空间规律[1]。空间认知需要依靠地图才能实现感知过程，地图既是人类认知空间环境的结果，又是认知依据的信息加工基础[2]。但近年来，三维地图、影像地图、交互式地图、沉浸式地图、虚拟地图、移动地图、写意地图、手绘地图等各类地图应运而生[3]。由于地图认知理论研究严重滞后于其技术发展，泛化的地图定义有时导致制图规则宽泛而模糊，繁杂的地图产品反而造成选择困难和认知混淆。各种新型地图的认知适用性不清，非必要的地图认知负荷影响了地图信息传输效率，不同用户的认知差异缺少量化分析，以上问题亟须解决。认知科学为其供了理论依据。其中，认知负荷指在解决问题和完成任务时所需的认知资源总量，当其超过工作记忆资源总量，便会带来认知超载，从而导致解决问题和完成任务的效率低下。地图的适用性问题可通过认知负荷表征。因此，本文以地图认知负荷为研究目标，选择二维地图、三维地图、遥感影像、航拍图片等几种常见类型的地图为研究对象，设计面向城市结构形态的单因子试验，采用眼动试验与问卷、量表结合的方式，记录反应时、正确率、瞳孔直径、眨眼频率、眼跳幅度、注视时长、视觉注意力及任务表现等试验数据，通过定量化统计分析，将人脑中隐式的认知负荷显式表达出来，同时获取不同地图类型和用户性别对空间认知负荷的影响差异。1 相关研究 1.1 认知负荷测量 文献[4—5]提出认知负荷理论，尽可能降低认知超载的可能性，目的是解决完成任务效率低下的问题。认知负荷可通过生理仪器和性能指标客观测量。在生理测量方面，眼动追踪技术被认为是视觉信息加工研究中最客观、有效、自然的研究手段，用户无需佩戴额外的设备，最大限度地消除了实验室效应。不同任务下的注视时间、眼跳距离可作为认知负荷差异的表现，瞳孔大小已被证明是提供认知负荷的可靠指标[6]。此外，眨眼频率和扫视持续时间等眼动特征，也被证明在研究认知工作量方面有效[7]。相比较而言，脑成像技术等对于被试对象和试验环境的要求都较高，试验压力更大。因此，本文采用眼动追踪技术与问卷、量表相结合方法进行研究。1.2 地图认知眼动研究目前地图认知眼动试验研究已取得一定进展，成果集中在地图注记[8-9]、图例[10]、背景[11-14]及用户分析[15]等方面，具体包括：地理空间导航中不同地理信息可视化类型对视觉认知规律影响的研究[11-13]；对个体空间认知能力中真实环境和桌面虚拟环境的差异[16]、三维[17]和谷歌地球[18]环境寻路结果比较研究；对二维电子地图领域不同背景、地标等的个体差异、认知负荷等空间认知能力的研究[15, 19]；对导航路标可视化的认知负荷、抽象和三维地标对路线指示获取影响的研究[20-21]等。以上对各类地图形式使用效果的比较研究较少，缺少对地图认知负荷及影响因素的研究。1.3 城市形态结构地图研究地理学对城市空间结构进行分析的目的是确定城市结构类型，帮助建设城市环境[22]。针对城市结构形态的研究，也被称为城市意象研究，如文献[23]通过问卷得到323份北京居民绘制的感知地图，分析北京城市居民的空间感知类型，发现与西方类型的差别较小及居民间的差异性；文献[24]通过266份问卷分析兰州城市居民的意象空间认知，发现居民对兰州城市的空间认知水平较低，通过地物和要素频率概括兰州城市意象空间结构与现实中的兰州城市格局十分相似等。目前城市形态结构的地图研究大都采用问卷调查法，主观意识较强，且缺乏量化分析。本文针对面向城市结构形态的认知问题，采用眼动试验技术方法，以不同类型的地图载体为试验素材，对其认知负荷进行量化分析。2 试验设计及方案 2.1 试验设计本文关注不同地图素材引起的认知负荷问题，以及面向城市结构形态认知问题，设计了地图与城市结构匹配试验任务，通过对结果进行测试分析，以期了解各类地图的适用性问题。首先在“天地图”网站选取10个不同城市1∶500的二维地图、三维地图、遥感影像30幅，6张航拍照片；然后将其随机组成3组，保证每个城市的不同类型地图分配到不同组中，即每组包含10张二维地图、三维地图、遥感影像及2张航拍照片，共12张地图。根据文献[25—26]的研究结论，将城市结构形态分为8类，如图 1所示。最后，将地图放置在白板中间上方位置，并在下面放置4个城市形态结构图作为选择，如图 2所示。
图 1 城市结构形态类型[25-26]
图 2 地图与城市结构匹配试验材料
2.2 被试及试验仪器选取24名被试进行眼动试验。被试均为在读硕士研究生，且右利手，男女比例1∶1，所有参与者裸眼视力或矫正视力正常，有地图教育经验，使用地图频率较高，对试验涉及的地图内容事先不了解。试验使用国产品牌七鑫易维的aSee Pro桌面式眼动仪，采样频率为140 Hz，显示器采用戴尔台式计算器，23 inch(1 inch=2.54 cm)，分辨率为1920×1080像素，采用眼动仪自带的aSee Studio软件用于管理和分析眼动数据。2.3 试验过程参与者首先被要求填写一张测前问卷，包括背景信息(性别、年龄、教育程度和地图熟悉程度)和不同类型地图(二维地图、三维地图、遥感影像、航拍图片) 对心象地图形成的自我报告评估；然后进入眼动实验室内，保证每位参与者在安静且不受干扰的环境下单独完成试验。主试向被试介绍眼动设备及操作步骤、注意事项等，随后运行程序，采用五点校准后开始试验，具体眼动试验步骤如图 3所示，包括：①指导图片介绍8种城市结构形态；②进行两次预训练，帮助被试了解熟悉试验任务操作，被试被要求观看提示语后进入预训练步骤，根据提示语进行任务操作，两次预训练后进入正式任务；③感知任务，被试被要求自由浏览地图，并选择与地图显示城市区域匹配的城市结构图，选择好后用鼠标点击选择的城市结构图，进入下一幅地图选择，每次任务间插入“十”字图片0.5 s，让被试视线回归屏幕中心，任务重复12次。所有的任务都没有时间限制。
图 3 地图与城市结构匹配眼动试验步骤眼动试验结束后，由被试填写测后问卷，说明任务结束后，不同类型地图心象地图形成的自我报告评估，用于与开始的评估进行对比。3 试验结果与分析 3.1 不同地图类型认知负荷的整体差异性分析在认知试验中，选择地图显示城市区域相匹配的城市结构形态，其中对于准确率的研究可以反映被试对于地图的感知程度，反应时、瞳孔直径和眨眼频率可以反映被试在感知阶段的认知负荷大小，反应用时越短、瞳孔直径越小、眨眼频率越低，被试的认知负荷越小[14]。以4种地图类型为自变量，准确率、反应时、瞳孔直径、眨眼频率为因变量，进行单因素方差分析检验自变量对因变量的影响。(1) 准确率：二维地图的准确率最高；三维地图与遥感影像次之；航拍图片最低；但其差异性(P=0.331>0.05)不显著。(2) 反应时：三维地图的用时最多；二维地图与遥感影像次之；航拍图片用时最少；其差异性(P=0.916>0.05)不显著。(3) 瞳孔直径：三维地图>遥感影像>航拍图片>二维地图，其差异性显著，在事后检验中发现二维地图与三维底图、二维地图与遥感影像间瞳孔直径差异性(P=0.000 < 0.05)显著，且二维地图瞳孔直径显著小于遥感影像，也显著小于三维地图。(4) 眨眼频率：三维地图>二维地图>航拍图片>遥感影像，其差异性(P=0.280>0.05)不显著。反应时、瞳孔直径与眨眼频率结果说明，二维地图的认知负荷与其他地图相比要小，且认知结果上也优于其他地图。因此，面向城市结构形态的认知中，二维地图效果更好。3.2 不同地图类型认知负荷的眼动指标分析对AOI(area of interest)按照地图区域、错误城市结构形态区域、正确结构形态区域进行绘制，如图 4所示。
图 4 认知试验AOI划分AOI内注视时长[27]指从进入一个区域到退出该区域的时间总和，能作为心理加工程度的测量指标，即作为认知负荷测量指标。首次进入时间指刺激开始呈现到被试注视点第1次出现在AOI的时间，可用于指示感知速度，首次进入时间越短，感知速度越快，认知效率越高；首次注视时间指AOI内第1个注视点的持续时长，可指示感知程度，即AOI引起被试注意的程度[28]。试验以地图类型为自变量，选取地图区域注视持续时长，正确区域首次进入时间，以及在正确区域首次注视时间为因变量。选用的时长参数均为计算AOI与整体区域时长的比例，即
，并进行方差分析。结果差异虽不显著，但描述结果中可以发现三维地图的首次进入时间最长；正确城市形态结构区域首次进入时间与注视时间最长。即三维地图的加工程度要高于其他3类，感知程度与认知效率要低于其他3类，这与整体统计中三维地图认知负荷高的结果吻合。3.3 性别差异分析认知试验的性别差异结果显示，男性准确率要高于女性，结果不显著(P=0.419>0.05)；男性瞳孔直径小于女性，结果不显著(P=0.220>0.05)。然而眼跳，即一个注视点到另一个注视点的行为，能作为认知负荷的指标，其中眼跳幅度与眼跳速度越大，认知负荷越高[28]，而男性的眼跳幅度(P=0.031 < 0.05)与速度(P=0.000 < 0.05)均显著低于女性。在面向城市形态的认知中，认知负荷的性别因素差异显著。3.4 问卷主观评估结果分析试验前后均进行了问卷调查，可以从被试主观角度判断地图适用性，且分析试验对主观结果的影响，见表 1。可知，试验前问卷结果显示大部分被试认为航拍照片的结果最好；遥感影像最差；测后后问卷结果显示二维地图与遥感影像中认为结果为“好”“非常好”的比例增大，航拍照片结果相反，三维地图中认为“比较不好”人数减少，“较好”与“好”的人数增加。表 1 测前、测后问卷结果
4 讨论与分析对以上试验结果进行分析，以下问题值得进一步深入探讨。4.1 地图类型对于认知过程的适用性试验分析发现，二维地图、三维地图、遥感影像、航拍照片之间的瞳孔直径差异显著。事后检验发现，二维地图与三维地图、二维地图与遥感影像间瞳孔直径差异性显著，且二维地图的瞳孔直径明显小于三维地图、影像及航片。在其他统计结果中，虽无显著差异，但二维地图的准确率高于其他类型地图。而三维地图的瞳孔直径显著最大，且在反应时、眨眼频率、AOI注视时长、正确区域首次进入时间、正确区域首次注视时间中表现均不好。在认知心理学的研究中，瞳孔直径、眨眼频率等已被证明是评估认知负荷的可靠指标。在以往的心理学和地图学眼动试验中表明，瞳孔直径大、眨眼频率高表征了较高的认知负荷[14-15, 29]，首次进入时间与首次注视时间可以表征被试对于AOI区域的感知速度与程度[29-30]。因此，在面向城市结构形态的地图认知中，二维地图的适用性最好，三维地图的适用性相较最差。在认知负荷的研究上，与文献[12]在寻路行为上发现三维地图的认知负荷高于二维地图的研究结果一致。试验中并未发现三维和影像间差异明显，这可能与“天地图”1∶500比例尺下的三维地图与影像地图间的设计差别不明显有关，后续将补充试验素材进一步验证。试验测前与测后的主观评价中发现，二维地图的整体良好率高于其他类型地图，但总体变化较小，可以说明二维地图适用性总体上优于其他类型地图。但被试对于三维地图的认知能力在试验中有所提高，即三维地图认知有助于心象地图的形成，如果加强认知学习和使用训练，能够增强其适用性。4.2 地图认知过程中的性别差异总体而言，男性与女性认知负荷差异显著，女性认知负荷明显高于男性，不仅体现在眼跳幅度上，也体现在眼跳速度上。虽瞳孔直径的差异性不显著，但统计结果上女性的瞳孔直径大于男性，说明在面向城市结构形态认知上，男性认知负荷要低于女性。这可能与男性的理性思维方式有关，与文献[31]发现在地图阅读上男性的表现更好也符合。5 结论本文通过眼动试验和问卷调查得到一些规律：①面向城市结构形态认知中，二维地图适用性好；②男性认知负荷高于女性；③通过对地图的学习、训练与普及使用，可以增强地图的适用性。但由于时间和被试范围有限，本文只是探索可行的试验方法，被试年龄、教育程度等相对集中，结论仍有一定的局限性。今后可以通过更大范围地选取被试，增加试验普适性和有效性；拓展地图素材类型的多样性，如加入虚拟地理环境、沙盘地图、更加真实的三维地图试验素材等；设置时间压力等应激条件，以增加试验的复杂性，从而更加实时、动态、精确地了解地图认知负荷；分别设计位置辨别、路径规划、记忆拼图等试验任务进行后续深入研究，发现不同地图类型在感知、辨别、记忆等细粒度认知阶段上的认知差异和适用性问题，如通过设计拼图任务考察记忆阶段认知负荷的预试验，初步得到了三维地图认知负荷最高，认知结果最优，且男性在记忆阶段认知负荷仍小于女性等结论。
作者简介作者简介：黎雪儿(2000—),女,硕士生,主要研究方向为地图认知眼动分析。E-mail: li＿[email protected]通信作者：郑束蕾，E-mail: [email protected]
初审：纪银晓复审：宋启凡
终审：金 君
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