1.3　国内外研究现状及分析

针对本书的研究内容，主要对个性化地图的认知理论、实验方法、服务技术等国内外现状进行研究，重点分析其中个性化地图和地图认知研究现状，总结目前研究中主要存在的问题。

1.3.1　个性化地图认知理论研究现状

目前关于个性化地图空间认知的研究主要有两个方向：一种是以地图为工具和手段对地理空间进行直接认知，即鲁学军所说的较大范围的空间格局认知［6］；另一种是通过对地图本身的认知间接获取地理空间信息［26-28］，将地图作为“空间认知和空间思维的工具”［12］，是地图学与认知心理学交叉融合产生的研究领域。

自从20世纪50年代认知理论被引入地图学以来，地图学陆续被美国地理科学研究协会、中国自然科学基金委员会列为优先资助研究领域之一。美国地理科学研究协会还明确指出将连续3年重点资助对地理信息个性化认知差异的影响研究。Elzakker在1998年加拿大渥太华举办的ICA第19届学术讨论会上指出，为了向用户提供地图可视化工具，地图学者需要了解用户大脑中发生的认知过程。在广泛的用户中，除了少数从事与地图相关工作的人，更多的用户是非专业的［29-31］，地图设计在具有创新的个性因素的同时，又必须符合大众化的情感心理［32］。在Morita T.提出普适制图的概念［31，33］之后，Montello D.R.［34］对20世纪认知地图设计的理论与实验方法进行了专门论述，总结了包括认知理论和传输模型框架之内的理论研究工作的进展，并将Robinson在1952年出版的The Look of Maps中的认知地图实验研究分为地图设计、地图心理、地图训练3部分进行了总结，并且提到内在因素和经验因素形成的个体差异在很大程度上影响了用户的地图感受和认知。

与一般地图相比，个性化地图更加突出用户的中心地位和个性化需求差异。地图符号、用户满意度、环境维度、感官通道、显示载体等个性化因素的影响是当前个性化地图认知研究的热点。

1.地图符号研究

在符号认知方面，Vasilev S.提出了地图符号应该能够表达物理语义、思维结果、感知适应、类别体系，研究了从原始图形、图形符号、地理符号到衍指符号（Supersign）的设计［35］；Schlichtmann H.认为，符号设计包含变量组合、图形表达及关联特征3个主要方面［36］；Griffin和Robinson发现地图中建筑物示意符号的不同会影响到建筑物名称的记忆［37］；江南按照文化背景、文化程度、用图意图、年龄特征分析了电子地图用户群的认知特点，并提出了电子地图多模式显示的理论与方法［38］；陈棉从语义的角度对地图符号系统进行了研究，探讨了空间信息多媒体可视化的设计方法［39］；李伟等［40］解析了符素情境语义和符号陈述语法，提出了个性化地图符号的设计策略。

2.用户满意度研究

用户满意度方面的研究主要集中于用户地图情感方面。孟丽秋教授一直关注个体、环境差异对地图认知的影响，强调情感制图（Affective Mapping）［25］在地图设计中的重要作用。她总结了地图表达形式、价值能力、评价标准、设计者和使用者间的关系，以及符号认知规律的历史演变，采用ISO的可用性定义作为地图的评价标准，认为用户对地图信息的获取程度不只依赖于一般生理能力，还与视觉文化、专业知识、对地图设计的理解能力有关，地图使用效率与随时改变的用户任务、信息需求、地图先验知识和情感状态关系密切［41］（见图1.1）。她针对如何提升以用户为中心的个性化地理服务，提出了Egocentric Geovisualisation的概念，并将这个概念与Geocentric Geovisualisation相对照，指出比地图效力和效率更重要的是用户的满意度，它不仅与用图目的有关，还和个性化的、复合的、主观的情感需求有关［42］。Fiori等也从地图符号的视觉感受和旅游者情感因素方面提出了一些促进交互的途径。

3.载体分异研究

地图载体分异方面的研究主要集中于网络地图与移动地图交互方面。例如，Sarjakoski L.T.和Nivala A.M.等［13，43-45］讨论了不同载体设备上地图显示的个性化差异，对移动地图的可用性［46］和地图网站的可用性［47］进行了评价，提出了基于适应手段的可用性改进方法［44］，对新用户、新环境和新设备条件下的交互式地图设计进行了系统研究［48］。他们指出移动地图具有能够通过情境提醒屏蔽不必要信息的优势，认为地图阅读不仅与制图者有关，还与用户技能和感受途径、用图目的、使用时间、物理环境、显示设备等要素有关（见图1.2）［49］；并在地图符号视觉变量和信息传输模型的基础上，给出了考虑季节和年龄个性化差异的地图符号设计实例。Elzakker等［50］对移动地图的可用性进行了测试。

4.维度与感官通道研究

地图个性化设计手段的丰富，不仅表现在视觉变量的扩充方面，还表现在听觉符号、三维符号、视频录像或动画片段等多媒体和多感官通道的运用方面［51］，可听化、可触化认知［25，52］使地图认知手段更加多样化，提高了地图表现力，增强了地图认知效果。虚拟地理环境和增强现实等新的地图形式，更加以用户为中心探讨视点和认知的关系，也是个性化的一种特殊表现。赛博空间、网络空间、本体空间、室内空间［53］认知对地图的依赖性与二维空间有所不同，需要寻求新的理论方法和技术手段［54］。在多维度、多感官通道方面，地图认知具有更多不确定性。孟丽秋教授认为三维仿真虚拟地理环境的普及不仅给地图学提供了新的生长点，还使可视化技术（Visualization）走向可视化学（Visualistics）［25］；艾廷华教授认为赛博地图是对虚拟空间的认知表达，在内容表达、地图综合方法、数学法则等方面与常规地图并无差别［55］；但是刘芳等认为虚拟地理环境具有多感官性（Multi-nensury）和自主性（Autonomy），缩短了没有地图使用经验的用户的认知距离［56］，但是过多的感官负荷也有可能造成主体迷失等问题；田江鹏等基于语言学理论提出了三维符号语义模型和三维符号的设计改进方法［57］；2013年，诺基亚将旗下的HERE地图服务与体感控制产品Leap Motion结合，使用户仅通过手势操作就可以查阅地图。总之，地图研究范围的扩展将个性化地图认知引入更加广阔的天地，要求重新定义地图的个性化认知差异。

但是地图形式的创新和技术应用太过盲目，新型地图的可用性还有待检验。动态地图、三维地图、赛博地图、全息地图、云地图等新型地图的出现促使地图学家不断重新定义地图和地图学（300多种定义），其中某些符号设计还未来得及经过可用性检验［25］就投入了技术应用。与传输型地图和解析型地图等相比，探索型地图由于知识挖掘任务和目的事先并不明确，所以可用性很难测定［58］，三维环境下浏览功能的可用性也有待实践检验［59，60］。Christophe等［61］也认为，尽管在泛在制图环境下个性化的需求和提高地图设计水平的需求在持续增加，但是对地图个性化的研究仍然很少。

高俊院士最早在国内提出了“心象地图”和“认知地图”的概念［12］，指出心象地图不仅与个人的知识和经验有关，还与环境有关；王家耀院士把地图空间认知分为感知、表象、记忆和思维4个基本过程，并在1983—2003年总结地图学与地理信息进展的系列论文中强调“地理空间认知”，指出“心象是个别的和具体的”［23］；陈毓芬对地图空间认知理论及数字制图条件下的人-图关系进行了系统研究，指出了电子地图空间认知的独特作用和主要内容，并进行了系列视觉认知实验［11］；杜清运基于语言学解析了空间信息的理解机制［62］；江南对具有不同文化背景、文化程度、用图意图、年龄特征的电子地图用户群认知特点，以及电子地图显示效果的主客观影响因素进行了研究［38］。

当前地图学已走过PC和Web时代，正在由社会网络向语义网络、智能网络时代迈进（见图1.3）［63］。更便捷的网络入口和无线计算设备，以及个性化网络发布平台［64］，使基于Web 2.0大数据环境下的众包数据、泛在制图等新理念对地图可视化产生了巨大冲击，公开信息与隐私信息界限的模糊使我们重新审视地图数据的提供、存取，以及制图者角色的迁移（见图1.4）［63］，不得不重视个性化地图理论与表达方法的研究。2014年1月，Cartwright W.教授详细阐述了“新地图学”的概念，全面概括了时代特征对传统地图制图技术的颠覆，指出Web 2.0下的地理空间信息的特征是：新的数据收集、存储和发布方式，移动设备、定位技术带来的方法变革，众包数据促使制图角色的转变，以及经典理论指导下的技术方法创新；同时Cartwright W.教授还注意到了数据质量、匹配关系等问题［63］。

1.3.2　个性化地图实验方法研究现状

1.3.2.1　实验心理学中的个性化研究手段

心理学中对个性化的研究方法层出不穷。奥尔波特最早将个性研究方法分为量表类、标准化测验类、统计分析类、实验室实验类。其中，量表类包括等级量表、记分量表、心理图示等方法；标准化测验类包括标准化问卷、心理测验、行为量表等方法；统计分析类包括差异心理学、因素分析、内部因素分析等方法；实验室实验类包括单一的机能记录、多元的机能记录等方法［65］。常用的心理学研究方法有直接观察法、问卷调查法、焦点组访谈法、德尔菲法（专家打分法）、主观评价法、眼动实验法、脑电监测法、出声思维法、功能性磁共振脑成像技术（fMRI），以及多种方法的联合实验方法等。19世纪，英国学者高尔顿、美国心理学家卡特尔、英国学者斯皮尔曼和皮尔逊、法国心理学家比纳和精神科医生西蒙分别对感知觉、反应时、记忆、运动机能等进行了广泛的心理测验和量表统计分析，使心理测验走上了个性测验和量化研究之路［65］。图1.5描述了常用的心理实验方法在定性研究和定量研究中的作用。问卷调查法适合主观的、定量的研究；眼动实验法能够同时提供客观的、定性与定量的研究证据。

眼动实验先后经历了观察法、后像法、机械记录法、光学记录法、影像记录法等多种方法的演变。自20世纪60年代以来，眼动仪经历了固定式、头盔式、红外式的阶段，向高精度、智能化、系列化、便携式方向发展［66，67］。当前主流的眼动仪主要有美国应用科学实验室（ASL）生产的系列眼动仪、德国SMI生产的IViewX头盔式眼动仪、加拿大SR公司生产的Eyelink眼动仪和瑞典Tobii公司生产的系列眼动仪。以眼动研究为主题的会议主要有欧洲眼动大会（ECEM）和中国国际眼动大会（CICEM）。如今，美国国家航空航天局、哈佛大学、麻省理工学院等著名科研机构或大学都设有专门研究视觉眼动系统的部门［68］。近年来，天津师范大学、中国科学院神经科学所、北京大学、北京师范大学、浙江大学、中山大学、华东师范大学、大连海事大学等国内高校和中国聋儿康复中心、天津市眼科医院、中国欧盟可用性研究中心等科研机构也纷纷购置眼动仪，“眼动实验室”如雨后春笋般涌现出来，主要集中在心理学、教育学，以及医学中的神经病学、眼科学等领域。

1.3.2.2　个性化研究中的眼动技术应用

心理学中的眼动技术最早应用在阅读研究和图片研究中，目前已经由单一环境下的低级感受效果研究转向多维、动态、复杂环境下的高级认知过程及认知差异研究，为个性化地图眼动研究提供了基础视觉理论和值得借鉴的实验思路［69］。以下是其他行业中涉及认知机理的研究，部分研究关注了被试（用户）、任务、环境等个性化差异。

（1）阅读心理眼动研究。

通过观察眼球运动了解心理过程的做法始于西方的阅读眼动研究。早期提出的中心视觉和边缘视觉理论、眼跳抑制、眼跳的潜伏期和知觉广度［70］、7～9个字母的眼跳组块规律［71］等都有重要的意义。20世纪初，认知心理学家开始重视利用各种眼动参数及轨迹特征反映阅读的信息加工过程，提出了视觉优先选择（Prioritizing Selection）、视觉标记（Visual Marking）理论、优先选择效益（Preview）、竞争-整合模型（Competitive Integration Model）、区域激活模型（Area Activation Model）等理论［68］，其中涉及任务难度，刺激物属性，被试的个体经验、状态、能力、记忆等特征，指导语和语境对视觉选择的影响，眼跳将刺激向中央凹（Fovea）转移的作用，运动和静止目标搜索策略的差异等具体结论。Rayner K.对20世纪80年代到21世纪初的阅读和信息处理的眼动研究进行了总结［72］，并对阅读、场景感知和视觉搜索中的眼动和注意进行了研究［73］。

国内的眼动实验始于20世纪80年代初［74-76］。沈德立及学生白学军、闫国利等的汉语阅读研究将眼动研究引入中国，对视觉与眼动基本模式、眼动记录方法进行了介绍，以文字、图片为素材进行眼动研究，并且关注了阅读认知中的文化差异［77，78］，对听障大学生的阅读理解进行了眼动监控［79］；李旺先［80］、陶云［81］和程利［82］等研究了阅读中的眼动机制，中、小学生和大学生因学历和年龄的不同而产生的阅读方式差异。

人眼在观察其他视觉刺激时的眼动过程与阅读过程中的眼动有很多共同之处，因此，这些眼动模型和其中个性化差异的研究［66，78，79］对地图眼动信息加工规律的探索也具有重要意义。

（2）图片眼动研究。

与阅读心理眼动研究类似，图片和图形符号（包括数字符号）的眼动研究也分为两个方面：一是对“看哪里”的图片感受研究；二是深入“怎样看”，即对大脑认知思维进行眼动研究。地图本身具有符号化和艺术性的特点，与图片和图形符号类似，因此图片认知的眼动研究对于探索地图实验方法具有十分重要的借鉴意义。

早期对图片视觉感受的研究发现了视知觉的重要特性，为地图符号、色彩等要素的设计、地图眼动实验中兴趣区（Area of Interested，AOI）的选取范围等提供了直接依据［83］。例如，Stratton研究得出，当眼睛观看圆形时，轨迹是沿直线跳动的；Buswell提出快速浏览模式（General Survey）和注视搜索两种眼动方式，指出注视时间的延长与感受处理更复杂有关，还发现图像内注视点个数与图像区域内显著信息的数量有强联系［68］；Gould、Williams等进一步发现，数字信息不能引起明显注视，但颜色信息比大小、形状更能吸引被试的选择性注视［37，68］；Locher和Nodine发现了对称图形与不对称图形中注视点的集中与散布位置［68］；Lelson和Loftus发现，通常物体距离注视点2.6°以内能被识别，但差异信息的识别阈值在1.5°之内；还有研究发现，视觉有人脸倾向，且扫视取样集中在眼睛、鼻子、嘴巴等局部特征［68，83］。

针对图片认知机理的眼动研究不但为地图学研究提供了有用的经验和结论，反映了眼动对大脑思维的客观、实时的表征作用，而且证明了眼动实验能够为图片认知同时提供有价值的定性和定量信息，能够作为地图认知和个性化分析的有效研究手段。这类研究中比较重要的有：Yarbus对图画观看进行了广泛、系统的眼动研究，发现被试对静态目标的感受过程既有注视又有眼跳，注意力主动分布于感兴趣的和具有重要信息的区域［37，84］；Mackworth、Morand和Wolf认为，刺激复杂、信息丰富和成分新异的区域受到的注视比率最高，且不随时间变化［37，68，83］；Noton D.和Stark L.提出了非常有影响力的扫描路径理论［85］，他们认为视觉凹在获取图像后，注意力选择内在认知模型控制了视觉信息的处理过程，包括人眼自下而上的被动感受、注意和定位目标的视觉察阶段（预注意阶段），重复眼跳、扫视、凝视的自上而下的眼脑协调主动认知阶段［86，87］，得到了众多专家学者的认可；随后，Privitera C.M.、Goldberg J.H.、Kotval X.P.和Jacob R.、Karn K.在形状、图像、动态场景、界面操作眼动实验中准确诠释了这一理论，提出了定量比较和测量眼球注视序列的相似矩阵［37，87］；Verschueren和Schoen L.、Antes，Hendersan和McClure发现［37］，被试对缺少期望信息的区域注视时间较长，还会产生一些不均衡的注视点；Just和Carpenter［37］提出了眼脑一致性假说，他们认为阅读者信息加工的区域就是他正在注视的那个区域，在某个被注视的点（如一个单词）的所有信息被处理完成之前注视相对稳定和持续，所以对某个区域信息加工的时间就是对该区域的总注视时间，还指出认知任务的注视时间是70～1200ms［67］；Rayner、Wedel、Duchowski等进一步指出［37］，人们注视广告的顺序通常是图像、正文、背景，对信息量大、重要的或有兴趣的区域注视优先且时间较长［68，83］；Lohse、Kelly、Bogart、Wedel和Pieters等研究了颜色、大小、位置对广告图片注视时间的影响［37，68，83］；Stone和Glock、Brnadt等发现图像先于文字被注视［37］；但是Ardaya、Poynter Institute等发现当文字和图片尺寸相近时，出现了“图像盲区”，文字率先被关注［68］。其他研究还包括对人类视线搜索和注意机制［73，84，87-91］、显式和隐式交互方式［92-94］、图形空缺认知等方面的探索［95］。

我国心理学家韩玉昌发现形状和颜色一样具有诱目性序列特征［83］；闫国利认为观看者对图片中感兴趣的内容注视时间长、注视次数多，瞳孔直径会增加［70］；也有人提出，注视次数比注视时间更能反映信息提取的难易程度［83］；丁锦红教授在平面广告研究中发现左右视野、垂直与水平搜索的平均注视时间存在差异，文字有助于广告记忆［68］；戴斌荣、阴国恩在图片分类研究中发现，在图片一次性全部呈现时大学生倾向于一维特征分类，在图片逐一呈现时倾向于整体相似性分类［83］；付炜珍等在对手机外观设计的眼动评价中发现眼动指标与主观评定之间具有一致性［83］；曹晓华、曹立人等发现，被试在不良显示条件下的取样点相对减少、单位扫视路径相对增加，作业难度对被试首视点分布是否均匀有影响［68］；陶云等在对明式家具和现代家具的审美偏好实验设计中考虑了年龄差异，并且发现被试在进行图画注视时中心区域优先，下部优于上部，水平方向优于垂直方向［83］。地图具有图形艺术特性，但在遵循以上眼动规律的同时还有其自身的特点。

（3）个性化相关的眼动研究应用。

目前，眼动技术广泛应用于医学、心理学［74］、广告设计［68，70，96］、体育［97］、驾驶［98，99］、军事［100］等各行各业，实验结论越来越丰富、精确。其中与个体差异有关的眼动研究主要有：在美国空军F16B的15个训练科目中，有10个应用眼动测量系统纠正了初训人员的错误扫视习惯，明显提高了训练效果［101，102］；在体育心理学方面，眼动研究主要用于提高新手的训练模式和策略，如王恒等总结了在播放排球扣球视频时不同运动水平学生的眼动模式、视线轨迹、心理负荷等差异［66，103］；在人机交互与工效学研究中，研究热点集中于视觉信息捕获方式与人体、心理状态的适应性；百度公司的用户体验部门利用眼动仪了解用户的操作反馈；腾讯公司利用眼动测试结果进行对话框按钮位置的设计改进；飞利浦光学电器的设计、飞机驾驶测试、交通动作噪声等研究也参考了眼动追踪结果；甚至还有学者对古装电视剧的收视率、二次元人物的思维过程差异进行了眼动分析；三星、苹果等移动设备研发部门也积极投身于用户体验的眼动研究热潮中，纷纷以眼控界面或眼控游戏作为新的卖点，通过对眼睛注视或眨眼等动作指向或激活屏幕内容；眼控研究对残障人士还有特殊意义。以上实验研究虽然未涉及地图研究，但是个性化认知差异的眼动实验设计及实验结果的量化分析方法可以为地图学个性化研究所借鉴，也为个性化地图可视化研究提供了多样的方法手段和技术支持。

1.3.2.3　地图学中的眼动研究现状

20世纪50年代至21世纪初，地图学与认知心理学、实验心理学交叉发展，产生了实验地图学这门新的学科。虽然心理学中也出现过以地图为素材的眼动研究，但是关注的焦点是人脑认知模式，地图仅仅被作为工具使用，缺乏对地图本身的专业思考。20世纪70年代，眼动研究走进地图学［104］。初期的眼动研究集中于对屏幕地图、交互性用户界面的分析，即用户在地图上“看什么”［105，106］。但设备价格昂贵［107，108］极大限制了眼动实验在地图学中的推广。随着科学技术的进步，一方面，眼动仪和计算机的价格下降了；另一方面，网络地图、移动地图、触摸屏地图、多媒体地图等爆炸式出现，它们的设计效果和可用性亟须得到科学验证和客观评价。20世纪80年代，国外学者开始致力于设计复杂实验任务完成高级认知过程的研究，研究的焦点转向了用户在地图上“怎样看”。眼追踪技术在地图学中应用的复苏［95，106，109-113］，将实验地图学推向了一个前所未有的新高度，应用范围也越来越广泛。平面地图逐渐扩展到了虚拟环境、屏幕地图、交互性用户界面、地理可视化的可用性、移动地图等领域。

（1）国外地图学眼动研究。

在国外，先后成立了一些拥有眼动设备的地图学眼动研究机构或专业小组。例如，Andersen H.H.K.所在的意大利国家实验室、Ooms K.所在的比利时根特大学实验心理学系的眼动追踪实验室、美国加州大学圣巴巴拉分校地理系的Montello D.R.课题组、Coltekin A.与Fabrikant S.I.所在的瑞士苏黎世大学眼动研究小组、Koua E.L.与Kraak M.J.所在的荷兰眼动机构、希腊雅典的国家科技大学地图实验室（the Laboratory of Cartography of National Technical University of Athens，NTUA）、挪威科技大学可用性实验室、美国空军研究实验室认知模型和因素分部（Cognitive Models and Agents Branch，Air Force Research Laboratory，CMAB）等。欧洲、美洲相继涌现出一大批眼动研究专家，美国的Rayner，雅典的Krassanakis V.、Filippakopoulou V.、Nakos B.，比利时的Ooms K.、Maeyer P.D.、Montello，瑞士的Coltekin A.、Heil B.、Garlandini S.、Fabrikant S.I.，丹麦国土局的Brodersen L.等，就地图学领域的眼动研究问题展开了广泛的合作与交流。

在地图阅读与交互研究方面，丹麦国家地籍测量部的Brodersen L.与意大利国家实验室的Andersen H.H.K.和Weber S.合作［106］，对以用户为中心的地图阅读行为、纸质地图的可用性、地图感受与地图设计、地理信息传输等进行了眼动研究，以眼动和语音相结合的方法，将地形图设计分为10个与空间认知相关的主题；Noyes通过眼动数据研究在类似地图的显示物上注记邻近要素对注记识别时间的影响［37］；Pelz利用头盔式眼动仪对如何提高地图和地图集的美学设计水平给出了建议［37］； Phillips R.J.［114］等在专题地图颜色、纹理编码等方面进行了眼动测试；Jenk G.F.［37］对点状专题图的区域归属进行了眼动实验研究；Dobso［37］探讨了在有无明确区域界线时被试读图的视觉过程差异；Noyes和Audley［37］进行了一系列实验，研究了图名设计对地图阅读速度的影响；Castn和Eastman研究了地图阅读与地图复杂性的关系［37］；Lawrence和Olson & Lobben等应用眼动实验研究了地图阅读的认知过程［37］；Fabrikant S.I.［115，116］、Garlandini S.等细致分析了色调、色相、方向等静态视觉变量和闪烁等动态视觉变量影响下的地图认知效率和眼动差异［37］；德国慕尼黑工业大学的Swienty O.［117］研究了地图动态交互及知识形成因素，依据认知心理学理论对认知效率和可用性进行了解释；瑞士苏黎世大学地理系的Coltekin A.、Heil B.、Garlandini S.和Fabrikant S.I.等组成的研究小组［109，116，118］在地图设计与认知、动态地图、时空地图方面做出了突出贡献，探讨了地图学中眼动研究的时代变化，总结了地图学中眼动应用的发展历史，研究了眼动热点图和显著模型用于地图可视化变量、视觉搜索策略分析和地图设计效果评估的有效性，指出了动态刺激和边缘视觉研究匮乏的问题。

在地图认知机制及地图可用性研究方面，荷兰特温特大学的Koua E.L.、Kraak M.J.等［22，119］的研究重点是地图可用性评估、时空数据可视化分析、虚拟环境可视化等，关注了地理可视化的可用性问题，归纳了地理可视化研究中的诸多挑战。Kraak M.J.［120］还长期关注地图的时态问题，提出了时空立方体模型；波兰华沙大学的Opach T.对动态地图的语义信息传输［121］、地图学与图形设计［122］等方面有浓厚的兴趣；挪威科技大学的Nossum A.S.的研究方向为语义模拟［123］、室内地图［124］、动态地图、地理现象的可视化方法、时空立方体模拟地图等［125-127］，介绍了动态、交互、组件式地图界面眼动数据的新分析方法；芬兰赫尔辛基行为科学研究院的Irvankoski K.M.［128］在硕士论文中对地图认知进行了系统论述；德国慕尼黑工业大学的Swienty O.［117］在基于认知心理学和认知神经学等理论撰写的博士论文中，分析了注意导向地理可视化的认知效率和可用性。

（2）国内地图学眼动研究。

在国内，眼动技术从20世纪80年代初才走入国门，高俊院士敏锐地注意到了这一创新实验方法的优越性，1984年就曾在《地图感受与地图设计的实验方法》中提出，把眼动研究作为地图设计的3种实验方法之一，并作为观察视觉生理机能的主要手段，间接探求用户对地图注意力的集中和兴趣［69］。高俊院士还十分重视用户的文化水平、使用地图的经历、使用地图的场合等个体差异对于地图认知的影响［12］。地图学家们已经看到了眼动追踪方法在地图学研究中的优势，并在过去的几十年里，借鉴其他行业和国外地图学界的眼动研究经验，进行了大胆尝试。例如，游万来等［37］利用眼动实验探究了电子地图的缩放和平移功能的设计对网络地图可用性的影响；董卫华等［37］以眼动实验作为视觉分析方式，通过收集被试在完成特定任务过程中的眼动数据、准确度及响应时间，评估了动态地图的可用性；牟书、刘儒德等［37］发现地图上有无地理标志和背景的复杂程度会显著影响空间定向的反应时；长安大学的李霞［129］提出了时空立方体眼动数据的可视化模型，对地理空间数据随时间轴、时间钟和时间波的可视变化进行了延续研究。

虽然国内的地图学眼动研究正处于上升期，但是成功的实验案例还比较少。一方面，地图厂商看到了新的商机，主动与具有眼动研究资质的院校或科研院所寻求合作，以提高自家产品的可用性，占领更多的市场份额，如合众思壮公司、高德公司、携程旅游网等；另一方面，地图学家也积极呼吁加强地图学理论研究，尝试利用眼动技术突破地图学发展道路上的瓶颈。

1.3.2.4　个性化地图的眼动研究

在国外，大概从2008年起，地图学家们才开始关注眼动研究中的个性化差异问题。在国内，与个性化地图相关的眼动研究较少。

国外的个性化地图眼动研究成果主要集中在被试群体之间的眼动模式差异研究、新手与专家之间的注视行为差异研究、个性化视觉搜索策略分析研究、地域文化差异的影响研究、地图设计情感响应的眼动研究、多种地图形式的可用性差异研究、地图目标引起的认知差异研究、小尺寸屏幕显示特性研究、室内导航与室外导航不同的特点研究、高低语义水平的眼动差异研究等方面。

（1）个性化地图设计与交互研究。

Gould从用户的角度对地图的复杂性、制图综合、符号设计等进行了眼动实验研究；Hermans O.等研究了缩放与漫游搜索方式中的不同眼动模式，并且注意到了不同用户群体之间的差异性；比利时根特大学的Ooms K.和Maeyer P.D.、Fack V.等持续关注地图设计视觉变量、眼动实验方法、用户的个体差异［130］、动态标签（Label）方法和效果、动态与交互地图中的眼动模式、眼动空间维度的Visual Analytics Toolkit工具分析、新手和专家地图学习注视行为的差异，以及数字时代地图与用户之间的解译、认知与记忆［131-134］等研究。

（2）个性化地图的可用性研究。

Fabrikant S.I.与Montello D.R.等［135］对地图动态显示过程中的推理负荷、个性化视觉搜索策略分析和地图设计效果评估的有效性进行了研究，指出了动态刺激和边缘视觉研究匮乏的问题；英国伦敦大学的Andrienko G.L.与德国的Andrienko N.V.［37］多次合作，对动态地图、时空地图、网络地图、移动地图的可用性和数据挖掘问题进行了眼动可视化分析，总结了地理可视化分析中存在的挑战，注意到地图应用中的美国、欧洲地域个性化差异，还与MacEachren A.M.、Kraak M.J.、Fabrikant S.I.、Resch B.等［135］就动态、移动地理可视化分析方法等问题进行了合作和交流。

（3）个性化地图认知研究。

Eric N.Wiebe等研究了被试在不同任务目标和地图维度条件下的眼动方式，从而得出了地形图认知的差异；希腊雅典国家技术大学农业测量工程学院地图学实验室（NTUA）的Krassanakis V.、Filippakopoulou V.、Nakos B.团队，应用Viewpoint眼动仪对地图学眼动应用进行了系统研究［136］，关注了被试对地图符号中图形空缺（Hole）特征的认知［112］、动态变量的眼动分析［137］、地形图中的地标搜索等内容，对眼动设备和机构进行了总结，指出了未来的研究方向是眼动指标矩阵分析，以及对不同用户、不同地图的个性化研究［138］；Raubal M.、Kiefer P.、Giannopoulos I.等对小尺寸屏幕上的导航注视历史和地理注视标志进行了研究，通过对地图认知活动的眼动研究，指出了眼动可以为视觉场景感受过程提供定性和定量的证据，对高低语义水平下的寻路认知进行了眼动解释；美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校地理系的Montello D.R.教授及他所在的团队从1999年就开始关注地理科学中的认知问题［139，140］、地理可视化中的可用性问题［141］、空间寻路问题中的性别差异［142］、不同尺度下的个体空间能力差异等个性化地图可视化的相关问题［143］；Fabrikant S.I.报告了关于地图设计情感响应的研究［144］，在COSIT2011会议上对地理可视化决策中的时空问题表示关注；Ooms K.等近期开始关注室内导航地图的研究［145］；苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）地图学与地理信息研究院的Raubal M.、Kiefer P.、Giannopoulos I.等在地理可视化、地图认知与交互［146］、地理信息科学认知工程［147］、地理信息语义规则［148］、移动地图导航交互［94，149，150］、地理矢量特征的眼动匹配［110］等方面的研究取得了丰硕成果，对地图认知活动的眼动研究进行了总结［151，152］，说明了眼动分析为地图学研究提供了定性和定量的证据，并指出了高低语义水平的眼动差异，即低语义水平的眼动与几何图形进行注视匹配，高语义水平的眼动是自我定位过程中的地图匹配和空间寻路认知活动［111，153］。

（4）眼动实验法与其他实验方法的联合应用。

在眼动技术出现之前，地图学领域就有一些关于地图个性化差异的研究方法。例如，陈毓芬教授［11］及她带领团队中的吴增红［154］、谢超［155］、徐琳［156］、邓毅博［157］等描述的直接观察法、问卷调查法、主观评价法、认知感受实验法等［158］。眼动技术在成功应用于个性化地图研究之后，它们作为预实验方法和补充手段为个性化地图研究提供交叉证据，仍然得以延续使用。

出声思维法能够探索思维过程，用于辅助验证采用其他实验方法获得的结论［37］：McGuinnes S.于20世纪90年代将出声思维法引入地图学与GIS研究领域；Simonungar运用出声思维法探索了地图阅读者的自发策略；Elzakke采用以出声思维法为核心的组合式研究方法对制图中以需求为驱动的认知过程进行了研究；Blok运用出声思维法对地图动画进行了研究。

因为fMRI需要一定的专用设备和操作空间，所以它主要用于对虚拟现实环境的研究。近年来，地理学家Maguireetal、Hartleyetal、Rosenbaumetal等［37］已经运用fMRI对虚拟现实中的导航问题进行了初步探讨。

近年来，一些地图学者尝试将眼动实验法与其他实验方法联合应用。例如，Fabrikant S.I.等同时使用传统可用性方法与眼动实验法的创新研究［135］。眼动实验法与问卷调查法、反应时实验法、出声思维法、焦点组访谈法、认知走查法、启发式评估法、绩效测试法（含问卷）等的联合运用，以及与脑电、fMRI、皮电、皮温、肌电、EOG、EGG、行为分析、表情分析等生物信息与神经学科的实验方法的交叉印证，在网络地图、移动地图、虚拟环境等领域的可用性研究中取得了初步成果，给个性化地图的眼动研究带来了新的启示，也给实验地图学的发展注入了新的活力［105］。地图学家坚信能够客观、实时地提供定性与定量数据的眼动技术会在个性化地图学研究中有所作为，并为此不懈努力。

1.3.3　个性化地图服务技术研究现状

自从1995年个性化导航系统Web Watcher、个性化推荐系统LIRA、个性化导航智能体Letizia问世后，个性化技术与服务广泛应用电子商务［159］、搜索引擎［2］、数字图书馆、Web信息服务［1］、远程教育、多媒体信息、管理决策等诸多领域［154］，在一定程度上解决了“信息迷航”与“信息孤岛”的矛盾问题。依本书内容需要，作者主要关注了相关的定制技术、自适应技术和模板技术。

1.3.3.1　地图定制技术

交互式定制仍然是当前地图个性化设计的主流方法，主要有5种方式。第1种是早期由制图者按照用户提出的需求为用户定制的单机版地图。第2种是由用户利用制图软件提供的简单交互和参数选择工具，自己完成地图的实时设计工作。第3种是在地图网站提供的基本功能的基础上，由用户远程调用地图服务器上的资源，在线添加地图功能和个人感兴趣的信息，选择可视化操作界面，并保存成自己的私人地图，可以收藏、重复使用或与好友分享，但数据的维护和更新仍交由地图服务商管理。例如，Google Earth支持基于Maplets创建包含照片、视频等信息的多媒体旅行日记，天地图允许用户保存标注的兴趣点与地址、电话、邮箱等信息，百度地图、TomTom地图支持步行导航等。第4种是对地图设计软件样式和功能的定制，如ArcInfo、MapXtreme、Illustrator、MapGIS、SuperMap等都提供了丰富的二次开发接口和控件。第5种是基于网络渠道等收集公众需求，为一些大客户提供产品定制开发业务，如中华地图网。

个性化地图定制与推荐、推送服务一起，不需要用户频繁提供信息就能主动适应用户需求，减轻了用户的操作负担，提高了用户的满意度。例如，移动导航地图的超速提示、周边AOI推荐、昼夜模式切换、正北和视线前方视角的变化、比例尺的多级过渡、路口分屏放大等功能。但目前个性化地图定制的缺点是：大量的非专业用户难以准确寻找定制工具，或不能全面表达自己的兴趣，存在冷启动问题；可定制选项的设置太过随意，缺乏认知理论和制图的专业指导，从而导致定制结果与个性化需求的匹配不够准确；当用户兴趣发生变化时，已定制的地图内容和样式不能自动更新，必须进行模型重建。

1.3.3.2　自适应技术

Ramirez J.R.［160］指出未来的地图必须是高度自适应、可交互并且真实感强的，在人工智能等技术的支持下，在地图需要表达什么地理信息和如何表达这两个方面实现用户控制或自适应。自适应地图的研究仍处于实验室阶段，研究成果主要分为两类：一类是地图产品对用户实时、动态可视化需求的自适应，如地图背景色随昼夜自动切换以适应用户在这两种环境下不同的视觉特点；另一类是地图软件开发平台自动适应用户的个性化特点来提供合适布局、功能、界面、内容的地图软件工具，如为非专业用户提供的地图操作软件中自动省去专业的空间分析功能。20世纪末，伦敦大学和欧洲媒体实验室等提出了自适应制图可视化（Adaptive Visualization Cartography）、自适应地理信息系统（Adaptive GIS）等研究方向。从1999年起，欧洲支持的PALIO项目［161］，欧盟陆续支持的GiMoDig［162］、CRUMPET［163］和Deep Map［33］项目，对旅游信息服务系统中基于情境（用户、位置、环境、设备）和移动位置的自适应技术、原型构架、建立方法、内容设计等进行了研究［164］；中国科学院地理科学与资源所地图可视化组和德国慕尼黑工业大学航空摄影测量与地图所于2001年成立了自适应空间信息可视化（Adaptive Geo-Visualization，AGVis）研究组，提出了自适应地图可视化框架［165］，引入了用户背景、用户认知、用户行为和用户场景模型，建立了地图数据、版式、表达等设计模板，将地图自适应设计与服务研究引入中国；王英杰研究员、陈毓芬教授等出版的专著《自适应地图可视化原理与方法》，是对相关研究中自适应地图可视化理论、技术与方法的全面总结。

自适应地图是个性化地图的最终形式，将地图设计与地图服务过程合二为一，因此成为现代地图学发展的重要方向之一。

1.3.3.3　模板技术

模板是相似事物的框架型模式，其实质是基于经验对某类事物的规范和标准进行定义［166］。汽车、家具、电器、服装、机械、手机等很多行业都通过模板组合或修改来实现个性化产品设计。例如，汽车的发动机型号、轮毂样式、喷漆颜色、头枕靠垫、腰线装饰、工程零件的可重用性参数化设计等。最典型的就是微软公司的Word、PowerPoint等系列产品中，将封面、目录、图表、封底、形状等要素分类建库，形成企业宣传、项目竞标和工作汇报等各类产品模板，使用户可以通过选择和组合快速实现个性化制作。

国外的制图专家模板出现较早。例如，1985年英国研制的MAP-AID地图设计专家系统，能够提供地图要素的符号类型的专家经验模板；美国利用模板技术对专题地图数据和地图内容进行了分类、分级、合成和显示。GIS制作软件中也应用了模板设计思想。例如，Esri公司于2012年推出了具有丰富开发接口、移动App终端、支持Word和PPT专题制图的ArcGIS 10.1；超图公司于同年发布了统计专题地图一键式制图模式的“地图汇”；Illustrator将地图符号、色彩、样式分别建立了模板库，还可以保存地图模板。

在国内，江南、孙亚夫等利用点状、线状、面状符号模板，以及颜色模板、统计符号样式模板等工具设计了专题地图，并对基于符号库和模板专题地图的显示风格转换机制进行了研究，为空间信息可视化奠定了基础［167］；冯涛等［168］对专题制图系统中的数学参数和数学运算进行了抽象化和结构化设计；周海燕等对专题制图模板进行了定量研究；吴增红［154］、姚宇婕［169］、徐琳［156］、邓毅博［157］等将模板技术应用于个性化网络地图、引导型专题地图、应急地图设计和地图符号自主设计。

将模板技术引入地图设计能够简化设计过程、积累设计经验、加快成图速度、提高工作效率。地图模板经过设计论证，包含了制图专家的知识和经验，具有一定的科学性、重用性和可扩展性。通过对通用模板的个性化组合与定制来实现个性化设计的目的，是实现地图和其他产品设计的时尚潮流。而且丰富的备选模板能够在一定程度上解决定制技术的冷启动问题。

1.3.4　研究现状总体分析及存在的问题

目前，“新地图学”家族成员空前丰富，使长期以来理论与技术发展不协调、偏重制图技术创新、理论研究严重滞后的问题凸显出来［170］。一方面，众多的用户无法对自己的地图需求和使用特点做出准确描述；另一方面，制图专家亟须获取地图可用性评价结论来提高地图设计水平。虽然，地图厂商和非专业用户设计的地图样式层出不穷，但是用户面对各种各样的地图，总找不到自己当下最想要的那一个，不能摆脱地图使用的束缚感。个性化地图的认知理论、实验方法、服务技术研究还存在以下问题。

（1）个性化制图技术快速创新，理论研究严重滞后，个性化地图认知研究缺乏针对性和系统性，理论体系欠缺。在Web 2.0和信息技术的驱动下，可视化技术带来了地图的多种表达方式和个性化分化；交互门槛的降低带来了地图的大众化和普适化；网络地图的发展带来了众包数据和泛在制图；多维、复杂环境下的新型地图带来了新的认知规律。但是，个性化地图的定义并不统一，分类和特点也并不明确，对地图认知因素的分类方法、个性化需求特点、心理机制差异等研究还远远不够，针对哪些地图适用于哪些人在什么维度、感官通道、显示载体等条件下使用还不清楚，导致个性化地图设计有很大的主观性和盲目性。个性化地图认知机理研究的匮乏已成为影响地图信息传输效率的主要问题，亟须建立个性化地图认知研究的理论框架和方法体系。

（2）用户的主体地位不明显，缺少对用户个性化需求的基础调查，服务精细化程度不够。目前地图认知模型存在偏差，用户分类不够精细，影响因素覆盖不够全面。地图个性化设计的出发点是制图者认为用户需要什么，而不是用户实际上需要什么。制图者对用户需求的理解程度决定了地图的个性化实现程度，实质上仍然是以制图者为中心。用户研究重视群体分类，轻视个体匹配。这些问题导致用户使用地图的认知负荷较大，满意度和情感需求不能得到完全满足。只有通过客观、大样本的调查研究，才能了解不同类型用户在不同环境下的认知特点，建立精确的认知影响因素模型，使地图设计在普适化的基础上逐步满足用户的个性化要求，使地图服务投其所好、应其所需、越来越精细化。

（3）个性化地图认知定量分析较少，忽视了多种地图认知因素之间的交互、叠加作用，而且研究结论缺乏实验验证。目前，个性化地图的研究大多是对某种载体、维度的特点进行分析，或对某一用户特征进行比较研究（如年龄中的年轻人与老人、专业程度中的地图专家与新手），多种影响因素叠加作用（如用户的年龄和性别是同时存在的）的横向分析较少，未见对地图要素与主观因素、环境因素交互作用的研究。心象地图与认知地图等研究还处于定性阶段，缺少实验的定量支持，研究变量还局限在反应时和正确率上，个性化地图研究结论的科学性和可靠性缺乏实验验证。

（4）缺乏对地图认知过程的实时监控。现有研究中对个性化地图的认知结果研究较多，未见对认知过程进行实时、动态监控的研究。高俊院士曾明确指出，要探讨用户对地图的感受，不能孤立地研究每个符号或者某一类符号的效果，还要寻求如何从总体上获得地图信息的规律。这就必然要求对包括察觉、感受、再认、想象、判断、记忆等地图“认识过程”的探索［12］。

（5）地图学眼动实验法的优势还没有充分发挥出来，联合实验开展不够。心理学中个性化的眼动研究为地图学提供了可以借鉴的经验，但地图的个性化还具有其特殊性。目前，眼动指标的表征指示作用还不清楚、地图学的意义和适用条件模糊、不确定性内涵还存在争议。个性化地图的眼动实验仍然非常匮乏，可以参考的实例和文献都很少，研究缺乏专业性、系统性和规范性，因此还有很大的研究空间。国内对个性化地图认知机理的眼动研究较少，地图学研究机构之间的合作交流还不够多，缺乏眼动与脑电等新型实验手段之间联合实验的典型应用。

（6）地图个性化需求的满足程度缺乏评价机制，专业模板欠缺，个性化和智能化水平较低。地图与用户及环境因素的匹配效果缺少量化模型，用户个性化需求的满足程度缺少评估机制。“人人都能绘地图”，但并不是人人都能绘出好地图。个性化地图设计缺少原则规范，大众制图成果的重用性差；非专业用户因缺乏训练不能有效表达自己的信息需求，对于地图的选择面临冷启动问题；能满足用户快速制图的、具有专家知识支持的、认知效果较好的地图设计模板欠缺；开放API服务主要针对商业、企事业单位定制数据与功能，或针对有开发能力的用户，大众用户定制地图成本代价过高；用户个性化信息的收集与实际使用地图的操作过程截然分开；地图情境模型太过简单和单一，对情境维度和复杂性的研究不够；情境模型的扩展性和健壮性较差，不能对个性化需求进行动态匹配，当情境发生变化时就需要重新建模；部分地图可视化系统返回大量冗余信息，影响了地图认知效率。