齊曉飛, 王光霞, 周轉(zhuǎn)向, 孫衛(wèi)新

(1.信息工程大學，河南 鄭州 450001；2.75711部隊，廣東 廣州 510515)

位置地圖情境研究

齊曉飛1, 王光霞1, 周轉(zhuǎn)向2, 孫衛(wèi)新1

(1.信息工程大學，河南 鄭州 450001；2.75711部隊，廣東 廣州 510515)

隨著位置服務(wù)、位置地圖的興起，情境作為一種研究客觀世界與人類之間關(guān)系的抽象工具，已被逐漸地引入到移動地圖服務(wù)中來。鑒于目前情境理論在地圖的應(yīng)用過程中存在基本概念不清、主要研究內(nèi)容不明確的問題，重點剖析了位置地圖情境的內(nèi)涵，并從情境建模、情境匹配、情境推理和情境表達四方面，開展了位置地圖情境的相關(guān)技術(shù)研究。

情境；位置地圖情境；情境建模；情境匹配；情境推理；情境表達

地圖，是人類進入文明社會的表現(xiàn)之一，隨著目前計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感器技術(shù)等的飛速發(fā)展，其理論基礎(chǔ)與研究范圍都發(fā)生了顯著的改變。紙質(zhì)地圖階段，地圖學主要研究人、實地與地圖的三者關(guān)系；數(shù)字地圖階段，高俊[1]提出地圖學四面體，將地圖學的研究范圍拓展到人、實地、地圖與數(shù)字地圖的四者關(guān)系；網(wǎng)絡(luò)地圖階段，劉芳[2]提出網(wǎng)絡(luò)地圖的設(shè)計理念，并把網(wǎng)絡(luò)因素納入到了地圖的研究范疇……，周成虎[3]提出全息位置地圖的概念，指出位置服務(wù)、特別是位置地圖在今后信息社會的重要地位，強調(diào)以位置為中心，將與當前位置有關(guān)的時間、設(shè)備、網(wǎng)路、用戶和環(huán)境等信息聚合起來，從而為用戶挖掘出深層次的、及時的位置服務(wù)。因此，位置地圖的引入使得地圖學的研究內(nèi)容得到了新拓展，如何將這些因素組織起來并確定最終的服務(wù)內(nèi)容成為當前的研究難點，位置地圖迫切需要一種新的理論支撐。

情境理論認為人、設(shè)備與環(huán)境是相互聯(lián)系的統(tǒng)一體，以情境為橋梁，通過情境建?？梢越⑽恢玫貓D與這些影響因素之間的關(guān)系，因此，情境理論是位置地圖的基礎(chǔ)理論。Nivala[4]、Guoray Cai[5]討論了情境理論在地圖服務(wù)中的意義；但這些研究大多關(guān)注在情境信息的總結(jié)、建模原則的提取以及單一情境信息的建模上，并沒有很好地把與情境相關(guān)的概念、研究內(nèi)容確定下來，以至于難以進行下一步的實際應(yīng)用。為此，本文從情境的基本概念出發(fā)，提出位置地圖情境的內(nèi)涵，并探討位置地圖情境建模、匹配、推理與表達四種關(guān)鍵技術(shù)。

1 位置地圖情境

1.1 情境

目前，人們主要通過兩種方法對情境進行定義[6]：一是列舉法；二是分類法，如表1所示。

表1 情境的定義

1999年AnindK.Dey等給出了經(jīng)典的情境定義：情境是能夠用來描述實體(如人，地點或物體)情形的任何信息。按照其定義的描述，與位置地圖相關(guān)的位置、時間、環(huán)境等因素都可以視為情境信息。隨著情境在心理學、人類學等領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，各不同科學領(lǐng)域?qū)η榫车睦斫怆m不盡相同，但是大部分學者都普遍認可以下觀點[6]：

1)只有與另一個實體相關(guān)聯(lián)，情境才存在。如任務(wù)、代理或交互等；

2)情境是一系列與某一實體相關(guān)的項目的組合，其中項目包括了概念，規(guī)則以及命題等；

3)只有當一個項目能夠?qū)鉀Q當前的問題有幫助時，才將該項目看作是一個情境。

以項目“天氣”為例，它在一個室外交通導航條件中(如去機場的路上)被看作是一個情境，因為雨、雪、霧等因素會在能見度、通暢性以及行駛方式的選擇上為用戶的出行提供參考。然而，在一個室內(nèi)導航條件中(如大型商場)，該項目則不應(yīng)該成為一個情境。

1.2 位置地圖情境

與上述情境相比，位置地圖情境將情境的應(yīng)用范圍做了限定。AnindK.Dey給出了情境定義，位置地圖情境可以理解為與位置地圖相關(guān)的“人、地點或物體情形的任何信息”。該定義雖然比較全面，但存在兩個缺陷：一是“與位置地圖相關(guān)的”含義太模糊，無法描述情境與位置、時間等信息的內(nèi)在聯(lián)系；二是“人、地點或物體情形的任何信息”概念太寬泛，情境的信息量太大難以進行實際的信息取舍。

為了容易理解位置地圖情境的內(nèi)涵，本文從前面提到的普遍認可的三個觀點入手，分析位置地圖情境的內(nèi)涵和主要特征。第一個觀點指出情境依需要附于實體，這種實體可以是任務(wù)、交互等。對于位置地圖而言，人與地圖的關(guān)系可以分為制作和應(yīng)用兩部分，其中，制作包括符號設(shè)計、色彩設(shè)計、界面設(shè)計和交互設(shè)計等；應(yīng)用包括定位、導航、查詢、識別和事件檢查等[7]。因此，位置地圖的情境也可以劃分為制作情境和應(yīng)用情境兩大類。第二個觀點指出情境是一系列與某實體相關(guān)的項目的組合，前面，我們已經(jīng)將實體描述為兩類，同理，與某實體相關(guān)的項目也可以分為兩類。一類與制作相關(guān)，包括界面風格、界面布局、地圖設(shè)色和符號類型等特征；另一類與應(yīng)用相關(guān)，包括位置、時間、環(huán)境、用戶和活動等因素。第三個觀點指出項目必須能夠解決當前問題，才能將其看作是情境，即與當前情境相關(guān)的信息很多，但相關(guān)并不意味著每一種信息都對情境的結(jié)果存在意義，只有當某一信息對情境存在直接影響時，才能將其稱為情境信息。對于位置地圖應(yīng)用而言，與導航、定位等相關(guān)的信息很多，也只有當這些信息對導航、定位等會造成影響時，才可以稱之為導航情境或定位情境。制作情境也是同理。

本文將位置地圖情境定義如下：位置地圖情境是指與位置地圖的制作和應(yīng)用相關(guān)的、對位置地圖的表達與服務(wù)有直接影響的人、位置和環(huán)境等信息的集合。其中，本文主要研究與位置地圖應(yīng)用的相關(guān)情境信息對位置地圖服務(wù)的影響。應(yīng)該講，情境在位置地圖中的應(yīng)用涉及到一系列環(huán)節(jié)，包括情境建模、情境匹配、情境推理和情境表達。如圖1所示，描述了用戶導航過程中情境的四個環(huán)節(jié)在位置地圖中的應(yīng)用。首先，利用情境建模將情境信息與情境之間的關(guān)系描述出來，并存儲到情境模型庫中；其次，獲取當前位置情境信息，通過情境匹配，從模型庫中篩選出最合適的情境模型；再次，借助情境推理規(guī)則或算法推算出用戶當前的位置地圖服務(wù)需求；最后，將情境推理的結(jié)果通過圖形、文字或聲音等形式表達出來。本文從四個方面入手，探討了位置地圖情境的相關(guān)研究。

2 位置地圖情境相關(guān)技術(shù)

2.1 位置地圖情境建模

情境建模是指對情境信息的顯性描述，是對于收集到的情境信息建立起一個通用、可擴展的模型框架進行管理，并利用統(tǒng)一的表達方式描述，以便于應(yīng)用程序的識別、讀取和共享[8]。因此，情境建模分為兩個方面：一是要構(gòu)建一個通用的、可擴展的框架去描述情境信息的分類以及不同情境信息之間的關(guān)系；二是要統(tǒng)一地描述由各種渠道獲得的情境信息，以便于應(yīng)用程序能夠無偏差地識別和使用。位置地圖情境作為一般情境的一個特殊應(yīng)用領(lǐng)域，其建模也應(yīng)該參考這兩個方面。

圖1 導航過程中情境的四個環(huán)節(jié)在位置地圖中的應(yīng)用

對于第一方面，目前，關(guān)于情境信息的分類主要有按照信息類型劃分和信息的不同產(chǎn)生方式劃分，如表2所示?？梢钥闯鰞煞N方式的側(cè)重點各有不同，前一種方式主要考慮情境信息的性質(zhì)和特征，而后一種方式主要考慮用戶與情境信息之間的交互。由于前一種方式更便于描述不同情境信息之間的關(guān)系，所以本文采用的是第一種方式，將位置地圖的情境信息分為用戶、位置、時間、活動、天氣、交通和興趣點七類。關(guān)于不同情境信息之間關(guān)系的描述，Alejandro Cadenas[9]在討論移動環(huán)境下的情境管理時，采用形式化描述語言——本體，建立了不同情境信息之間的關(guān)系，如圖2所示。可以看出，該方式描述了情境信息之間的一般性關(guān)系，但對位置地圖情境而言，不同情境信息在位置地圖情境應(yīng)用的不同階段是不一樣的。以位置地圖的導航情境為例，在室外導航路上，天氣、交通等信息是室外導航需要考慮的情境信息，但在室內(nèi)導航條件下，天氣、交通狀況卻不會對導航造成影響，即此時天氣、交通等信息不是室內(nèi)導航需要考慮的情境信息。所以，筆者認為位置地圖情境間相互關(guān)系的描述離不開位置地圖的應(yīng)用(即定位、導航、查詢、識別和事件檢查等)，也只有將不同信息與位置地圖應(yīng)用結(jié)合起來，位置地圖情境建模才有意義。

表2 情境信息的分類

圖2 Alejandro Cadenas提出的情境本體網(wǎng)絡(luò)圖

對于第二方面，目前，情境建模的方法主要有關(guān)鍵字-值模型、標記語言模型、圖模型、面向?qū)ο蟮那榫衬Ｐ?、基于邏輯的情境模型和基于本體的情境模型六種。其中，本體模型兼具面向?qū)ο蠛瓦壿嬆Ｐ偷碾p重優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用到情境模型的形式化表達中來，因此，位置地圖的情境建模也應(yīng)該采取這種方法。但統(tǒng)一的描述由各種渠道獲得的情境信息并不是完全的統(tǒng)一，因為不同情境信息所強調(diào)的關(guān)系和描述的重點是有區(qū)別的。在位置地圖情境建模中，活動作為情境信息的重要一環(huán)，它不僅能描述用戶的行為關(guān)系特征，還能通過將活動進一步細分為行為和操作，建立起不同情境信息與活動之間的聯(lián)系，Huang H[10]就通過拓展活動理論，很好的建立了活動要素與情境信息之間的映射關(guān)系。盡管該研究更偏向于理論探索，但是它很好地證明了情境信息是可以通過活動聯(lián)系起來的。為此，本文認為位置地圖情境本體應(yīng)分為兩類：一是通用情境信息本體，包括時間、用戶、位置、天氣、交通和興趣點六種，描述情境信息自身的特征和語義關(guān)系；二是活動本體，描述活動的組成及不同階段的活動與情境信息之間的聯(lián)系。

2.2 位置地圖情境匹配

情境匹配是指判斷情境信息屬于情境模型庫中何種情境的過程或方法。本質(zhì)上，情境模型匹配就是一個檢索最相似模型的過程。目前，常用方法是最鄰近法，通常分為兩步：第一步是設(shè)定一個相似度閾值，小于此閾值模型便認為是相似模型，因此，相似模型往往不止一個；第二步是從這些相似模型中借助某種算法再找到最相似匹配模型。

對于位置地圖來講，閾值以內(nèi)的多個相似模型難以取舍，相似度最高的未必是最佳匹配模型。匹配算法經(jīng)常需要改進，包括兩種思路：一是匹配概率改進匹配算法[11]，即匹配概率大的模型可用性更強；二是匹配時間改進匹配算法[12]，即離當前時間越近的模型使用效果越好。這兩種思路究竟哪一種更適合于位置地圖情境匹配呢？筆者認為情境匹配并不應(yīng)該只擁有一種固定的模型，沒有一種匹配算法能夠一勞永逸。對于匹配概率改進匹配算法，它應(yīng)該是更適用于情境模型匹配的早期，因為此時情境模型庫中的模型還相對較少，用戶使用頻率高的模型往往就是最佳匹配模型；對于匹配時間改進匹配算法，它應(yīng)該是更適用于情境模型匹配的晚期，由于此時情境模型庫中的模型經(jīng)過增加和改進已經(jīng)非常龐大，并且舊模型已經(jīng)被情境匹配過多次，再根據(jù)匹配概率改進匹配算法獲取的情境模型中舊模型的比例一般會比新模型高，而新模型是在舊模型的基礎(chǔ)之上總結(jié)、提煉出來的，并且隨著時間的推移，人們素質(zhì)的提高、地圖認知能力的增強和計算機水平的提升，新模型更能體現(xiàn)當前的情境狀況，所以，此時根據(jù)模型建立時間的遠近來匹配最佳模型是更好的方法。

2.3 位置地圖情境推理

情境推理是指從己知情境信息中推斷出未知情境的過程。Pettrei和Patrik在其研究中給出了明確的解釋：“一個情境推理嚴謹?shù)亩x為從各種不同的情境數(shù)據(jù)源中推導出新的、相關(guān)的信息以提供給應(yīng)用程序或用戶使用[13]?！币话阏J為，情境推理分為兩個層次：一是將原始的傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為情境模型中的情境信息；二是在情境信息基礎(chǔ)上，利用一定的規(guī)則或算法推導出新的、有用信息。目前，推理算法也分為精確推理[14]和模糊推理[15]兩大類。

位置地圖情境推理與一般情境推理類似，但在上面的情境推理定義中，它并沒有將情境建模的概念區(qū)分開來，導致情境建模和推理都混在一起，認為都是情境推理的一部分，當然這也是一種研究思路。在本文中，因為已經(jīng)明確了情境建模是解決情境信息形式化的描述，因此，對比情境推理的兩個層次，情境建模主要對應(yīng)的就是情境推理中的第一個層次，即將原始的傳感數(shù)據(jù)統(tǒng)一形式化描述為可用的情境信息，所以本文的位置地圖情境推理主要研究的是第二個層次。

從最終目的上看，位置地圖情境推理是為用戶提供深層次的、及時的位置地圖服務(wù)，但位置地圖情境的影響因素眾多，使得由所有這些情境信息推理出來的結(jié)果往往具有很強的不一致性，即情境推理的結(jié)果不為一，制約了情境模型的進一步應(yīng)用。為此，本文認為可以參考位置地圖的服務(wù)內(nèi)容來反推情境推理方式方法。由于位置地圖的服務(wù)內(nèi)容很多，本文無法一一細述，僅選擇其中的四種：時間信息提醒、距離信息提醒、興趣點信息提醒和其它信息提醒。同理，情境推理也可以分為四大類，如表3所示。每一種推理方式都對應(yīng)著相應(yīng)的影響因素，最大化地將推理過程變得簡單、直接，有助于情境推理的實時進行。

表3 情境推理的分類

2.4 位置地圖情境表達

情境表達相對于情境建模、情境匹配和情境推理來講，并不是情境理論的關(guān)注重點，因為在通用情境模型里表達并不是一個固定的概念，情境推理的結(jié)果可以通過各種各樣的方式推薦給用戶或應(yīng)用程序。它可以是文字、聲音甚至于一個指令，因此，人們對于情境表達的研究較少。但對于位置地圖來講，情境表達卻是情境理論在位置地圖能否得到合理應(yīng)用的一個不可或缺環(huán)節(jié)，因為在位置地圖情境中，情境與用戶之間的交互并不是直接進行的，情境推理的結(jié)果是通過地圖這一工具與用戶進行交流。所以，位置地圖情境表達可以認為是指將情境推理的結(jié)果采用一定的表達方式和方法在位置地圖上展示出來。

由于位置地圖表達是根據(jù)用戶所處情境自動進行位置地圖表示內(nèi)容的選取、地圖制圖的綜合、符號設(shè)計、色彩設(shè)計等，因此情境表達是一種智能化的過程。目前，地圖的智能化表達技術(shù)主要包括三種：基于模板的[16][17]、基于規(guī)則的[18]和基于知識的[19]，在這三種方法中，基于模板的智能化技術(shù)最為成熟，但該方式卻將地圖的表示內(nèi)容和方式固定為一個個表達模板，地圖的靈巧性受到限制；而基于知識的智能化將用戶知識、專家知識和生活常識知識等都融入進來，地圖的智能化表達更為合理，但目前對于知識的獲取、建模和推理等還缺乏成形的結(jié)果供大家參考，這種方式還不是很成熟。為此，本文認為位置地圖的情境表達應(yīng)采用建立規(guī)則庫的形式構(gòu)建位置地圖的表達方案，情境模型最后根據(jù)設(shè)計好的規(guī)則，選取恰當?shù)谋磉_方式與方法進行位置地圖表達。

3 結(jié)束語

情境理論最早是從心理學拓展出來的，后應(yīng)用到了教學領(lǐng)域，而情境在地圖中的應(yīng)用是近十年的事情。隨著移動地理服務(wù)的興起，地圖作為承載人類文明與地理世界之間的橋梁，其應(yīng)用領(lǐng)域與研究基礎(chǔ)均發(fā)生了巨大的變革，國內(nèi)對情境理論的研究很少涉及到地圖領(lǐng)域，2005年孟立秋等探討了情境理論在移動地圖服務(wù)中的重要意義(這里的移動地圖也可以理解成位置地圖)，但關(guān)于位置地圖情境的概念、內(nèi)涵以及情境模型的相關(guān)技術(shù)等鮮少有人研究。為此，本文開展了相關(guān)的探索工作，顯然，本文對位置地圖情境的研究還處在理論階段，探討了情境在位置地圖中的應(yīng)用所涉及的一些問題，具體的實際應(yīng)用，將是下一步的研究重點。

[1]高俊. 地圖學四面體——數(shù)字化時代地圖學的詮釋[J].測繪學報, 2004, 33(1): 6-11.

[2]劉芳. 網(wǎng)絡(luò)地圖設(shè)計的理論與方法研究[D]. 鄭州：信息工程大學, 2011.

[3]周成虎, 朱欣焰, 王蒙, 等. 全息位置地圖研究[J]. 地理科學進展, 2011, 30(11): 1331-1335.

[4]Nivala A M, Sarjakoski L T. Need for context-aware topographic maps in mobile devices[J]. Proceedings of ScanGIS 2003, 2003: 15-29.

[5]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.

[6]郝倩. 普適學習空間中情境建模及推理研究[D]. 大連：大連理工大學, 2011.

[7]MENG L, REICHENBACHER T. Map-based mobile services[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2005.

[8]STRANG T, LINNHOFF-POPIEN C. A context modeling survey[C]//Workshop Proceedings. 2004.

[9]CADENAS A, RUIZ C, LARIZGOITIA I, et al. Context management in mobile environments: a semantic approach[C]//Proceedings of the 1st Workshop on Context, Information and Ontologies. ACM, 2009.

[10]HUANG H, GARTHER G. Using activity theory to identify relevant context parameters[M]//Location Based Services and TeleCartography II. Springer Berlin Heidelberg, 2009.

[11]史豪杰, 邢清華, 劉付顯. 基于引入概率的范例匹配新方法[J]. 計算機工程與應(yīng)用, 2009, 45(10): 62.

[12]章曙光, 錢權(quán), 方瑾, 等. 范例推理中基于時序的范例匹配方法模型[J]. 小型微型計算機系統(tǒng), 2003, 24(4): 640-642.

[13]PRZYBILSKI M, NURMI P, FLORéEN P. A Framework for Context Reasoning Systems[C]//IASTED Conf. on Software Engineering. 2005.

[14]MAMEI M, NAGPAL R. Macro programming through Bayesian Networks: Distributed inference and anomaly detection[C]//Pervasive Computing and Communications, 2007.

[15]ANAGNOSTOPOULOS C B, PASIAS P, HADJIEFTHYMIADES S. A framework for imprecise context reasoning[C]//Pervasive Services, IEEE International Conference on. IEEE, 2007.

[16]馮濤,張亞軍,江南,等.基于模板的專題制圖數(shù)學模型構(gòu)建和應(yīng)用[J].測繪工程,2010,19(6):35-38.

[17]姚欣，陽夢珂，周小梅，等.基于手勢動作識別的地圖瀏覽[J].測繪工程, 2014, 23(2):61-63.

[18]馬俊. 專題地圖總體設(shè)計智能化理論與方法研究[D]. 鄭州：信息工程大學, 2013.

[19]王富強. 空間知識地圖構(gòu)建理論和方法研究[D]. 鄭州：信息工程大學, 2013.

[責任編輯：王文福]

Research on context of location map

QI Xiao-fei1, WANG Guang-xia1, ZHOU Zhuan-xiang2, SUN Wei-xin1

(1.Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China; 2.Troops 75711, Guangzhou 510515, China)

In recent years, with the rise of location-based services, especially the location map, context as an abstraction tool between the objective world and the human beings has been gradually introduced into the mobile map service. Given context theory of the map application process,there are no fundamental concepts and the content is unclear. The connotation of the location map is analyzed, especially from the context modeling, context matching, context reasoning and context expressed.

context; context of location map; context modeling; context matching; context reasoning; context expression

2013-11-06；補充更新日期：2014-10-09

國家863計劃資助項目(2013AA12A202)

齊曉飛(1985-)，男，博士研究生.

P208

：A

：1006-7949(2014)11-0011-05