應 申,朱利平*,李 霖,蘇慧哲,曹曉航

(1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院,武漢 430079;2.北京四維圖新科技股份有限公司,北京 100028)

基于室內(nèi)空間特征的室內(nèi)地圖表達

應 申1,朱利平1*,李 霖1,蘇慧哲1,曹曉航2

(1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院,武漢 430079;2.北京四維圖新科技股份有限公司,北京 100028)

當前室內(nèi)地圖的研究主要側(cè)重于定位、導航等位置服務,卻很少關注其自身的建模和表達。而室內(nèi)地圖是室內(nèi)位置服務的信息載體和計算基礎,其建模與表達會在很大程度上影響地圖信息的傳輸。目前的室內(nèi)地圖大多從建筑設計的角度出發(fā),僅表示出建筑要素,其傳達出的信息相對于復雜的室內(nèi)空間是十分有限的,并且由于其缺乏空間認知的支持以及適當?shù)牡貓D要素表達方式,會給用圖者帶來困難和誤解。本文從空間認知的角度,以人們對空間定位、邊界的首要需求出發(fā),將室內(nèi)環(huán)境中的空間分為封閉空間、半封閉空間以及開放空間,并特別關注空間邊界的半高情形。據(jù)此進行室內(nèi)要素的建模選擇與表達,使室內(nèi)地圖更符合我們?nèi)祟惖目臻g認知,并且可以滿足室內(nèi)地圖的導航、應用等需求。

室內(nèi)地圖;空間認知;開放空間;半高邊界;建模與表達

0 引言

隨著城市的快速建設發(fā)展,大型室內(nèi)建筑的結構日益復雜以及線上到線下(online to offline, O2O)商業(yè)化運營模式的出現(xiàn),人們對室內(nèi)地圖的需求也日益增長,各種室內(nèi)地圖產(chǎn)品應運而生。相比于室內(nèi)地圖的實際應用,其理論發(fā)展稍顯滯后,室內(nèi)地圖的制作尚未有統(tǒng)一的標準與規(guī)范。針對室內(nèi)地圖的設計與表達,相關研究也較為鮮見。文獻[1]總結了室內(nèi)緊急用圖的標準,并針對YAH地圖(You-Are-Here Maps)提出了其地圖設計評估的一般準則。文獻[2]受到倫敦地鐵圖的啟發(fā),提出了一種室內(nèi)通道的設計方法,即提取出每層樓的通道,將這些通道疊加顯示在一張圖中,使讀圖者只通過一幅圖即可大致了解整棟建筑物的空間結構。文獻[3]通過眾多被試對不同類型地圖的實用反饋情況進行分析,表明室內(nèi)地圖的設計對于室內(nèi)尋路、導航具有至關重要的作用。文獻[4]基于室內(nèi)要素分析,設計了室內(nèi)地圖的概念模型。文獻[5]基于空間認知提出了移動室內(nèi)地圖的設計指導原則,并根據(jù)其原則設計了三種模式的室內(nèi)地圖。

上述研究對室內(nèi)地圖的設計與可視化表達有一定的指導意義,但室內(nèi)地圖的研究尚處于起步階段,仍存在很多問題亟待研究解決?？v觀目前現(xiàn)有的室內(nèi)地圖,大多是從建筑設計的角度出發(fā),僅表示出建筑要素,這種方式的室內(nèi)地圖所傳達出的信息相對于復雜的室內(nèi)空間是很有限的,且由于缺乏空間認知的支持以及適當?shù)牡貓D要素表達方式,容易引起誤解,使讀圖者誤認為面狀區(qū)域是完全封閉或是完全開放的。當應用在室內(nèi)導航中時,將無法把用戶準確地引導進/出該區(qū)域?，F(xiàn)有的室內(nèi)導航中,雖然在導航數(shù)據(jù)里有店鋪的出入口位置信息,但是沒有在地圖上直觀地顯現(xiàn)出來,無法使用戶主動地從地圖上獲取信息。已有的室內(nèi)數(shù)據(jù)模型,如IndoorGML、建筑信息建模(building information modeling,BIM)中的工業(yè)基礎類(industry foundation class,IFC)等,一方面缺乏其論述要素選擇的認知依據(jù)和理論基礎,另一方面重在從信息管理角度出發(fā)對數(shù)據(jù)模型的建模以支持后期的數(shù)據(jù)管理,缺乏從表達和視覺認知角度對室內(nèi)地圖的展現(xiàn)。本文就從空間認知的角度出發(fā),以空間分割特征為重點,對室內(nèi)空間要素進行建模選擇與表達,以利于讀圖者對室內(nèi)空間的認知與理解,并滿足室內(nèi)導航、應用等需求。

1 室內(nèi)空間的特點和室內(nèi)空間認知

空間認知是指人們認識自己賴以生存的環(huán)境,包括其中的諸事物、現(xiàn)象的相關位置、空間分布、依存關系,以及它們的變化和規(guī)律[6]。恰當?shù)目臻g認知可以使人們在各種環(huán)境中都能清晰地對自我進行定位及方向的指引,它既能保證場所的各項活動井然有序,在緊急情況發(fā)生時也有利于人員的安全疏散[7]。與室外地圖成熟的理論相比,室內(nèi)地圖的理論研究處于剛剛起步的階段,其關于空間認知方面的研究尤為缺乏。

1.1 室內(nèi)空間的特點

與室外空間相比,室內(nèi)空間具有自己獨特的特點:

1)室內(nèi)空間的空間粒度較小。相比于室外地理空間,室內(nèi)空間的尺寸較小。

2)室內(nèi)空間的分割特征較為明顯。通常通過墻體、欄桿、柜臺、玻璃體等將室內(nèi)空間進行進一步分割。

3)室內(nèi)空間中的實體都是人工設施[8],具有一定的規(guī)范性。

4)室內(nèi)空間存在大量的物體阻礙人的視野,從而妨礙了人們對于室內(nèi)整體空間結構的理解,也限制了人們對于室內(nèi)局部線索的獲取[3],影響人的認知,使人產(chǎn)生負面的情緒。

5)室內(nèi)空間中的“通道”比室外的道路更加復雜。室外的道路通常是地理空間中做加法、通過人為建造而產(chǎn)生的;而通道通常是室內(nèi)空間被分割,空間單元被占用后做減法剩下的部分。不同于室外道路的線性布局,室內(nèi)環(huán)境是基于開放空間的,很多沒有顯性的線性通道,也無法表達出通道;換句話,通道是通過開放空間來表達的。只要是無阻礙物、可通行的區(qū)域均可認為是通道,且沒有名稱予以區(qū)分,這會使行人無法快速準確地進行基于“道路”的自我定位,易于迷失方向。這就給室內(nèi)導航路線的確定帶來轉(zhuǎn)換的難度,進而增加室內(nèi)定位和導航的挑戰(zhàn)。

6)大型室內(nèi)建筑多為多層或錯層的情形,不同樓層之間的連接和通行是用戶十分關心的。

1.2 室內(nèi)空間的認知

在不同情境下不同類型的空間對人的行為產(chǎn)生不同影響,這是人與環(huán)境之間存在的一種結構性關系,也就是可供性(Affordance)[9]?？晒┬耘c視知覺和認知緊密相關,可供性是真實行為的可能性,視知覺信息是憑借視覺而感知到的可能行為的信息[9]。當應用在地圖設計中時,只有保持兩者的一致性,也就是利用可感知的可供性,才能使讀圖者不加思考或是經(jīng)過稍微思考,就能在最短時間內(nèi)讀懂地圖。因此在室內(nèi)地圖中以視覺的形式區(qū)分不同類型的空間是十分必要的。

室內(nèi)環(huán)境可分為實體和“空”空間這兩部分?！翱铡笨臻g由實體界定,實體處于“空”空間之中,二者相互依存。從空間認知的角度看,實體與“空”空間的本質(zhì)區(qū)別在于實體會阻隔視線,而“空”空間則會保證視線暢通[10]。人的活動都是在“空”空間中進行的,所以人們在室內(nèi)環(huán)境中活動時,主要通過視線引導來避開實體,這種視覺引導規(guī)則決定了人們在環(huán)境中的移動行為[11]。日常生活中,人們在無意識的漫游中對環(huán)境首先感知其阻擋關系,也就是人們對空間的認知表現(xiàn)為對視線的阻擋或指引,其次才是空間的遠近和形態(tài)。室內(nèi)空間認知在描述建筑內(nèi)部空間模式時重點利用空間分割特征,不僅關注局部的空間可達性,而且強調(diào)整體的空間通達性和關聯(lián)性。

室內(nèi)場景大致可以分為商場、貨場、交通中心、會展中心這四種類型,不同的室內(nèi)場景有各自的特點。由于機場、車站、地鐵站等交通中心提供的是地點之間的連接功能,在該室內(nèi)場景中的人們具有很強的目的性,總是希望用最短的時間到達目的地,所以其具有較高連接度,即有著較長的視線長度或是較大的視域面積[12],并且決策點數(shù)也較少。商場提供的是逛的功能,在該場景中的人或是有目的的購買,或是無意識的閑逛,所以其具有迂回性與可連通性,且商場的空間粒度相比于交通中心要更小。

1.3 基于分割的室內(nèi)空間劃分

由于室內(nèi)空間認知的基礎是視覺認知,而視覺認知的核心與室內(nèi)空間的分割密不可分。本文就基于空間認知中的空間分割特征對室內(nèi)空間進行表達。空間分隔是指對一獨立空間或組合空間進行重新分隔組合[13],包括橫向分割和豎向分割。橫向分割是指將室內(nèi)空間在水平方向上進行分割,根據(jù)水平方向上空間邊界的封閉與否,可將空間分成全封閉空間、全開放空間、半封閉半開放空間。其中半封閉半開放空間中的開放空間可以是純粹的開放空間(即無門的情形),也可以是由門打開而形成的空間。豎向分割是指將室內(nèi)空間在垂直方向上進行分割,根據(jù)垂直方向上空間的高度,可將空間分成全高空間、半高空間。全高空間指該空間的高度等于層高,而半高空間指該空間的高度低于層高,其中半高空間又可細分為高分割空間和低分割空間。低分割空間的空間邊界高度低于正常成年人身高,如圖1(a)中所示的柜臺;高分割空間的空間邊界高度高于正常成年人身高,但又低于樓層的高度,如圖1(b)中所示的貨架。綜合橫向分割和豎向分割可將室內(nèi)空間分為開放空間、封閉半高空間、半封閉全高空間、半封閉半高空間。

1)開放空間是指空間在邊界的水平和垂直兩個方向上均可通行,如圖2(a)所示,這種類型空間的特點是視野開闊,流動性好,易于視覺、聲音傳達,具有良好的視覺連續(xù)性和通達性[14];

2)封閉半高空間是指空間在水平方向上不可通行,在垂直方向上部分可通行,如圖2(b)所示,這種類型的空間邊界具有一定高度,可以阻擋人流,通達性沒有開放空間強,但空間并沒有被完全遮擋,不影響視覺連續(xù)性[14];

3)半封閉全高空間是指空間在水平方向上部分可通行,在垂直方向上不可通行,如圖2(c)所示;

4)半封閉半高空間是指空間在水平方向上部分可通行,在垂直方向上部分可通行,如圖2(d)所示,這種類型空間內(nèi)的聲音、氣味、景觀、燈光等可以滲透到空間外部,從而引起人們一探究竟的好奇心,使空間具有吸引力[14]。

圖1 半高空間

圖2 不同類型的室內(nèi)空間

不同類型的空間對人的行為將產(chǎn)生重要影響,包括應急逃生、災害預警、室內(nèi)導航等。在正常的情況下,各類型空間發(fā)揮各自主要的功能,如購物、展示、休憩、辦公等。但在其他情況下,又將發(fā)揮不同的功能,以應急逃生為例,低分割空間在發(fā)生緊急情況時可直接跨越,而無需繞至開放邊界,節(jié)省逃生的時間,為存活爭取更多的希望;高分割空間雖不可跨越,但由于該類型空間與樓頂之間存在空隙,在火災發(fā)生時,煙霧可進行擴散,使人們及早意識到火災的發(fā)生;而封閉空間由于與周圍環(huán)境的流動性較差,具有較強的抗干擾能力,所以可將緊急事態(tài)控制在小空間內(nèi),減少對外界的影響。導航是人類認知和行為的直接體現(xiàn),室內(nèi)導航的前提是明確室內(nèi)空間的通行和阻擋信息。開放空間對于室內(nèi)的導航具有十分重要的作用,只有明確表示出開放空間,導航系統(tǒng)才能將用戶準確地引導進/出某區(qū)域。

2 室內(nèi)地圖的表達方法

2.1 室內(nèi)地圖制圖原則

基于空間分割,綜合考慮室內(nèi)空間的建造特征、通行特征等,制定如下室內(nèi)地圖制圖時的一些原則:

1)由于人類的室內(nèi)空間認知行為是直接與室內(nèi)空間對象發(fā)生作用的[15],而室內(nèi)空間對象是用以表示空間實體的,所以在空間分割時,室內(nèi)空間對象應與空間實體保持關系、邊界、性質(zhì)等方面的一致性[16];

2)由于人類對事物的認知遵循整體到局部的規(guī)律,室內(nèi)空間也不例外,首先確定一個由邊界表示的室內(nèi)空間,然后對室內(nèi)空間進行進一步劃分;

3)由于目前已有眾多室內(nèi)地圖產(chǎn)品,人們對室內(nèi)地圖中的常用符號已有先驗認知,所以無需對常用符號進行創(chuàng)新,使用現(xiàn)已約定俗成的符號即可,以避免用圖者視覺上的混淆;

4)由于室內(nèi)要素繁多,而室內(nèi)地圖大多應用于移動端,所以應考慮圖面的簡潔性,對室內(nèi)人工要素做一定的綜合和簡化,僅保留顯著要素,清晰地將室內(nèi)要素呈現(xiàn)在地圖上;

5)考慮到室內(nèi)空間類型和使用特征的不同,應將制圖要素分類分級,在要素表達時主次區(qū)分,重點突出;

6)由于室內(nèi)的樓層概念較強,所以應突出表示直梯、自動扶梯、步行梯等樓層間的連接要素。

2.2 室內(nèi)要素的選擇

在確定室內(nèi)空間被分割形成不同的空間單元后,進一步對空間單元進行形式化處理和建模,這也是當前CityGML和BIM等室內(nèi)數(shù)據(jù)建模研究開展的內(nèi)容。室內(nèi)空間的語義相關屬性(如興趣點、通道、店鋪、房間等)則根據(jù)室內(nèi)場景(如購物中心、交通中心、會展中心等)和應用目的的不同而存在很大的不同。本文從例證室內(nèi)空間認知的完整性出發(fā),選擇了以購物中心為例來說明完整的室內(nèi)地圖內(nèi)容。對分割后確定的空間單元輔以語義屬性就構成通常人們最為關注的店鋪、興趣點、收銀臺、服務臺等購物類要素,同時綜合室內(nèi)空間的通行性,具有通行功能的通道、門、出入口、步行梯、直梯、扶梯等室內(nèi)通行要素就成為室內(nèi)地圖的重點制圖對象。不論是處于何種室內(nèi)場景中,衛(wèi)生間、問訊處等這類與服務相關的要素也都是用戶所關注的內(nèi)容。本文以購物中心為例重點選取了三類要素,如表1所示。

表1 購物中心室內(nèi)要素選擇

2.3 室內(nèi)地圖表達

現(xiàn)有的室內(nèi)地圖大都以線、面兩種數(shù)據(jù)類型進行簡單結合來表示空間。本文為了表達出不同類型的空間,以線、面進行稍復雜的組合來進行表達。其中面用以表示區(qū)域的空間占有,面域色彩標示面域的不同屬性;用線來表示區(qū)域的邊界,又以不同的線型來標示不同的空間邊界類型。水平方向上的空間分割用實線來表示,垂直方向上的空間分割用虛線來表示,而是否有邊界則用線的有無來表示。對于有出入方向限制的出入口,用與邊界垂直、且與出入方向一致的短線來表示。根據(jù)此原則, 4種不同類型的室內(nèi)空間的表達如圖3所示。

圖3 不同類型室內(nèi)空間的表達

本文依據(jù)上述要素選擇、制圖原則以及基于空間認知的表達方法,以武漢市群光廣場一樓和大洋百貨(中山店)一樓為實驗區(qū),制作了室內(nèi)地圖,如圖4和圖5所示。

圖4 群光廣場一樓室內(nèi)地圖

圖5 大洋百貨一樓室內(nèi)地圖

以群光廣場室內(nèi)地圖為例,將右下側(cè)進行局部放大,如圖6(a)所示。再將其與現(xiàn)場實景(圖6 (b))進行對比,可以清楚地看出空間單元“周大?！睘榘敕忾]全高空間,“明牌”和“新金”為封閉半高空間,地圖與實景表達的內(nèi)容是一致的。

圖6 室內(nèi)地圖的局部(a)與對應的實景(b)

3 結果分析

將本文制作出的室內(nèi)地圖與現(xiàn)有的室內(nèi)地圖進行對比:圖7為已有圖商制作的群光廣場一樓的室內(nèi)地圖,排除因采集時間不同而出現(xiàn)的店鋪屬性不同的因素,可以看出由于本文制作出的群光廣場室內(nèi)地圖(圖4)表達出了空間的分割特征和開放性,用戶對于室內(nèi)空間的整體和局部細節(jié)的認知和把握更清晰,并且室內(nèi)地圖并沒有因為空間開放性的表達而影響圖面的簡潔性。

圖7 不同圖商的室內(nèi)地圖對比

將本研究中基于室內(nèi)空間分割特性制作出的群光廣場室內(nèi)地圖分發(fā)給30位被試進行調(diào)研,結果發(fā)現(xiàn)所有的被試表示較易獲取室內(nèi)空間的阻擋與通行關系,均能根據(jù)圖中實線的有無快速找到商場以及室內(nèi)小粒度空間的出入口,其中大多數(shù)人也能根據(jù)現(xiàn)有室外地圖中虛線一般表示在建道路的經(jīng)驗判斷出室內(nèi)地圖中的虛線代表空間上的高度關系,比如輕易識別出圖6中店鋪的圍欄的不同。并且借助于該地圖,所有的被試均能快速的到達指定的某一店鋪入口處。實驗結果表明,基于本文提出的方法制作出的室內(nèi)地圖符合人類關于室內(nèi)空間的認知,并能有效應用于用戶的室內(nèi)尋路、導航行為中。

4 結束語

隨著室內(nèi)地圖需求的日益增長,國內(nèi)外學者也越來越重視室內(nèi)地圖的研究。但是目前的研究主要側(cè)重于室內(nèi)地圖的定位、導航等位置服務,很少關注室內(nèi)地圖自身的建模和表達,更缺乏對室內(nèi)地圖空間認知的研究。本文從室內(nèi)空間認知中的分割特征出發(fā),總結了室內(nèi)地圖制圖的原則,并進行室內(nèi)空間要素的建模選擇和表達。并以兩個商場為例說明了本文提出的室內(nèi)地圖表達方法的有效性,這種方法也適用于其他室內(nèi)場景,如博物館、展覽館、會議中心、大型交通中心等。但本文僅對單一樓層下室內(nèi)地圖的建模與表達方法進行了研究,在后續(xù)的研究中將對多樓層的情況進行深入探究。

[1] KLIPPEL A,FREKSA C,WINTER S.You-are-here maps in emergencies-the danger of getting lost[J].Journal of Spatial Science,2006,51(1):117-131.

[2] NOSSUM A S.Indoor tubes a novel design for indoor maps[J].Cartography and Geographic Information Science,2011,38 (2):192-200.

[3] LORENZ A,THIERBACH C,BAUR N,et al.Map design aspects,route complexity,or social background?Factors influencing user satisfaction with indoor navigation maps[J].Cartography and Geographic Information Science,2013,40(3): 201-209.

[4] 劉兆宏,王科,豐江帆,等.矢量室內(nèi)地圖建模與制作方法[J].數(shù)字通信,2012(4):77-80.

[5] 鄧晨,夏青,林雕,等.基于空間認知的移動室內(nèi)地圖設計新模式[J].系統(tǒng)仿真學報,2014,26(9):2097-2103.

[6] 王家耀,陳毓芬.理論地圖學[M].北京:解放軍出版社,2000.

[7] 牛力.建筑綜合體的空間認知與尋路設計[J].世界建筑,2009(2):124-125.

[8] 張?zhí)m,王光霞,袁田,等.室內(nèi)地圖研究初探[J].測繪與空間地理信息,2013,36(9):43-47.

[9] GIBSON J J.The theory of affordances[M]//SHAW R,BRANSFORD J.Perceiving,acting,and knowing.NJ:John Wiley &Sons Inc.,1977:127-143.

[10]張愚.基于可見性的空間及其構形分析[D].南京:東南大學,2004:7-8.

[11]應申,李霖.空間可視分析方法和應用[M].北京:測繪出版社,2007:110-111.

[12]丁順,周曉文,于亮.句法點的視覺可達性分析與尋路行為[J].建筑與文化,2008(5):83.

[13]吳燕凌.談現(xiàn)代室內(nèi)設計中空間的分隔[J].大眾文藝,2013(24):139-140.

[14]劉磊,徐建三,雷艷華.公共空間邊界設計[J].華中建筑,2011(1):116-119.

[15]SMITH B,MARK D M.Ontology and geographic kinds[EB/OL].[2014-09-20].http://ontology.buffalo.edu/smith/articles/SDH98.pdf.

[16]魯學軍,秦承志,張洪巖,等.空間認知模式及其應用[J].遙感學報,2005,9(3):277-285.

Representation of Indoor Maps with the Analysis of Indoor Space

YING Shen1,ZHU Liping1*,LI Lin1,SU Huizhe1,CAO Xiaohang2
(1.School of Resource and Environment Science,Wuhan University,Wuhan 430079,China; 2.NavInfo Co.,Ltd.,Beijing 100028,China)

Current researches on indoor maps primarily focus on indoor location-based services,such as positioning and navigation,but little attention was paid on modeling and representation of indoor maps.However,the indoor maps are the foundation of information and computation for indoor location services,and their modeling and representation will affect the transmission of map information seriously,which is vital for human cognition.Most of the current indoor maps,from the view of architectural design,focus on the representation of architectural elements.However,these indoor maps convey very limit information about indoor cartographic features.Even worse,they would make people confused or misled.In this paper,from the perspective of spatial cognition,based on the cognitive demands on spatial location,spatial positioning and spatial navigation,the indoor space is divided into three types:closed,semi-closed or open space according to the different types of space boundaries,and pay particular attention on the case of half-height boundary.Accordingly,we choose responding objects to model and represent the space,which would cater to human’s cognition to easily understand and interpret the indoor map.Furthermore,this method can meet the navigation and application needs of indoor maps.

indoor maps;spatial cognition;open space;half-height boundary;modeling and representation

P228

A

2095-4999(2015)-04-0074-05

2015-07-18

國家863項目(2013AA12A203)。

應申(1979—),男,安徽界首人,副教授,主要從事地圖學與GIS、三維地籍研究和教學工作。

朱利平(1990—),女,湖北襄陽人,碩士生,主要從事室內(nèi)地圖和手機增強現(xiàn)實研究。

應申,朱利平,李霖,等.基于室內(nèi)空間特征的室內(nèi)地圖表達[J].導航定位學報,2015,3(4):74-78,91.YING Shen,ZHU Liping,LI Lin,et al.Representation of Indoor Maps with the Analysis of Indoor Space[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):74-78,91.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150414