朱國闖 ，成 毅，葛 文，陳經(jīng)昊，張藍(lán)天

1. 信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001；

2. 93920部隊，陜西 西安 710061；

3. 61646部隊，北京 100192

0 引 言

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)通過外接顯示設(shè)備附加虛擬要素信息的方法為地圖的表達(dá)提供了新的思路，通過附加文字[1]、圖片[2]、模型[3]等內(nèi)容使用戶對地圖空間有了更全面的認(rèn)知。隨著對增強(qiáng)地理要素表達(dá)的深入研究，不難發(fā)現(xiàn)哪些地理要素需要增強(qiáng)是更基本的問題，決定了地理要素設(shè)計的意義。隨著地圖的泛化，符號、注記和空間拓?fù)潢P(guān)系就能構(gòu)建一幅大眾地圖[4]，95%以上的地圖用戶表示地圖符號對認(rèn)知地理空間有重要意義[5]，符號含義的解譯是閱讀地圖的主要障礙之一。

明確哪些符號是增強(qiáng)設(shè)計的重點有利于提高增強(qiáng)地理要素的信息傳輸效率。地圖符號作為一種專用的圖解符號，采用便于空間定位的形式來表示各種物體與現(xiàn)象的性質(zhì)和相互關(guān)系[6]。面對眾多的地圖符號，許多專業(yè)地圖設(shè)計人員也會感到難以辨識；且用戶并非不理解所有的地圖符號，用戶對不同符號的認(rèn)知程度尚缺乏相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。

地圖符號可分為專題地圖符號和標(biāo)準(zhǔn)圖示符號兩類，已有符號研究多從視覺變量的角度提高設(shè)計水平，較少從符號意義的角度出發(fā)，如應(yīng)急專題地圖的線狀符號設(shè)計[7]、網(wǎng)絡(luò)地圖的點狀符號設(shè)計[8]、安全應(yīng)急符號的大規(guī)模調(diào)查[9]，對標(biāo)準(zhǔn)圖示符號的研究較少。作為地圖符號設(shè)計的重要參考，國家標(biāo)準(zhǔn)地形圖圖式是國家有關(guān)部門對地形要素、注記的規(guī)范化管理成果，對標(biāo)準(zhǔn)圖示符號的識別記憶是測繪專業(yè)人員的基礎(chǔ)技能。

符號評價調(diào)查方面，較為流行的符號可用性定義包括易學(xué)性、交互效率、易記性、出錯頻率和嚴(yán)重性、用戶滿意度5個評價要素[10]?；诖?，曹亞妮等[11]選取有效性、效率和用戶滿意程度作為地圖可用性評價標(biāo)準(zhǔn)。鐘琳穎等[12]從符號的易吸引性、易辨識性和易決策性3個方面進(jìn)行評價。鄭束蕾等[13]則通過符號色彩實驗評價符號設(shè)計與用戶心理模型和記憶經(jīng)驗吻合程度。JOY等[14]通過問卷填空方式調(diào)查了符號的理解程度，證明文化對符號識別有重要影響。

基于上述對符號分類和評價的研究現(xiàn)狀，本文主要針對國家基本比例尺地形圖圖示符號選取最為直觀的認(rèn)知準(zhǔn)確率這一評價標(biāo)準(zhǔn)，從增強(qiáng)認(rèn)知的角度基于事物特征與符號解譯關(guān)系相似性對標(biāo)準(zhǔn)圖示符號進(jìn)行分類，并通過認(rèn)知實驗證明適用性，進(jìn)而指導(dǎo)符號設(shè)計和增強(qiáng)地理要素的選取。

1 符號分類理論的語義學(xué)基礎(chǔ)

本文主要從地圖符號的語義學(xué)角度進(jìn)行相關(guān)研究。地圖符號學(xué)由符號學(xué)發(fā)展而來，主要包括語義學(xué)、句法學(xué)和語用學(xué)[15]，其中，地圖語義學(xué)主要研究地圖符號與客觀對象的對應(yīng)關(guān)系，在地圖上表示為圖例的設(shè)計。

皮爾士的符號學(xué)三元論由符號、對象和解釋項構(gòu)成，本文將其應(yīng)用到地圖符號領(lǐng)域，分別對應(yīng)圖1中的地圖符號、地理信息和用戶對符號的理解3部分。地圖符號是對具有相同內(nèi)在性質(zhì)和不同外在表現(xiàn)的意象的提煉，其中意象是用戶接受符號的視覺刺激通過聯(lián)想建立對應(yīng)事物的形象[16]。在三元結(jié)構(gòu)左側(cè)，地理信息與地圖符號之間的設(shè)計表達(dá)主要依賴視覺感受，按照事物特征與符號解譯關(guān)系的相似性從強(qiáng)到弱，抽象方法依次為外在特征、內(nèi)在聯(lián)系和約定規(guī)則，地圖圖示規(guī)范則是由這一抽象方法得到的廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)。在三元結(jié)構(gòu)右側(cè)，每一個地圖符號都對應(yīng)了圖示標(biāo)準(zhǔn)中的一個最終解釋項，即與其關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)含義；而用戶對符號的理解則基于自身知識背景和環(huán)境因素，產(chǎn)生動態(tài)解釋項，二者的一致性決定了用戶認(rèn)知的效果。在三元結(jié)構(gòu)下側(cè)，即地理信息傳遞的過程中，符號主要起到定位和定性的作用，其中定位由符號在地圖上的數(shù)學(xué)位置決定，定性則是用戶理解的難點，是符號認(rèn)知問題的源頭。

圖1 地圖符號認(rèn)知的三元結(jié)構(gòu)Fig.1 Ternary structure of map symbol cognition

基于上述結(jié)構(gòu)分析本文符號認(rèn)知的問題，可以發(fā)現(xiàn)用戶識別符號的過程主要依據(jù)事物特征與符號解譯關(guān)系的相似性，即用戶運用聯(lián)想、邏輯、記憶等功能充分參與符號特征與用戶儲備的事物特征的融合響應(yīng)過程。本文將符號分為聯(lián)想型、推斷型和學(xué)習(xí)型3類（圖2）。黃色矩形代表用戶對符號自身特征的觀察能力，綠色矩形代表用戶調(diào)動思維參與認(rèn)知的能力，隨著相似性降低，認(rèn)知過程對符號觀察和用戶思維的要求也越來越高。

圖2 基于事物特征與符號解譯關(guān)系相似性的符號分類Fig.2 Symbol classification based on the similarity of relations between object features and symbol interpretation

參考皮爾士的標(biāo)志分類原則，本文的聯(lián)想型符號指根據(jù)生活常識或地圖知識便可與其含義建立起聯(lián)系的符號，多采用象形、透視或顏色關(guān)聯(lián)的方法表示。形式包括因果關(guān)系聯(lián)想，如由地貌聯(lián)想到等高線；圖形與現(xiàn)實聯(lián)想，如由藍(lán)色聯(lián)想到湖泊；相互聯(lián)系聯(lián)想，如由橋梁聯(lián)想到河流等[17]。特征為符號與現(xiàn)實事物間是否存在直觀的外在特征或內(nèi)在聯(lián)系，如絕大多數(shù)獨立地物符號、醫(yī)院、停車場等。推斷型符號具備兩個或兩個以上的基礎(chǔ)符素，可依靠邏輯推理出符號含義，形如由A、B推斷出AB的模式。特征為是否具備利于用戶邏輯推理的基礎(chǔ)符素，如由針葉林、闊葉林符號推斷出針闊混交林符號含義的過程。學(xué)習(xí)型符號則需要用戶主動學(xué)習(xí)才能建立相關(guān)聯(lián)系，這類符號多為幾何符號，用于描述人文要素、現(xiàn)實生活中不存在的事物或事物的屬性。雖然不如象形符號利于建立聯(lián)系，但卻具有豐富的表現(xiàn)形式。特征為符號與事物間的聯(lián)系遵守若干約定規(guī)則，如表示不同公路等級的線狀符號。除了上述3類符號，注記一直充當(dāng)著獨立的元素，是最直觀、易接受的信息，對符號的理解起著關(guān)鍵的輔助作用。

2 標(biāo)準(zhǔn)圖示符號認(rèn)知實驗設(shè)計

認(rèn)知理論與實驗方法并行才能更好地理解符號認(rèn)知的現(xiàn)狀[18]?；谏弦还?jié)的符號分類方法，鑒于實驗主要考查用戶對符號的第一認(rèn)知反應(yīng)，故不考慮時間因素，選取認(rèn)知準(zhǔn)確率這一基本指標(biāo)，并假設(shè)符號類別和注記對認(rèn)知準(zhǔn)確率有一定影響。

實驗?zāi)康氖橇私庥脩魧Ω黝悎D示符號的認(rèn)知程度。在實驗設(shè)計上，采用非概率抽樣方法，使用滾雪球抽樣廣泛選取身邊可通過網(wǎng)絡(luò)媒介聯(lián)系的人員作為被試，要求被試具有一定文化程度，且群體涵蓋專業(yè)用戶和普通用戶。在問卷設(shè)計上，采用問卷調(diào)查的方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圖示符號認(rèn)知實驗，實驗問卷包括被試基本信息和30道選擇題?；拘畔^(qū)分了被式是否具有地圖專業(yè)背景；選擇題形式為單項選擇，根據(jù)符號在4個選項中選擇正確的含義。實驗符號選自2017年10月14日發(fā)布的《國家基本比例尺地圖圖式第3部分：1∶25 000 1∶50 000 1∶100 000地形圖圖式》。且參考《河南省地勢圖》和圖式樣圖等多幅地圖實例，綜合考慮各個符號的使用頻率，選取聯(lián)想型、推斷型和學(xué)習(xí)型符號各30個，同時保證其中有注記符號和無注記符號各15個。部分實驗符號如圖3所示：

圖3 實驗選取的若干符號Fig.3 Several symbols selected in the experiment

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 統(tǒng)計分析

實驗共計回收問卷175份，剔除無效問卷9份，共計166份有效問卷參與分析。從專業(yè)背景來看，實驗具有地圖專業(yè)背景與不具有地圖專業(yè)背景的人數(shù)約為8∶2。符號整體的認(rèn)知準(zhǔn)確率為69.9%，達(dá)到了及格標(biāo)準(zhǔn)。

圖4將實驗中30個符號的認(rèn)知準(zhǔn)確率按符號類別進(jìn)行了劃分，可以發(fā)現(xiàn)3類符號的認(rèn)知平均準(zhǔn)確率存在明顯的差異，聯(lián)想型、推斷型和學(xué)習(xí)型的準(zhǔn)確率平均值依次為86.39%、69.64%和53.73%，如圖4紅線所示，且單個符號準(zhǔn)確率的離散程度呈遞增趨勢。

圖4 符號認(rèn)知準(zhǔn)確率分類散點圖Fig.4 Classification scatter of symbol cognitive accuracies

在3種符號類型中，認(rèn)知準(zhǔn)確率最低的符號依次是科學(xué)試驗站、沙洲和學(xué)校。分析錯誤原因，從有無注記來看，3個符號均屬于無注記符號。從符號類型來看，符號“學(xué)校”的設(shè)計源自學(xué)校的內(nèi)在屬性，非外在客觀，而被試往往習(xí)慣于首先建立最直觀的外在聯(lián)想，故大多錯誤地選擇了選項“文物碑石”；符號“沙洲”屬于推斷型符號，由沙灘和海島構(gòu)成，大部分被試選擇了“水中洲”，忽視了沙灘的屬性；符號“科學(xué)試驗站”由于概念較為抽象，且外在的建筑風(fēng)格不統(tǒng)一，在生活中使用較少，屬于典型的學(xué)習(xí)型符號。

3.2 是否具有地圖專業(yè)背景的多項分析

通過對30個符號和是否具有地圖專業(yè)背景的交叉分析可知，是否具有地圖專業(yè)背景對學(xué)校、地面河流、抽水站等符號表現(xiàn)出顯著差異，部分分析結(jié)果見表1。166人的答卷中具備地圖專業(yè)背景的有134人。X2為卡方值，p值用于判斷地圖專業(yè)背景對30個符號的認(rèn)知準(zhǔn)確率是否呈現(xiàn)出顯著性，常見的p＜0.05 和p＜0.01分別表示結(jié)果有95%或99%的可信度認(rèn)為存在差異。

表1 符號認(rèn)知準(zhǔn)確率與是否具有專業(yè)背景的交叉分析（部分結(jié)果）Tab.1 Cross analysis of symbol cognitive accuracy and professional background（partial results）

將準(zhǔn)確率匯總后進(jìn)行符號類別的方差分析，可以發(fā)現(xiàn)是否地圖專業(yè)對聯(lián)想型和推斷型符號表現(xiàn)出顯著差異（表2）。F是方差分析過程中的統(tǒng)計量，為組間均方與組內(nèi)均方的商，F(xiàn)值越大，差異越顯著。依據(jù)對地圖基礎(chǔ)知識的熟悉和符號設(shè)計的邏輯，專業(yè)被試在這兩類符號的認(rèn)知上提供了更高的準(zhǔn)確率。但對于較難記憶的學(xué)習(xí)型符號，地圖專業(yè)人員的準(zhǔn)確率并未體現(xiàn)出過多優(yōu)勢。

表2 3類符號認(rèn)知準(zhǔn)確率與是否具有專業(yè)背景的方差分析Tab.2 Cross analysis of three symbols cognitive accuracy and professional background

3.3 符號類型的方差分析

為排除隨機(jī)性導(dǎo)致的符號類別認(rèn)知差異，在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單因素方差分析進(jìn)一步研究符號類型對于準(zhǔn)確率的差異性（表3）。可以看出，不同類型樣本對于準(zhǔn)確率均呈現(xiàn)出顯著性（p＜0.05）。具體分析可知，類型對于準(zhǔn)確率呈現(xiàn)出0.01水平顯著性（F=7.366，p=0.003）；對比差異，學(xué)習(xí)型的平均值（0.54）明顯低于聯(lián)想型的平均值（0.86）。綜合統(tǒng)計分析結(jié)果可以明確學(xué)習(xí)型符號應(yīng)是增強(qiáng)用戶認(rèn)知的重點類型，而推斷型可增強(qiáng)基礎(chǔ)符素的組合過程來提高記憶。

表3 3類符號的認(rèn)知準(zhǔn)確率方差分析Tab.3 Variance analysis of three symbols cognitive accuracy

結(jié)合3.2的結(jié)果分析可知是否地圖專業(yè)對認(rèn)知準(zhǔn)確率的影響未產(chǎn)生顯著性差異，但是3類符號的認(rèn)知準(zhǔn)確率存在顯著性差異，表明符號自身特征較為重要，用戶專業(yè)背景作用較小。

3.4 有無注記的方差分析

利用單因素方差分析研究有無注記對于準(zhǔn)確率的差異性，從表4可以看出，有無注記樣本對于準(zhǔn)確率呈現(xiàn)出顯著性（p＜0.05）。具體分析可知，類型對于準(zhǔn)確率呈現(xiàn)出0.01水平顯著性（F=29.150，p=0.000）；對比差異，無注記的平均值（0.54）明顯低于有注記的平均值（0.86）。結(jié)果表明用戶更易于認(rèn)知帶有注記的符號，故應(yīng)考慮增強(qiáng)符號的名稱注記以提高對含義的認(rèn)知，增強(qiáng)說明注記以提高對屬性的認(rèn)知。

表4 有無注記的認(rèn)知準(zhǔn)確率方差分析Tab.4 Variance analysis of cognition rate with or without annotation

4 結(jié) 論

本文基于事物特征與符號解譯關(guān)系相似性給出了3類符號的特征標(biāo)準(zhǔn)，通過實驗證明符號分類在認(rèn)知準(zhǔn)確率上有差異性，基本遵循由易到難的等級劃分，適用于增強(qiáng)符號的內(nèi)容選取和設(shè)計，可得出以下結(jié)論。

1）地圖符號設(shè)計應(yīng)以聯(lián)想型和推斷型為主，盡可能使符號與事物特征建立外在特征和內(nèi)在聯(lián)系，約定規(guī)則應(yīng)多用于設(shè)計現(xiàn)實世界中不存在的事物或抽象屬性的表達(dá)。依據(jù)本文的符號分類標(biāo)準(zhǔn)，考察國家基本比例尺地圖圖式第3部分246個符號，發(fā)現(xiàn)其中聯(lián)想型符號85個，推斷型符號65個，學(xué)習(xí)型符號96個。圖示中學(xué)習(xí)型符號的比例較大，故思考如何把學(xué)習(xí)型符號改進(jìn)為推斷型符號，推斷型符號改進(jìn)為聯(lián)想型符號，可以顯著提高符號認(rèn)知率。

2）進(jìn)一步實現(xiàn)符號類別升級，一是更改已有圖示或符號系統(tǒng)，二是可使用增強(qiáng)現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等手段實現(xiàn)。以增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)為例，用戶難以認(rèn)知的符號，可通過增強(qiáng)符號的外在形狀、內(nèi)在屬性、基礎(chǔ)符素等內(nèi)容，建立新的外在特征和內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而強(qiáng)化認(rèn)知和記憶。同時，擴(kuò)展注記與符號的交互表達(dá)，推動地圖認(rèn)知交互方式升級。注記可以對符號未能表述的內(nèi)容進(jìn)行簡要補(bǔ)充說明，以往的地圖產(chǎn)品礙于顯示技術(shù)往往要在表達(dá)要素上進(jìn)行取舍，而在現(xiàn)實世界中附加注記，可以繞過這一矛盾提高用戶的環(huán)境認(rèn)知能力。

對于本文的后續(xù)研究，可進(jìn)一步調(diào)查不同民族文化對不同國家標(biāo)準(zhǔn)地圖圖示的認(rèn)知情況，或者對比專題地圖符號與標(biāo)準(zhǔn)圖示符號的認(rèn)知情況，進(jìn)而輔助不同民族背景的人閱讀不同文化下的地圖。