基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计

刘秋雨 李刚

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）09-0026-02

1 具身认知理论概述

具身认知是当代心理学和认知科学领域的研究热点，其基本内涵是强调认知对身体的依赖性，即通过身体的感觉和体验来构建认知过程。具身认知的主要思想可归纳为三点：一是身体的生理结构、身体的运动等特征影响认知的产生和发展;二是身体所处的环境、情境影响认知的产生和发展;三是大脑与身体的特殊感觉—运动通道神经系统影响认知的产生和发展。

2 沉浸式地理空间数据可视化研究现状

国外学者Faust 在1995 年就探讨了将三维地理信息系统扩展到虚拟现实层面的可能性。2004 年中国学者孙敏等人提出AR 可以做为地理信息系统可视化的新界面。伊利诺伊大学芝加哥分校的电子可视化实验室（EVL）在1992 年构建的CAVE（CaveAutomatic Virtual Environment）系统是世界上第一个基于投影的虚拟现实系统，后续研究也一直致力于将虚拟现实技术应用于可视化和可视分析的研究。目前，关于沉浸式地理空间数据可视化的研究来自于计算机科学、地理信息科学领域，鲜有学者从设计学、数字媒体的角度对沉浸式地理空间数据可视化的呈现形式进行设计分析。

3 基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计意义

3.1 感知觉的多维调用

通过基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计可以拥有更加丰富的信息通道，可以与用户之间建立语音、触觉、甚至嗅觉等多维度感官交互通道，并将刺激信息传递到后续信息加工单元参与高级认知活动，帮助对信息的识别和分析。

3.2 行为交互的全方位拓展

基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计可以借助动作捕捉设备，实现全方位的动作捕捉，肢体的每一个动作都可以作为信号，与环境产生互动并获得反馈，较好地拓展了身体作为认知媒介的可能性。

3.3 可视分析的情境化

基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计可以使用户将新获取的信息与现有的知识在工作记忆中整合，以预测未来信息状态及后续决策。将通过设备收集的数据重构为虚拟环境，将多种数据格式集成到虚拟环境中，最大化满足数据的多维度呈现，为用户提供数据分析的情境条件。

4 案例分析

文章选取了三个较为成熟的基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计案例，分别是：（1） 鄱阳湖虚拟地理环境系统;（2） 地下公共设施AR 地理可视化;（3） 地质考察移动增强现实辅助系统。常用的沉浸式可视化技术包括VR 与AR，VR 系统可以对难以实地勘查的地区构建虚拟数字模型，用于开展不受时空限制的地理数据分析任务。AR系统基于移动设备，可辅助用户在实景勘查工作中对难以观察、记录的数据进行具象呈现。所选案例均已投入实际应用或经过用户应用测试，作为分析对象具有一定的实践指导意义，如表1。

4.1 多维信息的呈现与感知

三个设计案例均拥有足够的显示空间来支持用户同时查看多个相关数据集，并且支持二维、三维等多种类型的信息同时显示。用户可以在统一的语境中查看数据信息，建立数据信息之间的动态关联，实现多通道信息在决策层上的语义融合。基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计为用户带来的空间视觉感知是立体的、多层次的，同时也为原始数据提供了更多的视觉映射方式。在地下公共设施AR 地理可视化系统（LARA）中，不仅支持地下设施的增强现实显示，同时配备显示以用户为中心的周边二维地图（图1）;在鄱阳湖虚拟地理环境系统中，设计者构建了三维与二维两种降雨数据的可视化形式，在三维环境中用户可改变视角使自己置身于“雨水”中，让观察更具趣味性和临场感。同时，设计者也提供了降雨量的时序数据图表，以二维窗口的形式显示，满足用户进一步查询详细数值的需求（图2）。

4.2 交互行为自然化

传统数字界面中的人机交互操作大多是在用户的关注下进行的，容易产生额外的操作负荷，基于具身认知的交互体验以用户的自然行为为基础，挖掘行为动作中的需求语义并给予反馈，技术工具消失在人机自然交互过程中，在鄱阳湖VR 系统中主要使用头部追踪和身体追踪的方式将用户定位在环境中，根据用户的实际视角计算，使图像的呈现始终保持正确的视角并能根据观察者的运动进行调整。而在移动AR 地质考察辅助系统（ARGeo）中，根据用户当前相机视野生成虚拟地形，并叠加到现实场景中，内置的传感器使系统实时响应设备方向变化，并同步映射到虚拟地形上，保证了用户在虚拟场景和现实场景中的一致性体验（图3）。

4.3 沉浸式数据分析情境

在基于具身认知理论的沉浸式地理空間数据可视化设计中，情境不是对真实空间场景的还原，而是构建可帮助用户、研究人员完成分析任务的可视分析情境。VR、AR系统提供了用户认知的系统环境，其对现实空间的模拟与呈现，有利于用户掌握当前任务态势。基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计有足够的空间和分辨率来显示多种表示形式，并且可以对用户身体动态进行实时追踪，保证用户能够自由、便捷、不受打扰地查看数据信息，从而获得良好的沉浸式情境体验。在鄱阳湖虚拟地理环境中实现了对162，000km²鄱阳湖流域的数字化重建，用户临界于场景之上，可根据需求自由选择观看视角。

5 基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计策略

基于前文理论与案例分析，研究以提升用户体验为目的，提出基于具身认知理论的沉浸式地理空间数据可视化设计策略：

5.1 数据信息的多维感官感知

传统信息可视化中通过图形符号的颜色、形状、空间位置等来表示数据的方式同样适用于沉浸式空间中。沉浸式分析环境可以通过追踪观察者视线，改变数据信息呈现的位置或方式使其更适应使用者的观察方式。同时，通过增加触觉、听觉、嗅觉系统的交互方式增强环境真实性与临场感，辅助用户理解空间环境信息。

5.2 分析环境的沉浸式感官感知

区别于传统二维数字界面，用户在沉浸式可视化中是对虚拟现实与真实环境的融合感知，因此可以通过虚拟现实与真实环境的一致性设计达到沉浸体验。例如，沉浸式界面中的UI 设计在色彩、风格等视觉层面上应与真实环境、实际场景相和谐，避免不和谐的视觉信息打破用户的沉浸感。

5.3 交互行为的自然化

具身认知以身体行为、感知与反馈为基础，因此，在交互设计上应以身体的自然反应、无意识反应、习惯性反应为考量，让行为引导认知，身体与环境交互的过程也可以成为信息传达的过程[8]。如通过动作识别、表情识别、肢体语言识别、语音、脑电等来预估和判断使用者的行为意图，营造自然的具身交互环境。

5.4 用户感知情境化

用户对情境的感知是对当前身体所接收的所有信息综合处理的结果，在沉浸式数据可视化设计中，应使技术工具消失在互动中，最大程度地将空间数据还原为空间场景，对地理空间信息进行高保真呈现，让使用者更自然地沉浸在数据的语义环境中，聚焦于情境体验，从而进行高质量的数据分析活动。

6 结语

具身认知理论为“以用户为中心”的沉浸式地理空间数据可视化提供了设计理论依据，作为信息的接受者，用户的感受和体验一定程度上决定了整个可视化的信息传达效率，文章提出的设计策略之间能够相互影响、相互推动，共同构成用户在沉浸式分析活动中的综合体验，对未来以用户为中心的沉浸式地理空间数据可视化设计具有一定的借鉴意义。