基于眼动追踪的旅游导航地图锚点与参照系设置对空间认知过程的影响研究

刘 斐 杨璐嘉 陈韵卿 王 正

（华东师范大学设计学院，上海 200062）

0 引言

移动互联网技术快速发展，网络导航地图已经成为人们获取空间地理信息的重要媒介。随着导航地图使用人群和应用场景的日趋多元化，导航地图的使用需求也在不断地提高，以终点导航为目的的简单需求正逐步向建立有效空间认知，追求情境体验的复杂需求层面转化。当前旅游出行导航主要选择使用百度、高德、腾讯、搜狗等综合类导航地图，其时效性强，信息集成度高，已逐步发展成为以地理信息为基础，整合多种服务资源的综合平台。现有导航地图强调了关于决策点的转向行动的明确信息，却忽略了对环境整体空间信息的合理可视化设计（Münzer et al.，2012），尤其是在旅游出行这一特定情境导航过程中，对以旅游导航地图为工具的地理空间认知过程的关注还比较少（张本昀等，2006），具有针对性的导航交互设计研究与开发还显不足。

空间认知来源于认知心理学，被认为是个体获取、加工、储存、转换、应用及交流信息的过程（加洛蒂，2005），1948 年心理学家Tolman（1948）首次提出“cognitive maps”的概念；直到20世纪60年代，Lynch（1960）提出空间认知五要素，空间认知从此进入地理学研究领域。地图作为空间认知的媒介，到20世纪70年代才受到广泛关注，研究涉及地图的符号和要素对认知的影响（Dent，1972），地图的不同参照系表征方式对认知的影响（Wickens et al.，1994），地图学习的过程对认知的影响（Lloyd，1994），个体差异对地图认知的影响（Fontaine，2001）等。20世纪90年代，高俊院士率先在国内开展地图空间认知研究，提出了地图空间认知理论（高俊等，1991）。2001 年王家耀和陈毓芬在《理论地图学》一书中阐述了地图空间认知的基本过程，即感知过程、表象过程、记忆过程和思维过程（王家耀等，2001）。21 世纪随着旅游业的兴起，旅游者空间认知地图开始受到关注，马耀峰等（2008）首次对旅游者地理空间认知模式进行研究，探讨了旅游者空间认知的基本过程（马耀峰等，2008）。彼时相关研究不仅涉及旅游者空间认知模式和过程（杨瑾等，2012），还包括认知地图对旅游决策的影响（白凯等，2008），旅游地图符号设计与认知（何光旭等，2004；韩用顺等，2006）等。当前基于空间认知理论的旅游地图设计研究多集中于以提高导航效率为目的的地图符号化、视觉化元素设计，包括符号类型、形状、颜色等（Mersey，1990；Aretz，1991；韩用顺 等，2006；王锐君 等，2009；邓毅博 等，2013），较少涉及导航中整体空间信息的获取过程。锚点作为理解空间地理信息的重要元素（戈列奇，2013），在旅游地图中如何影响使用者空间认知过程的相关研究还很少。参照系作为空间信息的表征方式，影响空间认知过程（克里斯托弗，2014），参照系与锚点的交互作用对使用者空间认知过程的影响情况还有待研究。本文选择旅游出行导航场景，以锚点和参照系为自变量，讨论锚点和参照系及他们的交互作用对使用者空间认知过程产生的影响。

旅游导航地图需要根据旅游者导游、导餐、导住、导行、导购等不同的目的需求，通过突出制图区域旅游要素，将旅游点分布、旅游设施分布等地理空间信息，交通情况、服务项目信息等予以呈现（吴增红等，2007）。这些在现有导航地图中正逐步得到完善，但除了以上信息层面的获得需求外，导航过程对景区空间认知状态影响也是旅游者高质量旅游体验的重要组成部分，这在现有的导航地图设计中还没有得到足够的关注。空间认知是人们对空间中事物位置、存在形式、空间关系、变化方式等认识的过程（王锐君等，2009）。Michael（1957）等将空间认知能力分为：空间视觉化能力和空间定向能力。Thurstone（1979）将空间认知能力分为不同角度辨认对象的能力、想象对象运动变化的能力、观察者与空间物体相对关系的判断力等。空间想象、心理旋转、空间定向等能力及其实践完成度是空间认知过程重要的评价角度。导航地图是将人、地理环境、地图数据、网络信息等进行整合，通过多元交互通道让使用者获得目标信息，并与实地空间环境参照对比、适应调整，完成空间信息的认知（李娅，2015）。

研究者发现，掌握空间地标知识、路线知识、全景知识等有助于优化导航和理解空间特征（Thorndyke et al.，1982）。戈列奇（2013）认为空间认知是一个分阶段、分层次的过程，人们会捕捉空间中重要地标等认知标志即锚点，并连接主要的锚点，当锚点间沿着路径相互作用时会产生溢出或扩散效应，形成邻里、社区、区域及其他地区概念，进而增强个体的环境意象。锚点能够有效构建地理空间区域特征，这为导航地图如何精简、分层、渐进呈现复杂地理信息提供了很好的启示。然而将锚点设置在动态导航地图中，以局部地图呈现的方式动态显示在移动终端的屏幕上，是否具有增强环境空间认知的效果，目前相关研究较少（陶伟等，2020）。动态导航过程中影响导航效果的因素综合复杂，会随着信息获取目的的变化产生较大差异。本文选择锚点作为条件变量之一，尝试讨论旅游导航地图动态导航过程中有无锚点设置对地理空间想象、认知效率、体验状态的综合影响。

参照系的选择是导航过程中另一个影响空间认知效率的重要因素。参照系一般被分为自我参照系（ego-referenced frame）和环境参照系（world referenced frame），即相对参照系和绝对参照系。当参照系一致时有助于提高工作绩效；当参照系不一致时则需要进行参照系转换，产生心理旋转从而增加认知负荷（克里斯托弗，2014），但随着信息获取目的的变化，心理旋转的作用也会不同，并影响整个导航过程的空间认知。本文将参照系作为条件变量之一，分别在有锚点设置和无锚点设置的情况下，尝试分析使用者在不同参照系条件下的地理空间心理模型（克里斯托弗，2014）特征，分析锚点与参照系的交互效应，讨论参照系对空间想象、心理旋转、空间定向等空间认知过程的影响。

本文将采用眼动实验与问卷、测试、访谈相结合的方式，根据相关的研究（张本昀等，2006），通过注视时长、注视次数、视点热力图等眼动数据与测试准确率、默绘情况、访谈相结合进行分析，判断锚点和参照系在不同条件下对空间认知过程中信息注意与加工的影响，进而归纳出提高旅游导航地图空间认知体验的有效途径。

1 研究思路

影响地理空间认知的因素包括：地形、距离、转折点数量、交叉点数量、地点规模、地点结构、标志物数量、旅行距离、交通流量、旅行模式、旅行时间等因素（顾渐萍等，2019）。本次实验提取上海田子坊景区某路段的距离特征、转折点特征、地点特征、标志物特征等一般性基础环境要素绘制了虚拟导航地图。其中按照地图局部区域动态呈现顺序，依次在转折点处、转弯处、区域中心、标志物处设置锚点，将重要空间信息以锚点形式进行标注，凸显空间标志性信息。导航地图按照有无锚点和参照系不同共设有4 种动态导航模式，根据导航地图制作了相应导航模拟动画，被试在随机分配的实验条件下观看导航动画，完成模拟导航过程。

本次眼动实验中将导航路线设定为兴趣区，将注视次数和注视时间等数据指标与线路理解情况对照，分析不同实验条件下人们对路线信息的加工特征。注视时间和注视次数（包括回视）是兴趣区持续注意的主要评价指标（丁锦红等，2000），能够反映被试对相关信息的加工情况。工作记忆决定着导航过程中路线等空间知识学习的有效性（Munzer et al.，2012），选择性持续注意是空间工作记忆中信息复述的主要机制，复述是工作记忆转化为长时记忆的重要环节（张明等，2007），因此实验可以通过测量被试持续性注意情况，来反映被试对地图相关信息的掌握情况。

被试在完成眼动实验后需完成一份测试题目，以检测在不同实验条件下被试的空间认知情况。常见的空间定向能力测试任务包括：路标路线记忆、方向指认、地图绘制、距离估计、路线描述、路线反转等（Coluccia et al.，2004）。本实验依此编制了测试题目，在测试后将被试正确率、注视时间、注视次数、默绘情况及自我评估等（高雪原等，2016）评价指标进行综合分析。

实验的默绘部分能够较全面、直观地反映出被试环境心理模型（克里斯托弗，2014）建立情况，即对空间的理解情况。本实验对默绘题目进行了专家打分，对每位被试的默绘图分别从路标路线记忆、方向掌握、距离掌握、全局掌握4 个角度进行打分（Coluccia et al.，2004），进而分析有无锚点和不同参照系条件下被试认知过程特征。

2 实验方法和实验方案

2.1 实验设计

本次实验采用2×2 被试间设计，自变量锚点两个水平分别为：有设置锚点、无设置锚点。

自变量空间参照系两个水平分别为：绝对参照系、相对参照系。将40 名被试随机分配到4 个不同的实验条件下，每种水平下保证有10 名被试。采用眼动实验方法和传统定性方法相结合的方式，通过眼动实验进行定量化数据采集，其后通过测试问卷了解被试对空间信息的掌握情况，基于眼动实验数据测试准确率，综合分析得出结论。

2.2 参与者与测试工具

本实验选择40名被试进行眼动实验，均为在读硕士研究生，男女比例1∶1。并且要求其裸眼或矫正视力均达到1.0以上正常水平，无色盲、色弱，未参加过类似眼动实验。实验使用Tobii Pro Nano 眼动仪，采样频率60赫兹。显示器采用戴尔台式计算机，23 英寸，分辨率为1920×1080 像素，Windows 10 操作系统。使用ADOBE AFTER EFFECTS CS4与ADOBE PHOTOSHOP CC 软件绘制地图和导航视频材料。

2.3 实验材料制作

实验选取上海田子坊1 公里范围内区块地图作为依据，设计出本次实验的地图文本，根据路况复杂程度进行了一定的简化，保留了基本路线特征。该导航路线将距离特征、转折点特征、地点特征、标志物特征等要素作为本次实验的主要关注点，并将相关信息标识为相应的锚点和路径信息（见图1）。实验依据导航路线变化特征选取标志性节点设置锚点，如图2 所示，使用AE 软件制作出模拟电子地图导航过程视频。图3和图4显示了在相对参照系中，保持前进方向与使用者一致情况下，有无锚点地图的动态导航状态；图5和图6则显示了在绝对参照系中，保持绝对参考方向不变情况下，有无锚点地图的动态导航状态。

图1 上海田子坊1公里范围内区块地图

图2 导航地图设计

图3 相对参照系+无锚点导航动态演示

图4 相对参照系+有锚点导航动态演示

图5 绝对参照系+无锚点导航动态演示

图6 绝对参照系+有锚点导航动态演示

2.4 实验过程

使用眼动仪记录被试观看不同导航动态地图材料时的眼动轨迹，通过分析热力图和注视点图，结合被试观看不同地图后的测试结果，综合分析被试使用不同地图的空间认知和体验情况，从而得出锚点的设置和空间参照系的不同对被试空间认知过程的影响差异。

首先主试向被试介绍眼动仪的原理和注意事项，校准完成后开始正式实验，实验任务包括：（1）观看相应地图导航模拟视频；（2）回忆与重现任务，即回忆观看的视频，重现视频中相关空间信息；（3）回答问题，完成一份与导航地图相关的测试。

3 实验结果与分析

3.1 试卷正确率分析

在实验中，试卷是根据地图的空间特征和信息进行编写的，目的是考察被试的空间信息掌握准确率，反映被试对于地图的记忆及空间心理模型建立情况，对正确率的研究有助于判断在不同条件下锚点和参照系对被试地图记忆和空间认知的影响。以锚点和参照系为自变量，试卷正确率为因变量，检验自变量对因变量的影响。测试结果的描述性统计如表1 所示。从表1 可以看出有锚点的导航地图试卷正确率更高，同时绝对参照系条件下的试卷正确率更高，说明设置锚点和绝对参照系有利于提高被试试卷正确率，但对试卷正确率的影响是否达到显著，需要通过方差分析进行验证，双因素方差分析结果如表2所示。可以看出，锚点对试卷正确率影响显著（F=38.035，p＜0.05），空间参照系对试卷正确率影响显著（F=10.176，p＜0.05），锚点与空间参照系对试卷正确率的交互作用显著（F=7.643，p＜0.05）。为进一步分析锚点和空间参照系产生的交互效应如何影响试卷正确率。做简单效应分析（见表3）发现，锚点在任一参照系水平上差异都很显著，而参照系只有在有锚点条件水平下差异显著。说明设置锚点有利于提升被试正确率，绝对参照系只有在有锚点条件下有助于提升被试正确率。这一结果说明锚点有助于被试认知和记忆地图；在有锚点条件下，绝对参照系呈现的地图更有利于被试对地图的认知和记忆。

表1 各种测试条件下正确率结果描述性统计

表2 各种测试条件下正确率双因素方差分析结果

表3 锚点和参照系简单效应分析之成对比较

3.2 AOI注视持续时间与AOI注视次数

注视一个兴趣区的持续时间是指从进入一个区域到退出该区域的时间总和，注视次数即兴趣区的被注视次数，AOI 注视持续时间和AOI 注视次数都能作为兴趣程度和心理加工程度的测量指标，本实验将路线区域作为兴趣区，以AOI注视持续时间和AOI注视次数为测量指标，探究被试对路线区域的注意和加工情况。

3.2.1 AOI注视持续时间

以锚点和参照系为自变量，AOI注视持续时间为因变量，检验自变量对因变量的影响，测试结果如表4所示。可以看出，有锚点实验条件下的兴趣区注视总时间高于无锚点实验条件下的兴趣区注视总时间，绝对参照系和相对参照系下兴趣区的注视持续时间差异不大。进一步采用双因素方差分析检验锚点和参照系对AOI注视持续时间影响是否达到显著水平（见表5）。从表5可以看出，锚点对AOI注视持续时间影响显著（F=43.113，p＜0.05），空间参照系对AOI 注视持续时间影响显著（F=4.612，p＜0.05），锚点与空间参照系对AOI 注视持续时间的交互作用显著（F=11.000，p＜0.05）。简单效应分析（见表6）发现，在有锚点前提下，绝对参照系AOI注视持续时间显著高于相对参照系；两种参照系条件下，有锚点的地图AOI注视持续时间都显著长于无锚点的地图。兴趣区注视持续时间受到锚点和参照系的交互作用影响：包含锚点的导航地图，被试注意力更为集中，更能够聚焦于兴趣区内专注于地图路线。无锚点导航地图中用户非兴趣区注视时间更多，导航目标不聚焦，注意力容易分散。如图7～图12 所示，各条件下注视时间热力图也直观反映出这一特征。在有锚点的条件下，绝对参照系更有助于使用者专注于地图路线，使导航目标更聚焦。

图7 有锚点条件下注视时间热力图（两参考系叠加）

图8 无锚点条件下注视时间热力图（两参考系叠加）

图9 无锚点×绝对参照系条件下注视时间热力图

图10 无锚点×相对参照系条件下注视时间热力图

图11 有锚点×绝对参照系条件下注视时间热力图

图12 有锚点×相对参照系条件下注视时间热力图

表4 各种测试条件下AOI注视持续时间描述性统计

表5 各种测试条件下AOI注视持续时间双因素方差分析结果

表6 锚点与参照系简单效应分析之成对比较

3.3.2 AOI注视次数

以锚点和参照系为自变量，AOI注视次数为因变量，检验自变量对因变量的影响。测试结果的描述性统计如表7 所示，可以看出有锚点实验条件下的兴趣区注视总次数更高，而绝对参照系和相对参照系下兴趣区的注视总次数差异并不大。进一步采用双因素方差分析，如表8 所示，锚点对AOI 注视次数影响显著（F=46.613，p＜0.05），空间参照系对兴趣区注视次数影响不显著（F=0.032，p=0.859），锚点与空间参照系对兴趣区注视次数的交互作用不显著（F=2.985，p=0.093）。如图13～图18所示，各条件下注视次数分布图也直观反映出这一特征。有锚点实验条件下的兴趣区注视总次数显著高于无锚点实验条件下的兴趣区注视点次数，说明包含锚点的导航地图，兴趣区内更能够吸引注意，引导视线关注。锚点有助于人将注意力集中在路径上。

表7 各种测试条件下AOI注视次数描述性统计

表8 各种测试条件下AOI注视次数双因素方差分析结果

图13 有锚点条件下注视点分布图（两参考系叠加）

图14 无锚点条件下注视点分布图（两参考系叠加）

图15 无锚点×绝对参照系条件下注视点分布图

图16 无锚点×相对参照系条件下注视点分布图

图17 有锚点×绝对参照系条件下注视点分布图

图18 有锚点×相对参照系条件下注视点分布图

3.4 导航地图默绘结果分析

为进一步了解不同条件下导航地图使用者对地图记忆及空间特征理解情况，实验设置了凭借记忆默绘导航地图测试内容。并邀请了3 位专家（高校地理与设计专业教师）结合测试题目，对默绘图分别从路标路线记忆（评分点：6个锚点、4个直角转弯、3 个弧形转弯）、方向掌握（评分点：相较地图所绘每个路段整体方向偏差在40 度范围内都认为正确）、距离掌握（评分依据：相较地图所绘每个路段长度比例偏差大小）、全局掌握（评分依据：相较地图所绘全局图的准确度）等方面进行打分（Munzer et al.，2012），每个指标项满分100 分，按照实验条件类别取平均分后统计结果如表9所示。

表9 不同实验组别默绘评分（平均分）统计表

图19～图22 为默绘情况举例，结合评分情况，我们可以清楚地了解到有锚点情况下，被试对地图中路标路线记忆、方向、距离及全局特征掌握得都相对较好。相对参照系条件下，被试各项评测指标相较于绝对参照系条件下得分较低，默绘图显示该条件下被试多将自己的主体前进方向确定为空间绝对方向。相反，绝对参照系条件下，被试对空间实际方向的认知较为准确。

图19 无锚点×相对参照系条件下默绘导航地图举例

图20 无锚点×绝对参照系条件下默绘导航地图举例

图21 有锚点×相对参照系条件下默绘导航地图举例

图22 有锚点×绝对参照系条件下默绘导航地图举例

4 结论与讨论

实验结果显示，含锚点地图在不同参照系水平上测试准确率都显著高于无锚点地图。这说明在导航路径引导区域内设置锚点，会使人们对方向、路线特征、锚点分布、全景特征等空间信息记忆得更为准确，更好地掌握空间中地标知识、路线知识、全景知识等，从而有助于优化导航和理解空间特征，进而提升人们的空间认知水平。参照系与锚点存在交互效应，有锚点情况下绝对参照系更有助于空间知识的理解和记忆，测试正确率更高；无锚点情况下，绝对参照系与相对参照系交互作用不显著。相对参照系是“目的地”导航过程中普遍使用的模式，地图随着路线的变化做相应的旋转调整，让导航地图引导方向始终与使用者前进方向保持一致，从而减少使用者心理旋转过程，一定程度上降低了认知负荷，但这一空间信息加工过程也让使用者对整个路径的地理空间信息掌握度变低，进而影响使用者对空间的整体理解及其空间认知体验。在旅游地图导航过程中，获取信息的行为、目的出现变化，不仅仅是单纯的到达目的导航，随着空间认知需求的提高，陈述性、程序性、结构性等空间知识（Golledge et al.，2013）的叠加，空间信息载荷增大，这时绝对参照系的影响效应开始凸显。局部的自适应心理旋转过程，在绝对参照系条件下的全景认知过程中表现出加深空间理解的积极作用。

AOI 兴趣区实验结果表明，设置锚点的导航地图兴趣区注视持续时间和注视次数显著高于无锚点导航地图。对兴趣区持续注意的时间反映使用者对空间信息的加工情况，综合前面准确率分析，有锚点导航地图测试准确率更高，可见兴趣区长时间的注意能够加强相关空间信息的加工过程，提高空间知识的掌握程度，从而促进对环境空间的认知。锚点与参照系存在交互效应，有锚点的条件下，绝对参照系兴趣区中注视持续时间更长。通过注视时间热力图（图7～图12）和注视点分布图（图13～图18）可以清晰地看到，有锚点条件下（特别是绝对参照系中）的导航地图更能够引导使用者视线，使用者的注意力更多集中于线路区域内，更聚焦于导航路径信息。比较集中的注意与持续注意时间让相应信息得到了更深层次的加工，有助于使用者环境空间心理模型的构建，进而增强其对环境空间的理解。在旅游导航地图交互设计中有效利用锚点的特征，可以避免大量信息负荷压力，让导航过程更具指向性、明确性，进而增强旅游者对景区空间的理解，提高其对环境空间认知的水平，优化旅游体验。

默绘评测结果与实验结果基本一致。默绘图比较全面、直观地反映出锚点与参照系不同条件下，被试对空间信息的理解，即心理模型构建情况。默绘结果表明，相对参照系下被试方向判断准确率低，绝对参照系有利于全景方向的判断。相对参照系由于地图的旋转调整，减少了使用者心理旋转的加工过程，使得使用者对空间方向感减弱。相反，绝对参照系通过一定负荷的心理旋转过程，强化了对全景信息的记忆，从而能够更准确判断路线的空间走向。从默绘图中可以看到，有锚点的条件下，被试能够更好地掌握路线特征，对距离的判断也更为准确，空间全局特征的掌握也更好。在实验结束之后我们对使用者空间认知情况，以及在导航过程中和相关测试环节遇到的难点等问题进行了访谈，访谈结论与实验数据结果一致：绝对参照系更有利于对空间方向的判断，包含锚点的地图导航指向性更加明确，使被试更容易掌握导航过程中的路径信息，更有利于被试空间心理模型的建立。

电子导航地图在不同的使用场景下，由于行为目的的不同，使用者对导航效率、空间认知体验等的要求也不同。单纯的“到达”目的导航过程中对导航效率、低认知负荷的要求占据首要位置；而在休闲场景下，尤其是旅游地图导航过程中，在具有导航效率的同时对空间认知体验的要求随之提高。需要导航地图在平衡适当认知负荷下提高认知效率，同时带来更好的空间认知体验。在目前地图地理信息已广泛嵌入各类服务APP 的情况下，提升导航地图在出行过程中的空间认知体验感的要求愈发凸显。结合本文的实验结果，我们可以得出结论：旅游导航地图在设置有效锚点的情况下，能够增强用户对地标知识、路线知识、全景知识的记忆和理解，优化其空间视觉构建与空间定向过程，进而提高其空间认知效率和水平，提升空间认知体验。锚点是导航地理区域内重要的特征节点，可以是标志性的路段、建筑、重要的公共设施、景观等。本次实验证明了锚点在动态导航过程中的有效性，以及有锚点条件下绝对参照系对其作用的强化。这为后续锚点类型及其设置方法研究建立了基础。结合不同场景和任务目的设置锚点的形式与内容，能够增强地图的知识性，空间方位的明确性，有利于提高人们对路线本身在地属性的理解。

本次实验能够验证锚点在动态导航过程中对空间认知的积极影响，这为后续地图交互界面设计，尤其是地图信息的分层呈现方式、锚点设计等研究提供有益参考。但本次实验仍然存在着一定的局限性，如样本的选取，可以更大范围开展实验，提高实验结果的普遍性、代表性。此外，针对锚点的形式和设计方法，以及认知负荷的平衡标准等问题，后续的实验需要进行深入研究，不断完善电子导航地图锚点设置的相关理论原则与设计方法，为日益普遍嵌入的地图位置导航服务提升空间认知体验质量。