空间认知能力评价及其与场景草图面要素方位特征间关系的研究

1 引言

场景草图是人们对其生活环境认知结果的概括、抽象性表达，蕴含了人们脑海中的空间知识。由于受人们空间认知能力影响场景草图中内容往往是扭曲的、模式化的、不完整的，其图面特征是否稳定可靠这一问题值得深入探讨。因此研究场景草图与人们空间认知能力关系是进行场景草图和地图匹配的重要基础。

自20世纪五六十年代Tolman提出认知地图（cognitive maps）、Lynch将其应用到城市规划领域以来，部分学者提出了诸如心像地图(mental map)、认知拼图(cognitive collage)等概念，其本质都是指存储在人们脑海中的空间知识。而在很多实验中，场景草图则被认为是一种直接获取和传播空间知识的交互方式。同时，大量学者将草图中的不变特征关系分为方位关系、拓扑关系、顺序关系等，为场景草图的匹配和查询打下坚实了基础。

综合来看，前人研究或是直接研究场景草图本身的图面特征，例如草图绘制的对象、对象间的不变关系、地物的分布形式等，或是以草图为工具研究人们的心理活动，例如借助草图研究人们脑海中认知地图的演变规律、不同路径描述方式与人们理解周围环境的关系、真实环境和虚拟环境中不同志愿者的空间认知差异等。

然而，对于绘制草图的主体——人而言，其不同水平空间认知能力对场景草图的影响是显而易见的。在人类空间认知能力的研究中，路径视角和俯瞰视角是人们认识周围环境过程中的2种主要的视角，它们能够帮助我们理解周围环境的空间信息。在该过程中，人们需要判断地物之间的相对方位关系和距离关系以还原地物的空间分布，由于草图中距离的模糊性较高，方位关系便成为判断地物相对位置准确程度的重要指标。然而人们在不同的空间认知能力水平下对地物间的方位关系的判断同样存在一定不确定性，因此研究不同空间认知能力水平下什么粒度的方位描述方法更适合场景草图是非常有必要的。

本文从空间认知角度着手，采用基于锥形模型的八方向和四方向模型以及基于投影的最小外包矩形（MBR）模型描述场景草图中面要素之间方位关系，并研究其与人们空间认知能力之间的关联，确定在何种情况下草图中地物的方位关系更加可信，为场景草图与真实数据匹配做铺垫，是一次将空间认知和草图结合的尝试。

2 实验方案及数据预处理

本实验通过量化人们空间认知能力和场景草图方位准确度来分析两者之间的联系，以确定人们不同水平空间认知能力下场景草图面要素方位准确度的有效程度。

2.1 实验方案

2.1.1 技术路线

实验开始时，每位志愿者绘制指定区域的草图，同时录制草图绘制顺序的视频，并和志愿者交谈了解相关信息。最后让志愿者分别完成背景信息和空间认知能力问卷的填写，其中背景信息包括其姓名、年龄、职业、文化背景、常走道路、地理学背景等。

图1 技术流程

2.1.2 实验区域选择

为区分不同环境对草图质量的影响，本文分别选择位于南京市建邺区的奥体中心东北部居民区（简称奥体实验区）、位于栖霞区的万达茂附近区域（简称万达茂实验区）以及同样位于栖霞区的南京师范大学仙林校区（简称南师实验区）为实验区。

其中奥体实验区以井字形分布为主，有15块居民区、三所学校，易于记忆。南师实验区都是教学楼和宿舍为主，中间夹杂山体分隔，虽然建筑之间有便道但对于日常生活其中的学生而言感知不如建筑明显，认知负担较高；而万达茂实验区有11块居民区、6所学校、一片商业区以及一片湖泊和公园，且附近有高校，地物交错分布，有明显的城市功能区集聚特点，记忆难度显著增大。

图2 实验区位置分布

2.1.3 志愿者选择和场景草图绘制

为使实验更具代表性，降低知识背景、性别、年龄等因素的影响，本实验采取随机采样的方式招募志愿者。本文3个实验区中分别随机选取20名志愿者，尽量选择中青年人（25~40岁左右），性别和职业则没有限制。绘制草图时，要求志愿者尽可能多地绘制实验区域内地物，并尽量标注地物名称，如"中华中学"、"苏果超市"等。若记忆模糊则可以用面要素类型替代，如"某小区"、"某小学"等。

2.1.4 空间认知能力问卷选择

本文使用国际公认的成熟问卷测试人们的记忆能力、方位能力和心理旋转能力，以保证测试的有效程度，具体细节如下：

2.2 数据获取与预处理

实验真实地图数据来自Open Street Map (OSM)，瓦片等级为16级，将其转换为矢量并选取其中"landuse"属性为"residential"、"retail"、"industry"等的记录；通过交谈确定草图中每个符号指代的具体地理对象并参考MapBox影像、高德地图和百度地图瓦片数据确定其具体位置后，在真实地图数据中标注。

对于场景草图，用扫描仪将其转换为图片并矢量化，剔除面要素数量在10以下并且面要素信息严重不足的样本或者存在过多无法辨认面要素的样本，以确保每幅草图准确还原人们印象中的周围环境。对于草图中的面要素和文字注记，通过访谈和对照标准地图的方式确定它们具体指代的面要素；对于线要素由于人们多表示道路的存在性，将其全部归类为单线道路；草图绘制过程中志愿者标注出很多感兴趣的目标点(POI)，比如某商店，由于不在研究尺度范围内，予以剔除。

经整理，共计得到有效样本34例。对于参与实验的志愿者，其中16位女性，18位男性，6个人不常使用电子地图，28位经常使用电子地图，文化程度本科及以上者25人，低于该水平者9人，从事相关行业例如房地产行业2人，4人接触实验区不到1年，其余均在实验区工作或生活1年以上，对实验区有一定的熟悉程度。

图3 实验区和草图绘制情况示意图

3 空间认知能力及场景草图方位关系的度量

记忆能力可分为短期记忆能力和长期记忆能力，其中短期记忆采用CFT问卷得分，该测试共18个细节，共计36分，评分细则如表1所示；长期记忆能力根据人们熟悉路径的分布，通过该路径附近的面要素数量和分布好坏判断其对草图面要素间方位关系的影响。

表1 CFT评分细则

条件	得分
准确绘出并且位置正确	2
准确绘出但位置不合适	1
图形扭曲不完整（尚可辨认）且位置合适	1
图形扭曲不完整（尚可辨认）但位置不合适	0.5
图形缺失不可辨认	0

表2 MBR模型各方向片间距离

方向距离	NW	N	NE	W	O	E	SW	S	SE
NW	0	1	2	1	2	3	2	3	4
N	1	0	1	2	1	2	3	4	3
NE	3	1	0	3	2	1	4	3	2
W	1	2	3	0	1	4	1	2	3
O	2	1	2	1	0	1	2	1	2
E	3	2	1	4	1	0	3	2	1
SW	2	3	4	1	2	3	0	1	2
S	3	4	3	2	1	2	1	0	1
SE	4	3	2	3	2	1	2	1	0

4 实验结果分析及讨论

4.1 空间认知能力计算结果

使用2.1节给出的空间认知能力度量方法对实验区志愿者的空间认知能力进行问卷计分，经统计得分情况如表3所示。其中，奥体实验区MRT得分8分以上有7人，CFT得分24分以上有9人，方位测试得分134分以上有10人；万达茂实验区MRT得分8分以上有7人，CFT得分23分以上有8人，方位测试得分146以上有10人。

使用克伦巴赫α系数计算空间认知能力测试结果的可靠性，得到结果如表4所示，可见只有奥体实验区的志愿者方位能力的可靠程度较低，其α值只有0.527，其他空间认知能力评价结果的α在0.6以上，可以认为是可靠的。

注：Cronbach's Alpha即克伦巴赫α系数，依据一定公式估量测验内部的一致性常用于衡量心理或教育测验的可靠性，α越接近1则越可靠，反之不可靠。

4.2 空间方位关系计算结果

4.2.1 锥形投影模型计算结果

经统计，奥体实验区面要素数量平均为19.6个，而万达茂实验区则是16.2个，2个实验区均有8幅草图面要素数量不及平均水平，9幅超过平均水平，草图没有明显数量过多或过少的集聚情况。

(1) 四方向模型计算结果

实验结果表明，奥体实验区轴向顺序Ac均值(MD)为0.852 4，标准差(SD)0.028 9，方向偏差MD = 0.861 0，SD = 0.026 9，万达茂实验区Ac均值(MD)为0.842 2，标准差(SD) = 0.089 3，方向偏差MD = 0.838 0，SD = 0.095 9，南师实验区Ac均值(MD)为0.832 5，标准差(SD) = 0.073 0，方向偏差MD = 0.837 9，SD = 0.046 7。

图4 四方向锥形模型因子分布情况

(2) 八方向模型计算结果

实验统计数据表明，奥体实验区八方向模型方向准确度计算结果平均值(MD)为0.698 6，标准差(SD)为0.133 1，万达茂实验区MD = 0.614 1，SD = 0.205 4，南师实验区MD = 0.481，SD = 0.160。具体精度分布情况如图10所示，可见在此模型下绝大多数志愿者场景草图方向准确度较高，大部分结果均处于0.5~0.9之间。

图5 不同实验区八方向模型计算结果分布情况

在奥体实验区草图中，平均方向准确度为0.698 6，其中面要素数量少于均值的记录中方向准确度在0.6以上的有6幅，超过均值的记录中方向准确度在0.6以上的有7条；而在万达茂实验区，平均方向准确度为0.614 1，其中面要素数量小于均值的8条记录中有5条记录方向准确度在0.6以上，超过均值的记录中有6条记录方向准确度在0.6以上。最后南师实验区方向准确度在0.6以上的仅有3例，面要素数量多的草图反而方向准确度不高。由此可见草图整体方向准确度和图面内容丰富程度没有关联，即使志愿者记忆模糊，仅绘制少量面要素，方位关系也依然明晰。

4.2.2 MBR模型计算结果

奥体实验区方向相似性平均值(MD)为0.897 8，标准差（SD）为0.065 8，万达茂实验区方向相似性MD = 0.895 1，SD = 0.052 9，南师实验区MD= 0.877 0，SD = 0.040 7。不同的是，3个实验区的MBR模型计算结果相较于八方向锥形模型而言都有大幅度提升，奥体实验区方向相似性最低值为0.714 8，万达茂实验区为0.765 4，南师实验区则是0.769 2，3个实验区计算结果均落在0.85~0.95之间，只是万达茂实验区稍弱于奥体实验区，南师实验区结果最差。

图6 不同实验区各方向模型因子计算结果

就实验结果而言，3个实验区的评价结果均呈现显著相关性，每幅草图计算结果变化趋势一致，具体情况如图11所示。可见，MBR模型计算结果"方向相似性"总体最高，八方向模型计算结果最差。这可能是由于大部分志愿者都能辨别面要素之间大致的方向关系，高精细方向关系划分并不适用于场景草图。这样的结果符合目视判读草图时各面要素间位置大致正确的情况，说明基于四方向的锥形模型和MBR模型更加符合人们认知习惯。

4.3 空间认知能力对面要素空间方位关系的影响

注：* 表示在0.1水平（双侧）上显著相关；** 表示在0.05水平（双侧）上显著相关。

空间认知能力和草图方向准确度相关性计算结果如表6所示。

1. 万达茂实验区方位能力和草图方向准确度相关性显著，说明人们对准确方位关系判断结果的误差越小，场景草图中面要素之间方位关系越准确，该特征因子的可靠性越高。同时，MRT和八方向锥形模型计算结果有一定相关性，结论显著程度都能达到90%，但并未达到99%的极显著的可信程度；
2. 在奥体实验区，3种空间能力都没有对草图方向准确度表现出明显相关性，这可能是由于奥体区域面要素分布较为规整，即使人们不记得准确的面要素也能通过推测逐渐构造出面要素分布的原貌。
3. 南师实验区，CFT衡量的短期记忆能力反而在一定程度上影响轴向顺序，而心理旋转能力和方位能力与地物间方位关系则没有表现出明显的相关性。

MRT测试的是人们脑海中模拟三维物体旋转的能力，实际人们生活在三维空间中，在回忆并处理脑海中空间知识时需要一定心理旋转能力回忆具体面要素的形状及其空间分布。同时，完成该测试时志愿者明显需要更多时间和精力思考，万达茂区域实验结果也表明该项能力对较复杂场景草图中面要素方位关系产生积极影响，说明心理旋转能力的提升对人们的方位判断准确性有促进作用。但由于奥体实验区面要素分布规整程度高，方位关系计算结果总体水平较高，而志愿者做MRT测试时表现出的差异性较大，因此心理旋转能力对场景草图方位关系的影响不明显。

5 结论

本文研究了人们不同空间认知能力下场景草图面要素方位关系的特征，主要结论如下：

本文研究结果可以为场景草图在数据库中匹配寻址提供支持，也表明草图中地物间的方位关系是一个合适的匹配因子。