2008年以来地图学眼动与视觉认知研究新进展

      1 引言

      地图是对复杂地理空间信息的抽象化表达，自诞生之日起就成为了人们认识自然和社会现象的有效工具。20世纪40年代，美国认知心理学家Tolman开创性地使用现代实验方法研究了小鼠与人类在迷宫中的寻路能力，首次提出了“认知地图”(cognitive maps)的概念[1]。到20世纪60年代，Golledge将动物的空间认知研究推广到人类空间活动的认知研究中，奠定了地理空间认知研究的基础[2]。从20世纪90年代中期开始，地理空间认知在地理信息科学中得到了长足的发展[3]。作为地理空间认知的重要组成部分，地图认知研究的是人类对地图的感知、学习、记忆、推理与传输空间信息的过程和机理。1995年美国国家地理信息与分析中心(NCGIA)将地理空间认知模型研究列入地理信息科学的三大战略领域之一[4]。21世纪初，国际制图协会(ICA)就将认知与可用性问题作为本世纪地理信息可视化的4个研究主题之一[5-6]。地图认知理论与制图综合理论、地图信息传输理论、地图符号理论等成为现代地图学理论的基本内容[7-10]。

      眼动跟踪方法为地图认知研究提供了一条新的途径。俗话说“眼睛是心灵的窗户”，视觉是人类所有感官中能力最强的感官通道，眼睛的运动(即：眼动)反映了大脑的视觉信息处理过程[11]。文献表明，人类大脑多达40%的功能都用来处理视觉信息[12]。因此，使用精密仪器(眼动仪)记录眼球的运动并以此分析视觉认知规律和大脑信息处理过程就成为认知研究中最自然的研究手段。眼动跟踪方法从20世纪60年代开始应用于心理学、神经科学的研究中[13-14]，此后，在70年代初被引入地图学与地理信息科学中。地图学眼动研究在经历了发展期(20世纪70年代-80年代末)和沉寂期(20世纪80年代末-20世纪末)之后重新受到学者的重视，在过去的10多年中，国内外以眼动跟踪为手段的地图视觉认知研究在理论和应用上取得了一系列新的研究成果，地图学眼动研究焕发出新的活力。因此，本文试图总结2008年以来国内外的地图学眼动研究取得的新进展，并分析当前研究面临的挑战，期望能在地图视觉认知研究中起到抛砖引玉的作用。20世纪至21世纪初的相关研究不在本文的关注范围，读者可参阅文献[3，15-16]。

      2 眼动跟踪方法

      地图学眼动研究属于实验研究或者用户研究，总体上可以分为两大类，并且这两类存在很大的不同[17]：

      (1)心理学驱动(psychology-driven)的眼动研究：根植于心理学，严格遵循实验心理学的研究流程和规范(典型的实验过程如图1所示)，核心在于控制变量，目的在于通过严格的控制实验和假设检验方法得到可归纳(generalizable)、可复制(reproducible)的实验结果，优点在于可以推导出因果关系，因此对于被试人数、实验条件、实验环境、实验流程等要求严格。缺点在于由于该类型研究为了使实验最大程度地可控以建立因果关系，在设计刺激材料时需要对地图进行大幅度地简化[18-19](图2a-2c)，使得刺激材料与真实地图相去甚远(图2d)，因而导致其结果不一定能推广到真实地图之中[20]。

      

      图1 眼动跟踪实验的典型过程

      Fig.1 Typical procedure of eye tracking experiments

      (2)可用性工程驱动(usability engineering，UE-driven)的眼动研究：源于可用性工程[22]，核心在于评价地图产品的功能是否达到要求，常用的方法是评价地图的有效性(effectiveness)、效率(efficiency)和用户满意度(satisfactory)[23]，目的在于发现地图设计中的问题，用来改进地图设计、寻求可迁移到其他类似情况下的地图设计原则，虽然实验流程与心理学驱动研究类似，但是对实验的控制程度较低。该类型的研究通常需要对完整的、真实的地图设计进行评价，以此来提高实验的生态效度(ecological validity)[24]，缺点在于只能得到相关关系而非因果关系。

      可以看出，眼动跟踪方法作为一个技术手段，既可以应用心理学驱动的方法来探求地图视觉认知规律，又可以应用可用性工程驱动的方法来评价地图设计。因此，眼动跟踪方法可以很好地与地图设计的各个阶段相结合。具体来说，通过眼动跟踪方法挖掘得到的视觉认知规律可以使用“以用户为中心”(user-centered design，UCD)的方法应用于地图设计，即通过：用户认知规律挖掘→地图原型设计→地图可用性评价→地图设计改进→地图再评价的迭代流程来设计满足用户需求、高可用性的地图。相比于传统地图设计流程中强调制图者的设计水平，UCD方法更强调让用户参与规律挖掘、需求分析和地图评价的过程，从而提高地图的可用性。