淺析泛在網(wǎng)絡下的地圖制作與使用

張寅寶，張 欣

（1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450052）

淺析泛在網(wǎng)絡下的地圖制作與使用

張寅寶1，張 欣1

（1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450052）

以傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為基本形式的泛在網(wǎng)絡是現(xiàn)代社會發(fā)展的一個重要特征，傳統(tǒng)地圖的數(shù)據(jù)獲取、處理、傳遞和表達都發(fā)生了深刻的改變。通過對國內(nèi)外泛在網(wǎng)絡下地圖理論研究現(xiàn)狀的分析，探討了地圖制圖范圍與對象、制圖方法與手段、制圖群體和用圖環(huán)境、用圖方式、用圖效果所面臨的新趨勢。

泛在網(wǎng)絡；地圖制作；地圖使用；地圖交互；地圖認知

當前，以普適計算為基礎，以傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為基本形式的泛在網(wǎng)絡正逐步走進人們的生活。最早提出泛在網(wǎng)絡戰(zhàn)略的日本和韓國認為：泛在網(wǎng)絡是由智能網(wǎng)絡、先進的計算技術(shù)以及其他領先的數(shù)字技術(shù)、基礎設施武裝而成的技術(shù)形態(tài)。在這一網(wǎng)絡中，通信不僅是人與人，還可能來自人與能感知客觀環(huán)境的設備，以及設備和設備之間。“5C+5ANY”是泛在網(wǎng)絡的關鍵特征[1]，5C分別是：融合（convergence）、內(nèi)容（contents）、計算（computing）、通信（communication）、連接（connectivity）；5ANY分別是：任意時間（anytime）、任意地點（anywhere）、任意服務（anyservice）、任意網(wǎng)絡（anynetwork）、任意對象（anyobject）。

1 泛在網(wǎng)絡下地圖理論的研究

在國外，地圖學界在21世紀初就開始關注泛在網(wǎng)絡對地圖制作和使用的影響，并積極探索新形勢下地理空間環(huán)境認知、表達的理論和方法。2001年國際制圖協(xié)會開始在理論地圖學研究領域討論泛在制圖（ubiquitous mapping）的概念，2004年首屆國際“泛在制圖與地圖和互聯(lián)網(wǎng)”專題研討會在日本東京召開，2006、2008、2011、2015年第二、三、四、五屆專題研討會分別在韓國首爾、美國西維吉尼亞州、法國巴黎和東京召開。日本法政大學的Morita教授一直是泛在制圖理論與方法研究的倡導者和先行者，他認為：泛在制圖是指可使用戶隨時隨地創(chuàng)建和使用地圖來解決空間問題的能力和環(huán)境，這種能力受到信息技術(shù)（如無線網(wǎng)絡、海量數(shù)據(jù)存儲、寬帶通信等）的刺激和促進，從而產(chǎn)生動態(tài)、個性化地圖。這種實時、現(xiàn)場制作與使用的地圖與傳統(tǒng)地圖有很大區(qū)別，環(huán)境、時間和用戶組成的情境是泛在制圖的主要驅(qū)動力，圖1反映了傳統(tǒng)制圖到泛在網(wǎng)絡下制圖的信息流轉(zhuǎn)變過程[2]。

圖1 傳統(tǒng)制圖與泛在網(wǎng)絡下制圖的信息流轉(zhuǎn)變過程

在國內(nèi)，2001年陳毓芬、廖克探討了網(wǎng)絡地圖的設計原則[3]；2004年李洪省、李程研究了網(wǎng)絡地圖制圖中的主要問題及其解決方案[4]；2006年孟立秋認為在當今的全球網(wǎng)絡時代，地圖設計內(nèi)容和應用范圍已有大幅度的擴展，提出了“準地圖”的概念，并采用可用性作為地圖的評價標準[5]。2007年徐德軍、杜清運分析了網(wǎng)絡地圖設計的技術(shù)方法[6]，2010年劉芳對基于網(wǎng)絡的在線地圖空間認知過程進行了研究[7]。2010年以來劉經(jīng)南院士多次論述“泛在測繪與泛在地圖”的問題[8]。與傳統(tǒng)地圖相比，泛在地圖具有以下3點顯著差異：①更加強調(diào)人作為主體或者客體，與物和環(huán)境的關系；②測量感知體系和制圖系統(tǒng)是動態(tài)的、甚至實時的；③專業(yè)化與非專業(yè)化制作同時存在，標準與非標準共存，制作及使用地圖的主客體區(qū)分模糊化。2011年周成虎院士針對泛在網(wǎng)絡下的地圖服務，提出了“全息位置地圖”的概念[9]，強調(diào)它是以位置為基礎，全面反映位置本身與其位置相關的各種特征、事件和事物的數(shù)字地圖，具有兩個基本特征： ①是語義關系一致的四維時空位置信息的集合，能夠從多層次、多粒度、全方位反映空間位置本身以及各種關聯(lián)關系，涵蓋了人與人、人與物、物與物的直接關聯(lián)和蘊含關系；②由系列數(shù)字位置地圖構(gòu)成，可以滿足多種應用需求，形成多種場景，并以多種方式呈報給用戶。2015年朱欣焰進一步指出，全息位置地圖的3大核心組成部分為泛在信息、語義位置和多維動態(tài)場景表達[10]。

綜上所述，泛在網(wǎng)絡下地圖的含義發(fā)生了深刻變化，出現(xiàn)了一些新的地圖產(chǎn)品，地圖學的理論和方法得到進一步發(fā)展，從而引起地圖的制作與使用發(fā)生新變化。

2 泛在網(wǎng)絡下地圖制作的新趨勢

2.1 制圖范圍與對象呈現(xiàn)出縱深化、多元化的趨勢

傳統(tǒng)地圖描述的范圍大多局限于地球表面或上下一定高度（深度）的近地空間，泛在網(wǎng)絡下科學技術(shù)發(fā)展使得人類活動的范圍突破了近地空間的限制，在垂直、水平、時間方向上都得到大大拓展，制圖范圍正向縱深化發(fā)展。在垂直方向上，人類的足跡最遠已經(jīng)能夠到達38.4 萬km遠的月球表面，無人探測設備也在火星表面采集了大量的數(shù)據(jù)，天文望遠鏡已經(jīng)能夠觀測到銀河系以外的物體，陸上最深的鉆井已經(jīng)達到地下10 000 m以上，載人潛水器也成功突破水下7 000 m深度。在水平方向上，關注的重點正從室外走向室內(nèi)，從局部區(qū)域走向全球。2011年Google公司率先推出了在線室內(nèi)地圖服務，用戶可利用移動終端找到離自己最近的衛(wèi)生間或在機場尋找登機口，軟件可根據(jù)定位信號自動切換到不同樓層。2012 年百度公司率先在國內(nèi)推出PC端室內(nèi)地圖查詢功能，上線了6 000條室內(nèi)地圖信息，覆蓋了學校、商場、醫(yī)院、電影院、風景區(qū)等各個主流生活地點。在時間方向上，不僅出現(xiàn)了大量反映現(xiàn)勢信息的地圖，而且各種反映歷史變化和未來趨勢的地圖產(chǎn)品也層出不窮，圖2是在特定時間窗內(nèi)美國各地可能收到郵件的用戶分布圖[11]。

圖2 特定時間窗內(nèi)美國各地可能收到郵件的用戶分布圖

同時，一些非地理空間（知識空間、社會空間、網(wǎng)絡空間、情感空間等）的事物和現(xiàn)象也越來越多地引起制圖人員的關注，使得制圖范圍更加多元化。例如，美國Lumeta公司的“互聯(lián)網(wǎng)地圖”項目，旨在對互聯(lián)網(wǎng)的增長情況進行長期研究，該“地圖”的每一個節(jié)點背后都存在著許多計算機，甚至有可能是一個大型公司的網(wǎng)絡。“互聯(lián)網(wǎng)地圖”標記出了所有路由器之間的最短通道，隨著路由器的重新配置，這些通道會隨著時間改變。整個地圖的編制基于多方面信息，包括IP地址塊、地理位置、頂級域名和服務提供商。圖3是Lumeta繪制的互聯(lián)網(wǎng)地圖及其局部放大圖[12]。

2.2 制圖方法與手段呈現(xiàn)出動態(tài)化、實時化的趨勢

傳統(tǒng)地圖制作大多是采用離線的方式，預先準備好地圖并在需要時提供給用戶，成圖周期通常在十幾天，甚至上百天。近30 a來，全球?qū)Φ赜^測技術(shù)取得了巨大進步，為制圖源數(shù)據(jù)的快速獲取和處理提供了有力保障。目前遙感影像的空間分辨率已經(jīng)達到dm級、光譜分辨率達到-nm級，波段數(shù)已增加至數(shù)十甚至數(shù)百個，回歸周期可達到幾天甚至幾個h。如商業(yè)衛(wèi)星ORBVIEW可達到0.5 m空間分辨率，能夠獲得同軌或者異軌的高分辨率立體圖像。WorldView-2的重訪時間為1.1 d，日數(shù)據(jù)采集能力達到975 000 km2。我國的高分辨率對地觀測系統(tǒng)2012年進入全面建設階段，項目建設成果已為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災減災、資源環(huán)境、公共安全等領域提供信息服務和決策支持。

圖3 互聯(lián)網(wǎng)地圖及其局部放大圖

另外，大型地理信息系統(tǒng)中制圖模塊的智能化處理方法逐漸成熟，為實時制圖提供了可靠的技術(shù)支持。如ArcGIS為用戶提供了一套完整的制圖生產(chǎn)處理解決方案，涉及數(shù)據(jù)處理、制圖符號化、地圖標注、制圖編輯、地圖輸出與打印等環(huán)節(jié)，使得傳統(tǒng)制圖在人性化、細致化、批量化、自動化等方面得到了補充和完善。PCI Geomatica中集成的專業(yè)制圖工具ACE Cartographic Edition具有完全的“所見即所得”環(huán)境，柵格與矢量一體化等特征，各種要素的表示方法統(tǒng)一管理，具有任意復雜的填充方式和多層線形制作功能和靈活的文字注釋方式，一張圖可分成多個區(qū)域，圖廓可以可視化制作和調(diào)整，支持各種繪圖儀和打印機。

2.3 制圖群體呈現(xiàn)出大眾化、社會化的趨勢

傳統(tǒng)地圖制作是一項技術(shù)性很強的工作，要求制圖人員具備一定的專業(yè)知識和藝術(shù)素養(yǎng)，面向服務（service oriented architecture，簡稱SOA）的軟件架構(gòu)屏蔽了一些復雜的制圖過程，使得制圖人員能將更多的精力投入到制圖內(nèi)容本身，降低了制圖人員的專業(yè)要求。SOA將應用程序的不同功能單元通過定義良好的接口聯(lián)系起來，接口獨立于硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，從而使各種服務能夠以統(tǒng)一、通用的方式進行交互。例如利用Google推出的Google Map Maker可以在世界各地編輯地圖數(shù)據(jù)，用戶不僅能方便快捷地建立城市、街道和國家地圖，而且還可與多用戶協(xié)同工作，一起來添加、修改道路、湖泊、公園、企業(yè)等，并通過衛(wèi)星圖像來追蹤這些實時更新的地點。另外，泛在網(wǎng)絡下任何人都可能成為制圖數(shù)據(jù)采集的終端，也進一步加劇了制圖群體社會化的趨勢。2007年志愿者地理信息的出現(xiàn)引起了地圖學者的廣泛關注，對于時間緊迫性很強的應用，志愿者地理信息的及時性可在很大程度上緩解“最急需的信息最難尋覓”的困境，盡管在時空、專題內(nèi)容和媒體描述等方面可信度和可持續(xù)性還有待改進[13]。

3 泛在網(wǎng)絡下地圖使用的新趨勢

3.1 用圖環(huán)境呈現(xiàn)出在線式、移動化的趨勢

傳統(tǒng)的地圖大多是以硬拷貝輸出紙質(zhì)地圖或單機電子地圖的方式使用，泛在網(wǎng)絡下互聯(lián)網(wǎng)地圖和手機導航定位服務蓬勃發(fā)展，地圖使用越來越多地處于在線式、移動化環(huán)境中。

2010年9月，中國地圖出版社、搜狗、百度、新浪等31家單位獲得國家測繪地理信息局頒發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)地圖服務甲級《測繪資質(zhì)證書》，獲準獨立自主地開展互聯(lián)網(wǎng)地圖服務活動，包括地圖搜索、位置服務，地理信息標注服務，地圖下載、復制服務，地圖發(fā)送、引用服務。在手機導航與位置服務方面，易觀智庫的研究報告顯示，到2015年8月，中國使用手機設備的互聯(lián)網(wǎng)用戶規(guī)模達到5.94億，占中國總網(wǎng)民的89%，手機地圖已經(jīng)成為移動互聯(lián)網(wǎng)用戶出行必不可少的工具。同時，基于移動網(wǎng)絡的地圖應用和服務在各領域全面展開。Street View可以在移動載體上為用戶提供地圖上不同位置的360°全景圖像，并能以三維形式展現(xiàn)用戶所關心的場景，使用的圖片資源既有Google公司專門拍攝的，也有網(wǎng)絡用戶自己提交的照片。Open Street Map提供了一個供網(wǎng)絡用戶自由編輯的位置地圖平臺，地圖由用戶根據(jù)手持GPS裝置、航空攝影照片、衛(wèi)星影像、其他自由內(nèi)容甚至單靠用戶對目標區(qū)域的空間知識繪制。Verizon公司推出了UpNext Maps位置服務平臺，它能夠在iOS和Android平臺上提供快速、流暢的三維地理信息服務，并且整合了本地搜索和發(fā)現(xiàn)、場館評論、折扣查找、社交等與位置有關的服務。高德公司的位置服務平臺將與人們?nèi)粘Ｉ钣嘘P的靜態(tài)、動態(tài)信息整合到地圖之中，以位置為紐帶，為用戶提供導航、生活服務、位置廣告、基于位置的交友等功能。

3.2 用圖方式呈現(xiàn)出適人化、智能化的趨勢

傳統(tǒng)的地圖多是采用眼觀、尺量、手繪的方法進行交互，電子地圖則采用鼠標點擊查詢縮放、鍵盤輸入搜索分析等，但人與圖交互的方式仍然不夠自然，人始終在圖外。泛在網(wǎng)絡下，一些新的技術(shù)、設備將使人圖交互的方式更加靈活多樣，呈現(xiàn)出適人化、智能化的趨勢。

根據(jù)Scientific American雜志報導，希臘塞薩洛尼卡亞里士多德大學最新研制的系統(tǒng)能將影像轉(zhuǎn)化成具有感觸的圖像，讓盲人可以透過地圖進行空間導航。系統(tǒng)將地圖以光點的方式映射到虛擬3D空間中，透過特制的手套和拐杖即能感受到這些虛擬光點，從而達成路線引導的目的；系統(tǒng)還可以生成3D街道地圖，讓使用者透過手指和拐杖與虛擬地圖接觸，在路面上自由行走，再配合語音同步系統(tǒng)，讓觸覺和聽覺來完全取代視覺導引。Google 2012年公布了“Project Glass”計劃，這款高科技眼鏡擁有智能手機的所有功能，鏡片上裝有一個微型顯示屏，用戶戴上這款“增強現(xiàn)實”眼鏡，可以通過聲音控制眼鏡進行拍照并將照片發(fā)布到Google+上，獲得地圖和天氣信息，可以用聲音控制拍照、視頻通話和辨明方向。

3.3 用圖效果呈現(xiàn)出定量化、科學化的趨勢

地圖是空間認知的工具，能在視覺瞬間發(fā)現(xiàn)事物和對象的空間存在關系，這是任何其他方法和工具所不能替代的[14]。過去地圖的認知效果主要依靠用戶的感覺，隨著認知科學、心理物理學、神經(jīng)學等的研究深入，眼動實驗、磁共振腦成像、近紅外光學成像、分子遺傳基因分析等定量化描述手段也將引入到地圖可用性評估中。

眼動實驗是通過微型攝像機實時、快速記錄視覺過程中眼球的震顫、運動和跳動，是理想的眼跳分析和眼動追蹤工具，被廣泛應用于視覺信息加工過程的研究。人們在看地圖時自我感覺視線是連續(xù)的，但從眼動記錄中可以明顯看到，事實上眼睛的活動是跳躍式的，某些時候是短暫的停頓，稱為“注視”；某些時候是快速的移動，稱為“眼跳”。在眼動軌跡圖中會通過圓圈與線段來表示，這樣既可以看到注視又可以看到眼跳，能夠清晰地反映人在用圖過程中所關注的興趣點分布情況，從而輔助制圖人員改進地圖設計。磁共振腦成像是基于原子尺度的量子磁物理性質(zhì)，一般由核心系統(tǒng)、視覺刺激呈現(xiàn)、反應信號發(fā)生和掃描同步記錄系統(tǒng)、同步腦電記錄系統(tǒng)、經(jīng)顱磁刺激系統(tǒng)、中央數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)等構(gòu)成，可用于人腦對空間認知過程的量化和描述。近紅外光學成像技術(shù)是一種腦功能成像技術(shù)，在測試過程中安靜無噪聲，對頭動的容忍度較高，對測試環(huán)境無特殊要求，能夠彌補傳統(tǒng)腦成像技術(shù)的不足，從而滿足認知神經(jīng)科學研究的基本要求，被認為是推動認知神經(jīng)科學基礎研究、促進認知神經(jīng)科學向?qū)嶋H應用轉(zhuǎn)化的關鍵技術(shù)手段，也是未來地圖認知效果測試的一種新手段。分子遺傳基因分析是利用分子生物實驗平臺，實現(xiàn)從DNA、RNA自動提取到SNP和CNV等各種遺傳標記的檢測，闡釋基因?qū)φJ知功能的作用。這些大腦、神經(jīng)認知機理方面的研究成果為地圖感知效果的科學描述注入了新的生機，將使地圖可用性定量評估的研究邁上新臺階。

4 結(jié) 語

以傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)為基本形式的泛在網(wǎng)絡對傳統(tǒng)地圖制圖的理論與方法產(chǎn)生了重要影響，地圖的制作和使用在新技術(shù)條件下也面臨新的發(fā)展機遇。在制圖范圍與對象方面呈現(xiàn)出縱深化、多元化的趨勢；在制圖方法與手段方面呈現(xiàn)出動態(tài)化、實時化的趨勢；在制圖群體方面呈現(xiàn)出大眾化、社會化的趨勢；在用圖環(huán)境方面呈現(xiàn)出在線式、移動化的趨勢；在用圖方式方面呈現(xiàn)出適人化、智能化的趨勢；在用圖效果評估方面呈現(xiàn)出定量化、科學化的趨勢。準確把握這些發(fā)展趨勢，將為地圖制圖的理論研究和應用服務提供有益的參考。

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P297

B

1672-4623（2017）02-0065-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.021

2016-04-13。

項目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（2013AA12A202）；河南省科技攻關計劃資助項目（142101510005）。

張寅寶，博士研究生，講師，主要研究方向為室內(nèi)空間位置服務。