顾及用户视觉处理的应急地图设计方案

技术领域

本发明属于地图学与地理信息系统技术领域，涉及一种顾及用户视觉处理的应急地图设计方案。

背景技术

由于地图能够通过可视化手段为用户提供直观、可靠的地理空间信息，因此在防灾救灾和灾害处置等方面发挥了越来越重要的作用。当前，针对应急地图的研究大多以提高制图效率为目标，主要关注传统制图的相关步骤，如制图的符号、数据、模板、工具及制图方法等，较少考虑用户对应急地图载负信息的处理效率，导致一些地图在应急情境下令用户难以辨识和理解。由于人类视觉能力有限，如果应急地图的信息载负量过大，将会加重用户的地图认知负荷，影响其对地理信息的处理效率，不利于地图应急测绘保障作用的发挥。

应急地图使用环境的特殊性和应急任务的紧迫性都会影响用户的地图认知水平。与常规用图环境不同，应急情境下高唤起的情绪会降低用户的认知能力。在这种高风险、高压力的环境下，人们往往更多地依赖对风险的最初印象和直觉感受，而不是对危险和风险信息的详细分析和评估。应急地图捕捉用户视觉注意和风险信息的可视化方式往往会对空间决策产生重大影响。因此，理解用户读图时的视觉信息处理过程，有效控制地图的信息载负量，设计应急情境下更为易读的应急地图具有重要的意义。

本发明结合视觉注意力机制与认知负荷，提出了一种顾及用户视觉处理的应急地图设计方案，实现应急情境下的地图的设计。

发明内容

有鉴于此，本发明分析了应急情境下增加用户地图认知负荷的压力源，基于人类视觉注意力的神经学原理和视觉显著性理论，探讨了应急情境下地图认知的过程中，视觉变量在人类大脑中的处理方式和主要路径，确立了基于视觉显著性的应急地图设计原则，并将尺寸、色彩和透明度三个主要的视觉变量及其组合应用于应急地图的设计之中，以减轻用户的地图认知负荷，最后利用Itti模型对地图显著性进行评估，验证了应急地图设计原则和设计方法的有效性和可行性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

顾及用户视觉处理的应急地图设计方案，包括：应急地图认知模型设计和应急地图设计两部分；

应急地图认知模型设计步骤如下：

S1：本发明当中，应急情境是灾害发生的地理位置、时间、温度、应急主体、灾害处置等状态的集合，了解应急情境对用户地图认知有着及其重要的影响；

S2：应急情境下增加用户地图认知负荷的压力源分析，主要包括外部压力源和内部压力源；

S3：通过注意力机制和视觉显著性设计减少人类视觉处理的数据量，从而降低用户地图认知负荷；

S4：综合以上所有的应急地图认知影响因子，生成基于视觉信息处理的地图认知模型；

应急地图设计步骤如下：

S5：基于应急地图设计过程中的相关性原则，完成对专题地图主题与地图内容之间的相关性判定；

S6：通过应急地图认知模型选择应急地图设计的视觉变量，进一步提升应急地图的视觉显著性；

S7：顾及应急地图设计过程中的地图的色彩因子与地图要素因子，完成对应急地图上下文信息层设计和主题要素设计；

S8：利用Itti视觉注意模型对本方案生成的应急地图进行视觉显著性检验与评价；

S9：结束。

本发明方法先进、科学，能够保证在应急情境下地图用户快速获取所需地理空间信息。通过实验表明，本发明的设计能够降低用户获取相关信息的时间成本，进而降低用户的认知负荷，提高用户的读图效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的应急情境下增加用户地图认知负荷的压力源示意图；

图2为本发明提供的基于视觉信息处理的应急地图认知模型的主要框架；

图3为本发明提供的顾及视觉信息处理的应急地图设计方法示意图；

图4为本发明提供的上下文信息层面状符号设计示例；

图5为本发明提供的主题要素层设计示例；

图6为本发明提供的最终所生成的消防应急救援图；

图7为本发明提供的Itti模型评估结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种顾及用户视觉处理的应急地图设计方案，包括：

1、应急地图认知模型设计

Step1:本发明认为，应急情境是灾害发生的地理位置、时间、温度、应急主体、灾害处置等状态的集合。应急情境具有时间紧迫性、信息高度动态性、复杂性和不确定性等特点。应急地图用户通常处于巨大的时间压力和危机过度刺激的环境中，他们的错误决策会导致应急态势恶化，并可能产生不可逆转的严重后果。了解应急情境对用户地图认知的影响，有利于制图者的地图设计，从而使用图者能够快速、准确地从图中获取其所需的地理空间信息。

Step2:本发明分析了应急情境下增加用户地图认知负荷的压力源。认知负荷是指个体在获取信息或解决问题时施加在个体认知系统上的荷载。认知负荷反映了个体在进行学习或解决问题时的认知水平。在应急情境下，灾害及环境、时间特点等属于影响用户地图认知的外部压力源，而灾害处置任务、应急管理的心理约束性和所用应急地图则属于内部压力源。应急情境下增加用户地图认知负荷的压力源如图1所示。

外部压力源主要包括灾害(如地震、洪水等)、不利于应急处置开展的地形环境(如地形崎岖、道路狭窄等)及气象条件(如暴雨、高寒缺氧)等。外部压力源是应急情境下增加用户地图认知负荷的客观存在，是异于平常的外部扰动。

内部压力源则主要包括地图、灾害处置任务和应急管理的心理约束性，其中：首先，用户对应急地图的认知水平受到地图本身的影响。若地图的表达内容与用图目的不相关，则会分散用户的视觉注意力，降低地图认知效率。应急情境下，某些不适宜的地图表达形式会增加用户的认知负荷。当可视化形式与人类视觉处理方式相匹配，用户才能在完成视觉任务时达到最高的认知水平。因此，地图表达内容和可视化方式的选择直接影响用户的地图认知；其次，灾害处置任务是指针对突发灾害，以应急救援、降低损失等为目的而实行的计划和方案。在应急地图发挥最大效用的灾中阶段，主要的灾害处置任务包括现场指挥、抢险救援、物资分配等，这些任务具有复杂性和时间紧迫性的特点。根据认知负荷理论，任务复杂性和时间压力会对用图者的整体认知水平造成负面影响；最后，应急管理的心理约束性是指应急主体处于一种高度紧张的心理状态，表现为消极心理、恐慌情绪等。应急管理的心理约束性会直接影响地图用户的认知、分析和判断能力。

Step3:地图作为空间信息的可视化产品，其信息传输主要是通过人的视觉来实现的。由于用于视觉处理的资源有限，人类视觉会迅速将注意力集中在场景中更显著的特征目标上，这一选择性感知过程被称为视觉注意力机制。该机制极大地减少了人类视觉处理的数据量，使人类在处理复杂的视觉信息时，能够将有限的注意力资源分配给场景中的关键部分，为更高层次的认知推理提供相关的、易于处理的信息。研究表明，基于显著性的设计能够提高人类视觉处理的效率。

Step4:综上，本发明生成的应急情境下地图认知模型主要包括：视觉感知、视觉信息处理及认知输出三个步骤，其结构化信息如图2所示。

应急地图视觉感知主要通过Step3中的人类视觉注意机制来实现，视觉注意可分为“自下而上”和“自上而下”两种信息加工过程。自下而上的加工过程是指由外界视觉刺激引导人类的注意力，读图时对具有显著特征的目标进行选择。该过程不受人类主观意识的支配，其特点主要包括数据驱动、无意识自动加工及快速视觉信息处理等。自上而下的加工过程是指用户在给定某个任务的前提下，人类注意力受大脑支配，建立视觉期望，并在该期望驱动下对视觉信息进行有选择地处理。在自上而下的视觉处理中，与用户需求相关的信息通常具有更高的优先级。自上而下视觉处理过程的优点是注意力更为持久和有效，缺点是对视觉信息不能直接快速反应。自下而上和自上而下的信息加工过程在人类视觉处理机制中相互作用，且不可分割。

地图信息经过上述两种视觉感知方式传递至人类视网膜，形成视网膜信息，视网膜信息在人脑中的处理首先经过M-Path和P-Path两条路径，其中M-Path对位置信息敏感，P-Path对特征信息敏感。视网膜信息随后经过“What”和“Where”两条通路。“What”视觉通路专门处理视觉刺激的属性特征，并参与视觉对象的识别，例如识别地理对象的应急属性。“Where”通路则处理视觉刺激信息的空间属性，对视觉运动的路径敏感，例如地理对象的指向、救援路径等。地图视觉变量对“What”和“Where”通路的刺激具有选择性，例如尺寸、颜色和透明度等变量能够同时刺激“What”和“Where”两条通路，而形状视觉变量只对“What”通路有刺激作用。地图视觉信息经过以上处理过程后最终在记忆中央加以整合，并与读图者已有的领域知识进行匹配，最后认知结果以知识、决策和行为的形式输出。知识是指从应急地图中获取的有利于应急任务的空间信息，如灾害分布、安全保障和次生灾害等信息，决策是指认知结果支持读图者对待决策方案、备选方案及方案评估等的选择和评价，行为是指应急主体在灾害处置时采取的行动，如指导灾民转移、物资分配和应急救援等。其中，知识是决策和行为的基础和关键。

2、应急地图设计步骤如下：

Step5:由于应急地图潜在的干扰信息，用户在视觉认知后，往往会产生与制图者主观意图不符的理解偏差。因此制图者需要充分考虑地图信息与应急情境的相关性，为用户提供当前应急情境下最具使用价值的地理空间信息和灾情信息，促进其自上而下的地图认知过程。

在制图过程中，可通过定名量表、空间相关性和时间相关性对地理空间信息及灾情信息进行过滤，以实现相关信息与无关信息的分离，从而减轻用户的应急地图认知负荷。

定名量表是一种定性的模型化方法，只需根据地理对象的固有特征进行区分。假设a

在应急制图的过程中，使用定名量表实现地理对象相关性过滤时应以该地理对象的关键应急属性为依据。以医疗救援点分布图为例，需确定具有医疗和救援应急属性的地理对象，如医院、临时救援点等。

经定名量表处理后，需对具有主题相关性的地理对象进行空间相关性的计算。空间相关性是指地理对象与用户位置在空间上的疏离程度，通常用距离来表达。地理对象与用户越接近，其空间相关性的值就越大。常用的距离度量方法一般有二维欧氏距离式(2)和曼哈顿距离式(3)。

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以医疗救援点分布图为例，与用户当前位置距离越近的医院或临时救援点，其空间相关性就越高。

时间相关性是指地理空间信息或灾情信息与用户当前情境在时间维度上的疏离程度，可表达信息对应急任务在时间上的满足情况。离应急任务实施时间越近的信息，其时间相关性就越高。以灾情信息分布图为例，由于灾情会随着灾害的演变而时刻变化，因此，地图表达的信息也应不断更新，以保证用户应急决策的准确性。

Step6:相关性高的地理对象，制图时应具有较高的视觉显著程度，但也不能过于显著。由图2可知，视觉变量对视觉信息处理通路的刺激具有选择性，某些地图视觉变量能够引导人类视觉注意力并能够促进图形含义的解码。因此，在制图过程中，可以通过不同的视觉变量及其组合来表达相关的地理对象，以降低用户的认知负荷，提高用户的读图效率。依据Setp4，本发明选择尺寸、色彩及透明度来提高相关地理对象的视觉显著性，这是因为这三种视觉变量在认知过程中对视觉处理的双通路都有刺激作用.

Step7:上下文信息层主要起辅助读图的作用，设计视觉效果不能冲淡主题，并保证较低的视觉显著性。上下文信息层主要包含学校、商业中心等面状要素，设计采用的视觉变量主要为色彩和透明度。应使用能够让用户保持冷静和沉着的色彩，以帮助他们克服应急管理的心理约束性。同时，增大透明度以减少上下文信息的干扰。设计示例如图4所示。

主题要素层是消防应急救援路线图主要的信息来源，包含行进路线、消防队驻地及事故发生地等要素。这些要素在视觉上要足够显著，能够在较短时间迅速捕捉用户的注意力，并能够让用户保持适度持久的关注度。设计应注重色彩及尺寸的使用，与上下文信息层形成对比。选择的色彩应与实际地理对象存在一定的关联性，并考虑对用户的心里暗示作用，例如事故发生地使用红色代表危险，消防队驻地使用绿色代表安全区域等。主题要素层的设计示例如图5所示。

Step8:本发明利用Itti视觉注意模型对设计的地图进行视觉显著性检验。Itti算法基于中央-环绕机制并且纯粹是自下而上引导，即注意力方向由视觉感官输入控制，视觉扫描按显著性递减的顺序引导。该模型预先对图像的颜色、强度和方向三个属性进行多通道滤波处理，得到特征图，然后通过特征图的合并以及归一化，得到综合特征图，该模型能够很好的模拟人类视觉注意的分配，并广泛应用于眼动追踪实验的刺激材料预评估中。

通过Itti模型对图6示例的消防应急救援图的视觉显著性进行计算，得到如图7所示结果，其中黄色实线区域表示模型预测的视觉停留位置，红色直线代表模型预测视觉扫描的路径。。

Step9:结束。

综上所述，本发明有效缓解了应急情境下地图认知负，具有较好的使用价值。