桌面式虚拟环境与真实环境中个体特征影响空间认知能力的差异分析

测　绘　学　报

Vol．５０,No．４

,Aril２０２１p

]:引文格式:黄丽娜,张定娆,应申,等．桌面式虚拟环境与真实环境中个体特征影响空间认知能力的差异分析[测绘学报,J．２０２１,５０(４)

:/５０９Ｇ５２１．DOI１０．１１９４７．AGCS．２０２１．２０２００１３４．j,,,HUANGLinaZHANGDinraoYINGShenetal．Influenceofindividualcharacteristicsonsatialconitiveabilitngpgyi

[],,()::desktoirtualenvironmentandrealsceneJ．ActaGeodaeticaetCartorahicaSinica２０２１５０４５０９Ｇ５２１．DOI１０．pvgp

/１１９４７j．AGCS．２０２１．２０２００１３４．

桌面式虚拟环境与真实环境中个体特征影响空间认知能力的差异分析

武汉大学资源与环境科学学院,湖北武汉４武汉大学地理信息系统教育部重点实验室,１．３００７９;２．

湖北武汉４武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉４广西壮族自３００７９;３．３００７９;４．治区地图院,广西南宁５３００２３

２,３４２

,,,黄丽娜１,张定娆１,应　申１,艾廷华１

Influenceofindividualcharacteristicsonsatialconitiveabilitndesktopgyipvirtualenvironmentandrealscene

,,

,

１２３１４１２１

,,,HUANGLinaZHANGDinraoYINGShenAITinhuagg

,

,W,W１．SchoolofResourceandEnvironmentalScienceuhanUniversituhan４３００７９,China;２．KeaboratorfyyLyo,WLaboratorfInformationEnineerinnSurveinainndRemoteSensinuhanUniversituhanyoggiyg,Mppgag,Wy,W,WGeorahicInformationSstem,MinistrfEducationuhanUniversituhan４３００７９,China;３．StateKegpyyoyy

,４３００７９,China;４．MaInstituteofGuanxiZhuanutonomousReionNannin３００２３,ChinapggAgg５

thispaerdesinsacontrolexerimenttotestthesatialconitiondifferencesofparticiantsindesktopgppgpp

,:virtualenvironmentandrealenvironmentwherethesatialconitionisdecomosedintothreedimensionspgp,,atternconitionobectconitionandsatialresonsesothattheinfluenceofindividualcharacteristicspgjgpp

:①nonsatialconitionanditsenvironmentaleffectscanbededuced．Theresultsshowthateitherpg;②tenvironmenttenorindividualcharacteristicshavesinificantimactonthesatialconitionheypgppg

,,articiantswithgeorahicalknowledebackroundrotatinheirmentalmaandusinoordinatedppgpgggtpgc

oneofthemainexerimentalresearchparadimsinthedomainofsatialconitivescience．Toinvestiatepgpgg

’,whethereolesconitiveperformanceinvirtualenvironmentisconsistentwiththatinrealenvironmentppg

:,AbstractUsinirtualeorahicenvironmenttosimulateexressandreconstructrealenvironmentisgvggpp

,resonse．Besidestheparticiantscanidentifthecorrectdirectionmoreeffectivelinvirtualenvironment．ppyy

,ThepositiveeffectoftheirrofessionalknowledeissinificantandMRTlevelandenvironmenttehavepggypsinificantointeffect．Theseoutcomeshaveprovedthatconitivesimulationexerimentscanworkwellingjgpaccordintousercharacteristics．g

:;;;;Keordsvirtualenvironmentrealenvironmentsatialconitionindividualdifferenceenvironmentaleffectywpgadesktoirtualenvironment．Therealsoinstructivetoestablishpersonalizedvirtualenvironmentpvya

;③tsatialreferenceframehavemoredetailedandaccurateconitiononthesatialpatternhepgp

,environmenttehasnosinificanteffectonthepathresonsebuthasasinificanteffectonthecornerypgpg

:TFoundationsuortheNationalKeesearchandDevelomentProramofChina(No．ppyRpg

);２０１７YFB０５０３５０２TheLaberatorfInformationEnineerinnSurveinMainndRemoteyoggiyg,ppga)SensinecialResearchFundinNo．４２０１０００６３gSpg(

摘　要:利用虚拟地理环境模拟、表达和重构客观真实环境是当前空间认知科学领域的主要试验研究范式之一.针对人们在虚拟环境和真实环境中的认知表现是否一致的问题,本文以桌面式虚拟环境和真实环境为试验场景设计对照试验,将空间认知分为格局认知、对象认知和空间响应３个维度,通过设计认知试验,分析两种环境下参与者的空间认知差异,探究个体特征对空间认知的影响及其环境效应.研

５１０

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:htt∥xb．sinomas．compp

究表明:旋转心象地图、使用①环境类型和个体特征对空间对象认知无显著影响;②具有地理知识背景、协调空间参考框架人群的格局认知更详细和准确;但对转角响应影③环境类型对路径响应无明显影响,响显著.参与者在虚拟环境中可以更有效地识别正确方向,并且专业背景具有显著的主效应,MRT水平与环境类型具有显著的联合效应.本文研究结果为基于桌面式虚拟环境进行空间对象认知模拟试验的有效性提供了依据,也可用于指导根据用户特征订制个性化虚拟环境.关键词:虚拟环境;真实环境;空间认知;个体差异;环境效应

()中图分类号:P２０８　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:１００１Ｇ１５９５２０２１０４Ｇ０５０９Ｇ１３利用　　虚拟地理环境与现实地理环境相对应,虚拟现实技术对复杂地理信息系统进行模拟、重构和全息表达,有助于实现对地理环境的感知、认

１]

.在虚拟环境中可以开展控制知、理解与探索[

);)基金项目:国家重点研发计划(测绘遥感信息工程国家重点实验室专项(２０１７YFB０５０３５０２４２０１０００６３

１６]

.此外,互作用[还可利用谷歌眼镜和智能手机

获取人们的动作行为,通过状态模型识别运动中

]１７Ｇ１８

.的熟悉、陌生、迷路等认知状态[

纵观现有研究,往往关注选择虚拟环境或真

试验,尤其是在针对人地关系耦合的空间研究中,为研究个体/群体对环境的感知、认知及行为提供建立虚拟地理环境开展模拟试验已成为ICT大

５Ｇ６]

.地图时代的一种重要科学研究范式[

]１

,真实“有无相生、虚实共济”的设定为前提[通过]２Ｇ４

.随着数字技术的发展,了有效的方法和途经[

实环境之一作为试验场景,但对两种环境是否导致认知行为差异却不够重视.虚拟环境中影响人们空间认知的因素在真实环境中是否具有同等作用?反之,在真实环境中表现出的人地关系特征在虚拟环境中是否仍然存在?不同类型的空间环境对人们的行为表现有怎样的影响?这些问题都有待深入探讨.基于此,本文设计对照试验,分别以虚拟环境和真实环境为试验场景,分析两种环境中个体特征对空间认知能力的影响,进而探讨不同环境下空间认知效果的一致性问题.研究结果可以为虚拟地理环境的建立提供理论依据.了解空间认知的个体差异及其环境效应,还可为设计基于虚拟地理环境的认知研究提供先验支持.

]１

.其中,景沉浸式和增强现实等多种技术方法[

基于虚拟地理环境的空间认知研究以虚拟与

虚拟环境的模拟试验探究真实环境中人与环境的相互作用.例如,使用三维迷宫分析人们利用全

]７

;局或局部地标进行空间认知的群组差异[通过

搭建规则环境和不规则环境分析不同年龄人群对

]８

;空间信息组织和存储的行为偏好[模拟突发危

机情景,分析个体在恐惧和警觉等高唤起情绪中

]９

.这些研究的理想情况的认知水平及从众行为[

虚拟地理环境的建立,有桌面式、墙体式、全

是在真实环境中开展试验.但由于难以在真实环境中控制试验材料、将被试者从一个环境移动到另一个环境的过程会产生学习效应等.相比之下,虚拟环境灵活性高、试验材料易于组织和控制,因此多数试验都采用虚拟环境来代替真实环境.也有不少认知心理学者认为,虚拟环境存在着难以维持被试本体感受、缺少真实环境的动态性和复杂性、试验过程易受被试者的个体偏好和

７,１０Ｇ１２]

,虚拟现实技术影响等问题[因此,不能将虚

桌面式虚拟环境利用个人计算机屏幕呈现地理场景,设备成本低且操作方便,在导航仿真、驾驶训本文搭建桌面式虚拟地理环境进行与真实环境的对照试验.

]１９

.结合软硬件条件,练等领域研究中广泛应用[

１　三维环境的空间认知试验

１．１　试验设计

本文主要探讨在虚拟环境和现实环境中,个体特征对空间认知能力的影响.通过对比人们在两种三维环境中的空间认知效果和行为响应差异,分析不同场景的环境效应.认知科学领域将()和基于环境的空间obectＧbasedsatialabilitiesjp

]２０Ｇ２１

).能力(两类[environmentalsatialabilitiesp前者主要通过视觉观察获取空间目标的形态及变认知空间的能力分离为基于对象的空间能力

拟环境的空间认知简单等同于真实环境的空间认知.得益于嵌入式跟踪设备的发展,在真实环境中开展空间认知试验正受到越来越多的关

１３Ｇ１４]

.如利用眼动仪记录行人借助地图导航注[

的注视行为,发现抽象地图相比详细平面图更有利于用户集中视觉注意,进而帮助用户在室内空

]１５

;间中更快到达目的地[空间定位、地图阅读和

地图导航不受性别影响,但受到性别与年龄的交

第４期

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换特征(如旋转、组合、分解等),认知空间是物体

对象的小尺度空间[

２２

]身运动知觉(中执行搜索、s移动等空间任务elfＧmotio.nc后u者e)与,有大不断更新和完善对关尺,通度场过景在和场自景环境布局及场景要素的认识.认知空间同时也是个体的活动空间.本文将基于对象的空间能力,即通过视觉感知物体形态特征的能力划入个体的基本空间能力范畴,三维环境的空间认知能力则特指在大尺度场景中学习活动空间进而指导执行空间任务的能力.

(本文围绕两个问题设计试验研究.

业背景１

)、基础空间能力等在三维环境中,,个对空间认知有怎样的影体特征,包括性别、专响?性别、专业背景等基本个体特征可从调查问

卷中提取.根据心理行为研究[２３]

环境中寻路时,会激发心理旋转和抽象推理两种,当人们在三维

认知过程.其中,空间定向与心理旋转有关,空间

定位与抽象推理有关[２４

]力和抽象推理能力来量化表征基础空间能力.因此,选取心理旋转能

,作为认知分析的自变量.

空间认知表现通过控制试验来观测.结合文

献[认知２５、—格局认知２６]的认知模型、空间响,应将空间认知分解为对象所示的相应的空间任务,记录参与者完成空间任３个维度,设计如表１

务的时间和正确率,作为认知分析的因变量.

表１　空间任务及评价方法

Tab．１　Sp

atialtasksandevaluationmethods认知分量

空间任务

评价方法在指定时间内自由浏览三维场

评估心象地图格局认知

景,然后绘制心象地图,尽可能详上绘制标绘的细表示场景中的重要地物和道路地物及空间分结构

布是否正确

观察场景中的目标,判别其高度

和距离:环顾四周①高度感知—

——在A点对象认知

,指出场景中最高和最

计算答题正低的建筑物;B点出发,

指出②距离感知—

——从确率

场景中距离最远的建筑

B点完成寻路任务:从起点出发,依次到达４处地点,先后顺序不限,最统计寻路任务空间响应

终返回起点位置.记录试验过程的总移动距离中参与者移动的距离和转动的和总转动角度

角度

　　与在真实环境中的一致(２

)人们在虚拟三维环境中的认知表现是否?若不考虑晕眩、视角差异等生理条件对虚拟现实技术的约束,理想情况

下可将虚生[

景,招募对试验区域不熟悉的参与者在两种环境.拟三维环境看作是现实环境的数字孪

２７

]选择试验区域并建立与之相应的虚拟场中分别完成空间任务,分析他们在两种环境中的表现.采用多因素混合模型进行差异分析:三维环境类型(真实环境、虚拟环境)、个体特征(性别、专业背景等)和空间认知效果(对象认知、格局认知、空间响应)

.根据前人的空间认知试验研究[１２,１６,２８]

,对照分析的.

样本规模不少于１２人,

且各因素分组规模均衡．２　注在相似场景的不同类型环境(试验材料１)研究区域.本文设计(对虚拟和真实照试验,主)要中人关们的空间认知表现,试验者需要先后在两种环境中完成空间任务.大学校园是一种布局相对简单且完整的活动空间,从真实环境可达性和虚拟环境配对的可操作性考虑,选择武汉大学信息学部校园作为试验区域.利用:一为普通城市Sk场et景ch(U图p建立两个虚拟三维场景练习试验,指导参与者熟悉试验环境和相关操作１(b)),用于;

二为信息学部校园对应的虚拟场景(图于正式试验,与真实场景构成配对环境.

１(c)),用普通(能２

)力问卷倾向.测获验取量参与表者(g的ene基ra本la信p

t息itu,d并et基e于st心理旋转attery

,G能AT力B测)测试评(和抽象推理能力测m其试en基(tal础r空ota间tio能nt力[２９

]est,.M包RT括)

RT),分别由５道样题a和bs１tr０ac道tr评ea测so题nin组g成t

e,st具,体如图．３　参与者选择和试验流程

２所示.

为了保证对试验环境的熟悉程度相当,要求参与者均未到过试验区域或使用试验区域的三维(场景模型.:根据«htt∥www．soh２u０．c１o８上半年中国m/a/２３５２５５９７V４R_市场调查»

前中国的p

VR用户主要为年轻高知人群３１０,９因此７２),,目最终招募了武汉地区试验分为６７名大学生参加试验.阶段任务,即用户画像和３个阶段,流程如图MRT、AR３所示.第T测试问卷１

.

参与者进入问卷系统答题,作答完毕时交卷确认.第２阶段,参与者通过练习场景熟悉软件操作后开始正式试验.首先,以自由视角浏览校园场景in以初步了解校园格局,绘制场景地图展现其空间格局认知水平;然后,以第一视角进入虚拟校园,根据指示逐步完成对象认知和寻路任务,并

１b１A１m５１２

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:htt∥xb．sinomas．compp

绘制寻路地图.第３阶段,参与者进入真实校园环境完成空间任务,再次绘制寻路地图.试验过程中,为避免试验场景相似而形成记忆干扰,两个场景的对象认知和寻路任务均使用不同的空间目标.参与者全程佩戴T监测其obiiGlass２眼镜,

注视对象的眼动轨迹和执行空间任务时的运动路线.试验后辅以访谈,了解参与者的试验体验和任务策略.整个过程遵循试验伦理规范,所有参与者都同意试验程序并自愿参加,且在试验过程中也可随时退出.

Fi．１　Exerimentalareaandmaterialsgp

图１　试验区域与试验材料

Fi．２　Samlesofbasicsatialabilitestgppyt

图２　基础空间能力测试例题

１．４　因子计算１．４．１　基础空间能力指数

采用单位时间内MRT和ART答题正确率来衡量参与者的基础空间能力.为便于差异分

)析,需对计算结果进行归一化处理,如式(所示.１

(SSmi－in)

()I１i＝(SmaSmx－in)

式中,Si表示参与者i的单位时间答题正确率,Smax和Smin分别表示所有参与者单位时间答题正确率的最大值和最小值.MRT指数与ART指

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数的计算方法相同.

Fi．３　Theexerimentalroceduresgpp

图３　试验流程

１．４．２　格局认知指数

将心象地图作为参与者环境认知的具象化表征,从场景地图中提取地物和道路结构,评估其环境格局认知的能力.其中,心象地图的有效地物包括有形地物(如建筑、设施或路段等)和无形对.道路结构指对道路交象(如方向、交通的描述)叉口模式的识别,分为正交、斜交和折弯３种,如图４所示.考虑到垂直交叉口对认知能力的要求最低,基于垂直关系表示路径结构时,容易忽略折弯结构而导致拓扑错误,而折弯是指一条路段中发生方向的变化,对折弯结构的记忆需要更高的认知能力,将正交交叉口、斜交交叉口和折弯交叉口的数量赋权分别为w１、w２、w３,有w１＜

因此,格局认知指数的计算公式为

CIi＝

(()Li＝CountLandmarks３i)

((Ci＝CountCross１×w１＋CountCross２×i)i)

(()w２＋CountCross３×w３４i)式中,CIi的格局认知指数;Li表示心i为参与者

象地图中地物的数量;Ci为心象地图中道路结构(;认知得分;指正交交叉口数量;CountCross１i)

(１é(Li－LmCi－Cmin)in)ùêú)２＋êú(２ë(LmaLmCmaCmûx－in)(x－in)

(指斜交交叉口数量;CountCross２Counti)(为表达正确的折弯点数量.Cross３i)

根据试验设计,虚拟场景与真实场景的格局相似,并且只在第２任务阶段要求参与者绘制场景地图,之后绘制的认知地图是参与者完成空间任务的寻路地图.因此,格局认知指数的计算主要从场景地图中提取认知要素,若两次寻路地图中有新增或变化要素,则按时间先后顺序修正统计数量.本文未对交叉口赋权开展专门研究,取

w２＜w３.

w１＝１、w２＝２、w３＝３.１．４．３　对象认知指数

高度和距离的认知任务是开放性问题,考虑到人的视觉感受有一定模糊性,使用自然裂点法对场景内建筑物的高度及与参考点的距离进行分级打分.若参与者的回答属于某一分级范围内则获得对应分值.然后将距离认知得分与高度认知得分并转化为百分数,作为对象认知指数.１．４．４　空间响应指数

空间响应指数采用完成寻路任务的移动路径

Fi．４　Theexamleofextractinoadstructuregpgr

conitivefactorsg

图４　道路结构认知因子提取示例

总长度和累计转角来量化.参与者需要凭借记忆在无提示条件下从指定地点出发,到达特定目标地,最后回到起点,完成路径闭合.完成空间任务

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后,回放参与者佩戴的眼动仪的监测记录,将参与者的运动轨迹沿道路中心线展绘到路网上,提取移动路径长度和转角.最佳的空间响应行为应是完成寻路任务的路径最短、转向最小.路径和转角的空间响应能力也需进行归一化,路径响应指数(DI)i和转角响应指数AIi的计算公式与基础空间能力指数的相似

DAIi＝I(Di－Dmin)/(Dmax－Dmin)

i＝(Ai－Amin)/(Amax－Amin)

((５

６

))　试验结果分析

．１　一般描述性统计分析

经过初步整理,本次研究的有效参与者为１人,年龄在１８~２６岁,专业涵盖化学、医学、珠宝、地理等.其中,男生２３人,女生７人,２４人,且均有三维地图２８人;地理学专业使用经验２非地理学专业.

对参与者的空间能力值进行统计分析,结果如表、距离认知指数２所示.参与者在虚拟环境中的高度认知指数、路径响应指数和转角响应指数均优于真实环境.虚拟环境中的能力指数标准差比真实环境小,表明空间认知表现可能更向平均水平收敛.虚拟环境的路径响应指数和转角响应指数较小,表明参与者在虚拟环境中执行寻路任务时定向和移动更有效.

表２　各空间能力因子描述性统计

Tab．２　Descriptivestatisticsofthespatialabilityf

actors指标平均值

标准差

虚拟环境

真实环境

虚拟环境真实环境

MRRT能力指数AT能力指数００．５０格局认知指数０．４１．４８５０６７０９

０．１９高度认知指数８８４

７５．７５７６１０．２．１６８５２９１２２６５１

距离认知指数路径响应指数７９转角响应指数

３３．６．７９４７８０３０８．０．８９６９５４５８

３２６５．７０．１２．２１７２３３７６２８３２３．６２２．９２３．１４２．８７４０４２２．７８０２４６９７２５４７１３８２５３４．５０．３５５６５．２１６５３１７９９

试验过程中,要求参与者先后以自由视角和第一人称视角完成空间任务再绘制寻路地图,结果得到了有心理旋转和无心理旋转两种类型的认知地图,如图５所示.有心理旋转的认知地图,即执行空间任务后绘制的寻路地图与自由浏览后绘制的寻路地图朝向相同,均采用自由浏览时初始俯视图的视角朝向,这说明参与者在记忆和认知场景时进行了心理旋转和匹配.无心理旋转的认

知地图则反之,表现为前后绘制的地图随空间任务的起始视角不同而地图朝向不同.

与文献[的绘制顺序将参与者的寻路地图进一步分为自我３０—３１]

的研究一致,可按认知要素参考框架、固定参考框架和协调参考框架,如图６所示.自我参考框架以参与者自身为３种类型中心,沿移动方向同步绘制或者先绘制路径再绘制途经地标,关注地标与路径的拓扑关系.固定参考框架则以地标群格局分布建立地图参照系统,参与者在绘制地图时首先绘制足够的场景地物,再在其中勾绘移动路径.相比之下,协调参考框架首先绘制路网作为骨架,然后对地标进行整体布局,再依次标绘经过的路段.

．２　空间认知能力在个体特征上的差异

按个体特征因子对空间认知指数进行其他指数均不具备正态分布特征olmog

orovＧSmirnov检验,除格局认知指数外,,故主要采用非参数模型进行个体特征影响空间认知表现的差异显著性计算.根据自然裂点法,可将指数分为较高组(低组(≥)、中等(MRT水、平

较型;可将＜０．４)共３组０,采用．８Krus０ka．８lW＞且all≥is０检验模．４)＜０．A８R)T水平指数分为较高组(组(两组,采用MannＧWhitn≥ey０．８U)、检较低验

模型.

分析结果表明,专业背景对场景的格局认(知、室外路径响应和转角响应均具有显著影响

可知Sig＝,０地．０理４３相,０关．０１专７,业０．参００１与)者,如的表格３所示.对比局认知(V＝环境中．４５８１,)较非地理专业的高(０．３２２０)

.在真实(地理专业的参与者能够以更短的移动V＝２６．２２７７)和更少的转向(V＝４５．８３３３成寻路任务,具有更高效的空间行为响应.)完心象地图旋转因子对场景格局认知也有一定的影响(较高的格局认知指数Sig＝０．０９４),无心象(V地＝０图．４旋２６转９的的记忆更准确和详细.

),参表与明者对具环有境此外,转角响应(MRT因子对虚拟环境和真实环境的

对格局认知Si(gSi＝g

０＝．００３７．００,００．０)７和真实环境的高度认知４)、空间参考框架因子(MSi验Rg.T＝０水平．０７因４)子也和具空有间统参计考意框义架上因的子影作事响.后对检结果表明,较高境中的转角响MRT组与较低MRT组在真实环．０７８,ΔV＝－１７．５００),应具有一定差异(且较高MRT组的转角响

Sig＝

２K２２５００第４期

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)、固定参考框架组与协调参考框ΔV＝－０．３８６５

架组(之间具有显著Si＝０．０００,ΔV＝－０．２８０６)g

应能力优于较低MR自T组.在格局认知方面,我参考框架组与协调参考框架组(Si０００,g＝０．

差异,自我参考框架组与固定参考框架组之间有.格局认一定差异(Si０５６,ΔV＝－０．１０５７)g＝０．知水平表现为:协调参考框架＞固定参考框架＞自我参考框架.

Fi．５　TheinitialviewofwaＧfindinaskinvirtualsceneexerimentandthementalroadＧfindingygtpg

marawnbarticiantspdypp

图５　虚拟环境试验中寻路任务的起始视角及参与者绘制的寻路地图

Fi．６　MentalwaＧfindinasusiniffenrentsatialreferenceframesgygmpgdp

图６　使用不同空间参考框架的寻路地图

５１６

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表３　空间认知因子在个体特征上的差异分析

:htt∥xb．sinomas．compp

Tab．３　Differenceanalsisofsatialconitivefactorsontheindividualcharacteristicsypg

个体特征

检验方法MannＧWhitＧneyUSig

格局认知－１．５７５０．１２５２．１１１０．０４３０．３２９０．７２２３９．００００．３２１１．７３００．０９４１６．１１３０．０００

距离认识１０１．００００．２５５１０６．００００．３３９０．３３６０．８４５４６．５０００．５４０５５．００００．２４１１．８２６０．４０１

虚拟环境

高度认知１２８．００００．８７２１２５．００００．７８８０．７８４０．６７６５０．００００．６９０７８．００００．９１０３．３０７０．１９１

路径响应１２２．００００．７０６１０１．５０００．２５５３．３８４０．１８４５３．００００．８１１６２．００００．３９８０．２３９０．８８７

转角响应１２７．００００．８４３１０５．００００．３２１６．６１３０．０３７５０．００００．６９０７２．５０００．６９９１．５３００．４６５

距离认识９４．００００．１６３９４．００００．１６３０．４８７０．７８４３０．００００．１３３５１．００００．１７３１．０５００．５９１

真实环境

高度认知

９４．５０００．１６３１２０．００００．６５３０．６６７０．７１６５４．００００．８５２６０．５０００．３４８５．２１２０．０７４

路径响应１２６．００００．８１５６８．００００．０１７３．３２７０．１８９４４．５０００．４７２５６．５０００．２６００．０６８０．９６７

转角响应１１７．００００．５７７４３．５０００．００１５．２０４０．０７４４３．００００．４３９６７．５０００．５３８１．４１８０．４９２

性别

专业背景MRT水平ART水平心象地图旋转空间参考框架

MannＧWhitＧneyUSig

KruskalWallisSig

MannＧWhitＧneyUSig

MannＧWhitＧneyUSig

KruskalWallisSig

惠特尼秩和检验方法,用于分析两组样本的分布是否存在显著差异;沃　注:MannＧWhitneＧKruskalWallis指克鲁斯卡尔ＧyU指曼利斯检验方法,用于分析多组样本的分布是否存在显著差异;当S差异较明显,当S差Sii＜０．０１,i＜０．０５时,g指差异显著性,gg异显著.

２．３　空间认知能力在环境类型上的差异

按环境类型分析参与者的空间认知表现,结果如表４所示.除转角响应外,空间认知能力在虚拟环境和真实环境中均未有明显差异.表明虚拟试验场景建立有效,为使用虚拟场景来代替真实场景提供了实证支持.

表４　空间认知因子在环境类型上的差异分析Tab．４　Defferenceanalsisofsatialconitivefactorsonypg

environmentalteyp

对象认知

差异性检验relatedＧsamlespranktest

Sig

格局认知

高度认知

距离认知

空间响应路径响应

转角响应

),说明在虚拟环境中可以更有效的识别３０．２６３７９

正确方向.根据对参与者的访谈,推测原因在于虚拟环境的试验场景较安静,试验者能够专注于执行空间任务,而真实环境中干扰因素较多,如周围行人、行驶车辆、噪音等,一定程度分散了参与者的注意力,导致决策失误.

参与者按先虚拟环境后真实环境的顺序执行寻路任务,但真实环境中的路径响应和转角响应均未表现出优于虚拟环境.计算两种环境空间响,应的能力值相关系数(表５)可知均不具有统计意义上的相关性.因此,可认为本次试验中参与者从虚拟环境阶段到真实环境阶段转换的学习迁移效应较小.原因可能是,一方面不同环境的寻路任务出发点不同,并使用了不同的目的地;另一方面,参与者因对试验场景陌生而具有一定的空

３２]

,间焦虑[导致不能有效利用在虚拟环境获得的

)转角响应指数(小于真实环境(V＝２３．８６２７８V＝

Wilcoxonsinedg

——

２９．５００１５４．０００３０１．０００４１７．００００．１３２

０．８１７

０．４８９

０．００４

本次试验的虚拟环境与真实环境格局相似,且只要求参与　注:

者绘制场景地图,故未对不同环境的格局认知进行差异分

析.relatedＧsamlesWilcoxonsinedranktest指威尔科克pg森符号秩检验方法,用于对虚拟环境和真实环境对照组做差异较明显;当S差异显著.Si＜０．０１,i＜０．０５时,gg配对检验,分析是否存在显著差异.S当ig指差异显著性,

空间格局知识指导在真实环境中执行寻路任务.２．４　环境类型与个体特征对空间认知的联合

效应专业、转　　以环境类型、MRT水平为自变量,角响应指数为因变量,进一步分析环境类型、专业

转角响应具有显著的环境效应　　需注意的是,

(.结合表２可知,虚拟环境的平均Si００４)g＝０．

第４期

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５１７

用.结果表明:专业背景主效应显著(Sig＝

),,环０．０１４MRT水平主效应明显(Si０５６)g＝０．().Si＝０．０６３g

境与专业类型对转角响应指数的交互作用明显

表５　两种环境的空间响应因子的相关性系数

factorsinvirtualsceneandrealscene

真实环境

环境

响应

路径响应

转角响应

背景、MRT水平对寻路任务转角响应的交叉作

),著(但MRSi＝０．６７２T水平主效应显著(Sigg＝

);０．０４MRT水平与环境类型之间存在显著的交).如图７()互作用(所示,Si＝０．００５aMRT水平g水平中等时,转角响应在虚拟环境中显著优于真;实环境(但MR转角Si０２４)T水平较低时,g＝０．

响应在真实环境中显著优于虚拟环境(Sig＝对转角响应的影响受环境类型的交叉作用:MRT

Tab．５　Correlationcoefficientsamonatialresonsegspp

).０．００７

对非地理组而言,环境类型主效应也不显著(,而MRF＝０．５０８,Si＝０．４７９)T水平主效应显g

,著(F＝３．７４２,Si０２９)MRT与环境类型之g＝０．效应检验如图７(所示:当MRb)T水平为中等

时,在虚拟环境中的转角响应表现优于真实环境).中的转角响应表现(Si＝０．００１g

相关系数显著性相关系数显著性

虚拟环境

路径响应转角响应

０．１５２０．０３７

０．４３２０．８４９

　０．１２７０．５１２－０．０２８０．８８６

间也存在明显的交互作用(F＝３．２５１,Sig＝

).MR０．０４６T水平与环境类型交互作用的简单

地理专业组的转角响应(　　相比之下,V＝

)明显优于非地理专业组的转角响应４０．０８４６(.地理组的环境类型主效应不显V＝６２．３８６６)

Fi．７　SimleeffecttestonthecornerresonseunderthebetweenＧsubecteffectofMRTlevelandenvironmenttegppjyp

图７　MRT水平与环境类型交互作用对转角响应表现的简单效应检验

３　讨　论

３．１　环境类型与个体特征对空间认知的影响本文通过实证分析环境类型及个体特征对人们空间认知的影响,将空间认知分为格局认知、对象认知和行为响应３个维度,探讨虚拟环境与真实环境中个体特征的影响及其交互作用.为直观３．１．１　空间格局认知

根据试验分析结果,格局认知能力在性别、MRT水平、ART水平上无显著差异,结合表达,将分析过程和结果梳理如图８所示.

４０．５８％的案例研究也支持空间能力无性别差

]３３

,异[因此认为:对于参与本次试验的大学生群

组,性别、心理旋转和抽象推理能力不是空间格局认知的影响因素.然而,专业背景、心象地图旋转和空间参考框架对空间格局认知均有明显影响.地理专业背景组、心象地图不旋转组、协调参考框架组相比于非地理专业组、心象地图旋转组、自我参考框架组对场景格局的记忆明显更详细和准]确.这与文献[的研究一致.由于地理知识和３４空间参考框架可以借助后天学习来强化,因此推论通过相关训练可提升人们对陌生环境的空间格

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局认知能力.本次试验中两种环境的空间认知能力无显著性别差异也可由此解释:参与者的学历水平较高,都有使用三维地图的经验,并掌握了桌

面式虚拟环境的应用技能,后天学习经验抑制了性别差异的影响.

Fi．８　Exerimentalanalsisframeworkgpy

图８　试验分析框架

从心象地图还可发现,图上标注的地物　　此外,

数量明显多于道路交叉口数量,表明人们主要通过地标建立与环境空间的关联.这对导航服务具有一定启示:可以在地图上尽可能丰富的标注地标,以帮助人们高效建立地图空间与寻路空间的映射,有助于减轻用户的认知负担和心理压

]３５

;力[同时,提供导航服务时需重视关键路口的

谈和分析参与者的眼动数据分析,可能因为虚拟场景试验是在理想的实验室条件进行,周围环境干扰较小,执行空间任务时能够集中注意力;但在真实环境中,环境噪声较多,视域范围更大,并且在寻路过程中除了观察周围环境还需要配合转身、快走等较大幅度动作,注意力容易被分散.提取参与者在试验中佩戴眼动仪获取的眼动数据也佐证了这一论点.参与者在虚拟环境中注视点数量较多且总注视时长更长,表明人们在虚拟环境３．２　试验研究的局限性

本文属于验证性试验研究,可以为虚拟地理环境的设计与建立,以及基于桌面式虚拟环境的认知心理与行为研究提供实证支持.需要注意的是,由于技术条件的,也存在着一定的局限性:

()试验结论的普适性.试验中虚拟环境虽１

然允许参与者以第一人称视角进入,但仍属于呈现在显示屏幕上的窗口视图,而非完全浸入式的三维空间.桌面式虚拟环境的视域范围明显小于全景视域,尚缺少证据表明本次试验结论也适用于沉浸式VR环境.因此需要改造虚拟场景模型以适应沉浸式虚拟设备,并组建更多对照试验场景,如对称型、放射型场景等,以验证试验结果的有效性.

为降低试验复杂性、聚焦到环境的虚拟和真实二元变量,本文设计对照场景进行配对分析.

３６]

.执行寻路任务时处理了更多的视觉信息[

表达,可考虑突出表达重要认知元素,辅助人们快速进行场景匹配和寻路决策.

３．１．２　对象认知

试验分析表明,个体特征,包括性别、MRT水平、对对象认知均没有ART水平和专业背景,明显影响,人们在虚拟环境和真实环境中的对象认知也没有显著差别.这与影响空间格局认知的分析结果稍有不同.可能的原因是本次试验建立的虚拟环境以提供真实感为目标;并且本次研究的参与者虽然没有到过试验区域和使用过试验区域的三维场景,但对虚拟三维技术环境并不陌生.这也间接证明了虚拟三维环境在一定条件下可以替代现实环境的假设成立,为建设虚拟地理环境的有效性提供了实证支持.

３．１．３　行为响应

参与者通过自由浏览学习空间环境,然后在试验中“凭感觉”寻找指定的系列地点.结果表明,不同环境类型对路径响应没有明显影响,但对转角响应影响显著.人们在虚拟环境中完成寻路任务的累计转角明显小于在真实环境中.结合访

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人们进行空间认知活动的环境类型很多,大学校园仅是其中一类包含建筑和植被的社区尺度活动区域,还可能涉及更复杂的地理环境,如建筑密集的商业和住宅小区,或者视觉线索稀缺(景致相似甚至没有明确的道路结构,或需要借助驾驶设备)的山区和林区.后续研究可以场景配对的思想为基础,设计精细分解和控制各类环境因子的认知试验,增加诸如地标显著性、空间尺度、人文与自然景观属性等新变量.由于环境变量较多,试验研究的关键在于选择合适的真实场景和构建相应虚拟环境,的年龄２

)并且扩大样本以满足多因素分析需要.(、文化程度和数量符合试验设计要求样本数据的不确定性.虽然试验参与者,但分析数据呈非正态分布.究其原因,可能是由于参与者主要为大学生、随机性较低,参与者数量偏少所致,将试验结果泛化为一般性结论尚需要开展更大样本规模和更多场景的验证.在当前大数据

背景下,可考虑设计相应的数据密集型试验[６

]不同尺度和视角进行验证.此外,本文属于被试,从

内设计试验,虽然从试验数据的差异分析和相关性分析都表明虚拟环境试验阶段未对真实环境试验阶段产生影响,但试验设计理论上仍然存在两种试验环境的学习迁移效应和疲劳效应.后续研究可通过平衡试验顺序、增加试验阶段时间间隔

等方法进行完善[３７]

拟环境任务或真实环境任务,如参与者随机选择先执行虚

,完成第７２h再进入下一阶段.

１阶段环境任务后间隔实验心理学方法设计空间认知试验(３

)深度挖掘视觉认知机理.本次研究参照,并使用眼动技术记录参与者的行为状态和眼动信息.受到眼动仪硬件的束缚,真实环境中因紫外线干扰而无法有效采集注视点和眼动轨迹等指标,故未能充分利用眼动数据作深入分析.基于眼动跟踪方法挖掘人们的视觉搜索过程和认知机理为空间认知

研究提供了一条新的途径[

３６

]分利用多种监测数据深层次解析空间认知规律.后续研究需要充.这也是空间认知研究的核心内容.

就虚拟环境而言,场景内容装载的视域范围、空间信息表达的呈现模式、虚拟环境中的人机交互方式等均具有灵活性和多样性,极大提升了人

们的空间认知能力[１]

认知机理(进而指导虚,同时也增加了探究其拟环境构建)的难度视[

３８

觉]可针对不同认知情景(如信息导览、应急疏散、汽.车驾驶等)和不同空间任务(如定位、寻路、视觉搜

索等),引入多种生理监测指标(如眼动、心跳、脑电波等)设计精细认知试验,结合数理统计和可视分析等方法,定量和定性分析个体在虚拟环境中进行视觉信息获取、处理和决策的动态过程,深入挖掘人们在虚拟环境的空间认知规律.

４　结　语

本文从虚拟环境与真实环境的共生关系出发,设计两种环境的对照试验,论证了空间认知的个体差异存在环境效应.研究表明:

体特征的影响(１

)人们的空间对象认知不受环境类型和个,一定程度上也证明了使用虚拟地理环境模拟现实地理环境开展认知研究的有效性.

应无影响(２)对于,但对转角响应影响显著空间寻路任务,环境类.型人们在虚拟对路径响环境中可以更有效地识别正确方向;专业背景主效应显著,地理专业组的转角响应指数优于非地理专业组的转角响应指数.MRT水平与环境类型具有显著的联合效应,环境的转角响应显著优于MR虚拟真T水平中等时,实环境;MRT水平较低时向风格和空间参考框架的影响显著(,真实环境的转角响应优于虚拟环境.３

)空间格局认知受专业背景、,心具有地理知象地图定识背景、心象地图不旋转、使用协调空间参考框架对场景格局的记忆更详细和准确.本文结果为基于虚拟环境进行空间对象认知的模拟试验有效性提供了依据,也可用于指导根据用户特征建立个性化虚拟环境.

由于技术,研究也存在着局限性.在未来的研究中,可进一步将桌面式虚拟环境扩展至视域范围更大的沉浸式VR环境,扩充试验场景类型,扩大样本范围和规模.同时,可提升技术方法,如利用虚拟现实设备建立沉浸式三维环境或混合现实场景,增加虚拟环境的多样性、动态性和交互性设计控制试验,并充分利用眼动仪等传感器采集高精度监测数据,深层次探究空间认知个体差异和环境效应的形成过程和机理.

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收稿日期:修回日期:２０第一作者简２０２介２００Ｇ:Ｇ０１４黄２ＧＧ１丽１１９

娜(方向为地理空间认知与智１９能８２服—)务,,女地,理博信士息,副可教视授化,,研智究慧城市.

irstauthorociateprofe:HUANGLinassor,majorsi(n１９g８e２o—)femalePhDgra,phicspat,ialco,asＧ

gniＧionandintelligentservice,geoＧinfovisualizationmartcity

．,Ｇmail:linahuang＠w

hu．edu．cnsFtsE