可旋转地图和固定地图的定位效率研究，本文主要内容关键词为：地图论文,效率论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 前言
地图的参照系是地图设计中的一个重要问题。一般的地图是以外部世界为参照的，而人在定向时却常需以自我为参照系，如“邮局在路的左边”等[1]。当人利用地图完成自我定位任务时，需要不断进行心理旋转。只有当地图的参照系与自我参照系的方向正好一致时，也就是当“朝上就是朝前”时，人不需要进行额外的心理旋转，人完成自我定位任务的效率最高，这被称做调整效应(align effect)[2]。反过来，当人的行进方向转为地图朝下方向时，人需要进行额外的心理旋转，因而大大增加判断左右方位的反应时[3]。这种情况下，人通常喜欢把地图转过来，恢复原来的简单联系。因此，有人认为，如果根据人的行进方向来旋转地图，使地图始终保持朝上的方向（亦即人的行进方向），可以避免人为调整参照系统而进行的心理旋转，从而降低人在利用地图定位时所需付出的心理努力[4]。目前，随着用户的前进方向而随时调整地图朝向的电子旋转地图（也叫调整地图）已经广泛地运用在汽车导航系统上。但是也有研究认为，在增加了路标以后，旋转地图的效果显著下降，出现了所谓的地理标志效应(landmark effect)[5]。这可能是因为在增加了路标以后，目标受到背景干扰，被试在地图旋转以后对目标点的搜索变慢，导致即使不需要心理旋转时间，所需要的反应时间也会比固定地图长。
如何解释这一矛盾现象呢？本研究假设：用户利用地图完成定位任务涉及两个阶段，第一阶段将地图上的背景参照物进行心理旋转，使之与以自我身体为中心的定向习惯保持一致；第二阶段进行目标搜索，寻找某一特定目标，然后判断该目标与自己的方位关系。对于可旋转的地图，人不需要进行第一个阶段的心理旋转，但是需要进行第二个阶段的目标搜索；而对于固定地图，人的心理操作过程正好相反，需要进行第一阶段的心理旋转，但因目标点在地图上没有发生变化，不需要进行第二个阶段的目标搜索。如果地图背景不复杂，用户在搜索目标上的时间相对较少，而地图旋转又节省了心理旋转所需耗费的时间，所以存在地图调整效应。然而，如果地图背景复杂，地图旋转虽然节省了心理旋转所需耗费的时间，但重新搜索目标所需耗费时间可能大于心理旋转所需耗费时间，故而地图调整效应消失，而出现地理标志效应。
本研究将通过两个分实验来考察被试在地图旋转与地图固定状态下判断目标方位的反应时的差异是否存在一致性。一个实验采用的地图为空白背景地图，目标容易受到搜索；另一个实验采用复杂背景地图，目标不容易受到搜索。如果两种地图下被试反应时的差异是不一致的，即在空白背景地图上地图旋转时被试反应时显著小于地图固定不转，而在复杂背景地图上地图旋转时被试的反应时显著大于或等于地图固定不转，本研究的假设就得到了证实。
2 研究方法
2.1 被试
北京某大学64名大学生，男生32人，女生32人。对等地分配到两个分实验中。
2.2 实验材料
实验程序用VB制作，包括两种地图。第一种是空白背景地图。在屏幕上呈现一个600×600的空白图片，在图片的左上、右上、右下或左下设有一个红色圆点作为目标点。一个小方块作为运动点（代表被试的行进状态）从某一边界的中点进入（简称初始方向）并以一定速度向屏幕中心移动，到达中心以后立刻改变其实际的行进朝向（简称实际转向），而在地图上被试感知到的运动点运动方向（简称感知转后方向）在两种导航方式下是不同的，在地图固定方式下，运动点的实际转向是用运动点旋转90度表示的，被试对运动点的感知转后方向与运动点的实际转向一致，即与运动点的初始方向发生了90度旋转；而地图旋转方式下，运动点的实际转向是由地图旋转90度来表示的，被试对运动点的感知转后方向与初始方向一致。在运动点转向时，程序给被试提供一个提示音，被试的任务是在出现提示音后马上按下代表左或右的单键，判断目标点与运动点的方位关系，即目标点是在运动点的左边还是右边。
图1 空白背景地图（目标点位于左上角）在运动点旋转或目标点旋转后的状态
下面以图1为例说明这一过程。(1)目标点位于左上角，运动点从下方的中点进入屏幕（初始方向为向上），向屏幕中心移动。(2)在地图固定条件下，运动点到达中心后其实际行进方向向右转弯90度（实际转向为向右），此时被试感知到运动点按顺时针旋转了90度（被试对运动点的转后方向的感知也是向右），目标点位置未变。被试的任务是判断此时目标圆点位于运动点的左边还是右边。(3)在地图旋转条件下，运动点到达中心后其实际行进方向向右转弯90度，但被试感知到目标点按逆时针旋转了90度（实际转向为向右），因此此时被试感知到运动点运动方向未变（被试对运动点运动方向的感知仍为向上），而被试的任务还是判断此时目标圆点位于运动点的左边还是右边。
第二种是复杂背景地图。复杂背景地图与空白背景地图基本相同，只是将空白背景换成一幅同样大小的复杂地图背景，地图上有两条主要干道，在屏幕中心交叉（图2）。这两条道路与空白背景中运动点的运动轨迹位置一样。目标点为地图上的一个建筑物，建筑物名称（科技楼）用黑色标注。目标点位置、运动点行进过程以及被试的反应方式与空白背景完全相同。
图2 复杂背景地图
2.3 实验设计
本实验由两个分实验构成。每个分实验均采用被试内2×4双因素实验设计。自变量之一为地图导航方式，包括两个水平，一个水平为地图固定，地图背景与目标点位置不变，而运动点的运动方向转了90度；另一个水平是地图调整，即运动点转向以后，被试对运动点的运动方向的感知不变，而地图背景与目标点位置旋转了90度。自变量之二为运动点发生转向后，被试对运动点运动方向的感知，包括向上、向下、向左和向右四个水平。由于人阅读固定地图的习惯，人在四种行进方向上判断方位的反应时本身就可能存在差异，设置自变量之二旨在考察在地图调整方式下这种差异是否仍然存在。因变量为被试在运动点发生实际转向后判断目标点与运动点之方位关系的反应时（即从出现提示音到被试按键反应之间的时间）。
每个分实验的控制变量包括：①目标点出现的方位（左上角、左下角、右上角与右下角对等）；②运动点的初始方向（上方、下方、左方和右方四个方向对等）；③运动点的实际转向（向左和向右转弯对等）。如此组合，共有32种情况，即4种目标方位×4种初始方向×2种实际转向，每种情况重复10次，共320次。这320次施测按照被试对运动点转向以后的四种感知方向分为4组，每组80次，作随机排列。在两种导航方式下各作320次，共做8组640次施测。
本实验旨在考察在每个分实验下，地图导航方式与运动点转向以后的感知方向对被试的方位判断反应时的影响，然后看看两个分实验的结果是否具有一致性。
2.4 实验过程
在每个分实验中，程序向被试呈现指导语，被试先进行练习，对于两种自变量组合而成的每种条件（共8种）作10次练习，直到被试的正确率达到90%，然后开始正式实验。每个被试完成所有的实验条件。一半被试先做地图固定，另一半被试先做地图调整。在每种导航方式中，对四种感知转后方向出现的顺序进行拉丁方平衡。每种条件下施测.80次，每种条件之间休息半分钟。
表1 在空白背景下被试反应时的平均数与标准差（毫秒）
感知转导航方式
后方向 地图固定 地图调整
向上
7907.41(1811.02)
7177.39(2065.73)
向下
9436.41(2176.70)
7285.13(2155.28)
向左
8689.15(2436.37)
7207.53(1896.35)
向右
8369.42(2163.54)
7251.72(2023.28)
3 结果分析
3.1 空白背景下方位判断反应时统计分析
对被试的反应时进行2×4的多重测量多元方差分析，结果表明，导航方式主效应显著，F=46.48,p=0.000，即在空白背景下，地图调整方式显著低于地图固定方式；感知转后方向的主效应显著，F=46.56，p=0.000，向上（即与被试朝向一致）显著低于其他朝向；两者之间交互作用显著，F=32.22，p=0.000。对两者交互作用进行分析（图3），结果表明，在四种感知转后方向中，地图调整方式下的反应时均显著低于地图固定方式，而且，两种方式的反应时的差距在四种感知转后方向之间也存在着显著差异，其依次顺序为：向上＜向右＜向左＜向下，相邻两者之间的差异均达到显著水平。此外，在地图固定方式下，四种感知转后方向的顺序也是：向上＜向右＜向左＜向下，相邻两者之间差异的显著性分别为：p=0.000,P＜0.01,p=0.000。
3.2 复杂背景下方位判断反应时统计分析
图3 空白背景下导航方式和感知转后方向对方位判断反应时的影响
表2 在复杂背景下被试反应时的平均数与标准差（毫秒）
转弯后
导航方式
朝向
地图固定 地图调整
向上
6789.63(1483.88)
7442.15(1851.20)
向下
8956.70(2497.93)
7449.86(1744.50)
向左
7230.33(1766.91)
7768.08(1961.31)
向右
7086.76(1777.12)
7799.68(1913.24)
对被试的反应时进行2×4的多重测量多元方差分析，结果表明，导航方式主效应不显著，F=0.41,p=0.52，即在复杂背景下地图调整与地图固定不存在显著差异；感知转后方向主效应显著，F=42.42,p=0.000；两者之间的交互作用显著，F=37.89 p=0.000。进一步对两者交互作用进行分析（图4），结果表明，当感知转后方向为朝下时，地图调整方式的反应时显著低于地图不调整；在其他感知转后方向上，两种方式的反应时之间不存在显著差异。此外，在地图固定方式下，四种感知转后方向的反应时大小顺序是：向上＜向右＝向左＜向下，相邻两者差异的显著性分别是：p=0.000,p=0.30,p=0.000。
图4 复杂背景下导航方式和感知转向对方位判断反应时的影响
4 讨论
4.1 利用地图进行空间定向的认知过程效率问题
从实验结果可知，在两种地图背景下的分实验结果是不一致的。对于空白背景，在四种感知转后方向中，地图调整方式下被试的反应时显著低于地图固定方式；而且对于两种不同的导航方式，被试对四种感知转后方向的反应时的差距均由低到高依次为：向上＜向右＜向左＜向下，相邻两者之间差异显著。但对于复杂背景，只在感知转后方向为朝下时，地图调整方式的反应时显著低于地图固定方式，在其他感知转后方向上，两种方式的反应时之间不存在显著差异。这一结果基本证实了本研究假设所做出的推论。利用本研究所假设的用户凭借地图进行空间定向的两阶段时间模型，可对这一结果做出如下解释：旋转地图可以让被试省去心理旋转的时间，但是地图的旋转意味着地图的背景方位被重新刷新，在地图刷新的瞬间，用户需要对目标进行重新定位、重新搜索，因而与地图不刷新时相比，搜索的时间也会相应变长。如果地图上的目标点非常容易搜索，重新定位目标点的时间短，那么旋转地图就会有很强的优势，因此，对于空白背景，地图调整方式下的反应时均低于地图固定方式；但是如果地图上的目标点受到背景干扰，使搜索效率降低，那么就延长了重新搜索目标点的时间，尽管节省了用于心理旋转所需的时间，其总体时间有可能反而与无需重新搜索目标的固定地图差不多，因此，对于复杂背景，在感知转向朝上、朝左与朝右时，地图调整方式与地图固定方式的反应时之间不存在显著差异。
4.2 在地图固定的导航方式下四种感知转向之间的差异问题
从实验结果可知，对于空白背景，在地图固定方式下，四种感知转后方向的反应时由低到高依次为：向上＜向右＜向左＜向下，而且相邻两者之间存在显著差异。对于复杂背景，也存在这一顺序，只是向右与向左之间不存在显著差异。这可能与被试的判断方位的习惯有关。被试习惯于根据朝上即朝前的自我参照状态来判断方位。如果感知转后方向朝上，被试随着运动点的实际转向作出90度心理旋转后的结果状态，正好与被试的习惯一致，被试不必在工作记忆中存储心理旋转后的结果状态，外在感知转向分担了被试的工作记忆，所以被试容易判断方位。如果感知转后方向朝右或朝左，被试随着运动点的实际转后方向作出90度心理旋转后的结果状态与被试习惯的状态相差90度，被试在工作记忆中要暂时存储这一结果状态，其难度要大一些，而且，可能由于中国人习惯了走马路右边的行为方式，所以，感知转后方向朝左比朝右稍难一些。如果感知转后方向朝下，被试随着运动点的实际转后方向作出90度心理旋转后的结果状态与被试习惯的状态相差180度，被试在工作记忆中要暂时存储这一结果状态，其难度就更大一些。
4.3 两种背景在感知转后方向为朝下时两种导航方式之效果的一致性问题
从实验结果还可知，无论空白背景还是复杂背景，当被试对运动点的感知转后方向为朝下时，地图调整方式的反应时均显著低于地图固定。其可能的原因是：对于两种背景，在地图固定方式下，感知转后方向朝下是运动点从初始方向（向左或向右）经过运动点实际转向90度后而成的，这意味着，被试以自我为中心的参照系统在转弯前后是不一致的。被试需要在工作记忆中旋转背景90度，并暂时存储心理旋转后的结果状态（也就是朝下即朝前），而这一结果状态与朝上即朝前的习惯状态相差180度，被试需要耗费更大的工作记忆资源来维持这一差距，因而也就加大了被试的认知负荷，故而其反应时显著高于其他朝向。而在地图旋转方式下，感知转后方向朝下是运动点从初始方向（向下）经过地图旋转90度后而被感知到的，被试对运动点的运动方向的感知与其初始方向是一致的，始终朝下，被试不需要在头脑中进行心理旋转，这意味着，被试以自我为中心的参照状态在转弯前后是一致的，被试将维持背景参照状态的认知工作分布在外部地图上，与地图固定方式相比，节省出了较大部分的认知资源，在空白背景下，这将大大提高被试的反应速度，即使在复杂背景下，被试花费在搜索目标上的认知资源也明显小于因背景旋转所节省出来的资源，故而在两种背景下，当感知转后方向朝下时，地图旋转方式下的反应时显著低于地图固定方式。
5 结论
(1)被试利用地图进行空间定向的过程经历了心理旋转与目标搜索两个阶段。
(2)在被试对运动点的感知转后方向为朝上、朝左和朝右时，对于空白背景，地图旋转方式下的反应时显著低于地图固定方式；对于复杂背景，两种导航方式下的反应时之间不存在显著差异。在感知转后方向为朝下时，对于两种背景，地图旋转方式下的反应时均显著低于地图固定方式。
(3)在地图固定方式下，对于四种感知转后方向，被试的反应时由低到高依次为：向上＜向右＜向左＜向下。
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