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地球信息科学学报 >

2018 , Vol. 20 >Issue 10: 1396 - 1402

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2018.180080

地球信息科学理论与方法

尺度对人口地图空间分异规律认知的影响

  • 张琬卿 , 1 ,
  • 赵书宁 1 ,
  • 张冬韵 1 ,
  • 董卫华 , *
展开
  • 北京师范大学地理科学学部地理学院,北京 100875
*通讯作者：董卫华（1976-）,男,山东东明人,博士,教授,研究方向为地理信息空间认知理论与可视化方法。E-mail:

作者简介：张琬卿（1997-）,女,本科生,人文地理与城乡规划专业。E-mail:

收稿日期: 2018-01-29

  要求修回日期: 2018-06-12

  网络出版日期: 2018-10-17

基金资助

国家自然科学基金项目（41471382）

收起

Influence of Scale on Cognition of Spatial Differentiation Regularities of Population Maps

  • ZHANG Wanqing , 1 ,
  • ZHAO Shuning 1 ,
  • ZHANG Dongyun 1 ,
  • DONG Weihua , *
Expand
  • Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
*Corresponding author: DONG Weihua, E-mail:

Received date: 2018-01-29

  Request revised date: 2018-06-12

  Online published: 2018-10-17

Supported by

National Natural Science Foundation of China, No.41471382.

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
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摘要

人口地图是人们认知人口分布规律的重要工具,而不同尺度的人口地图造成了读图者对于人口空间分布规律的认知差异。本文通过眼动跟踪的省、县（市）不同尺度下人口地图认知实验,选取注视点数、注视时间、正确个数等眼动参数,进行差异性显著检验,并结合热点透视图,从空间分异规律的角度进行分析。结果表明,不同尺度的人口地图对于读图者的认知影响显著,读图者对人口空间分布特征及人口数量进行认知时,县（市）级尺度人口地图提供了更丰富、直观的空间分布信息,利于读图者对于人口空间分异规律的把握,平均注视点数更小,平均注视时间更短,每道题回答正确的被试个数更多,认知效率更高。本研究揭示了尺度对人口地图的认知影响规律,为多尺度人口地图制图设计与表达提供理论实验参考。

关键词： 眼动; 人口地图; 尺度; 认知效率; 空间分异规律

本文引用格式

张琬卿 , 赵书宁 , 张冬韵 , 董卫华 . 尺度对人口地图空间分异规律认知的影响[J]. 地球信息科学学报, 2018 , 20(10) : 1396 -1402 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2018.180080

Abstract

While population maps are important tools for people to perceive the regularities of population distribution, different scales of population maps cause map readers' cognitive difference in the regularities of spatial distribution of population. In this paper, eye movement parameters such as number of fixations, fixation duration and number of correct answers were selected in the population map cognitive experiment by eye movement tracking to test the significance of the difference, and the results were analyzed from the perspective of spatial differentiation regularities. By exploring the influence of different scales including province and county (city) on map readers' cognition of the distribution regularities of population, it is concluded that different scales of population maps have a significant impact on readers' perception based on the significant difference analysis. When perceiving the characteristics of spatial distribution of population and the population quantity, more details and information are provided by county (city)-scale population maps, which is beneficial to readers' understanding of the spatial differentiation regularities of population, with less average number of fixations, shorter average fixation duration, more correct number of answers for each question and higher cognitive efficiency. The impact of scale on the cognition of the population spatial distribution and the population size was discussed. The acquired cognitive rules of the scale can be used in designing the demographic maps and shortening readers' cognition time, which is convenient for readers to extract valid information from the demographic maps, thus to improve the map usability. Besides, through the analysis of eye movement parameters like the fixations points, fixation time and number of correct answers, as well as the significance test, quantitative researches of the scale effects on the population distribution were carried out. The perspective drawing of the fixations hotspot can be used to visualize the cognitive spatial differentiation of the readers. And the results are no longer limited to the simple qualitative expression, which is of great significance for the use of different scales of demographic maps to express population distribution characteristics and regularities. In addition to adopting the hierarchical mapping method to draw the population maps, this thesis also has conducted experiments on the readers' cognition of the spatial distribution regularities of population with different population density maps at different scales. Since it can reflect the population distribution more precisely and more visually, the results of this research may be further improved. And in the further work, the above population map needs further studying.

Key words： eye movement; population map; scale; cognitive efficiency; spatial differentiation regularities

1 引言

读图者对地图的认知是读取地图信息的基础,地图信息的不同形式会使读图者产生不同的认知结果[1]。空间尺度分为地图比例尺、分析尺度、现象尺度和粒度4种[2]。分析尺度是指对地理要素采集数据时以及测度地理目标时选取的尺寸,包括空间广度、空间精确度、空间粒度和研究尺度[3],本文所研究的尺度均为分析尺度中的研究尺度。随着包括地貌系统、生物多样性等应用与大量实际研究的开展,研究者逐渐发现,空间形式会因为尺度的变化而表达出不同的规律[4]。人们通过地理要素认识现实地理世界,而尺度被用来作为度量手法,因此地理要素具有尺度性。在不同的尺度下,地理要素的形状会发生一定的变化。在大尺度下,地理要素的形状描述较为概略;小尺度下,则描述得较为详细。这是符合人的认知要求的,类似于在远处只看到人的轮廓,在近处可以看到人的五官[5]。地图尺度的变化会影响地理信息的获取,地理信息表达的效果,进而影响读图者的认知,最终会产生不同认知结果[3]。
人口作为可视化地图中重要的一种地理要素,会因为不同尺度的人口地图从而产生不同的地理信息效果的表达,从而影响读图者对人口分布特征及规律的认知,也会因此作出不同的判断与决策。杜国明等[6]在多尺度的视角下通过对人口密度的空间自相关性、空间分布格局以及统计特征进行分析,证明了人口具有非常显著的尺度效应。刘正广[7]以天水为例,发现随着分辨尺度的缩小,人口空间分布上的疏密不均现象越来越突出,基于村落单元分析小尺度的人口分布更接近实际。郑运鸿[8]研究了中国人口老龄化现象在四大经济区域、八大经济区、省域等3个不同尺度上的分布态势。王静等[9]通过对山东省人口的空间分布格局进行分析,发现从宏观到微观不同详细程度的信息。
地图学眼动研究是对地图认知过程进行研究的一种重要手段,可以即时采集实验者的眼动数据。眼动实验法具有科学性的特点[10],通过眼球指标,注视指标等对认知过程进行定性及定量化的科学分析,是视觉信息加工研究中非常有效的方法[11]。Brychtova等[12,13,14]探讨了利用眼球追踪技术来评估,用户对地理信息系统的地图和图形输出的用户感知和认知能力的可能性,并通过眼动跟踪实验研究了制图中地图符号颜色色调差异、字体大小对地图可识别性的影响。Coeltekin等15]通过眼动实验对土壤地图的2种图例进行比较,研究使用不同图例对阅读地图有效性的影响。目前,国内越来越多的研究者选用眼动实验的手段去研究地图各要素对读图者认知的影响。何明芮等[16]通过ASL眼动仪进行眼动实验对知识地图的可获取性进行评价,得到了信息密集的知识地图可适当降低认知负荷,以加强可获取性的结论。邓毅等[17]通过眼动实验获取读图者的眼动参数,并由此提出了地图中图例放置的规则。刘兵等[18]也利用眼动仪,提出了三维地图中视场角与观察角度的有效性与效率影响的评价体系。董卫华等[18,19,20]利用眼动实验获取了动态地图视觉变量、三维地图视觉变量、影像地图的感知规律。
总体而言,国内外虽有学者对于表达人口分布特征及规律与地图尺度的关系展开研究,但利用眼动仪将尺度作为变量,定量探究其对读图者认知人口分布的影响的研究很少。本文针对尺度如何影响地图认知的问题,以中国人口分布为研究对象,通过眼动实验方法,分析不同尺度下读图者获取地理信息的效率,有效性方面的差异。

2 不同尺度人口地图认知实验

本研究选取2010年全国人口数据,制作中国省级、县（市）级2种不同的中国人口地图。在编制较大制图区域范围“ 面” 状分布状况的人口地图时,通常以户籍统计的人口数为制图资料。自然断点分类法在数据中固有的自然分组的基础上,识别分类间隔,可对相似值进行最恰当的分组,使类别之间差异明显,而类内部差异较小。可使制图结果更加清晰,满足实验需要。因此,本研究选用人口数量作为指标,采取自然断点分类法进行分级,制作人口数量的分层设色图,并加以特定直线作为辅助标记,组合为实验任务的刺激材料。其中,地理区划图为辅助用图,省级、县（市）级尺度为研究对象。

2.1 不同尺度对人口地图认知的影响实验

来自北京师范大学的48名学生参加了本实验,筛选出采样率在85%以上的结果,得到有效数据40人。其中,男性14人,女性26人。所有被试均不存在对实验中所涉及的各种变量的识别问题。同时,配戴眼镜的被试镜片均符合实验要求。
（1）实验材料及实验任务
围绕省、县（市）级尺度对人口地图认知（包括对于人口数量情况、人口空间分布、人口数量对比的认知）的影响,本文共设计了2组问题,任务要求详见表1,各任务对应的刺激材料如图1所示。由于尺度的不同,制图呈现的人口空间分布规律也有所差异,省级尺度人口地图所呈现的人口重心基本在山东省、河南省以南的华东华南地区,从总体上清楚地表现出中国人口分布偏向东南的特点;县（市）级尺度人口地图则清晰的呈现出几个较小行政单元人口聚集区,如北京、上海,人口较多的县（市）在在华东、华南地区分布较多,西部地区的县（市）人口数量普遍偏低。
Tab. 1 Experiment tasks

表1 实验任务

任务编号 问题编号 具体任务
T1 a1 根据省级尺度人口分层设色图T1（a1）设想使人口分布差异最大的分界线
a2 根据县（市）级尺度人口分层设色图T1（a2）设想使人口分布差异最大的分界线
b1 根据省级尺度人口分层设色图T1（b1）所给选项选择使人口分布差异最大的分界线
b2 根据县（市）级尺度人口分层设色图T1（b2）所给选项选择使人口分布差异最大的分界线
T2 c1 根据省级尺度人口分层设色图T2（c1）所给选项选择人口密度最大的部分
c2 基于县（市）级尺度人口分层设色图T2（c2）所给选项选择人口密度最大的部分
Fig. 1 Experiment materials

图1 刺激材料

Fig. 2 Means、SD and Sigs of indices for T1

图2 T1分析指标均值、方差、显著性图

每个被试仅完成一次实验,每组问题所用图片大小相同,在屏幕上的位置固定。每个任务前有相关文字说明,保证被试理解任务要求。
（2）实验设备
采用Tobii眼动跟踪仪（屏幕分辨率为1280像元×1024像元,17寸TFT显示器,采样频率为120 HZ）来记录被试的眼动信息,相应的软件为Tobii Studio 3.2,安装在联想一体机中。所有被试均在北京师范大学同一实验室同一设备中独立进行实验。

2.2 人口地图认知结果分析

本实验选取注视点数、注视时间、正确个数作为研究指标,探究不同尺度的人口地图对于读图者认知规律的影响,详见表2。
Tab. 2 Analysis indices and their interpretations

表2 分析指标及含义

指标 含义
有效性 注视点数/个 任务中注视点个数
正确个数/个 每道题回答正确的被试个数
效率 注视时间/s 被试完成每个任务所用时间

注：AOI即兴趣区,在本实验中指人口分布地图

利用Tobii软件中热点图（Heat Map）可视化读图者对于不同人口地图的认知差异,为了便于理解,本文将注视热点图转化为透视模式（Gaze Opacity）,即注视热点区域不进行颜色填充,形成透明的亮区,而注视点越少,填充颜色越深。
（1）T1分析
探究人口空间分异特征时,根据均值分析,在设想并找出使人口分布差异分布最大的分界线时,县（市）级尺度注视时间较短,注视点数较少,正确个数更多。
通过注视点数和注视时间的显著性检验,可以更直观对2个尺度的数据进行比较分析。在问题为a1、a2时,注视时间差异显著（p=0.002<0.01）,注视点数差异显著（p=0.003<0.01）;问题为b1、b2时,注视时间差异显著（p=0.001<0.01）,注视点数差异显著（p=0.001<0.01）,说明不同尺度对读图者认知人口空间分异特征的差异显著。
通过分析读图者注视点的空间分异规律,可以更直观地对读图者的认知规律进行分析。由图3可知,在a1、a2任务中,认知省级尺度人口地图时,读图者的注视点主要集中于分界线附近人口数量较多的地区：如四川地区、京津冀地区。在认知县（市）级的人口地图时,注视区域较准确地在分界线附近形成了较窄的认知条带。
Fig. 3 Heat Maps (Gaze Opacity) for T1

图3 T1(a1, a2, b1, b2)注视热点透视图

Fig. 4 Means, SD, and Sigs of indices for T2

图4 T2分析指标均值、方差、显著性图

在b1、b2任务中,注视热点区域均集中于辅助标记b、c、d选项形成的条带附近,但是县（市）级人口地图中形成了更为精准且清晰的注视条带。
（2）T2分析
分析实验结果发现,用省级尺度的T2（c1）用图和县（市）级尺度的T2（c2）用图作为刺激材料,在认知给定区域中人口密度时,不同尺度的正确个数相差不大,县（市）级尺度的注视时间和注视点数明显少于省级尺度,注视点数差异显著（p=0.03<0.05）,注视时间差异显著（p=0.039<0.05）。
总体来看,读图者注视点形成的亮区与中国人口空间分异规律基本保持一致,呈现出东多西少的分布特点。注视热点区域形成的亮区在省级人口地图上跨越了辅助标记,呈不规则连续块状。在县（市）级的人口地图上,读图者注视点形成的亮区,与辅助标记近似平行,呈条带状。在省级人口地图上,注视点形成的亮区分布范围较县（市）级更广,而县（市）级的注视亮区面积较小,主要集中于c、d选项所在的中部地区与东南地区。
综上所述,省级尺度的分层设色人口地图对于人口空间分布特征的表达较为笼统,在T1任务中,当辅助标记与行政边界有交叉时,由于信息较少,读图者难以判断被切割区域中的人口数量分布情况,认知效率较低。而县（市）级尺度的人口地图,即使出现区域单元被辅助标记所切割的情况,周围其他的区域单元也提供了丰富直观的信息,注视点也更为精准且集中,形成准确的认知条带,辅助读图认知。因此在探究人口空间分布特征时,县（市）级尺度地图优于省级尺度地图,能得到更多直观的空间分布信息,人口空间分布规律的认知效率更高。
Fig. 5 Heat Maps (Gaze Opacity) for T2

图5 T2(c1,c2)注视热点透视图

对于尺度对人口数量认知的影响,在T2任务中,当认知区域为非行政单元,并且与刺激材料边界不重叠时,由于省级尺度分层设色图的色块呈连续状,存在大量被辅助标记切割的情况,会增加读图者的认知时间,而县（市）级分层设色图具有更多细节,即使出现被切割的情况,周围仍然存在大量未被切割的区域单元可以提供信息,形成的注视区域也与辅助标记更加贴合。

3 结论与讨论

本研究讨论了尺度对人口空间分布规律和人口数量的认知的影响,所得到的尺度的认知规律可用于人口地图的设计,缩短读图者的认知时间,便于读图者在人口地图中提取有效信息,提高其可用性。另外,通过对注视点数、注视时间、正确个数等眼动参数的分析与显著性检验,定量研究尺度对人口分布规律的影响;利用注视热点透视图可视化读图者认知的空间分异规律其结果不再局限于简单的定性表达,这对利用不同尺度的人口地图对人口分布特征及规律进行表达具有重要意义。
研究结果表明,省级尺度分层设色图的色块呈连续状,便于读图者获得较直观信息,但是会存在大量被辅助标记切割的情况;而县（市）级分层设色图具有更多细节,信息量也较大,但是当出现被切割的情况时,周围仍然存在大量未被切割的区域单元可以提供信息。通过眼动指标的统计分析以及注视热点的可视化分析,表明县（市）级尺度的人口地图优势较大,认知效率更高。此外,本文也研究了不同尺度的人口点密度图对认知人口空间分异规律产生的影响。由于其能更精确、直观的反应人口分布情况,能够进一步的完善本研究结果,今后的工作中需对上述人口地图做更深入研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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Dong W, Ran J, Wang J.Effectiveness and efficiency of map symbols for dynamic geographic information visualization[J]. Cartography and Geographic Information Science, 2012,39(2):98-106.The quality of dynamic map symbols plays an important role in the representation of spatial-temporal changes. This paper reports an investigation into the quality of dynamic symbols. To assess the quality of such symbols, a set of traffic flow data is used for the production of different kinds of dynamic maps, with focus on four variables, i.e. size, color, frame rate and display format. Two quantitative measures are used for analysis, i.e. deviation and response time. A set of traffic data is used for the production of dynamic maps for evaluation. The experimental results show that the size is more efficient and more effective than color for dynamic maps with the same frame rate and display format. The most efficient and effective color class number is 10 on the large format display such as 1024 768 pixels. And the most efficient and effective size class number is 15 on large format display such as 1024 768 pixels. The effective frame rate for dynamic map animation is smaller than that of the general animation on the Internet or Quick Time and AVI format video. The most efficient and most effective frame rate is 3 frames per second in the color expression and 6 frames per second in the size expression. In sum, the effective and efficient value of color, size and frame rate on large format display is less than the value on the small format display. These results suggest the frame rate should be reduced on the small format display. It is hoped that the results from this study will be of help in the design of effective and efficient dynamic map symbols for geographical information visualization.

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Dong W, Liao H, Roth R E, et al.Eye Tracking to Explore the Potential of Enhanced Imagery Basemaps in Web Mapping[J]. Cartographic Journal, 2014,51(4):313-329.AbstractThe research reported here is motivated by the now ubiquitous nature of web mapping services that provide remotely sensed imagery as a basemap option. Despite the popularity of imagery basemaps, few strategies have been suggested to enhance their readability. Here, we describe a controlled experiment leveraging the eye tracking method to explore the potential of enhancing remotely sensed imagery when used for cartographic presentation. Specifically, 20 participants had their eye movements recorded as they visually searched for areas of interest in either an unmodified image (such as typical in web mapping services) or enhanced image (using image processing routines common to Remote Sensing). By interpreting the eye movement fixations and saccades of participants using a combination of qualitative and quantitative analysis, we found that the image enhancements improved both the effectiveness of and efficiency in identifying areas of interest, particularly those previously concealed in more visually...

DOI

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马永立. 人口地图编制方法新探[J].地理科学,1997,17(4):342-345.人口地图的编制应针对不同地域的人口分布特征,确定相应的制图单元和表示方法,并拟定相应的人口资料搜集途径和方法。常州市人口图的编制实践说明,城市人口图以多边形的人口密集小区为制图单元,运用多边形分级比值法较为理想.

[ Ma Y L.Approah to compiling method of population map[J]. Scientia Geographica Sinica, 1997,17(4):342-345. ]

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吴连霞,赵媛,管卫华.江苏省人口城乡结构差异的多尺度研究[J].长江流域资源与环境,2016,25(1):25-38.利用"全国第四、五、六次人口普查"等数据,基于"多尺度"分析框架,综合运用总体差异测度指数(标准差、锡尔指数及其分解)、马尔可夫链、ESDA等方法,分析1990~2010年江苏省不同尺度人口城乡结构差异的时空动态演化。结果表明:(1)20a来,江苏省人口城乡结构无论绝对差异还是相对差异性在各尺度上均呈缩小趋势,且前10a大幅缩小、后10a缩小幅度减缓。相对差异值及其缩小程度排序均从大到小依次为县域、市域、区域。主要受地区发展基础、增长极的带动能力及范围、政府政策侧重以及人口迁移机制等多种因素差异性的影响。由于三大区域间通过人口流动、交通、产业、资源等的联动效应,因而三大区域间差异的缩小对全省差异缩小的贡献最大。(2)前10a人口城乡结构类型转移概率波动性大,后10a趋向稳定。苏南各市区存在高水平"俱乐部趋同"现象。(3)虽然从区域尺度上看,苏南、苏北两极分化有所缓和,但从县域小尺度上来看,苏北大部分县域与苏南不同县域之间的差距依然较大,这与实际相符合,因此小尺度的自相关分析更符合实际,且小尺度两极分化严重。县域尺度冷、热点地区具有典型的核心-边缘结构、南北空间分异显著,涓滴效应逐渐显现,南北差异有所减小。最后提出在"两带一路"背景下针对不同尺度人口城乡结构合理发展的建议。

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[ Wu L X, Zhao Y, Guan W H.Multi-scale study on the differences of population and rural structure in Jiangsu Procince[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2016,25(1):25-38. ]

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