基于视觉注意与眼动跟踪的地图认知计算模型与方法研究

The computation of map cognition is one of the most important topics of Cartography and Geographical Information Science. Related works mainly focus on natural scene's visual attention process integrating color, orientation, size and orientation while ignoring visual information of graphic structure and geometric complexity of map shape, symbol, annotation and their combination. Influence of user task and map knowledge of guiding visual attention is also not been taken into consideration in relevant models. Based on visual attention mechanism and eye tracking technology, this project divides map cognition computation into two parts: the bottom-up (stimulus-driven) and top-down (task-guiding) visual information processes and investigate the computation models of the two processes. The research content mainly include: (1) computational modeling map visual saliency; (2) semantic measurements of user task and map knowledge; (3) design of eye tracking experiments and extraction of eye movement features; (4) comprehensive computation modeling of map cognition. The goal of this project is to develop a more accurate and reasonable computational model of map cognition to support humanization visualization of interactive maps, automated understanding and transferring of geographical information and intelligent interaction and decision making.

地图认知计算是现代地图学与地理信息科学领域的一个重要研究课题。当前相关研究主要是基于自然场景的视觉注意计算，考虑了空间目标颜色、密度、方向等信息，但没有考虑地图空间目标颜色、符号、注记等组合的几何形态复杂性与目标图形结构差异对用户视觉注意的刺激，以及任务与地图知识对用户视觉注意的引导。为此，本项目基于人脑视觉注意机制与眼动跟踪技术，将复杂的地图认知计算问题分为自底而上刺激驱动与自顶而下任务引导两个层次的视觉注意过程，并分别研究这两个层次的定量计算模型与方法，主要包括：（1）地图视觉显著性计算模型；（2）用户任务与地图知识语义度量方法；（3）眼动实验方案设计与眼动特征参数提取；（4）地图认知综合计算模型与评价方法。本项目一方面将建立更准确、合理的地图认知计算模型与方法，揭示地图空间认知规律；另一方面，提出的模型与方法可延伸应用于人机交互地图适人化设计、表达与智能决策等方面。

地图认知计算是现代地图学与地理信息科学领域的一个重要研究课题。当前相关研究主要是基于自然场景的视觉注意计算，考虑了空间目标颜色、密度、方向等信息，但没有考虑地图空间目标颜色、符号、注记等组合的几何形态复杂性与目标图形结构差异对用户视觉注意的刺激，以及任务与地图知识对用户视觉注意的引导。为此，本项目基于人脑视觉注意机制与眼动跟踪技术，将复杂的地图认知计算问题分为自底而上刺激驱动与自顶而下任务引导两个层次的视觉注意过程，并分别研究了这两个层次的定量计算模型与方法。研究内容主要包括（1）地图视觉显著性计算模型；（2）基于眼动跟踪的地图感知复杂度评价方法；（3）地图视觉变量与眼动特征参数之间定量关系；（4）基于眼动跟踪的二三维导航地图表达方法。本项目一方面建立了更准确、合理的地图视觉显著性计算模型、地图感知复杂度评价方法，揭示了地图空间认知规律；另一方面，提出的模型与方法开发了二三维一体化导航地图，支持人机交互地图适人化设计、表达与智能决策。共发表9篇学术论文，其中SCI/SSCI论文5篇，EI论文1篇，CSCD论文3篇。出版专著1部，软件著作权1项。研究成果获得“测绘科技进步奖（特等奖）”、“全国青年地理科技奖”、“高校GIS创新人物”。研究成果转化成科普节目“一眼辨山”在江苏卫视《最强大脑》栏目播出，全国收视率达到1.231%，网络视频播放量超过2000万。