电子地图的空间认知差异研究
1二维和三维电子地图的空间认知特点
二维电子地图的空间认知特点
作为空间认知工具的电子化产品，二维电子地图具有许多不同于纸质地图的特点，如灵活性、动态性、
可交互性等。其空间认知与纸质地图相比的特点为:①认知内容的动态性，用户在认知过程中可以任意
调整地图范围和图幅，也可以利用同一区域不同比例尺的地图进行对比认知，也可以选择不同的地图要
素、层级以及不同的显示方式进行认知;②认知手段的交互性，二维电子地图的认知既能通过地图阅读
来实现，也提供有查询、量算和分析的交互性工具来辅助认知;③制图过程以及读图过程的模糊化，实
际也就是制图者和使用者的趋于一体化，两者通常既是地图空间信息的提供者又是实践者。
三维电子地图的空间认知特点
三维电子地图具有电子地图的基本特征，其空间认知的特点主要表现在以下两点:
(1)认知效率更高。
三维电子地图通常采用符合人们视觉习惯的透视投影，利用逼真的三维地图符号，直观、形象地表示出
人们日常活动空间内的地貌、地物要素，其浏览方式比较贴近人类对自身所处环境的感知方式。所以，
与二维电子地图相比，人们通过三维电子地图能够更加容易、更加直接地获取所需的空间信息，其认知
代价更小，认知效率更高。
(2)认知维度和深度更广
。三维电子地图不仅能表达空间对象间的平面关系，而且能表达它们之间的垂向关系。另外，三维电子
地图的认知深度主要体现在其特有的三维空间分析(如挖方)功能更利于提取和挖掘空间表层背后的深层
信息。
2二维和三维电子地图的空间认知模式差异
这里的地图空间认知模式是指人们利用地图获取空间信息、认识周围环境的方式方法和基本过程的统
称。二维和三维电子地图的认知方法是不一样的，二维电子地图采用“阅读”的方法，而三维电子地图
则采用“观看”的方法。地图空间认知与人的认知具有相同的过程，即包括感知过程、表象过程、记忆
过程和思维过程。在感知过程中，人们通过二维地图符号或者三维地形地物刺激人的感官产生视觉、听
觉等感觉兴奋，由此大脑根据感觉形成客观事物个别属性的认识，再通过知觉过程大脑将各种感觉进行
综合，形成对客观事物的各种属性、各个部分及其相互关系的整体反映。二维电子地图的感知是“阅读
式”的，即人们感知二维电子地图的模式是首先接受地图符号的视觉图形刺激，但是仅有地图符号的图
形刺激人们并不能认识客观事物，还需借助图式规范才能完成。三维电子地图的感知则是“观看式”
的，即人们往往只需直接借助自身的感官刺激就可完成客观事物的感知，且三维电子地图支持的感觉类
型更多，如视觉、听觉、运动觉等等。例如在感知桥梁符号时，二维电子地图中人们通过视觉看到类似
两天平行短线的图形，然后根据图式规范才知道是桥梁，还需通过旁边的注记才能知道是什么建筑材
料。三维电子地图中人们只需通过视觉观看便可知道是桥梁以及它的建筑材料，另外三维电子地图中人
们还能感知模拟的车辆、飞机等物体的运动。在具体的知觉过程中，三维电子地图的知觉形成更容易，
因为三维地形地物就是客观事物的逼真模拟，更能综合展示客观事物的各种属性。二维、三维电子地图
的心象地图形成过程、记忆过程以及思维过程是没有差异的，但形成的心象地图效果会有差异。
3二维与三维电子地图的空间认知效果差异
空间格局认知
(1)位置认知
位置认知主要解决空间事物“在哪”的问题，有两种认知实现的方式，即绝对坐标和相对位置的认知方
式。绝对坐标的认知方式中，与纸质地图相比，电子地图具有独特的优势，因为电子地图可以实现图上
坐标的实时跟踪显示，且三维电子地图优势更明显，还能支持高度值的实时查看。相对位置的认知方式
如某个地物附近，某两条道路的交叉口等，二维和三维电子地图利用相对位置进行位置认知的效果存在
较大差异。对于二维电子地图，点状地物识别相对困难，主要通过地图注记来实现，而道路交叉口和大
面积区域则很容易识别，所以利用道路交叉口和面状区域进行位置认知的效果较好。对于三维电子地
图，道路往往缺少名称注记，但重要的地标可以通过仿真模型展示，用户很容易识别，所以利用地物进
行位置认知的效果较好，特别是在用户对周围环境比较熟悉的情况下。如图 2(来自 GoogleMaps)位置 A
在二维电子地图中通过中原路和嵩山路的交叉口或绿城广场对面即可快速识别，而位置 B在三维电子地
图中通过裕达国贸酒店附近可快速识别，通过二维电子地图进行识别则相对困难。
(2)距离认知
距离认知主要解决将图上距离转化实地距离的问题，有三种认知的方式，即物理距离式、主观距离和时
间距离的认知方式。物理距离认知方式通过图上量算来实现，纸质地图经过图上量算后还需通过比例尺
转换，而电子地图通过提供的距离量算工具则能直接获取结果。主观距离认知方式受地图表达形式、用
户熟悉程度、经验知识等因素影响，三维电子地图由于缺乏比例尺参考、观察视角等问题通常容易得出
错误的距离判读，如图 2所示，二维电子地图中很容易得出 A点到 C点的距离大于 A点到 B点距离，而
三维电子地图中则很容易得出 A点到 C点的距离小于 A点到 B点的距离。时间距离是一种通过运动模拟
来实现的认知方式，三维电子地图中采用较多，例如采用汽车正常行驶 1个小时的车程来表达。另外三
维电子地图还能进行垂直距离的认知，但是由于显示的需要三维电子地图通常在水平方向和垂直方向会
做一定比例的调整，导致垂直距离的认知结果存在较大差异。
(3)方向认知
方向认知能够实现方位定向和相对方位判断两种功能。方位定向与用户使用地图时的朝向关系密切，二
维电子地图大都采用“上北下南，左西右东”固定模式，用户使用地图时通常是用户朝向与地图北向一
致，用户作方位定向判断时需要进行一次心理旋转;三维电子地图在浏览过程中通常会进行旋转以保持
地图的朝向与用户的视角保持一致，用户作方位定向判断时也需要进行一次心理旋转。但是两者心理旋
转的方式是不一样的，对于二维电子地图而言是由地图正北方向旋转到用户朝向方向，三维电子地图则
是由用户朝向方向旋转到地图正北方向。相对方位判断对于二维电子地图而言比较容易实现，判断时只
需遵循“上北下南，左西右东”规则即可，而三维电子地图则首先需要找到基准方向(即根据导航标志
找到“北”方向)才能进行判断。所以三维电子地图进行方向认知时导航标志三维电子地图右上角圈形
正北标志)非常关键，如果没有导航标志用户很容易陷入方向迷失。
空间对象认知
(1)目标认知
目标认知主要指在地图上首先容易被注意的目标识别，主要分为点目标的认知、线目标的认知和面目标
的认知三个方面。在二维电子地图中，容易被注意的点目标主要是火车站、桥梁等，其他建筑地标的识
别则没有三维电子地图效果好，因为在三维电子地图中建筑地标通常采用三维立体模型进行展示。例如
图 2三维电子地图中首先被识别就是“裕达国贸酒店”地标模型，二维电子地图中识别效果则不太明
显。线目标的识别主要是一些贯穿图面的道路、河流，面目标的识别主要是大范围的水域、绿地和广
场，这两者二维和三维电子地图认知效果差不多。
(2)形状认知
形状认知主要指通过地图能够识别出的现实客观事物的外形、轮廓等，主要分为点目标的形状认知、线
目标的形状认知和面目标的形状认知。点目标的形状认知在二维电子地图中通常无法完成，因为其点状
符号都是经过概括抽象后形成的，已经丢失了现实客观事物本身的外形;而三维点状目标通常采用立体
模型显示，不但可以识别目标外形，目标的其他属性如材质等也能识别。线目标的形状认知主要能够指
识别线目标的曲直以及弯曲走向，面目标的形状认知主要指能够识别面目标的外围轮廓，这两者二维和
三维电子地图的认知效果相当。另外，通过三维电子地图很容易就能识别出地形的起伏变化，而二维电
子地图只有在表示有等高线的情况下才能作判断且相对困难，专业性较强。
空间认知效果分析
根据以上分析，结合笔者对 50名被试的认知实验，形成二维和三维电子地图的空间认知效果作对比。
认知实验中认知效果的量化以认知是否正确和认知时间作为指标，认知错误则判定效果差，认知正确但
花费时间较长则效果一般，认知正确且花费时间短则效果好。总体而言，二维电子地图对空间格局的认
知效果较好，而三维电子地图对空间对象的认知效果较好。二维电子地图侧重于借助节点(如道路交叉
口)、区域进行位置认知，三维电子地图侧重于借助地标进行位置认知，两者各有优势且效果相当。在
距离和方向认知中，三维电子地图受观察视角、Z方向比例变形等因素的影响导致认知结果有时会出现
偏差，认知效果一般。在目标和形状认知中，三维电子地图发挥了其形象直观的优势，认知效果较好。
根据对二维、三维电子地图的空间认知效果差异的分析，得出以下两方面启示:对于电子地图产品开发
者而言，应注意避免造成认知效果差的相关因素，如三维电子地图中需设计方向明显的导航标志，二维
电子地图距离量算也可以给出时间距离的参考;对于地图使用者而言，应根据认知的目的选择使用认知
效果好的电子地图产品，即如果侧重于空间格局认知应选择使用二维电子地图产品，如果侧重于空间对
象认知应选择使用三维电子地图产品，必要时可以考虑两者交互集成使用。
4结束语
本文讨论了二维和三维电子地图在空间认知特点、空间认知模式以及空间认知效果三方面的差异，主要
结论如下:
(1)与纸质地图相比，二维电子的地图的空间认知具有动态性、交互性以及制图和读图过程的模糊化等
特点，三维电子地图的认知效率更高、认知维度和深度更广。
(2)空间认知模式方面，二维电子地图类似于“阅读式”，而三维电子地图则类似于“观看式”。
(3)二维电子地图对位置、距离、方向等空间格局的认知效果较好，而三维电子地图对目标、形状等空
间对象的认知效果较好。本文的研究有助于更好地设计、制作符合人们认知需求的二维、三维电子地图
产品，同时有助于指导人们利用二维、三维电子地图认知周围环境时发挥认知优势、避开认知劣势。随
着电子地图的广泛应用，对其空间认知研究还需进一步深入，下一步的研究工作包括电子地图的空间认
知评价体系建立，二维和三维电子地图交互集成的空间认知模式等。（本文来自于《海洋测绘》杂志。
《海洋测绘》杂志简介详见.）
作者：柳佳佳葛文薛宁单位：解放军信息工程大学地理空间信息学院 65014部队
