电子信息技术、计算机技术、卫星定位技术以及地理信息系统技术等高科技的不断发展与革新，为空间信息获取、分析、处理及表达提供了新的动力与升级空间^[1]。电子地图作为空间信息可视化产品之一，以多样化的形式广泛应用于公众及各个行业领域^[2]。随着智能移动终端以及互联网的不断成熟与普及，电子地图的展现方式不再局限在计算机上，而是以移动电子地图的形式呈现在移动端如手机平板电脑上。电子地图可以结合用户行为与地理位置信息^{[3, 4]}通过可视化的手段为用户提供准确的地理位置以及周边服务等信息。电子地图由于其便利性、实用性得到了进一步普及。

以地图实体为中心进行空间信息组织和可视化，独立于观察者或者用户，这种设计方式是非自我为中心的 (allocentric)^[5]。以非自我为中心的地图设计，电子地图与使用者交互过程繁琐，地图不根据用户的特点以及自身情况进行动态改变^{[6, 7]}。作为开发者来讲，电子地图设计的重点并不在于技术本身的特点，而是更好地面向用户，以用户为中心。以用户为中心的电子地图可以根据用户所处环境自动分析出具体情境，为用户提供智能高效的空间信息，从而提高用户体验，满足用户多样化、个性化的需求。

1 以自我为中心的电子地图 1.1 以自我为中心电子地图的概念

Ego是由弗洛伊德提出的精神分析法中的心理学名词，即自我^[8]。Centric更加强调自身感受，从自身出发看问题。以自我为中心 (egocentric) 的参考架构即以观察者的头或者身体为坐标原点，利用观察者的身体解剖坐标并定义坐标轴的朝向。观察者的上下、前后、左右构成相互垂直的3个坐标轴，通过相对方位来描述对象或者其部分的空间位置。以自我为中心的电子地图 (egocentric maps) 可以理解为从用户位置出发描绘地理信息的地图^[9]。

从用户位置出发只是从宏观上来理解egocentric maps，更深入的理解是由用户位置带来的一系列行为。行为是用户对于目标或者对象进行相关操作的基本单元，相同的操作可以以不同的方式或者由不同的人来执行。有着不同的兴趣点、不同知识深度、不同认知能力的用户对于地图的需求是不同的^[10]。对于军事用途的地图，用户可能更多关注的是地形；对于旅游用途的地图，用户更多关注的则是景区景点的分布。而对于同一幅地图，不同的操作决定着不同层次的地理要素以及数据尺度。

孟立秋等^[9]认为，以自我为中心的电子地图是更加个性化的地图表现形式，结合本文，笔者认为以自我为中心的地图不仅需要描绘用户的空间位置，还需要根据移动位置发生的变化以及用户的当前需求动态调整地图显示，并主动提供相关地理信息的服务。

1.2 以自我为中心电子地图的特点

1) 个性感知。个性感知是自我为中心的本质特性。它指的是从用户的角度出发，基于用户的兴趣、任务以及认知能力，结合时空信息、设备信息以及用户周边环境信息，获取与他们生活以及工作息息相关的地理空间信息。

2) 自适应性。外界环境以及用户需求总是不断变化的，自适应性意味着系统能够根据这些实时动态的变化来做出调整，使得用户可以在不同时间不同地点获取自己感兴趣的空间信息以及属性信息，从而更好地适应用户当前活动^[11]。

3) 主动性。任何系统都是根据用户需求建立起来的，主动性意味着能够更加全面地分析用户的需求，为用户提供伺候式的服务，主动提供用户需要的信息。

1.3 以自我为中心的电子地图设计 1.3.1 以自我为中心的空间信息组织

以自我为中心的空间信息组织对信息的动态变化提出了新的要求。电子地图需要根据用户操作，实时地进行地理坐标-投影坐标-屏幕坐标之间的映射，动态调整地图空间位置。并有效地进行数据调度，以保证数据信息可以准确、合理的展示。

1) 坐标转换。空间数据与其他数据最大的区别在于空间数据具有空间位置信息。空间定位是动物生存最重要的认知功能之一。为了定位物体在环境中的空间位置，不仅需要依赖于自我认知，同时也要依赖于空间坐标系统^[12]。

地球椭球体表面是曲面，而地图通常是二维平面。利用投影变换，建立投影坐标系，可以确定地理坐标与平面坐标之间的关系，把地球表面的点转移到平面上。

投影转换之后，需要建立屏幕坐标与投影坐标之间的映射，对地理事物的空间位置进行描述，定义它在屏幕上的位置。在给定坐标系中，每个地理事物的位置具有唯一性^[12]。

2) 空间数据组织。确定地图数学基础 (地图投影、空间位置等) 之后，需要对空间数据信息进行合理的组织。考虑用户位置的移动变化，以自我为中心的电子地图需要随着位置变化对数据进行合理高效的调度。同电脑客户端设备相比，移动设备软硬件资源明显不足，必须采用高效的算法对数据进行科学的组织，避免出现系统死机或者内存不足等问题。结合以移动设备为终端的电子地图可视范围小以及客观实际中地理对象的特点，常采用分块/分层的组织策略。

移动电子地图多数情况下仅显示部分数据，因此在考虑空间数据特征、数据地理范围以及设备尺寸的基础上，以一定的经纬度差将数据进行分块处理，根据用户位置变化读取用户所在范围的数据块，提高系统读取数据的效率。这种组织策略对于移动设备来说实用性更强，原因在于移动设备的显示屏相对桌面设备而言小得多，同时移动设备的中央处理器计算能力有限，如果将地图包含的全部数据一次性载入有限的设备内存中，一方面可能引发移动设备死机、系统崩溃或者内存不够等问题；另一方面，移动设备较小的显示屏也不可能显示全部的电子地图数据，从而造成内存资源极大的浪费。因此将地图数据进行分块组织，能合理和高效地使用移动设备硬件条件。

分类理论作为人类认知现实世界的重要理论之一，将客观世界中不同地理对象进行分类，若一个类别为一个层，则形成多图层的概念。在地图数据中，采用这种方式对空间数据进行分层，并用点、线、面来分别表示图层中要素。这种方式的主要特点是有利于表达地理对象之间的拓扑关系，并有助于人们获取地理要素信息。

地图数据显示的消耗时间主要由外存定位、数据读取以及数据显示处理三部分组成。提高地图显示速度的关键在于减小外存定位时间以及地图数据读取时间^[13]。移动环境下用户的位置以及方位不再保持固定不变，而是随着它们的移动不断变化。以自我为中心电子地图的空间信息组织意味着需要根据用户位置变化以及屏幕范围来自动定位地图分块/分层数据存储位置并实时加载，同时根据方位变化调整对应坐标系数据。通过对地图数据进行预处理，减轻移动设备处理器负载，并对地图数据进行实时更新，保证根据用户位置，在正确的位置合理流畅地调度数据，使电子地图的显示更加人性化。

1.3.2 以自我为中心的空间信息可视化

以自我为中心的空间信息可视化意味着用户理念至上，以用户为中心，根据对用户个性化需求的实时反馈来进行自适应显示，以此来提高用户体验。

1) 以自我为中心的图形界面。良好的设计不仅仅在于其功能实用性，更是需要图形界面来提高用户的领会能力。由于移动设备的不同尺寸以及便携性，使其更适宜进行个性化服务。以自我为中心的电子地图设计首先需要考虑的是界面的尺寸适配，例如相同图标在不同尺寸的设备上显示可能会过大或者过小，需要根据不同尺寸的设备制作适宜的图标。其次，不同用户对于不同的任务或者不同的操作有着不同的要求，例如，对于测绘工作者习惯用简单的纸质符号进行标注。这就要求需要根据用户的喜好来调整图形界面显示。

2) 以自我为中心的地图色彩。色彩是地图语言表达能力的一种体现，有助于地图的阅读以及信息传输。在进行色彩的设计时，不仅要会选择颜色，还要会处理不同颜色之间的搭配，即要正确处理颜色之间的对比度以及调和关系。设计者需要围绕地图内容主题进行设计，除图形处理之外，还要用色彩手段把主次表现出来——重要的主题内容多用鲜明的饱和色，次要的用浅淡色。在突出主题和区分不同要素的对比前提下，应使各色达到恰当的协调，使其既能表现内容结构，反映不同的层面信息，又美观悦目。以自我为中心的电子地图色彩在达到基本要求的同时，还需要根据用户所处环境自动调节色彩，例如，白天模式对于夜晚使用者来讲，亮度相对较大，比较刺眼，需要自动切换到夜晚模式。通过和谐、有规律的色彩组合，充分激发用户对地图的兴趣，使用户在阅读和使用过程中感受到地图的艺术美。

3) 以自我为中心的情境驱动可视化。情境是指可以用来描述实体状态特征的信息。实体可以是人、地点或被认为是有关用户和应用程序的对象，以及用户和应用程序本身之间的相互作用^[14]。现实生活中，用户所处的情境是不断变化的，这就意味着以自我为中心的电子地图需要根据用户情境变化建立触发机制，通过对具体情境的分析来调整地图显示，同时主动为用户提供相关地理信息服务，在满足用户个性化需求的同时提高用户体验。

2 实例分析 2.1 实验软硬件环境

软硬件环境包括开发环境与测试环境两个方面。以下进行相关介绍：

1) 开发环境：JDK1.8、Eclipse4.2、Android SDK、Android NDK以及Eclipse CDT插件。JDK是Java语言的软件开发工具包，主要用于移动设备、嵌入式设备上的Java应用程序。Eclipse是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。Android SDK用于Eclipse环境下Android程序的开发。而Android NDK主要用于Eclipse下Android本地开发。Eclipse CDT插件主要用于在Eclipse环境下进行C/C⁺⁺相关开发。

2) 测试环境：Galaxy Note Ⅱ以及Galaxy Tab Pro T320。各项参数指标如表 1所示。

2.2 实验数据

本文实验数据来源于北方海区的地理数据，主要包括000数据以及tpk离线数据。000数据是标准电子海图数据，也就是我们常说的S-57数据，主要以描述海域要素为主，详细表示水深、航行障碍物、助航标志、港口设施、潮流以及海流等要素的数字化信息。000是标准电子海图文件格式后缀，其封装结构是一种高压缩的数据交换格式。tpk数据是为了保证网络不通的情况下也能浏览数据而制作的离线切片数据，主要通过ArcGIS for Maritime插件来读取000文件，在编辑显示之后打包而成的。

2.3 实验系统设计

本系统利用北方海区地理数据，进行以自我为中心的空间信息组织和可视化。获取的研究区数据是已经进行过分块处理的数据，所以无需再进行相关处理。

2.3.1 空间信息组织

结合上述信息，本次系统设计中海图信息组织分为坐标转换与重组织以及数据存储两部分。坐标转换与重组织需要对原始000文件解析，获取原始大地坐标数据，并进行投影变换，转换成墨卡托投影坐标数据，同时提取保存属性数据，建立空间索引机制，将空间数据与属性数据进行关联，使得通过数据库中的属性数据可以调度海图文件数据。

数据存储采用文件形式结合数据库形式存储，使用文件系统来存储空间数据，使用数据库来存储属性数据。在提高数据调度以及查询效率的同时，减轻移动设备数据加载负载，降低系统死机、崩溃或者内存不足的风险。

2.3.2 空间信息可视化

可视化就是将海图数据转换成可视的形态。本次实验从图形界面、色彩渲染以及情境驱动三部分进行设计。

针对不同移动端设备 (手机、平板等)，设计不同尺寸的图标，避免出现图标过大或过小的情况。为提高用户视觉感受，系统设置三种色彩渲染模式，分别为白天模式、黄昏模式、夜晚模式。通过时间阈值控制自动切换地图色彩渲染，以此来改善用户体验。此外，在Android应用层根据情境触发机制反馈以及移动设备定位中心点请求地图显示范围，底层通过应用层传递过来的参数请求对应的海图数据，并将海图数据渲染成Bitmap形式，最后通过JNI将Bitmap传递到Android应用层。C⁺⁺底层主要工作是对海图数据进行处理，将矢量数据读取到内存中，建立对应的坐标系统，并利用渲染引擎对数据进行绘制，供Android应用层调用。Android应用层则借助ArcGIS Runtime SDK for Android实现地图的放大、缩小、漫游以及旋转等功能，同时根据图层动态变化向底层传递视图范围、比例尺以及数据信息等参数，以进行地图的实时更新。

2.4 实验系统实现与分析

根据空间信息组织及可视化的设计，本系统基于测试平台实现了数据合理组织以及调度。以用户为中心，基于用户位置变化、情境变化，对地图进行自适应调整，并提供主动式地理信息服务等内容，实现以自我为中心的地图数据组织与可视化。

2.4.1 基于位置变化的数据调度

如图 1所示，将位置点人为设置为 (117.833°E，38.926°N)，该位置位于天津港主航道。通过设置触发事件将位置点改为 (117.716°E，38.759°N)，该位置位于天津港大港港区。在监听事件触发之后，遍历包含所有海图属性数据的数据库以及已添加海图数据列表，判断包含当前定位点的区域范围，自动定位这些区域的存储位置，并进行实时加载显示。位置变化后图层中移除了北塘港区及汉沽港区、新港船闸及边防码头，并新增黄骅港及附近港区。以用户自我位置为中心，通过数据的合理调度以及实时加载，提供最佳数据显示，同时减轻移动设备绘制负载，提高地图显示效率。

2.4.2 基于情境变化的自适应调整

1) 随光线强度变化的色彩渲染。根据光线强度变化进行海图色彩调整，满足用户的视觉习惯。实验规定白天模式光线强度为200.0 f，黄昏模式光线强度为100.0 f，夜晚模式光线强度为20.0 f。通过追加光线强度阈值，以自动触发的形式，通过Android设备自带的光线传感器实时获取用户所处环境下的光线强度，并与光线强度阈值对比，判断所属模式，以此来调整海图的色彩渲染。如图 2(a)为白天模式，图 2(b)为黄昏模式，图 2(c)为夜晚模式。从图中可以看出海图色彩的差异，以用户所处环境为中心，自动调节色彩渲染，并在夜晚模式下自动添加灯光效果，有效改善用户视觉感受。

2) 空间信息自适应与主动式服务。移动终端的便携化以及移动互联网的普及使得用户群范围不断扩大，以自我为中心的空间信息可视化对于动态性和个性化提出了新的需求，不仅需要根据所处环境实时改变自身状态，合理地显示地图内容，还需要主动提供地理信息服务。如图 3(a)所示为用户所在船舶行驶过程中对其他船舶信息的探测，当距离达到一定程度时主动为用户显示预警信息，保障船舶安全。如图 3(b)为用户所在船舶行驶过程方位发生改变时，实时获取航艏向旋转角度，在旋转地图的同时，对其他船舶以及物标等点状信息进行坐标转换，使得用户从正常的视角查看地图，同时保证地图要素在正确的位置显示。如图 3(c)、3(d)为船舶即将抵达港口过程中，合理控制地图要素显示，并主动为用户提供预警信息，提高用户体验。

3 结束语

现代信息技术的迅速发展使得移动智能终端用户群规模不断扩大，移动环境下，用户更加关注与当前状态密切相关的空间信息。新形势下，需要设计以自我为中心的电子地图，针对用户群提出的多样化、个性化需求，建立基于移动智能空间的情境感知机制，简化交互过程，为用户群提供智能、高效的空间信息服务。