基于认知规律的地图可视化系统用户界面设计研究

第３６卷第１０期　２０１３年ｌ０月　测绘与空间地理信息　ＧＥＯＭＡｌＴｌＣｓ＆ＳＰＡＴＩＡＬ　ｌＮＦＯＲＭＡＴｌｏＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３６，Ｎｏ．１０　Ｏｃｔ．，２０１３　基于认知规律的地图可视化系统用户界面设计研究　宋　亮　（江西省地矿局赣西北大队。江西九江３３２０００）　摘　要：地图可视化系统用户界面是实现用户和地图可视化系统交互的关键环节，但对这一情况目前地图学界　还没有给予足够的重视。本文首先拓宽用户界面的概念并介绍了地图可视化系统用户界面元素，通过分析现有　地图可视化系统用户界面设计中存在的一些问题，提出了基于认知规律的地图可视化系统用户界面设计原则，　并通过实例进行了详细说明。　关键词：用户界面；认知规律；地图可视化系统；电子地图　中图分类号：Ｐ２０８　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—５８６７（２０１３）１０—０１７０—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　Ｌａｗ　ｏｆ　Ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＳＯＮＧ　Ｌｉａｎｇ　（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｂｒｉｇａｄｅ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｍｉｎｅ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｊｉｕｊｉａｎｇ　３３２０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｔａｃｈｅ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅ—　ｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｅｎｏｕｇｈ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｉｔ　ＳＯ　ｆａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｙ．　Ｔｈｉｓ　ｔｅｘｔ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎａ—　ｌｙｚｅｄ　ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｉｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｏｍｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｌａｗ，ａｎｄ　ｇｉｖｅ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｉｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｌａｗ；ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｍａｐ　０引　言　用户界面是用户及计算机进行人机信息交流的窗　口…。用户界面的质量直接关系到应用系统的性能能否　核心，用户界面的设计和开发侧重于开发者从自己的角　度对系统功能的理解和描述，而忽略了对用户认知特性　的分析。这种基于传统软件的界面设计思想，已经跟不　上地图可视化系统用户范围日益广泛的发展需要。事实　上，了解并遵循人类认知心理是进行地图可视化系统用　充分发挥，能否使使用者准确、高效、轻松地操作。用户　界面设计是一个复杂的系统工程，涉及技术、艺术、心理　户界面设计的基础。因此，在地图已得到广泛应用的今　天，有必要对地图可视化系统用户界面设计进行深入研　究。本文将从认知规律的角度出发，探讨如何运用认知　规律来提高地图可视化系统用户界面设计水平，并且提　供一个多媒体电子地图集演示系统用户界面设计的例子　以供参考。　等诸多方面，是多种元素的整合体－ｚ　。　地图可视化系统是一种依据地图可视化理论、方法。　利用计算机硬件、软件设备和技术实现的计算机信息系　统，如各种专业ＧＩＳ软件、多媒体电子地图集、网络电子地　图、移动设备导航电子地图等。地图可视化系统作为一　种专家的分析工具而诞生，但在其发展中显现出大众化、　社会化的趋势　。正是因为这些趋势，对系统本身提出　１地图可视化系统用户界面元素　１．１狭义的用户界面元素　传统意义上的用户界面一般是窗口、菜单和工具栏，　本文将这些传统意义上的界面元素称为“狭义的用户界　了一个重大的挑战——如何被普通用户有效地使用。从　目前的地图可视化系统来看，用户界面的设计依然没有　摆脱普通软件的传统模式，系统开发仍然以功能开发为　收稿日期：２０１３—０２—２４　作者简介：宋亮（１９８３一），男，湖北武穴人，助理工程师，江西农业大学农业资源利用专业硕士研究生，主要从事３ｓ技术应用及低　空无人机航测系统应用研究等工作。　

第１Ｏ期　宋亮：基于认知规律的地图可视化系统用户界面设计研究　１７ｌ　面元素”。其中，显著影响用户使用效率的元素有：交互　方式、功能分布；影响用户对系统友好性评价的视觉元素　则有：颜色、字体大小、界面布局等。当然这种划分不是　这些系统对电子地图的研究主要是从制作者的角度　进行研究，而不是从用户的需求出发来研究。另外，注重　电子地图新技术的研究，如多媒体电子地图、三维电子地　图的研究，并且重点放在技术与功能的实现上，而从地图　绝对的，用户界面是一个整体，其中任何一个元素不符合　用户习惯、不满足用户要求都将降低用户对软件系统的　认可度，甚至影响用户的工作效率。　学角度对电子地图显示与符号设计的研究比较少，缺乏　系统有效的研究　。　１．２广义的用户界面元素　凌云等人认为，所有呈现在用户面前的信息交互接　３界面设计的一些准则　口都可看作是用户界面的组成部分，这些界面元素称为　“广义的用户界面元素”　。在地图可视化系统中，电子　地图作为系统向用户表达空间信息的可视载体，也应该　是用户界面的一个重要组成部分。因此地图可视化系统　用户界面属于广义的用户界面。针对具有不同认知特征　的用户对用户界面的不同需求，用户界面的表现形式也　有所差异。　２当前界面设计存在的问题　在地图可视化系统开发中，界面设计是一项很重要　的内容，任何一个人性化的、成功的、深受用户喜爱的地　图可视化系统的实现在很大程度上是靠界面来实现的。　通过对收集的地图可视化系统进行总结和分析，这些系　统在一定程度上满足了部分用户的使用需求，但仍有很　多用户因为用户界面的问题而不能有效地使用。这些问　题可以归纳为以下几个方面。　１）用户界面形式单一　现今的地图可视化系统多是以一种专业应用软件的　形式存在的，这对长期使用某一款地图可视化系统软件　的专业用户来说，单一的用户界面是可行的。但是过于　单一的应用软件形式用户界面对部分用户来说并不乐于　接受，因为用户在操作界面时感到困难或难以掌握，就会　对该系统失去兴趣　。　２）没有根据用户需求分别进行设计　地图可视化系统要面临众多用户，它的界面设计应　该针对不同类型的主流用户的需求来进行分别设计，并　提供给用户易于使用的工具，从而方便高效地应用系统，　然而，许多地图可视化系统并没有或者很少对这些进行　关注，从而造成大量用户的流失。　３）传统专业化的设计思想依然存在　系统的设计开发者往往通过自身的知识水平和认知　来设计出系统的结构、功能和风格。在用户界面中使用　专业术语，使得不具备相关知识的用户很难使用系统，并　且被动地适应系统的使用方法和风格，这些因素加重了　用户的认知负担，给用户造成了使用障碍。　４）界面设计不符合认知规律　许多地图可视化系统在开发过程中，理论研究的相　对滞后使其界面设计缺少理论指导，存在着许多不符合　认知规律的现象。主要表现在界面版面布局失衡、工具　栏摆放凌乱、图标设计不美观合理、色彩搭配不协调等。　５）电子地图本身的问题　３．１　认知心理学中的几点规律　１）视觉活动　视觉是用户从用户界面中获取信息的主要感知手　段，用户的视觉活动是一个重要的界面设计因素。视觉　活动规律主要包括颜色搭配规律、信息组织规律和注意　搜索规律　。在用户界面设计中，可以使用冷色调的界　面背景色使用户以平静的心情使用系统；当屏幕上信息　很多的时候，如果不采取一定的组织方式，那么整个屏幕　将显得十分凌乱，这时可以利用信息组织规律，把相关的　信息放得近一点或把相关的信息用相同的颜色表示，这　样这些信息看起来是一个整体，用户就会快速准确地察　觉到它们；重要信息需要用醒目的颜色或能够区别于背　景的运动来强调，以引起用户的注意。　２）记忆　记忆认知关系到用户能否有效地通过用户界面掌握　系统的使用方法。人类记忆可分为感觉记忆、长期记忆　和短期记忆　。　。在工作时，人类一般是运用短期记忆，　它的保持时间短，存储容量也小。界面设计时，也应考虑　短时间记忆的这个特点，合理地利用人类的短时间记忆　功能。另外，在界面设计中还要考虑一致性，在类似的情　况下，必须有一致的操作序列，在提示、菜单和求助屏幕　中必须产生相同的术语，自始至终使用一致的命令，这样　便于用户记忆。其次，让用户能够经常使用快捷键。随　着使用频率的增大，用户希望减少对话的次数，特殊键、　隐含命令都是实现捷径的合适方法。再有，可以把相关　的命令归结组织在一起，这些都可以减少短期记忆负担。　３）理解能力和学习能力　用户理解能力的差异使得不同用户对用户界面有不　同的要求，影响用户正确理解信息可视化表达方式。用　户的学习能力是系统对用户提供帮助和提示的一个重要　依据。针对不同学习能力的用户，系统提供帮助和提示　的频率、场合以及形式应有所不同。用户的理解能力和　学习能力的差异通常由他们的年龄、文化程度、知识结构　的不同而产生。　以上几点用户认知特性主要在用户与界面交互时起　作用，所以，在进行界面设计时必须考虑上述因素。　３．２用户界面的设计原则　１）合理性原则　功能按钮的设计根据使用频率主次分开，不可一味　强调界面的漂亮花哨，而忽略了基本功能的设置；布局安　排考虑用户的视觉注意习惯；地图本身的色彩、符号设计　

１７２　符合基本的地图设计原则。　２）简洁性原则　测绘与空间地理信息　４．１．１　布局设计　２０１３．皋　布局设计是指对界面内容进行组织与安排。不同的　用户有不同的界面设计需求。用户界面的布局一般分为　界面必须简洁，操作力求简练，措词要准确，常用的　工具以工具条的形式组织在一起，图标要形象生动，使用　“同”字形、“国”字形、“匡”字形、“三”字形、“川”字形等　五类。专业型用户界面布局设计应该简洁明快，尽量少　户一目了然，既方便地图浏览和控制又符合逻辑思维，又　有助于用户的短时记忆。　３）一致性原则　用无谓的装饰，并且为将来设计的工具条、菜单及状态栏　预留位置。设计中将整体色彩组合进行合理搭配，主菜　单和工具栏应放在左边或上边，状态栏放在下边，以符合　视觉流程和用户使用心理。如图１所示是笔者设计的　ＥｍａｐＳｅｅ的“匡”字形布局。　利用视觉组织特性中的临近性、相似性和封闭性原　则把相关内容以功能区的形式组织在一起，用不同的颜　色进行区分，位置安排合理紧凑，使界面具有整体感；结　构布局、工具栏、导航窗等界面元素风格和位置保持一　致；具有相同功能的图标在整个交流中必须保持形式上　的一致；主界面色彩推荐选用与地图主色块明度和纯度　相近的色彩；提示、菜单和帮助中心采用相同的术语，减　轻用户的记忆负担。　４）针对性原则　界面设计应该根据浏览者的个性特点和意识水平，　恰当地选择设计的方法技巧。首先，界面设计应该针对　浏览者的层次特点。界面不可能在共时状态下符合每一　个浏览者的全部特点和要求，但却可以依据浏览者的不　同年龄、不同职业、不同文化素养等所形成的层次特点，　采用相应的知识水准进行有针对性的设计。其次，界面　设计还应该考虑浏览者的需求。另外，界面设计应该针　对浏览者的阅历经验、心理态势和个性特点，熟悉和了解　他们并满足他们的心理要求，符合他们的兴趣爱好、脾气　性格和视觉符号。　４实例分析　以上是地图可视化系统用户界面设计的一般性原　则。在实践中，不同用户类型具有不同认知特性和不同　的用图需要，因此以上原则的具体应用还是因人而异的。　例如：根据技术熟悉程度，可分为专业型用户和非专业型　用户；根据年龄阶段，可分为儿童用户、青年用户、中年用　户和老年用户等。地图可视化系统用户界面设计必须面　向用户对象，了解用户层次的多样性，分析用户的认知特　性，以用户为中心进行需求分析，力争做到界面友好美　观　。下面以多媒体电子地图集演示系统（简称Ｅｍａｐ．　Ｓｅｅ）为例来对地图可视化系统用户界面设计进行说明。　笔者对系统用户进行分析，把系统用户分为专业型　用户和非专业型用户两种，针对这两类用户的认知特性　和需求进行分析，把用户界面元素分别做出如下设计：　４．１　专业型用户　专业型界面以专业用户（如地图学者、教授、科研工作　者等）为主要对象，因为专业人员一般都有使用计算机软　件的先验知识，熟悉地图及操作地图的各种工具，所以专　业型界面布局特征与Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统下的一些常见的　应用软件较为相似。因而，界面设计要符合专业特点，不　能随意设计。如何使系统用户界面合理布局、重点突出、　层次分明、色彩协调、清晰易读是这类界面设计的重点。　图１　Ｅｍａｐｓｅｅ的专业型用户界面　Ｆｉｇ．１　Ｅｍａｐｓｅｅ　ｏｆ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　４．１．２按钮设计　工具条按钮图标设计可以采用常用地图软件中的约　定俗成的专业符号，最好具有工具名称的隐式文字提示　（鼠标滑过时显示）。工具按钮排列整齐、大小一致、色彩　协调，也可添加一些动态效果来增强网络地图的耐读性，　降低使用的单调感和枯燥感。　４．１．３　菜单和状态栏设计　菜单设计一般有选中状态和未选中状态，左边应为　名称，右边应为快捷键，如果有下级菜单应该有下级箭头　符号，不同功能区间应该用线条分割。状态栏是为了对　软件当前状态的显示和提示，主要是显示当前地图的比　例尺、鼠标当时的状态、位置等。　４．１．４色彩设计　色彩可以产生强烈的视觉效果，使设计更加生动。　用户在系统时，留下的第一印象就是界面的色彩设计，它　的好坏直接影响用户的观赏兴趣。因此，色彩设计在界　面设计中居于十分重要的地位。界面的色彩设计应把握　以下几个方面：首先是整个界面的色彩选择，确定一个主　色调，可以有利于体现地图主题。电子地图的地图面积　一般较大，主界面背景色彩推荐选用与地图主色块明度　和纯度相近的色彩。其次，在地图封面的色调搭配上一　定要注意不能有强烈的对比，特别是同时使用色彩对立　的颜色。大面积颜色适宜采用低对比度，因为过于丰富　的背景色彩会影响前景图片和文字的取色，严重时会使　文字融于背景中，不易辨识。