Проблема формирования эффективных картографических интерфейсов информационных систем для задач управления территориями

УДК 004.7, 004.45

1 “? “?

М.Г. Шишаев ' , Т.А. Порядин

1 ФГБУН Институт информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН

2 Кольский филиал ПетрГУ

ПРОБЛЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕЙСОВ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЯМИ*

Аннотация

В статье рассмотрена проблематика эффективного картографирования для быстрого и адекватного восприятия информации. Представлен краткий обзор психологии восприятия и современных способов картографирования, предложена общая схема технологии динамического когнитивного картографирования.

Ключевые слова:

картографирование, визуализация данных, интерактивный визуальный анализ.

M.G. Shishaev, T.A. Poryadin PROBLEM OF EFFECTIVE MAP-BASED INFORMATION SYSTEM’S INTERFACE FORMATION FOR TERRITORIES MANAGEMENT TASKS

Abstract

The article describes the problems of efficient mapping for fast and adequate perception of the information. A brief review of cognitive psychology and modern mapping techniques is given. General scheme of dynamic cognitive mapping technology is proposed.

Key words:

mapping, data visualization, interactive visual analysis.

Введение

Современные задачи управления требуют оперативной обработки больших объемов разнородной информации. Несмотря на быстрое развитие, современные информационные технологии (ИТ) не способны соперничать в этой области с человеческим мозгом. Как следствие, получило развитие такое направление прикладной информатики, как интерактивный визуальный анализ -Interactive Visual Analysis (IVA) [1]. Методология IVA подразумевает, что ИТ играют вспомогательную роль в процессе обработки информации и принятия решений: их основная функция заключается в предварительной подготовке и адаптации информации о ситуации и последующей передаче человеку для окончательного анализа и принятия решения.

* Работа выполнена в рамках проекта №2.8 программы фундаментальных исследований ОНИТ РАН «Интеллектуальные информационные технологии, системный анализ и автоматизация», при поддержке РФФИ (грант № 13-07-01016 «Методы динамического синтеза когнитивных интерфейсов мультипредметных информационных систем»).

В задачах управления территориями наиболее эффективным способом визуального представления информации является геоизображение (карта) [2]. В контексте комплексного управления территориями для формирования геоизображений необходимо оперативное и динамическое картографирование. При этом для окончательного анализа ситуации и принятия решений должны привлекаться специалисты и эксперты в различных предметных областях. Как правило, представители различных предметных областей имеют существенно разные когнитивные и ментальные стереотипы, определяющие способы восприятия и оперирования информацией. Таким образом, для оперативного картографирования, ориентированного на пользователей различных категорий, необходимы специализированные технологии, обеспечивающие автоматизированное формирование геоизображений, адаптированных к особенностям восприятия человека и способствующих, тем самым, более быстрому и адекватному принятию решений. Подобные технологии могут базироваться на формальном представлении знаний о предметной области и об особенностях человеческого восприятия информации.

В данной работе рассмотрены гештальты и перцептивные стереотипы как средство описания закономерностей восприятия информации группами людей, современные подходы к решению задачи эффективного картографирования. Также предложена технология динамического когнитивного картографирования, основанная на формализованных знаниях о предметной области и особенностях человеческого восприятия.

Психология восприятия: гештальты и перцептивные стереотипы

Общепринятые сегодня подходы к описанию процессов восприятия и структурирования ощущений человека сформировались в начале XX века в рамках школы научной психологии, получившей название гештальтпсихология. Основной идеей гештальтпсихологии является постулат целостности восприятия, означающий, что воспринимаемая человеком картина не является простой суммой ее составляющих. Человек всегда стремится интерпретировать опыт как некоторое доступное пониманию целое. Ярким примером подобной структурной целостности восприятия является наблюдение о том, что известная человеку мелодия узнается даже в случае, если она транспонируется в другие тональности. Центральным понятием гештальтпсихологии является гештальт -целостная структура (от нем. Gestalt — образ, форма), в принципе не выводимая из образующих ее компонентов.

Согласно гештальтпсихологии, целостность восприятия и его упорядоченность достигаются благодаря следующим принципам:

- близость (стимулы, расположенные рядом, имеют тенденцию восприниматься вместе);

- схожесть (стимулы, схожие по размеру, очертаниям, цвету или форме, имеют тенденцию восприниматься вместе);

- целостность (восприятие имеет тенденцию к упрощению и целостности);

- замкнутость (отражает тенденцию завершать фигуру так, что она приобретает полную форму);

- смежность (близость стимулов во времени и пространстве; смежность может предопределять восприятие, когда одно событие вызывает другое);

- общая зона (принципы гештальта формируют наше повседневное восприятие наравне с учением и прошлым опытом; предвосхищающие мысли и ожидания также активно руководят нашей интерпретацией ощущений) [3].

Восприятие гештальтов можно считать одинаковым практически для всех людей. Вместе с тем, для групп людей объединенных общей культурой, образованием или профессией существуют свои, специфичные для группы, принципы восприятия. Эти принципы названы исследователями П. Фоули и Н. Моури перцептивными стереотипами [4]. Такие стереотипы устойчивы и остаются неизменными на протяжении всей жизни индивидуума. В отличие от гештальтов, перцептивные стереотипы отражают специфику некоторой проблемной области и могут рассматриваться как принципы, способствующие точному и быстрому восприятию объекта в контексте определенного спектра прикладных задач.

Но так как у разных групп людей разные перцептивные «стереотипы», они могут противоречить друг другу, а это приведет к ошибкам в восприятии. Примером может служить разная интерпретация красного и синего цвета учеными-физиками и большинством других людей. Для большинства красный цвет обычно считается «теплым», а синий - «холодным», но у физиков синий цвет вызывает ассоциацию с более нагретым телом (это объясняется известным соотношением между температурой черного тела и его спектром излучения). Еще один подобный пример связан с эксплуатацией электростанций. Обычно индикаторы, указывающие на нормальную работу агрегатов, делаются зелеными, а в случаях неисправности применяются индикаторы красного цвета. Но в электротехнике сложилось, что красный цвет используют для обозначения замкнутых цепей, по которым течет электрический ток, а зеленый — для разомкнутых цепей. Поэтому может возникнуть конфликтная ситуация из-за неправильного восприятия.

Отсюда следует, что для правильного и быстрого восприятия информации важно установить, какие стереотипы формируют восприятие пользователя. Тогда можно определить, как правильно отобразить данные.

В тех случаях, когда наблюдатель находится в состоянии напряжения, в условиях дефицита времени или он устал, в восприятии проявляется тенденция выделять ожидаемые стереотипы (даже если в нормальных ситуациях восприятие ничем не затруднено). В этом случае нужно представлять человеку информацию только в том виде, который соответствует его стереотипам восприятия.

Кроме способа визуализации информации, на скорость и адекватность ее восприятия влияет и ее количество. Человеческую память часто подразделяют на две составляющие: долговременную память, которая является постоянным источником информации о мире, и кратковременную, или оперативную, память

— ограниченный запас «осознанной» информации, который является временным. В оперативной памяти удерживается ограниченное число несвязанных друг с другом элементов, даже если повторению уделяется все внимание; это число изменяется от 5 до 9 [5]. Из этого следует, что количество отображаемых данных нужно регулировать. Например, группировать данные и ранжировать по важности для отображения только самой важной информации.

Современные способы картографирования

Для изображения различных объектов и процессов, их качественных и количественных характеристик на картах используют особый язык - условные знаки (условные обозначения). Существуют общий стандарт картографических знаков и множество специализированных, ориентированных на ту или иную предметную область.

Условные знаки на географических картах выполняют сразу две функции

- определяют пространственное положение объектов и указывают их вид и некоторые характеристики. Различают площадные (или масштабные), линейные, внемасштабные и пояснительные условные знаки. Перечень всех используемых на карте условных знаков и их объяснения содержит легенда к карте. Из чтения легенды можно составить представление о карте, не глядя на неё.

Объектами, изображаемыми на картах, могут быть любые предметы, явления или процессы. Для их изображения применяют самые разнообразные способы. Так, рельеф Земли изображается послойной окраской: низменности, имеющие высоты от 0 до 200 м, закрашиваются зеленым цветом, а возвышенности, имеющие высоты от 200 до 500 м, — светло-коричневым. Какой высоте соответствует каждый цвет, видно из таблицы, размещаемой внизу карты. Она называется шкалой высот. Пользуясь ею, можно быстро определить приблизительную высоту какого-либо участка территории. Так же построена и шкала глубин. Высоты некоторых горных вершин или низменностей, а также глубины океанических впадин показаны на карте и глобусе в метрах.

Полезные ископаемые Земли (уголь, нефть, газ, золото, алмазы и др.) показывают на карте специальными значками. Это международные значки, они понятны большинству образованных людей.

Изолинии (от греческого isos - равный) - линии на географических картах, проходящие через точки с одинаковыми значениями какого-либо географического явления, например, атмосферного давления — изобары, температуры воздуха — изотермы, высоты земной поверхности - изогипсы (горизонтали).

Способ ареалов используется на картах растительности, животного мира, карте лесов. С его помощью показываются площади распространения (ареалы) тех или иных видов растений, животных или лесов разного состава: хвойных, смешанных и т.д.

Знаки движения изображают перемещение различных объектов и явлений на карте: морские течения, ветры, воздушные массы, а также транспортные перевозки грузов и пассажиров.

Качественный фон используют для изображения качественных характеристик какого-либо явления или процесса (без количественных показателей).

Картодиаграмма изображает на карте географические объекты или явления диаграммными фигурами, например — промышленность крупных городов на карте промышленности.

Картосхема - схематическая карта, не имеющая градусной сетки, изображает географические объекты и явления просто и наглядно. Например, картосхема погоды, картосхема торговых связей страны, схемы маршрутов и путешествий и т.д.

Картограмма - это схематическая географическая карта, на которой штриховкой различной густоты, точками или окраской определенной степени насыщенности показывается сравнительная интенсивность какого-либо показателя в пределах каждой единицы нанесенного на карту территориального деления (например, плотность населения по областям или республикам, распределение районов по урожайности зерновых культур и т.п.) [6].

Таким образом, на сегодняшний день сформировались некоторые общие принципы визуализации картографических объектов. Однако, вследствие естественного стремления к общности, данные принципы не могут охватить все множество специфичных задач картографирования территорий, возникающих при решении тех или иных прикладных проблем.

Одним из вариантов решения данной проблемы является специализированный стандарт картографирования, ориентированный на некоторое ведомство и, как следствие, на ограниченный спектр прикладных задач. Примером может служить стандарт МЧС. В нем строго указаны требования, правила и порядок картографирования, и перечислены условные обозначения и знаки. Для специалистов в этой области не будет проблем с пониманием информации представленной по этому стандарту. Однако для человека, не имеющего отношение к МЧС и незнакомого с данным стандартом, карта, сформированная на его основе, далеко не всегда будет понятной. В упомянутом стандарте имеются условные знаки, интерпретация которых для рядового человека будет затруднительна (рис. 1).

— пункт управления ГО города

— газопровод с газокомпрессорной станциеи

пункт управления ГО республики в составе РФ

нефтепровод с перекачивающей станцией

Т5 О СУ — аммиакопровод

— могильники химические

Рис. 1. Пример условных обозначений и знаков МЧС

Таким образом, специализированные стандарты лишь частично решают проблему эффективного картографирования. В ситуациях, когда интерпретировать карту необходимо одновременно нескольким специалистам из различных проблемных областей, требуется либо некоторый универсальный способ визуализации картографической информации, либо динамическое картографирование «на лету», адаптированное под особенности восприятия того или иного пользователя. Создание стандартов под все возможные существующие задачи, в особенности в условиях постоянного появления новых, не представляется возможным. Поэтому выходом из положения представляется создание технологии динамического когнитивного картографирования, адаптированного под специфику восприятия пользователя.

Технология динамического когнитивного картографирования

Технология динамического когнитивного картографирования основана на формальном представлении знаний о предметной области и об особенностях визуального восприятия информации пользователями различных категорий [7]. Одним из ключевых компонентов технологии является специализированная онтология пользовательского представления [8], описывающей визуальные картографические стереотипы для различных категорий пользователей. Общая схема технологии представлена на рис. 2.

Внешние

информационные

источники

ГИС

Формулировка задачи

V

V____V

Расчетно-аналитическая подсистема: имитационное моделирование, динамическое атрибутирование слоев

Онтология

пользовате-

льского

представления;

Онтологии

предметной

области

V.

С

Атрибутированные картографические слои

Логический вывод и визуальное атрибутирование

Картографическое геоизображение

Рис. 2. Функциональная схема информационной технологии

На основе формулировки задачи, пространственной и атрибутивной информации, хранящейся в ГИС, а также информации из разнородных внешних источников в рамках расчетно-аналитической подсистемы формируются атрибутированные картографические слои, подлежащие визуализации. Затем, в ходе логического вывода на онтологиях предметной области и пользовательского представления, с учетом характеристики задачи и контекста ситуации, осуществляется визуальное атрибутирование геоизображения (сопоставление пространственным объектам графических образов — форм и визуальных атрибутов). Таким образом, обеспечивается содержательное соответствие картографического геоизображения специфике решаемой задачи и психологии восприятия информации лицом принимающим решение.

Использование в рамках технологии формализованных знаний о ментальных стереотипах пользователей (в форме онтологии пользовательского представления) позволяет оперативно формировать картографические интерфейсы информационных систем, обладающие высоким уровнем когнитивности. В свою очередь, формализованные в виде онтологии знания о предметной области обеспечивают возможность автоматизированного анализа информации, характеризующей ситуацию, поступающей из различных источников. Такие особенности данной технологии открывают широкие возможности для построения на ее основе систем комплексной информационной поддержки задач управления территориями.

Заключение

Территории, как объекты управления, представляют собой сложные системы взаимосвязанных компонентов социальной, экономической и экологической природы. Управление подобными системами требует привлечения лиц принимающих решения (ЛПР), являющихся специалистами в различных предметных областях. Для эффективной информационной поддержки принятия решений в условиях разнородности задач управления необходимо обеспечить ЛПР адекватной задаче, достаточно точной и быстро интерпретируемой информацией. Динамически формируемая интерактивная карта представляется наиболее эффективным интерфейсом систем, реализующих такую поддержку.

Оперативное формирование когнитивного картографического интерфейса информационной системы поддержки управления территорией является сложной задачей. Для формирования эффективных (в смысле простоты и скорости восприятия) интерфейсов необходимо учитывать особенности психологии восприятия человека, в том числе обусловленные его профессиональной или иной специализацией. Перспективным подходом к реализации таких интерфейсов представляется использование в рамках соответствующих информационных систем формализованных знаний о предметной области и об особенностях восприятия человеком визуальной информации.

Литература

1. Oeltze S., Doleisch H, Hauser H., Weber G., Interactive Visual Analysis of Scientific Data. Presentation at IEE VisWeek 2012, Seattle (WA), USA.

2. Берлянт, А.М. Геоиконика / А.М. Берлянт. - М.: Астрея, 1996. -206 с.

ISBN 5-7594-0025-8. 206.

3. Koffka K. Principles of Gestalt psychology. N.Y., Routledge, 1935. -720 с.

4. Салвенди, Г. Человеческий фактор /Г. Салвенди. - М: Мир, 1991. -276 с. ISBN 5-03-001710-0.

5. Миллер, Дж. А. Магическое число семь плюс или минус два. О некоторых пределах нашей способности перерабатывать информацию / Дж. А. Миллер //Инженерная психология /под ред. Д.Ю. Панова и В.П. Зинченко. -М., 1964.468 с.

6. Берлянт А.М. Картография / А.М. Берлянт. - М: Аспект Пресс, 2002. -336с. ISBN 5-7567-0142-7.

7. Шишаев, М.Г. Технология интеллектуализированного динамического картографирования в задачах управления комплексной безопастностью территорий / М.Г. Шишаев, П.А. Ломов // Применение космических технологий для развития арктических регионов: сборник тезисов докладов Всероссийской конференции с международным участием. - Архангельск: ИПЦ САФУ, 2013.

- С.274-276.

8. Ломов, П.А. Преобразование OWL-онтологии для визуализации и использования в качестве основы пользовательского интерфейса / П.А. Ломов, М.Г. Шишаев, В.В. Диковицкий // Онтология проектирования. - Самара: Новая техника. -2012. -№3. -C.49-61. ISSN 2223-9537.

Сведения об авторах

Шишаев Максим Геннадьевич - д.т.н., заведующий лабораторией,

е-mail: shishaev@iimm.kolasc.net.ru

Maksim G. Shishaev - Dr. of Sci (Tech), Head of laboratory

Порядин Тимофей Александрович - аспирант,

е-mail: modernguilt@mail. ru

Timofey A. Poryadin - Post-graduate