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评估多模态接口设计对于移动地理信息系统的益处，以罗盘项目为例

J. Doyle·M. Bertolotto·D. Wilson

收稿日期：2008年4月3 /修订：2008年11月25日/

接受日期：2009年2月19日/在线发表时间：2009年3月10日

copy;斯普林格科学与商业媒体，LLC2009年

摘要:

在移动背景下，对于基于位置的服务的地理信息系统应用，提出了许多问题。移动设备的限制，如小用户界面的足迹和笔输入，而在运动中，导致信息过载等设备和接口，难以导航和互动。这已经成为一个主要问题，作为移动地理信息系统的应用现在被广泛使用的用户，包括新手用户，如游客，对他们来说，提供易于使用的应用是必不可少的。尽管如此，仅有较少的研究已经进行了解决的移动性问题。我们特别关注提供给移动GIS的用户从而起到在促进使用这样的应用程序，同时移动的复杂性主要作用有限的交互技术。因此，我们的研究主要集中在以多模态接口作为一种手段，使目前的用户与移动地理信息系统的应用与互动的方式更广泛的选择。在移动环境下，多模态交互是特别有利的，从而使基于位置的应用程序的用户选择输入的模式最适合他们的当前任务和位置。这篇文章的重点是一个全面的用户研究，演示了多模态接口的移动地理空间应用的好处。

关键词:移动地理信息系统 多模态 人机交互 移动 用户评价

简介:

许多地理空间应用程序本质上依赖于移动性。用户需要访问地理信息系统和基于位置系统所提供的信息和服务。它是同时“在现场”，这种应用程序的用户获得最大的利益为地理空间应用程序允许他们导航和查询其当前的环境。然而，一系列的因素与流动性构筑了在使用地理空间应用程序的复杂性。迁移率涉及移动设备和同时移动相互作用的问题。虽然移动设备的可用性和使用已显着增加，在最近几年，随着设备技术的进步，仍然还存在着对移动GIS的可用性的有负面影响的移动地理信息系统。移动设备的一个显着的问题是，他们试图让人们获得强大的计算服务，通过小接口，通常有小的视觉显示和输入技术差。此外，在运动中使用的移动地理信息系统的可用性存在问题，因为它可能是很难与这样的应用程序使用的笔和虚拟键盘进行交互。因此，需要出现在设计移动地理空间应用时，解决与移动设备技术和移动环境相关的人机交互的挑战。

我们的研究尤其关注互动提供给移动GIS用户的限制方法，这对用户可以依赖于位置的应用程序的产生交互影响。解决这一问题是在解决与互动应用等相关的复杂性，在流动性的背景下问题的关键。解决这些挑战的解决方案包括引入对移动环境的相互作用的改进模式。单独平板电脑的手写笔可能不是一个适当的输入方式来传达的移动GIS用户的意图。在运动的同时，可能难以利用笔/触针与GIS应用进行交互，用户可能需要精确点到小或相对较小的界面组件来由虚拟键盘输入文本。这种互动可能成为用户的累赘。此外，安全问题表明了是谁来掌控GIS用户。因此，新的输入技术，如语音命令，是必需的。

研究表明，多模态接口有助于大大降低地理信息系统接口[ 1，4，9 ]的复杂性。多模态交互允许他们使用与用户类似的方式进行交互，如使用语音，手势，触摸和头部和眼睛跟踪，例如，允许更自然的互动。在移动地理空间环境中的多通道接口的好处很多。这些包括

——在移动环境中灵活的交互。多模态接口允许用户在不同的任务空间对比环境中，选择最合适的方式，这为用户提供了更大的自由行使控制他们如何互动。因此，他们可以选择使用的方式，不仅是更适合自己的当前任务，也是最直观的的任务。

——非专业用户组的访问空间信息增加。多模态接口可以帮助确保访问移动地理信息系统的人，不论的技能水平，年龄或感觉障碍，都能正常访问。语音命令和手势可以提供一种比通过菜单手写笔导航更自然和直观的方式与地理信息系统的通信，为那些具有不多电子设备使用经验的用户提供帮助。此外，通过不同的方式呈现的信息允许用户适应信息显示的格式，适合自己的认知学习风格，或让他们可以进行感官访问[ 18 ]。

——新颖的可视化和互动，为专业用户群提高了效率。多模态可以确保地理信息系统专业人士如地理学、测绘工作者增强在该领域的编辑制图能力。例如，在支持听写系统可以允许用户有效地进入注解。此外，增加效率的多应用持的在单峰并行，对在时间限制下GIS专业人士的工作具有重要意义。

——提高地理空间应用的稳定性。例如，输入方式的相互消歧使得由个体方式[11]所犯的错误可以整改。此外，多模式应用程序支持多模态误差校正，这已被证明无论在避免和恢复方面从错误中[15]优于单峰纠错。

——用户偏好多模态交互（超过单峰互动）。我们过去的研究已经显示了用户非常喜好与移动地理信息系统[1]的多模态交互。这归因于情感的增加，如何可以进行交互，增加灵活性，更高的效率和更直观交互的感觉。

这项研究的主要贡献是如何多输入技术可以显著降低在移动环境中的多功能GIS为广泛的用户，包括专家和非专家进行交互的复杂性进行综合评价。我们通过我们的罗盘（结合空间服务移动应用的个性化）项目开发的客户端组件提供了一个案例研究。

罗盘是一个复杂的地理信息系统，通过它的客户端界面提供全面的地理空间功能。不仅指南针支持传统的GIS功能，比如导航和查询，但它也提供了个性化的地图细节的用户除了支持注释功能和渐进媒介传播等。因此，这是根本，我们的接口提供了直观的交互方式，在移动环境中进行此功能。这些都是我们在罗盘客户端多接口的设计和开发应对挑战。

本文的其余部分安排如下。第2节提供了移动GIS和多应用领域的一些相关研究进行了概述。罗盘客户端，它支持的功能的结构部分概述3.第4，第5和第6为我们的移动客户端界面的评估的细节，并强调我们的研究结果表明其中多模态接口的移动GIS应用的好处。最后第7节给出结论和未来的发展。

相关工作:

多模态应用程序提供的地理空间服务的阵列已广泛扩大，范围从城市导航和方式寻找游客，应急规划和军事模拟。在本节中，我们提供多模态移动GIS的研究领域里最先进的当前状态的概述，并提供了罗盘如何与这些应用程序进行比较的详细列表。

DeepMap [8]是具有两个面的原型导游系统。首先，用户可以规划自己的未来，通过DeepMap的基于Web的界面之旅，从他们的家。 DeepMap因而提供了这样的用户与他们的原型基于移动版本，它可以用作导航海德堡市的一名导游。其中一个DeepMap移动导游的主要目标是提供一个用户界面，既直观又可以方便地访问空间信息的用户。作者努力通过使用两者3D可视化（除了2D可视化），并通过提供用于相互作用的输入和输出的多种模式，以实现这一目标。然而，他们发现的3D可视化太复杂，无法实现在移动设备上诸如PDA由于计算性能的限制。对于多峰相互作用，提供了一种自然语言接口，它允许免费语音和真实的对话框。然而，不使用命令语法。因为它们支持更有力，更准确的识别语法，在任何应用程序，支持语音识别非常重要。因此，语音语法被纳入范围内。

移动应用程序的一个特点是在不断变化的环境背景，因此改变的噪声水平，这可能对合并语音应用造成严重影响。研究的在[16]的目的是为了提高语音识别率，为用户在其附近里程碑式的目的和作者相互作用发现将产生一致的，健壮的识别率的多个输入模态。然而，这样的应用的主要问题是，它只是一个导游系统提供导航支持和信息上具有里程碑意义的游客对象。全部地理空间功能不被剥削。类似的限制适用于宝马个人导航器（BPN）[7]的BPN允许用户计划从家用计算机即将到来的行程，将下载信息传送到PDA设备，并然后使用此信息，无论是在汽车和步行的同时，浏览到一个感兴趣的区域。而基于PDA的应用程序允许用户与他们的环境中使用语音和手势输入，又只是用来作为导航，明显限制了这种基于位置的应用的可能性。

在地理信息系统的接口复杂性的问题[13]得到解决，它描述DAVE_G（对话辅助的地理信息可视化环境），它使用语音和手势的组合来帮助用户协作组的工作应对危机时的系统情况紧急管理的范围内。因此，DAVE_G是一家专业的地理信息系统应用。然而，它的目标用户是那些没有特殊地理信息系统培训，因此寻址复杂度的系统的可用性是至关重要的。笔者发现，如查询，使用语音和手势一个任务是更高效，天然的，比传统的方法查询，从而更方便用户使用。结果这样的查询是即时，这样的效率的应用，如应急管理的必要条件。此外，除了对语音使用手势的优点是，当需要指定诸如位置的空间信息的语音可能不完全准确。然而，这样的研究，进行了大屏幕显示器上，而不是在移动设备上。尽管这样，DAVE_G系统表明多模式互动可以减少在紧急情况管理状况的用户的任务的复杂性。

多模态交互的研究往往集中于如何最好地使用不同的输入方式增强的应用程序。很少研究已经进行但到多模态的反馈。但是。在[ 6 ]中描述的使用相结合的口头信息与视觉方式协助目标位置的任务。作者提出了一个实验评估的目的是评估的效率，准确性和可用性的口头系统信息，包括简短的空间信息，以帮助用户找到对象在拥挤的显示器，以最小的努力。实验包括在一个场景中寻找一个预先观看的照片，并选择它尽快使用鼠标。口头信息，以帮助用户组成的简短的短语，如“在左边（屏幕）”或“在底部”。提供口头反馈，作为视觉刺激的补充证明是更有效和准确的比没有口头输出。此外，评价受试者表示偏好为这样一个任务的口头信息包含。虽然这个实验是没有空间为基础的，它表明在一个场景中的对象定位的语音输出的实用程序，因此可以应用到地理信息系统。

多模态反馈/罗盘以确认消息的形式输出打印到屏幕底部的一个不显眼的信息栏（例如，当语音命令已被正确地解释）。此外，音频提示被输出，以帮助用户在完成复杂的任务。这样的语音提示不是弹出窗口显示信息的消息，因为用户必须暂停他们的任务读取邮件消耗较少的认知资源。弹出窗口也占用了大量的屏幕空间的小型设备上，因此暂时阻碍他们的地图的用户视图。语音提示，另一方面不从用户的主要任务分心，让他们能够继续执行其任务，而他们接收指令，以进一步帮助他们。

虽然每个在本节介绍的系统提供相关研究多模态移动地理信息系统领域，他们也遭受我们试图管辖的范围之内解决一定的局限性。这些限制总结如下：

——绝大多数目前移动GIS的应用是在游客，因此仅支持有限的地理空间功能有针对性的，如寻路和有关兴趣点访问语义信息。

——这样的系统在平板设备典型地实现。虽然这些设备有被小，重量轻的优点，可用于显示地图的可用屏幕空间是非常有限的，可以有影响的复杂性和所需的阅读移动地图的认知资源。

——有一个明显缺乏新的交互技术支持，加强与这些系统交互移动环境。支持多个输入模式增加了灵活性和选择用户在交互，因此可以增强可用性和效率。

许多那些确实支持多模态交互系统往往缺乏这指南针提供的其他功能。例如，提出了多模式导游应用缺乏只提供导航和信息观看全地理空间的功能，但是没有空间注解功能，例如。这些系统主要是针对旅游或类似的非专业用户，而其他多模态系统已经开发专为在专业范围内（例如DAVE_G）使用。此外，无论是对于专业或非专业使用而开发的，许多提出的多模态系统都是基于手持设备，如平板电脑。除了与这样的硬件设备相关的地图阅读的认知问题，他们缺乏的复杂性，使专业用户可以在移动环境中有效地开展工作。最后，大多数系统提出不支持任何反馈或多模态的错误校正，这是必要的，以确保强大的多模态应用。

我们通过解决罗盘客户端界面上述限制。首先，罗盘是一个多功能的GIS不仅支持导航和信息检索，还操纵，定制，查询，地图和地图的注解。罗盘的更多细节在下面的章节。

罗盘系统客户端

罗盘（结合空间服务移动应用的个性化）是集标准的GIS功能，如导航，空间查询和基于矢量的空间数据操纵的大型GIS应用。与许多现有的GIS应用然而，罗盘进一步支持创新功能，包括空间数据，在整个无线网络渐进传输和注释地图功能的可能性个性化。此外，罗盘被设计成一个移动GIS，允许用户从它的功能在移动环境中受益。即，用户可下载并与需求位置敏感空间信息交互。我们的移动客户端的主要目标是开发一个用户界面，整合所有的罗盘功能。罗盘是一个固有的复杂地理信息系统是非常必要的客户端界面易于使用的，直观，非常灵活，允许专家和非专业用户进行可视化，并有效地与地理空间数据进行交互。这变得更加关键为依赖于位置的应用，如移动接口具有部分由于在第1节中讨论的移动设备的局限性特殊需要，也能基于位置的应用的不断变化的环境。

罗盘使移动用户能够连接到远程服务器，并下载和使用的多模态通过无线连接在GML（地理标记语言）文件格式个性化矢量地图交互。 GML是在罗盘用作数据存储和交换格式。造成这种情况的主要原因是GML是一个开源，非专有OGC标准，因此，我们的系统内使用GML确保其他GIS应用程序的用户可以访问和使用我们的空间数据。我们已经成功地提高了人机交互技术，让在移动环境中空间数据的灵活，高效的互动。在我们的客户接口，支持多种输入模式提供了具有灵活性的用户基于这是最直观的交互它们模式之间切换，最适合于履行其当前的任务，还是最适合他们的直接地球物理位置。具体而言，除了传统的输入技术（例如一支笔/触针），我们支持通过语音（命令和听写），笔手势，语音和手势和手写的组合用于要求用户输入的文本信息的任务的相互作用。

语音交互的采用通过关闭的，现成的语音识别软件产品的集成是可能的。虽然这种产品的可容易地插入到现有的应用程序，一些挑战出现以提供有效的整合成一个地理信息系统，最重要的是利用这样的功能的直观。这直观应该在多个不同水平的建立。首先，关键是要确保的语音功能的接口的可用性是显而易见给用户。此外，应当是显而易见的用户如何在打开这样的功能。的功能也应很容易地（在教堂例如用于一个旅游用户）关闭时，如果用户的当前上下文需要它。与应用程序交互，必须制定并集成到现有的代码声音的适当命令列表。这样的命令应该是不言自明，以确保直观的用户交互。另外，至关重要的是，提供这样的方法，以支持从与语音任务错误易恢复。

罗盘客户端模块的结构如图所示。 1.客户端界面的

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