王喜鳳， 朱良峰

(華東師范大學 地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241)

基于Google Earth的地理位置認知能力在線測試方法

王喜鳳， 朱良峰

(華東師范大學 地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241)

地理位置認知能力，即在地圖上定位和命名地點的能力，是地理素養(yǎng)評價的關鍵指標.現(xiàn)有的以二維紙質地圖填圖為基本工作方法的地理位置認知能力測試技術，雖然簡單易行，但卻存在形式呆板、效率低下、可復用性差等缺陷.以地理信息系統(tǒng)和數(shù)字地球系統(tǒng)為核心的地球空間信息技術，為地理位置認知能力的培養(yǎng)和測試工作提供了新的工作平臺.本文研究了在Google Earth數(shù)字地球平臺中進行地理位置認知能力測試的技術和方法，提出了基于Google Earth的地理位置認知能力在線測試框架.利用該框架不僅可以檢驗被測試者的地理位置知識，還可以起到培育和增強地理素養(yǎng)的作用.

地理位置認知能力； 地理素養(yǎng)； 在線測試； Google Earth； KML

0 引 言

地理素養(yǎng)是指特定主體理解、掌握和應用地理知識并對地理空間進行識別的能力，主要包括地理位置認知能力、地圖閱讀能力以及對特定區(qū)域自然環(huán)境、人文社會系統(tǒng)的理解等[1-4].雖然目前學術界對地理素養(yǎng)的內涵與外延有著不同的理解，但卻普遍認為：地理位置認知能力，即在地圖上定位和命名地點的能力，是地理素養(yǎng)的重要組成部分，也是進行地理研究的基礎；雖然地理位置認知能力并不完全等同于地理素養(yǎng)，但地理位置認知水平可作為評價地理素養(yǎng)的關鍵指標，能在一定程度上代表一個人的地理素養(yǎng)水平[4].因此，培養(yǎng)和提升地理位置認知能力是提高個體地理素養(yǎng)的關鍵一步.

近十幾年來，全球范圍的地理位置認知能力下降已成為普遍現(xiàn)象[5,6].無論是在校學生，還是已踏入社會的成年人，地理位置認知水平普遍偏低.這種處于較低水平的地理位置認知能力顯然不能適應全球化浪潮對當代社會形成的巨大挑戰(zhàn).近年來，教育界和學術界逐漸重視地理位置認知能力的培育工作[7]，取得了一些有用的研究成果.特別是在地理位置認知能力測試方面，形成了以二維紙質地圖填圖為基本工作方法的地理位置認知能力測試技術，為推動地理位置認知能力的培育與提升發(fā)揮了巨大的作用.經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)：使用現(xiàn)有的紙質填圖方法進行地理位置認知能力測試，仍然面臨著很多問題.紙質填圖方法一般基于無地名信息提示的地圖，要求被測試者指出特定國家、地區(qū)或城市的位置，并在地圖上標示出來，然后根據(jù)被測試者對一些代表性題目的答題情況，綜合評定被測試者的地理位置認知能力.這種方法雖然簡單易行，但各個調查機構使用的測試地圖不盡相同，難以對測試結果進行橫向比對.另外，在進行填圖測試時，測試題目的數(shù)量和內容都是預先設定的，一般僅供進行一次測試使用，不能被重復使用，也無法起到在測試的同時提高被測試者地理素養(yǎng)的作用.

近20年來，“數(shù)字地球”科學概念的提出，以及地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)、遙感(RS)、國際互聯(lián)網(wǎng)(Internet)、虛擬現(xiàn)實(VR)等應用技術的發(fā)展，為地理位置認知能力的培育和測試工作提供了新的機遇.特別是近10年來，數(shù)字地球技術飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出了以Google Earth為代表的一系列技術成熟、功能強大的數(shù)字地球軟件系統(tǒng)[8].這些數(shù)字地球系統(tǒng)，不僅可用于瀏覽、分析全球范圍內的地理位置、地形地貌和遙感影像，還可作為支持以地理位置為基礎的地學教育和科研工作的基礎平臺.近年來，學術界開展了利用Google Earth數(shù)字地球軟件平臺來提升地理素養(yǎng)的探索，如：Thomas-Brown創(chuàng)建了一個課余地理俱樂部，在一個比較輕松的環(huán)境中，利用Google Earth和Google Maps等工具探索與自身生活相關的地理環(huán)境，對地理位置認知能力的提升起到了一定的幫助[9].在Google Earth技術的支持下，Google公司開發(fā)了一個名為Geo Whiz的演示程序，用以測試用戶的地理位置知識[10].在Geo Whiz的基礎上，Lee和Guertin設計了一個名為Penn State’s Amazing Race的網(wǎng)站[11]，用以培養(yǎng)并測試高校學生的地理位置認知能力.但無論是Geo Whiz，還是Penn State’s Amazing Race，都只能按照固定的順序測試15個國家或城市位置，無法應用于對全球范圍或其他區(qū)域地理位置的測試工作.

以上這些初步的研究和應用表明，以Google Earth為代表的數(shù)字地球系統(tǒng)為地理位置認知能力的培養(yǎng)與測試提供了新的技術手段和支撐平臺.Google Earth在地理位置認知能力的培養(yǎng)與測試工作中具有很大的優(yōu)勢，但現(xiàn)有的研究工作缺乏系統(tǒng)的理論指導，沒有形成標準的技術流程，存在著操作復雜、難以實用化并推廣的缺陷.從目前掌握的文獻資料來看，學術界在基于Google Earth的地理位置認知能力的測試方面的研究尚處于初級階段，尚未形成完整的理論體系、方法體系和標準、通用的框架，開展相關領域的深度理論分析和系統(tǒng)實證研究是一項極為迫切的任務.

本文將研究在Google Earth數(shù)字地球平臺中進行地理位置認知能力測試的技術和方法，其目標是形成一個通用的地理位置認知能力測試解決方案，提出基于Google Earth的地理位置認知能力在線測試流程框架.該框架不僅可以檢驗被測試者的地理位置知識，還可在測試的過程中培育和增強被測試者的地理素養(yǎng).

1 Google Earth及其應用程序接口

Google Earth是一款由Google公司開發(fā)的數(shù)字化地球儀軟件，它以三維虛擬地球的形式把大量遙感影像、矢量地圖和復雜的三維模型組織在一起.用戶可通過旋轉、放大、縮小等操作，從不同的視角隨意的瀏覽地球，同時還可以看到地名和行政區(qū)劃.

Google Earth具有開放的體系架構，支持基于OpenGIS KML編碼標準(簡稱OGC KML或KML)[12]的地球空間信息描述方式.用戶不需從底層開發(fā)可視化環(huán)境，只需要使用KML編碼規(guī)范來描述和保存自己所擁有的地球空間信息，Google Earth就能快速加載并渲染、繪制出這些信息所表示的地球空間對象.目前，Google Earth已成為在全球范圍內集成、共享、顯示和分析大規(guī)模、多尺度、多時相地球空間信息的可靠平臺.

Google Earth開放了一系列的應用程序接口(Google Earth API)[13]，供開發(fā)人員將Google Earth的核心功能以插件的形式嵌入到網(wǎng)頁中，在網(wǎng)頁瀏覽器環(huán)境下進行地球空間信息的集成和可視化，進而根據(jù)實際應用的需要對Google Earth的功能進行適當?shù)臄U展.Google Earth API提供了兩類開發(fā)接口：瀏覽器插件專用接口和基于KML的接口.瀏覽器插件專用接口主要用于控制Google Earth插件在網(wǎng)頁中的呈現(xiàn)形式，可根據(jù)應用需要向Google Earth 插件加載特定的圖層.基于KML的接口則用于處理與KML相關的地理空間對象，以實現(xiàn)與KML要素的交互操作.另外，Google Earth API還可以監(jiān)聽并定制用戶對Google Earth插件及其中加載的KML要素的交互操作(如鼠標移至、移出、單擊、雙擊等)，這為開發(fā)人員構建功能復雜的Google Earth應用程序提供了便利.

2 框架設計和實現(xiàn)步驟

地理位置認知能力測試研究的核心，就是建立一套完整的地理位置認知能力測試的理論體系和方法體系，形成一套完善的地理位置數(shù)據(jù)組織及信息編碼、測試題目自動生成、用戶在線測試、結果記錄與反饋的標準流程框架.

Google Earth創(chuàng)建了一個關于地球表層信息的三維鏡像表達，它內置了一個地理邊界圖層，其中包含全球范圍的國家/地區(qū)行政邊界和地名信息，以方便用戶查找、定位地理位置.在地理位置認知能力測試的過程中，需要使用不含地名標注提示信息的地理邊界底圖，以利于被測試者在沒有外界幫助信息的情況下查找并定位到特定的地理位置，進而評估被測試者的地理位置認知能力.然而，在Google Earth內置的地理邊界圖層中，行政邊界和地名信息是融合在一起的，不能單獨分開顯示[11].這顯然無法實現(xiàn)“不顯示地名、只顯示邊界”的需求.要解決這一難題，需要關閉Google Earth內置的地理邊界圖層，然后基于KML編碼規(guī)范，自行組織和表達地理位置認知能力測試所需的地理位置信息，最后將這些信息加載到Google Earth插件中，進行可視化分析和在線測試.

結合現(xiàn)有的地理位置認知能力測試理論和實際應用情況，提出基于Google Earth數(shù)字地球軟件平臺的地理位置認知能力在線測試的總體框架，如圖1所示.圖中，尖角矩形框代表數(shù)據(jù)集，圓角矩形框代表處理這些數(shù)據(jù)集的計算機程序，黑色單向箭頭線代表數(shù)據(jù)流，紅色雙向箭頭表示用戶通過圖形用戶界面對Google Earth插件及其中的數(shù)據(jù)集的控制與交互.

按照該框架實現(xiàn)地理位置認知能力在線測試的基本流程如圖2所示，具體實現(xiàn)時有6個關鍵點.下面詳細介紹實現(xiàn)過程中的各個具體步驟.

2.1 地理位置編碼

地理位置認知能力在線測試過程的第一步，需要將地理位置編碼成不含標注信息的KML地標，并保存為擴展名為kml或kmz的KML文件，供后續(xù)的測試使用.

任何地理位置都可被抽象為點、線、面(多邊形)、三維模型等空間幾何元素，并使用KML“地標”地圖項()來定義其名稱、地理空間坐標、外觀樣式及屬性特征.地標的位置可以用點元素()來定義，也可以用其它幾何元素(如線段、環(huán)、多邊形、三維模型、幾何對象集等).例如，國家或地區(qū)邊界可用多邊形元素()來表示，并且一個國家或地區(qū)的邊界可能會由多個多邊形組成.我們可以定義一個幾何對象集()作為這些多邊形的容器.使用和地圖項來編碼一個政區(qū)邊界的KML代碼如下.

圖2 在Google Earth平臺上實現(xiàn)地理位置認知能力在線測試的基本流程Fig.2 Flow chart for implementing geographic location recognition testing on the Google Earth platform

…

…

在實際實現(xiàn)時，如果已經(jīng)存在數(shù)字化的地理位置數(shù)據(jù)，可先使用GIS工具軟件(如ArcGIS)將這些數(shù)字化的地理位置數(shù)據(jù)轉換成KML地標，然后再將其修改為不含標注信息的KML地標，以供后續(xù)測試使用.

2.2 加載KML文件

地理位置認知能力在線測試過程的第二步，是將編碼后的地理位置信息(KML文件)托管到服務器上，然后將其加載到Google Earth插件中，作為地理位置認知能力的測試數(shù)據(jù)集.

由于地理位置信息是以KML文件的形式存儲的，可使用Google Earth API 中的KmlNetworkLink 方法或者 fetchKml 方法[13]將其導入到Google Earth插件中.

2.3 提取地理位置信息

(2)電解過程中,由于電場作用和離子交換膜限制,陽極室的H+穿過陽膜擴散至產(chǎn)品室,原料室的穿過陰膜擴散至產(chǎn)品室,H+和H2PO-2在產(chǎn)品室反應生成H3PO2

地理位置認知能力測試過程的第三步，是從加載到Google Earth插件的KML文件中，提取需要進行測試的全部地理位置信息(KML地標).

提取以KML地標表示的地理位置信息，可首先使用Google Earth API 中的getElementsByType函數(shù)獲取全部的地標元素列表，然后遍歷各個地標，通過getName方法獲取地標的名稱，并構建一個地理位置名稱列表.以下JavaScript代碼示范了在Google Earth插件中提取KML地標元素并采集地理位置名稱的方法.

//獲取全部地標對象(地理位置)

var placemarks=ge.getElementsByType(′KmlPlacemark′);

//遍歷地標對象，采集地理位置名稱

for (var i=0; i

var p=placemarks.item(i);

names[i]=p.getName(); //地理位置名稱列表

}

2.4 根據(jù)測試題目數(shù)量生成測試題目序列

地理位置認知能力在線測試過程的第四步，需要設定測試題目的數(shù)量，并自動生成測試題目序列.

在地理位置認知能力測試的過程中，測試題目的最佳數(shù)量因人而異.題目過多容易使人疲倦，過少則會使人覺得意猶未盡.因此，需要提供一個輸入界面，讓被測試者自主地設置測試題目的數(shù)量.

被測試者設定測試題目數(shù)以后，從第3步提取的地理位置名稱列表中，隨機選取指定數(shù)目的地理位置名稱，生成一個測試題目列表，作為進行后續(xù)測試的題目序列.

2.5 逐題進行在線測試

這一步的主要工作是按照上一步設定的測試題目序列，讓被測試者(用戶)逐題進行在線測試，并反饋每個題目的測試結果.

用戶在線測試時，首先給出一個地名讓用戶查找.用戶使用鼠標，旋轉、縮放Google Earth插件中的三維虛擬地球儀，查找、定位相應的地理位置.使用Google Earth API 提供的addEventListener函數(shù)，可以監(jiān)聽用戶對KML地標的交互操作.如果用戶使用鼠標定位到一個KML地標，Google Earth插件會自動獲取該地標的地理位置名稱，并與待查找的地理位置名稱相比對.若兩者不一致，則表明用戶定位錯誤，以氣泡框的形式給出錯誤提示信息(見圖3a)，讓用戶繼續(xù)查找；若兩者一致，則表明用戶成功定位到給定的地理位置，以氣泡框的形式給出正確提示(見圖3b)，然后自動進入下一題的測試.如果用戶耗時超出系統(tǒng)設定的時間(如20 s)仍未能正確定位，系統(tǒng)也會自動轉入下一題的測試.

圖3 用戶用鼠標定位KML地標時的信息反饋界面Fig.3 Feedback to the participants when they locate KML placemarks using the mouse

在用戶使用三維虛擬地球儀查找、定位地理位置的過程中，鼠標移動或定位到某一地理位置上方時，需要高亮顯示鼠標所指向的地標，以突出顯示鼠標指向的地理位置.為達到這種效果，可以使用Google Earth API 中的addEventListener函數(shù)[13]添加兩個事件，來監(jiān)聽鼠標的mouseover(鼠標移至)和mouseout(鼠標移出)操作，以控制高亮顯示的開始與結束.以下是控制多邊形地標高亮顯示的JavaScript代碼.

var p=placemarks.item(i); //p為第i個地標

google.earth.addEventListener(p, ′mouseover′, mouseoverEvent);

//添加一個鼠標移過事件

google.earth.addEventListener(p, ′mouseout′, mouseoutEvent);

//添加一個鼠標移出事件

//鼠標移至，高亮并閃爍顯示鼠標指向的多邊形地標

var mouseoverEvent=function (event) {

event.preventDefault();

this.setStyleSelector(ge.createStyle(″));

var polystyle=this.getStyleSelector().getPolyStyle();

polystyle.getColor().set(′ccffffff′);

var delay=0;

for (flashTimes=0; flashTimes < 6; flashTimes++) {

delay +=100;

setTimeout(function () {polystyle.getColor().set(′ccffffff′);}, delay);

delay +=100;

setTimeout(function () {polystyle.getColor().set(′ffdddddd′); }, delay);

}

};

//鼠標移出，停止高亮閃爍，恢復初始顏色

var mouseoutEvent=function (event) {

event.preventDefault();

this.setStyleSelector(ge.createStyle(″));

var polystyle=this.getStyleSelector().getPolyStyle();

polystyle.getColor().set(′aaffffff′);

polystyle.setColorMode(ge.COLOR_RANDOM);

polystyle.setFill(1);

};

2.6 記錄并反饋測試結果

在用戶進行地理位置認知能力測試的過程中，需要將用戶的得分、每個題目的答題結果以及耗費的時間都記錄下來，并及時呈現(xiàn)在一個記分板中，以方便用戶了解自己的測試進程和測試結果.用戶完成所有題目以后，可根據(jù)用戶的最終得分，綜合評定用戶的地理位置認知水平.

3 應用實例

為驗證本文提出的地理位置認知能力在線測試框架，使用Google Earth插件及其JavaScript API設計了一個網(wǎng)頁GeoQuiz(http://www.sirrs.org/GeoQuiz/cn/GeoQuiz.html)，用于測試個體對全球政區(qū)地理位置的認知能力.如圖4所示，GeoQuiz網(wǎng)頁由3部分組成：①位于屏幕上部的測試規(guī)則說明區(qū)；②位于屏幕左側的Google Earth插件容器區(qū)(內含“開始/暫?！薄ⅰ跋乱活}”等兩個控制按鈕)；③位于屏幕右側的測試信息展示區(qū)，用于設定題目數(shù)量、顯示測試題目并記錄、反饋測試結果.任何安裝了Google Earth插件的計算機都可以通過國際互聯(lián)網(wǎng)訪問GeoQuiz.當用戶打開GeoQuiz網(wǎng)頁時，Google Earth插件會自動加載一個已完成地理位置編碼且不含地名標注信息的全球政區(qū)KML文件，并將其疊加到Google Earth插件中的三維虛擬地球儀表面，然后提取其中的地理位置信息供用戶進行在線測試.

使用GeoQuiz 進行地理位置認知能力測試，用戶首先需要設定測試的題目數(shù)量，然后單擊Google Earth插件容器區(qū)內的“開始”圖標啟動測試.按照屏幕右側測試信息展示區(qū)內給出的國家/地區(qū)名稱，用戶查找該地名所處的位置，并在三維虛擬地球儀上用鼠標單擊定位，GeoQuiz將定位的結果以氣泡框的形式呈現(xiàn)在鼠標指示位置.在測試進行的過程中，每一題目的測試結果將同步顯示在屏幕右側的測試信息展示區(qū).其中，正確完成的地名及耗時將以藍色字體顯示在正確列表中，未能正確完成的地名將以紅色字體顯示在錯誤列表中(見圖5).一輪測試結束之后，用戶可重新設置測試題目數(shù)量，然后進入下一輪測試.

圖4 GeoQuiz網(wǎng)頁運行界面Fig.4 User interface of the GeoQuiz webpage

圖5 使用GeoQuiz進行地理位置認知能力測試Fig.5 Online testing of geographic location recognition on global countries using GeoQuiz

為了控制測試時間，在GeoQuiz中添加了一個計時器來記錄并實時顯示用戶的測試用時.這個計時器將每個題目的最長用時限定為20 s.如果在20 s內未能找到與當前地名匹配的地理位置，則認為用戶無法正確定位該地理位置，將自動進入下一題的測試.

4 結 語

Google Earth不僅是一個地球空間信息三維可視化系統(tǒng)，而且是一個支持地學教育與科研工作的科教儀器.本文研究了使用Google Earth進行地理位置認知水平測試的總體框架及工作流程，并設計、開發(fā)了一個應用程序來驗證這些技術方法的有效性和實用性.應用實踐顯示，Google Earth在培養(yǎng)和測試地理位置認知能力方面具有很大的優(yōu)勢和潛力：①Google Earth可為地理位置認知能力的培養(yǎng)與測試工作提供直觀、形象、統(tǒng)一、規(guī)范的地理底圖和工作平臺；②Google Earth對地球的三維可視化表達有利于培養(yǎng)被測試者的三維地理空間認知能力；③Google Earth具有靈活、開放的體系架構，支持二次開發(fā)，利用Google Earth插件及其應用程序接口，可以根據(jù)地理位置認知能力測試的實際需要，使用KML語言來組織測試所需的地理數(shù)據(jù)，擴展Google Earth的功能，構建功能復雜的地理位置認知能力在線測試系統(tǒng).

使用本文提出的地理位置認知能力在線測試框架及其驗證程序，不僅可以檢驗被測試者的地理位置知識，還可以起到培育和增強個體地理素養(yǎng)水平的作用.另外，該框架還具有較強的柔韌性，可以方便的擴展應用到自然環(huán)境、人文社會系統(tǒng)等以地理位置為基礎的全球或區(qū)域地理知識的培育與測試工作之中.

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(責任編輯 李萬會)

Online testing of geographic location recognition using Google Earth

WANG Xi-feng, ZHU Liang-feng

(KeyLaboratoryofGeographicInformationScience,MinistryofEducation,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

Geographic location recognition, or the ability to locate and name places on a map, is an essential indicator to assess individuals’ geographic literacy levels. Past research has concentrated on testing one’s geographic location recognition using two-dimensional paper maps. Whereas the paper mapping method is flexible and easy to follow, it requires a fixed paper map with a series of predefined quizzes and is therefore difficult to reuse. Advances in geospatial information technologies, led by geographical information systems and digital earth systems, is providing educators with a convenient platform to cultivate and assess one’s geographic location recognition. In this paper, we present a general framework and corresponding implementation methods for the online testing of geographic location recognition using the Google Earth digital earth platform. The most significant feature of the proposed framework and corresponding implementation program is that they have abilities to improve the individuals’ geographic literacy while conducting the testing.

geographic location recognition; geographic literacy; online testing; Google Earth; KML

1000-5641(2015)04-0144-10

2014-10

國家自然科學基金(40902093)；上海市哲學社會科學“十二五”規(guī)劃課題(2014BCK002)；國家科技專項(SinoProbe-08)

王喜鳳，女，碩士研究生，研究方向為數(shù)字地球理論與技術. E-mail: wangxifeng0817@163.com.

朱良峰，男，副教授，研究方向為地理信息科學. E-mail: lfzhu@geo.ecnu.edu.cn.

P97; K90

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.015