基于全球卫星定位系统和运动能量监视器的儿童行走行为的可视化

基于全球卫星定位系统和运动能量监视器的儿童行走行为的可视化

YiGong　Roger Mackett　James Paskin　Kay Kitazawa　Brown Belinda

【摘要】过去在走路方面的研究主要是集中于个人和社会方面影响体力活动的因素为主。但越来越多的研究发现建筑环境对于个人体力活动有强烈的影响力，尽管我们还不是很了解城市形态是如何影响儿童的体力活动的。在现今的社会里，城市里的儿童享有自由活动的范围越来越小，从儿童发展的角度而言这是不利于儿童独立性和灵活性的培养。超重和肥胖的儿童人数，和久坐不动的活动增加的同时，儿童的体力活动水平明显下降。因此，迫切的需要更好地了解当前儿童是如何使用建筑环境的。

传统的研究方法(如:观察，自我报告等方式)很难准确地调查儿童的户外活动。但是新式的便携式全球定位系统(GPS)技术使得这成为可能。从2005年9月至2006年6月，我们利用便携式GPS和运动能量监视器来追踪英国Hertfordshire郡Cheshunt镇上2个小学的162名学生。这篇文章里，我们将会展示3D地理可视化是如何有效地说明儿童在城市里是如何步行，到哪些地方，以及在哪里变得更为活泼好动。从不同的角度(如:年龄，性别，体力消耗，移动速度，方向转角等)来衡量儿童在不同环境里(如，开放空间，交通用地等)的移动方式。我们的实验说明了儿童在不同的环境下表现出不同的行为模式。

【关键词】行为科学　GPS　空间分析

1.介　　绍

在现今的社会里，城市儿童所享有的行走和玩耍的自由大幅减小(相对于他们的父辈们而言)。以过去的几代人为例，每一代儿童的自由活动范围越来越小。2007年6月15日英国国家报纸——《每日邮报》^[1]报道了一个真实的故事，生动地反映了这一巨大的变化。如图1所示，在1919年8岁的高曾祖父George步行6英里去钓鱼，在1950年8岁的祖父Jack独自走1英里到附近的树林。在1979年8岁的母亲Vicky仍可以独自步行到半英里以外的游泳池去游泳。但是到2007年，乔治8岁的曾孙Edward被汽车送去上学，并且送到一个安全的地方去骑自行车。他可以自由活动的范围不超出离他家300码的距离。

自由活动的减少和机动化旅行的增加导致了久坐不动的时间增加和日常体力活动的减少(Klesges et al.，1990;Baranowski et al.，1993;Sallis et al.，1993)，而这一变化加剧了当前儿童肥胖症的流行。Andersen et al.(1998)发现儿童坐在计算机或者电视屏幕前的时间是和他们的体力活动量成反比的。在1998年，每天看屏幕4个小时以上的儿童比每天只看2个小时电视的儿童从数据统计上看有更高的体脂肪率。现今在英格兰，大概有四分之一的成年人和10%的儿童有肥胖症，另外20%～25%的儿童超重(Canoy and Buchan，2007)。最新的Foresight的模型预测在2050年的时候25%的16岁以下英国儿童将会有肥胖症(McPherson et al.，2007)。由于儿童时期的肥胖症限制了儿童的身体活动，它增加了成年后有肥胖症的可能性。而成年期的肥胖症可导致多种严重疾病，如心脏病、中风和Ⅱ型糖尿病。因此，体力活动的不足成为儿童和成年人身体健康的一关键问题。

图1　逐渐减小的范围:自由活动范围的变化，来自:《每日邮报》^[2](2007年6月15日)

近来的研究争辩人们所居住的建筑环境在人们通过行走而获得体力活动水平上有很大的影响力，甚至影响其身体健康(Hill et al.，2003;Papas et al.，2007)。这是由于行走本身是一种体力活动。无论是以交通还是以休闲娱乐为目的的行走，都为体力活动提供了机会。尤其对于老人和小孩，通过行走个人对体力活动基本需求是可以自然地达到并成为其日常生活的一部分。因此，行走的保健功效被广泛接受(Frank and Engelke，2001;Mackett et al.，2005)。

广而言之，建筑环境是指人为为人类活动而建造的环境，包括从房屋设计到土地使用位置和布局，以及城市规划中的交通运输(Cummins and Jackson，2001)。在现实中，几乎所有的建筑环境是根据不同的限制条件而设计的。我们和建筑环境之间的互动是复杂的，而且并不总是健康的。例如，原先的美国分区规划授权法案标准是以健康、安全和福利为出发点。但在现代社会这种分区增加了人们工作、居住和娱乐休闲之间的距离，因此，实际上加剧了交通运输的负担。而这种有利于汽车使用率的设计现在被认为减少了体力活动从而加速了肥胖症。

虽然有证据显示城市形态包括土地用途模式，交通系统和密度在行走上有很强大的影响(Frank and Engelke，2000;Boarnet，2004)，但是我们并不完全了解其在健康上的牵连。迄今为止在建筑环境是如何以及在什么样的程度上影响行走的这一方面的研究中，我们发现相互矛盾的结论。很多不确定性和复杂性的存在影响行走的行为，但是我们在这方面的知识和研究方式是很缺乏的。这主要是因为缺乏对人在建筑环境里灵活多样的活动行为的客观衡量方法。直到现在，大多数研究体力活动和建筑环境的研究仍是“非空间”的，定性的研究比定量的研究要多(Jones and Panter，2007)。因此，有进一步了解和衡量的必要。在我们这一探索性的实验中，我们调查了可用于衡量儿童在户外的日常体力活动可行办法，以及如何通过地理可视化来展示儿童的空间活动行为。我们希望这有助于我们更好地了解环境特性，从而激发儿童变得更为活泼，消耗更多的能量。

这篇文章的数据来自一英国工程和物理科学研究学会(Engineering and Physical Sciences Research Council)的CAPABLE(Children's Activities，Perceptions And Behaviour in the Local Environment)项目。该项目由University College London的4个院系——Centre for Transport Studies，Centre for Advanced Spatial Analysis，Bartlett School of Planning和Department of Psychology共同实行。在这个科研项目里，162名8～11岁的来自英国Hertfordshire郡Cheshunt镇上的小学生在2005年10月～2006年3月之间参与了我们的实验。他们完成了问卷调查，意境地图绘画以及连续4天之内的旅行日记，便携式全球卫星定位系统(GPS)和运动能量监视器的追踪。也就是说，我们可以很清楚地确定在连续的96小时之间，儿童在什么时候，什么样的建筑环境里，以及和谁在一起从事什么样的运动和活动。

2.应用方法

2.1　调查方法

从儿童所完成的问卷调查，我们可以了解儿童其个人性格特征。162名来自2所不同小学的儿童被要求在星期四，星期五，星期六和星期天这4天里佩戴便携式全球卫星定位系统(GPS)和运动能量监视器。我们所用的运动能量监视器是由美国Stayhealthy所制造的(见图2-A)RT3 tri-axial加速计(RT3)。它从3个不同的空间维度来测量运动并生成一个总体运动矢量幅值(VM)来计量体力运动量。基于儿童的年龄，性别，体重和身高，VM被转化为每分钟每千克的运动卡路里(被消耗于体力活动中的卡路里)。

应用GPS监视器来研究在建筑环境里个人行为相对来说是还处在刚开始的阶段。最新的便携式GPS技术发展使得数据收集从传统的实验室里走出到复杂的城市空间里。在过去，应用GPS追踪行走受到其设备大小和准确度的限制。大多数应用GPS跟踪的研究是基于机动车辆(Wagner，1997;Wolf，2000;Chung and Shalaby，2005)。Schutz and Chambaz(1997)首先测试了GPS技术在行走和跑步上的应用可能性。Rodriguez et al.(2005)的实验证明了便携式GPS监视器是可以收集到足够并且充分的数据来追踪行人的行动。通过匹配运动能量和地理位置数据，GPS技术有巨大的潜力，加上以加速计为基础的体力活动测量，可更进一步地检验体力活动和其发生环境之间的关系(Rodriguez et al.，2005)。其他研究显示GPS设备的大小和重量对于追踪行人和骑自行车的人是十分重要的(Wolf，2000)。在荷兰一个有150个成年人参与的实验中，大约41%的参与者在实验反馈中表示2公斤重的GPS接收器太重(Draijer etal.，2000)，携带不方便。

图2-B展示了我们的实验中所用的GPS接收器Garmin Foretrex 201。就其容量，重量，电池寿命和成本而言，这是当时我们在市场上所能找到的性能最好的GPS接收器。该接收器仅重78g，有15小时的电池使用时间以及储存10000个地理位置的能力。儿童可以很容易地在手腕处佩戴该仪器一整天，然后在晚上进行充电。地理位置数据是以时间为顺序，在1984年世界大地测量系统基准下以度和分(HD0 MM')为格式的经度和纬度存储在GPS接收器的内存里。随后通过Garmin's MapSource Trip and Waypoint Manager软件下载到个人电脑上做更进一步处理。为了获取任何可能的地理数据，我们的GPS接收器的信号接收没有被设置为固定的间隔。这也就是说，偶尔，在一短暂时间里它可记录一大批数据。在数据收集后，我们开发的程序以在给定时间内可旅行的最大距离为标准来处理数据。

此外，在为期4天的追踪里所有的参与者还被要求完成旅行和活动日记(见图2-C)。这在GPS和运动能量监视器的数据基础上提供了额外的信息，例如和谁，在什么时候，做什么样的活动。所有的数据最初是以Excel电子表格的形式存在，由Visual Basic写成的程序整合所有数据至一Access数据库，这为数据分析提供了更大的灵活性。时间被用来连接来自GPS，RT3和旅行日记这3个方面的不同的数据。由于受设备(如电力不足)和信号的影响，GPS存在地理数据位置的丢失，以及儿童忘记完成旅行日记，并不是每个儿童都提供了完整的数据。儿童的旅行日记里的活动是根据Mackett et al.(2005)的方法来分类的。

图2　RT3、GPS和旅行日记

如表1所示，162名儿童参加了我们的调查并且提供了完整的旅行日记。Hertfordshire郡Cheshunt镇里两所小学里所有第4、5和6年级的儿童都被邀请参加此次调查。所有希望参加，并得其家长书面许可的小学生都被列入研究对象。但受设备数量和研究组人员的限制，每次同时只能对20个儿童进行跟踪。

表1　两所小学里的儿童样本

2.2　建筑环境数据

这篇文章里展示的结果来自Hertfordshire郡Cheshunt镇的两所小学。如图3所示，Cheshunt镇在大伦敦的东边，学校A坐落在西北边以居民住宅区为主，并有一个大的公园和高尔夫球场的城郊，而学校B位于东南边的工业区和繁忙公路边上。Google Maps，Microsoft Live Map和Ordnance Survey(OS)MasterMap topology，address layer 2都被用来确定儿童活动的地理环境特征。OS MasterMap topology layer将所有土地分类为不同类型，例如建筑物，自然环境，一般地表面，道路，公路或铁路，路边，建筑结构等。Address layer 2则根据用途将每个地址分为住宅，办公室，零售，服务，工业，教育，酒店，运输和一般商业用途。

图3　Hertfordshire郡Cheshunt镇的两所小学航空照片

2.3　儿童在本地的活动

2.3.1　儿童行走的可视化

和机动旅行相比较，行走的地理位置较少受到交通公路网络的限制。因此就可能行走的地理位置而言，比车辆更为复杂。在现实生活中，我们不仅仅在街上走:我们徒步走过公园、空地和其他开放空间。但是当我们开车的时候，我们必须遵守交通规则行驶在一定的道路上。我们所收集到的儿童行走路线就充分说明了这一复杂性。例如，图4显示了一个10岁的男孩在两个早上走路上学的路径。在图4-C中，粉红色和绿色的网络图显示了OS MasterMap所提供的英国整合交通网络图(ITN)。依据这一交通网络图，该男孩家和学校之间的最短路程为图中所示的黑色1号路线。但是实际情况中，这名男孩选择了另一条更长的，之字形的路线(蓝色为星期四的路线，黄色为星期五的)。他首先穿过房子之间一条小胡同(如图4-B所示)，然后在经过十字路口后，穿过图4-A所示的房子之间的空地。最后选择了一条行人巷，而不是其左边繁忙的道路(见图4-D)。所有这些行人巷和房子之间的空地都不属于我们通常所说的交通网络。因此，就地点而言，这种类型的行走行为加大了研究行走的复杂性。从某种意义上说，在交通网络上计算位置之间的最短路线就变得不具有太大的实际意义。

绘制移动行为图和描绘静止物体不同。这是因为人们的移动行为并不是固定在一个单一的地点，并且一个人在同一时间不能位于不同的物理位置上。如何在不同的时间不同的地点描绘个人的移动行为引起了很多地理学家和城市规划师的兴趣。自从瑞典地理学家Torsten Hagerstrand在1970年提出了时间地理学(Hagerstrand，1970)，时空路径已被广泛地应用于行为学的研究中。在社会科学的研究中，空间数据的地理可视化是十分重要的。它不仅能有效地揭示人类空间行为中时间和空间之间的复杂相互作用，而且是在探索空间数据分析和帮助制定更切合实际的计算或行为模式上行之有效的工具(Kwan and Lee，2004)。

通过应用时空路径，儿童的日常行为可以在一个3维视觉空间上呈现出来。图6显示了一个儿童在一天当中的时空路径，而图5则是其当天2维平面图:这名学生早上9点钟以前从家里走到学校上学(见图5-A)，直到15:30放学和同学一起从学校走回家(见图5-B)，然后在回家做作业之前该学生与朋友一起在家附近玩耍(见图5-C)。到了晚上，这名儿童步行到一个朋友家并在其家中过夜(见图5-D)。由图所示，这名小学生的上学和放学所走的路线不同，下午放学回家的路线要比上午上学的长。在图6-A和图6-B中，时间是作为第3维空间来展现，其中的路径的颜色代表其发生的时间。图6-A和图6-B的区别仅是截取至不同的视角。从9:00点到15:00点的纵向集群位于学校位置的上方，而19:00以后的相对较小的纵向集群则代表了该儿童所留宿的地址。在图7-A和图7-B中，第3维空间展现的是儿童的体力能量消耗。离地面越高代表每分钟每千克的体力能量消耗越大，而其路径颜色则仍代表其发生的时间。以该儿童早上步行到学校为例，在行走过程中每分钟里消耗不同程度的运动卡路里。尤其是在接近学校的时候有一段连续的高体力消耗，与开始阶段的低体力消耗相比较。同样地，该儿童消耗更多的每分钟每千克体力能量在早上上学比晚上放学回家的过程中，尽管晚上放学回家的路程要比上学的路程更长。图8同时展示了这名儿童一整天活动的时空路径和时空-能量消耗图。

图4　上学路径

图5　在2维平面图上一小学生一天活动路线

图6　一小学生一天活动的时空路径

图7　一小学生一天活动的时空-能量消耗

此外，通过GPS，RT3和旅行日记所收集到的详细数据可以真实将儿童行走行为以其发生的时间顺序生动地表现出来。基于非所有权软件Google Maps，儿童的行走路线和其体力能量消耗数据可同时展现在在线网页浏览器上^[3]。这一地理可视化技术使我们在儿童是如何步行于本地环境里之一问题上获得更详尽的知识。图9显示了2个小学生上学和放学的过程。图9-A是上学时从家到学校，而图9-B是放学后从学校回家的过程。每个圆点的颜色代表了每分钟的能量消耗。体力能量消耗越大，其圆点的颜色越红(比例尺上是由蓝色，至黄色到红色)。这两名小学生在上学和放学过程中都走过了一对公众开放的休憩的绿地。当走过这块绿地的时候，他们每分钟的体力能量消耗明显提高。

对我们所收集到的详细数据运用这些不同的地理可视化技术，可以更好地从视觉上来理解儿童的是如何在当地环境里行走的。

图8　一名儿童一整天活动的时空路径和时空-能量消耗图

图9　儿童行走在Google Map上的可视化

2.3.2　当地环境里的行走行为的分析

为了进一步分析儿童的行走模式，我们还检查了儿童行走中的方向转角和行走速度(米每秒)，由RT3运动能量监视器所得到体力活动能量消耗数据。方向转角是指在两个相连接的地点上，儿童每分钟行走方向之间角度。通过比较男孩和女孩的行走速度，每分钟每千克的体力能量消耗和方向转角，我们发现男孩似乎比女孩行走的速度更快，消耗更多的体力能量。而女孩则是以更为放松的方式漫步(见表2)。

表2　儿童行走模式上的性别区别

Note:*Equal variance not assumed.

结合土地用途数据，我们发现当儿童走在公路上的时候，比当他们走在公共开放空间上(例如，公园，田野，树林等)，走得更快，相对更笔直和消耗更多的能量(见表3)。就像图9所示，公共开放空间给儿童提供了更多的玩耍和漫步的机会。有关更多的儿童行走和其所在建筑环境之间的关系可以在已出版的Mackettet al.(2007)文章中看到。总之，公共开放空间为儿童探索环境和消耗更多的能量提供了更多的机会，而这为儿童带来了健康且更为社会化的成长过程。

表3　儿童行走模式在不同环境里的区别

Note:*Equal variance not assumed.

3.结　　论

本文初步介绍了我们如何能利用地理可视化技术来探讨儿童在当地建筑环境里的行走行为的不确定性和复杂性。通过地理可视化技术，在联系土地用途的基础上，儿童的行走行为变得更加容易理解。我们的研究表明建立一个基于时空地理学更为有效的框架方法来无缝整合各类不同的数据变量，如能量消耗，地理位置，性别，速度等的探讨是十分必要的，这也是我们在今后的研究分析中希望能更进一步探讨的。

4.感　　谢

This paper has been written as part of a project entitled‘Children's Activities Perceptions and Behaviour in the Local Environment(CAPABLE)’which is being funded by the UK Engineering and PhysicalSciences Research Council(EPSRC)under grantGR/T09378/01 for 2 years and 5 months fromAugust 2004.It was carried out at UCL as a joint project between the Centre for Transport Studies，the Centre for Advanced Spatial Analysis，the BartlettSchool of Planning and the Psychology Department.The co-operation of the children who took part in this exercise and their teachers and parents is greatly appreciated，as is assistance from Hertfordshire County Council.

【参考文献】

［1］Andersen，R.E.，C.J.Crespo，S.J.Bartlett，L.C.Cheskin and M.Pratt.，1998.Relationship of Physical Activity and Television Watching With Body Weight and Level of Fatness Among Children.Journal-American Medical Association 279(12):pp.938-942

［2］Baranowski，T.，ThompsonW.O.and DuRantR.H.，1993.Observations on physical activity in physical locations:age，gender，ethnicity，and month effects.Research Quarterly Exercise Sport(64):pp.127-133

［3］Boarnet，M.G.，2004.The Built Environment and Physical Activity:Empirical Methods and Data Resources.Prepared for the Committee on Physical Activity，Health，Transportation，and Land Use，July.

［4］Canoy，D.and I.Buchan.，2007.Challenges in obesity epidemiology.Obesity Reviews 8(s1):pp.1-11

［5］Chung，E.H.and A.Shalaby.，2005.A Trip Reconstruction Tool for GPS-based Personal Travel Surveys.Transportation Planning and Technology 28，pp.381-401

［6］Cummins，S.K.and R.J.Jackson.，2001.The Built Environment and Children's Health.Pediatric Clinics of North America 48(5):pp.1241-1252

［7］Draijer，G.，N.Kalfs and J.Perdok.，2000.Global Positioning Systemas Data Collection Method for Travel Research.Transportation Research Record(1719):pp.147-153

［8］Frank，L.D.and P.Engelke.，2000.How Land Use and Transportation Systems Impact Public Health:A Literature Review of the Relationship between Physical Activity and Built Form.Atlanta:Georgia Institute of Technology

［9］Frank，L.D.and P.O.Engelke.，2001.The Built Environmentand Human Activity Patterns:Exploring the Impacts of Urban Formon Public Health.Journal of Planning Literature 16(2):pp.202-218

［10］H－gerstrand，T.，1970.What about People in Regional Science?Papers in Regional Science 24(1):pp.6-21

［11］Hill，J.O.，H.R.Wyatt，G.W.Reed and J.C.Peters.，2003.Obesity and the Environment:Where DoWe Go from Here?Science(5608):pp.853-855

［12］Jones，A.and J.Panter.，2007.Tackling Obesities:Future Choices-Obesogenic Environments-Evidence Review.Government Office for Science.

［13］Klesges，RC，LHEck and CL Hanson.，1990.Effects of Obesity，Social Interactions，and Physical Environment on Physical Activity in Preschoolers.Health Psychology(9):pp.435-449

［14］Kwan，M.P.and J.Lee.，2004.Geovisualization of Human Activity Patterns Using 3DGIS:ATime-Geographic Approach.Spatially Integrated Social Science:pp.48-66

［15］Mackett，Roger，Brown Belinda，Yi Gong，Kay Kitazawa and James Paskins.，2007.Children's Independent Movement in the Local Environment.Built Environment 33(4):pp.454-468

［16］Mackett，Roger L.，Lindsey Lucas，James Paskins and Jill Turbin.，2005.The Therapeutic Value of Children's Everyday Travel.Transportation Research Part A(39):pp.205-219

［17］McPherson，K.，M.Brown and M.B.Associates.，2007.Tackling Obesities:Future Choices-Modelling Future Trends in Obesity and the Impact on Health.Government Office for Science.

［18］Papas，Mia A.，Anthony J.Alberg，Reid Ewing，Kathy J.Helzlsouer，Tiffany L.Gary and Ann C.Klassen.，2007.The Built Environment and Obesity.Epidemiological Reviews 10.1093/epirev/mxm009

［19］Rodriguez，D.A.，A.L.Brown and P.J.Troped.，2005.Portable Global Positioning Units to Complement Accelerometry-Based Physical Activity Monitors.Medicine and Science in Sports and Exercise 37(Supp):pp.S572-S581

［20］Sallis，James F，Philip R.Nader，Shelia L.Broyles and Charles C.Berry.，1993.Correlates of physical activity at home in Mexican-American and Anglo-American preschool children.Health Psychology 12(5):pp.390-398

［21］Schutz，Y.and A.Chambaz.，1997.Could A Satellite-Based Navigation System(GPS)Be Used To Assess The Physical Activity Of Individuals On Earth?European Journal of Clinical Nutrition 51(5):pp.338-339

［22］Wagner，D.P.，1997.Lexington Area Travel Data Collection Test:GPS for personal travel surveys.Final Report for OHIM，OTA and FHWA，Battelle，Columbus，USA.

［23］Wolf，J.L.，2000.Using GPS data loggers to replace travel diaries in the collection of travel data.School of Civil and Environmental Engineering，Georgia Institute of Technology.

【注释】

[1]摘自http://www.dailymail.co.uk/pages/live/articles/news/news.html?in_article_id=462091 ＆ in_page_id=1770

[2]More details see http://www.dailymail.co.uk/pages/live/articles/news/news.html?in_article_id=462091 ＆ in_page_id=1770

[3]更多可见:http://www.casa.ucl.ac.uk/news/newsStory.asp?ID=150