空间知识记忆和提取的理论模型

心理科学进展 2004，12（3）：330~339

Advances in Psychological Science

空间知识记忆和提取的理论模型*

周荣刚张侃

（中国科学院心理研究所，北京 100101）

摘要对物理空间知识记忆和提取规律的探讨一直是空间认知领域研究中的一个重点和热点。对其进行深入研究，不仅有助于了解人类的空间行为，而且为相关的诸如界面设计、虚拟环境等空间认知应用领域（研究）提供支持。该文从空间记忆的内在参照系理论、坐标系统模型、空间情境模型和位置记忆的空间类属模型4个方面对当前有关物理环境中空间知识记忆和提取的理论或模型进行了回顾并作了初步评价。关键词空间知识记忆，内在参照系理论，坐标系统模型，空间情境模型，空间类属模型。

分类号 B842.2

1 引言

有关空间认知 (Spatial Cognition)的研究是一个古老而又崭新的课题。就本源的意义来讲，人类的一切活动都发生在而且只能发生在时间和空间之中。其中空间更是具有及时性和现实性，人类在了解自己以及人和环境关系的过程中必然对空间关系产生极大的兴趣。对人类如何获取物理环境中的空间知识以及如何使用所获得的空间信息完成相应的任务（如方位判断、导航策略和参照物等）的研究有助于人们深入了解自身关于空间知识形成的过程，这为旨在提高相应空间判断任务绩效的界面设计[1]（包括地图、座舱仪表、空间定位系统和电子导航帮助等）和虚拟环境[1~4]（包括完全沉浸虚拟环境、桌面虚拟环境和internet）中的信息呈现以及特殊状态（如失重和聋哑人[5]）下的空间知识获取等领域的研究奠定了基础。但是与其他领域的知觉和认知研究相比，一个良好的空间认知模式初出端倪的时间并不是很长，这反映了空间能力本质的模糊性，即便是“空间（spatial）”这一个词语也具有很大的不确定性，物理环境中空间知识记忆方面的研究也是如此。本文仅根据当前有关空间知识记忆方面的研究报告，对研究者所构建的空间知识记忆和提取的理论或模型进行了回顾和简单评价。

2 理论模型

2.1 空间记忆的内在参照系（intrinsic reference system）理论[6~9]

根据McNamara等人的理论：人们是以空间参照系来建构环境的空间结构，进而形成对

收稿日期：2003-10-25

* 国家自然科学基金（30270465）、教育部“十五”规划课题（FBB011067）、中国科学院院长基金（JHJ02013）资助项目。

通讯作者：张侃， E-mail: zhangk@https://www.360docs.net/doc/5418513595.html,; 电话：（010）64837096

第12卷第3期 空间知识记忆和提取的理论模型 -331- 物理空间进行表征的认知空间结构，获知环境中物体的空间信息，而参照系统固有于物体布局本身，即环境的空间结构主要是以其自身特性（如房间中桌椅排成的行和列）被加以表征的，这种参照系统即为内在参照系统（intrinsic reference system ）。内在参照系的方向或轴的选择是基于线索的，如学习空间结构时的视角、经验（如指导语）、物体特性（如物体间的类似程度）和环境结构（如房间墙壁的突显），其中起支配作用的是自我经验方面的线索。从另外一个角度来说，内在参照系的选择或其方向的确定不是静态的，随着其中某些线索（如视角）的变化而改变：当观察者以第一个视角对空间布局学习时，他们以与该视角平行（匹配）的内在参照系统对空间布局进行表征，通常情况下基于第一视角所选择的内在参照系不会随着观察者的移动和视角的改变而进行更新，当观察者处于后继视角时就如同从新的方向观察一熟悉物体。但是如果第一视角与环境中某一突出轴不匹配而后继视角与之匹配，新的内在参照系（方向）就会取代原有的内在参照系（方向），相应的就以后继内在参照系（方向）对环境布局进行表征。

可以通过具体实例或实验对空间记忆的内在参照系理论进行进一步的了解。根据实验结果McNamara （2003）认为：如果要求被试从两个观察点对某一场景进行学习，如被试先从0度对图1所示场景进行学习，此时所依据的内在参照系统与视角、物体所在的垫子以及房间的墙壁都是平行的，当位移到135度时其视角与环境线索（物体所在的垫子与房间的墙壁）不再平行，因而基于0度视角的内在参照系不会被破坏、被试会继续以0度位置时的内在参照系统对该空间布局进行表征。所以当想象空间中的朝向与匹配视角（0度）平行时被试相对方位判断（如“想象你站在book 上，面对wood ，请指出shoe 的方位”）的成绩最好，而想象空间中朝向与非匹配视角（135度）平行时相对方位判断（如“想象你站在clock 上，面对shoe ，请指出wood 的方位”）的成绩并不比和非匹配视角不平行的朝向时相对方位判

断（如“想象你站在skillet 上，面对shoe ，请指出book 的

方位”）成绩好。相反如果第一次以135度视角对该场景进

行观察而位移到0度视角时，内在参照系统就会发生变化。

Mou 和McNamara （2002）的研究中进一步明确提出了

空间记忆的内在参照系统理论，在其一系列实验中被试被要

求对如图2的场景进行学习：物体放在与密闭房间墙壁平行

的一正方形垫子或圆柱型空间中的一块空地上。在实验（Exp

2）中，被试从315度学习该场景，要求一组被试以自我轴

315度[如clock （站的物体）－jar （面对的物体）、scissors

－shoe 和wood －book]、另一组被试以非我自我轴（如

scissors －clock 、wood －shoe 、shoe －jar 和banana －book ）0

度学习该布局，结果（见图3）主要发现：在判断成绩和判

断时间没有明显代偿的情况下，被要求以自我轴315度识记该场景的被试在从315度想象该空间布局（如“想象你站在

图1 McNamara 等人研究中所采用

的场景布局之一（被试所识记的是真

实物体；McNamara, 2003）

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scissors上，面对shoe，请指出clock的位置”）时的成绩要好于从0度想象该空间（如“想象你站在scissors上，面对clock，请指出shoe的位置”）时的成绩，反之亦然，以非自我轴识记该布局的被试在从0度想象该布局时的成绩要好于从315度（也即真实观察点）想象该布局时的成绩。这一研究有力地说明了主体的经验（如指导语）会影响主体进行空间布局识记时内在参照系的选择。

McNamara等人把主体以空间参照系来学习空间布局的过程与主体确定某物体或图形上方进行类比，结合一系列实验逐步构建了空间记忆的参照系统理论。与McNamara等人早期的理论框架相比，内在参照系理论抛弃了空间记忆是基于自我参照和环境参照两个系统的看法，而是认为主体是以物体布局自身结构作为空间记忆的参照系统，这一系统不是固定的，其最终的确立或更新受主体经验、物体的空间或非空间特性和环境因素的影响，其中主体经验是主导因素。

2.2 空间知识获取的坐标系统模型（coordinate-system model of retrieval）[10~13]

Sholl等人通过一系列研究提出了空间知识获取的坐标系统模型，该模型假设人是以两个子系统，即自我参照系统（Self-reference system）和物体内在系统/认知矢量空间（Object- to-object system/Cognitive vector space），对可行走环境内空间知识（navigating an environment on foot）进行表征和提取。

人们必须借助于参照系才能对空间位置和方向进行说明，研究表明人们对周围空间知识的组织是以身体为中心的即自我参照系统。坐标模型的中心假设是以身体解剖轴（anatomical axes，如上－下轴、前－后轴和左右轴）组成坐标表征系统，而坐标系统对数量的物体空间关系进行调整。坐标系统如图4B：由前－后轴和左－右轴组成，图为矢量空间和坐标系统的组合，为空间距离和方向的计算提供了一些列基本矢量。矢量空间中自我参照系统的原点与主体在物理空间中的真实或想象位置一致，其方向与主体的朝向一致（前－后轴的前点）。

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而且从计算角度而言，负责编码物体——物体空间关系的矢量可以从参照轴中加以推测，至于矢量角如何编码物体间的相对方向该模型没有说明。

在这个模型中，物体—物体的空间关系存储于环境中心表征中，即朝向自由矢量空间（orientation-free vector space）。朝向自由表征即在该表征系统中任何朝向的可利用性都是等同的，跟主体的朝向没有关系，其构成基础是若干朝向特定表征（orientation specific representations）：功能上源于若干朝向特定表征的聚集性活动（collective activity）或结构上作为建构于若干低层级朝向特定表征（multiple lower-level orientation-specific representations）之上的单一高层级朝向自由表征（single higher-level orientation-free representations）。坐标系统模型所假设的是物体—物体空间关系的单一高层级朝向自由表征，其作用形式类似于一认知矢量空间，如图4A所示：圆圈节点表示的是表征于数量网络中的物体、连接节点的矢量编码的是物体间的距离和角度。矢量空间不包括整体参照系，因而不足以说明矢量角，因为至少需要3个物体才能创造一个空间角度。在认知矢量空间中，矢量强度（随物体如路标被使用频次的变化而变化，使用频次高也即强矢量比使用频次低也即弱矢量更容易被激活）、物体间的距离（长距离矢量被激活所用的时间比短距离矢量被激活所用的时间要短）和物体间矢量的直接程度（图4A中节点4和节点5的连接是通过3建立起来的，因此矢量4－5可利用性程度要比矢量3－4程度低）都会影响主体对物体间相对关系的判断。

A B C

图4 坐标系统模型图

注：A表示的认知矢量空间，B表示的是自我参照系统，C表示的是认知矢量空间和自我参照系的结合（译自Sholl, 2000）

目标矢量一旦被激活，主体便以欧式坐标（Euclidean coordinate）在自我参照系中对物体加以表征。图4C说明了当主体想象身处节点3的位置时自我参照系统和认知矢量空间（物体内在参照系统）的结合。如果与该模型预测的一样——认知矢量系统和自我参照系统在功能上是分离的，那么这两个系统中空间关系的易达性应是相互独立的。比如影响自我参照系中某物体相对方向易达性的因素对认知矢量空间该方向的获取没有影响，反之亦然。众多研究表明基于真实环境和想象环境的想象空间物体定位任务中存在方位效应，最为突出的是前－后效应，即主体定位前方物体的时间比定位后方物体的时间短，且在物体—物体的空间关系（object-to-object spatial relations）的情境下，这种效应依然存在，所以其表征或提取是在自我参照系中完成的。坐标系统把前－后效应归于自我参照系中主体对其前部分的空间坐标

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计算要快于对其后部分的空间坐标计算，反应的不对称性发生于感觉—运动水平，而对其监控则发生于表征水平。因此影响自我参照系中物体相对方位易达性的是其在身体空间中的前/后位置，而独立于认知矢量空间。

总的来说，坐标系统模型认为人对空间知识的获取建构于自我参照和物体内在参照（认知矢量空间）两个系统之上的。自我参照系统以观察者身体朝向所定义的坐标轴（如前/后、左/右和上/下）对身体坐标（body-centered coordinate）中的身体—物体空间关系（self-to-object spatial relations）进行加工，该系统为主体（人）在定量空间中的运动（如行走、抓取或搜索等）提供了框架；而物体内在系统则是对环境坐标（environmental coordinate）中物体—物体的空间关系进行加工，该系统以物体自身定义物体间的位置关系，但相对方向的储存是局部的，仅限于系统所基于的物体或物体组合（set），与周边环境没有关系，不存在优势方向或坐标轴效应，因此该表征是朝向独立（orientation-independent）的。但这两个子系统不是完全独立的，在一定程度上也存在交叉，由于身体坐标前后轴中的“前点”决定了客体参照系统中的“前方（forward）”，故自我参照系统的身体朝向（heading）确定物体内在系统的方向（orientation），当由身体的实际旋转或想象旋转而引起自我参照系统的身体朝向变化时，物体内在系统的方向也随之变化。同时Sholl认为其模型偏重空间知识表征和获取的数量水平，但并不排斥用来解释人类空间行为的其他模型。

2.3 空间情境模型（spatial situation model）

文本理解的多维理论（multi-level theories of text comprehension）认为对文本的理解需要对不同加工水平进行表征，一般来说有文本表征（文本形式和内容）和情境表征（文本情境），虽然情境有时间、空间、因果关系、意图和主角共5个维度，但最重要的是空间维度，也是研究最多的维度[14]。空间情境模型就是在这一背景下提出的，空间组织的非线性特点和语言结构的线性特点不匹配（如两个空间相邻的物体在语言描述中可以距离很远）使研究者可以判断读者是建立了描述情境的心理表征还是建立了语言文字的心理表征。空间信息包括物体与主角的空间距离信息和物体与主角的空间关系信息。

结合McNamara（1986）早期提出的关于空间记忆的层级和非层级理论（hierarchical versus nonhierarchical theories of spatial memory）[15]，Rinck等人[16]（1997）认为空间情境模型中存在两种不同的空间距离信息：类别距离（category distance）和几何距离（Euclidean/metric distance）。类别距离（如物体和主角之间房间的个数）为非层级信息，而主角和物体间的几何距离则是层级信息。在相关实验中，被试被要求准确记住一张建筑物的平面图和其中几个物体的位置。而后，阅读一段故事，故事中的主角正在建筑物内移动。在阅读过程中，以一对物体的名称作为探测目标，要求被试回答它们是否在建筑物的同一房间内。结果表明当主角处于物体所在房间时，反应时最短；当主角刚走出物体所在的房间或物体所在房间在主角行走路线中未提及时，反应时最长。Rinck等人以阅读时间作为反应指标的实验也发现了类似的结果，表明物体可利用性取决于类别距离而非几何距离（如房间的大小），被试只是会在必须完成的第二任务中使用几何距离信息[16]。

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空间情境表征还包括故事中物体和主角的空间位置关系，其中一个重要的概念是空间框架（spatial frameworks），旨在整合观察者（主角）与环境中物体的空间关系信息。一个空间框架由3个有序的轴构成：上－下轴、前－后轴和左－右轴。在一项开创性的研究中，Franklin和Tversky让被试阅读一篇短文，如“……你的正后方，在你的视平线位置的包厢上，有一盏装饰灯……”。阅读过程中呈现探测刺激，要求被试判断在各个方向上放置的物体是什么（物体搜索的范式）。结果支持了空间框架的存在，搜索上－下轴上的物体所用时间最短、其次是前－后轴、而搜索左－右轴的物体所用时间最长；并发现这种建立于以观察者为中心的空间关系表征之上的物体搜索过程中存在方位效应（前<后<左=右）[17]。在物体搜索范式基础上，牟炜民的研究表明空间情境模型中以观察者为中心的空间关系表征中存在相互独立的物体－身体空间关系和物体－物体空间关系；物体－身体空间关系的知觉表征与概念表征是通过观察者为中心的参照系联系的，二者的转换产生了方位效应；物体－物体空间关系的强弱受空间心理表征中组织结构特性的影响，是相对位置效应产生的原因[18]。

从记忆的情境模型中得到的信息，其可利用性的模式受到描述场景时所基于的视角的影响。如果采用内部观察者（场景内观察者的视角）的空间框架（internal spatial framework），对前的反应比对后的反应快；如果采用外部观察者（场景外观察者的视角）的空间框架（external spatial framework），对前的反应和对后的反应没有差别[19]。对于场景（中央有一不同朝向的主角，其前后左右上下等距离处各有一个物体）的二维图示（2D diagrams）描述，被试以外部视角（outside perspective）进行识记，与场景中主角的视角无关，基于的是场景内在计算分析（intrinsic computation analysis）或内在参照系统；而对于同样场景的三维模型（3D models）描述来说，被试则以场景中主角的视角对场景进行识记，基于的是以主角为中心的空间框架分析（egocentric spatial analysis）[20]。

方位效应和位置效应为空间情境模型的确立提供了证据，支持了以观察者为中心的空间关系表征中物体—身体空间关系和物体—物体空间关系是彼此独立的，根据现有文献来看被试只有当对空间场景进行情境模型描述（言语描述或3D图示）时才采取空间框架分析。

2.4 空间位置记忆的类属模型（spatial category model）[21~25]

空间位置记忆的类属模型是建立在类属模型基础之上的，类属模型认为：物理世界的心理表征是无偏向的；刺激在细目（detail）的两个水平上被加以表征——特异或精细（particular/ fine-grain）值（value）表征和类属表征。如果表征是精确的，则这两个水平上的信息完全是整合(coordinate)的；但如果表征是不精确的，则两个水平提供的信息并非是多余的，结合起来有助于做出估计。后来Huttenlocher等人用类属模型解释空间位置记忆的判断偏差，进而形成了空间位置记忆的类属模型。下面结合其实验任务和结果，对该模型进行阐述。

在典型的位置记忆任务中，呈现给被试一几何框架及其内一点或一细线，要求被试记住该圆点或细线的位置，其后在一空白几何图形中“重现”出该圆点或细线的位置，结果发现重现位置以一固定的趋势趋向某位置而偏离目标所在实际位置（见图5：AB箭头表示的是所需识记刺激为细线时的趋向，C箭头表示的是所需识记刺激为圆点时的趋向）。

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图5 空间目标位置记忆偏差图

注：A和B所示的是目标刺激为细线， C所示的是圆点， D 为类属模型

资料来源：A和B: Spencer, 2002; C和D: Huttenlocher et al, 1991

Huttenlocher等人认为主体对目标位置的编码也是在细目的两个水平上被加以表征：特异或精细位置和类属。对于编码精细位置，Huttenlocher等人认为通过视觉编码位置有如对位置进行物理测量一样，一般有两种坐标系统可表示一物体的位置：极坐标（polar coordinates）和欧式坐标（Euclidean coordinates）。就圆圈中某点的位置来说，极坐标以该点到圆环的最短距离（见图6A线段，该线段延长后经过圆心）表示半径位置、以该线段与垂直/水平轴的夹角表示方向位置；欧式坐标则以该点到圆环的两条线段（分别与垂直和水平方向平行，图6B）表示位置。就实验任务来说，“重现”处于不同位置点的反应模式取决于被试坐标系的选择，因而以反应图示可判断出坐标系的使用。对于极坐标，半径位置编码的不确定性随目标点到圆周距离的增加而加大，而角度位置的编码由于缺少明显的参照、其不确定性相对恒定。所以在“重现”任务过程中，如果被试是以极坐标对目标位置进行编码，目标位置区域与圆周越近反应图示越狭窄，直至平行于圆周，反之，应图示越趋于圆（见图7A）。对于欧式坐标，编码的不确定性随目标位置到圆周距离的增加而加大。所以对于所有x和y轴不相等的目标位置点而言，反应图示成椭圆形（其对称轴分别平行于垂直轴和水平轴）；对处于垂直和水平方向间的对角线上的目标位置而言，反应图示成圆形（见图7B）。

Huttenlocher等人的实验结果表明在其实验任务中，主体是以极坐标表示目标位置的。

对于类属水平上的编码，表征的是物体大致位置。在呈现目标位置之前，主体以图形

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自身或其在大空间的方向为基础进行知觉组织，进而形成类属（categories）。对圆环而言，所有的直径都是对称轴，对其分割有赖于主体在大空间中的方向。当主体以极坐标对位置进行编码时，身体轴可用于圆环的水平和垂直轴上，进而形成“边界”（在刺激图形上实际不存在，见图5D中不带箭头的两直线）。则水平和垂直轴就会导致半径类属（radial category, 伸缩于圆周和圆心之间）和角度类属（angular category, 90度为一单元）。每一类属都有特定的原型，就半径类属而言，其原型把圆分为等面积的两个部分，位于圆心到圆周2/3的潜在圆环上；就角度类属而言，其原型即为边界的中线（见图5D）。

空间类属模型认为类属的功能是在于潜在提高位置判断准确性。在解释判断偏差产生的原因时，Tversky等人归其于知觉因素的影响，而Huttenlocher等人认为在目标位置呈现之后，基于知觉层面的空间类属不再保持，实验所提示的类属现象应归于概念因素的影响。总的来说，大量的研究证明了空间类属的存在，即人对空间位置的估计趋向于是特定空间的中心（类属空间的原型），但是到目前为止关于空间类属模型的研究中大多仅针对单一目标的位置记忆，虽然也有涉及需要被试识记多个目标的任务，总体来说缺少对空间场景记忆中物体位置估计是否存在类属现象的研究。

3 简单评价

上述4个理论模型中，从构建的基础（如实验的任务等）来看，McNamara等人的空间内在参照系理论和Sholl等人的空间系统坐标模型比较接近，以空间物体方位表述所依据的参照系出发：试图区分出身体—物体空间关系和物体—物体空间关系表征（系统）；进行空间关系判断和观察视角关系方面的探讨。尽管McNamara认识到身体—物体空间关系至少会在知觉水平上被加以表征，但是在总结自己的理论时，McNamara认为空间内在参照系理论到目前为止并没有对身体—物体空间关系如何被加以表征这一问题进行阐述；相反Sholl等人的空间系统坐标模型则对这两种空间关系都进行了阐述。除此之外，物体—物体空间关系表征在内在参照系理论中是跟朝向有关，是朝向特定（orientation specific），但系统坐标模型认为物体—物体空间关系表征跟朝向无关、是为朝向独立（orientation independent）[6]。与内在参照系理论和坐标系统模型相比，空间情境模型形成初期主要对空间框架的存在进行了验证，但后期的研究中也试图对空间情境模型中以观察者为中心的身体—物体空间关系和物体—物体空间关系加以区分；而且也有研究表明对空间情境的二维图示描述，被试是以内在参照系统对情境加以识记，这与内在参照系理比较一致，但是情境模型中的内在参照系统基于的是物体参照系统（即以具有内在不对称性的物体——如人和桌子——为中心的），而内在参照系理论中的内在参照系之方向或轴基于的是所学环境的空间布局。

以相对方位判断、物体定位/搜索任务为基础的内在系统理论、系统坐标模型和情境模型中，无论是身体—物体空间关系表征还是物体—物体空间关系表征，在一定程度上都是属于对空间布局数量（metric）水平上的表征。Sholl认为只有结合对基于空间布局记忆的数量水平表征和非数量（non-metric）表征才能完整地解释人类空间行为[10]。空间位置记忆的类属模型认为，与数量表征水平（精细加工）联合对位置进行判断的空间类属表征水平是产生

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空间位置记忆系统偏差的原因所在。但是位置记忆的类属模型所基于的任务不是物体布局而是单一物体位置的“重现”，也没有对被试“重现”目标位置时所基于的参照系（点）进行研究，故而类属表征水平是否适用于可行走环境或由多个物体组成的场景则有待进一步验证。

通过回顾当前占主流的空间知识记忆和提取的理论模型，可以看出：基于空间知识记忆的人类空间行为应包括数量和非数量两个水平上的表征；身体—物体空间关系和物体—物体空间关系在一定范围内是相互独立的；涉及物体—物体空间关系的物体—物体空间表征系统或参照系与受观察视角影响的可能性要大一些。同时，从概念的使用到实验任务的选择，以往研究中存在诸多的模糊，一方面反映出这正是当前空间认知研究领域的热点或重点之一，另外一方面也说明这部分的研究有待整合和深入。

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The Theories of Spatial Memory and Retrieval

Zhou Ronggang, Zhang Kan

(Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101)

Abstract: Research on how do people learn the layout of some-scale space has been an important filed in spatial cognition study. Deep researches on spatial memory and retrieval of physical environment not only help us to understand human spatial behavior, but can provide useful data or support for interface design, information presentation in virtual spatial environmental. This article reviewed current theories of spatial memory from theory of intrinsic reference system, the coordinate system model of retrieval, spatial situation model and spatial category model.

Key words: spatial memory, intrinsic reference system, coordinate-system model of retrieval, spatial situation model, spatial category model.