地理空间认知

http://www.paper.edu.cn -1- 地理空间认知1 舒红 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 (430079) E-mail：shu_hong@lmars.whu.edu.cn 摘 要：地理信息是地理空间相关信息，地理信息科学是地理空间知识体系。当前，地理空间认知的缺乏障碍着地理信息科学的建设。在人-机-地交互系统观念下，建议了地理空间认知定义，阐述了哲学、物理学、数学、心理学、符号学、地理学、测绘学、计算机科学等学科中的空间认知思想，不同视角不同层次学科中地理空间认知思想的辩证综合启发了地理空间认知理论建立。此外，论文揭示当前进化的地理信息系统观念是哲学观念自身发展使然，指出地理空间认知与人类中心地理信息科学观形成一种对立统一关系。 关键词：地理空间，计算，认知，本体，语义，地理信息科学

1. 地理空间认知 哲学上，意识是人脑对物质的主观能动反映。相对于强调客观观察、环境影响、环境适应和实际功效的行为心理学，认知心理学更多地通过自我内省方法来探究人类心理活动（尤其心智结构发展）规律。进一步，Herbert Simon和Allen Newell [1]假设人类心理活动可以表

征为物理符号变换。这里，“物理”符号指外在的或潜在可以外在化的符号，甚至包括神经元活动模式等。自然地，符号结构变换形式化了心理活动规律。这种意义下，认知科学实际已经将形式计算、心理活动和客观规律统一于广义信息加工，或者说认知科学是一门以广义信息加工观点来探究人类心理活动规律的科学。据此，我们可以定义地理空间认知是人-机-地交互系统中广义地理空间信息加工理论。更具体地，地理空间认知是人-机-地环境下地理空间结构变换及其符号表征理论。 科学直接体现为一种知识体系，地理信息科学则是地理空间知识体系。然而，当内容形式化后，知识投射为符号结构变换规律，信息和知识概念便趋向统一，人工智能和知识工程得以实现。地理信息系统完成人类地理空间智能的计算机实现（仿真或延伸），地理空间认知理论则采用计算机信息处理观点探索人类地理空间心智发展（虚拟或增强环境）。很明显，地理空间认知理论是地理信息科学的重要支撑。 至今，人们对地理空间认知尚未获得一个完整的印象，不同视角和抽象水平的空间或地理空间认知思想散列于哲学和科学里面。本文在辩证阐述不同学科里地理空间认知思想的同时，有意提供一个初步的地理空间认知框架。

2. 哲学的空间认知 哲学经历了本体论、认识论、语言分析（语言意义和命题逻辑等分析哲学）、人本主义（生命、现象、存在主义、后现代主义等哲学）等几次主要转向。哲学的空间范畴指最一般空间概念及其特性。 空间相对运动和物质而存在。空间（space）是一切物质存在的基本形式，表现为物质的广延和并存性。空间性（spatiality）是特定实体对普遍物质空间的继承。空间和空间性具有绝对和相对的关系。空间和时间统一于物质的运动，更深层地归结为物质内外成分相互作用（维持或改变物质状态的力）。此外，空间具有无限和有限、间断和连续、均匀（同质、

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20040486029），国家自然科学基金（项目编

号：40671150），国家973计划基金（项目编号：2006CB701305）的资助。 http://www.paper.edu.cn -2- 同向、对称）和差异（异质、异向、非对称）、无序和有序、整体和部分、聚集（向心力）和扩散（离心力）、或然和必然等辩证特性。 物质具有客观实在性，作为物质存在形式的空间同样具有客观实在性。形态多样的具体物质的可感知性提供人类空间感觉经验（尤其视觉经验）。空间认知同样是人类身体器官-大脑的主观能动反映，空间提供感性材料（日常和科学观察数据）的组织方式。空间关系表现了空间结构语义，空间中物质则表现了空间指称语义。人类空间行为活动则载赋了空间人文价值。空间语言是空间逻辑的符号表述，同时也是人类空间认知能力的表现。

3. 物理和数学的空间认知 物理学研究具体物质运动及动力规律，引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用力等长短程作用力为四种最常见物质互作用力。相应地，我们有不同动力和运动维持下的空间，例如，波动空间、粒子空间、分子空间、宏观物理空间等。 为建立惯性参照系下运动和引力定律，Isaac Newton坚持绝对空间观，认为纯粹空间绝对存在，独立于外在物质，静止不动，作为一种位置参照。空间象容器，包容着一切具体物质。为建立相对论物理学，Albert Einstein坚持相对空间观，认为事物相比较而存在，时间和空间相对于物质运动存在，引力场等效弯曲几何空间，空间作为关系或秩序。绝对空间与相对空间思想正如形而上学和辩证法的关系。物质存在实物和场两种形态，具有波粒二象性，量子力学提供了一个不同于经典力学和相对论确定空间观的不确定空间观，粒子空间坐标和动量不可能同时精确测量，Werner Heisenberg的测不准原理陈述了人和自然互作用事实。 数学研究事物的数量关系和空间形态。数学源于人类理性的逻辑化、公理化或直观构建。在公理化之前，欧几里德几何被认为是空间直观语言。而非欧几何更多地体现了人们对曲面空间的理性反思。现代数学中，Felix Klein将几何学定义为几何变换群中几何不变量研究。依次松弛限制条件，我们有欧氏几何（欧氏变换群中度量不变量，“长度”“正交”性质保持）、仿射几何（仿射变换群中仿射不变量，“平行”性质保持）、射影几何（射影变换群中射影不变量，“直线”性质保持）和拓扑几何（拓扑变换群中拓扑不变量，“邻域”性质保持），不同层次的几何整体刻画了一般空间结构。

4. 心理和符号学的空间认知 心理学研究人类心理活动规律，经历了意识结构心理学（实验心理学）、行为心理学、认知心理学（信息加工心理学）等范式变革。Roger W. Sperry的裂脑实验表明人脑左半球优势于语言、数理和逻辑等抽象思维，右半球优势于空间形式、音乐和艺术等形象思维。普通心理学研究表明人类知觉具有整体性、选择性和恒常性。针对Wilhelm Wundt意识的心理元素分解观点，Max Wertheimer、Wolfgang Kohler和Kurt Koffka强调知觉（尤其视知觉）的整体组织规则，提出相近、相似、封闭、连续、对称等知觉组织原则。Pylyshyn Zenon W.、Kosslyn Stephen M.、Paivio A.等争论人类思维模型的语言、图象、双编码形式。空间知觉包括对物理形状、大小、方位和深度等特性的知觉。Rosch Eleanor探讨通过相似性家族中原型来识别对象的方法。Piaget Jean发生心理学关注儿童内在的感知运动、前运算、具体运算到形式运算的思维图式发展规律，认为人类智慧本质在于适应，即同化和异化两种机能协调，达到有机体与环境平衡。Tolman Edward Chance [2]强调生物行为的心理驱动，首次提出认知

地图概念。Gibson James J. [3]关注人类环境知觉，环境功能不变量（affordance）呈现于人类视觉，人类从光流中完成各种视觉功能不变量抽取，人与环境彼此暗示。Tversky Gans Barbara http://www.paper.edu.cn -3- [4] 探讨了环境（上下文）影响导致人类空间认知扭曲，如习惯性、熟悉度、亲近感、观赏

性等给人距离缩短的印象，层次性导致人类空间方向性幻觉。空间参照系可以分为绝对参照系（如大地坐标系）、自身参照系（如局部坐标系、河流的出入口）和相对参照系（参照物、测量物和量测工具/测量者共同构成的坐标系，如不同位置的人看汽车在房屋的不同方位）。从知觉（尤其视觉）、思维等方面，心理学家对人类空间认知结构变换（空间认知模型）及其符号表征进行了大量实验和理论探索。 作为一种文化现象，语言观（语言结构）侧面反映了人们的世界观（命题事实）。同时，语言也是人们个体思维和社会交流的符号系统，它经历了Ferdinand de Saussure结构语言学、Chomsky Noam生成转换语言学和George Lakoff[5]认知语言学等认识阶段。Ferdinand de

Saussure指出符号是能指和所指的统一体。Peirce Charles Sanders 将认识主体引入自足符号，扩展定义符号为能指、所指、解释项的统一体。George Lakoff注意到人类世界知识的形成不能脱离自身身体经验，如从身体上下前后左右等日常生活体验逐渐隐喻到地理空间南北里外西东等世界常识，人脑中存在多种空间意象图式协助我们整理感觉经验材料，进而形成人类关于整个世界的知识体系。意象图式是不断反复出现的人类理解和推理的经验完形，具有一定的内部组织结构，如容器图式、里-外图式、部分-整体图式、连接图式、中心-边缘图式、起点-路径-目标图式、上-下图式、前-后图式、线性图式、力图式等。意象图式（image schema）观点接近Immanuel Kant的先验直观形式的空间知识观，但有别于Immanuel Kant作为感性和理性桥梁的图式和Piaget Jean作为思维模式的图式。Sapir-Whorf认为语言有助于人们认知重组，并协助人们解剖自然，世界通过语言来组织。

5. 地理、测绘与计算机科学的空间认知 地理学研究地理现象分布和变化规律，强调人地关系地域变异，经历了描述解释、数学模型、地理行为、智能计算等方法论转向。开放复杂的地理系统为地球表面自然和人文地理现象的集合，是物理、化学、生物、社会、文化等低高级现象在地理空间尺度上的整合。从部门到系统，从具体区域差异到全球一体化，人们地理空间概念遵循局部到整体、个别到一般的认识规律。早期的地理景观概念突出人类地理空间感知，现代的地理景观则更加抽象，涵义趋近于地理区域（地理综合体单元）概念。Tobler Waldo[6]提出地理学第一定律（相近

的地理事物比相远的地理事物具有更强的相关性），表明了地理事物内在状态关联向外在空间形式的投射。不满足为区位配置、路径优化等模型的数学简化，地理学家重新认识到人类地理空间认知（认知地图）在地理空间行为中的驱动作用（Reginald Golledge）[7]，找路（wayfinding）行为隐射了人类地理空间问题求解过程，纯粹的空间位置（location）被赋予地理意义作为地理实体存在场所（place）。斑块、廊道、基质、网络等构成生态景观格局。路标、路径、节点、区域、边界、网络等构建城市景观意像（Kevin Lynch）[8]。Bill Hillier [9]

认为城市空间格局集中承载着人类社会活动经验，建议连接、集成度、深度、智能度概念化的城市空间轴线图。 测绘学作为地理学的一个分支，大地测量和工程测量间接观测（如地球重力等物理量观测）或直接观测地球大小形状和工程几何量变化。摄影测量与遥感利用地物电磁特性探测地物空间形态和专题属性。地图制图则完成地物图形综合和表达。测量平差研究测量值向真值逼近（估计）与测量值不确定度评价。地图制图对地理景观进行图形综合和表达，借助图形符号系统表达地理现象空间分布规律。特别地，Jacques Bertin[10]，Alan M. MacEachren [11] 等