第一節(jié)　空間認(rèn)知與空間抽象

一、空間的含義

空間是一個多義性概念，目的不同，對空間的理解也不相同，因此，現(xiàn)實生活中存在許多不同的空間概念，例如，生活空間、虛擬空間、地圖空間和數(shù)學(xué)空間等。但是，在地理研究中，可以把空間理解為一個范圍，這是一種地理空間，是地理現(xiàn)象發(fā)生區(qū)域的一種定義或劃分，是具有地理定位的幾何空間。在地理信息系統(tǒng)中地理空間可以用具有屬性的離散目標(biāo)集合或場來描述，目標(biāo)的屬性有位置、范圍和形狀等，它們通過相交、連通等空間關(guān)系相互聯(lián)系。陳述彭(2001)把地理空間定義為物質(zhì)、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、過程、功能關(guān)系上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)，地理空間上至大氣電離層，下至地幔莫霍面。

二、空間認(rèn)知

“認(rèn)知”(Cognition)是認(rèn)知心理學(xué)的一個重要概念。從廣義上說，認(rèn)知與認(rèn)識是同一個概念，是人腦反映客觀事物的特性與聯(lián)系，揭露事物對人的意義與作用的心理活動。認(rèn)知是人類認(rèn)識和了解自己生活于其中的世界時所經(jīng)歷的各個過程的總稱，包括感受、發(fā)現(xiàn)、識別、想像、判斷、記憶、學(xué)習(xí)等?，F(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)強(qiáng)調(diào)認(rèn)知的結(jié)構(gòu)意義，認(rèn)為認(rèn)知是以個人已有的知識結(jié)構(gòu)來接納新知識，新知識為舊知識結(jié)構(gòu)所吸收;舊知識結(jié)構(gòu)又從中得到改造與發(fā)展。從狹義上理解，有幾種說法:認(rèn)知是信息處理過程;認(rèn)知是思維及問題求解;認(rèn)知是心理符號處理;認(rèn)知是由知覺、記憶、推理等組成的一個復(fù)雜系統(tǒng);認(rèn)知研究知識的獲得、存儲、提取及應(yīng)用。

認(rèn)知科學(xué)(Cognitive Science)與認(rèn)知心理學(xué)和人工智能有密切的關(guān)系，它在地理信息科學(xué)中已引起了廣泛的關(guān)注，眾多GIS學(xué)者已研究了地理認(rèn)知的理論內(nèi)涵、認(rèn)知表達(dá)和概念模型的特點。例如，Jeremy(2000)把認(rèn)知原理應(yīng)用到地理數(shù)據(jù)庫表達(dá)中。地圖學(xué)也非常重視空間認(rèn)知的研究，因為要使電腦模仿人腦制作出優(yōu)秀的地圖，把有關(guān)的地理數(shù)據(jù)有機(jī)組織起來，就要弄明白空間環(huán)境信息在人腦中是如何進(jìn)行編碼的，以及在制作地圖時人的思維記憶過程(高俊，1992;王家耀等，2000)。

認(rèn)知科學(xué)應(yīng)用到地理信息科學(xué)中就形成了“地理空間認(rèn)知(Geo-Spatial Cognition)”，地理空間認(rèn)知是地理空間目標(biāo)的大小、形狀和方位以及空間關(guān)系等在人腦中的反映。Lioyd(1997)認(rèn)為地理空間認(rèn)知是地理學(xué)與心理學(xué)的結(jié)合，涉及對認(rèn)知過程進(jìn)行編碼、過程內(nèi)部的描述和過程的解碼。地理空間認(rèn)知的手段多種多樣，主要有實地考察、閱讀文字材料、統(tǒng)計數(shù)字、聽取報告、觀看地圖和圖片等。其中，地圖是地理空間認(rèn)知最重要的工具，也是地理空間認(rèn)知的一種結(jié)果。地理空間認(rèn)知也常被簡稱為“空間認(rèn)知”。

空間認(rèn)知是對現(xiàn)實世界的空間屬性，包括位置、大小、距離、方向、形狀、模式、運動和物體內(nèi)部關(guān)系的認(rèn)識，是通過獲取、處理、存儲、傳遞和解譯空間信息來獲取新的空間知識的過程?？臻g認(rèn)知是認(rèn)知科學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域，也是心理學(xué)、地圖學(xué)、地理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和人工智能等學(xué)科都在研究的一個重要問題，這些學(xué)科各自從不同角度對空間認(rèn)知進(jìn)行了研究。這是因為空間認(rèn)知就是對空間知識的處理過程，也是空間信息處理的過程，而空間知識是人類賴以生存的重要條件?？臻g認(rèn)知研究人們?nèi)绾卫斫夂捅硎究臻g的方式，研究空間信息的處理過程，研究人們怎樣認(rèn)識自己賴以生存的環(huán)境?？臻g認(rèn)知主要包括對地理實體及其空間關(guān)系的理解和表示，認(rèn)知的對象是多維的、多時相的(王家耀、陳毓芬，1999)。

人類進(jìn)入文明時代以后，便開始使用地圖。地圖作為人類空間認(rèn)知的一種重要工具，是不可代替的，人類對地圖的興趣是永恒的，這也是千百年來地圖經(jīng)久不衰的原因之一。長期以來，人們習(xí)慣用地圖表示地理空間，但是，地圖本身就是一個“可操縱的空間”，因此，地理空間認(rèn)知的研究可以直接放在地圖空間上?？臻g目標(biāo)的形狀、大小、方位、位置、維數(shù)和相互關(guān)系等空間結(jié)構(gòu)的知識形成了我們對自身生存環(huán)境的認(rèn)知地圖(Cognitive Map)，并影響我們的空間決策和行為(王家耀、陳毓芬，1999)。認(rèn)知地圖也稱心像地圖(Mental Map)，是人們對現(xiàn)實世界感知的心像表示，是一個人頭腦中具有的關(guān)于環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)的大量知識。人們通過記錄感知、自然語言和推導(dǎo)的信息來構(gòu)造和發(fā)展認(rèn)知地圖?？臻g認(rèn)知可以被理解為一種認(rèn)知地圖制圖(Cognitive Mapping)，認(rèn)知地圖制圖就是從大量的環(huán)境外部信息到大腦的采集、編碼、使用和存儲的過程。同一個客觀世界在人腦的認(rèn)知地圖中，不同的人會有不同的認(rèn)識。

空間認(rèn)知的常用理論包括:層次性分類理論、3W(What、Where和When)的認(rèn)知、命題理論、成像(Imagery)理論。

層次性分類理論主要是指人們?yōu)榱私M織數(shù)據(jù)，以及更有效地存儲知識而使用的怎樣把具有共同屬性的實體進(jìn)行分類的方法，把類別從一般到特殊、從低級到高級放在不同的層次中，這在地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織中是常用的。

3W的知識存儲在相互分離的分類系統(tǒng)中，并且具有獨立的知識結(jié)構(gòu)，以便根據(jù)不同的目的獲取不同的特征。一般地說，What涉及實體的標(biāo)識，Where涉及實體的相關(guān)空間關(guān)系，When涉及實體的變化運動以及對過程的探測。What/Where/When三個系統(tǒng)在性質(zhì)上是彼此區(qū)分的，但相互交織，尤其是What/Where方面的知識是不能完全獨立和分離的。

命題理論認(rèn)為，一個命題是一個抽象的概念結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)表達(dá)了對象之間的相互關(guān)系。命題使用簡單的句子來約定。

成像(Imagery)理論認(rèn)為，影像是空間認(rèn)知模型的一個必要組成部分。這個理論的基礎(chǔ)是圖形隱喻，并且圖形不同于影像。感知過程把原始空間信息簡化為一個更簡單的、更有組織規(guī)律的形式。當(dāng)信息被重新組織時，就存儲在記憶中，并且能夠按照需要被重新聚合，創(chuàng)建類似圖形的影像。成像理論強(qiáng)調(diào)認(rèn)知地圖的制作過程和功能。

在地理空間認(rèn)知中地理空間意像也起到了非常重要的作用。意像是人類意識對于物質(zhì)世界的主動和積極的形象化反映。地理空間意像是一種具有自學(xué)習(xí)能力的具有空間形象感的地理形象化思維模式，它既提供了一種地理信息的組織方式，同時，它又為地理信息、知識提供了一種形象化的表達(dá)模式。地理思維包括地理抽象思維、地理形象思維以及地理創(chuàng)造性思維(馬藹乃，2001)。

三、空間抽象

抽象產(chǎn)生于目標(biāo)之間相似性的識別，從使用者角度來看，抽象表示一個目標(biāo)區(qū)別于其他所有目標(biāo)的本質(zhì)特征，并提供明確的已定義好的概念的邊界。一個抽象就是對環(huán)境模型的心像排序(Mental Ordering)，該環(huán)境模型依賴于使用者的目的或任務(wù)，這也就是為什么不同的人對同一個環(huán)境會有不同的排序。但是，如果主題的背景相同，并且面對同樣的任務(wù)，那么也能得到同樣的心像排序(Timpf，1999)。抽象也可以被理解為依據(jù)由任務(wù)或目標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)從海量的屬性、目標(biāo)或行為的集合中選擇屬性、目標(biāo)或行為的一個子集合的過程。重復(fù)這個過程就可以產(chǎn)生幾個抽象程度，且抽象程度與詳細(xì)程度有關(guān)，即概念越概括，抽象程度越高。抽象過程會出現(xiàn)在認(rèn)知的所有階段。

人腦不可能記住我們周圍空間的所有細(xì)節(jié)，只是為了當(dāng)前的任務(wù)提取必要的信息，隨著連續(xù)地抽象，產(chǎn)生不同詳細(xì)程度的實體，這種抽象所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是一種層次結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的類型依賴于抽象過程中所使用的操作。通過刪除空間中目標(biāo)的細(xì)節(jié)，或者選擇空間中重要的目標(biāo)，形成不同詳細(xì)程度的空間意像，這個過程就是“空間抽象”。多次空間抽象就可以形成不同詳細(xì)程度(Levels of Detail)的空間和層次結(jié)構(gòu)(Hierarchies)，現(xiàn)實世界就是不同詳細(xì)程度的一個結(jié)構(gòu)，例如，從亞原子到星系。地理空間層次結(jié)構(gòu)的例子很多，例如，道路網(wǎng)絡(luò)，行政區(qū)劃，土地利用分類，流域等。

層次結(jié)構(gòu)是認(rèn)知科學(xué)的基礎(chǔ)，人類有層次地排列信息，并且用層次性方法進(jìn)行推理。層次化(Hierarchization)是人類對世界建模的一種主要概念化方法，以便在最高的層次上推理知識。在地理世界中實體的層次在一個空間數(shù)據(jù)庫中可以產(chǎn)生多重表達(dá)，人類通過信息的抽象來構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，也就是說，借助排序好了的信息分類來建立層次結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)分為3類(Timpf，1999):

●聚合(Aggregating)層次結(jié)構(gòu):把個體集合聚合為單個個體。

●概括(Generalizing)層次結(jié)構(gòu):在層次結(jié)構(gòu)中類的層次越高，該類越抽象。把一個類與一個超類聯(lián)系起來。

●濾波(Filtering)層次結(jié)構(gòu):對在一個層次上的個體集合利用濾波函數(shù)在更高的一個層次上產(chǎn)生一個個體子集。

地圖綜合就是空間表達(dá)(形式化和重新命名知識)和空間抽象(簡化一個給定的表達(dá))的結(jié)合，地圖制圖過程與人工智能中的知識抽象模型有非常相似的關(guān)系。

四、空間尺度

尺度是客體在容器中規(guī)模相對大小的描述(王家耀，2001)，是地理空間數(shù)據(jù)表達(dá)和處理過程中一個非常重要的因子，但是關(guān)于尺度這個術(shù)語，還沒有一個很好的定義。尺度意味著抽象的層次，且含義較廣，包括所描述的地理現(xiàn)象的尺度和地理空間數(shù)據(jù)的尺度兩個方面。

地理現(xiàn)象的尺度是指被觀察對象所涉及的空間范圍的相對大小，這種空間尺度的大小是相對的，例如，當(dāng)你從飛機(jī)上觀察時，一個城市的范圍可以被看做是一個小尺度空間，但是，當(dāng)你位于這個城市的街道上時，該城市就是一個大尺度空間，這里所說的空間尺度是相對于人在地面上的視野而言的。大尺度空間是指地理空間，人們不能立刻認(rèn)識它，要通過若干個局部的觀察才能推導(dǎo)出地理空間的地理特征，而不能通過一個局部位置的人類感知就能得到。小尺度空間是指在人的視野范圍內(nèi)的客觀世界。

空間數(shù)據(jù)有尺度特性，這種尺度可分為空間尺度、時間尺度和質(zhì)量尺度?？臻g尺度常用“地圖比例尺”來描述，比例尺是有關(guān)尺寸的描述，可以是相對的，也可以是絕對的。地圖比例尺是地圖上一個要素相對于它在客觀世界中的真實尺寸而言被描述的尺寸。在地理研究中，還涉及“分析比例尺”和“現(xiàn)象比例尺”。分析比例尺是指某些問題被分析時的單位的大小，如，省級、縣級等。現(xiàn)象比例尺是指人文或自然的地球結(jié)構(gòu)或過程所存在的范圍，不考慮如何去研究或表達(dá)這些結(jié)構(gòu)?？臻g尺度也可以用“分辨率”(Resolution)來說明，例如，遙感影像等以柵格為存儲模式的地理數(shù)據(jù)。分辨率主要強(qiáng)調(diào)詳細(xì)程度，“詳細(xì)程度”在地理空間數(shù)據(jù)中也描述了一種尺度特性，其與“抽象程度”是對偶關(guān)系，主要強(qiáng)調(diào)所描述地理特征的多少。

空間粒度(Granularity)也是描述空間尺度的概念，強(qiáng)調(diào)抽象程度，當(dāng)?shù)乩砟繕?biāo)的空間粒度發(fā)生變化時，地理空間目標(biāo)所描述的語義也會隨之發(fā)生變化，例如，在地圖綜合中，多個建筑物會被抽象為一個街區(qū)，也就是說，空間粒度和語義粒度可以相互影響。

時間尺度主要強(qiáng)調(diào)時間間隔的長短。質(zhì)量尺度用于說明數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制范圍?？臻g關(guān)系的語義表達(dá)也具有層次性，存在多尺度特征。但是在地理空間中空間關(guān)系表達(dá)到何種程度，如何衡量這種抽象程度，目前還缺乏統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

五、空間推理

人類對各種事物進(jìn)行分析、綜合并最后作決策的過程中，通常從已掌握的已知事實出發(fā)，運用事物之間的相互關(guān)系(如因果關(guān)系等)，找出其中蘊(yùn)涵的新的更多事實，這個過程通常被稱為推理。推理是根據(jù)一定的原則，從一些已知的判斷(前提)合理地得出另一些新的論斷(結(jié)論)的思維過程。

很明顯，空間推理是人類空間認(rèn)知世界的一項基本活動?？臻g推理是許多不同領(lǐng)域的專家和學(xué)者研究的一個共同問題?？臻g推理是從空間知識形式化建模和邏輯推斷的角度認(rèn)識空間?？臻g認(rèn)知過程中離不開空間推理，空間推理過程中也不能缺少空間認(rèn)知規(guī)律。

空間推理除了具有常規(guī)推理的一般共性之外，還具備自身的一些特性?？臻g特性是地理空間推理中所考慮的主要特征，這種空間特性是指地理空間實體的位置、形態(tài)以及由此產(chǎn)生的系列特征?？臻g推理不僅要處理空間實體的位置和形態(tài)，而且應(yīng)對空間實體之間的空間關(guān)系進(jìn)行處理。也可以從空間推理的實質(zhì)、組成、作用、研究內(nèi)容等不同角度解釋和說明空間推理的含義，例如，空間推理是使用空間目標(biāo)的位置、形狀和方位等信息以及這些目標(biāo)之間的空間關(guān)系解決空間問題的有效方法，每種空間推理方法必須有實體特定的空間概念集及相應(yīng)的推理規(guī)則;空間推理是從空間事實和空間關(guān)系推導(dǎo)空間知識的一個過程，空間事實是有關(guān)諸如存在物、描述特征和位置的事實，空間關(guān)系是空間中實體之間的關(guān)系，如相交，連通等，空間知識可以表示為:空間知識=空間關(guān)系+語義。