§2.3 地球空间的认知模型与信息图谱

环境图谱 地质岩性、构造图谱、地形地貌 图谱、生态景观图谱等。 资源图谱 各种类型的森林图谱、草场图谱、 耕地类型图谱、水资源图谱(河流、湖泊等)、矿 产资源图谱(如蚀变带图谱等)。 人工建筑的图谱 城、镇、村等居民点图谱； 铁路、公路、机场、站场、码头、港口、桥梁等 交通设施图谱；不同功能的建筑物，包括不同类 工厂、商店、仓库、学校、医院、机关、公园、 游乐场等的图谱；商业区、文化区、工业区、住 宅区等图谱、高压线、油管等的图谱。
§2.3 地球空间的认知模型与信息图谱
一、认知理论的基本概念
认知心理学，或认知科学，是60年代才兴起的新的心 理学分支学科。认知科学、计算机科学和地理科学三者相 结合，将成为发展地理专家系统的理论基础。认知科学和 地理科学相结合所产生的地理认知图式，是地理专家在解 决地理问题时的逻辑思维体系，这个思维体系用计算机程 序来实现就成了地理专家系统。地理专家系统有两个组成 部分：第一，地理学的认知理论；第二，计算机人工智能 技术。 地理认知理论的认知图式，由以下两个部分组成： 第一步，地理意像(Geographic mental image)。即地理 专家对一个区域研究时，首先由两只眼睛如摄像机那样获 得该区域的原始影像，即区域的影像image，宏观综合的 原始材料。
资源环境信息图谱是指荷载资源、环境信息的 图形系列或能够荷载资源、环境的性质、特征和状 态表征信息的图形系列。 2.研究现状 目前，许多学科都总结性地编制了各种各样的 图谱，如海洋科学的“波浪谱学”和“海洋动力图 谱”， 水文水利科学的“黄河水文泥沙图谱”，气象科学的 “大气过程云系图谱”，遥感科学的“地物波谱志” 和“遥感影像图谱”等，都是典型的资源环境图谱。 可见它们在资源环境的研究中不仅早已被应用，而且 应用还非常广泛。人们通过对资源环境图谱的研究， 不仅揭示了它们的规律，而且还促进了应用。
4.数学模型 资源环境信息图谱具有十分复杂的图形，而 分形分维数学是专门描述这种复杂图形的数学， 即分形分维几何学。它是由B.B.Mandelbrot于 1982年创建的，又称为自然界中的分形几何学。 他认为自然和社会中的复杂的几何形态，具有相 似性的特征，在统计意义上总体形态的每一部分， 可以被看作是整体标度减少的映射。不论形态是 如何复杂，它们在统计上的相似性或概率上的相 似性是普遍存在的。标度指级别或观测数目。他 指出，自然和社会中复杂的几何形态，可以用幂 函数D，即分形数来表达:
二、认知过程与认知模型
所有的动物都有认知(cognition)的本能，尤其人 类更为突出。第一步，人是通过五官——眼、鼻、耳、 舌、皮，即视觉、嗅觉、听觉、味觉和触觉来识别和区 别周围的环境或某一具体对象的。据研究，人对客观世 界的认识，有87％来源于视觉，11％来源于听觉，只有 2％来源皮肤的触觉和感觉。第二步，从物体的运动和 变化特征来识别和区别周围的环境和物体。
3.形成机理 物质结构也是一种特殊的图谱。组成物质的原子和分子的 结构特征、组成岩石的矿物的晶体结构等，都具有图谱的特征。 任何绝对零度以上的物体，都具有发射电磁波谱(热红外与
微波等)的特征，还都具有反射外来的任何电磁波谱特征，而
不同性质的物体具有不同的发射波谱特征和反射波谱特征。不 同的物体还具有不同的重力场、磁力场特征以及能谱(γ能谱
②综合信息图谱（以洪涝灾害诊断图谱为 例）： 形谱： 某一地区7～9月份（雨季）时的河流、湖泊 洼地平时的形状（宽度、面积等），与当前或任 何年份该地区的7～9月时的形状作对比分析，若 河道变宽、湖泊与洼地面积变大、或原来的小面 积水体增大时，可确定为发生了洪涝灾害。 波谱： 主要将正常时期的某一地区7～9月份雨季时 的遥感影像与当前或任何时期的影像进行对比分 析，若河道变宽、湖泊与洼地面积变大、或原来 的小面积水体增大时，可确定为发生了洪涝灾害。 综合图谱中的征兆和诊断图谱的关键是：建 立地区的标准图库，据此进行对比分析、预测和 诊断。
D logN r / log r
式中， D为分形数；r为形状的变量；[N(r)]为标度， 指级别或以观测数目等来描述。分维数是对分形复杂性程 度的度量。分维数的基本概念在欧氏几何中，点是0维， 线是1维，面是2维，体是3维；推而广之，时空是4维，高 维抽象空间可以为5维、6维及任意n维(n为整数)。这种整 数维的图形，经过拓扑变换，即拉长、压缩或扭曲后，仍 然是不变的，称为拓扑维数。 自然界存在各种尺度的分形形体，大到宇宙，小到一 个树的图形，与数学上分形有两点差别： (1)自然界的分形，不是按一定规则构造出来的一种 有规则的分形，而是一种具有自相似性的随机对象，是无 规则分形。 (2)自然分形的自相似性层次是有限的，分形只存在 被限制的范围内不存在无限的自相似层次，如一条河流的 分支，一株树的分支，都不是无限的。例如，不论在任何 岩性、气候等条件下，流域地貌的要素D都在1与1.4之间； 而山体的面积和周长的D为1.35，河曲的D在1.1与1.3之间， 河流分支的D也大多在1.1与1.3之间等。
认知的基本原理是：所有的物体都有自己特有的 物理和能量特征。物理特征如形状、大小、结构、颜色、 温度等外部特征，及组成成份及结构等内部特征。能量 包括重力(重量)、磁力、声波及电磁波谱特征(x射线、 可见光、红外线到无线电波等)。可根据物理的和能量
特征的差别来区别物体的属性。这是基本原则，但在少数情 况下，会略有变化。人的认知过程同时还从物体的时空变化 过程中，从运动和变化特征的差异中判别物体的异同 。 人的认识不是一次就能完成的，它需经过“由表及里”、
3. 图谱内容 ①基础信息图谱（以华北油松为例）： 形谱： 单体特征: 针叶（五针）稍长；墨绿色，树 干挺直，鱼鳞状皮，成年高10米左右，球形鳞片 状坚果，树冠错差不齐，常绿乔木。 群体特征: 分布华北海拔1000米以下的山地 和丘陵区，林冠错差不齐，墨绿色常绿林。 波谱： 波谱曲线:（略） 遥感影像:全色片、彩色红外片、多波段影 像、雷达影像… …
图谱包括图形谱和色调谱在内。人们对事物的认 识过程中，首先将脑中的信息图谱与要判别的群 体或个体进行比对、分析及判断、决策或识别而 认知的。大脑数据库中存贮的“信息图谱”是认 知过程的基础。 孙九林(1999)认为：数据、信息和知识是人 类对客观世界认知的三个阶段。数据是直接来源 于对事物的通过仪器感应或人的直接感知的变量 的测定值；信息是经过组织的有结构的数据，从 而它有了意义；知识则进了一步，它能够预测、 能够给出因果关系，并指导进一步应该做什么。
三、地球空间的信息图谱模型的基本概念
地学信息图谱(Geo-Information Tupu或GeoInformation Picture Pattern)是由陈述彭院士最近 倡导的地球信息科学的新的基础研究领域。他指出， “地学信息图谱表达了区域自然过程与社会经济可持 续发展的时空演化与空间分异，既再论它的历史、又 虚拟它的未来，成为人们研究区域自然环境与社会发 展的一种现代化的科学方法和高技术手段。 1.基本概念 图谱是由图和谱两个字组成，图是呈图形 (picture，pattern，graphic)，谱是呈系列 (series)，图谱则是指图形系列(pattern series或 picture series)。 资源环境图谱是指有关资源、环境要素的图形系列。
第二步，地理意向(Geographic intentionality)。 即： (1)建立概念模型或关系模型：在对原始影像 进行综合分析的基础上，将地理空间要素的种种 复杂关系，建立概念模型或关系模型，这是一个 综合的粗框架。 (2)建立具体的物理模型、化学模型、生物模 型、经济模型、社会模型及综合模型，即对概念 模型或关系模型的细化过程。 (3)建立数学模型，将上述细化模型用数学语 言表达。 (4)建立计算机语言表达的模型，并进行运算、 分析及可视化的输出。 以上也就是地理专家的认识步骤。
“由粗到细”、“去伪存真”、“由个别到一般”、“由一 般再回
到个别”的反复、多次认识的过程。特别还强调通过实践来
提高认识，即实践、认识、再实践和再认识的过程，直至由
“感性认识到理性认识”。 “认知”的关键在于“识别”。识别可以划分为：
பைடு நூலகம்
物理识别：指对目标物的物理、化学和生物学的量化认识
模糊识别：指在大量的复杂的信息中，识别出有 用的部份，即对接收的信息与以往的记忆和经验 进行关联认识，剔除无关的信息。 情感识别：它是最高级的识别，属智能识别。主 要指人际之间的信息交流。 Al Cole指出 ：人脑对图形，特别是对图谱 是善于和容易识别的。人的认知过程，多数是属 于模糊识别过程，在人的脑子数据库中存贮了大 量的各种事物的信息图谱，这些信息图谱部分从 遗传基因来的，大部分则从与周围事物的接触过 程中通过感觉(五官)和过程中逐渐积累存贮的， 如什么样的人和物是什么样的“图谱”、什么行 为或过程是什么样的图谱。
2.综合图谱 由上述基础图谱的不同组合、反映资源环境 动态变化与发展趋势的图谱，陈述彭院士(1998) 称之为征兆图谱和诊断图谱。 征兆图谱: 是由资源、环境要素本身不同时 段所组成的连续变化的图谱。如：气象云图的连 续变化系列，可以预测天气的变化，是天气变化 的征兆图谱； 诊断图谱: 是由资源、环境的正常的或标准 的图谱与要求诊断的图谱进行对比、分析而作出 判断或诊断。如：将雨季时的区域图形，尤其是 河流、湖泊、洼地的图形与正常的、非雨季的， 或标准的图谱进行对比、分析，如果河流、湖泊 面积扩大了，洼地有了积水，可诊断而发生了洪 涝灾害。
等)及频率特征。这些都是用来区别物体属性的重要依据。遥
感影像数据或其他物理探测数据，就是所获取的资源环境的能 量图谱特征。
四、地球系统对象的信息图谱模型
1．基础图谱 由于地球是一个复杂的巨系统，作为地球系统的重要 组成部分的资源环境子系统也具有复杂性的特征，它们的 信息图谱也是非常复杂的。 气象动力图谱 不同尺度的锋面云图谱、气旋云图 谱和强对流云图谱，包括它们的形体特征及能量特征、卫 星云图特征。 海洋动力图谱 不同尺度的波浪图谱、洋流图谱、 涡流及水团图谱、潮汐图谱，包括它们的形体特征、能量 特征及遥感影像特征。 地球动力图谱 不同尺度的地质力学图谱、地壳构 造图谱、地形变图谱、海洋重力图谱、固体潮图谱，包括 它们的形体特征、能量特征及遥感影像特征等。