基于地图的地理空间认知过程研究_张本昀

第37卷第5期河南大学学报(自然科学版)V ol.37N o.5 2007年9月Journal of H enan U niver sity(N atur al Science)Sep.2007
基于地图的地理空间认知过程研究
张本昀1,2,朱俊阁1,王家耀2
(11许昌学院城市与环境学院,河南许昌461000;21解放军信息工程大学测绘学院,郑州450052)
摘要:基于地图的地理空间认知过程,经历了地图的感知觉阶段,心象形成阶段、心象记忆对比分析阶段和认知思维(提出问题、解决问题)阶段.对地图的认知具有强烈的目的性,地理空间概念对地图表示的地理空间认知有重要影响.知觉过程经历了先自上而下,后自下而上两个阶段;心象地图的形成过程是概括地物图形特点,抽取地物组成元素及其组织关系的过程;认知思维是根据地理概念进行判断、推理的过程,是地理空间认知的核心;心象地图(地理空间概念)则是认知思维的基础.
关键词:地图;地理空间;认知过程
中图分类号:P289文献标识码:A文章编号:1003-4978(2007)05-0486-06 Research on Geo-spatial Cognitive Procession on Maps
ZH ANG Ben-yun1,2,ZH U Jun-g e1,WANG Jia-yao2
(1.Ur ban and E nv ironmental I nstitute,X uchang Univ er sity,H enan X uchang461000,China;
2.Sur vey ing and M ap ing College,P LA I nf or mation and Engineer ing Univ ers ity,Zheng z hou45000,China)
Abstract:T he Resear ch o n g eo-spat ial cog nitiv e pr ocession on maps go es t hr ough affect-per ception,ment al imag ery co me into being,memo rizing mental imag ery and contrast-analy sis stag e.It has a stro ng a im.T he pro cess is influenced by geog ra phical co ncepts ex isting in one's mind str ongly.T he cog nitiv e pro cess includes T o p-Do wn and Bott om-U p st ages.A pro cedure producing the mental imag ery is a pr ocedure w hich includes gather ing up g raph char acter istics,ex tr acting its elements and its o rg anization.Co gnition is a pr ocession o f judg ing and r easoning on geog raphical co ncepts,w hich is a cor e o f geo-spatial cog nition.T he mental imager y is a fo undation of cog nitiv e thinking.
Key words:ma p;geo-spatial;cog nitio n pr ocessio n
0引言
地理空间认知是指在日常生活中,人类认识地理现象和地理事物在地理空间中的相对位置,依存关系以及它们的分布和变化规律[1].基于地图的地理空间认知,就是通过阅读地图来实现人对地理空间的认识.以往有关地图认知的研究,大多集中在把认知用于地图设计与制作的思维过程,而对于把地图作为认识地理环境的工具的认知过程研究甚少.随着地理信息科学和GIS技术的发展,/研究地图读者是怎样阅读地图的,考虑地图读者读图时从地图上获取空间信息的思维过程,已成为现代地球信息科学的基础0[2].作者拟从地理研究者认知地图过程入手,分析基于地图的地理空间认知过程的特点,以期对地图制图、地图教育和开发集成具有人工智能的新一代GIS有所贡献.
1研究概况
基于地图的地理空间认知研究起源于认知科学的兴起.几千年来人们不断地绘制地图,使用地图,但是
收稿日期:2006-05-08
基金项目:河南省自然科学基金项目(0511020500);河南省教育厅自然科学基金项目(200510480006);河南省高校青年骨干教师资助项目(182)联合资助
作者简介:张本昀(1964-),男,河南周口人,许昌学院副教授,博士研究生,研究方向为遥感与地理信息系统.
张本昀,等:基于地图的地理空间认知过程研究487 并没有意识到大脑是如何利用地图去认识世界、发现问题、解决问题的.直到上世纪七十年代,西方的认知科学研究者把地图作为研究认知过程的工具,利用地图认知地理环境的过程才引起地图学家和地理学家的注意,开始了地图空间认知研究.如前苏联地图学家A.M.别尔良特提出了地图阅读的三个阶段,即初读阶段、地图形象清晰化和具体化阶段、结束阶段)―记住地图形象、提出问题解释问题阶段[3].1995年美国国家地理信息中心把地理空间认知模型研究作为地理信息科学的三大战略研究领域之一而加以重视,次年美国地理信息科学大会把地理信息认知研究作为10个优先研究主题而提出,并得到国家科学基金会连续三年的资金支持[4].在我国,1991年高俊院士从地图学的角度把空间认知界定为/人们认识自己赖以生存的环境,包括其中的诸事物、现象的相关位置、依存关系以及它们的变化和规律[5].01999年王家耀院士把地图图1 可可西里东部地区夷平面分布图F ig.1 D istributio n o f planation surfaces in the eastern H oh Xil 空间认知的基本过程分为:感知过程、表象过程、记
忆过程和思维过程[6]
.鲁学军把空间概括为感知空
间、认知空间和符号空间三种形式,把空间认知分
为空间特征感知、空间对象认知和空间格局认知三
个层次,把基于地图的空间认知归属于较大范围的
空间格局认知[7].万刚的地图认知实验结果显示,
基于阅读的地图认知过程是从整体到局部的[8].目
前国内外对于空间认知理论的研究主要还停留在
几个核心概念的论述阶段,而对基于地图来认知地
理空间的研究工作开展得较少.本文拟根据地图使
用者使用地图的思维特点,探索基于地图的地理空
间认知过程.2 使用材料与研究方法
2.1 使用材料
本文研究所使用的材料,是随机抽取的基于地
图所进行的区域自然地理和人文地理研究的三篇
公开发表的论文,材料如下:
材料一[9]:/可可西里东部地区的夷平面与火
山年代0.该文的目的是根据研究区的火山年代来
推断青藏高原强烈构造隆升时间.作者在1B 10万
地形图上按照夷平面的定义,根据山丘顶面形态特征、海拔高程、等高线间距(坡度)等,
编制了研究区山地平
图2 黑驼峰火山与夷平面分布图F ig.2 D istributio n o f Lav a and planation surfaces in Heit uo feng reg ion 缓顶面分布图(图1),并恢复了该地区的古地面.整个地面
坡度一般为1~2b ,类似于现代夷平面特征,据此确定/可可
西里地区广泛分布的山丘顶面就是青藏高原夷平面的一部
分0.作者又在夷平面内找到火山顶面(图2),对比火山顶面
与主夷平面的图形特点,发现火山顶面与主夷平面图形特点
和海拔高度完全一致,表明火山顶面熔岩方山实际为主夷平
面的一部分.因此,判断火山的年代早于夷平面的形成年代,
并根据邻区火山未被夷平面切割和火山形成的年代,确定夷
平面形成的上下限年代.
材料二[10]:/河北平原水系密度与隐伏活动构造的关
系0.该文的目的是根据研究区的水系分布特点,来确定研究
区隐伏活动构造的空间分布.文中作者根据华北地区98幅
顺直地形图(折合为现代1B 5万地形图294幅)编制了河北
平原水系分布图(图3).再根据水系图上水系分布和地貌特点,把研究区水系分为三个区,并制作研究区的水系线密度图(图4).把水系线密度图分别与研究区的地貌
488 河南大学学报(自然科学版),2007年,第37卷第5期类型图(图5)、布格重力异常图(图6)、地震构造图(图7)进行叠加对比,发现水系密度大的地区对应着构造下沉区,水系密度等值线的高梯度带对应着强震分布区.进而得出结论:/地表水系密度的分布格局,很大程度上受基底构造活动的控制0,/对广大平原第四纪覆盖地区水系密度的分析,可以揭示覆盖区最新的构造活动信息0.
图3 河北平原水系(据顺直地形图)
F ig.3D rainag e distr ibut ion of H ebei plain 图4 河北平原水系线密度统计图Fig.4 Dr ainag e density of H ebei plain
图5 河北平原布格重力异常图
Fig.5 Bouguer g rav ity ano malies of H ebei plain
图6 河北平原地貌类型分布图Fig.6 Geo mor phic units of H ebei plain 材料三[11]:北京地区城市化过程与机制研究.该文的目的是利用长时间序列、高分辨率的LandsatT M/
MSS 数据,制成北京地区城市化过程图,通过对该图上城市化过程的时空分析,认识和理解北京地区城市化的基本过程和驱动机制.作者根据城市化指标,利用遥感资料,分析提取了研究区城市化过程的基本信息,并制成了北京地区城市化过程图(图8).根据图上城市化过程的特点,依次进行了中心大区和外围次级中心
张本昀,等:基于地图的地理空间认知过程研究489 的面状城市化过程分析,中心大区和外围次级中心之间沿交通干线的线状城市化过程分析,中心大区和外围次级中心之间广大区域内的点状城市化分析.结论是:/面状城市化,尤其是中心大区的面状城市化在区域城市化进程中居于优势地位,并有进一步向外发展的趋势;中心大区和外围次级中心之间沿交通干线的线状城市化过程明显,并有形成西至石景山,东至通州的长条形城市廊道的趋势;20世纪90年代以来区内的点状城市化过程正表现出加速趋势0.接着作者对上述城市化特点的驱动机制进行了分析,指出/研究区城市用地的扩展和城市格局的形成是地形、交通等内在适应性因素和经济、社会等外在驱动因素共同作用的结果0
.
图7 邢台地震区地震和构造图
(虚线为水系密度)
Fig.7.A ctiv e tecto nics and epicenter ar ea
distributio n o f Xingt ai area (do tted lines
sho w ing surface dr ainage density
)图8 1975-1997年北京地区城市化过程Fig.8 U rbanization in Beijing area fro m 1975to 1997
2.2 研究方法
通过对上述论文利用地图获取空间信息、对信息的认识和记忆、利用信息发现问题、进行决策和指导外部行动等一系列研究过程的分析,探讨基于地图所进行的地理空间认知的一般过程.
3 基于地图的地理空间认知过程分析
3.1 认知过程特点分析
分析上述材料可以看出,三篇文章的作者基于地图进行不同目的的地理空间认知研究时,其认知过程具有如下的共同特点:
1)具有明确的空间认知目的:分别是确定夷平面的形成年代;探求水系与隐伏活动构造的关系;发现城市化的时空过程和驱动机制.
2)根据认知目的整体阅读研究区地图,形成对研究区地理空间的整体认识,并且在阅读地图时对于研究目的有关的地图内容具有较强的选择性.材料中研究者特别关注的地图内容分别是:等高线形态和高程、水系分布特点、非农业用地分布等.
3)形成与研究目标关系密切的专题地图.材料中分别是可可西里夷平面分布图(图1)、黑驼峰火山和夷平面分布图(图2)、水系图(图3)、水系密度图(图4)、城市化过程图(图8).
4)与原有目标心象地图对比,发现问题,提出假设.即夷平面形态与火山岩形态的对比、水系密度图与地貌类型图、重力异常图、地震构造图的对比.
5)深入进行图形细部分析,分析问题原因,结合已有知识,利用科学方法,进行综合分析,给出问题答案.
490河南大学学报(自然科学版),2007年,第37卷第5期
3.2基于地图的地理空间认知过程分析
根据以上地图认知过程,结合王家耀等人的研究结果,我们可以把基于地图的地理空间认知分为四个基本的过程,即基于地图的地理空间知觉过程、表象过程、记忆过程和思维过程.其认知过程可用下面框图表示:
图9地图认知过程
Fig.9Cog nitiv e pr ocess o f map
3.2.1地图知觉过程与地理表象的生成
地图的知觉过程就是用图者在地图符号的视觉刺激下,把符号感知与已有的知识经验相互作用,生成制图区域地理表象的过程.研究者根据图例符号所表示的意义,开始大致浏览地图图形,目光从一个符号或一组符号移向其它符号,并将其进行比较,然后再回头考虑一些/突出特征0.如材料一中的山丘顶面形态特征、海拔高程、等高线间距;材料二中的水系分布、等高线特点;材料三中的农业用地和非农业用地影像特征等.细心地查看各个要素,这时研究者就能根据已有的知识经验,对图形的细部及其关系作出判断,并把符号刺激形成的感觉信息进行组织,把与研究目的相一致的地图要素纳入所形成的初次地图形象(或称为概略心象地图)之内.通过大致浏览地图图形,一可了解地图图形的总体背景,形成接近于实际的三维地理表象图(如材料中起伏和缓的地形夷平面图,水系分布图,城市化过程图);二可仔细研究地图形象的不变性.
在地图知觉过程中,经历了视觉选择性思维、视觉注视性思维和视觉结构联想性思维等具体形式.视觉选择性思维,就是地图利用者在观察全部地图内容的过程中,注意与研究有关的符号,抛弃无关的符号.视觉注视性思维,就是地图利用者在要找寻的目标上进行较长时间的注视,激活大脑中业已存在的心象地图并与目标进行对比.视觉结构联想性思维,就是地图利用者根据心象地图,在注视点周围寻找相类似目标,通过联想把目标符号所表示的地物形成心象.
3.2.2读图生成的视觉表象与已有心象地图的对比分析
地图知觉过程在大脑中形成两个心象,一是研究区地理空间的心象;二是储存在大脑中的以前形成的关于同类地理空间的一般心象.由于地图认知的目的性,认知者会将二者进行对比判断,当二者相符合时,判断心象是正确的.当符合程度低于一定比例时,就通过判断提出问题.如图1与图2的对比,水系密度图(图4)与地貌类型图(图5)、布格重力异常图(图6)、地震图(图7)的对比等.对比分析主要是通过特征对比来实现的.地图上地理事物的空间特征主要是符号所代表的地物的分布密度,空间关系等.大脑对这些特征进行组织/捆绑0,形成地理事物的特征单元.在进行对比识别的过程中,大脑首先对地图的特征进行分析,然后将其加以整合,再与长时记忆中的地理概念进行比较,一旦获取最佳的匹配,就认为视觉表象符合长时记忆中的地理空间一般特点,地图所表示的地理空间就被识别了.当视觉表象的特征单元与长时记忆中的地理空间特征单元有较大差别时,研究者就会提出问题并探求引起差别的原因.
3.2.3发现问题与提出假设
把地图作为地理空间认知工具的研究者,总是为了某一问题而阅读地图.由于认知主体对地图认知的目的性,他特别注意前述对比分析过程中出现的特征差异,一旦这种差异出现,大脑就会设法将其/牢牢抓住0,并详细观察该处的图形,注视的范围也会向周围有所扩大,并把该处的图形特征具体化、系统化,形成清晰的心象图形,同时记住该心象图形,并把它作为继续寻找并比较其它地图形象的依据和标准.然后继续寻找与之类似的图形,并将这些局部特征进行组织和概括,形成新的地理空间表象.根据新地理表象的特点提出问题,再把问题特征与长时记忆中有关该类问题的地理空间概念相结合,提出引起问题的原因)))问题假设.
3.2.4深入分析,回到主题,给出答案
问题假设一旦提出,研究者就会结合问题现象的空间分布,对问题的原因进行深入分析,利用已有的专业知识和相关资料,建立解决问题的思路,寻求解决问题的方法,最终给出问题的答案.如在材料一中,根据
张本昀,等:基于地图的地理空间认知过程研究491
主夷平面和火山顶面形成的先后关系及火山岩的测年资料,确定主夷平面形成的上下时限;在材料二中,根据水系形成理论,结合第四纪沉积厚度图、地貌类型图、历史地震资料等进行综合分析,指出河北平原现代地表水系空间分布特点,能较好地反映区内地下隐伏基地构造活动;在材料三中,根据城市化形成理论,结合已有资料进行综合分析后指出,北京城市化所表现出的特点,是区内地形、区位、交通等内在适应性因素和经济、社会等外在驱动因素共同作用的结果.
4结论
由以上分析可知,基于地图的地理认知过程,遵循了人类认知世界的一般过程,即知觉、注意、表象和概念等阶段[12],但同时又有其特殊性,其表现为:1)其认知过程有着明确的目的性.2)认知之前大脑中已经存在与目标有关的心象地图,并且该心象地图对基于地图的空间认知过程有着较强的影响.在对地图按既定目的进行地理空间认知的过程中,不但形成了认识对象的心象地图,形成相关概念,而且存在一个边认知边与已有心象对比的过程,或者叫模式识别过程.3)认知主体的知觉过程是:先是自上而下的加工过程,而后是自下而上的加工过程.4)认知主体把地图作为地理模型空间进行研究,其目的在于发现问题和找到问题的答案,属于认知的高级阶段.
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责任编辑:李永文。