地理空间认知

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@

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。

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