空间认知与空间抽象

第一节　空间认知与空间抽象

一、空间的含义

空间是一个多义性概念，目的不同，对空间的理解也不相同，因此，现实生活中存在许多不同的空间概念，例如，生活空间、虚拟空间、地图空间和数学空间等。但是，在地理研究中，可以把空间理解为一个范围，这是一种地理空间，是地理现象发生区域的一种定义或划分，是具有地理定位的几何空间。在地理信息系统中地理空间可以用具有属性的离散目标集合或场来描述，目标的属性有位置、范围和形状等，它们通过相交、连通等空间关系相互联系。陈述彭(2001)把地理空间定义为物质、能量、信息的存在形式在形态、结构、过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续，地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面。

二、空间认知

“认知”(Cognition)是认知心理学的一个重要概念。从广义上说，认知与认识是同一个概念，是人脑反映客观事物的特性与联系，揭露事物对人的意义与作用的心理活动。认知是人类认识和了解自己生活于其中的世界时所经历的各个过程的总称，包括感受、发现、识别、想像、判断、记忆、学习等。现代认知心理学强调认知的结构意义，认为认知是以个人已有的知识结构来接纳新知识，新知识为旧知识结构所吸收;旧知识结构又从中得到改造与发展。从狭义上理解，有几种说法:认知是信息处理过程;认知是思维及问题求解;认知是心理符号处理;认知是由知觉、记忆、推理等组成的一个复杂系统;认知研究知识的获得、存储、提取及应用。

认知科学(Cognitive Science)与认知心理学和人工智能有密切的关系，它在地理信息科学中已引起了广泛的关注，众多GIS学者已研究了地理认知的理论内涵、认知表达和概念模型的特点。例如，Jeremy(2000)把认知原理应用到地理数据库表达中。地图学也非常重视空间认知的研究，因为要使电脑模仿人脑制作出优秀的地图，把有关的地理数据有机组织起来，就要弄明白空间环境信息在人脑中是如何进行编码的，以及在制作地图时人的思维记忆过程(高俊，1992;王家耀等，2000)。

认知科学应用到地理信息科学中就形成了“地理空间认知(Geo-Spatial Cognition)”，地理空间认知是地理空间目标的大小、形状和方位以及空间关系等在人脑中的反映。Lioyd(1997)认为地理空间认知是地理学与心理学的结合，涉及对认知过程进行编码、过程内部的描述和过程的解码。地理空间认知的手段多种多样，主要有实地考察、阅读文字材料、统计数字、听取报告、观看地图和图片等。其中，地图是地理空间认知最重要的工具，也是地理空间认知的一种结果。地理空间认知也常被简称为“空间认知”。

空间认知是对现实世界的空间属性，包括位置、大小、距离、方向、形状、模式、运动和物体内部关系的认识，是通过获取、处理、存储、传递和解译空间信息来获取新的空间知识的过程。空间认知是认知科学的一个重要研究领域，也是心理学、地图学、地理学、计算机科学和人工智能等学科都在研究的一个重要问题，这些学科各自从不同角度对空间认知进行了研究。这是因为空间认知就是对空间知识的处理过程，也是空间信息处理的过程，而空间知识是人类赖以生存的重要条件。空间认知研究人们如何理解和表示空间的方式，研究空间信息的处理过程，研究人们怎样认识自己赖以生存的环境。空间认知主要包括对地理实体及其空间关系的理解和表示，认知的对象是多维的、多时相的(王家耀、陈毓芬，1999)。

人类进入文明时代以后，便开始使用地图。地图作为人类空间认知的一种重要工具，是不可代替的，人类对地图的兴趣是永恒的，这也是千百年来地图经久不衰的原因之一。长期以来，人们习惯用地图表示地理空间，但是，地图本身就是一个“可操纵的空间”，因此，地理空间认知的研究可以直接放在地图空间上。空间目标的形状、大小、方位、位置、维数和相互关系等空间结构的知识形成了我们对自身生存环境的认知地图(Cognitive Map)，并影响我们的空间决策和行为(王家耀、陈毓芬，1999)。认知地图也称心像地图(Mental Map)，是人们对现实世界感知的心像表示，是一个人头脑中具有的关于环境的空间结构的大量知识。人们通过记录感知、自然语言和推导的信息来构造和发展认知地图。空间认知可以被理解为一种认知地图制图(Cognitive Mapping)，认知地图制图就是从大量的环境外部信息到大脑的采集、编码、使用和存储的过程。同一个客观世界在人脑的认知地图中，不同的人会有不同的认识。

空间认知的常用理论包括:层次性分类理论、3W(What、Where和When)的认知、命题理论、成像(Imagery)理论。

层次性分类理论主要是指人们为了组织数据，以及更有效地存储知识而使用的怎样把具有共同属性的实体进行分类的方法，把类别从一般到特殊、从低级到高级放在不同的层次中，这在地理信息系统的数据组织中是常用的。

3W的知识存储在相互分离的分类系统中，并且具有独立的知识结构，以便根据不同的目的获取不同的特征。一般地说，What涉及实体的标识，Where涉及实体的相关空间关系，When涉及实体的变化运动以及对过程的探测。What/Where/When三个系统在性质上是彼此区分的，但相互交织，尤其是What/Where方面的知识是不能完全独立和分离的。

命题理论认为，一个命题是一个抽象的概念结构，这一结构表达了对象之间的相互关系。命题使用简单的句子来约定。

成像(Imagery)理论认为，影像是空间认知模型的一个必要组成部分。这个理论的基础是图形隐喻，并且图形不同于影像。感知过程把原始空间信息简化为一个更简单的、更有组织规律的形式。当信息被重新组织时，就存储在记忆中，并且能够按照需要被重新聚合，创建类似图形的影像。成像理论强调认知地图的制作过程和功能。

在地理空间认知中地理空间意像也起到了非常重要的作用。意像是人类意识对于物质世界的主动和积极的形象化反映。地理空间意像是一种具有自学习能力的具有空间形象感的地理形象化思维模式，它既提供了一种地理信息的组织方式，同时，它又为地理信息、知识提供了一种形象化的表达模式。地理思维包括地理抽象思维、地理形象思维以及地理创造性思维(马蔼乃，2001)。

三、空间抽象

抽象产生于目标之间相似性的识别，从使用者角度来看，抽象表示一个目标区别于其他所有目标的本质特征，并提供明确的已定义好的概念的边界。一个抽象就是对环境模型的心像排序(Mental Ordering)，该环境模型依赖于使用者的目的或任务，这也就是为什么不同的人对同一个环境会有不同的排序。但是，如果主题的背景相同，并且面对同样的任务，那么也能得到同样的心像排序(Timpf，1999)。抽象也可以被理解为依据由任务或目标规定的标准从海量的属性、目标或行为的集合中选择属性、目标或行为的一个子集合的过程。重复这个过程就可以产生几个抽象程度，且抽象程度与详细程度有关，即概念越概括，抽象程度越高。抽象过程会出现在认知的所有阶段。

人脑不可能记住我们周围空间的所有细节，只是为了当前的任务提取必要的信息，随着连续地抽象，产生不同详细程度的实体，这种抽象所产生的结构是一种层次结构，结构的类型依赖于抽象过程中所使用的操作。通过删除空间中目标的细节，或者选择空间中重要的目标，形成不同详细程度的空间意像，这个过程就是“空间抽象”。多次空间抽象就可以形成不同详细程度(Levels of Detail)的空间和层次结构(Hierarchies)，现实世界就是不同详细程度的一个结构，例如，从亚原子到星系。地理空间层次结构的例子很多，例如，道路网络，行政区划，土地利用分类，流域等。

层次结构是认知科学的基础，人类有层次地排列信息，并且用层次性方法进行推理。层次化(Hierarchization)是人类对世界建模的一种主要概念化方法，以便在最高的层次上推理知识。在地理世界中实体的层次在一个空间数据库中可以产生多重表达，人类通过信息的抽象来构建层次结构，也就是说，借助排序好了的信息分类来建立层次结构。层次结构分为3类(Timpf，1999):

●聚合(Aggregating)层次结构:把个体集合聚合为单个个体。

●概括(Generalizing)层次结构:在层次结构中类的层次越高，该类越抽象。把一个类与一个超类联系起来。

●滤波(Filtering)层次结构:对在一个层次上的个体集合利用滤波函数在更高的一个层次上产生一个个体子集。

地图综合就是空间表达(形式化和重新命名知识)和空间抽象(简化一个给定的表达)的结合，地图制图过程与人工智能中的知识抽象模型有非常相似的关系。

四、空间尺度

尺度是客体在容器中规模相对大小的描述(王家耀，2001)，是地理空间数据表达和处理过程中一个非常重要的因子，但是关于尺度这个术语，还没有一个很好的定义。尺度意味着抽象的层次，且含义较广，包括所描述的地理现象的尺度和地理空间数据的尺度两个方面。

地理现象的尺度是指被观察对象所涉及的空间范围的相对大小，这种空间尺度的大小是相对的，例如，当你从飞机上观察时，一个城市的范围可以被看做是一个小尺度空间，但是，当你位于这个城市的街道上时，该城市就是一个大尺度空间，这里所说的空间尺度是相对于人在地面上的视野而言的。大尺度空间是指地理空间，人们不能立刻认识它，要通过若干个局部的观察才能推导出地理空间的地理特征，而不能通过一个局部位置的人类感知就能得到。小尺度空间是指在人的视野范围内的客观世界。

空间数据有尺度特性，这种尺度可分为空间尺度、时间尺度和质量尺度。空间尺度常用“地图比例尺”来描述，比例尺是有关尺寸的描述，可以是相对的，也可以是绝对的。地图比例尺是地图上一个要素相对于它在客观世界中的真实尺寸而言被描述的尺寸。在地理研究中，还涉及“分析比例尺”和“现象比例尺”。分析比例尺是指某些问题被分析时的单位的大小，如，省级、县级等。现象比例尺是指人文或自然的地球结构或过程所存在的范围，不考虑如何去研究或表达这些结构。空间尺度也可以用“分辨率”(Resolution)来说明，例如，遥感影像等以栅格为存储模式的地理数据。分辨率主要强调详细程度，“详细程度”在地理空间数据中也描述了一种尺度特性，其与“抽象程度”是对偶关系，主要强调所描述地理特征的多少。

空间粒度(Granularity)也是描述空间尺度的概念，强调抽象程度，当地理目标的空间粒度发生变化时，地理空间目标所描述的语义也会随之发生变化，例如，在地图综合中，多个建筑物会被抽象为一个街区，也就是说，空间粒度和语义粒度可以相互影响。

时间尺度主要强调时间间隔的长短。质量尺度用于说明数据质量的控制范围。空间关系的语义表达也具有层次性，存在多尺度特征。但是在地理空间中空间关系表达到何种程度，如何衡量这种抽象程度，目前还缺乏统一的衡量标准。

五、空间推理

人类对各种事物进行分析、综合并最后作决策的过程中，通常从已掌握的已知事实出发，运用事物之间的相互关系(如因果关系等)，找出其中蕴涵的新的更多事实，这个过程通常被称为推理。推理是根据一定的原则，从一些已知的判断(前提)合理地得出另一些新的论断(结论)的思维过程。

很明显，空间推理是人类空间认知世界的一项基本活动。空间推理是许多不同领域的专家和学者研究的一个共同问题。空间推理是从空间知识形式化建模和逻辑推断的角度认识空间。空间认知过程中离不开空间推理，空间推理过程中也不能缺少空间认知规律。

空间推理除了具有常规推理的一般共性之外，还具备自身的一些特性。空间特性是地理空间推理中所考虑的主要特征，这种空间特性是指地理空间实体的位置、形态以及由此产生的系列特征。空间推理不仅要处理空间实体的位置和形态，而且应对空间实体之间的空间关系进行处理。也可以从空间推理的实质、组成、作用、研究内容等不同角度解释和说明空间推理的含义，例如，空间推理是使用空间目标的位置、形状和方位等信息以及这些目标之间的空间关系解决空间问题的有效方法，每种空间推理方法必须有实体特定的空间概念集及相应的推理规则;空间推理是从空间事实和空间关系推导空间知识的一个过程，空间事实是有关诸如存在物、描述特征和位置的事实，空间关系是空间中实体之间的关系，如相交，连通等，空间知识可以表示为:空间知识=空间关系+语义。