从现实世界到比特世界

从现实世界到比特世界

从现实世界到人的概念世界，再到数字世界，最后通过用户改造自然的活动反馈到现实世界，这中间三个阶段对应着地球信息科学的三个研究领域，即地理认知模型的研究、地理概念计算方法的研究以及地理信息与社会的研究。如图2-1所示。

地理信息流现实世界地理时空思考概念世界地理认知模型研究地理信息科学三个领域地理概念形式表达与计算机地理概念计算方法研究数字世界（GIS）实现信息地理信息与社会研究应用领域服 务 图2-1： 地理信息流与地理信息科学三个领域

1．对现实世界的地理认知

地理环境是复杂多样的，要正确地认识、掌握与应用这种广泛而复杂的信息，需要进行去粗取精、去伪存真的加工，这就要求对地理环境进行科学的认识。对于复杂对象的认识是一个从感性认识到理性认识的一个抽象过程。对于同一客观世界，不同社会部门或学科领域的人群，往往在所关心的问题、研究的对象等方面存在着差异，这就会产生不同的环境映象。

1．1认知的含义

认知属于心理学的范畴。认知理论早在70年代就被引入地图学，并用“刺激——反应”的关系模式来研究用图者在读图时的心理——物理反应。始于90年代的地图制图可视化研究也应用了认知概念，使“刺激——反应”模式的研究向纵深推进了一步，地图制图可视化的实质是探讨地图信息传输过程中人对空间客体的认识。根据空间信息分析以及空间信息可视化的需要，认知应该是知觉、注意、表象、记忆、学习、思维、语言、概念形成、问题求解、情绪、个性差异等有机联系的信息处理过程。

在简单的认知系统中，感知系统从外界环境输入刺激、进行变换整合，提取刺激特征加以组合，输出经编码的物理刺激。长时记忆系统将输入的经编码的物理刺激与系统只能感知的信息进行比较与模式匹配，一部分信息被激活，这部分被激活的信息送入短时记忆系统。短时记忆系统对输入的有限信息进行精细加工，通过反映系统来输出动作、语言、表情等。中枢处理器进行系统控制和处理，决定目标先后次序和监督当前目标执行，图2-2描述了空间认知的框架。

图2-2：空间认知

空间认知 地理学家和心理学家对空间进行了大量研究，得到了许多有趣的结论，它们成为行为地理学中研究人的空间决策的基础；在GIS中研究空间认知，可以指导建立更加符合人类思维的空间模型和信息表现方式。下面介绍的是与空间认知有关的知识。 1）个体的空间认识的形成和发展 J.Piaget认为，空间认识具有四个层次：感觉运动（Sensorimotor）的层次，它以行动的表象为依据；前运算期（Pre-operational）的层次，其基础是从记忆中获得的有关客观世界的知觉的映象；形象运算（Concrete Operational）的层次，其中允许符号化、系统化的环境心理表象；形式运算（Formal Operational）的层次，在该层次中，个体具有假设——演绎推理能力，能够处理独立于行动、客体、空间的抽象的空间概念。图2-3表示了个体成长过程中的空间认识的发展。 青年以及以上期形式运算期形式运算空间参照系和欧式度量标准的调整坐标参照系欧式空间参照系少年期具体运算期看法的调整具体运算空间学前期前运算期前运算空间拓扑空间投影空间欧式空间或度量空间固定的参照系以自我为中心的方位幼儿期映象的形成感觉运动期感觉运动空间客体的稳定性 图2-3：空间意识的个体发育 2）意识中的空间信息编码[Elisabeth S. Nelson] 关于个体意识中的空间信息的编码方式，主要有三种理论：命题理论（Propositional Theory），图像理论（Imagery Theory）和双重编码理论（Dual-coding Theory）。 （2．1）命题理论 一个命题，是表达了对象之间关系的概念结构。命题必须符合以下规则：它必须是抽象的；它必须与一个真值关联；它必须符合一定的形式化规则。按照命题理论，空间编码形如以下的单句“俄克拉荷马在德克萨斯以北”，命题理论的关键是认为其命题只是对抽象的意义编码，而非信息的自然特征。

（2．2）图像理论

图像理论认为，在空间认知中，图像是其关键构成。其理论的基础是一个图片的隐喻，认为个体感知并处理空间信息，然后将其组织成为简单的、更加有序的形式。这些信息被记忆，并且可以在需要时重新编排生成图像。

（2．3）双重编码理论

双重编码理论认为语言的和视觉的信息被独立的处理，但是相关的处理系统相互连接。一个图像系统组织各种简单的图像，形成层次结构并且可以输出为空间的形式；而语言系统并行地处理各种非视觉信息，并组织成为更高层次的、连续的结构。

地理信息系统就是信息加工系统，即输入信息，进行编码，存储记忆、做出决策、输出结果。这就是环境信息流在人的大脑中的处理过程被地理信息系统所模拟和复制的原因，当然，认知的目的在于求解问题，即找到问题的解决方案。认知操作包括常规问题求解和创造性问题的求解。

1．2环境映象与模型

环境映象可以看作是被学习到的稳定的思维概念，它总结了个人对环境的认识、评价和选择能力，对任何人与环境相互作用的调查研究来说，理解大脑处理使用什么样的信息就显得至关重要。人与环境相互作用的关系见图2-4所示。

环境表现的刺激信息存储的刺激信息表现条件输入控制基本生理组成感应者文化特征基本生理构造现状处理中心指定反映规定反映评价反映映象

图2-4：人与环境的相互作用关系图

在环境映象研究中，如何从个人那里提取对大尺度环境有意义的信息？如何展现该信息，以便使个人的认知范围和程度明朗化？如何分析这些信息？最为普遍的方法是绘制描述环境要素的简图，通过描述环境要素的序列、要素之间的联系和差异、映象的类型、细节和规模的变化等来提供信息，即构造模型。在科学研究中，经常用模型作为实际对象的代替物或模拟物，它们与被研究的对象之间存在某种程度的一致或相似的映射关系：借助模型所获得的结论和推论又可转用于实际对象上。地理学中所采用的表现模型多种多样，例如各种地

图、航空和航天遥感图像、统计图表、剖面图等，但是地图是地学中使用最普遍、也是最重要的模型。从模型的特性和实质来看，地图是客观世界的形象/符号/概括模型。单幅地图是模拟客观实际的某一方面的模型，而系列地图和地图集属于高层次的模型，即地理系统的模型，它们模拟的是自然要素和社会经济要素的总体，反映出这些要素的相互联系、相互作用、解析特征与综合效果、现状与未来发展趋势，以及它们所形成的复杂巨系统的功能特征等。

1．3地图认知模型

地图认知模型分为地图编制与设计者的认知模型和地图使用者的认知模型（图2-5和图2-6）。

客观现实世界感知系统抽象思维信息处理系统制图综合与内容选取信息表达系统地图客观世界 图2-5：地图编制者的认识模型

地图所表达的客观世界地图使用者的知识背景感知系统综合与分析形象思维与再现被认识的客观世界 图2-6：地图使用者的认识模型

制图者的认知模型强调对所表达事物和现象的认知，以及对表达内容的表现形式的认知。制图者认知的目的是指导制图者选取最主要的制图内容与最适合的表现形式，以高效地传输空间信息（图2-7）。

地图使用者的认知是在已有地图的基础上，结合读图者的自身的空间知识与背景，完成对地图对象的认知，从而间接达到认知客观世界的目的。