空間認(rèn)知推動地圖學(xué)學(xué)科發(fā)展的新方向

高 俊，曹雪峰

1. 鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001

1 地圖與空間認(rèn)知的邂逅

地圖空間認(rèn)知的概念受啟發(fā)于心理學(xué)，特別是認(rèn)知心理學(xué)關(guān)于“心象”(metal image)的研究。認(rèn)知心理學(xué)是研究人的知覺、學(xué)習(xí)、記憶、推理、語言理解、圖形理解等智能的本質(zhì)、過程和規(guī)律的學(xué)科。雖然進(jìn)展很大，但因為人的大腦是世間最復(fù)雜、最難實證的結(jié)構(gòu)，直到最近仍然缺少檢測大腦內(nèi)部事件的“非介入式”方法，仍然沒有為大腦中的意識建立科學(xué)的基礎(chǔ)，暫時還得留給哲學(xué)家去處理[1]。

空間認(rèn)知是動物在進(jìn)化過程中形成的生存與自我保護(hù)的本能。幼兒的視覺懸崖試驗就證明了這一點(diǎn)(1)視覺懸崖試驗(visual cliff response)是一個證明6個月大的嬰兒已有深度知覺能力的試驗(Walk，Gibson. The “Visual Cliff”[J]. Scientific American, 1960, 202(4):64-71)。。不僅是人，動物也有空間認(rèn)知能力。狗在高空玻璃橋上失去行走能力就是因為高空視覺使它感覺到自身處于極度危險之中。但人可以通過先驗知識知道玻璃橋是牢固可靠的，用理智克服本能的恐懼而從橋上走過。

人類在行動時感覺周圍的事物、現(xiàn)象和生存環(huán)境的過程中，通過知覺(主要是視覺)和記憶，會在大腦中形成圖形的印象，在心理學(xué)中稱為“心象”。自古以來人們就注意到了心象與表示的關(guān)系，“胸有成竹”的典故就出自宋代。

以生存環(huán)境的心象為依據(jù)的圖形記錄主導(dǎo)了人類最早的地圖繪制。這也就是為什么東西方的古代地圖的樣式都差不多的原因，從巖畫到古地圖，此時圖畫與地圖的界限并不明顯，而且作圖(畫)者常常把自身(人)也描繪進(jìn)去。

認(rèn)知心象的生成并非只依賴視覺過程，還有其他渠道。意識的參與和宗教概念的介入，使想象空間和感知的自然空間并存于大腦之中，地圖開始以實虛相混、人神并存的式樣出現(xiàn)。這個時期東西方的地圖也大體相似，但中國的地圖較少描繪想象空間，除宗教中的“五岳真形圖”等基于自然又抽象于自然的“地圖”外，基本進(jìn)入了以地圖為工具，記載和傳遞環(huán)境信息的空間認(rèn)知階段。此時，地圖的科學(xué)模式已經(jīng)形成，例如放馬灘木版地圖(約公元前323年至前310年)、馬王堆地圖(約公元前168年)、禹跡圖(公元1136年)。而在西方，地圖的宗教示意達(dá)到了頂峰，地圖作為宗教觀念的代表，已無視自然環(huán)境的存在，整個歐洲進(jìn)入了文化停滯的黑暗時代。

知識和技術(shù)的進(jìn)步，提高了人類空間認(rèn)知的能力。人類開始認(rèn)識自己生存的陸地和海洋的輪廓，地圖進(jìn)入了科學(xué)時代。縱觀歷史發(fā)展，地圖是空間認(rèn)知?dú)v史的最佳證據(jù)。諸如空間認(rèn)知領(lǐng)域拓展到哪里，空間探索的理論和技術(shù)水平如何，文明的進(jìn)步和行政管轄的狀況等一系列問題，地圖都是最重要的證明?？臻g認(rèn)知能力可以通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練而加強(qiáng)，可以借助數(shù)學(xué)方法、技術(shù)環(huán)境(例如網(wǎng)絡(luò))和人工智能(例如深度學(xué)習(xí))的運(yùn)用來擴(kuò)展認(rèn)知的深度，可以根據(jù)生存和安全的需要去探索更多、更復(fù)雜的空間(例如賽博空間)。所有這些都和地圖有密切的關(guān)系。

這就是研究地圖空間認(rèn)知的根本目的，也是地圖生命力之所在。當(dāng)然，這個地圖已不僅僅是傳統(tǒng)概念上的地圖，不論從樣式上、內(nèi)容上和使用方法上都已有重大的變化，但地圖作為空間認(rèn)知工具的本質(zhì)沒有改變。它為具有現(xiàn)代知識和工作能力的人以及由人主導(dǎo)的“可控機(jī)器人”(2)“可控機(jī)器人”指以人的意志為主導(dǎo)的自動化無人裝備，如無人駕駛車、自動尋的武器等。服務(wù)?？臻g認(rèn)知工具不只是地圖，但地圖是其中最重要的；空間思維的工具也不只是地圖，但地圖也是引發(fā)創(chuàng)新思維的重要工具，雖然在有些學(xué)術(shù)領(lǐng)域和行政管理部門常被忽略，還有待開發(fā)。

地圖學(xué)引進(jìn)認(rèn)知心理學(xué)的概念，早期用于兒童的地理學(xué)教育和地圖知識的構(gòu)建，隨后利用“刺激—反應(yīng)”(S-R)的模式，尋找相當(dāng)數(shù)量的志愿者，測試他們對于居住地區(qū)的認(rèn)知制圖能力，即把自己記憶中的心象用地圖描繪出來(稱為心象地圖，metal map)，再用統(tǒng)計學(xué)方法檢測學(xué)?；虼蟊娚钌痰甑倪x址是否正確。再后來，20世紀(jì)50—60年代，為檢驗所設(shè)計地圖符號的感知效果，在尺寸與色彩上提出一套函數(shù)分級公式，用于地圖設(shè)計實踐與地圖學(xué)的教科書中[2-3]，并因此而引出地圖學(xué)與圖形學(xué)的一段爭論(3)貝廷(J. Bertin)法國符號學(xué)與地圖學(xué)家，他的主要著作《Semiology of Graphics》(圖形符號學(xué))于1967年在巴黎出版(Semiologie Graphique. Paris, Mouton et Gauthier-Villars, 1967)，英譯本于1983年在美國威斯康辛大學(xué)出版社出版。他提出一套用視覺方法概括和歸納專題數(shù)據(jù)的模擬工具，并用在多種專題地圖的制作上，包括兒童在內(nèi)都能快速掌握此種方法，不同于依據(jù)計算獲得各種地圖符號視覺尺寸。但因方法的局限，兩派都已淡出地圖設(shè)計的方法論。Robinson的《Elements of Cartography》在第5版中也刪去了關(guān)于心理物理學(xué)中物理刺激量與心理感受量關(guān)系的費(fèi)希納公式的講述。。但根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)原理而設(shè)計的一套“視覺變量”(visual variables)的模型和量表在提高地圖的科學(xué)性和閱讀效果上起到了重要作用，一直到現(xiàn)在。

地圖學(xué)和空間認(rèn)知聯(lián)系的進(jìn)一步密切，出現(xiàn)在計算機(jī)技術(shù)引進(jìn)到地圖學(xué)之后。傳統(tǒng)上，對地圖容量(當(dāng)時稱為載負(fù)量)多少的控制全憑作者經(jīng)驗，也階段性的征詢讀者的意見，并無定量標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)60年代，有學(xué)者曾提出地圖內(nèi)容的“綜合指標(biāo)”，把各種地圖要素的表達(dá)內(nèi)容數(shù)量化，并根據(jù)不同內(nèi)容如水系、居民地的數(shù)量，以及地圖的類型、比例尺的需要，提供了不同的數(shù)量指標(biāo)以控制地圖內(nèi)容的增減，也為隨后的計算機(jī)繪制地圖提供了形式化的控制基礎(chǔ)。這套指標(biāo)的確定考慮了空間認(rèn)知的視覺效果，但主要還是通過總結(jié)用戶經(jīng)驗和比較的方法獲得的。

初期的計算機(jī)制圖對地圖的實質(zhì)并未產(chǎn)生多大的影響，主要體現(xiàn)在提高制圖的效率和精度上。特別引起制圖學(xué)家興趣的，挑戰(zhàn)地圖空間認(rèn)知功能的是科學(xué)計算可視化(visualization in scientific computing，ViSC)和虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)的出現(xiàn)。它們?yōu)榈貓D學(xué)在空間知覺的分析、心象構(gòu)成、圖像理解和表達(dá)研究的深化等方面展現(xiàn)出了一個全新的渠道，使地圖在空間意識上的創(chuàng)新成為可能，極大地提高了地圖的使用效果[4]。虛擬現(xiàn)實的提出立即引起了地圖學(xué)界的重視。從三維和動態(tài)的環(huán)境中以第一人稱觀察周圍景觀，早就是人們向往的境界。以前曾采用沙盤模型來實現(xiàn)這一愿望，但仍然不能占據(jù)第一人稱的位置，始終是一個旁觀者的感受。VR技術(shù)基本上解決了這一問題，身臨其境，沉浸在環(huán)境之中，稱之為“可進(jìn)入的地圖”[5]。隨后在地理信息科學(xué)(geographic information science)和移動技術(shù)的支持下，又有增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality，AR)和混合現(xiàn)實(mixed reality，MR)的出現(xiàn)，瞬間打破了傳統(tǒng)地圖的局限性。

真正融合地圖與空間認(rèn)知，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)地圖學(xué)的是神經(jīng)科學(xué)關(guān)于大腦中位置、導(dǎo)向的生理機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，并證實了“心象地圖”的存在和大腦的導(dǎo)航功能。2014年3位研究者獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。這一發(fā)現(xiàn)不但開辟了認(rèn)知科學(xué)的新領(lǐng)域，也為下一步腦科學(xué)和人工智能的開發(fā)指引了方向，更為地圖學(xué)的創(chuàng)新打下了科學(xué)的基礎(chǔ)。大腦內(nèi)外以虛實結(jié)合的形式存在著兩套互補(bǔ)的地圖系統(tǒng)——心象地圖和實用地圖，一個是近億年自然進(jìn)化的結(jié)果，一個是幾千年人類文明發(fā)展的象征。如果從1880年提出心象起算，到2017年生命科學(xué)證明了心象地圖的存在，即從哲學(xué)概念到科學(xué)的實證，前后經(jīng)歷了130多年。

問題并未到此結(jié)束。最近腦科學(xué)研究進(jìn)展很快，關(guān)于定位細(xì)胞又有新的發(fā)現(xiàn)(https:∥www.biorxiv.org/content/early/2018/12/16/473090)，而且在以大腦為中心的認(rèn)知研究中，又提出了“具身認(rèn)知”(embodied cognition)的新問題[6]，打破了將身體和心智分離的“心身二元論”的傳統(tǒng)。

具身認(rèn)知也有很長的研究歷史，其主要觀點(diǎn)是“認(rèn)知不僅僅發(fā)生在大腦中，而更多的產(chǎn)生于腦、身體及與世界的動態(tài)交互作用中”[7]。這一理論為認(rèn)知心理學(xué)，特別是空間認(rèn)知的理解，提供了新的思路，也恰好為解決人工智能中如自動駕駛等難題增添了新因素。因為根據(jù)人們生活的體會，在大腦主導(dǎo)空間行為時，身體的各種感知力及肢體的反應(yīng)能力并未處于凍結(jié)的狀態(tài)，反復(fù)的練習(xí)與操作甚至可以形成一種潛能，應(yīng)對隨機(jī)發(fā)生的、大腦還來不及反應(yīng)的特殊情況。在當(dāng)前無人駕駛領(lǐng)域，僅為大腦準(zhǔn)備的應(yīng)對空間變化的“腦地圖”，能否應(yīng)對全身認(rèn)知的需求？又是一個新問題。

地圖與空間認(rèn)知的不解之緣，連續(xù)而深化。回顧過去，地圖的歷史就是一部空間認(rèn)知的歷史，空間認(rèn)知的理論與方法為地圖學(xué)打開了另一扇門；開闊了視野，發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜的多維空間的存在；理清了待開發(fā)的技術(shù)途徑；促進(jìn)了地圖學(xué)與相關(guān)學(xué)科特別是人文學(xué)科的融合；體現(xiàn)了地圖的科學(xué)價值和在人工智能研究中的標(biāo)志性作用。

2 空間認(rèn)知促進(jìn)地圖學(xué)理論研究的深化

空間認(rèn)知的研究促進(jìn)了地圖學(xué)理論研究的深入，在某種程度上，可以認(rèn)為地圖是大腦空間思維功能的物化。下面談幾個主要問題。

(1) 之前在建立測繪科學(xué)體系時，按業(yè)務(wù)的分工，只把地圖投影作為地圖學(xué)的主要理論基礎(chǔ)，而把前端的地球基礎(chǔ)框架的構(gòu)建、經(jīng)緯網(wǎng)和坐標(biāo)網(wǎng)格的計算、時空基準(zhǔn)的確定等一系列問題都?xì)w入大地測量的學(xué)科領(lǐng)域。后端則將地圖的使用這一最能驗證地圖質(zhì)量與效果的環(huán)節(jié)推給各專業(yè)部門(地理學(xué)和歷史學(xué)領(lǐng)域?qū)@個問題處理較好，始終把地圖當(dāng)作反映自然規(guī)律和人文現(xiàn)象的工具)。而中間一段最重要的將地理數(shù)據(jù)與信息表示(描繪)到圖上的過程，即將空間數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)化為知識的第一次提升的“制圖綜合”也局限于對手工圖形處理的探討。當(dāng)數(shù)字化技術(shù)進(jìn)入地圖學(xué)后，制圖綜合的研究雖然已從“不可言傳”的經(jīng)驗型手繪處理進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理建模和計算機(jī)繪制的新階段，但也僅是停留在處理地形環(huán)境諸要素的水平上，學(xué)科的分割和知識的局限仍然難以處理多源信息和復(fù)雜環(huán)境的表達(dá)。信息理論出現(xiàn)后，促使地圖學(xué)研究逐步進(jìn)入“人—地圖—實在”三者關(guān)系的探討階段，中外學(xué)者利用信息傳輸理論建立了多種傳輸模型，把地圖學(xué)理論研究向前推進(jìn)了一步。但是這個研究主要是受信息論的啟示，與早期認(rèn)知心理學(xué)的“人腦類似于計算機(jī)，認(rèn)知過程類似于計算機(jī)的符號加工過程”，認(rèn)為“大腦就是計算機(jī)、思維就是計算”的說法一致，仍然不能反映空間認(rèn)知的靈活性和地圖多元(物質(zhì)和精神，實在與意識)并存的特點(diǎn)。

(2) 空間認(rèn)知是動物進(jìn)化過程中形成的一種能力，通過知覺了解外部環(huán)境，以解決生存和安全問題，是一種“本能”。但是人和其他動物不同，他們會學(xué)習(xí)、會制造工具，借此超越了本能而擴(kuò)展了對生存空間的認(rèn)知能力。地圖就是人類創(chuàng)造的一種空間認(rèn)知工具。這個工具與大多數(shù)體能延伸的工具不同，它是大腦功能的延伸。人借助地圖了解事物空間存在的關(guān)系，借助地圖了解歷史的軌跡，借助地圖傳遞數(shù)據(jù)信息和傳授知識，借助地圖觀察當(dāng)前事物發(fā)展形勢和預(yù)測發(fā)展的趨勢，借助地圖發(fā)現(xiàn)客觀存在的自然和人文現(xiàn)象的某些規(guī)律?？傊?，你的知識面有多寬，地圖就有多“寬”；地圖有多“大”，你的世界就有多大。

由于空間認(rèn)知工具的功能，地圖在橫向上成為溝通自然科學(xué)與社會科學(xué)的橋梁、多學(xué)科交叉的園地；在縱向上成為人類文明與發(fā)展的見證，從繪畫到地圖，融合了藝術(shù)與技術(shù)的精華；多元時空數(shù)據(jù)的采集、編輯和可視化處理為各領(lǐng)域?qū)＜姨剿饕?guī)律、趨勢和形成理論提供了基礎(chǔ)。在意識層面上溝通了人、地圖和實在的關(guān)系?？梢哉f，空間認(rèn)知作為地圖永恒的主題奠定了地圖學(xué)的理論基礎(chǔ)，即地圖不但是在可視化的范圍內(nèi)是環(huán)境空間認(rèn)知的工具，也是在思維(非具象的，當(dāng)前尚不可形式化的)空間探索意識產(chǎn)生的重要途徑之一，即我們常說的地圖也是思維的工具。正因為如此，地圖成了跨學(xué)科、融合多學(xué)科并兼顧精神與物質(zhì)世界的獨(dú)特事物。與此相似的雖然還有語言文字、音樂等學(xué)科，但它們產(chǎn)生的生理機(jī)制和方法論并不相同。

(3) 在腦科學(xué)和空間認(rèn)知的研究中，最具啟發(fā)性的突破是1971年文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)了大腦海馬體內(nèi)存在著位置細(xì)胞(place cells)，文獻(xiàn)[9]發(fā)現(xiàn)了六邊形的網(wǎng)格細(xì)胞(grid cells)。網(wǎng)格細(xì)胞的感受閾呈六邊形圖案(見圖1)，這是最精彩的發(fā)現(xiàn)，證明了大自然的存在和生物進(jìn)化的過程都遵循著科學(xué)的基本規(guī)律，雪花和蜂巢都呈六邊形結(jié)構(gòu)也是如此。六邊形網(wǎng)格具有鄰域一致、緊湊、采樣率高等優(yōu)點(diǎn)[10]。兵棋作戰(zhàn)模擬也最終選用六邊形的網(wǎng)格地圖簡化戰(zhàn)場態(tài)勢，當(dāng)作棋盤實施兩軍對抗演習(xí)[11]。在建筑隔墻和機(jī)翼中的蜂窩減重結(jié)構(gòu)也是如此。這些都是經(jīng)過幾何計算和力學(xué)計算的結(jié)果，與天然形成的六邊形結(jié)構(gòu)竟然完全一致。在地圖學(xué)中，球面剖分是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，六邊形網(wǎng)格也是其中的一種重要選擇[12]。

圖1 網(wǎng)格細(xì)胞的六邊形結(jié)構(gòu)[13]Fig.1 Grid cells and hexagonal structure[13]

地圖的空間認(rèn)知作用，證明了地圖是跨界于自然科學(xué)和人文科學(xué)的橋梁，它將原屬于“物質(zhì)”的和屬于“精神”的兩個本不相遇的領(lǐng)域或范疇聯(lián)結(jié)起來，成為最終證明“精神也是物質(zhì)”的先行者。

神經(jīng)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，促進(jìn)了認(rèn)知科學(xué)的形成。自從大腦中定位系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)之后，逐步揭開了地圖與空間認(rèn)知存在著特殊關(guān)系的奧秘。瑞典科學(xué)家彼德·格登福斯(PeterG?rderfors)說，“長期以來，認(rèn)知科學(xué)中一個普遍的偏見認(rèn)為大腦要么是一個運(yùn)用符號的圖靈機(jī)，要么是一個聯(lián)結(jié)主義(認(rèn)知心理學(xué)中一種理論模型)下的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”[14]，他反對這種偏見。他認(rèn)為，人類能完成強(qiáng)大的計算機(jī)所不能完成的工作，例如快速的學(xué)習(xí)語言，從細(xì)節(jié)上輕松歸納，都是因為人腦在幾何空間信息上有不同于計算機(jī)的表達(dá)方式。文獻(xiàn)[15]提出“認(rèn)知空間是描述大腦如何組織世界知識的一種方式”，這種方式不僅涉及位置數(shù)據(jù)，還包括對象與體驗之間的關(guān)系。很多研究團(tuán)隊還證明“海馬體中的空間位置編碼規(guī)則也不僅僅是空間導(dǎo)航問題”，也就是說海馬體的位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞不僅映射物理空間，還能映射概念空間。這個大腦功能的研究啟發(fā)了地圖學(xué)理論的探索，因為早在古地圖上，例如巖畫地圖或漢代畫像磚，就實現(xiàn)了物理空間和概念空間表達(dá)的統(tǒng)一，因而才出現(xiàn)了后來的虛實相間的各種地圖和專題地圖。因此，地圖是大腦功能的物化，是一種思維表達(dá)方式的理論，在認(rèn)知科學(xué)的研究中得到了證實。

(4) 賽博空間(cyber space)的提出也給地圖空間認(rèn)知理論研究展現(xiàn)了新視野。

賽博空間目前是指一個以人為中心的多維環(huán)境相互作用的空間?！百惒币辉~雖然出自20世紀(jì)80年代的科幻小說，但經(jīng)過30多年科技與文化的發(fā)展，有了計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、VR、傳感器網(wǎng)和移動技術(shù)的支撐，已從一個概念性的虛擬空間發(fā)展或為必須面對的虛實結(jié)合的空間，即在同一個物理空間中將人類的行為、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象、人文歷史、地緣關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)活動等內(nèi)容綜合的、聯(lián)系的加以顯示，認(rèn)知并探索它們之間生存關(guān)系、生態(tài)環(huán)境與存在規(guī)律。

相比之下軍事專家和社會科學(xué)家們比信息技術(shù)專家更早地關(guān)注了這個領(lǐng)域，因為在其研究領(lǐng)域更需要自然科學(xué)技術(shù)與社會科學(xué)的融合[16]，對于賽博空間有更為現(xiàn)實的理解。賽博空間也有一個被認(rèn)知的問題，賽博地圖(cyber map)也就應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)上，以認(rèn)知地球表層空間為中心任務(wù)的測繪早已將政治、人文、地理諸現(xiàn)象表示在地圖上，近年來空間已向重力、電磁空間和深海領(lǐng)域延伸，現(xiàn)在出現(xiàn)了賽博空間的新領(lǐng)域，地圖必然應(yīng)該為新的空間提供認(rèn)知、描述、表示的工具。賽博地圖是什么樣子，包含哪些內(nèi)容，怎么表示都引起了專家們的關(guān)注，專著和論文已大量涌現(xiàn)。文獻(xiàn)[17]提出“將非歐空間和抽象空間的表述格式化就是地圖認(rèn)知功能的前提”。例如當(dāng)前搶險、反恐的應(yīng)急指揮控制平臺，就是一種以電子地圖為基礎(chǔ)，實時反映態(tài)勢的動態(tài)賽博地圖。各國軍方近年來集中探索的“聯(lián)合作戰(zhàn)圖”電子顯示系統(tǒng)也是一種賽博地圖[18]。負(fù)責(zé)現(xiàn)代管理和指揮的決策者已不滿足于在一張底圖上由工作人員隨時標(biāo)注態(tài)勢和專題內(nèi)容的模式，因為這種人工處理方法不可能在毫秒甚至微秒計量環(huán)境的變化中提供實時評估、調(diào)整，以應(yīng)對不斷變化的現(xiàn)狀。因此，必須提出新的動態(tài)地圖的概念，也就是要在賽博空間中實現(xiàn)機(jī)器處理與人的思維同步。加拿大地圖學(xué)家泰勒(D.R.F. Taylor)從20世紀(jì)末開始倡導(dǎo)和主持賽博空間、賽博地圖學(xué)(cyber cartography)的研究工作，并陸續(xù)出版了現(xiàn)代地圖學(xué)系列文集。在基于互聯(lián)網(wǎng)和多維空間的研究成果基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[19]全面總結(jié)了賽博空間制圖的初步研究成果。但由于我國現(xiàn)行學(xué)科分界的局限所帶來知識的局限及跨學(xué)科合作的薄弱，使得這一領(lǐng)域的研究至今只為極少數(shù)科學(xué)家所關(guān)注，甚至有些專業(yè)人士也把“賽博空間”與“網(wǎng)絡(luò)空間”混為一談，不但混亂了對文獻(xiàn)的理解，而且也產(chǎn)生很大的誤導(dǎo)作用。

(5) 從3個層次上認(rèn)知世界是地圖的基本特點(diǎn)。大、中、小3種比例尺地圖的繪制，使人類可以從微觀、介觀到宏觀上認(rèn)識生存空間的本質(zhì)和規(guī)律。魏格納的大陸漂移學(xué)說就是在多層次上分析地圖而獲得的結(jié)論。他先從宏觀上大西洋兩岸陸地輪廓的相似性受到啟發(fā)，進(jìn)而用中比例尺地圖(相當(dāng)于介觀的層次)和海圖發(fā)現(xiàn)兩岸的大陸架(相當(dāng)于200 m等深線的位置)的形態(tài)更為接近，繼而從微觀上查看兩岸地質(zhì)構(gòu)造圖與生態(tài)環(huán)境圖的相似性，最后得出大陸板塊分裂、漂移的理論。

宏觀、介觀、微觀這一多層次觀察方法在國家安全與作戰(zhàn)指揮方面有重要作用。宏觀上，小比例尺地圖審視全局；介觀上，中比例尺地圖制定戰(zhàn)役計劃；微觀上，大比例尺地圖為戰(zhàn)術(shù)行動提供依據(jù)。就像人們縮放手機(jī)地圖一樣，每個空間區(qū)域和物體都可以放大或縮小，這種尺度上的差異使我們能從事物的具體到抽象的認(rèn)識中尋找自己的答案。這是空間認(rèn)知構(gòu)成概念的重要基礎(chǔ)理論。手機(jī)的先進(jìn)功能幫助人類快速地實現(xiàn)這一理解的過程而不用去尋找各種比例尺地圖來參照使用。手機(jī)這種瞬間改變比例尺的畫面的閱讀新方式是地圖學(xué)的重大進(jìn)步，根本在于凸顯了地圖的空間認(rèn)知功能，將這一本質(zhì)性的但常被忽視的地圖理論重新提出。這種多層抽象信息的表達(dá)，在大腦空間認(rèn)知研究中得到了證實。

在腦科學(xué)的研究中，文獻(xiàn)[20]提出了分層次探索大腦結(jié)構(gòu)的問題。大腦定位區(qū)域可以表達(dá)不同層次的信息，較小的位置細(xì)胞群表達(dá)更多類型組成的、相對寬廣范圍的信息，而放大的位置細(xì)胞群則描述更細(xì)、更小的概念。我們對大腦的研究和認(rèn)識雖有很大的進(jìn)展，但未知的仍然比已知的要多得多。因此必須在介觀層面上，即在生物學(xué)領(lǐng)域，以微米的尺度(4)宏觀指借助于磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)實現(xiàn)毫米級分辨率的觀察，介觀指借助于光學(xué)顯微鏡實現(xiàn)微米級的觀察，微觀指借助于電子顯微鏡實現(xiàn)納米級的觀察。了解每一個神經(jīng)細(xì)胞如何與不同種類的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行聯(lián)系，如何傳送信息和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，人腦中有上千億個細(xì)胞，可想其難度有多大！

3 技術(shù)進(jìn)步強(qiáng)化了地圖的空間認(rèn)知能力

技術(shù)進(jìn)步首先是大幅度提高了地圖的生產(chǎn)能力，但更重要的是提高了地圖空間認(rèn)知的效能和價值。計算機(jī)技術(shù)推動了數(shù)字地圖的誕生。數(shù)字技術(shù)加強(qiáng)了地圖的立體感，體現(xiàn)了更好的藝術(shù)效果，并替代了那些工藝性很強(qiáng)、只有經(jīng)過長期訓(xùn)練才能勝任的手工繪圖工作。而關(guān)鍵的作用是數(shù)字技術(shù)改變了地圖的“生態(tài)”，出現(xiàn)了真正的“動態(tài)地圖”，時空的模擬功能幾乎為所有的地學(xué)研究提供了一種全新的認(rèn)知工具，也為歷史學(xué)研究和事件的再現(xiàn)提供了認(rèn)識和分析的手段，在軍事上更成為戰(zhàn)場態(tài)勢顯示和指揮運(yùn)籌不可缺少的助手。數(shù)字地圖支撐下的屏幕地圖顯示設(shè)備(電子地圖)，更為地圖的應(yīng)用提供了便利，大到廣場屏幕、小到手機(jī)屏幕，都能清晰地顯示地圖的內(nèi)容，空間認(rèn)知的作用空前擴(kuò)展。

GIS是數(shù)字地圖直接觸發(fā)的創(chuàng)新成果。因為在一個工作平臺上能融合分析多種數(shù)據(jù)特別是空間數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可視化的表達(dá)，因而成了所有研究、教育、企業(yè)、行政管理各部門不可缺少的工具。20世紀(jì)末，在人文地理學(xué)和社會科學(xué)領(lǐng)域中，由于GIS和可視化技術(shù)的介入，改變了傳統(tǒng)的研究方法，結(jié)論更加具體，實證作用更加突出。將空間認(rèn)知方法引入社會科學(xué)與人文地理之后所引起的變革促使社會學(xué)家開始關(guān)注如何利用地圖(包括三維、動態(tài)地圖)，在本領(lǐng)域的研究中以數(shù)據(jù)可視化的形式啟發(fā)研究者的思路并發(fā)現(xiàn)新問題[21]。

適應(yīng)云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等時代科技大潮的發(fā)展，空間信息表達(dá)在理論方法和技術(shù)應(yīng)用方面都取得了新的突破：依托云計算環(huán)境構(gòu)建云GIS，提供云端的地理信息存儲分發(fā)、計算處理、分析應(yīng)用的能力，為位置服務(wù)、地理信息服務(wù)、地理國情監(jiān)測等提供基礎(chǔ)支撐平臺；以地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程[22]為代表，大數(shù)據(jù)在科學(xué)理論、技術(shù)體系、應(yīng)用平臺等方面，激發(fā)了GIS的新活力。

這些新技術(shù)、新概念和科技環(huán)境的改變，也促進(jìn)了地圖學(xué)理論研究的發(fā)展，提出了將地理空間大數(shù)據(jù)變“小”，給大數(shù)據(jù)降維以便通過視覺語言直觀展示[23]，促進(jìn)地圖綜合、地圖表示方法和地圖投影的發(fā)展。將地圖學(xué)方法應(yīng)用到非地理空間數(shù)據(jù)的表達(dá)分析中，用來創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)空間地圖、賽博地圖、隱喻地圖等新的地圖形式[24]。突破傳統(tǒng)地圖的空間認(rèn)知邊界，以類腦計算、深度學(xué)習(xí)、知識圖譜等新一代人工智能為突破口，在邊緣計算、智能芯片、5G通信等支撐下，已經(jīng)開始給地圖和地圖相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域帶來巨大變化[25]。

最新版的《泰晤士地圖集》(The Times Comprehensive Atlas of The World，15th edition，2018)上有一幅世界交通圖(第29頁，實際上表達(dá)的是“人圈”交流地圖)很有新意。讀者不可能在這幅圖上直接尋找某一條航線，但依據(jù)大數(shù)據(jù)和可視化方法，全部航線軌跡在圖上形成密集程度不同的云狀亮帶，從這幅地圖上直接可以知道全球航空客流的主要起止地區(qū)和密度，間接可以知道世界各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況和旅游熱點(diǎn)地區(qū)。這個印象是客觀的、直接的，不但可以引導(dǎo)你去認(rèn)知全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地緣特征，也可以啟發(fā)決策者和管理者做出宏觀上的某些布局、選址決策。

夜晚地面燈光亮度表示了地球上經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍的程度，間接看到了人口集中的城市和地區(qū)，看到了人口密集和分布狀況。比較同一個地區(qū)兩個時期亮度的變化，可以看出經(jīng)濟(jì)發(fā)展的興衰[26]。所以，“大數(shù)據(jù)+可視化”是空間認(rèn)知的新方法，從大數(shù)據(jù)獲得“小規(guī)律”，用簡潔的可視化來表示，以便做出決策和啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。解決這些大數(shù)據(jù)的獲取、處理和可視化建模的問題，已經(jīng)不是傳統(tǒng)地圖學(xué)的理論與方法所能勝任的了。

大數(shù)據(jù)的思想在地學(xué)界早已存在，不論氣象、水文、地質(zhì)、測繪，都是靠數(shù)據(jù)和地圖說話。1995年出版的國家地圖集系列的《國家普通地圖集》中水系圖(22-23頁)就是一個例子。把全國每條河流不加取舍和簡化，全部繪在地圖上，就形成了一個全國水資源分布的概念地圖，東南和西北地區(qū)極不均衡。雖然當(dāng)年由于數(shù)據(jù)不足，沒有疊加各地區(qū)徑流或降水的改正，因此對干旱和缺水的狀況會產(chǎn)生一定程度的誤讀，但大數(shù)據(jù)的思想已經(jīng)萌芽。

虛擬現(xiàn)實(VR)借助計算機(jī)、傳感器等多學(xué)科交叉技術(shù)，生成與一定范圍真實環(huán)境在視覺、聽覺、觸覺等感覺方面近似的數(shù)字化環(huán)境，成為人類探究自然過程的一種新工具。地圖學(xué)在20世紀(jì)80-90年代就開始關(guān)注VR，研究如何利用VR技術(shù)構(gòu)建“可進(jìn)入的地圖”[5]及其中的認(rèn)知功效問題，也推動了虛擬地理環(huán)境領(lǐng)域的興起[27]，特別是其中關(guān)于人的因素的研究[28]。

近年來在相關(guān)學(xué)科進(jìn)步和社會需求推動下，VR領(lǐng)域也在不斷發(fā)展，出現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)、混合現(xiàn)實(MR)等新的概念和方法。文獻(xiàn)[29—30]提出“‘真實-虛擬’連續(xù)統(tǒng)一體”的概念來描述真實環(huán)境、虛擬環(huán)境、增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)、增強(qiáng)虛擬(AV)及混合現(xiàn)實(MR)的關(guān)系，用一個一維坐標(biāo)軸連接真實環(huán)境和虛擬環(huán)境，中間區(qū)域即為MR。目前較為普遍的看法是將VR、AR、MR統(tǒng)稱為廣義的虛擬現(xiàn)實。在利用AR技術(shù)研究地理過程模型方面，出現(xiàn)了增強(qiáng)地理環(huán)境的概念及其虛實融合框架[31]，探索將虛擬地理對象和虛擬的地理過程從計算機(jī)空間中“移”出來，置于真實的地理空間中，使虛擬地理環(huán)境具有現(xiàn)實的屬性，同時也將增強(qiáng)現(xiàn)實地理空間的信息容量，使之包含靈活多變的“活”的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在多大程度上能夠模擬真實的感覺，就成為決定其作用能力的關(guān)鍵。目前來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展還存在一些現(xiàn)實困境和未來挑戰(zhàn)[32]：軟硬件技術(shù)方面包括視覺虛擬方面的解析度、刷新率、視場角、抖動、成像色彩質(zhì)量等；眼動方面的深度感知、視線跟蹤、關(guān)注點(diǎn)跟蹤等；移動反饋方面的頭部和身體姿態(tài)測量、重力感/失重感等；理論方法方面包括視覺、聽覺、觸覺等多通道感官體驗真實感，認(rèn)知體驗上與現(xiàn)實世界間的沖突及新的認(rèn)知特性；社會倫理上也要考量虛擬世界迷失與虛實界線等問題。

早有研究表明，我們大腦中確實存儲了一幅“心象地圖”，不管是我們所面對的是真實空間還是在思想中的不同維度的空間。

這一特點(diǎn)已在地圖上體現(xiàn)出來。無論是多元融合的專題地圖，還是虛擬空間的仿真地圖、虛實結(jié)合的增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)地圖，還是賽博空間的意識地圖，這些在我們的生活行動、手機(jī)地圖、規(guī)劃業(yè)務(wù)上都已實現(xiàn)，在電子游戲、宣傳與管理(如交通管制)上的應(yīng)用已是十分普遍。

當(dāng)認(rèn)知科學(xué)特別是腦科學(xué)發(fā)展到一定程度之后，科學(xué)家們開始探討“意識”(consciousness)的奧秘。這個號稱“人類終極之謎”曾難倒了無數(shù)哲人賢士[33]，一直到了20世紀(jì)80年代，發(fā)現(xiàn)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物學(xué)家克里克才提出意識是腦活動的結(jié)果。文獻(xiàn)[34]支持克里克的思想，認(rèn)為“意識當(dāng)然是物質(zhì)性的”。雖然到現(xiàn)在為止仍然沒有解開意識之謎，但已有重要的進(jìn)展。

地圖和圖畫是最早表達(dá)了人的意識的杰作，空間認(rèn)知的結(jié)果與制圖人員的意識結(jié)合，繪出真實與想象的各種地圖。

4 地圖學(xué)史本質(zhì)上是人類空間認(rèn)知的歷史

近年來，地圖學(xué)史和文獻(xiàn)史的研究十分活躍，這得益于數(shù)字圖書館的開放和檔案業(yè)務(wù)數(shù)字化工程的成果，先后把珍藏的古地圖和相關(guān)檔案文獻(xiàn)數(shù)字化后提供讀者使用，通過網(wǎng)絡(luò)和高清圖像可以仔細(xì)研究各時期的地圖作品，甚至比閱讀原件更方便。因此，不論是地圖學(xué)通史還是古代地圖的分析評價等方面都有所創(chuàng)新，專著和論文不斷出現(xiàn)，令人興奮。中國地圖學(xué)史的學(xué)術(shù)活動也開始走向世界。近年來，國際上兩大地圖史論壇，一個是國際地圖學(xué)會(International Cartographic Association，ICA)的會議，每次都有地圖史的分會場，另一個是地圖學(xué)史會議(International Conference on The History of Cartography，ICHC)，創(chuàng)辦于1935年，出版有地圖史雜志：“Imago Mundi：The International Journal for the History of Cartography”。前者偏重測繪與地理，官方氣味較濃；后者偏重于歷史學(xué)，在文化界和學(xué)術(shù)界有較大影響。近年來，這兩個會議近年來都有我國專家參會并提出論文報告，在歐洲擴(kuò)大了中國地圖學(xué)研究的話語權(quán)和知名度。

地圖學(xué)史本質(zhì)上是人類空間認(rèn)知的歷史，是對多元空間的認(rèn)知記錄。但地圖的跨界特點(diǎn)使這些記載不可能不與作者的世界觀和價值觀聯(lián)系在一起，即使是最客觀的系列比例尺地形圖(topographic map)也因出版的國家對人文要素的選擇和表達(dá)重點(diǎn)的不同而有明顯的政治傾向，尤其是在西方強(qiáng)國為殖民地地區(qū)所測的地圖上更為明顯，更不要說代表國家版圖和科學(xué)價值的政區(qū)圖、行政圖和各種專題地圖了。因此地圖史研究和古地圖評價存在較大的意識形態(tài)和觀點(diǎn)上的分歧。此外，地圖史研究與各國文化緊密相關(guān)，資料的不足和考古證據(jù)的缺乏等因素都導(dǎo)致了結(jié)論的分歧和增加了研究工作的難度。

以空間認(rèn)知為線索研究地圖史可以有若干新的理解。例如對《鄭和航海圖》的評價有很多成果，但始終存在一個問題：附于《武備志》中的《鄭和航海圖》是否因刻印版面的限制而簡化、改變了內(nèi)容、式樣？是否還有更詳細(xì)的用于導(dǎo)航的尚未被發(fā)現(xiàn)的實用圖件？否則難以想象鄭和船隊只憑如此簡單的海圖就能前后7次遠(yuǎn)渡西洋！但如果以明代的地理空間認(rèn)知的水平來衡量，《鄭和航海圖》應(yīng)該就是這個樣子，實用本可能更詳細(xì)些而已。因為當(dāng)時官員和航海者都沒有認(rèn)識到海面是地球曲面的一部分，主流認(rèn)識是“天圓地方”，不可能繪制出更先進(jìn)的航海圖。2018年見到另一冊李弘祺教授在美國耶魯大學(xué)圖書館發(fā)現(xiàn)的海圖《明清東亞舟師秘本》，并閱讀了文獻(xiàn)[35—38]之后，更確定了這個想法。此秘本以航海的實際導(dǎo)航知識，包括天文星座識別方法和導(dǎo)航設(shè)備的分析，證明該地圖確實是當(dāng)年跨洋遠(yuǎn)行人所使用的航行指南和航海圖。這套航海圖在內(nèi)容與風(fēng)格上與鄭和航海圖十分相似，與西方的航海圖有很大差別(圖2)。

圖2 鄭和航海圖與耶魯藏中國古代航海圖對照Fig.2 Zheng He navigation map and the chinese old navigation map kept at Yale university

再一個例子就是對“制圖六體”和“計里畫方”有了新的認(rèn)識。裴秀的“制圖六體”和傳統(tǒng)中國地圖上的“計里畫方”是中國古代地圖繪制的經(jīng)典。我國學(xué)者曹婉如[39-40]、辛德勇[41-42]、成一農(nóng)[43]、韓召慶[44]對此已有詳細(xì)、深刻的考證和分析，這里就不再重述。若是從空間認(rèn)知的思路去研究，“制圖六體”和“計里畫方”是在我國古代“天圓地方”的宇宙空間認(rèn)知水平基礎(chǔ)上制作地圖的理論和方法，在當(dāng)時歷史階段中是相對科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，在一定范圍?nèi)(例如中國本土，當(dāng)年的中原十五省、局部地區(qū)、省份)是可以使用的。但地圖范圍擴(kuò)大后，則遇到了困難，“制圖六體”和“計里畫方”都無法實現(xiàn)。筆者認(rèn)為，這就是《禹跡圖》上繪有計里畫方、而《華夷圖》沒有計里畫方的原因之一。直到明末清初的《坤輿萬國全圖》才使用西方的地圖投影方法描繪當(dāng)時世界的已知輪廓。到了康熙全國測圖時也采用了地圖投影的方法[45-46]，但并未在中國學(xué)術(shù)界和地圖制作者中得到認(rèn)可，在各省和民間出版的許多地圖仍然沿用計里畫方，或與經(jīng)緯線混用，直到清末民初時期。

清初康乾時期的兩套實測地圖《皇輿全覽圖》(1708—1718)和《清乾隆內(nèi)府輿圖》(也稱清乾隆十三排地圖，完成于1759年前后)也是一個生動的例子。這兩套地圖的制作不但是中國也是世界測繪與地理史上的大事。實物和文獻(xiàn)檔案都有保存，中外學(xué)者的考證評述也非常豐富。乾隆十三排地圖是在康熙圖的基礎(chǔ)上擴(kuò)充的，主要是西北方向和北部地區(qū)，特別是乾隆西征之后，隨軍測圖補(bǔ)充的內(nèi)容；西至東經(jīng)40°，北至北緯80°，實際上是一幅亞洲地圖。這兩套地圖的測繪首次采用了天文測量方法，配合經(jīng)緯度測量在全國測定了以經(jīng)緯度控制的641個天文點(diǎn)，用經(jīng)線弧長確定長度標(biāo)準(zhǔn)，并建立了全國的地圖投影經(jīng)緯線網(wǎng)，科學(xué)意義十分巨大[47]。

這兩套地圖不僅讓中國皇帝首次較完整地知道了自己統(tǒng)治的疆域范圍，更重要的是，這些從歐洲來的測圖者首先是把所測地圖送回國去，讓歐洲人首次知道中國的正確位置和亞洲東部的情況，因而糾正了他們的世界地圖上陸海分布的錯誤概念。這套比例尺為1∶140萬左右的實測地圖，比被譽(yù)為“世界第一套大比例尺地形圖”的法國卡西尼地圖(1∶68 400)早了約70年。

清初以《皇輿全覽圖》為代表的實測全國地圖(實際上增加了編入的亞洲部分地區(qū))，雖然是人類對地球空間認(rèn)知的一大進(jìn)步，但還存在很多不可忽視的文化與歷史背景，不能僅從地圖制作繪制史來研究。近年來已有許多深入研究的論著[48-51]，對西方傳教士在明末清初的測圖活動給予了較高的評價，他們在一定程度上起到了科學(xué)知識的傳播作用，但他們受宗教世界觀和所在國利益的制約，并沒有、也不可能把先進(jìn)的宇宙觀介紹到中國來，甚至于干擾了中西方文化的公平交流。

以空間認(rèn)知的線索研究地圖的歷史，可以作為一條主線。這個平臺也是厘清和分析評價歷史事件的基礎(chǔ)。這種時空認(rèn)知與歷史資料相結(jié)合的方法，已在很多古地圖研究中運(yùn)用，結(jié)論都比較客觀，效果很好。

人的生理感知的“時空存在”和心理感知的“時空概念”，難以精確度量，空間都是小范圍的、親歷的、視距內(nèi)的；時間都是片段的、先后比較的、記憶中的。因此，只有前后左右、這里那里、昨天今天的概念。距離、方位、時間概念的產(chǎn)生和計量單位的制定都是后來當(dāng)做知識而體現(xiàn)的。再繼續(xù)發(fā)展，才有時間、空間的基準(zhǔn)，并確定了基準(zhǔn)的起始點(diǎn)。因此，可以依據(jù)人的空間認(rèn)知的進(jìn)步來定義地圖史的階段：

(1) 記憶空間的記錄是遠(yuǎn)古地圖(巖畫地圖)。在文字出現(xiàn)以前，遠(yuǎn)古人類以圖畫形式記錄關(guān)乎種族生存繁衍的重要活動，巖畫地圖即為保留至今的痕跡。遠(yuǎn)古地圖反映了人類文明萌芽之初對生存環(huán)境的認(rèn)知結(jié)果，其中既包含了對日常生活記憶的描繪，又包含了對現(xiàn)實世界的原始理解。

(2) 根據(jù)空間關(guān)系描述的地圖是古代地圖(各種古地圖)。隨著社會活動的空間范圍擴(kuò)大和內(nèi)容豐富，刻畫生產(chǎn)生活中諸事物的關(guān)系就成為一個首要問題，不僅有言語傳遞和文字記錄，而且出現(xiàn)了有目的的地圖創(chuàng)作。古代地圖不局限于遠(yuǎn)古地圖中片段式的場景，作圖者通過對親歷體驗、語言文字和已有地圖成果的加工，形成對周圍環(huán)境諸事物空間關(guān)系的認(rèn)識。此時，地圖作為空間認(rèn)知的結(jié)果，與文字記錄一道得以傳遞和傳承，從而推動人類空間認(rèn)知能力的進(jìn)步，因此，古代地圖在當(dāng)時社會管理、生產(chǎn)組織和生活中發(fā)揮著重要作用。

(3) 確定了時空基準(zhǔn)的地面描繪是近代地圖(實測地圖、地形圖和各種地圖)。在自然科學(xué)進(jìn)步發(fā)展的推動下，人們對時間、空間的認(rèn)識理解與運(yùn)用逐步深刻、系統(tǒng)，開始利用科學(xué)設(shè)備設(shè)施確立時間、空間的基準(zhǔn)，開展時間與空間的測量。大地測量、航空攝影測量、地圖制作等專業(yè)領(lǐng)域分工協(xié)作的出現(xiàn)，掀開了近代地圖的篇章。

(4) 具有時空基準(zhǔn)的動態(tài)空間表達(dá)是現(xiàn)代地圖(電子地圖、手機(jī)地圖)。在計算機(jī)出現(xiàn)之后，數(shù)字化、信息化的科技推動給地圖發(fā)展帶來重大變化，測定了全球統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、攝影測量與遙感、電子地圖、地理信息系統(tǒng)、虛擬地理環(huán)境、數(shù)字地球等，使得現(xiàn)代地圖的內(nèi)容、形式、應(yīng)用發(fā)生了巨大變化，如互聯(lián)網(wǎng)地圖、交通導(dǎo)航地圖、街景地圖等，不一而足。

科技進(jìn)步與社會變革助力人們探索未知，也為空間認(rèn)知工具——地圖不斷注入新鮮活力。自動駕駛地圖就是其中一例。近年來，面向車輛自動駕駛、無人駕駛，出現(xiàn)了智能高精度導(dǎo)航地圖[52]，其服務(wù)對象已經(jīng)從人類駕駛員變?yōu)槿祟愒O(shè)計的具有高度智能化水平的自動駕駛系統(tǒng)，為空間認(rèn)知研究帶來了新的廣闊空間。在未來可預(yù)見的一個時期內(nèi)，地圖的面貌必將煥然一新，進(jìn)入到新的發(fā)展階段。

地圖從出現(xiàn)起就是人們認(rèn)知生存空間的工具，也記錄了認(rèn)知的結(jié)果。起初，大體上來源于可感知的周圍環(huán)境的記錄、記憶中的形象和傳說中的想象，相互交錯，形成了五花八門、樣式各異的古代地圖，這個過程長達(dá)3000多年。隨后，進(jìn)入了有序繪制標(biāo)準(zhǔn)地圖的時代，為生存、安全和管理的需要，也有了科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的保障，地圖開始形成規(guī)模化的生產(chǎn)，出現(xiàn)了制作地圖的專業(yè)人員、地圖制作的理論方法、地圖學(xué)學(xué)科的形成、時空基準(zhǔn)的建立和地圖壟斷性管理部門的建立。這是地圖學(xué)歷史上是一個非常重要的階段，前后經(jīng)歷了大約300多年。到了最近，由于信息化、數(shù)字化的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的產(chǎn)生，人工智能技術(shù)的強(qiáng)化，地圖制作與使用走出了傳統(tǒng)學(xué)科和行政管理的框框，幾百年形成的規(guī)則受到嚴(yán)重沖擊。地圖由誰來做、為誰服務(wù)、地圖學(xué)怎么面對人才培養(yǎng)的新模式都擺在了面前。這個階段也僅僅是最近的30年。由3000年到300年再到30年，變化之快，出乎我們的意料，但卻符合科技發(fā)展的規(guī)律，也適應(yīng)地圖使用者的需求。

5 把握理論重點(diǎn)，適應(yīng)多樣需求，地圖學(xué)“整裝”再出發(fā)

近年來，地圖學(xué)作為傳統(tǒng)學(xué)科的處境不佳，軍地測繪主管部門的改制，教育部對院校二級學(xué)科設(shè)置的放權(quán)，使地圖學(xué)在原來的學(xué)科體系(測繪科學(xué)與技術(shù)、地理學(xué))中逐漸被邊緣化；而另一方面，國家安全、經(jīng)濟(jì)文化建設(shè)和社會生活對地圖的需求卻與日俱增。造成這種社會需求與人才培養(yǎng)之間矛盾的原因是什么？除了僅從“地圖”一詞字面上理解，認(rèn)為地圖只是地面的圖畫，沒有看到地圖在人的知識構(gòu)建中的重要意義，語義上屬于“小事物”，無足輕重之外，傳統(tǒng)地圖學(xué)自身的局限才是其中重要的因素。

文獻(xiàn)[53]提出“地圖是空間認(rèn)知的工具，也是空間思維的工具”的概念，就是想把地圖學(xué)從單純的技術(shù)局限中釋放出來，進(jìn)入認(rèn)知科學(xué)和知識工程的領(lǐng)域，從“地”擴(kuò)展到“空間”概念，恢復(fù)地圖的本來面目，體現(xiàn)出地圖在知識獲取和思維創(chuàng)新上的功能，并以此為核心建立“新地圖學(xué)”(暫用此名稱)學(xué)科體系。提出“地圖是空間認(rèn)知的工具，也是空間思維的工具”還有一個考慮，即在以人為主體的“人—地圖—環(huán)境(空間)”的理論框架中為人工智能進(jìn)入新地圖學(xué)留一個“入口”，因為地圖的智能化是下一步發(fā)展的必然趨勢。

為了探索地圖學(xué)的“生存”之路，從20世紀(jì)末期開始，中外地圖學(xué)者都在探索地圖學(xué)所面對的新形勢和相應(yīng)的對策[54-55]，以期面對多元化服務(wù)的地圖學(xué)能獲得新的生命力。文獻(xiàn)[23]分析了在大數(shù)據(jù)驅(qū)動下地圖學(xué)的進(jìn)展。文獻(xiàn)[56]提出了在ICT(information and communication technology)時代地圖學(xué)的復(fù)興問題。文獻(xiàn)[56—57]提出的“地圖學(xué)的未來是場景學(xué)嗎？”指出，“新地圖學(xué)強(qiáng)調(diào)依托地理空間模型，以人為認(rèn)知主體，參與到反演地理過程、預(yù)測現(xiàn)象變化以及學(xué)習(xí)地理規(guī)律、知識的過程之中”。文獻(xiàn)[58]介紹了“從地圖走向空間信息圖學(xué)(geoinforgraphic)”的概念，認(rèn)為“對待具體的‘圖示’設(shè)計對象，要在科學(xué)的需求框架上‘不擇手段’地整合一切可用、適合的‘圖示’形式，可以是對象的表達(dá)，也可以是對空間關(guān)系和結(jié)構(gòu)的邏輯映射，甚至是隱喻的‘概念’的轉(zhuǎn)譯”。在地理學(xué)與認(rèn)知心理學(xué)深度交叉融合的背景下，文獻(xiàn)[59]利用眼動追蹤技術(shù)進(jìn)行了電子地圖個性化認(rèn)知差異眼動實驗量化分析，繼而將其拓展到基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的多維地理環(huán)境認(rèn)知中，開展了認(rèn)知過程數(shù)據(jù)實時獲取與眼動交互研究[60]，在人文要素對地圖認(rèn)知影響上取得新成果[61]。文獻(xiàn)[62]提出以地理空間認(rèn)知為核心構(gòu)建地圖學(xué)的新體系，將傳統(tǒng)的以心理學(xué)為基礎(chǔ)的地圖認(rèn)知實驗手段，例如問卷調(diào)查、量表設(shè)計和傳輸跟蹤等方法，推進(jìn)到以神經(jīng)科學(xué)為基礎(chǔ)的動態(tài)、交互、實時為特征的多維空間認(rèn)知研究上去。文獻(xiàn)[63]多維空間數(shù)據(jù)處理與建模研究，特別是在空間分析和知識體系的構(gòu)建方面取得重要進(jìn)展。

有很多學(xué)科利用地圖表達(dá)其研究成果，或以地圖為工具利用地圖空間視覺特點(diǎn)探索發(fā)現(xiàn)本學(xué)科的若干規(guī)律，歷史上有很多精彩的實例，當(dāng)今更是熱門的途徑。由于文化和知識背景的差異，不同領(lǐng)域?qū)σ缘貓D為工具的認(rèn)識深度和技術(shù)能力有一定的區(qū)別，但近年來已有很大的提高，例如人文藝術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)關(guān)注到地圖學(xué)研究。文獻(xiàn)[64—65]提出，“長期依賴主流的地圖學(xué)界把地圖制作看作是以數(shù)學(xué)定量方式‘再現(xiàn)’地理的一個科學(xué)過程，這一理論近年來日益遭到當(dāng)代學(xué)者的質(zhì)疑和批評”，其認(rèn)為地圖并不是單純地反映現(xiàn)實世界，而是一種文化構(gòu)建，即“在地圖上不僅能表示權(quán)力、責(zé)任和情感以及那些主觀的東西，而且還可以呈現(xiàn)出一個知識生成、傳遞和演變的客觀過程”[68]。這應(yīng)該是從藝術(shù)的角度探索地圖在文化空間的表現(xiàn)，主動地延伸到地圖學(xué)領(lǐng)域，并論述了地圖的本質(zhì)特征。文獻(xiàn)[67]在研究英國文藝復(fù)興時期英國文學(xué)基礎(chǔ)上出版了《文學(xué)地圖學(xué)》，從空間概念的研究中引發(fā)了對地圖學(xué)的興趣。認(rèn)為“作為一種世界重要隱喻系統(tǒng)的地圖，不僅凸顯了復(fù)雜的空間組織關(guān)系、資源分布狀況和宇宙圖景，同時也成為抽象概念和心理模型的代名詞，為組織、規(guī)劃、知識和藝術(shù)提供了基本的描摹圖示和評判標(biāo)準(zhǔn)”。從文學(xué)創(chuàng)作的視角分析了文學(xué)作品與地圖的內(nèi)在聯(lián)系，提出了“文學(xué)地圖學(xué)”的概念。作者還使用ArcGIS軟件生成了關(guān)于莎士比亞作品的地圖。在該書中特別提到，認(rèn)知科學(xué)對文學(xué)地圖的重要支撐作用，地圖和文學(xué)都遵循隱喻的藝術(shù)邏輯，依靠交互的空間敘事創(chuàng)造出特殊的空間語法，得以超越普通社會空間的限制。此外，在社會學(xué)、中國古代繪畫史、輿情空間與社會心理學(xué)諸方面都有學(xué)者對地圖學(xué)的深入關(guān)注和評論[68-70]。

國外學(xué)者對地圖學(xué)前景的關(guān)注和國內(nèi)相似，因為都遇到了同樣的問題。曾任ICA主席的加拿大學(xué)者泰勒教授從1991年開始就組織團(tuán)隊致力于多維動態(tài)空間地圖表達(dá)的研究，特別是借助社會科學(xué)和人文科學(xué)的方法，于1997年的ICA年會上提出cyber cartography的概念，研制了以“cyber cartography atlas”為代表的語言制圖(language mapping)系統(tǒng)[71]，在北美地圖學(xué)界有一定影響，但也沒有得到普遍的認(rèn)可，因為賽博空間的描述和定義仍在討論中。文獻(xiàn)[72]分析了地圖學(xué)的歷史、當(dāng)前的危機(jī)和今后的走向，代表了歐洲學(xué)者對地圖學(xué)發(fā)展的認(rèn)識。在一定程度上，提出以地理信息科學(xué)(GIScience)作為主體，將地圖學(xué)、地理學(xué)、地理信息系統(tǒng)、攝影測量學(xué)、遙感和大地測量作為6個支撐學(xué)科。但是，這個認(rèn)識偏于保守，仍然沒有在地圖學(xué)中給社會人文科學(xué)的介入留有余地，只在地理學(xué)中列出了傳統(tǒng)地圖學(xué)所需要的自然、人文、區(qū)域等地理知識。

可以發(fā)現(xiàn)，人文社會領(lǐng)域的專家已經(jīng)主動地涉足地圖學(xué)，并從另一個視角詮釋了地圖學(xué)的時/空理論，這不但說明地圖表達(dá)空間事物的能力已被更多學(xué)者所認(rèn)可，并反過來強(qiáng)化和完善了地圖學(xué)空間認(rèn)知的理論與方法，頗有殊途同歸的感覺。因此，新地圖學(xué)的主體必須為這個逐漸擴(kuò)展的空間提供地圖學(xué)基礎(chǔ)理論和方法的支持，以適應(yīng)他們的需要。歸納起來，新地圖學(xué)的理論與方法至少包括以下內(nèi)容：

(1) 空間認(rèn)知的原理。認(rèn)知科學(xué)使我們知道地圖是大腦定位本能的模擬和物化，是人創(chuàng)造的了解生存環(huán)境的工具，有助于人們空間意識的傳遞，有助于創(chuàng)造性思維的迸發(fā)。

(2) 空間數(shù)據(jù)的獲取、處理和建模。這一部分是新地圖學(xué)功能的體現(xiàn)，改變過去制圖者只會以地圖和統(tǒng)計資料為依托生產(chǎn)地圖的模式。從傳統(tǒng)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)到大數(shù)據(jù)的處理，再到基于語義本體(重新分類)建立知識空間數(shù)據(jù)庫為知識地圖的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也應(yīng)包括空間基準(zhǔn)建立和地圖投影變換的基礎(chǔ)知識。

(3) 符號化或稱圖示化。這是地圖學(xué)傳統(tǒng)方法的精華，是通過人的視覺讀懂地圖的關(guān)鍵。現(xiàn)代地圖特別是動態(tài)電子地圖的“圖示化”已有更多的選擇，符號本身不但體現(xiàn)多維和趨勢特征，并有更多的聯(lián)想、隱喻和形成抽象概念的作用。這是一個從數(shù)據(jù)到知識的圖化(cartogracy)過程。以何種樣式，是平面(紙質(zhì)或平面)還是多維動態(tài)地圖，還是可進(jìn)入和可交互的地圖，都依用圖者的需要和制圖者的業(yè)務(wù)水平而定，不拘泥于固定的模式。如果“地圖”是為“可控機(jī)器人”服務(wù)的，還有一套“非視覺”的定位算法和裝置，這是否歸于地圖一類，尚有很大的爭論。

(4) 可視化及相關(guān)技術(shù)。這里的可視化不是字典上所說的形象化，它有特定的含義，主要指針對哪些“不可見空間”，如抽象空間、網(wǎng)絡(luò)空間、賽博空間的事物、現(xiàn)象或規(guī)律，通過轉(zhuǎn)換或映射的方法變成幾何空間的可視圖象，讓讀者通過視覺來加強(qiáng)理解。前面已講過，此處不再重述。

以上4點(diǎn)并不能代表新地圖學(xué)作為學(xué)科的構(gòu)成體系，僅作為一個學(xué)科的代表性，即組成基礎(chǔ)教材的重點(diǎn)內(nèi)容。其他如地圖學(xué)史、數(shù)字地圖編輯與設(shè)計、圖像藝術(shù)和地圖美學(xué)等相關(guān)的課程和知識，則可依培養(yǎng)目標(biāo)而適當(dāng)設(shè)置。

新地圖學(xué)的跨學(xué)科特點(diǎn)必然引起學(xué)科歸屬的問題。過去，我國的地圖學(xué)曾在“測繪科學(xué)與技術(shù)”和“地理學(xué)”兩個一級學(xué)科中作為二級學(xué)科存在，前者為國家行政管理、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全提供地圖資源保障做出了重大貢獻(xiàn)，后者為我國地理學(xué)與地球科學(xué)的研究工作提供了重要的方法學(xué)支持和表達(dá)研究成果的重要方式。

新地圖學(xué)擴(kuò)大了服務(wù)領(lǐng)域，跨學(xué)科的特點(diǎn)日益明顯，而現(xiàn)有的學(xué)科劃分和管理體系與學(xué)科專業(yè)的科學(xué)內(nèi)涵和服務(wù)領(lǐng)域之間已出現(xiàn)了一定的矛盾。2021年初，國務(wù)院學(xué)位委員會和教育部發(fā)出通知，設(shè)立“交叉學(xué)科”門類(全國第十四個學(xué)科門類)，以適應(yīng)新形勢下科學(xué)、教育和人才培養(yǎng)需要。交叉學(xué)科門類的設(shè)置，實際上是學(xué)科改革重組的信號，因為幾乎所有新的前沿學(xué)科都是跨學(xué)科的，是本學(xué)科交叉的新生長點(diǎn)。地圖學(xué)與當(dāng)前紅火的“圖形學(xué)”(computer graphics)結(jié)合，開辟一個“新世界”進(jìn)入交叉學(xué)科，也是地圖學(xué)發(fā)展中的一個思考，并由不少專家給予支持(5)2019年的“圖靈獎”就頒給了25年前《玩具總動員》動畫片的設(shè)計者E. Camull, P. Haneahan，認(rèn)為他們對現(xiàn)代圖形學(xué)的概念、算法、軟件和硬件做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)(科技日報，2020-03-26)。。隨著社會從信息時代進(jìn)入知識時代，以探索和表達(dá)多維空間為目標(biāo)的新地圖學(xué)也可以納入“空間科學(xué)”體系，但空間科學(xué)到現(xiàn)在也還沒有一個門類歸宿。這次很可能進(jìn)入交叉學(xué)科門類。如果新地圖學(xué)發(fā)展為獨(dú)立的一級學(xué)科納入交叉學(xué)科門類，尚待更多的理論、實踐的積累和更大的體量，還要看社會發(fā)展和學(xué)科改革的態(tài)勢。目前仍以測繪和地理兩大學(xué)科為依托，做好跨界服務(wù)的工作，做出突出的成果，如果趕上大調(diào)整的時機(jī)，進(jìn)入跨學(xué)科門類的以及學(xué)科也是有可能和可期待的目標(biāo)。

最后，談?wù)劦貓D學(xué)培養(yǎng)模式的問題。從當(dāng)前逐步進(jìn)入知識社會的趨勢來看，中專教育逐漸會淡出教育體系，因為即使是第一線的操作手(技術(shù)工人)也要具備高等教育的水平才能勝任，高等教育逐步成為國民的基礎(chǔ)教育，彼時教育系統(tǒng)大體上將分為成長教育(學(xué)歷教育)和在職教育(終身教育)兩大類。新地圖學(xué)應(yīng)為這兩類工作者提供不同內(nèi)容的服務(wù)。以Kenneth Field編著的《Cartography》[73]為例，這不是一本系統(tǒng)性很強(qiáng)的教科書，而是用手冊的形式按百科全書的體例來編寫，既適應(yīng)了非地圖專業(yè)，且具有一定文化科技知識水平的制圖者的需要，又不必糾纏于地圖學(xué)中爭議較大的理論問題。全書選擇了10個專題，分為243個條目，每條解譯限于一頁，對頁配以地圖或圖表(cartogram)以加強(qiáng)理解，并選用25幅作者認(rèn)為的經(jīng)典地圖作為實例，穿插于條目之中。10個專題的選擇很有代表性，例如視覺文法(visual grammar)、構(gòu)圖(composition)等，概括了當(dāng)前地圖學(xué)的理論和方法的主題，隱喻當(dāng)前地圖學(xué)的發(fā)展趨勢。這是適應(yīng)當(dāng)前兩種地圖學(xué)培養(yǎng)范式需求的一本著作。雖然有不足之處，但很有新意。逐漸成熟了的線上授課和視頻交互教學(xué)的方式必然要求地圖學(xué)的教材選題和教學(xué)方法做出相應(yīng)的改革。這次全球新冠肺炎疫情的持續(xù)更促進(jìn)了這種虛擬空間交流方式的普及。視頻教育也將是今后職業(yè)培訓(xùn)和終身教育的一種重要方式。文獻(xiàn)[73]的選題、結(jié)構(gòu)和該書的出版背景，都預(yù)示了這種需求已擺上了日程。

以上談及的有關(guān)空間認(rèn)知與地圖學(xué)的五個問題，只是筆者學(xué)習(xí)中的一點(diǎn)體會，僅供地圖學(xué)者和地圖愛好者批閱，并十分愿意與同行們切磋討論。