地理空間認(rèn)知理論與地圖工具的發(fā)展

鄭束蕾

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001

長(zhǎng)久以來(lái)，人們對(duì)于自身活動(dòng)的環(huán)境和空間一直保持著蓬勃的好奇心，從未停止過(guò)探索的腳步。人類了解和操縱環(huán)境的心智能力也叫空間認(rèn)知能力(spatial-cognitive ability)。對(duì)環(huán)境的認(rèn)知，主要指心理表征(認(rèn)知繪圖能力)和在環(huán)境中找路，主體是地理空間認(rèn)知[1]。地圖作為人類空間認(rèn)知和空間思維的重要工具，將空間認(rèn)知的結(jié)果進(jìn)行固化和抽象[2]，從而完成地理信息的視覺(jué)表達(dá)和信息傳遞，為人們了解城市格局、制定旅行路線、打車出行或自駕導(dǎo)航等地理空間活動(dòng)提供輔助決策[3-4]。近年來(lái)，機(jī)器制圖、智能駕駛、無(wú)人投送等人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，既涉及地理學(xué)、地圖學(xué)，又涉及腦神經(jīng)科學(xué)、生物傳感，還涉及計(jì)算機(jī)、紅外與信息技術(shù)等，凸顯了對(duì)地理空間認(rèn)知的急迫需求。認(rèn)知心理學(xué)為地理空間認(rèn)知研究提供了理論依據(jù)，人工智能技術(shù)為地理空間認(rèn)知提供了高效計(jì)算方法，生物信息技術(shù)為地理空間認(rèn)知提供了自然交互手段，共同促使其在沉寂了一段時(shí)間后再次得到關(guān)注，并且具有鮮明的時(shí)代特征。然而，受學(xué)科沿襲、專業(yè)方向、研究角度等原因影響，學(xué)術(shù)界對(duì)“空間認(rèn)知”這一基本概念的理解不盡相同，分化出基于腦神經(jīng)機(jī)制的空間認(rèn)知機(jī)理和基于傳感器量測(cè)技術(shù)的認(rèn)知空間擴(kuò)展兩種趨勢(shì)，這是由空間認(rèn)知的學(xué)科交叉本質(zhì)特性[5]所決定的。本文主要思考和解決以下問(wèn)題：①地理空間認(rèn)知從哪里來(lái)？在當(dāng)今時(shí)代有哪些發(fā)展變化，要到哪里去？②地理空間認(rèn)知和認(rèn)知地理空間是不是同一回事，這里的認(rèn)知是名詞還是動(dòng)詞？地理空間認(rèn)知是腦科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)的應(yīng)用，還是測(cè)繪技術(shù)的延伸？③地圖在其中扮演著什么角色，即將隨時(shí)代進(jìn)步而消亡，還是從傳統(tǒng)測(cè)繪中解放出來(lái)？④究竟是讓機(jī)器代替人，還是以機(jī)器和技術(shù)輔助人，地理空間認(rèn)知的主體究竟是誰(shuí)？

為此，本文將從地理空間認(rèn)知的緣起與現(xiàn)狀、理論及發(fā)展、地圖工具的作用及研究方法、新時(shí)期發(fā)展方向及特點(diǎn)等幾方面進(jìn)行闡述。

1 地理空間認(rèn)知的緣起與現(xiàn)狀

1.1 空間認(rèn)知的心理學(xué)起源

認(rèn)知科學(xué)誕生于20世紀(jì)50、60年代的“認(rèn)知革命”，脫胎于認(rèn)知心理學(xué)，一般認(rèn)為有6個(gè)主要學(xué)科來(lái)源[6-7]：哲學(xué)、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、人類學(xué)、神經(jīng)科學(xué)，但忽略了圖形科學(xué)對(duì)認(rèn)知科學(xué)的貢獻(xiàn)，以及地圖對(duì)于空間認(rèn)知的重要作用。圖1為修改后的認(rèn)知科學(xué)六邊形(原“認(rèn)知科學(xué)六邊形”[6-7]中忽略了“圖形科學(xué)”對(duì)認(rèn)知科學(xué)的貢獻(xiàn)，以及地圖對(duì)于空間認(rèn)知的重要作用，圖1將“圖形科學(xué)”補(bǔ)充至“語(yǔ)言學(xué)”一角。)。第一代認(rèn)知科學(xué)以符號(hào)加工和聯(lián)結(jié)主義的并行加工為主要研究策略。20世紀(jì)80年代，心理學(xué)家對(duì)“情境性”與“具身性”空前關(guān)注，提出了“具身認(rèn)知”的概念，強(qiáng)調(diào)“生態(tài)效度”[8-10]。第二代認(rèn)知科學(xué)從控制試驗(yàn)轉(zhuǎn)向情境分析，從個(gè)體加工機(jī)制的探討轉(zhuǎn)向社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)的分析，從靜態(tài)表征轉(zhuǎn)向認(rèn)知?jiǎng)恿W(xué)分析。認(rèn)知科學(xué)與生俱來(lái)的學(xué)科交叉特性，第二階段向情境性、具身性、動(dòng)力性的范式轉(zhuǎn)向[8]，以及在人工智能領(lǐng)域的根源貢獻(xiàn)，為地理空間認(rèn)知提供了理論基礎(chǔ)。心理學(xué)中的文字閱讀習(xí)慣[11]、虛擬社交行為[12]、面孔關(guān)注偏好、智能駕駛注意力分配等研究，涉及社交空間、面孔空間、駕駛空間、建筑空間、藝術(shù)空間等多種空間類型，為地理空間認(rèn)知研究提供了技術(shù)借鑒[13-14]。

圖1 修改后的認(rèn)知科學(xué)六邊形Fig.1 The revised cognition hexagon model

1.2 地理空間認(rèn)知的研究現(xiàn)狀

心理學(xué)與地理學(xué)中的空間認(rèn)知研究，在研究目的和地圖作用等方面都有所不同。例如，心理學(xué)研究常常從實(shí)驗(yàn)心理學(xué)、工程心理學(xué)、人因工程及用戶體驗(yàn)等角度出發(fā)，僅把地圖作為試驗(yàn)測(cè)試模型和一般的圖片素材；而地理學(xué)研究想要了解地理環(huán)境的認(rèn)知特點(diǎn)，指導(dǎo)地圖可視化設(shè)計(jì)，提高地理信息可用性及傳輸效率[3,5]，更加關(guān)注與位置相關(guān)的空間關(guān)系的理解、辨識(shí)、記憶、決策等認(rèn)知結(jié)果。由于選題艱澀、試驗(yàn)困難、成果周期長(zhǎng)、工程效益弱等困難，地理空間認(rèn)知研究在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)成為冷板凳，研究隊(duì)伍斷層，難有理論突破。但最近，人工智能的技術(shù)進(jìn)步大大超越了理論研究的步伐，各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法、模型、技術(shù)的自發(fā)無(wú)序的發(fā)展遭遇了嚴(yán)重瓶頸，人類智能和認(rèn)知機(jī)制成為不可回避的問(wèn)題。特別是智能駕駛遭遇的倫理選擇之難，暴露了缺少認(rèn)知思維的弊端。在技術(shù)應(yīng)用的折戟倒逼下，地理空間認(rèn)知研究重新活躍起來(lái)。

地理學(xué)者紛紛關(guān)注地理空間認(rèn)知領(lǐng)域，呼吁解決認(rèn)知理論研究滯后于技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題[13]。文獻(xiàn)[15]指出了地圖與空間認(rèn)知的關(guān)系。文獻(xiàn)[16]認(rèn)為，空間認(rèn)知研究改進(jìn)了用戶界面設(shè)計(jì)、深化了人類對(duì)環(huán)境的思考和理解，基于位置科學(xué)的空間認(rèn)知是十分活躍的研究領(lǐng)域。文獻(xiàn)[17—18]關(guān)注了智能制圖、知識(shí)制圖與時(shí)空大數(shù)據(jù)中的基礎(chǔ)認(rèn)知問(wèn)題，闡述了人腦地圖空間認(rèn)知與人-機(jī)融合空間認(rèn)知的區(qū)別與聯(lián)系。文獻(xiàn)[19]強(qiáng)調(diào)了室內(nèi)增強(qiáng)環(huán)境空間認(rèn)知及人機(jī)協(xié)同問(wèn)題。文獻(xiàn)[20—22]關(guān)注了智慧城市多視角認(rèn)知，呼吁在“泛地圖學(xué)”時(shí)代要加強(qiáng)“三元空間”基礎(chǔ)理論研究。文獻(xiàn)[23]類比傳統(tǒng)GIS的發(fā)展，提出虛擬地理空間及人文社會(huì)空間中的認(rèn)知問(wèn)題。文獻(xiàn)[24]從地圖信息論的角度，討論了地圖傳輸空間信息的核心功能及主觀認(rèn)知感受。文獻(xiàn)[25—28]分別對(duì)用戶的地圖專業(yè)背景、性別及地理環(huán)境表達(dá)形式等造成的空間認(rèn)知差異進(jìn)行了眼動(dòng)試驗(yàn)系列研究，并對(duì)當(dāng)代眼動(dòng)試驗(yàn)地理應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)[29—33]對(duì)心象地圖及空間認(rèn)知基礎(chǔ)理論[29-30]、個(gè)性化地圖眼動(dòng)試驗(yàn)[31-32]、自適應(yīng)制圖技術(shù)[33]等進(jìn)行了系列研究。文獻(xiàn)[34—35]對(duì)游戲地圖中的空間認(rèn)知問(wèn)題及三維空間認(rèn)知差異進(jìn)行了探索。文獻(xiàn)[36]基于智慧空間系統(tǒng)的認(rèn)知科學(xué)特征，提出了空間信息的自然語(yǔ)言表達(dá)模型，探討了學(xué)科交叉融合趨勢(shì)。文獻(xiàn)[37]采用認(rèn)知試驗(yàn)的方法,研究了路徑認(rèn)知與自然語(yǔ)言表達(dá)所涉及的空間關(guān)系。文獻(xiàn)[38]從制圖綜合的角度，研究了地圖認(rèn)知表達(dá)的抽象性與具象性。文獻(xiàn)[39]關(guān)注了應(yīng)急救援室內(nèi)地圖的空間認(rèn)知基礎(chǔ)及過(guò)程。文獻(xiàn)[40]從移動(dòng)地圖認(rèn)知需要入手，提出了POI動(dòng)態(tài)綜合算法。文獻(xiàn)[41]提出了虛擬地理環(huán)境的認(rèn)知研究框架。

各大高校和研究機(jī)構(gòu)紛紛依托傳統(tǒng)的地球科學(xué)、地理信息科學(xué)、地圖學(xué)、GIS、地理大數(shù)據(jù)等專業(yè)，設(shè)立空間認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室和研究院(所)，開展國(guó)際合作。如北京師范大學(xué)-慕尼黑工業(yè)大學(xué)聯(lián)合成立了地理空間認(rèn)知與可視分析研究中心，重點(diǎn)研究空間認(rèn)知理論及試驗(yàn)驗(yàn)證；武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和遙感信息工程學(xué)院聯(lián)合成立空間智能研究所，致力于空間大數(shù)據(jù)智能處理方法；鄭州大學(xué)成立了空間認(rèn)知研究室和認(rèn)知工效學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，提出新地圖學(xué)學(xué)科體系。

近年來(lái)，各類國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)組織中的相關(guān)委員會(huì)，也積極組織空間認(rèn)知相關(guān)的專題會(huì)議，如第29屆國(guó)際地圖制圖大會(huì)、第28屆國(guó)際地理信息學(xué)會(huì)議-國(guó)際華人地理信息科學(xué)協(xié)會(huì)年會(huì)、2018—2021年中國(guó)地理信息科學(xué)理論與方法學(xué)術(shù)年會(huì)、第3—6屆全國(guó)地圖學(xué)理論與方法研討會(huì)、第1屆地圖與空間認(rèn)知會(huì)議、第4—5期地理信息科學(xué)論壇分別設(shè)置了“Cartography in mind”、“Spatial cognition in the mobile information era”、“空間認(rèn)知與空間推理”、“人腦地圖空間認(rèn)知與人機(jī)融合多模式時(shí)空認(rèn)知”、“地圖空間認(rèn)知理論與方法”、“空間認(rèn)知與地圖可視化”、“空間認(rèn)知與地理智能”、“GeoAI地理空間智能”等專題。

2 地理空間認(rèn)知理論及分化

2.1 地理空間認(rèn)知的經(jīng)典理論模型

隨著數(shù)字地圖技術(shù)、時(shí)空大數(shù)據(jù)技術(shù)、信息通信技術(shù)等的發(fā)展，地理空間認(rèn)知理論模型也在不斷豐富和創(chuàng)新。下面對(duì)幾種經(jīng)典的地理空間認(rèn)知理論模型進(jìn)行介紹。

2.1.1 地圖空間信息傳輸模型

在地理空間認(rèn)知領(lǐng)域，文獻(xiàn)[42]提出了地圖空間信息傳輸模型，詳細(xì)描述了地圖信息傳輸?shù)穆窂?，地圖在空間認(rèn)知中的核心作用，以及地圖制圖者與用圖者在空間認(rèn)知理解上的影響因素。該地圖信息傳輸模型是第一個(gè)地圖空間認(rèn)知模型，對(duì)于后來(lái)地理空間認(rèn)知的理論發(fā)展具有重要意義[24]。

2.1.2 地圖學(xué)三角形到地圖學(xué)四面體模型

文獻(xiàn)[5，43—45]認(rèn)為，從地圖學(xué)角度來(lái)定義空間認(rèn)知，是人們認(rèn)識(shí)自己賴以生存的環(huán)境，包括其中的諸事物、現(xiàn)象的相關(guān)位置、依存關(guān)系以及它們的變化和規(guī)律?？臻g認(rèn)知是人們對(duì)出現(xiàn)于周圍環(huán)境中的各種事物和現(xiàn)象的存在、變化方式以及它們的相關(guān)位置的認(rèn)識(shí)過(guò)程和能力；是對(duì)事物和現(xiàn)象的發(fā)生、影響、因果進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)；是聯(lián)系地而不是孤立地，發(fā)展地而不固定地看待事物和現(xiàn)象的前提。由地圖學(xué)三角形到地圖學(xué)四面體的轉(zhuǎn)化，為現(xiàn)代地圖學(xué)增加了數(shù)字地圖—地圖，數(shù)字地圖—實(shí)地，數(shù)字地圖—讀者3個(gè)關(guān)系，標(biāo)志著地圖空間認(rèn)知理論與地圖制圖技術(shù)的發(fā)展，反映了信息時(shí)代地圖學(xué)的變革(如圖2所示)。文獻(xiàn)[15]繼續(xù)關(guān)注人-機(jī)-環(huán)境研究，提出了放飛地圖的空間認(rèn)知新思想。

圖2 地圖學(xué)三角形向地圖學(xué)四面體模型轉(zhuǎn)化[45]Fig.2 Cartographic triangle and tetrahedron model[45]

2.1.3 多模式時(shí)空綜合認(rèn)知模型

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，空間認(rèn)知就是研究空間信息處理的過(guò)程，或者說(shuō)是研究人們?cè)鯓诱J(rèn)識(shí)自己賴以生存的環(huán)境，包括構(gòu)成環(huán)境的諸事物、現(xiàn)象的相關(guān)位置、空間分布、依存關(guān)系，以及它們隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)演化規(guī)律?；趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)由“現(xiàn)實(shí)的地理世界”到“感知的地理世界”(包括感知、表象、記憶、思維等一系列過(guò)程)、“重構(gòu)的地理世界”、再到“認(rèn)知的地理世界”的空間認(rèn)知概念模型(如圖3所示)，為大數(shù)據(jù)時(shí)代的知識(shí)制圖、智能制圖奠定了理論依據(jù)[17，46]。時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，使地圖空間認(rèn)知模型向多模式時(shí)空綜合認(rèn)知模型轉(zhuǎn)移。

圖3 智能制圖空間認(rèn)知模型[46]Fig.3 The spatial cognitive model faced to the smart mapping[46]

2.1.4 泛地圖理論模型

文獻(xiàn)[20—22]認(rèn)為，信息與通信技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)人類進(jìn)入地理空間、人文社會(huì)空間和信息空間相融合的三元空間。地圖制圖的目的、人員、對(duì)象和環(huán)境等均發(fā)生巨大變化，地圖的類型、空間對(duì)象、表達(dá)維度、地圖角色等呈現(xiàn)出顯著泛化特征，現(xiàn)有地圖學(xué)理論無(wú)法引領(lǐng)和指導(dǎo)當(dāng)代的地圖實(shí)踐，地圖學(xué)理論亟待“突圍”。文獻(xiàn)[20]提出ICT(information and communication technology，ICT)時(shí)代泛地圖理論，如圖4所示，辨析三元空間對(duì)象的結(jié)構(gòu)關(guān)系和抽象模式，構(gòu)建泛地圖對(duì)象空間理論；解析泛地圖表達(dá)維度空間，建立泛地圖表達(dá)維度譜系；挖掘泛地圖表達(dá)機(jī)制與方法，揭示各類三元空間對(duì)象的有效性規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)三元空間的泛地圖的優(yōu)化表達(dá)。

圖4 ICT時(shí)代的泛地圖理論模型[20]Fig.4 The extensive map model in ICT era[20]

以上理論模型分別在地理空間認(rèn)知的信息傳輸、關(guān)系結(jié)構(gòu)、腦神經(jīng)基礎(chǔ)、智能化表達(dá)等方面具有深遠(yuǎn)的意義，為當(dāng)今智能化的地理空間認(rèn)知打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2.2 地理空間認(rèn)知與認(rèn)知地理空間

隨著理論與技術(shù)的發(fā)展，地理空間認(rèn)知的相關(guān)研究也出現(xiàn)了分化。一般而言，地理空間認(rèn)知，指的是基于認(rèn)知心理學(xué)中腦科學(xué)和神經(jīng)機(jī)制研究，深入理解、剖析、解譯人類大腦的空間認(rèn)知能力，主要研究人類生而具有、世代傳承、優(yōu)勝劣汰、與時(shí)俱進(jìn)的空間本能及其進(jìn)化能力，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查與生物信息技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和量化分析，通過(guò)人工智能技術(shù)得以強(qiáng)化和延伸，地圖在其中承載了空間認(rèn)知和空間思維重要工具的作用。

當(dāng)前地理學(xué)界還有另一類認(rèn)知地理空間的研究，重點(diǎn)是空間探測(cè)能力的提升及測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步。這類研究主要借助智能數(shù)字探測(cè)技術(shù)，豐富創(chuàng)新測(cè)量手段，拓展人類認(rèn)識(shí)的空間范圍，涉及太空、地下、室內(nèi)、室外等多種空間類型。它以對(duì)地觀測(cè)與導(dǎo)航技術(shù)、深空探測(cè)與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、遙感數(shù)據(jù)星地協(xié)同技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實(shí)時(shí)多源異構(gòu)傳感技術(shù)、實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航技術(shù)、泛在互聯(lián)與位置服務(wù)技術(shù)、時(shí)空大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)、云服務(wù)支撐的社會(huì)計(jì)算技術(shù)、智能感知定位與移動(dòng)測(cè)量技術(shù)等為基礎(chǔ)，通過(guò)各種測(cè)繪技術(shù)豐富、拓展、改造人類的認(rèn)識(shí)能夠到達(dá)的空間范圍，注重利用傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)建立和維護(hù)“全息”、“全空間”的時(shí)空數(shù)字地球?qū)\生體，但目前還處于感知地理空間的技術(shù)層次，地圖在其中充當(dāng)了測(cè)量結(jié)果的可視化手段或定位操作技術(shù)平臺(tái)的角色。文獻(xiàn)[47]提出智慧GIS應(yīng)用的“四個(gè)腦”，關(guān)注了智能駕駛和移動(dòng)測(cè)量實(shí)時(shí)感知問(wèn)題。文獻(xiàn)[48]認(rèn)為，在“人機(jī)協(xié)同”到“人機(jī)合一”的交互過(guò)程中，人與環(huán)境關(guān)系的感知、認(rèn)知和相應(yīng)服務(wù)成了泛在測(cè)繪的重點(diǎn)特色要素。文獻(xiàn)[17，46]關(guān)注了時(shí)空大數(shù)據(jù)中GIS數(shù)據(jù)與行業(yè)數(shù)據(jù)的集成方法。文獻(xiàn)[49]提出了全空間信息系統(tǒng)的概念，將GIS的空間尺度擴(kuò)展到了微觀和宏觀空間。文獻(xiàn)[50]從地理空間視角提出區(qū)域綜合評(píng)估方法與示范。文獻(xiàn)[51]關(guān)注了基于地理大數(shù)據(jù)的城市空間感知及空間規(guī)劃等領(lǐng)域應(yīng)用。

前者是對(duì)空間認(rèn)知機(jī)理的研究，重點(diǎn)是以生理學(xué)、心理學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)人腦空間信息加工過(guò)程和規(guī)律進(jìn)行分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，其中的“認(rèn)知”是名詞；后者是對(duì)空間認(rèn)知技術(shù)的應(yīng)用，重點(diǎn)是如何利用測(cè)繪技術(shù)方法更精、更遠(yuǎn)、更廣地認(rèn)識(shí)人類生存空間，其中的“認(rèn)知”是動(dòng)詞。兩者正如地圖與GIS一樣，有所區(qū)別又緊密聯(lián)系。本文主要討論的是前者。

3 地理空間認(rèn)知的重要工具——地圖

3.1 地圖的雙向空間認(rèn)知作用

空間認(rèn)知是地圖的主線。地圖是空間認(rèn)知和空間思維的工具[2]，也是國(guó)際上3大通用語(yǔ)言(音樂(lè)、繪畫、地圖)之一[52]。是跨越時(shí)間和空間、自然和人文，綜合運(yùn)用地理學(xué)、測(cè)繪學(xué)、信息技術(shù)、認(rèn)知科學(xué)、人工智能等幾大科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)[45]，科學(xué)表達(dá)復(fù)雜非線性地理世界空間結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系的偉大創(chuàng)造[17]，具有普適性和頑強(qiáng)的生命力?？臻g認(rèn)知是地圖學(xué)與認(rèn)知科學(xué)(認(rèn)知心理學(xué))的碰撞[5]。把認(rèn)知科學(xué)的方法引入地圖學(xué)研究主要有兩個(gè)目的：①弄清地圖是人類認(rèn)知空間環(huán)境的結(jié)果，又是依據(jù)的信息加工機(jī)制；②弄清地圖設(shè)計(jì)制作的思維過(guò)程并設(shè)法描述它們[5]。

周圍環(huán)境既包括實(shí)體地理環(huán)境，也包括增強(qiáng)環(huán)境、虛擬環(huán)境、混合環(huán)境、孿生環(huán)境等新的環(huán)境類型，它們共同構(gòu)成空間認(rèn)知的基礎(chǔ)情境；作為研究對(duì)象的各種事物和現(xiàn)象，既包括人類主體對(duì)自身存在的認(rèn)識(shí)(具身認(rèn)知[53])，對(duì)周邊事物、現(xiàn)象的實(shí)際地理位置、發(fā)展變化規(guī)律等的理解，也包括人類對(duì)虛擬環(huán)境中各種實(shí)體對(duì)象的推理分析，還包括作為人類化身的機(jī)器智能對(duì)借助傳感器所感知環(huán)境的人稱選擇、視角變換、位置預(yù)判、模型構(gòu)建、知識(shí)推理等的智能計(jì)算，如SLAM；認(rèn)識(shí)過(guò)程和能力隨著腦科學(xué)技術(shù)、認(rèn)知心理學(xué)試驗(yàn)方法、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)、人工智能技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)等的進(jìn)步得以增強(qiáng)和拓展。它們的相關(guān)位置、依存關(guān)系以及變化和規(guī)律都呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，比如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中各類虛實(shí)地物的相對(duì)位置隨視角變換而實(shí)時(shí)構(gòu)建，又如智能駕駛中的認(rèn)知主體可以是人、機(jī)或者二者的協(xié)同，人-機(jī)-環(huán)境呈現(xiàn)出一種新型的依存關(guān)系。

人類借由地圖重構(gòu)復(fù)雜非線性地理世界，實(shí)現(xiàn)由“地理世界”到“地圖世界”的轉(zhuǎn)變；利用地圖進(jìn)一步認(rèn)識(shí)復(fù)雜非線性地理世界，實(shí)現(xiàn)由“地圖世界”到“地理世界”的轉(zhuǎn)變。這種指導(dǎo)行動(dòng)并反饋信息的“雙向”轉(zhuǎn)變的認(rèn)知模式，反映了地圖哲學(xué)思維[17]。

3.2 地圖空間認(rèn)知的研究方法

認(rèn)知心理學(xué)為地理學(xué)提供了理論依據(jù)、技術(shù)手段和試驗(yàn)方法[28-29,54]。如基于刺激-反應(yīng)(S-R)模型的地圖設(shè)計(jì)感受心物學(xué)試驗(yàn)[29]，地圖符號(hào)“視覺(jué)變量”中格式塔心理學(xué)的應(yīng)用，基于視覺(jué)認(rèn)知負(fù)荷的制圖綜合信息載負(fù)量計(jì)算[55]等。近年來(lái)，心理學(xué)對(duì)地理空間認(rèn)知研究方法最有力的支持來(lái)自于以下方面[13]：

(1) 腦神經(jīng)機(jī)制的研究。文獻(xiàn)[56]提出了大腦海馬體內(nèi)存在著位置細(xì)胞。文獻(xiàn)[57]發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生坐標(biāo)體系的網(wǎng)格細(xì)胞。文獻(xiàn)[58]中“發(fā)現(xiàn)大腦中形成定位系統(tǒng)的細(xì)胞”的研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，定位系統(tǒng)的細(xì)胞被稱為“腦內(nèi)GPS”的定位系統(tǒng)，在細(xì)胞層次解釋了大腦位置、導(dǎo)向的生理機(jī)制，展示了較高認(rèn)知功能的細(xì)胞基礎(chǔ)。該文獻(xiàn)還提出，人們?cè)诳臻g進(jìn)行導(dǎo)航和形成情景記憶的能力依賴于可視化準(zhǔn)確地呈現(xiàn)我們的周圍環(huán)境。位置細(xì)胞、頭向細(xì)胞、邊界細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞是構(gòu)成神經(jīng)定位系統(tǒng)或者說(shuō)大腦的“全球定位系統(tǒng)”的主要單元。近期，腦科學(xué)中對(duì)于人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的研究[28]再次為地理學(xué)中的空間認(rèn)知研究提供了新的思路。

(2) 眼動(dòng)追蹤技術(shù)的研究。人們?nèi)粘Ｉ钪兴@取的信息有80%～90%來(lái)源于視覺(jué)通道[59-60]。眼動(dòng)追蹤技術(shù)基于眼腦一致性假說(shuō)[61]，因其客觀、直觀、不介入的優(yōu)點(diǎn)[28,31-32]，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、廣告設(shè)計(jì)、體育、交通等各個(gè)行業(yè)，通過(guò)眼動(dòng)頻率、眨眼頻率、瞳孔直徑、眼球運(yùn)動(dòng)方向等重要指標(biāo)[62-66]的定性與定量分析[67]，支持了地鐵設(shè)計(jì)(社會(huì)空間)、景區(qū)規(guī)劃(旅游空間)、運(yùn)動(dòng)搜索(運(yùn)動(dòng)空間)、公共導(dǎo)視(輿論空間)、大數(shù)據(jù)可視化(數(shù)據(jù)空間)、閱讀加工(文字空間)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)(網(wǎng)絡(luò)空間)[65]等方面的空間認(rèn)知研究。眼動(dòng)追蹤技術(shù)在地圖學(xué)中的應(yīng)用主要集中在地圖閱讀、界面交互[68]、色彩設(shè)計(jì)[69]、視覺(jué)變量[70]、語(yǔ)義傳輸[71-72]、地圖可用性[73-74]等方向[68,75-77]。文獻(xiàn)[68，78—80]分析了地圖閱讀眼動(dòng)模式和認(rèn)知效率。文獻(xiàn)[70,75—76,81—82]研究了地圖動(dòng)態(tài)視覺(jué)搜索策略。文獻(xiàn)[52，74，77，84—85]關(guān)注了小屏幕導(dǎo)航地圖和虛擬環(huán)境。國(guó)內(nèi)的地圖眼動(dòng)研究也進(jìn)展迅速，文獻(xiàn)[85]提出把眼動(dòng)研究作為主要視覺(jué)試驗(yàn)方法，探求地圖設(shè)計(jì)中讀者對(duì)地圖注意力的集中和興趣。

(3) 以眼控為主的交互研究?！罢J(rèn)知不僅僅發(fā)生在腦中，而更多的是產(chǎn)生于腦、身體及世界的動(dòng)態(tài)交互作用中”[86]。視覺(jué)搜索是獲得視覺(jué)信息行為和信息加工過(guò)程的重要手段，眼動(dòng)模式還能夠表達(dá)人的認(rèn)知需求，在獲取信息的同時(shí)發(fā)出需求指令，節(jié)省認(rèn)知帶寬，減輕認(rèn)知負(fù)荷[14]，為代替鍵鼠交互提供了一種新思路[87]。特別是在VR/AR/MR環(huán)境中,眼動(dòng)注視點(diǎn)渲染技術(shù)支持分層細(xì)節(jié)渲染，注視區(qū)域清晰顯示，其他區(qū)域模糊處理，減輕服務(wù)器壓力，有效地緩解了由于數(shù)據(jù)計(jì)算量大引起的配準(zhǔn)偏差和暈動(dòng)癥等問(wèn)題，使交互體驗(yàn)更加自然、流暢、人性化[88]。因此，眼動(dòng)儀廠商加緊研發(fā)輕量化眼控交互設(shè)備，百度、騰訊、蘋果、微軟等公司積極收購(gòu)或投資眼動(dòng)技術(shù)力量，促進(jìn)其應(yīng)用[89]，眼動(dòng)、腦電、手勢(shì)、語(yǔ)音等聯(lián)合傳感交互在人工智能應(yīng)用中得到了越來(lái)越多的重視。但當(dāng)前在地理信息服務(wù)中，眼動(dòng)追蹤技術(shù)仍僅僅被作為一種試驗(yàn)或評(píng)估手段[61，73-74]，交互應(yīng)用速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于移動(dòng)設(shè)備、智能駕駛、智慧家居等領(lǐng)域[90]。

4 新時(shí)期地理空間認(rèn)知的發(fā)展

4.1 地理空間認(rèn)知的3個(gè)發(fā)展方向

人工智能根源于認(rèn)知心理學(xué)，因其學(xué)科交叉性和前沿性，至今尚無(wú)統(tǒng)一的定義[91]，主要從思維、腦、身體3個(gè)方面與空間認(rèn)知相聯(lián)系：基于數(shù)理邏輯運(yùn)算的計(jì)算機(jī)符號(hào)操作，模擬人類的認(rèn)知過(guò)程來(lái)獲取知識(shí)；基于仿生學(xué)、特別是人腦模型的研究，依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其鏈接機(jī)制來(lái)開發(fā)深度學(xué)習(xí)算法；基于具身感知和行動(dòng)的研究，關(guān)注智能體與外界環(huán)境的交互建立自適應(yīng)“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)[8，86]。以上研究的目標(biāo)都是創(chuàng)造出一個(gè)可以像人類一樣具有智慧、能夠自適應(yīng)環(huán)境的智能體。但認(rèn)知的核心是智能和心理，而人工智能的核心是計(jì)算和數(shù)理。目前的人工智能仍然以計(jì)算機(jī)為中心，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)“以人為中心”的認(rèn)知，還處于有計(jì)算而無(wú)算計(jì)、有智能而無(wú)智慧、有感知而無(wú)認(rèn)知的階段[53]。這個(gè)階段的地理空間認(rèn)知研究，也可細(xì)分為語(yǔ)義計(jì)算認(rèn)知、腦科學(xué)認(rèn)知機(jī)制和具身認(rèn)知3個(gè)主要方向：

(1) 語(yǔ)義計(jì)算認(rèn)知。受符號(hào)主義學(xué)派影響，利用計(jì)算機(jī)模擬的多維虛實(shí)地圖及其符號(hào)語(yǔ)義[92]來(lái)建立各種認(rèn)知計(jì)算知識(shí)系統(tǒng)，如由個(gè)性化地圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)到自適應(yīng)地圖可視化系統(tǒng)、由專家支持系統(tǒng)到各種知識(shí)服務(wù)系統(tǒng)。目前的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何超越直覺(jué)的理解，科學(xué)準(zhǔn)確地定義這些認(rèn)知基本變量，從而建立統(tǒng)一的認(rèn)知基本單元模型[93]。語(yǔ)義計(jì)算認(rèn)知主要解決空間知識(shí)如何描述的問(wèn)題。

(2) 腦科學(xué)認(rèn)知機(jī)制。受聯(lián)結(jié)主義學(xué)派影響，以腦科學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，常因人和情境的不同導(dǎo)致認(rèn)知結(jié)果差異，可以借助認(rèn)知心理學(xué)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)探索人腦中的信息加工機(jī)制，如由認(rèn)知結(jié)果轉(zhuǎn)向更加關(guān)注認(rèn)知過(guò)程，由問(wèn)卷測(cè)試轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)的生理信息監(jiān)測(cè)，由單一的視覺(jué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向眼動(dòng)、腦電、表情等聯(lián)合實(shí)驗(yàn)結(jié)論。腦科學(xué)認(rèn)知機(jī)制主要解決空間知識(shí)怎樣存在的問(wèn)題。

(3) 具身認(rèn)知。受行為主義學(xué)派影響，借助多通道傳感器來(lái)感知態(tài)勢(shì)和智能交互，努力使計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬人類的自然交互達(dá)到自適應(yīng)環(huán)境解譯和智能空間認(rèn)知的目的[8，53]。人類所獨(dú)有的高階智慧能力只需要非常少的計(jì)算能力，例如推理，但是無(wú)意識(shí)的技能和直覺(jué)卻需要極大的運(yùn)算能力?？臻g認(rèn)知本身就是一種具身行為，是人類基于生活本能之上的探索空間的高級(jí)技能[94]。具身空間認(rèn)知主要解決空間知識(shí)如何應(yīng)用的問(wèn)題。

4.2 地圖空間認(rèn)知的發(fā)展及特點(diǎn)

地圖是地理空間認(rèn)知的核心。從歷史上看，人類空間認(rèn)知能力的進(jìn)步推動(dòng)著地圖學(xué)的歷史發(fā)展[44，52]。依據(jù)人的空間認(rèn)知的進(jìn)步來(lái)定義地圖史的階段，可以劃分為遠(yuǎn)古地圖、古代地圖、近代地圖、現(xiàn)代地圖。巖畫地圖表達(dá)了遠(yuǎn)古時(shí)期人們對(duì)生存空間的記憶；《鄭和航海圖》、《皇輿全覽圖》(1708—1718)和《清乾隆內(nèi)府輿圖》等古代地圖，表達(dá)了先祖對(duì)于航海路線和國(guó)家疆域的認(rèn)知[52，85]；實(shí)測(cè)地圖、地形圖與地圖集的出現(xiàn)，是人們運(yùn)用制圖技術(shù)思維和理解時(shí)空的體現(xiàn)；電子地圖、手機(jī)地圖、導(dǎo)航地圖、網(wǎng)絡(luò)地圖的出現(xiàn)及蓬勃發(fā)展，體現(xiàn)了數(shù)字化、信息化技術(shù)對(duì)于人類認(rèn)知空間的擴(kuò)展與思維方式的沖擊。

新時(shí)期人工智能技術(shù)引入地理空間認(rèn)知，又在語(yǔ)義計(jì)算認(rèn)知、腦科學(xué)認(rèn)知機(jī)制和具身認(rèn)知3個(gè)主要方向上，促使地圖學(xué)發(fā)生著翻天覆地的變化：機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)卷積網(wǎng)絡(luò)等算法的深入研究，刺激了機(jī)器地圖、賽博地圖、高精地圖、時(shí)空大數(shù)據(jù)分析、空天探測(cè)技術(shù)、地理信息邊緣計(jì)算及云服務(wù)等創(chuàng)新發(fā)展；人腦細(xì)胞作用及神經(jīng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的研究，使地理學(xué)與心理學(xué)的學(xué)科交叉研究更為密切，從而能夠更好地解釋以心象地圖為核心的人腦空間認(rèn)知機(jī)制；智能駕駛等新的人-機(jī)-環(huán)境具身認(rèn)知需求，促使技術(shù)創(chuàng)新來(lái)構(gòu)造更加逼真、多維、動(dòng)態(tài)、沉浸、耦合的AR、VR、MR地圖，同時(shí)召喚加速對(duì)新型空間認(rèn)知問(wèn)題的理論研究。

新時(shí)期的地圖空間認(rèn)知主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

(1) 地圖起源于認(rèn)知[2,5,18]，成熟于測(cè)繪，如今又面臨著新型空間認(rèn)知的強(qiáng)烈需求，孕育著“新地圖學(xué)”學(xué)科體系。地圖是人對(duì)現(xiàn)實(shí)地理世界認(rèn)識(shí)結(jié)果的表達(dá)，是一種知識(shí)的固化，而不僅僅是測(cè)繪結(jié)果的展現(xiàn)方式。既由人的主觀意志和知識(shí)水平所主導(dǎo)，隨傳播目的、時(shí)空境遇、認(rèn)知差異[25]而不同，也受到科技發(fā)展水平的時(shí)代促進(jìn)和歷史局限。因此，只有將地圖從傳統(tǒng)測(cè)繪中擴(kuò)展開來(lái)，才能更好地發(fā)揮它的空間認(rèn)知工具的作用。

(2) 各種新地圖[16]、準(zhǔn)地圖[19]、泛地圖[20-22]的出現(xiàn)，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)新的地理空間認(rèn)知問(wèn)題，而地圖在其中的作用還沒(méi)有被充分發(fā)掘出來(lái)。在當(dāng)前的“新地圖學(xué)”學(xué)科體系和“人—機(jī)器人—地圖—環(huán)境”新框架中，地理空間認(rèn)知的研究重點(diǎn)是以地圖為工具的人機(jī)協(xié)同認(rèn)知問(wèn)題。以視覺(jué)為主、基于多傳感器的聯(lián)合試驗(yàn)與交互研究具有很大空間。

(3) 不論時(shí)代如何變化，地理空間認(rèn)知的主體仍然是人，地圖仍然是空間認(rèn)知最主要的、不可替代的工具，這一基本屬性是不會(huì)變的[5,18]。地圖科學(xué)而藝術(shù)，感性而智能，傳統(tǒng)而時(shí)尚，幾經(jīng)沉浮仍具有頑強(qiáng)的生命力，經(jīng)久不衰地獨(dú)立于技術(shù)之外而存在，深沉地詮釋著人類空間認(rèn)知能力的不斷提升。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了地理空間認(rèn)知的緣起與現(xiàn)狀、理論及發(fā)展，闡述了地圖在地理空間認(rèn)知中的雙向作用，歸納了腦神經(jīng)機(jī)制和眼動(dòng)追蹤技術(shù)等研究方法，指出了地理空間認(rèn)知的主要發(fā)展方向和特點(diǎn)。

認(rèn)知科學(xué)與生俱來(lái)的學(xué)科交叉特性，決定著地理空間認(rèn)知研究是一個(gè)心理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、地球科學(xué)和哲學(xué)等多學(xué)科、多領(lǐng)域、多技術(shù)交叉融合的復(fù)雜問(wèn)題。人機(jī)協(xié)同認(rèn)知可能是較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的主要方式，同時(shí)又帶來(lái)了認(rèn)知主體分裂的新問(wèn)題，其理論、技術(shù)與試驗(yàn)研究面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[6]。信息傳輸與人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，將地理空間認(rèn)知的對(duì)象由自然空間、人文空間，擴(kuò)展到模擬空間、信息空間和虛擬空間(混合空間)，技術(shù)研究熱點(diǎn)集中在腦神經(jīng)機(jī)制基礎(chǔ)、個(gè)性化與自適應(yīng)技術(shù)[45]、人文地理空間認(rèn)知[20]、數(shù)字孿生環(huán)境認(rèn)知[30]、多通道協(xié)同交互及智能控制等方面。然而，地理空間認(rèn)知的基礎(chǔ)理論研究還滯后于技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。許多無(wú)法準(zhǔn)確定義的“新地圖”、“準(zhǔn)地圖”或“泛地圖”的出現(xiàn)，模糊了地理空間認(rèn)知和地圖空間認(rèn)知的界限，對(duì)傳統(tǒng)地圖學(xué)中的空間認(rèn)知研究產(chǎn)生了顛覆性的影響。但是，當(dāng)前地理空間認(rèn)知的主體仍然是人，地圖仍然是空間認(rèn)知與空間思維最主要的、不可替代的工具。如何盡快弄清人類地理空間認(rèn)知規(guī)律以及人機(jī)協(xié)同認(rèn)知機(jī)理，進(jìn)一步發(fā)揮地圖的空間認(rèn)知作用，使機(jī)器真正學(xué)習(xí)、理解、增強(qiáng)，而不是替代或淡化人類的空間認(rèn)知能力，是人工智能應(yīng)用和發(fā)展新時(shí)期不可回避的問(wèn)題。