数字地球第二章课件

1、 空间认知 地球空间的信息图谱第二章 数字地球基础理论 信息理论分形理论 区位理论 第一节 空间认知的基本概念第三节 空间认知的基本过程第二章 数字地球基础理论第二节 空间认知的两个重要概念第四节 空间认知的理论与实践意义第二章 数字地球基础理论2-1 空间认知的基本概念一、空间认知的含义二、人类认知系统的结构三、人类的空间认知能力四、空间认知的主要感观通道手段一、空间认知的含义2-1空间认知的基本概念认知信息的处理过程 认知科学的产生： 社会背景 思维背景 技术背景 方法论背景 认知科学是智能的科学、思维的科学以及应用的科学 。 认知科学研究的目的就是说明和解释人在完成认知活动时是如何进行信

2、息加工的。一、空间认知的含义2-1空间认知的基本概念 空间认知是研究人们怎样认识自己赖以生存的环境，包括其中的诸事务、现象的相关位置、空间分布、依存关系，以及它们的变化和规律。 二、人类认知系统的结构2-1空间认知的基本概念1、人脑的基本功能（1）人是通过搜索来解决问题的；（2）人在解决问题时，一般不是寻求最优解，而是寻找最满意的解； （3）人在解决问题时具有可变的志向水平。二、人类认知系统的结构2-1空间认知的基本概念02、人脑的注意分配机制（1）视觉选择性机制（2）视觉注视性二、人类认知系统的结构2-1空间认知的基本概念3、人类信息加工系统的结构（1）信息输入（2）存储记忆（3）控制过程三

3、、人类的空间认知能力2-1空间认知的基本概念 人类的空间认知能力是人类所具有的研究人们怎样认识自己赖以生存的环境，包括其中的诸事物、现象的相关位置、空间分布、依存关系，以及它们的变化和规律的能力。 空间认知能力的结构包括形状、大小、位置、维数、时间和相互关系等的认知能力的核心。三、人类的空间认知能力2-1空间认知的基本概念 人类的空间认知能力来自认知结构。认知结构的来源有两种：天赋的 后天形成的 空间认知能力对于地图设计者和地图使用者同样重要。识图用图是培养空间认知能力的有效手段。四、空间认知的主要感观通道和手段2-1空间认知的基本概念1、空间认知的主要感觉通道 空间结构知识：形状、大小、方向

4、、位置。维数和相互关系。 感观通道：视觉、触觉、听觉和嗅觉等。四、空间认知的主要感观通道和手段2-1空间认知的基本概念1、空间认知的主要手段 （1）实地考察 空间的局限性 时间的局限性 视觉的局限性 心理的局限性 （2）阅读材料 （3) 使用地图 2-1空间认知的基本概念地图作为空间认知的工具和手段，原因：（1）地图为建立各层次的整体概念和心象提供空间框架保障；（2）地图可以提供空间分布的物体在数量方面的正确视觉估计和印象；（3）地图可以给人们提供关于各地理要素或现象之间的相关性概念；（4）地图具有严格的空间关系原理，便于把统计信息与空间分布结合起来；（5）地图可以帮助读者建立正确的空间关系心

5、象和纠正错误的心象。2-1空间认知的基本概念地图集作为空间认知的工具和手段，原因：（1）地图集可以为我们建立多维、多时相的环境信息，提供一条连接数量与质量、空间与时间的桥梁；（2）地图集可以采用“嵌套”的方法，用系列比例尺地图和系列专题地图表示信息；（3）地图空间认知价值的文化意义，是一个不能忽视的重要因素；（4）地图在教育中的作用不能忽视。第二章 数字地球基础理论2-2 空间认知的两个重要概念认知科学引入地图学的目的：1、地图既是人类认知地理环境的结果又是进一步认识地理环境的工具；2、弄清地图设计与制作的思维过程，并设法描述它们。一、信息编码的理论二、认知制图三、心象地图2-2空间认知的两个

6、重要概念一、信息编码理论2-2空间认知的两个重要概念目前有三种信息编码理论：1、完全心象假说2、双重编码假说3、概念命题假说一、信息编码理论2-2空间认知的两个重要概念 双重编码假说基于这样一种推论：信息在记忆里得以表征的编码系统或方式有两种：非言语的心象过程和言语的心象过程。这两种编码可能在信息加工中重叠，但其中一种编码占主导地位。 心象编码和言语编码都能够对空间信息进行编码。心象编码描绘空间信息在脑海中形成的印象是怎样，言语编码描述空间信息看起来象什么二、认知制图2-2空间认知的两个重要概念 认知制图是一个抽象概念，包括使我们能够收集、组织、存贮、回忆和利用有关空间环境信息的那些认知能力或

7、思维能力。 认知制图：人们将通过各种空间认知手段获得的空间对象的位置和空间结构的信息组织成有序的心象地图，存储记忆，从存贮记忆中提取所需空间信息，用于指导行为。二、认知制图(cognitive mapping)2-2空间认知的两个重要概念1、地图的空间行为中的认知制图 地图的空间认知行为是利用地图进行定向、环境觉察、环境记忆等行为。 空间行为是把原先已经知道的和新近获取的信息结合起来后的决策过程的结果。 认知制图是人们思维过程中的一种潜在的制图能力,作为一种空间认知能力是可能通过学习而得到加强的。二、认知制图2-2空间认知的两个重要概念2、地图使用中的认知制图能力 人们通过阅读地图所了解或思考

8、的内容与地图上实际所表示的内容有显著的差异； 地图使用是地图和读者之间进行的双向转换过程。认知问题研究：（1）关于知识的组织（2）格网中的图案记忆情况（3）人对东西向的事物认知比对南北向的认知困难二、认知制图2-2空间认知的两个重要概念3、认知制图能力的计算机模拟 是把计算机当成实验工具，依据一定的能反映人的认知制图过程的模型、算法和规则编写计算机程序来模拟人的认知制图能力，使计算机以类似人的方式来解决地图制图问题，并达到与人类地图学家类似的水平。 计算机模拟是认知心理学在方法论上的重大突破，对人类认知研究有许多积极意义，将为空间信息流在大脑内部所受到的加工过程提供一种十分生动和具体的类比。人

9、类认知活动 计算机模拟思维策略 计算机程序初级信息加工 计算机语言生理过程 计算机硬件 三、心象地图(mental map)2-2空间认知的两个重要概念1、心象的概念 心象（表象或意象）是不在眼前的物体或事物的心理表征，是人脑对当前没有直接作用于感觉器官的、以前感知过的事物形象的反映。 心象的生理基础是留在大脑两半球皮层上的过去兴奋的痕迹，在刺激的影响下在大脑皮层上旧的神经联系恢复起来，产生映象。 心象的形成有组合和融合两种方式。 心象的来源有两个：一个是通过感知觉，另一个是通过形象思维。感知觉产生心象的过程 外部事物刺激 感 觉 刺激后像 知 觉 知觉映象 记 忆 心像三、心象地图2-2空间

10、认知的两个重要概念2、心象在思维中的作用 大脑进行空间认知需要做两件事： （1）必须获取有关空间信息； （2）对这些信息进行加工处理。任何思维，尤其是创造性的思维，都是通过心象进行的。获取心象时要注意两点： （1）要把握某类事物的最重要的性质； （2）要构造出它的动态形式，以达到对其总体结构状态的把握。三、心象地图2-2空间认知的两个重要概念3、心象地图的特性 心象地图是表征环境信息的一种心象形式。 （1）不完整性； （2）变形性； （3）差异性； （4）可操作性； （5）动态交互性。三、心象地图2-2空间认知的两个重要概念4、心象地图的建立（1）通过实地考察建立心象地图；（2）通过阅读文字材

11、料建立心象地图；（3）通过使用地图建立心象地图。 赖以建立心象地图的信息源不同，所建立的心象地图也会有差异。第二章 数字地球基础理论2-3 空间认知的基本过程一 空间认知的感知过程二 空间认知的表象过程三 空间认知的记忆过程四 空间认知的思维过程一 空间认知的感知过程2-3 空间认知的基本过程 地图空间认知的感知过程是研究地图图形（刺激物）作用于人的视感觉器官产生对地理空间的感觉和知觉过程。 地图现实世界的替代物； 感觉客观事物的个别属性、特性在人脑中的反映； 知觉各种感觉的综合，是客观世界整体在人脑中的反映，比感觉全面、复杂。 2-3 空间认知的基本过程 人们要想获得关于现实世界客观事物的个

12、别属性、特性，还必须有个联想或转换的心理活动过程，从信息传输过程来讲，这叫译码。 联想或转换的心理活动是很重要的。 通过地图图形符号这种直接刺激物，人们获得关于现实世界客观事物的个别属性、特性，这是知觉过程的基础。知觉是对客观事物的各种属性、各个部分及其相互关系的综合的整体的反映。在知觉过程中，人们头脑中产生的不是事物的个别属性或部分的孤立的映象，而是由各种感觉结合而成为具体事物的映象。2-3 空间认知的基本过程 感觉到的事物的个别属性和部分越丰富，对事物的知觉就越完整、越正确。 人们都是以知觉的形式直接反映事物的。 知觉是现实世界客观事物在人们头脑中的主观反映，所以知觉是受人的知识、经验、兴

13、趣、情绪等各种因素影响的。2-3 空间认知的基本过程 地图空间认知的表象是在地图知觉的基础上产生的，它是通过回忆、联想使在知觉基础上产生的映象再现出来。从认识论的角度讲，表象和感知觉都属于感性认识，都是生动的直观。但是，表象与感觉、知觉不同，它是在过去对同一事物或同类事物多次感知的基础上形成的，具有一定的间接性和概括性。二 空间认知的表象过程2-3 空间认知的基本过程 根据现代认知心理学的研究，研究地图空间认知过程的心象，就是研究在没有地图这种直接刺激物的作用下，人对空间地理环境信息的内部加工过程。这种内部加工过程包括对地理信息的综合处理(如事物选取、形状化简等)及相互关系的重构等，经过加工生

14、成心象地图，显然，它与人的认知地理环境的目的性和倾向性有关。尽管心象地图的形成是一种内部化的心理过程，是不可见的，但确实是存在的。对空间信息的加工处理，是根据用户的目的性和倾向由计算机对空间信息进行综合。2-3 空间认知的基本过程心象地图既能反映现实世界客观事物的个别特点，也能反映现实世界客观事物的一般特点，既具有直观性，又具有概括性。因为具有直观性，它接近于知觉；因为具有概括性，它接近于思维。因此，同一般表象一样，心象地图这种不受具体客观事物局限的概括的反应机能，使它有可能成为从感知到思维的过渡和桥梁。可以说，把地图空间认知过程中的思维与感知觉统一起来的桥梁或媒介，就是心象地图。 2-3 空

15、间认知的基本过程三、空间认知的记忆过程 记忆是人的大脑对过去经验中发生过的事物的反映。记忆是心理在时间上的持续，有了记忆，先后的经验才能联系起来，使心理活动成为一个持续发展的过程。人脑的记忆能力是非常之强的。有的文献介绍，在20年中，若不考虑睡眠期间的任何信息输入，那么进入大脑并可能储存的信息可达15万亿比特。这个数字比人脑神经细胞总数大1000倍以上。所以，充分利用大脑在地图空间认知过程中的记忆功能是非常重要的。2-3 空间认知的基本过程关于地图空间认知中的记忆问题，根据记忆操作时间的长短，可将其分为感觉记忆、短时记忆和长时记忆等三种基本类型，有关的还有动态记忆和联想记忆。 感觉记忆(Sen

16、sory Register)；指个体凭视觉、听觉、味觉、嗅觉等感觉器官，特别是其中的视觉器官，感应到刺激时所引起的短暂(一般按几分之一秒计算)记忆。刺激作用停止后，它的影响并不立刻消失，可以形成后象。后象的发生，是由于神经兴奋所留下的痕迹作用。视觉后象表现得最明显；后象是最直接、最原始的记忆。后象只能存在很短的时间。2-3 空间认知的基本过程短时记忆(ShortTermMemory)：指感觉记忆中经注意而能保存到20秒以下的记忆，被看作是通往长时记忆的一个中间环节或过渡阶段。长时记忆(LongTermMemory)：指保持时间在一分钟以上的信息存储。长时记忆是一个真正的信息库，长时记忆的能力是

17、一切记忆系统中最大的一个。它有巨大的容量，可长期保持信息。长时记忆存贮着我们关于世界的一切知识，为我们的一切活动提供必要的知识基础；使我们能够识别各种模式，进行学习，运用语言进行分析、判断、推理和解决问题等。2-3 空间认知的基本过程动态记忆(DynamicMemory)，指随着现实世界客观事物的不断变化如何组织记忆，怎样从过去的经验中获得智能而自动改变和增强记忆，当证实过去的经验失败时如何存储新的经验,即由经验中学习，用联想及从联想中归纳的方法改变记忆结构。联想记忆(AssociationMemory)：指通过与其他知识的联系中进行的记忆。联想记忆对于空间认知来说是十分重要的。在地图空间认知

18、过程中，联想记忆的形式包括因果关系联想、图形与现实联想、相互联系联想等多种形式。 2-3 空间认知的基本过程 地图空间认知的思维构成了地图空间认知的高级阶段。地图空间认知的思维提供关于现实世界客观事物的本质特性和空间关系的知识，在地图空间认知过程中实现着“从现象到本质”的转化，它是对现实世界的非直接的、经过复杂中介心象地图的反映，是在心象地图及其存储记忆的基础上进行的。 地图空间认知的思维的最显著的特性是概括性和间接性。 四、空间认知的思维过程 2-3 空间认知的基本过程 基于心象地图的思维的概括性，是指思维所反映的不是个别事物或其个别特征，而是一类事物的共同的本质的特性。地图制图中经常要用到

19、思维的这一特性。思维概括性，不只是表现在反映事物的本质特征上，而且表现在反映事物之间本质的联系和规律上。 地图空间认知的思维的间接性，指它不是直接地、而是通过心象地图这个媒介来反映现实世界。能够对没有直接作用于感觉器官的事物及其属性或联系予以反映，这是心象地图最重要的特性。空间认知中的思维的间接性的关键在于心象地图的作用。2-3 空间认知的基本过程 地图空间认知作为认知科学的重要研究领域，利用空间信息处理理论全面研究地图空间认知过程，包括感知、心象、记忆、思维等，而思维是核心，包括抽象思维、形象思维和灵感思维。 在地图制图综合的空间认知中，经常会用到抽象思维。它是通过概念；判断、推理，来反映事

20、物的本质和内在联系。制图综合过程中的抽象思维方式有基于联系的归纳思维、基于过程的形式思维和基于规则的演绎思维等三种具体形式。 2-3 空间认知的基本过程 在制图综合过程中，视觉思维是图形被视觉所感知来进行的。因此，“形”是视觉思维的细胞。格式塔心理学认为，任何“形”，都是知觉进行了积极组织或建构的结果或功能。地图空间认知中的心象地图和认知制图，就是视觉思维的过程。制图综合过程中的视觉思维包括视觉选择性思维、视觉注视性思维、视觉结构联想性思维等具体形式。人类并不是以孤立的形式积累一个一个的知识，而是通过联想进行的。地图制图综合过程中的每一个决策，都贯穿着视觉结构联想思维活动。 2-3 空间认知的

21、基本过程 灵感，用现代的话来说就是创造性。它的本质是在长期知识和经验积累的基础上，当面临难题时充分调动人脑的一切潜力，包括潜意识，经过一段时间的高强度思考而产生的认识上的飞跃。所以，灵感思维是一种复杂的具有高度创造性的思维活动。制图综合过程中存在着灵感思维，特别是面对一些难以处理的问题。长期知识和经验的积累即人的灵感就起作用。丰富的知识和经验对于实施成功的制图综合是必不可少的。 2-3 空间认知的基本过程 相比较而言，抽象思维发展在显意识，是借助于概念实施严格的逻辑推理，即从某一前提出发，推出结沦；视觉思维是用形象来思考和表达，主要发生在显意识，有时也有潜意识参与活动，比抽象思维过程要复杂些；

22、灵感思维主要发生在潜意识，是显意识和潜意识相互交融的结果，具有突发性、偶然性、独特性和模糊性特征。 2-3 空间认知的基本过程 现代认知心理学研究采用计算机信息处理来模拟人类认知过程。但是，计算机能在多大程度上模拟人在制图综合过程中的思维呢？认知科学采用功能模拟的方法来研究人脑的思维规律，通过计算机按照模拟模型来模拟人脑的思维过程。计算机模拟抽象思维比较容易，而对于制图综合过程中的视觉思维特别是灵感思维，计算机模拟起来就困难了，甚至不可能。这就是说，目前的冯诺伊曼型计算机不能有效地模拟制图综合过程中人的全部思维方式。这决定了人在制图综合中的不可替代的作用，决定了数字地图制图综合系统只能是人机协

23、同系统。第二章 数字地球基础理论2-4 空间认知的理论与实践意义一、空间认知与地图制图专家系统二、空间认知与地理信息系统(GIS) 三、空间认知与空间数据可视化2-4 空间认知的 实践意义 地图空间认知对地图制图专家系统的理论与实践意义，最明显地表现在认知制图与心象地图在地图设计中的应用上。 地图制图过程(可视化过程)与认知制图过程(认知过程)是执行方向相反、相互作用的两个过程。用来联接这两个过程的中介是心象地图。 地图制图的目标，就是制作出能够提供与客观实际较为接近的心象地图的地图。一、空间认知与地图制图专家系统 2-4 空间认知的 实践意义 地图制图的过程是一种创造性的思维过程，特别是小比

24、例尺地图、系列地图和地图集的设计与制作更是如此。地图学家要成功地设计与制作出地图、系列地图和地图集，首先要进行艰苦的地图空间认知和认知制图过程，在他的头脑中建立起关于所设计的未来地图的“模特”心象，而且这种心象可能是各种各样的；地图学家进一步从存储记忆中提取这些心象进行思维，确定少数几种较佳的方案的心象，并将它们可视化再现出来；经过对几种方案的评价、比较和对制约地图生产的多种因素的分析、权衡，最终确定一种最佳方案。2-4 空间认知的 实践意义 人类专家之所以成为专家，除了他们具有一定的综合判断能力和良好的思维习惯之外，最主要的还在于他们拥有大量的专门知识以及通过长期实践亲自摸索和积累起来的经验

25、性知识，正是这些知识，使得他们在处理问题时比别人技高一筹。这就是说，我们要探索地图学专家在地图设计与制作中的思维方式，要研究知识的总结与表示。这两者是统一的。 地图制图专家系统是一种以地图制图专家的知识和经验为中心的知识获取、知识表示和知识运用的系统，其中知识表示是核心，广泛涉及空间认知的理论与方法。2-4 空间认知的 实践意义 产生式规则：地图制图专家系统中常用的知识表示法，具有如下形式的语句： “如果XXX条件成立，那么有XXX结论或动作”。例如，有规则1： “如果制图区域的轮廓形状近似圆形，且制图对象为某一大洲，则制图区域适宜的地图投影为方位投影”。 条件部分可能是多种前提条件的“与”、

26、“或”、“非”的组合，而规则的动作部分则可以扩展为或执行一个程序过程，或进行某些推理，或执行某些控制策略，等等。来反映事物的本质和内在联系。2-4 空间认知的 实践意义谓词逻辑：亦称谓词演算。同产生式规则相类似，是一种具有公式形式的知识表示方法。例如，要表示“印度的轮廓形状近似圆形”这一事实性知识，可采用如下形式： 区域形状(印度，圆形或近似圆形) 这里，“区域形状”为谓词，“印度，圆形或近似圆形”为对象。 就谓词逻辑表示法而言，对于由单个谓词逻辑形成的简单命题可通过逻辑连接法组合成复合命题。这些逻辑操作包括“与”、“或”、“非”、“蕴含”等。 2-4 空间认知的 实践意义语义网络：是知识的图

27、解表示，它由节点和弧或链(带有箭头的弧线)组成。节点表示物体、概念和事实，而弧则表示它们之间的关系。常用来表示具有网络结构特点的知识。本来语义网络最初只是作为研究认知心理学模型而提出的，现在已成为人工智能和专家系统中的一种比较实用的知识表示法。 利用语义网络表示知识的基本方法，是靠语义网络的继承和匹配技术把对事物的描述及 其信息从概念节点传递到实例节点，从而得到某些具体的问题求解结论。 2-4 空间认知的 实践意义地图空间认知中的认知制图和心象地图在地图制图中有着重要的作用，特别是对于地图制图专家系统的研究，具有很强的地图空间认知能力是非常重要的。因为只有具备很强的空间认知能力，具备丰富的地图

28、制图经验和广博的地图学知识，才能将长期积累的地图制图经验总结出来，使之成为可以被形式化描述的知识，探索相应的知识表示法，选择基于知识的推理系统，使地图制图专家系统这样最富挑战性和最富创造力的技术能有效地解决地图制图的问题。 2-4 空间认知的 实践意义空间认知与地理信息系统的关系，是近年来研究较多的一个理论问题。把人的空间认知系统与地理信息系统加以比较，就可以看出它们是如此惊人的类同，都是信息加工系统：输入信息，进行编码，存储记忆，作出决策，输出结果。当然它们也有很多区别。智能地理信息系统实际上是人的空间认知能力与认知过程的仿真。 关于空间认知与地理信息系统的关系，我们还可以从形象思维、认知操

29、作、面向对象的认知方法学等在地理信息系统中的应用予以具体论述。 二、空间认知与地理信息系统(GIS) 2-4 空间认知的 实践意义思维是认知过程的重要环节。认知科学中用信息加工理论来全面研究认知过程，包括感知、表象、记忆、思维等，而思维是核心。 形象思维又称直感思维，主要采用典型化的方式进行概括，并用形象材料来思维，所以，有人说形象是形象思维的细胞。形象思维具有形象性、概括性、创造性和运动性等特性。模式识别是典型的形象思维，它是对图像、文字、声音、物体等进行模式信息处理，对它们进行分类、描述、分析与理解。 2-4 空间认知的 实践意义认知的目的在于解决问题。认知操作也称问题求解，包括常规问题求

30、解(现存的过程)和创造性问题求解(新的过程)。 GIS中的辅助决策，就是一种问题求解过程的问题，属于认知科学中的认知操作的研究范畴。问题求解是一个非常复杂的过程，其中“任务领域”和“问题空间”是两个关键环节。在人工智能中，问题求解过程描述为状态空间、操作集合、状态转移函数、初始状态和目标状态等5元组。问题求解的过程转化为在状态空间中寻找从初始状态到目标状态的路径问题，即操作序列问题。2-4 空间认知的 实践意义面向对象的方法学是认知科学的重要研究领域，包括面向对象的认知方法学和面向对象的程序设计方法学。面向对象的认知方法学的具体体现是通过面向对象的程序设计方法学来实现的，面向对象的程序设计方法

31、与结构化程序设计方法的最大区别在于，前者是以“对象”和“数据结构”为中心来构造系统与设计程序，而后者是以“过程”和“操作”为中心构造系统与设计程序。“对象”和“数据结构”同“过程”和“操作”相比较，前者要相对稳定得多，软件的主体结构也相对稳定得多。 Visualization称为“可视化”或“视觉化”。可视化有多种不同的解释。例如：把可视化定义为“对实际上不呈现于视野的某些事物形成思维图象或视觉的本领或过程”(牛津英语词典)；可视化也用于表示形成某些不可见事物的视觉图象的过程。有人认为，可视化既是人类发展心象的能力，又是提供被设计来辅助这种思维可视化过程的有形视觉化表征的过程(MacEachr

32、en，Ganter，1990)。 三、空间认知与空间数据可视化 2-4 空间认知的 实践意义 对于地图学来说，主要是从空间认知的角度来接纳可视化这一概念，认为地图学的可视化最重要的是一种空间认知行为，它借助可视化工具将不可见的事物用图形表示出来，这种表示有助于人们观察、研究客观存在的各种自然、社会现象的空间分布，获取新知识，进而发现以往不易找到的规律。对可视化来说，一个特别重要的认知构成是心象，“可视化”隐含着心象的构成。可视化可以解释为形象的内部和外部形式，心象地图是地图可视化的内部形式，视觉地图是地图可视化的外部形式。地图可视化可以理解为传统的符号化及视觉变量表示法，它是静止的、二维的。2-4 空间认知的 实践意义 国际地图学协会(ICA)在1993年德国科隆召开的第16届学术讨论会上宣告成立可视化