人居环境研究的信息论科学基础及其图谱意象系统_汪洋000

1、 地 理 学 报 ACTA GEOGRAPHICA SINICAVol.67, No.2Feb., 2012第67 卷第2 期2012 年2 月 人居环境研究的信息论科学基础及其图谱意象系统21, 2, 赵万民(1. 重庆师范大学地理与旅游学院 GIS 应用研究重庆市重点实验室, 重庆 400047;2. 重庆大学建筑城规学院, 重庆 400044)摘要：从人居环境研究的系统性、融贯性内在要求出发，结合信息论、人居环境科学、地学信息图谱及城市意象理论的基本观点，本文对人居环境研究的内容和流程进行了信息论解读；结合城市意象的认识论逻辑，本文提出了基于信息论观点的人居环境意象及人居环境信息图谱意象

2、系统概念，为人居环境研究提供了一种方法论思维模型。本文认为对人居环境研究的信息论解读包含信息本体界定、信息流向界定和信息流内容及其度量方式界定三大论域，可以此为基础派生人居环境信息主体、客体、载体以及正向信息流、反向信息流、信息立方体和人居环境信息熵等概念；论文在全面继承并充分融合人居环境科学及地学信息图谱理论的基础上提出了人居环境信息图谱的基本概念系统，认为人居环境信息图谱是3 大模块 (自然环境、社会环境、人工环境)、3 大层次 (宏观、中观、微观)、3 种类型 (征兆图谱、诊断图谱、实施图谱) 和3 种维度 (空间维度、时间维度和时空综合维度) 的融贯综合。该概念系统的提出和实现将会为人

3、居环境研究提供一个数字化的模拟、实验、分析、控制平台。 关键词：人居环境；人居环境意象；信息论；地学信息图谱；人居环境信息图谱 1引论人居环境科学 (The Sciences of Human Settlements) 以人类聚居环境为研究对象1，是 对“三位一体”广义建筑学科研究对象的认识论升华，其理论认为人居环境是五大系统 (自然系统、社会系统、人类系统、居住系统、支撑网络系统、) 在五大空间层次 (全球、区域、城市、社区、建筑) 上的融贯聚合1，是空间尺度各异、系统构成一致、属性特征 各不相同的开放的复杂巨系统2。“整体环境”与“普遍联系”是人居环境科学的核心3， 所以其研究对象又必须视

4、为开放、动态和变化的。近年来，对这种整体的、开放的、动态的复杂巨系统的综合与融贯研究尚缺乏进展，但对区域及城市尺度的部分子系统的研究却取得了丰硕的成果。典型如对区域自然 (环境) 系统的综合评价4-7、对人居社会经济 (环境) 系统的关联分析8-15、对人居环境可持续发展能力及人居质量的评价研究16-18以及对区域人居环境时空格局发展机理的探析19-27等。总体上，人居环境科学是一种基于系统认识 论的，以人类居住规律探析和营造良好人类居住环境为目的的工程性科学，其首要任务就是要获取对人居环境的系统性、整体性认知，而该认知过程是以人的场景感知为基础的， 然而一个场景所包含的内容无论如何总会比人们

5、可见可闻的更多，但任何东西都不可能体验自己28。这就像对一个城市的理解，通常对城市的理解并不完整，而是与其他一些相关 事物混杂在一起，形成部分的、片段的映像28。当把这些不同个体映像的公共部分抽取出 收稿日期：2011-05-31; 修订日期：2011-10-23基金项目：国家科技支撑计划项目 (2008BAH31B06); 国家自然科学基金项目 (50738007; 51078363; 51108478; 40801077; 41101563); 教育部人文社科基金项目 (11YJAZH049) Foundation: Key Project of the National 11th Fiv

6、e-Year Research Program of China, No.2008BAH31B06; Project of National Natural Science Foundation of China, No.50738007; No.51078363; No.51108478; No.40801077; No.41101563; Humanities and Social Sciences Foundation of Chinas Ministry of Education, No.11YJAZH049作者简介： (1978-), 男, 重庆北碚人, 博士, 讲师, 中国地理学会

7、会员 (S110005322M), 主要从事区域与城市规划及GIS 应用研究。E-mail: 253-265 页 地 理 学 报67 卷254来进行综合时，便可以还原城市的总体意象，而这些公共部分一般包括为道路、边界、区域、节点和标志物，它们总是不断出现在各种各样的环境意象 (Image) 之中28。对各种尺度人居环境的理解与对城市的理解类似，源于人类自生认知能力的时空局限性，人类的认知能力很难把表面上缺乏关联的要素进行系统综合，构成对人居环境的整体性、系统性认识。同时又由于人居环境的内涵构成又大大超过了城市意象要素 (道路、边界、区域、节点、和标志物

8、)的时空认知尺度，所以人居环境意象是一种超出了人类直接认知能力的间接系统认知。为此，本文将应用信息论的基本观点和方法，用以解决人居环境描述中的不确定性和概念模糊问题29，以此为基础提出人居环境意象的基本理念并进而推演人居环境信息图谱的概念体系和逻辑结构。 2人居环境研究的信息论解释2.1 信息三角形理论模型 为解决通信工程中不确定性信息的编码和传输问题，香浓 (C.E.Shannon) 在1948 年提出了狭义信息论29。此后，信息论在众多领域得到应用，甚至有学者用以探析建筑创作的美学导向问题30。但在信息的广义理解层面，学界仍未达成一致。据不完全统计，从各学科、各视角出发对信息的定义超过了8

9、0 个。事实上，不管采用哪种定义，信息概念的语义域都基于3 个逻辑原子31，即信息客体、信息载体和信息主体，三者间传递的内容即为信息，传递路径称为信道，其间的通讯为信息流。在信息三角形模型中 (图1)，C 表示信息客体 (对象)，A 表示信息主体，B 表示信息载体。信息客体指信息源，信息首先从信息源产生。信息主体是指能够接受也能产生信息的对象，广义的信息主体不一定是人(类)。信息载体是指能够直接存储记录信息客体或主体产生的信息的对象，广义的信息载体不一定仅指人工对象。ABC 三元信息本体 (与哲学本体论含义类似，指独立于信息的信息发生体，分为信源和信宿)派生多元关系结构 (图1)，形成信息的概

10、念体系。显然，独立的信息本体 (ABC 之一) 谈不上信息。在论域ABC 中至少要两个元素才能定义信息。其间通信内容则可描述为：被映射的度属性差。度指时间维度、空间维度及综合维度，属性差则是指对象内涵外在表现的时空区别 (图2)。本体论信息是最一般的信息，可只由C 和B 定义。认识论信息是与A 有关的信息，可细分为感知信息和策略信息(第一类认识论信息和第二类认识论信息)。C 可以是客观世界的任意对象，可以不包含人类系统，人类获取的信息是本体论信息的一个子集。 对于人居环境研究 (同样适合于城市规划过程)，可把信息三角形模型进行改造得到人居环境信息三角形模型 (图3)，以此明确人居环境信息论的基

11、本论域，即人居环境信息主 对信息的典型定义有：信息可定义为在通讯的任何可逆重编码 ( 或翻译) 中那些保持不变的东西(Shannon, 1948)；信息是人们在适应外部世界并且反作用于外部世界的过程中，人与外部世界进行交换的内容 (Wiener, 1948)；信息是集合的变异度 (Ashby, 1956)；信息是负熵 (Brillouin, 1956)；信息是一种场， 是物质和能量在时间和空间中分布的不均匀性 (Eepr,1971）；信息是使概率分布发生变动的东西(Tribes etal, 1971)；信息是事物之间的差异 (Longo, 1975)；信息是被反映的事物属性 (刘长林，1985

12、)；信息是被反映的特殊性 (鲁晨光，1993)；信息是结构的表达 (陈雨思，2001)；本体论层次信息就是事物运动的状态和状态改变的方式 (钟义信，2002) 等。参见: 钟义信. 信息科学原理 (第三版) M. 北京：北京邮电大学，2002.及/entropy/chen/chen7a.htm. 在通信理论中，信息客体被称为信源、信息主体和载体被称为信宿，信源和信宿之间的联系途径则被称 为信道。由于这种定义方式很难区分出信息主体和信息载体，故在一般信息论中不适用。 一般情况下信息客体被视为信息源 (正信息流)，但在有些情况下信息源也可以是信息主体

13、，比如策略类信息 (反馈信息或负信息)。必须承认信源和信宿的划分是相对的，它依赖于具体的语境。 典型的例子如黄土剖面对地球环境变化信息的记录，冰芯对地球气候变化信息的记录等。 2 期 等：人居环境研究的信息论科学基础及其图谱意象系统 255体 (A)、 载 体 (B)、 客 体(C)。可通过一个例子来说明上述概念：假设有一座特定时空尺度的城市 (C)， 有位于 该 城 市 上 空 的 一 朵 云(B1)， 有正在对该城市进行总体规划的规划师 (A)， 有该城市的地形图 (B2) 和该城市的总体规划图 (B3)。 这时，城市具有热辐射，云记录了该城市热辐射的不完全信息。城市映射至云中的关于城市的

14、信息即为本体论信息；城市地形图为第一类认识论信息；城市总体规划图为第二类认识论信息。此时，信息客体为城市 (人居环境系统)，主体为工程师， 载体为地形图 ( 规划图或云)， 规划师通过实地调查将城市土地利用现状描绘于图纸上的过程构成一个信息流过程 (客体主体载体)。 2.2 人居环境信息流过程人居环境信息流在人居环境信息主体、客体和载体之间流转。人居环境信息客A: 信息主体映射 （C 到 A）双向映射 行为 （A 到 C）信息流B:C:不完全映射 信息信息客体模型图1 基于信息三角形的信息论概念体系 Fig. 1 Conceptual system of information theory

15、based on Info-Triangle ModelX 轴X 轴X 轴acbY 轴Y 轴Y 轴T轴T轴轴def图例：绿地工业用地居住用地商业用地图2 人居环境信息流的内容示意 Fig. 2 The content of human settlement information flowing circle境单元，由自然系统、社会系统、居住系统、支撑网络系统和人类系统融合而成。凡能记载人居环境主体和客体信息的一切媒介形式均可认为是载体。信息主体通常情况下指人类系统，在某些特定情况下专指人居环境专业人员 (如城市规划师、建筑工人)。人居环境信息流可分为两大类： 正向信息流。又可细分为两种，一种

16、源于C， A:人居环境信息主体 第一类认识论信息C:人居环境信息客体 信息流提供对人居环境客体的直接度映射，是对人B:人居环境信息载体 居环境客体的直接记录 (如从城市规划师)。另一种源于B，它提供的是对人居环境客体的间接映射 (如从地形图规划师)。 反向信息流：也可以有两种情况，一种源于A，通过A 行为改造C (如从建筑工人城市)。另一种源于B (但此B 的最终源头还是A)，映射至A 后通过A 的行为改造 第二类认识论信息图3 人居环境信息三角形模型 Fig. 3 Human settlement information triangleC (如从规划师施工图建筑工人城市)。两大类信息流交互

17、重叠，共同构成人居环境信息环流 (图4)。 T3TTT4T3T2特殊 第二类认识论信息 论域：AC或 ACB方向：AC或 BAC含义：主体产生的策略信息 第一类认识论信息 论域：AC或 ACB方向：CA或 CAB含义：被主体感知的信息 认识论信息 论域：AC 或 ACB载体 信息三角形 一般 本体论信息 论域：CB 地 理 学 报67 卷256引入时空维度来考察人居环境信息流内容 (图2)。采用网格模型来表达空间 (图 2abc)，用灰度表达属性 ，当网格的边长趋近于零时即为现实空间。以某空间单元为对象，考察其在4 个时间点上的属性状态。对于每个人居单元， 都有其自然、社会和人工属性。 反馈映

18、射反向信息流C人居环境信息客体 图4 人居环境信息流过程模型 Fig. 4 Information flowing model of human settlements以用地属性为例来进行分析。首先假设用地类型只有种，分别为：绿地、居住用地、工业用地和商业用地 (用不同灰度表示)。对于空间a，其内部的用地皆为绿地；对于空间b， 其内部具有绿地和居住用地；对于空间c，其内部个空间单元的用地属性皆不相同。图 d、e、f 中的空间单元皆为同一单元，用地属性随时间发生变化。设图2 中的a、b、c 为同一人居环境单元在不同时间点的状态，如果信息主体对这个时段都进行了考察，那么信息主体必然获取了该区域的土

19、地利用变化信息，也即产生了从信息客体到信息主体的信息流。在此情况下，信息流传递的内容是什么呢?可以肯定，其间传递的即不是空间实 体，也不是能量，其内容本质上是abc 内部及之间的差异，这种差异来源于2 个方面， 空间维度的属性差异， 时间维度的属性差异。与此同时，上述两种差异不会因为信息主体或信息载体的变化而变化，也即对象的时空维属性差是一种客观存在，人居环境信息是在信息主体、客体、载体之间被映射的2.3 人居环境信息论模型 度属性差，这种属性差异具有客观性。 香农提出了信息熵公式29来定量计算信息流过程的信息量 (公式1)，信息量是用来度量信息丰富程度的一个标志32。可对图所示的人居环境信息

20、进行信息量计算： KH = -P(i)log P(i)(1)2I = 1式中：P(i) 表示人居单元中第i 种属性 (此处为土地利用类型) 的概率，可用面积百分比代替；K 表示属性的类型总数 (属性域)，一般有K = 2b，因用地类型限定为4 种，故K = 4 = 22；H 表示一阶熵，如果取2 为底的对数，则H 的单位为比特。对于空间a，因P(i) = 1，故Ha = -P(i)log2P(i) = 0。含义是空间a 的土地利用属性信息量为0。理论解释是因为空间a的土地利用属性没有差异，所以在论域a 里，人居环境信息主体和信息载体未被映射任何信息。对于空间c，Hc = -P(i)log2P(

21、i) = -(-2) + (-2) + (-2) + (-2)/4 = 2。含义是空间c 的土地利用类型数最多且每类百分比一致，所以其信息量达到最大。理论解释为因为空间a 的土地利用属性具有最大差异，所以在论域a 里，人居环境信息主体和信息载体被映射最多的信息。对于一般情况 (介于a 和c 之间，如空间b)，因其不具有均匀的概率密度，故其信 对应于现实世界，此处的空间划分网格不限于正四边形。正三角形、正六边形或则不规则多边形均可(典型如政区界限)。 空间第三维通常是指高程，可以通过二维空间网格的属性值来表达高程特征，这种方式即为DEM。在理论上地理空间的真三维结构可以借助于八叉树等数据结构来实

22、现，但这些数据模型离实际应用还有一定的距离。为简单起见，本文所指的空间一般是指二维地理空间。由于对微观人居环境系统的探讨离不开真三维空间 (如建筑的立面、剖面等)，在这种情况下可以对空间域的限定进行扩展 (二维扩展为三维)。 此处所指的不变是指信息客体本生的变化方式和变化程度不变，对于信息主体和信息载体而言，由于信息映射充分程度的不同则有可能记录有差异的信息。映射 A人居环境信息主体信息实施、反馈 映射 正向信息流 映射 A人居环境信息主体映射 信息获取 B人居环境信息载体信息存储 A人居环境信息主体 映射 信息分析、诊断、再生B人居环境信息载体映射 信息存储 2 期 等：人居环境研究的信息论

23、科学基础及其图谱意象系统 257息熵的值介于 Ha 和 Hc 之间(0-2 之间)。在时间维度，同样可以采用香农熵来表达信息量。首先划定属性存在时间段， 比如在图d、e、f 中分别确定绿地、居住用地和商业用地存在的时间长度，据此T计算时间概率 P(i)，据式 (1) 可计算一阶时间信息熵。假设单元的用地属性一直不发生变化则必然有HT = 0；如果在一段时间内用地类型变化次数多且具有均匀的时间概率密度，则HT 会趋近于最大TTX 值。 在综合时空维度基础上对图进行抽象得到人居环境信息立方体概念模型 (图5)。该图分别用X、Y 轴和T 轴代表空间维度差时间维度差某类属性域Y轴图5 人居环境信息立方

24、体概念模型 Conceptual model of human settlement information environment cubeFig. 5简化的空间维和时间维，用单元网格 的颜色灰度代表属性域。对于每个网格，其属性均有多种类型 (如自然系统中的高程、坡度、气温、降雨量等；社会系统中的人口、道路、建筑密度等)。对于每个时间点，每一个空间平面均具有属性，也即该信息立方体具有第四维特征 (即属性)。该模型的左边部分代表人居环境信息 (ABC 间映射的内容)，只有映射至信息主体和载体的内容属于认识论信息。也只有当信息主体 (或载体) 认识到 (记录到) 映射立方体空间单元的属性差的时候

25、，才产生信息，也即人居环境信息是属性的维度差。可用香农熵来解释：假设信息立方体中各单元的属性完全一致，据公式(1)可知，其信息量为0，也即对于信息主体而言， 此时的映射立方体不具有信息内涵。人居环境信息立方体具有时空尺度效应。建筑规划 学科一直强调的空间形态问题在不同的空间尺度具有不同的内涵。设图6 中的a、b、c 图分别代表人居环境的宏观、中观和微观尺度。对于宏观尺度来讲，由于其基本的空间分析单元尺度较大，所以在这个尺度，空间形态问题的核心是空间格局问题；对于中观尺度， 空间形态问题的核心则是空间趋势和结构问题；对于微观尺度，其核心则为空间肌理问题。从信息量角度看，Ha、Hb、Hc 的香农熵

26、分别为2.0、6.07 和7.34，含义是a、b、c 图的信息量在依次增加。但这种情况并不能说明微观人居环境的信息量一定就比宏观人居环境的信息量大，原因是二者论域中的属性域范围不一致 (a、b、c 中的b 值分别为2、6、7)， 也即人居环境的信息量只具相对可比特征，当人居环境信息属于不同的论域和属性域的时候，人居环境的属性差不具有认识论意义。 3基于信息论的人居环境意象 3.1 城市意象的信息论借鉴 凯文林奇 (K.lynch) 认为人对城市的认识是由多种意象 (image) 综合而成，某种单独的意象并不足以构成对城市的总体认知28 ( 图 aA(L=50m,b=2,Ha=2) b(L=50

27、m,b=7,Hb=6.07) c(L=0.5m,b=8,Hc=7.34)图6 人居环境信息的空间尺度效应(图片来源：GOOGLE EARTHTM)Fig. 6 Spatial scale effect of human settlement information 前提条件是此时的讨论范围仅限于该映射立方体，如果超出此范围则具有了更多的比较对象，这时信息的时空维内涵被扩展，信息量也会因此而改变，也即认识论意义的信息量是一种相对信息量。 地 理 学 报67 卷2587)。原著中的“意象“一词为image，也可译为图像 (或映像)， 代表信息主体的认识意象 (mental image)， 当这种意

28、象被映射至物质媒介时 (纸张、电子存储器等)， 道路部分它就变成了图像 (pictrure)， 属性 映射从而转换为一种信息载体。如果城市本身被视为信息客体，其主导信息则是关于城市意象五要素 ( 道路、边界、区域、节点和标志物) 的属性差，此时每种意象要素都有若干种属性 ( 如颜色、高度、材质等)， 在时空维度的参照下，信息主体对这些属性的感知构成信息立方mage边界 mage部分属性认知区域m ge节点mage标志mage体，当该立方体被映射至各种媒介并在信息主体间传播时便形成城市意象信息流， 而当该立方体的信息量达到一定阈值，信息主体就能获得对城市的总体认知。 整体认知图7 城市意象的信息

29、论分解示意图 (图片来源：据参考文献28改绘)Fig. 7 The information theory explanation of the image of the city显然，在信息论视角下，如果以城市为研究对象，那么城市便是信息客体，城市研究专家便是信息主体，城市意象 (映射至图片后) 便是信息载体，其间产生信息流 (如城市意象过程)。由于城市具有一定的时空尺度及其在此尺度上派生的属性差异，所以其信息立方体必然是 的。在此情况下，就连“城市意象”都要借助5 种要素的系列图像来表达城市的主要外部识别特征 (城市意象实际上是城市的简化模型)，所以单独的一幅图像便不足以表达整体的城市了，于

30、此图谱的概念就产生了，而城市意象则是典型的、经过认识论主导原则简化后的图谱。图谱是一个图像序列，其描述的对象是一个时空统一体，故其最大的特征便是具有认识逻辑统一性。 3.2 人居环境意象的图谱表达 与城市意象概念类似，人居环境意象是对人居环境的系统化图像表达。在信息论框架下，人居环境本身被视为信息客体，人居环境工作者可视为信息主体，人居环境意象图谱序列则是信息载体 (图8)。作为信息客体，人居环境是一个比城市更加复杂的对象指代， 通常是指具有一定时空尺度的五大系统聚合体，从主导原则出发，可将其构成简化为三 个模块，分别为自然环境模块 (对应自然系统)、社会环境模块 (对应社会系统和人类系统)

31、和人工环境模块 (对应居住系统和支撑网络系统)。于是，人居环境信息客体便可描述为在一定时空尺度下的自然环境、社会环境、人工环境聚合体。通过信息主体对人居环境客体的直接或间接感知 (如遥感图像)，信息主体便能认识到人居环境主要属性 (包括自然属性、社会属性、人工属性) 的时空差异，当这些差异以图像的形式被映射至物质媒介时便形成信息载体，得到人居环境的初步意象。如果以此为基础对这些图像进行系统分析和综合诊断则可发现人居环境存在的问题，得到派生的图像。如果再以派生的图像为基础进行时空规划、提出解决问题的方案则得到进一步派生的系列图像，这些图像能反过来指导能识别部分属性差 A：信息主体 图像 imag

32、图像 imag图像 imag图像imag图像imag 部分属性综合 图谱 (spectrum)B：信息载体 能存储部分属性差 C：信息客体 具有属性差的客观存 2 期 等：人居环境研究的信息论科学基础及其图谱意象系统 259居环境信息客体的开发和建设，从而构成一个信息流过程 (图8)。在上述过程中，如果信息流过程中的信息量足够大， 则这些图像可被称为“全息图谱”，如果是按照主导原则选取部分重要图像则可称为“意象图谱” (也即人居环境意象)。 受地学信息图谱基本理 决策实施反馈某空间域人居环境单元 第二类认识论信息C：研究对象、信息客体 部分属 性映射 空间域整体认知人居环境信息主体 第一类认识

33、论信息 A：人类系统、信息主体 时空域整体认知 地形图像自然属性 人工属性人居环境空间信息图谱T1B诊断、实 时间施 (信息载体)论 33的启发，上述过程得到的3人居环境时空信息图谱 地形图像 种图谱可分别命名为征兆图 谱、诊断图谱和实施图谱。纳入时空维度考察，如果图谱表达的是空间维度属性差异则为空间图谱、如果表达时间维度属性差异则为时间图谱、如两者兼而有之则为时空综合图谱 (即人居环境图谱)。特别的，按照地学信息图谱的定义33-38，如果上述过程中的图像是数字化、定量化、图形化的，则该图谱为信息图谱。 自然属性 人口图像TiB:规律社会属性时间与建设 （信息交通图像 载体） 人工属性 地形图

34、像 自然属性人口图像Tn社会属性时间交通图像 人工属性图8 基于信息论的人居环境意象图谱概念 Fig. 8 Concept of image spectrum for human settlement based on info-theory4 人居环境信息图谱意象系统 4.1 人居环境信息图谱意象模型 人居环境信息图谱 (信息载体)是对人居环境 (信息客体) 的虚拟映射，源自人居环境信息主体 (人类系统) 的直接或间接感知，由一系列具有逻辑归一性的数字化图像构成，用以表达人居环境的时空维属性差 (也即时空信息)，其概念模型如图9 所示。该模型表达如下内涵。 (1) 人居环境信息图谱是一种信息

35、载体，映射了人居环境信息客体的时空维属性差异 (即人居环境信息)。如果用数字图像存储人居环境客体的信息 (表现为图9 中的像元矩阵)，那么在特定时间点 (如T1)，这些图像构成T1 时刻的信息立方体，该立方体中每幅图像均表示同一空间范围，不同的图像表示该空间范围的不同属性 (如高程、人口、建筑密度、绿地率等)。由于每幅图像的属性域与空间结构均不相同，所以每幅图像的信息量均不一样。按照人居环境科学的定义，可以把这些图像归类为自然环境图像、社会环境图像和人工环境图像3种。由此构成T1 时刻的人居环境空间信息征兆图谱。 (2) 人居环境信息量的多少取决于信息立方体矩阵的规模 (由时空尺度和像元尺度共

36、同决定)、属性域范围及像元值的离散程度。从信息立方体矩阵中可获取3 种信息： 同一时间单幅图像不同网格单元的属性差，表达同一属性 (如高程)的空间差异信息，也即单要素空间信息； 同一时间多幅图像相同或不同网格单元的属性差，表达不同属性 (如高程和人口 网格模型 (grid model) 是最普遍的表示地理空间的数字化模型，该模型任意点的空间坐标可由起始坐标点结合网格单元大小推算，用网格单元的编码值代表该单元的属性 (如类型、高程等)，可以依据该值给网格单元赋予不同的值以表示属性差异。常见的遥感图像、数字照片、扫描图像等均采用该数据结构。 人居环境空间信息图谱B诊断、实施 (信息载体)部分属性认

37、知 人居环境空间信息图谱 B诊断、实施 (信息载体)部分属性认知 人工属性 交通图像 社会属性 人口图像 部分属性认知 地 理 学 报67 卷260密度)的空间比较信息； 不同时间多幅图像相同或不同网格单元的属性差，表达一种或多种属性的时空维变化信息。上述3 种信息中的前两种可归类为空间信息图谱 (第1 种为征兆空间信息图谱、第2 种为诊断空间信息图谱)，第3 种可归类为时空信息图谱 (如果表达的是不同时间同一空间单元的变化信息则为时间信息图谱)。 (3) 以问题为导向，借助专门的分析模型，从上述图像序列中抽取图像进行空间维、时间维或时空维综合分析，可以得到具有问题诊断性质的图像, 典型如人居

38、环境自然系统诊断4 - 7 。以此为基础可做出适当的时空决策，制定实施方案，从而形成对人居环境信息客体的反馈，由此完成人居环境的信息流循环过程 (图9)。在此过程中，信息立方体矩阵称为征兆图谱、抽取图像后进行综合分析派生的图像序列称为诊断图谱33, 39、以诊断图谱为基础做出的实施方案称为实施图谱33, 40。 (4) 人居环境意象是基于主导原则选取的关于人居环境地域单元的心理意象，存在于人 居环境信息主体中；人居环境信息图谱意象则是基于全息原则选取的关于人居环境地域单元的载体意象，存在于人居环境信息载体中，是对上述各种类型图谱的统称 (即系统)，是一系列关于人居环境的时空维度映射和虚拟并由此

39、形成一个人居环境分析、表达、模拟和实验的信息平台。 T轴第一类认识论信息人居环境空间信息图谱Tn时间 征兆图谱 反馈人居环境空间信息图像T时间T轴人工属性 社会属性 T1时间从意象到信息图谱意象自然属性 诊断图谱X 轴Y轴空间维异类属性差空间维同类属性差时间维属性差 属性域 问题导向抽取、诊断、综合第二类认识论信息 图9 人居环境信息图谱的信息论模型 Fig. 9 Information theory model for human settlement environment info-spectrumA：人居环境信息主体 人类系统中的人居环境从业人员 实施图谱 第二 人居环境时空 综合信息

40、图谱类认识论 信息 信息图谱 (spectrum)B：人居环境信息载体 人居环境时空单元数字化模型 C：人居环境信息客体 人居环境时空单元 2 期 等：人居环境研究的信息论科学基础及其图谱意象系统 261(5) 人居环境科学是一个开放的学科群1，需要吸纳相邻学科的基础理论与方法。相应地，人居环境信息图谱也需要在其构建过程中纳入信息科学、地理学、生态学、计算科学、经济学等相关学科的技术方法与分析模型。在图9 所示的信息论模型中，该思想主要在人居环境征兆图谱衍生诊断信息图谱和实施信息图谱的分析过程中得以实现。一些典型的地理时空分析方法，如人居环境指数模型5-7、CA 模型、空间句法、系统动力学方法

41、等可以在此过程中得以运用。 4.2 人居环境信息图谱意象系统主要特征 人居环境信息图谱具有6 大特性，包括： 认识系统性。表现在3 个方面：第一是描述对象的系统性。人居环境信息图谱是人居环境的系统化意象，包含自然环境、社会环境 (含人类系统) 和人工环境 (含居住系统和支撑网络系统)，可以通过诊断和实施图谱对以上3 个方面的信息进行综合，可真正实现人居环境研究的有机融贯。第二是研究维度的系统性。人居环境信息图谱统筹考虑了时空维度及属性维度差，由此派生时间、空间及时空综合信息图谱的概念。第三是信息分析过程的系统性。人居环境信息图谱以人居环境信息主体、客体、载体概念为基础，通过人居环境信息图谱载体

42、实现多主体信息综合、客体度属性的 综合和多载体的综合。 逻辑归一性。指人居环境信息图谱所蕴含的所有信息均是指向同一对象 (即人居环境)。源于人居环境自身复杂性，一般很难用某种单独的方法来对其进行系统性综合，人居环境信息图谱首先在概念上搭建了一个共同的语义和方法论平台，为人 居环境研究的系统性提供理论基础。 时空融合性。指人居环境信息图谱的信息构成均以时空维度作为基本参考，信息图谱可以对时空信息进行分析和集成，用以表达人居环境的 时间、空间、属性三位一体的存在特性。 图谱数字化。指人居环境信息图谱的基本信息 主要为数字化信息，这是“信息图谱”与“图谱”的最大区别，人居环境信息图谱数字化的实现必须

43、依赖于某些特定的技术平台 (GIS 和RS 等)，而传统城市规划的技术手段难以满足这种数字化要求，构建在信息图谱平台上的人居环境研究可以以数字化图像分析为基础实现人 居环境研究的定量化、科学化和实验化。 表达图形化。指人居环境信息图谱的基本工具 是图像，用以表达时空形态。关键过程包括图像信息的生成、提取、分析、表达等。 方法 模型化。指人居环境信息图谱的构建与分析过程均以特定的数值计算模型为基础，以定性与定量相结合的方式实现人居环境研究的模型化，以为人居环境研究的科学性奠定基础。 4.3 人居环境信息图谱意象概念系统推演 人居环境信息图谱是一种基于人居环境意象的数字化、空间化图像系统，与一系列

44、基本概念有关 (图10)。从空间尺度出发，人居环境的研究尺度可以简化为3 种，即宏观层次、中观层次和微观层次；从内涵构成出发，人居环境的组成也可以简化为3 大模块，即自然环境模块、社会环境模块和人工环境模块。相应地，人居环境信息图谱由上述内容交叉派生出9 种类型的征兆信息图谱 (信息立方体)。以问题为导向，借助特定的问题诊断模型和方法，在征兆信息图谱的基础上可以对人居环境的基本问题进行诊断，探寻其核心的内部矛盾从而派生3 种空间尺度的诊断信息图谱；以人居环境科学倡导的5 大原则1和发展目标为出发点， 结合诊断图谱的结论可以再次派生3 种空间尺度的实施信息图谱。纳入时间维度考察，上述内容在时间维

45、度均会连续生长，如果考察的空间单元只有一个则其为时间信息图谱，如果考察的空间单元大于一个，则其为时空信息图谱，也即人居环境信息图谱。总结来看，人居 人类聚居学的创始人道萨迪亚斯 (C.A.Doxiadis) 也将人类聚居的空间尺度也分为3 个层次，共15 种单元。宏观、中观、微观的划分标准大致与道氏的3 个层次对应。具体地，微观层次一般指从个人至邻里(neighborhood) 范围，中观层次一般指从城镇至都市区范围，宏观层次则一般指大区域范围，大区域可以是城市群、城市延绵带、省 (市) 区、国家、大洲或全球。参见: 吴良镛. 人居环境科学导论M. 北京: 中国建筑工, 2001: 229-2

46、30；Doxiadis C. A. Action for Human Settlements. Athens: Athens Publishing Center,业1975. 地 理 学 报67 卷262图10 人居环境信息图谱概念系统推演逻辑 Fig. 10 The derivation logic for human settlement info-spectrum conceptual system环境信息图谱的概念系统由3 大层次 (宏观、中观、微观)、3 大模块 (自然、社会、人工)、3 种类型 (征兆、诊断、实施) 和3 种维度 (时间、空间、时空综合) 交叉推演而成，在实际运用中

47、可根据具体情况构建相应的人居环境信息图谱系统。 5 总结与讨论 信息论视角下的人居环境研究有大论域，分别是： 信息本体的界定； 信息流向的界定； 信息流内容的界定。信息本体的界定需要明确信息主体、信息客体和信息载体的 基本内涵和范畴。根据人居环境科学的一般理论，人居环境信息主体可分为广义主体和狭义主体两种，前者指人居环境中的人类系统，后者主要指人居环境专业人员 (如规划师、建筑师、测量员、建筑工人等)；人居环境信息客体指具有特定时空尺度的人居环境单元，由自然环境模块 (自然系统)、社会环境模块 (包括人类系统和社会系统)、人工环境模块 (包括居住系统和支撑网络系统)综合而成；人居环境信息载体也

48、可以分为广义载体和狭义载体两种， 前者指一切能存储人居环境时空信息的物质媒介，后者特指人居环境信息图谱。人居环境 的信息流向分为2 种， 正向信息流 (第一类认识论信息)，发生于人类系统对人居环境的认 知过程，此时信息客体是信息源； 反向信息流 (第二类认识论信息)，发生于人类系统对人居环境进行主观规划、建设过程，此时信息主体是信息源。人居环境信息流的内容也即人居环境信息，是对人居环境信息客体时空维度属性差异以及人居环境信息主体设计意象的映射，可以通过人居环境信息图谱进行存储、分析和传递，形成对人居环境的模拟、实验、控制平台。 人居环境信息图谱的基本理论框架来源于人居环境科学、地学信息图谱和信

49、息论的交叉，其本质是一种基于人居环境意象的数字化图像存储、分析、可视化系统，在信息论视角下是一种狭义的信息载体，“狭义”的内涵特指人居环境信息图谱具有图像化、数字化、时空化、模型化的基本特征。根据人居环境科学和地学信息图谱的基本理论，人居环境信息图谱的 图谱维度 人居环境空间信息图谱 时间信息图谱 人居环境信息图谱（时空信息图谱） 人居环境规划与建设 宏观人居环境实施信息图谱 中观人居环境实施信息图谱 微观人居环境实施信息图谱 人居环境空间实施信息图谱研究尺度 大 中 小 图谱特性 变化周期 长 中 短 人居环境系统问题诊断 宏观人居环境诊断信息图谱 中观人居环境诊断信息图谱 微观人居环境诊断

50、信息图谱 人居环境空间诊断信息图谱五大原则、具体目标与现实问题博弈 TiTn T1时段 1宏观层次 2中观层次 3微观层次 图谱类型 N自然环境 宏观自然征兆信息图谱 中观自然征兆信息图谱 微观自然征兆信息图谱 人居环境空间征兆信息图谱S社会环境 宏观社会征兆信息图谱 中观社会征兆信息图谱 微观社会征兆信息图谱 A人工环境 宏观人工征兆信息图谱 中观人工征兆信息图谱 微观人工征兆信息图谱 2 期 等：人居环境研究的信息论科学基础及其图谱意象系统 263理论概念系统由“四三”结构组成。四三结构分别指3 大层次 (宏观、中观、微观)、3 大模块(自然、社会、人工)、3 种类型 (征兆、诊断、实施)

51、和3 种维度 (时间、空间、时空综合)。从四三结构可以派生出众多的下一级概念，如宏观自然环境诊断空间信息图谱 (如中国人居环境自然适宜性诊断)、中观社会环境诊断空间信息图谱、微观人居环境实施信息图谱等。一般情况下，一个完整的人居环境信息图谱研究应当包含征兆图谱、诊断图谱和实施图谱 3 种类型。 人居环境信息图谱研究目前处于起步阶段，在本文提出的基本理论框架基础上还需要做大量实践工作，主要包括： 理论基础深化工作。主要包括人居环境的语义模型建构 (用 于分析人居环境子系统要素构成及其间的逻辑关联)、人居环境诊断模型建构 (用于分析人居环境的核心问题和主要矛盾)、人居环境空间规划模型 (提出基于信

52、息图谱的空间规划模式和方法)的建构等工作。 技术方法实验工作。内容包括人居环境子系统指标体系的建立、指标系统数量化集成方法、人居环境数量化诊断模型方法等。 图谱模型建构工作。包括人居环境征兆、诊断、实施信息图谱可视化模型建构等内容。地域实证研究。以上述 内容为基础进行各个空间层次人居环境空间信息图谱的实证研究，以此检验和修正人居环境信息图谱的基本理论与方法。 参考文献 (References)1 Wu Liangyong. Introduction to Sciences of Human Settlements. Beijing: China Construction Industry Pr

53、ess, 2001. 吴 良镛. 人居环境科学导论. 北京: 中国建筑工业, 2001.2 Zhou Ganzhi. City and its region: A typical open complex huge system. Urban Planning, 2002, 26(2): 7-10. 周干峙. 城市及其区域: 一个典型的开放的复杂巨系统 . 城市规划, 2002, 26(2): 7-10.3 Wu Liangyong. Setting out from the general theory of architecture and the sciences of human se

54、ttlements. Urban Planning, 2009, 34(2): 9-13. 吴良镛. 从“广义建筑学”与“人居环境科学”起步. 城市规划, 2009, 34(2): 9-13.4 Feng Zhiming, Tang Yan, Yang Yanzhao et al. The relief degree of land surface in China and its correlation with population distribution. Acta Geographica Sinica, 2007, 62(10): 1073-1082. 封志明, 唐焰, 杨艳昭 等. 中国地形起伏度及其与人口分布的相关性.