鄭束蕾

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001

長久以來，人們對于自身活動的環(huán)境和空間一直保持著蓬勃的好奇心，從未停止過探索的腳步。人類了解和操縱環(huán)境的心智能力也叫空間認知能力(spatial-cognitive ability)。對環(huán)境的認知，主要指心理表征(認知繪圖能力)和在環(huán)境中找路，主體是地理空間認知[1]。地圖作為人類空間認知和空間思維的重要工具，將空間認知的結(jié)果進行固化和抽象[2]，從而完成地理信息的視覺表達和信息傳遞，為人們了解城市格局、制定旅行路線、打車出行或自駕導(dǎo)航等地理空間活動提供輔助決策[3-4]。近年來，機器制圖、智能駕駛、無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，還涉及計算機、紅外與信息技術(shù)等，凸顯了對地理空間認知的急迫需求。認知心理學(xué)為地理空間認知研究提供了理論依據(jù)，人工智能技術(shù)為地理空間認知提供了高效計算方法，生物信息技術(shù)為地理空間認知提供了自然交互手段，共同促使其在沉寂了一段時間后再次得到關(guān)注，并且具有鮮明的時代特征。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“空間認知”這一基本概念的理解不盡相同，分化出基于腦神經(jīng)機制的空間認知機理和基于傳感器量測技術(shù)的認知空間擴展兩種趨勢，這是由空間認知的學(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題：①地理空間認知從哪里來？在當今時代有哪些發(fā)展變化，要到哪里去？②地理空間認知和認知地理空間是不是同一回事，這里的認知是名詞還是動詞？地理空間認知是腦科學(xué)、認知心理學(xué)的應(yīng)用，還是測繪技術(shù)的延伸？③地圖在其中扮演著什么角色，即將隨時代進步而消亡，還是從傳統(tǒng)測繪中解放出來？④究竟是讓機器代替人，還是以機器和技術(shù)輔助人，地理空間認知的主體究竟是誰？

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

1 地理空間認知的緣起與現(xiàn)狀

1.1 空間認知的心理學(xué)起源

認知科學(xué)誕生于20世紀50、60年代的“認知革命”，脫胎于認知心理學(xué)，一般認為有6個主要學(xué)科來源[6-7]：哲學(xué)、心理學(xué)、計算機科學(xué)、語言學(xué)、人類學(xué)、神經(jīng)科學(xué)，但忽略了圖形科學(xué)對認知科學(xué)的貢獻，以及地圖對于空間認知的重要作用。圖1為修改后的認知科學(xué)六邊形(原“認知科學(xué)六邊形”[6-7]中忽略了“圖形科學(xué)”對認知科學(xué)的貢獻，以及地圖對于空間認知的重要作用，圖1將“圖形科學(xué)”補充至“語言學(xué)”一角。)。第一代認知科學(xué)以符號加工和聯(lián)結(jié)主義的并行加工為主要研究策略。20世紀80年代，心理學(xué)家對“情境性”與“具身性”空前關(guān)注，提出了“具身認知”的概念，強調(diào)“生態(tài)效度”[8-10]。第二代認知科學(xué)從控制試驗轉(zhuǎn)向情境分析，從個體加工機制的探討轉(zhuǎn)向社會實踐活動的分析，從靜態(tài)表征轉(zhuǎn)向認知動力學(xué)分析。認知科學(xué)與生俱來的學(xué)科交叉特性，第二階段向情境性、具身性、動力性的范式轉(zhuǎn)向[8]，以及在人工智能領(lǐng)域的根源貢獻，為地理空間認知提供了理論基礎(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，為地理空間認知研究提供了技術(shù)借鑒[13-14]。

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

1.2 地理空間認知的研究現(xiàn)狀

心理學(xué)與地理學(xué)中的空間認知研究，在研究目的和地圖作用等方面都有所不同。例如，心理學(xué)研究常常從實驗心理學(xué)、工程心理學(xué)、人因工程及用戶體驗等角度出發(fā)，僅把地圖作為試驗測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)境的認知特點，指導(dǎo)地圖可視化設(shè)計，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、記憶、決策等認知結(jié)果。由于選題艱澀、試驗困難、成果周期長、工程效益弱等困難，地理空間認知研究在很長一段時間內(nèi)成為冷板凳，研究隊伍斷層，難有理論突破。但最近，人工智能的技術(shù)進步大大超越了理論研究的步伐，各種機器學(xué)習(xí)算法、模型、技術(shù)的自發(fā)無序的發(fā)展遭遇了嚴重瓶頸，人類智能和認知機制成為不可回避的問題。特別是智能駕駛遭遇的倫理選擇之難，暴露了缺少認知思維的弊端。在技術(shù)應(yīng)用的折戟倒逼下，地理空間認知研究重新活躍起來。

地理學(xué)者紛紛關(guān)注地理空間認知領(lǐng)域，呼吁解決認知理論研究滯后于技術(shù)發(fā)展的問題[13]。文獻[15]指出了地圖與空間認知的關(guān)系。文獻[16]認為，空間認知研究改進了用戶界面設(shè)計、深化了人類對環(huán)境的思考和理解，基于位置科學(xué)的空間認知是十分活躍的研究領(lǐng)域。文獻[17—18]關(guān)注了智能制圖、知識制圖與時空大數(shù)據(jù)中的基礎(chǔ)認知問題，闡述了人腦地圖空間認知與人-機融合空間認知的區(qū)別與聯(lián)系。文獻[19]強調(diào)了室內(nèi)增強環(huán)境空間認知及人機協(xié)同問題。文獻[20—22]關(guān)注了智慧城市多視角認知，呼吁在“泛地圖學(xué)”時代要加強“三元空間”基礎(chǔ)理論研究。文獻[23]類比傳統(tǒng)GIS的發(fā)展，提出虛擬地理空間及人文社會空間中的認知問題。文獻[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知感受。文獻[25—28]分別對用戶的地圖專業(yè)背景、性別及地理環(huán)境表達形式等造成的空間認知差異進行了眼動試驗系列研究，并對當代眼動試驗地理應(yīng)用進行了總結(jié)。文獻[29—33]對心象地圖及空間認知基礎(chǔ)理論[29-30]、個性化地圖眼動試驗[31-32]、自適應(yīng)制圖技術(shù)[33]等進行了系列研究。文獻[34—35]對游戲地圖中的空間認知問題及三維空間認知差異進行了探索。文獻[36]基于智慧空間系統(tǒng)的認知科學(xué)特征，提出了空間信息的自然語言表達模型，探討了學(xué)科交叉融合趨勢。文獻[37]采用認知試驗的方法,研究了路徑認知與自然語言表達所涉及的空間關(guān)系。文獻[38]從制圖綜合的角度，研究了地圖認知表達的抽象性與具象性。文獻[39]關(guān)注了應(yīng)急救援室內(nèi)地圖的空間認知基礎(chǔ)及過程。文獻[40]從移動地圖認知需要入手，提出了POI動態(tài)綜合算法。文獻[41]提出了虛擬地理環(huán)境的認知研究框架。

各大高校和研究機構(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)立空間認知實驗室和研究院(所)，開展國際合作。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知與可視分析研究中心，重點研究空間認知理論及試驗驗證；武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗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)成立了空間認知研究室和認知工效學(xué)聯(lián)合實驗室，提出新地圖學(xué)學(xué)科體系。

近年來，各類國內(nèi)外學(xué)術(shù)組織中的相關(guān)委員會，也積極組織空間認知相關(guān)的專題會議，如第29屆國際地圖制圖大會、第28屆國際地理信息學(xué)會議-國際華人地理信息科學(xué)協(xié)會年會、2018—2021年中國地理信息科學(xué)理論與方法學(xué)術(shù)年會、第3—6屆全國地圖學(xué)理論與方法研討會、第1屆地圖與空間認知會議、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”、“空間認知與空間推理”、“人腦地圖空間認知與人機融合多模式時空認知”、“地圖空間認知理論與方法”、“空間認知與地圖可視化”、“空間認知與地理智能”、“GeoAI地理空間智能”等專題。

2 地理空間認知理論及分化

2.1 地理空間認知的經(jīng)典理論模型

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

2.1.1 地圖空間信息傳輸模型

在地理空間認知領(lǐng)域，文獻[42]提出了地圖空間信息傳輸模型，詳細描述了地圖信息傳輸?shù)穆窂?，地圖在空間認知中的核心作用，以及地圖制圖者與用圖者在空間認知理解上的影響因素。該地圖信息傳輸模型是第一個地圖空間認知模型，對于后來地理空間認知的理論發(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[5，43—45]認為，從地圖學(xué)角度來定義空間認知，是人們認識自己賴以生存的環(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認知是人們對出現(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)位置的認識過程和能力；是對事物和現(xiàn)象的發(fā)生、影響、因果進行分析研究的基礎(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—實地，數(shù)字地圖—讀者3個關(guān)系，標志著地圖空間認知理論與地圖制圖技術(shù)的發(fā)展，反映了信息時代地圖學(xué)的變革(如圖2所示)。文獻[15]繼續(xù)關(guān)注人-機-環(huán)境研究，提出了放飛地圖的空間認知新思想。

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 多模式時空綜合認知模型

文獻[3]認為，空間認知就是研究空間信息處理的過程，或者說是研究人們怎樣認識自己賴以生存的環(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，以及它們隨時間變化的運動演化規(guī)律。基于傳感器網(wǎng)絡(luò)由“現(xiàn)實的地理世界”到“感知的地理世界”(包括感知、表象、記憶、思維等一系列過程)、“重構(gòu)的地理世界”、再到“認知的地理世界”的空間認知概念模型(如圖3所示)，為大數(shù)據(jù)時代的知識制圖、智能制圖奠定了理論依據(jù)[17，46]。時空大數(shù)據(jù)時代的到來，使地圖空間認知模型向多模式時空綜合認知模型轉(zhuǎn)移。

圖3 智能制圖空間認知模型[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[20—22]認為，信息與通信技術(shù)的快速發(fā)展帶動人類進入地理空間、人文社會空間和信息空間相融合的三元空間。地圖制圖的目的、人員、對象和環(huán)境等均發(fā)生巨大變化，地圖的類型、空間對象、表達維度、地圖角色等呈現(xiàn)出顯著泛化特征，現(xiàn)有地圖學(xué)理論無法引領(lǐng)和指導(dǎo)當代的地圖實踐，地圖學(xué)理論亟待“突圍”。文獻[20]提出ICT(information and communication technology，ICT)時代泛地圖理論，如圖4所示，辨析三元空間對象的結(jié)構(gòu)關(guān)系和抽象模式，構(gòu)建泛地圖對象空間理論；解析泛地圖表達維度空間，建立泛地圖表達維度譜系；挖掘泛地圖表達機制與方法，揭示各類三元空間對象的有效性規(guī)律，實現(xiàn)對三元空間的泛地圖的優(yōu)化表達。

圖4 ICT時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)、智能化表達等方面具有深遠的意義，為當今智能化的地理空間認知打下了堅實的理論基礎(chǔ)。

2.2 地理空間認知與認知地理空間

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

當前地理學(xué)界還有另一類認知地理空間的研究，重點是空間探測能力的提升及測繪技術(shù)的進步。這類研究主要借助智能數(shù)字探測技術(shù)，豐富創(chuàng)新測量手段，拓展人類認識的空間范圍，涉及太空、地下、室內(nèi)、室外等多種空間類型。它以對地觀測與導(dǎo)航技術(shù)、深空探測與傾斜攝影測量技術(shù)、遙感數(shù)據(jù)星地協(xié)同技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實時多源異構(gòu)傳感技術(shù)、實時高精度導(dǎo)航技術(shù)、泛在互聯(lián)與位置服務(wù)技術(shù)、時空大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)、云服務(wù)支撐的社會計算技術(shù)、智能感知定位與移動測量技術(shù)等為基礎(chǔ)，通過各種測繪技術(shù)豐富、拓展、改造人類的認識能夠到達的空間范圍，注重利用傳感技術(shù)和計算機視覺建立和維護“全息”、“全空間”的時空數(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，地圖在其中充當了測量結(jié)果的可視化手段或定位操作技術(shù)平臺的角色。文獻[47]提出智慧GIS應(yīng)用的“四個腦”，關(guān)注了智能駕駛和移動測量實時感知問題。文獻[48]認為，在“人機協(xié)同”到“人機合一”的交互過程中，人與環(huán)境關(guān)系的感知、認知和相應(yīng)服務(wù)成了泛在測繪的重點特色要素。文獻[17，46]關(guān)注了時空大數(shù)據(jù)中GIS數(shù)據(jù)與行業(yè)數(shù)據(jù)的集成方法。文獻[49]提出了全空間信息系統(tǒng)的概念，將GIS的空間尺度擴展到了微觀和宏觀空間。文獻[50]從地理空間視角提出區(qū)域綜合評估方法與示范。文獻[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。

前者是對空間認知機理的研究，重點是以生理學(xué)、心理學(xué)為基礎(chǔ)對人腦空間信息加工過程和規(guī)律進行分析與試驗驗證，其中的“認知”是名詞；后者是對空間認知技術(shù)的應(yīng)用，重點是如何利用測繪技術(shù)方法更精、更遠、更廣地認識人類生存空間，其中的“認知”是動詞。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 地理空間認知的重要工具——地圖

3.1 地圖的雙向空間認知作用

空間認知是地圖的主線。地圖是空間認知和空間思維的工具[2]，也是國際上3大通用語言(音樂、繪畫、地圖)之一[52]。是跨越時間和空間、自然和人文，綜合運用地理學(xué)、測繪學(xué)、信息技術(shù)、認知科學(xué)、人工智能等幾大科學(xué)領(lǐng)域知識[45]，科學(xué)表達復(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]，具有普適性和頑強的生命力?？臻g認知是地圖學(xué)與認知科學(xué)(認知心理學(xué))的碰撞[5]。把認知科學(xué)的方法引入地圖學(xué)研究主要有兩個目的：①弄清地圖是人類認知空間環(huán)境的結(jié)果，又是依據(jù)的信息加工機制；②弄清地圖設(shè)計制作的思維過程并設(shè)法描述它們[5]。

周圍環(huán)境既包括實體地理環(huán)境，也包括增強環(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)成空間認知的基礎(chǔ)情境；作為研究對象的各種事物和現(xiàn)象，既包括人類主體對自身存在的認識(具身認知[53])，對周邊事物、現(xiàn)象的實際地理位置、發(fā)展變化規(guī)律等的理解，也包括人類對虛擬環(huán)境中各種實體對象的推理分析，還包括作為人類化身的機器智能對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、知識推理等的智能計算，如SLAM；認識過程和能力隨著腦科學(xué)技術(shù)、認知心理學(xué)試驗方法、計算機信息處理技術(shù)、人工智能技術(shù)、測繪技術(shù)等的進步得以增強和拓展。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，比如增強現(xiàn)實中各類虛實地物的相對位置隨視角變換而實時構(gòu)建，又如智能駕駛中的認知主體可以是人、機或者二者的協(xié)同，人-機-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，實現(xiàn)由“地理世界”到“地圖世界”的轉(zhuǎn)變；利用地圖進一步認識復(fù)雜非線性地理世界，實現(xiàn)由“地圖世界”到“地理世界”的轉(zhuǎn)變。這種指導(dǎo)行動并反饋信息的“雙向”轉(zhuǎn)變的認知模式，反映了地圖哲學(xué)思維[17]。

3.2 地圖空間認知的研究方法

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

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

(2) 眼動追蹤技術(shù)的研究。人們?nèi)粘Ｉ钪兴@取的信息有80%～90%來源于視覺通道[59-60]。眼動追蹤技術(shù)基于眼腦一致性假說[61]，因其客觀、直觀、不介入的優(yōu)點[28,31-32]，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、廣告設(shè)計、體育、交通等各個行業(yè)，通過眼動頻率、眨眼頻率、瞳孔直徑、眼球運動方向等重要指標[62-66]的定性與定量分析[67]，支持了地鐵設(shè)計(社會空間)、景區(qū)規(guī)劃(旅游空間)、運動搜索(運動空間)、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]等方面的空間認知研究。眼動追蹤技術(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[69]、視覺變量[70]、語義傳輸[71-72]、地圖可用性[73-74]等方向[68,75-77]。文獻[68，78—80]分析了地圖閱讀眼動模式和認知效率。文獻[70,75—76,81—82]研究了地圖動態(tài)視覺搜索策略。文獻[52，74，77，84—85]關(guān)注了小屏幕導(dǎo)航地圖和虛擬環(huán)境。國內(nèi)的地圖眼動研究也進展迅速，文獻[85]提出把眼動研究作為主要視覺試驗方法，探求地圖設(shè)計中讀者對地圖注意力的集中和興趣。

(3) 以眼控為主的交互研究。“認知不僅僅發(fā)生在腦中，而更多的是產(chǎn)生于腦、身體及世界的動態(tài)交互作用中”[86]。視覺搜索是獲得視覺信息行為和信息加工過程的重要手段，眼動模式還能夠表達人的認知需求，在獲取信息的同時發(fā)出需求指令，節(jié)省認知帶寬，減輕認知負荷[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,眼動注視點渲染技術(shù)支持分層細節(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)計算量大引起的配準偏差和暈動癥等問題，使交互體驗更加自然、流暢、人性化[88]。因此，眼動儀廠商加緊研發(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或投資眼動技術(shù)力量，促進其應(yīng)用[89]，眼動、腦電、手勢、語音等聯(lián)合傳感交互在人工智能應(yīng)用中得到了越來越多的重視。但當前在地理信息服務(wù)中，眼動追蹤技術(shù)仍僅僅被作為一種試驗或評估手段[61，73-74]，交互應(yīng)用速度遠遠落后于移動設(shè)備、智能駕駛、智慧家居等領(lǐng)域[90]。

4 新時期地理空間認知的發(fā)展

4.1 地理空間認知的3個發(fā)展方向

人工智能根源于認知心理學(xué)，因其學(xué)科交叉性和前沿性，至今尚無統(tǒng)一的定義[91]，主要從思維、腦、身體3個方面與空間認知相聯(lián)系：基于數(shù)理邏輯運算的計算機符號操作，模擬人類的認知過程來獲取知識；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)及其鏈接機制來開發(fā)深度學(xué)習(xí)算法；基于具身感知和行動的研究，關(guān)注智能體與外界環(huán)境的交互建立自適應(yīng)“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)[8，86]。以上研究的目標都是創(chuàng)造出一個可以像人類一樣具有智慧、能夠自適應(yīng)環(huán)境的智能體。但認知的核心是智能和心理，而人工智能的核心是計算和數(shù)理。目前的人工智能仍然以計算機為中心，并沒有實現(xiàn)“以人為中心”的認知，還處于有計算而無算計、有智能而無智慧、有感知而無認知的階段[53]。這個階段的地理空間認知研究，也可細分為語義計算認知、腦科學(xué)認知機制和具身認知3個主要方向：

(1) 語義計算認知。受符號主義學(xué)派影響，利用計算機模擬的多維虛實地圖及其符號語義[92]來建立各種認知計算知識系統(tǒng)，如由個性化地圖設(shè)計系統(tǒng)到自適應(yīng)地圖可視化系統(tǒng)、由專家支持系統(tǒng)到各種知識服務(wù)系統(tǒng)。目前的關(guān)鍵問題是，如何超越直覺的理解，科學(xué)準確地定義這些認知基本變量，從而建立統(tǒng)一的認知基本單元模型[93]。語義計算認知主要解決空間知識如何描述的問題。

(2) 腦科學(xué)認知機制。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)致認知結(jié)果差異，可以借助認知心理學(xué)實驗手段來探索人腦中的信息加工機制，如由認知結(jié)果轉(zhuǎn)向更加關(guān)注認知過程，由問卷測試轉(zhuǎn)向?qū)崟r的生理信息監(jiān)測，由單一的視覺實驗轉(zhuǎn)向眼動、腦電、表情等聯(lián)合實驗結(jié)論。腦科學(xué)認知機制主要解決空間知識怎樣存在的問題。

(3) 具身認知。受行為主義學(xué)派影響，借助多通道傳感器來感知態(tài)勢和智能交互，努力使計算機通過模擬人類的自然交互達到自適應(yīng)環(huán)境解譯和智能空間認知的目的[8，53]。人類所獨有的高階智慧能力只需要非常少的計算能力，例如推理，但是無意識的技能和直覺卻需要極大的運算能力?？臻g認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技能[94]。具身空間認知主要解決空間知識如何應(yīng)用的問題。

4.2 地圖空間認知的發(fā)展及特點

地圖是地理空間認知的核心。從歷史上看，人類空間認知能力的進步推動著地圖學(xué)的歷史發(fā)展[44，52]。依據(jù)人的空間認知的進步來定義地圖史的階段，可以劃分為遠古地圖、古代地圖、近代地圖、現(xiàn)代地圖。巖畫地圖表達了遠古時期人們對生存空間的記憶；《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，表達了先祖對于航海路線和國家疆域的認知[52，85]；實測地圖、地形圖與地圖集的出現(xiàn)，是人們運用制圖技術(shù)思維和理解時空的體現(xiàn)；電子地圖、手機地圖、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)對于人類認知空間的擴展與思維方式的沖擊。

新時期人工智能技術(shù)引入地理空間認知，又在語義計算認知、腦科學(xué)認知機制和具身認知3個主要方向上，促使地圖學(xué)發(fā)生著翻天覆地的變化：機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)卷積網(wǎng)絡(luò)等算法的深入研究，刺激了機器地圖、賽博地圖、高精地圖、時空大數(shù)據(jù)分析、空天探測技術(shù)、地理信息邊緣計算及云服務(wù)等創(chuàng)新發(fā)展；人腦細胞作用及神經(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知機制；智能駕駛等新的人-機-環(huán)境具身認知需求，促使技術(shù)創(chuàng)新來構(gòu)造更加逼真、多維、動態(tài)、沉浸、耦合的AR、VR、MR地圖，同時召喚加速對新型空間認知問題的理論研究。

新時期的地圖空間認知主要有以下幾個方面的特點：

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

(2) 各種新地圖[16]、準地圖[19]、泛地圖[20-22]的出現(xiàn)，勢必會帶來新的地理空間認知問題，而地圖在其中的作用還沒有被充分發(fā)掘出來。在當前的“新地圖學(xué)”學(xué)科體系和“人—機器人—地圖—環(huán)境”新框架中，地理空間認知的研究重點是以地圖為工具的人機協(xié)同認知問題。以視覺為主、基于多傳感器的聯(lián)合試驗與交互研究具有很大空間。

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

5 結(jié) 語

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

認知科學(xué)與生俱來的學(xué)科交叉特性，決定著地理空間認知研究是一個心理學(xué)、語言學(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)雜問題。人機協(xié)同認知可能是較長一段時期內(nèi)的主要方式，同時又帶來了認知主體分裂的新問題，其理論、技術(shù)與試驗研究面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)[6]。信息傳輸與人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，將地理空間認知的對象由自然空間、人文空間，擴展到模擬空間、信息空間和虛擬空間(混合空間)，技術(shù)研究熱點集中在腦神經(jīng)機制基礎(chǔ)、個性化與自適應(yīng)技術(shù)[45]、人文地理空間認知[20]、數(shù)字孿生環(huán)境認知[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。許多無法準確定義的“新地圖”、“準地圖”或“泛地圖”的出現(xiàn)，模糊了地理空間認知和地圖空間認知的界限，對傳統(tǒng)地圖學(xué)中的空間認知研究產(chǎn)生了顛覆性的影響。但是，當前地理空間認知的主體仍然是人，地圖仍然是空間認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知規(guī)律以及人機協(xié)同認知機理，進一步發(fā)揮地圖的空間認知作用，使機器真正學(xué)習(xí)、理解、增強，而不是替代或淡化人類的空間認知能力，是人工智能應(yīng)用和發(fā)展新時期不可回避的問題。