第53卷第2期
1998年3月地 理 学 报ACT A GEO GRA PHICA SIN ICA V ol. 53, N o. 2M ar. , 1998
地理认知理论内涵分析
鲁学军(中国科学院地理研究所, 北京 100101) 承继成
(北京大学遥感与地理信息系统研究所, 北京 100871)
提 要 在分析现有地理信息系统以及地理专家系统的研究特点之后, 提出对于以研究和
模拟地理学家的逻辑思维方式为目的的“地理认知理论”进行研究。在对地理认知理论的两个
重要概念—地理意向和地理意象所表明的有关地理思维的特点和意义分析基础之上, 对于地理
研究过程及其研究方法进行了认知分析, 对空间行为决策符号系统进行了研究, 并对地理认知
理论研究体系进行了初步分析。
关键词 地理认知理论 地理意向 地理意象 地理思维
1 引言
产生于20世纪60年代的地理信息系统(GIS ) , 主要服务于资源和环境领域, 现已在区域管理、规划和决策支持方面得到了广泛应用。但是, 地理信息系统现有解决问题的方法模型基本上是以数学方法为基础建立起来的, 其所能解决的实际问题也主要是那些能够用数学方法描述和解释的具有确定性解的问题。然而, 在地理实际工作中, 经常遇到的却是大量具有不确定性解的问题, 如土地利用评价、水土保持规划等, 这些问题很难应用数学方法来进行描述。为应用地理信息系统来解决实际工作中所遇到的不确定性问题, 80年代初期, 国外的一些地理学家开始研究基于知识的地理学分析方法, 并提出了应用专家系统来解决地理问题的设想[1]。进入80年代中后期, 以Smith T R 为代表的一批地理学专家提出了基于地理知识的地理信息系统的概念, 即在普通地理信息系统中加入一个地理知识库来使系统具备一定的知识推理能力。在同一时期, Robinso n V B, Frank A U 等人在基于知识的地理学研究方法分析基础之上, 提出了基于地理信息系统的专家系统设计思想。
在对于地理信息系统与地理专家系统(GES ) 设计技术的研究过程中, 笔者深刻地认识到理论建设的重要性, 尤其是在对于地理专家系统的软件设计研究过程中, 深感在“地理信息、知识的计算机处理技术研究”与“地理学理论分析和方法研究”之间存在着“裂谷”。由于“裂谷”的存在, 使得地理学领域内许多专业的有关“知识库”及其“推理机”建立不起来, 已建立起来的“推理机”的推理机制大都比较简单, 以致于不能很好地模拟地理专家的“地理思维”。因此, 需要在“地理信息、知识的计算机处理技术研究”与“地理学理论分析和方法研究”之间架起一座“桥”。这就正如陈述彭先生指出的:“地理学的语言和计算机语言之间还缺少接口”[4], 需要在两种语言之间建立一种“接口语言”。
鉴于现有地理信息系统和地理专家系统的研究特点, 本文提出了一个以研究和模拟地理学家的逻辑思维方式为目的的“地理认知理论”, 并对该理论进行了初步探讨。 来稿日期:1997-01; 收到修改稿日期:1997-12。[3][2]
2期 鲁学军等:地理认知理论内涵分析1332 地理认知理论的提出
地理专家系统(以及地理各种辅助决策支持系统) 是一个基于地理知识的智能推理系统, 它涉及到对地理知识获取、地理知识表达、地理知识库、地理推理控制机制以及智能化人—机界面的研究, 它集人工智能与地理专业领域知识于一体。
近些年来, 与其它领域积极开发本领域专家系统一样, 国内外地理学界也在探索研究地理专家系统。迄今, 通常的地理专家系统研究, 主要是围绕着以人工智能中已有的知识表达方法的具体应用为中心展开的。可以说, 现有地理专家系统的研究特点主要是从计算机软件技术角度出发, 以地理知识的形式化为主要目的, 而忽视了地理学专家在解决问题时的逻辑思维体系的研究, 因而现有地理专家系统的知识推理控制机制都比较单一, 有的推理机制甚至简单化为地理知识的比较查询。
实质上, 地理专家系统是要模拟地理学界某一领域专家在解决某一类型问题时的逻辑推理方式。因此, 地理专家系统的研究方法不但需要计算机软件技术的支持, 而且需要有关构建地理专家系统的理论为指导。地理专家系统的理论包括两个部分:①地理认知理论。它是构建地理专家系统的基础理论。②专家系统建立本身所需要的系统智能化理论。它是构建地理专家系统的技术理论。
地理专家系统的研究是在人工智能技术的支持下, 以地理认知理论为“桥墩”, 建立从地理学理论分析、研究方法到基于规则的模型推理技术的“桥梁”, 以实现计算机辅助分析与决策自动化(图1) 。然而, 迄今为止, 这座桥梁还未能被建好, 其根本原因是桥梁的“桥墩”从未能被建好过。
近代科学哲学把科学划分为三个要素:可观测事实、逻辑与理论。“可观测事实”属于研究对象; “逻辑”包括数学, 并与符号之间的关系有关, 意指研究方法; “理论”则是由研究对象和方法论的结合而产生的, 能够揭示研究对象的运动机制及其发展规律的法则、概念、定律和结论。因此, 地理学理论是由地理学研究对象和地理学方法论的结合而产生的。地理学方法论的内容主要包括地理学各种理论的分析方法和与之相应的应用方法的研究。地理认知理论实质上建立了地理学方法论与地理专家系统(或地理各种辅助决策支持系统) 之间的内在联系(图2)
。
计算机辅助分析
与决策自动化
人工智能技术
地理学
理论分
析与研
究方法基于规则的模型推理技术地理学理论地理学方法论认知心理学认知科学研究对象地理认知理论地理专家系统[5]图1地理认知理论的意义
Fig. 1The role of Geographical
Cognition Theory 图2地理认知理论与地理学方法论的关系F ig. 2The relation between Geog raphical Cognition Theo ry and geog ra p hical methodology
134地 理 学 报 53卷3 地理认知理论的研究内容
我们知道, 地理学界关于如何认识和研究本门学科的研究对象, 存在过近乎无休止的争论。从认知科学的观点来看, 形成关于地理学研究对象争论的一个重要原因, 是地理学家们各自从不同的地理思想、观点, 即从他们各自不同的有关地理学对象研究的“研究意向”出发, 来分析和组织地理学的研究对象, 并形成他们各自的对于地理学研究对象理解后, 所形成的心理模式——一种“形象体”; 由于这个“形象体”承担了地理学家对于地理学对象的“研究行为”, 而成为地理学家的“研究载体”。因此, 有关地理学研究对象争论的焦点实质上主要集中在地理学家的“研究意向”以及由此产生的“研究载体”上。而“研究意向”和“研究载体”就形成了有关地理学研究对象的两个认知问题。
3. 1 地理学对象研究的两个认知问题
第一个认知问题是有关地理学对象研究的“研究意向”, 称之为“地理意向(Geo graphi-cal Intentio n) ”。
(1) 地理概念是“历史的仆从”
(地理学上古时期~1800年)
决定论 地理意向或然论 的发展(2) 可能论 (1800年~现代人地系统论(“人地共 地理学时期) 容”可持续发展理论) 认知科学的“意向(Intentio n) ”是指意识对某物的指向性, “心智”是指智能及种种心理能力, 如逻辑推理、决策分析等。认知科学的“意向性理论”就是强调人在“心智”过程中的主观能动性, 即强调每一种意
识都是关于对象的能动意识; 它突破了把意
识过程理解为一些现实实体的体验片断简单
[6] 图3 地理意向的发展 Fig . 3 T he dev elo pme nt o f Geo g raphical Intention 地按一定自然规律出现、消失、组合、联接的意识流的联想主义思想和自然主义传统。由
此可见, “意向”概念揭示了人类思维的“能动性”, 而能动性的具体表现形式之一就是人类思维的“目的性”。地理思维不是以地理实体体验片断的描述为目的, 而是以地理世界的“人地关系”分析为目的。“地理意向”概念就是表明地理思维是具有目的性的能动思维。图3表示了地理意向的发展。
地理意向的发展, 使人类在对于纷繁复杂的地理世界的研究过程中, 能够不断调整自己的视角, 确立正确的研究方法。只有这样, 地理学的研究才具有一致性, 并最终形成自己的理论体系。
具有能动性的人类思维有一个极其重要的特点, 这就是“形象思维”。形象思维是人类产生富于创造性思想的源泉[7]。形象化思维的过程和结果都表现为一定的“象”(包括“形象”、“图象”和“图式”) , 这个“象”是对客观世界存在的“原型”的揭露其本质性的模拟。在地理研究中, 形象思维尤其重要, 地理学的基本研究方法——空间关系分析必须依赖形象思维, 如果没有形象思维, 地理学家就无法开展地理学的研究。形象思维在地理学中占有如此重要地位, 正是地理学得以区别于其它科学的重要特点之一。
第二个认知问题正是关于在地理学对象研究过程中所出现的“象”的研究。这个“象”就是地理学家的“研究载体”, 称之为“地理意象(Geog ra phical Mental Im ag es ) ”。
“意象(Mental Images ) ”是认知科学和认知心理学中的一个重要概念, 它以知觉经验, [6]
2期 鲁学军等:地理认知理论内涵分析135导下的地理形象思维所产生的各种“象”, 如地理景观、地理区域、地理系统等。关于地理意象的详细讨论将在另文中进行。
3. 2 地理认知图式的分析
运用认知科学理论来分析地理学对象研究的整个过程, 可获得关于地理研究过程的“认知图式”, 见图4。
显然, 人们在对于如何构造地图的问题上已经
进行了深入研究, 该种研究在地理认知图式中对应
着“地理知觉→地图”阶段, 可称之为地理学的“中
段”研究(图5) , 该段研究也正是地理信息系统所
要表达、计算和模拟的中心研究内容。地理学者对于
地理学中具有非常重要意义的另外两部分的研究相
对较弱。一部分研究可以说是地理学研究的“头部”,
这部分是对于地理学中有关“人是如何获得环境信
息”问题的研究, 这部分研究内容的重点是对于“地
球信息机理”的研究。法国Bernard Dubuisso n 教授
认为, 地球信息机理的研究包括地球信息的结构和
性质、获取方法、分类、表达、定位和使用以及服务
于其最佳应用基础。在地理认知图式中, 这部分研
究对应着“地球表层→地理知觉”阶段, 可称之为地
理学的“前段”研究
。F ig. 4[8]地理理论体系正确实践验证指地理逻辑分析图导解地地理信息符号加工地理观测地球表层图错误地理意象地理意向地理知觉图4地理认知图式The geographical cognition diagram
图5 地理学“三段”研究与基于计算机的“三个系统”
Th e g eog ra phical “th ree par ts ”and the “three sy stems ”based o n co mputer Fig . 5
另一部分研究可以说是地理学研究的“脚部”, 这部分是对存在于地理空间的概念、行为的研究。在地理认知图式中, 这部分研究对应着“地图→实践验证”阶段, 可称之为地理学的“后段”研究, 该段研究是地理空间行为决策研究的主要内容。
3. 3 地理研究方法的认知分析
我们知道, 地理学理论分析和实践方法具有“综合性”特点, 具体表现为地理研究方法的复杂性与多样性。例如, 在研究某一城市区域地理条件时, 既需要自然地理学研究方法, 也需要人文地理学研究方法, 并且需要两种方法的有机结合; 而且, 随着区域大小的差异, 其地理研究方法及其研究内容也将有所变化。那么, 地理研究方法有无统一性? 我[9,10]
136地 理 学 报 53卷系? 这些有关地理学方法论的认知问题都是地理认知理论的重要研究内容。
一般来讲, 地理学解决问题有三种方法:①空间关系分析; ②区域综合分析; ③生态功能分析[11]。在地理研究中, 这三种方法经常结合起来使用。
区域空间划分作为一种研究地球表层存在的某一地区分类的一种方法, 是以该地区地理景观(类型) 的“空间与过程”研究为基础, 来对该地区的地理属性进行空间与过程上的相关分析。区域综合分析则是建立在区域内部地理景观的分析研究基础之上, 而地理景观作为一种事、空、时的综合系统, 集中表现了地理研究方法的本质——地理学是从空间上的变化关系出发来研究地理过程的。由于生态功能分析又是建立在地理过程分析基础之上的能量流、物质流和信息流的分析, 因此, 空间关系的分析也是地理生态功能研究的基础(图6) 。由此可见, 空间关系作为区域内部地理实体之间的方向、位置、距离、范围、包含与相接等空间展布特征的分析, 它是地理研究的基本方法。正因如此, 空间关系分析功能应该是地理信息系统必备的基本操作功能
。
图6 地理研究三种方法之间的关系分析
Fig. 6 T he a na ly sis o f r elations betwee n
the three kinds of g eog raphic methods 图7 空间与过程分析统一方法的理论模式Fig. 7 The th eo r etic pa tter n o f the unified analysis method fo r space a nd process
图7表示地理研究三种方法相结合的“空间与过程分析统一方法的理论模式”。该模式实质上是一种“意象思维”和“概念思维”相结合, 也即“形象思维”和“抽象思维”相结合的模式。这种模式与其它科学的形象与抽象思维相结合的模式有着本质的差异:“地理意象思维”实质上是建立在综合自然区划的等级组织系统之上, 随着区划方法中“自上而下的顺序划分”方法而产生的, 表现为形象化的演绎推理思维过程, 因此, 地理意象思维具有逻辑演绎的特征; “地理概念思维”同样是建立在综合自然区划的等级组织系统之上, 随着区划方法中“自下而上的依次组合”方法进行, 表现为抽象化的归纳推理思维过程, 因此, 地理概念思维具有逻辑归纳的特征; 而且, 由于地理思维首先表现为意象思维, 因此, 地
地理概念
(地理规律, 地理规则)
地理意象演绎思维地理概念归纳思维理意象思维对于地理概念思维也就具有了指导意义, 但是, 这并不意味着地理意象思维高于地理概念思维。事实上, 地理意象思维的每一步都受到地理概念和地理规律的约束(图8) 。这样, 空间与过
程分析统一方法的理论模式实质上表现了地理学
的演绎与归纳相结合的特点。F ig. 8图8地理思维中的转换关系T he trans it ion in Geographical T hinking
3. 4 空间行为决策符号系统,
2期 鲁学军等:地理认知理论内涵分析[12]137统的假设。物理符号系统既是对于人类心智行为的描述, 又是对于计算机软件行为本质
的表现。我们可以以一种物理符号系统——空间行为决策符号系统为支撑, 建立地理学家的人脑智能系统与计算机的软件智能系统之间的联系。
由空间与过程分析统一方法的理论模
式可知, 地理专家的空间行为决策过程同时
受到两种性质思维活动的影响, 即地理意象
思维和地理概念思维, 前者是有关区域空间
结构的思维, 后者则是关于地理过程属性的
思维。如图9所示, 输入的地理信息分为两
部分:空间信息和属性信息; 空间信息进入
“空间分析”状态, 属性信息进入“过程分
析”状态, 在这两种状态中, 通过地理景观
(类型) , 尤其是通过“最小空间过程单元
体”①, 来实现地理的空间信息和属性信息的
“表述联接”, “表述联接”的符号处理过程实
质上是地理信息的“表述联接”过程, 即空
间信息用属性信息来表述, 而属性信息用空
间信息来联接; 经过“表述联接”后的两种信息, 再分别进入两种系统进行推理, 空间信息进入“意象系统”进行“意象演绎推理”, 属性信息进入“概念系统”进行“概念归纳推理”, 由于空间信息和属性信息已经“表述联接”, 因此, 两种推理形式相互之间必然具有指称联接作用, 即两种推理形式之间相互印证、互相促进, 以完成输入信息下的决策推理。
应用认知心理学对地理学研究方法进行认知分析, 实质上就是要利用信息流、知识流来分析和描述地理学的研究方法。针对地理学家在地理研究中的“研究活动”建立“问题解决方法的概念模型”, 并对该“概念模型”实施定量化表达, 例如, 应用“概率值”来对“概念模型”中的不确定性因子进行定量化, 利用“效用值”来对“概念模型”运行过程中出现的结果进行定量化, 由此建立“空间决策模型”。空间决策模型不仅能象地理学家的“心智”那样处理、加工、控制和重建符号信息, 而且, 通过应用智能化软件技术对其进行程序设计, 就能按照计算机程序所“物化”的专家智能来进行空间推理和判断的半(甚至全) 自动化, 因此, 空间决策模型是建立地理专家系统的核心。空间决策模型的“软件化”不但有利于地理学家各种“心智”方法在实际工作中的推广应用, 更为重要的是, 它能够针对地理学家在地理研究过程中心智活动的运行机制进行模拟和验证, 这样, 有利于揭示地理学研究方法的内在和深层规律, 就有利于地理学方法论的分析和研究。
地理信息系统的空间关系分析能力是以地理学中各种空间信息模型的建立为基础, 它实质上描述了地理研究过程中各种类型信息流的相互作用关系; 地理专家系统的知识推理能力则是以地理专家的各种空间决策模型的建立为基础, 它实质上描述了地理研究过程中的知识流—各专业领域知识的逻辑推理方式的运行机制。地理专家系统的决策分析只有通过空间决策模型和相关的空间信息模型的结合使用才能够完成。图10表示了基于计算机的
①. 1996. [13]图9 空间行为决策符号系统Fig. 9 T he sy mbol system o f spatia l behavior decision -making
138地 理 学 报 53卷空间行为决策模式, 它将地理信息系统与地理专家系统
视为两个紧密联系且又相互独立的系统, 即以地理信息
系统来对大量的地理数据进行分析、管理, 以产生和提
取各种地理信息, 并实现空间关系分析功能, 而以地理
专家系统来解决地理研究中所涉及的知识推理问题。
4 结论
基于计算机的空间行为决策模式对于一门学科来说, 如果它的研究对象存在相当程图10
The mo de o f spa tial behavio r 度的复杂性, 则易于导致本学科领域需求问题的广泛Fig . 10
性。当这门学科处于发展的初级阶段, 由于对其复杂研decisio n-making based o n co mputer 究对象及其研究目的尚缺乏清晰的认识, 人们必然会尝试使用各种方法, 从多种角度来分析研究这一复杂对象, 并对所获得的研究结果作出应用价值甚或于对人类发展影响的评价, 进而由这一评价再来决定所使用研究方法的正确性和有效性
。
一般来说, 处于发展初期阶段的学科具有以下两个基本特
点:①研究方法呈现多样性并更替频繁, 不同方法之间的相互关
系不够明确; ②由于人们对于研究对象的发展规律还缺乏清晰、
准确的认识, 因此其研究方法缺乏数学的定量化表述模式, 而以
定性描述为主。显然, 对于一个尚处于发展初期阶段的学科来说,
其理论体系的建立必然处于探索和研究状态, 而要想建立一门其
理论体系仍然处于研究状态的学科的认知理论是比较困难的。但
是, 现代地理学科的发展状况, 则为地理学认知理论体系的建立
图11 地理认知理论的构成提供了条件(图11)
。Fig. 11 T he co nstitutio n of eo gr aphica l Cog nition Theo ry
图12 地理认知理论研究体系
Fig. 12 The resear ch sy stem of Geog raphical Cog nitio n T heor y
我们知道, 由于地理学研究对象本身的复杂性, 其作为一门古老的学科发展到今天, 它所建立的地理学理论体系还不够完善, 有关如何建立地理学“理论演绎体系”的理论——理论地理学, 直到今天尚在探讨之中[14]。但是, 毋庸置疑, 现代地理学与近代地理学相比已经获得了成熟性的发展。现代地理学强调研究方法的系统性、综合性、区域性以及实践性。而现代地理学的方法研究又将地理学的理论研究推向了新的发展高度。现代地理学已、, [15]
2期 鲁学军等:地理认知理论内涵分析139是现代地理学研究方法的“综合性”与学科发展的“科学性”, 对我们提出了研究地理学理论体系与方法体系发展的内在和深层规律的要求; 而认知科学和认知心理学作为专门研究人类认识过程和发现方法规律的科学, 就为研究这一要求提供了手段。通过对于地理学理论与方法发展的认知分析建立起来的地理认知理论必然有利于地理学方法论的分析和研究, 从而也就有利于地理学理论体系的分析和研究; 而地理认知理论的研究也为地理信息系统和地理专家系统的建立提供了理论基础。地理认知理论研究体系如图12所示。
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作者简介
鲁学军, 男, 1964年生, 博士。1996年毕业于北京大学遥感与地理信息系统研究所获硕士和博士学位, 现在中科院地理所资源与环境信息系统国家重点实验室进行博士后研究工作。主要从事地理认知理论、空间信息模型、空间决策模型和遥感应用的研究工作。
140地 理 学 报 53卷
STUDY O N CO NNOTATIO N OF GEOGRAPHICAL
COG N ITION THEORY
Lu Xuejun
(Institute of G eog raphy , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100101)
Cheng Jicheng
(Institute of Remote Sensing and GI Ss , Peking University , Beijing 100871)
Key words Geog raphical Cog ni tion Theory, Geographical Int ention, Geographical
M ental Images, Geog raphical Thinki ng
Abstract
The characteristic of exi ti ng st udy about Geographical inf ormation systems (G IS ) and Geo-graphical ex pert syst ems (G ES) is the formalization of geographical knowledg e utilizi ng technol-ogy of comput er soft ware, especially Artificial Intelligence (AI) , which ig nores the research of logical thi nking system by which the geog raphical ex perts solve problems. Therefore, t o study the methodology of geog raphical ex perts ' logical thinking , the Geographical CognitionTheory (GCT ) which aims at research and simulati on on the logical thi nking mode of geog raphers is put f orward . On the basis of analy zing t wo concepts in the Cog ni tiv e Science ——Intention and M en-t al imag es , tw o majo r concepts in the G CT that are Geog raphical Intention (G I ) and Geog raphi-cal M ental Images (GM I) are proposed. To probe into the conno tation of the GCT, the thesis analyses the cha ract eristic and meaning of Geographical Thi nking ex pressed by Geographical In-t ention and Geographical M ental Imag es, studies the method and sig ni ficance of researching geo-graphical methodology wi th cognitive psychology as a measure . The symbol syst em of spatial behavio r decision -making i s discussed . Furthermo re , a mode of spatial behavio r decision -making based on comput er is established , and the Info rmation -flow and Know ledge -f low in the mode is discussed, f rom above the relation and distinction bet ween GIS and GES are disclosed.
To the research of contemporary geography, the syst ematic, comprehensive, regional and practical research methods are emphasized. The research of cont emporary geographical method-ology i n turn enhances the research of the geographical theory. The cont emporary g eography has been recog ni zed as a st rongly comprehensiv e discipli ne and has i ts own independent scientific system . It is just the “scientific and comprehensive nature ”of contempo rary geog raphical methodology that demand us to research the i nterio r and deep law s of the development of the ge-ographical theory system and method system; and cognitive sc i ence and cog ni tiv e psycholog y, as the sciences tha t specially study the law s of human cognitive process, have just provided the necessary means f or the research. The GCT, which is established through the cog ni tive analysis of the development of geog raphical theory and methods , is sure t o be benefic ial to the analysis and research of geographical methodolog y and hence beneficial to the analysis and research of ge-.
第53卷第2期
1998年3月地 理 学 报ACT A GEO GRA PHICA SIN ICA V ol. 53, N o. 2M ar. , 1998
地理认知理论内涵分析
鲁学军(中国科学院地理研究所, 北京 100101) 承继成
(北京大学遥感与地理信息系统研究所, 北京 100871)
提 要 在分析现有地理信息系统以及地理专家系统的研究特点之后, 提出对于以研究和
模拟地理学家的逻辑思维方式为目的的“地理认知理论”进行研究。在对地理认知理论的两个
重要概念—地理意向和地理意象所表明的有关地理思维的特点和意义分析基础之上, 对于地理
研究过程及其研究方法进行了认知分析, 对空间行为决策符号系统进行了研究, 并对地理认知
理论研究体系进行了初步分析。
关键词 地理认知理论 地理意向 地理意象 地理思维
1 引言
产生于20世纪60年代的地理信息系统(GIS ) , 主要服务于资源和环境领域, 现已在区域管理、规划和决策支持方面得到了广泛应用。但是, 地理信息系统现有解决问题的方法模型基本上是以数学方法为基础建立起来的, 其所能解决的实际问题也主要是那些能够用数学方法描述和解释的具有确定性解的问题。然而, 在地理实际工作中, 经常遇到的却是大量具有不确定性解的问题, 如土地利用评价、水土保持规划等, 这些问题很难应用数学方法来进行描述。为应用地理信息系统来解决实际工作中所遇到的不确定性问题, 80年代初期, 国外的一些地理学家开始研究基于知识的地理学分析方法, 并提出了应用专家系统来解决地理问题的设想[1]。进入80年代中后期, 以Smith T R 为代表的一批地理学专家提出了基于地理知识的地理信息系统的概念, 即在普通地理信息系统中加入一个地理知识库来使系统具备一定的知识推理能力。在同一时期, Robinso n V B, Frank A U 等人在基于知识的地理学研究方法分析基础之上, 提出了基于地理信息系统的专家系统设计思想。
在对于地理信息系统与地理专家系统(GES ) 设计技术的研究过程中, 笔者深刻地认识到理论建设的重要性, 尤其是在对于地理专家系统的软件设计研究过程中, 深感在“地理信息、知识的计算机处理技术研究”与“地理学理论分析和方法研究”之间存在着“裂谷”。由于“裂谷”的存在, 使得地理学领域内许多专业的有关“知识库”及其“推理机”建立不起来, 已建立起来的“推理机”的推理机制大都比较简单, 以致于不能很好地模拟地理专家的“地理思维”。因此, 需要在“地理信息、知识的计算机处理技术研究”与“地理学理论分析和方法研究”之间架起一座“桥”。这就正如陈述彭先生指出的:“地理学的语言和计算机语言之间还缺少接口”[4], 需要在两种语言之间建立一种“接口语言”。
鉴于现有地理信息系统和地理专家系统的研究特点, 本文提出了一个以研究和模拟地理学家的逻辑思维方式为目的的“地理认知理论”, 并对该理论进行了初步探讨。 来稿日期:1997-01; 收到修改稿日期:1997-12。[3][2]
2期 鲁学军等:地理认知理论内涵分析1332 地理认知理论的提出
地理专家系统(以及地理各种辅助决策支持系统) 是一个基于地理知识的智能推理系统, 它涉及到对地理知识获取、地理知识表达、地理知识库、地理推理控制机制以及智能化人—机界面的研究, 它集人工智能与地理专业领域知识于一体。
近些年来, 与其它领域积极开发本领域专家系统一样, 国内外地理学界也在探索研究地理专家系统。迄今, 通常的地理专家系统研究, 主要是围绕着以人工智能中已有的知识表达方法的具体应用为中心展开的。可以说, 现有地理专家系统的研究特点主要是从计算机软件技术角度出发, 以地理知识的形式化为主要目的, 而忽视了地理学专家在解决问题时的逻辑思维体系的研究, 因而现有地理专家系统的知识推理控制机制都比较单一, 有的推理机制甚至简单化为地理知识的比较查询。
实质上, 地理专家系统是要模拟地理学界某一领域专家在解决某一类型问题时的逻辑推理方式。因此, 地理专家系统的研究方法不但需要计算机软件技术的支持, 而且需要有关构建地理专家系统的理论为指导。地理专家系统的理论包括两个部分:①地理认知理论。它是构建地理专家系统的基础理论。②专家系统建立本身所需要的系统智能化理论。它是构建地理专家系统的技术理论。
地理专家系统的研究是在人工智能技术的支持下, 以地理认知理论为“桥墩”, 建立从地理学理论分析、研究方法到基于规则的模型推理技术的“桥梁”, 以实现计算机辅助分析与决策自动化(图1) 。然而, 迄今为止, 这座桥梁还未能被建好, 其根本原因是桥梁的“桥墩”从未能被建好过。
近代科学哲学把科学划分为三个要素:可观测事实、逻辑与理论。“可观测事实”属于研究对象; “逻辑”包括数学, 并与符号之间的关系有关, 意指研究方法; “理论”则是由研究对象和方法论的结合而产生的, 能够揭示研究对象的运动机制及其发展规律的法则、概念、定律和结论。因此, 地理学理论是由地理学研究对象和地理学方法论的结合而产生的。地理学方法论的内容主要包括地理学各种理论的分析方法和与之相应的应用方法的研究。地理认知理论实质上建立了地理学方法论与地理专家系统(或地理各种辅助决策支持系统) 之间的内在联系(图2)
。
计算机辅助分析
与决策自动化
人工智能技术
地理学
理论分
析与研
究方法基于规则的模型推理技术地理学理论地理学方法论认知心理学认知科学研究对象地理认知理论地理专家系统[5]图1地理认知理论的意义
Fig. 1The role of Geographical
Cognition Theory 图2地理认知理论与地理学方法论的关系F ig. 2The relation between Geog raphical Cognition Theo ry and geog ra p hical methodology
134地 理 学 报 53卷3 地理认知理论的研究内容
我们知道, 地理学界关于如何认识和研究本门学科的研究对象, 存在过近乎无休止的争论。从认知科学的观点来看, 形成关于地理学研究对象争论的一个重要原因, 是地理学家们各自从不同的地理思想、观点, 即从他们各自不同的有关地理学对象研究的“研究意向”出发, 来分析和组织地理学的研究对象, 并形成他们各自的对于地理学研究对象理解后, 所形成的心理模式——一种“形象体”; 由于这个“形象体”承担了地理学家对于地理学对象的“研究行为”, 而成为地理学家的“研究载体”。因此, 有关地理学研究对象争论的焦点实质上主要集中在地理学家的“研究意向”以及由此产生的“研究载体”上。而“研究意向”和“研究载体”就形成了有关地理学研究对象的两个认知问题。
3. 1 地理学对象研究的两个认知问题
第一个认知问题是有关地理学对象研究的“研究意向”, 称之为“地理意向(Geo graphi-cal Intentio n) ”。
(1) 地理概念是“历史的仆从”
(地理学上古时期~1800年)
决定论 地理意向或然论 的发展(2) 可能论 (1800年~现代人地系统论(“人地共 地理学时期) 容”可持续发展理论) 认知科学的“意向(Intentio n) ”是指意识对某物的指向性, “心智”是指智能及种种心理能力, 如逻辑推理、决策分析等。认知科学的“意向性理论”就是强调人在“心智”过程中的主观能动性, 即强调每一种意
识都是关于对象的能动意识; 它突破了把意
识过程理解为一些现实实体的体验片断简单
[6] 图3 地理意向的发展 Fig . 3 T he dev elo pme nt o f Geo g raphical Intention 地按一定自然规律出现、消失、组合、联接的意识流的联想主义思想和自然主义传统。由
此可见, “意向”概念揭示了人类思维的“能动性”, 而能动性的具体表现形式之一就是人类思维的“目的性”。地理思维不是以地理实体体验片断的描述为目的, 而是以地理世界的“人地关系”分析为目的。“地理意向”概念就是表明地理思维是具有目的性的能动思维。图3表示了地理意向的发展。
地理意向的发展, 使人类在对于纷繁复杂的地理世界的研究过程中, 能够不断调整自己的视角, 确立正确的研究方法。只有这样, 地理学的研究才具有一致性, 并最终形成自己的理论体系。
具有能动性的人类思维有一个极其重要的特点, 这就是“形象思维”。形象思维是人类产生富于创造性思想的源泉[7]。形象化思维的过程和结果都表现为一定的“象”(包括“形象”、“图象”和“图式”) , 这个“象”是对客观世界存在的“原型”的揭露其本质性的模拟。在地理研究中, 形象思维尤其重要, 地理学的基本研究方法——空间关系分析必须依赖形象思维, 如果没有形象思维, 地理学家就无法开展地理学的研究。形象思维在地理学中占有如此重要地位, 正是地理学得以区别于其它科学的重要特点之一。
第二个认知问题正是关于在地理学对象研究过程中所出现的“象”的研究。这个“象”就是地理学家的“研究载体”, 称之为“地理意象(Geog ra phical Mental Im ag es ) ”。
“意象(Mental Images ) ”是认知科学和认知心理学中的一个重要概念, 它以知觉经验, [6]
2期 鲁学军等:地理认知理论内涵分析135导下的地理形象思维所产生的各种“象”, 如地理景观、地理区域、地理系统等。关于地理意象的详细讨论将在另文中进行。
3. 2 地理认知图式的分析
运用认知科学理论来分析地理学对象研究的整个过程, 可获得关于地理研究过程的“认知图式”, 见图4。
显然, 人们在对于如何构造地图的问题上已经
进行了深入研究, 该种研究在地理认知图式中对应
着“地理知觉→地图”阶段, 可称之为地理学的“中
段”研究(图5) , 该段研究也正是地理信息系统所
要表达、计算和模拟的中心研究内容。地理学者对于
地理学中具有非常重要意义的另外两部分的研究相
对较弱。一部分研究可以说是地理学研究的“头部”,
这部分是对于地理学中有关“人是如何获得环境信
息”问题的研究, 这部分研究内容的重点是对于“地
球信息机理”的研究。法国Bernard Dubuisso n 教授
认为, 地球信息机理的研究包括地球信息的结构和
性质、获取方法、分类、表达、定位和使用以及服务
于其最佳应用基础。在地理认知图式中, 这部分研
究对应着“地球表层→地理知觉”阶段, 可称之为地
理学的“前段”研究
。F ig. 4[8]地理理论体系正确实践验证指地理逻辑分析图导解地地理信息符号加工地理观测地球表层图错误地理意象地理意向地理知觉图4地理认知图式The geographical cognition diagram
图5 地理学“三段”研究与基于计算机的“三个系统”
Th e g eog ra phical “th ree par ts ”and the “three sy stems ”based o n co mputer Fig . 5
另一部分研究可以说是地理学研究的“脚部”, 这部分是对存在于地理空间的概念、行为的研究。在地理认知图式中, 这部分研究对应着“地图→实践验证”阶段, 可称之为地理学的“后段”研究, 该段研究是地理空间行为决策研究的主要内容。
3. 3 地理研究方法的认知分析
我们知道, 地理学理论分析和实践方法具有“综合性”特点, 具体表现为地理研究方法的复杂性与多样性。例如, 在研究某一城市区域地理条件时, 既需要自然地理学研究方法, 也需要人文地理学研究方法, 并且需要两种方法的有机结合; 而且, 随着区域大小的差异, 其地理研究方法及其研究内容也将有所变化。那么, 地理研究方法有无统一性? 我[9,10]
136地 理 学 报 53卷系? 这些有关地理学方法论的认知问题都是地理认知理论的重要研究内容。
一般来讲, 地理学解决问题有三种方法:①空间关系分析; ②区域综合分析; ③生态功能分析[11]。在地理研究中, 这三种方法经常结合起来使用。
区域空间划分作为一种研究地球表层存在的某一地区分类的一种方法, 是以该地区地理景观(类型) 的“空间与过程”研究为基础, 来对该地区的地理属性进行空间与过程上的相关分析。区域综合分析则是建立在区域内部地理景观的分析研究基础之上, 而地理景观作为一种事、空、时的综合系统, 集中表现了地理研究方法的本质——地理学是从空间上的变化关系出发来研究地理过程的。由于生态功能分析又是建立在地理过程分析基础之上的能量流、物质流和信息流的分析, 因此, 空间关系的分析也是地理生态功能研究的基础(图6) 。由此可见, 空间关系作为区域内部地理实体之间的方向、位置、距离、范围、包含与相接等空间展布特征的分析, 它是地理研究的基本方法。正因如此, 空间关系分析功能应该是地理信息系统必备的基本操作功能
。
图6 地理研究三种方法之间的关系分析
Fig. 6 T he a na ly sis o f r elations betwee n
the three kinds of g eog raphic methods 图7 空间与过程分析统一方法的理论模式Fig. 7 The th eo r etic pa tter n o f the unified analysis method fo r space a nd process
图7表示地理研究三种方法相结合的“空间与过程分析统一方法的理论模式”。该模式实质上是一种“意象思维”和“概念思维”相结合, 也即“形象思维”和“抽象思维”相结合的模式。这种模式与其它科学的形象与抽象思维相结合的模式有着本质的差异:“地理意象思维”实质上是建立在综合自然区划的等级组织系统之上, 随着区划方法中“自上而下的顺序划分”方法而产生的, 表现为形象化的演绎推理思维过程, 因此, 地理意象思维具有逻辑演绎的特征; “地理概念思维”同样是建立在综合自然区划的等级组织系统之上, 随着区划方法中“自下而上的依次组合”方法进行, 表现为抽象化的归纳推理思维过程, 因此, 地理概念思维具有逻辑归纳的特征; 而且, 由于地理思维首先表现为意象思维, 因此, 地
地理概念
(地理规律, 地理规则)
地理意象演绎思维地理概念归纳思维理意象思维对于地理概念思维也就具有了指导意义, 但是, 这并不意味着地理意象思维高于地理概念思维。事实上, 地理意象思维的每一步都受到地理概念和地理规律的约束(图8) 。这样, 空间与过
程分析统一方法的理论模式实质上表现了地理学
的演绎与归纳相结合的特点。F ig. 8图8地理思维中的转换关系T he trans it ion in Geographical T hinking
3. 4 空间行为决策符号系统,
2期 鲁学军等:地理认知理论内涵分析[12]137统的假设。物理符号系统既是对于人类心智行为的描述, 又是对于计算机软件行为本质
的表现。我们可以以一种物理符号系统——空间行为决策符号系统为支撑, 建立地理学家的人脑智能系统与计算机的软件智能系统之间的联系。
由空间与过程分析统一方法的理论模
式可知, 地理专家的空间行为决策过程同时
受到两种性质思维活动的影响, 即地理意象
思维和地理概念思维, 前者是有关区域空间
结构的思维, 后者则是关于地理过程属性的
思维。如图9所示, 输入的地理信息分为两
部分:空间信息和属性信息; 空间信息进入
“空间分析”状态, 属性信息进入“过程分
析”状态, 在这两种状态中, 通过地理景观
(类型) , 尤其是通过“最小空间过程单元
体”①, 来实现地理的空间信息和属性信息的
“表述联接”, “表述联接”的符号处理过程实
质上是地理信息的“表述联接”过程, 即空
间信息用属性信息来表述, 而属性信息用空
间信息来联接; 经过“表述联接”后的两种信息, 再分别进入两种系统进行推理, 空间信息进入“意象系统”进行“意象演绎推理”, 属性信息进入“概念系统”进行“概念归纳推理”, 由于空间信息和属性信息已经“表述联接”, 因此, 两种推理形式相互之间必然具有指称联接作用, 即两种推理形式之间相互印证、互相促进, 以完成输入信息下的决策推理。
应用认知心理学对地理学研究方法进行认知分析, 实质上就是要利用信息流、知识流来分析和描述地理学的研究方法。针对地理学家在地理研究中的“研究活动”建立“问题解决方法的概念模型”, 并对该“概念模型”实施定量化表达, 例如, 应用“概率值”来对“概念模型”中的不确定性因子进行定量化, 利用“效用值”来对“概念模型”运行过程中出现的结果进行定量化, 由此建立“空间决策模型”。空间决策模型不仅能象地理学家的“心智”那样处理、加工、控制和重建符号信息, 而且, 通过应用智能化软件技术对其进行程序设计, 就能按照计算机程序所“物化”的专家智能来进行空间推理和判断的半(甚至全) 自动化, 因此, 空间决策模型是建立地理专家系统的核心。空间决策模型的“软件化”不但有利于地理学家各种“心智”方法在实际工作中的推广应用, 更为重要的是, 它能够针对地理学家在地理研究过程中心智活动的运行机制进行模拟和验证, 这样, 有利于揭示地理学研究方法的内在和深层规律, 就有利于地理学方法论的分析和研究。
地理信息系统的空间关系分析能力是以地理学中各种空间信息模型的建立为基础, 它实质上描述了地理研究过程中各种类型信息流的相互作用关系; 地理专家系统的知识推理能力则是以地理专家的各种空间决策模型的建立为基础, 它实质上描述了地理研究过程中的知识流—各专业领域知识的逻辑推理方式的运行机制。地理专家系统的决策分析只有通过空间决策模型和相关的空间信息模型的结合使用才能够完成。图10表示了基于计算机的
①. 1996. [13]图9 空间行为决策符号系统Fig. 9 T he sy mbol system o f spatia l behavior decision -making
138地 理 学 报 53卷空间行为决策模式, 它将地理信息系统与地理专家系统
视为两个紧密联系且又相互独立的系统, 即以地理信息
系统来对大量的地理数据进行分析、管理, 以产生和提
取各种地理信息, 并实现空间关系分析功能, 而以地理
专家系统来解决地理研究中所涉及的知识推理问题。
4 结论
基于计算机的空间行为决策模式对于一门学科来说, 如果它的研究对象存在相当程图10
The mo de o f spa tial behavio r 度的复杂性, 则易于导致本学科领域需求问题的广泛Fig . 10
性。当这门学科处于发展的初级阶段, 由于对其复杂研decisio n-making based o n co mputer 究对象及其研究目的尚缺乏清晰的认识, 人们必然会尝试使用各种方法, 从多种角度来分析研究这一复杂对象, 并对所获得的研究结果作出应用价值甚或于对人类发展影响的评价, 进而由这一评价再来决定所使用研究方法的正确性和有效性
。
一般来说, 处于发展初期阶段的学科具有以下两个基本特
点:①研究方法呈现多样性并更替频繁, 不同方法之间的相互关
系不够明确; ②由于人们对于研究对象的发展规律还缺乏清晰、
准确的认识, 因此其研究方法缺乏数学的定量化表述模式, 而以
定性描述为主。显然, 对于一个尚处于发展初期阶段的学科来说,
其理论体系的建立必然处于探索和研究状态, 而要想建立一门其
理论体系仍然处于研究状态的学科的认知理论是比较困难的。但
是, 现代地理学科的发展状况, 则为地理学认知理论体系的建立
图11 地理认知理论的构成提供了条件(图11)
。Fig. 11 T he co nstitutio n of eo gr aphica l Cog nition Theo ry
图12 地理认知理论研究体系
Fig. 12 The resear ch sy stem of Geog raphical Cog nitio n T heor y
我们知道, 由于地理学研究对象本身的复杂性, 其作为一门古老的学科发展到今天, 它所建立的地理学理论体系还不够完善, 有关如何建立地理学“理论演绎体系”的理论——理论地理学, 直到今天尚在探讨之中[14]。但是, 毋庸置疑, 现代地理学与近代地理学相比已经获得了成熟性的发展。现代地理学强调研究方法的系统性、综合性、区域性以及实践性。而现代地理学的方法研究又将地理学的理论研究推向了新的发展高度。现代地理学已、, [15]
2期 鲁学军等:地理认知理论内涵分析139是现代地理学研究方法的“综合性”与学科发展的“科学性”, 对我们提出了研究地理学理论体系与方法体系发展的内在和深层规律的要求; 而认知科学和认知心理学作为专门研究人类认识过程和发现方法规律的科学, 就为研究这一要求提供了手段。通过对于地理学理论与方法发展的认知分析建立起来的地理认知理论必然有利于地理学方法论的分析和研究, 从而也就有利于地理学理论体系的分析和研究; 而地理认知理论的研究也为地理信息系统和地理专家系统的建立提供了理论基础。地理认知理论研究体系如图12所示。
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作者简介
鲁学军, 男, 1964年生, 博士。1996年毕业于北京大学遥感与地理信息系统研究所获硕士和博士学位, 现在中科院地理所资源与环境信息系统国家重点实验室进行博士后研究工作。主要从事地理认知理论、空间信息模型、空间决策模型和遥感应用的研究工作。
140地 理 学 报 53卷
STUDY O N CO NNOTATIO N OF GEOGRAPHICAL
COG N ITION THEORY
Lu Xuejun
(Institute of G eog raphy , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100101)
Cheng Jicheng
(Institute of Remote Sensing and GI Ss , Peking University , Beijing 100871)
Key words Geog raphical Cog ni tion Theory, Geographical Int ention, Geographical
M ental Images, Geog raphical Thinki ng
Abstract
The characteristic of exi ti ng st udy about Geographical inf ormation systems (G IS ) and Geo-graphical ex pert syst ems (G ES) is the formalization of geographical knowledg e utilizi ng technol-ogy of comput er soft ware, especially Artificial Intelligence (AI) , which ig nores the research of logical thi nking system by which the geog raphical ex perts solve problems. Therefore, t o study the methodology of geog raphical ex perts ' logical thinking , the Geographical CognitionTheory (GCT ) which aims at research and simulati on on the logical thi nking mode of geog raphers is put f orward . On the basis of analy zing t wo concepts in the Cog ni tiv e Science ——Intention and M en-t al imag es , tw o majo r concepts in the G CT that are Geog raphical Intention (G I ) and Geog raphi-cal M ental Images (GM I) are proposed. To probe into the conno tation of the GCT, the thesis analyses the cha ract eristic and meaning of Geographical Thi nking ex pressed by Geographical In-t ention and Geographical M ental Imag es, studies the method and sig ni ficance of researching geo-graphical methodology wi th cognitive psychology as a measure . The symbol syst em of spatial behavio r decision -making i s discussed . Furthermo re , a mode of spatial behavio r decision -making based on comput er is established , and the Info rmation -flow and Know ledge -f low in the mode is discussed, f rom above the relation and distinction bet ween GIS and GES are disclosed.
To the research of contemporary geography, the syst ematic, comprehensive, regional and practical research methods are emphasized. The research of cont emporary geographical method-ology i n turn enhances the research of the geographical theory. The cont emporary g eography has been recog ni zed as a st rongly comprehensiv e discipli ne and has i ts own independent scientific system . It is just the “scientific and comprehensive nature ”of contempo rary geog raphical methodology that demand us to research the i nterio r and deep law s of the development of the ge-ographical theory system and method system; and cognitive sc i ence and cog ni tiv e psycholog y, as the sciences tha t specially study the law s of human cognitive process, have just provided the necessary means f or the research. The GCT, which is established through the cog ni tive analysis of the development of geog raphical theory and methods , is sure t o be benefic ial to the analysis and research of geographical methodolog y and hence beneficial to the analysis and research of ge-.