面向空间认知的地图表达与分析武汉大学艾廷华

伦敦
北京地铁（含规划）
Schematic map 适宜于空间网络的认知表达
非常贴切地模拟了道路网络在我们大脑记忆存储的心象地图
____ 路线距离、方位的粗化抽象表达 ____ 相对位置保持不变 ____ 道路连接点、交叉口正确 (维持拓扑关系) ____ 定性化表达 (绝对的距离、角度量算无意义) ____ 快速搜寻到我们所需要导航信息
面向空间认知的地图表达与分析
艾廷华 武汉大学，资源与环境科学学院
2008年11月2日
内容
■ 空间认知与心象地图 ■ 空间认知结果表达，三种可视化
SchematiHale Waihona Puke Baidu map（路网构架图） Cartogram map（面域拓扑图） Cyber map（赛博空间网络图）
■ 面向空间认知的 “地图分析” —— 空间分布模式的认知与识别 — 形状的认知与分析
From website http://www.cybergeography.org/atlas/census.html
（3） 赛伯地图
地图表达的“空间”可以是多样的，从广义角度看，有地球、月球表面 实空间，也有网络虚拟空间，还有抽象化的心理空间、社会空间，数学 代数中有众多的特殊定义的空间。
不具有距离、方位意义的非欧氏空间，难于用传统的地图来表达，需寻 求新的理论方法与技术手段。
Cyberspace is defined as a computer-generated landscape, the virtual space of a global computer network, linking all people, computer and sources of various information in the world through which one could navigate .
2. 空间认知结果的可视化表达
常规地图强调定量、准确、可量算等特征， 但认知科学研究表 明，人们的推理决策行为大部分是在定性表达基础上完成的，定性 空间推理（QSR，Qualitative Spatial Reasoning）成为目前研 究的活跃课题，包括导航、路线寻址中推理、空间方位的辨认等, 这其中也包括空间的定性化图形表达。
心象地图的表达有多种形式，包括认知草图等，这里我们主要 讨论适宜计算机制作，具有一定规范的定性化表达
（1） Schematic Map（路网构架图） 对道路网络的线性化抽象表达； 弃除面状目标，专门表达线与结点； 突出表达网络中的功能性关系； 用高度简化的形式表达路线的拓扑结构； 地铁线路图——最典 型的 schematic map
（3）空间定位的非确定性 （4）度量特征上的非精确性
从认知角度，对心象空间现象的表达要考虑：
（1） 数据本身的特性 —— 本体论 （2） 认知主体的特性 —— 认识论
在感知、辨析、识别、推理过程中，受认知心理学原则控制， 如Gestalt完形原则。
是天花板还是地面？
是男人的腿还是女人的腿？ 是少女还是巫婆？
三种面域拓扑图 非连续的
连续的
Dorling(基于简单几何形状）)
面域拓扑图适宜于 语义－空间 信息的认知表达
在我们的记忆中，重要的突出的语义特征会占有大的记忆片断，区域间的空间 关系主要表现为拓扑邻近（相对的、定性描述）； 不关心精确的空间关系、区域形状、结构模式与方位特征； 将隐藏的语义特征可视化展现出来，更易于感知，以获得显著的印象。
视觉，听觉，味觉，嗅觉， 压力感知，热量（温度）感知， 运动感觉，重力感
知觉 Perception : 在感觉基础上获取对自身及周围环境的知识
空间认知包含的三个阶段
Child psychologist Piaget known for a qualitative "stage theory"
___ 首先是获取特征点标识，标识区位的独立特征地物 "landmark knowledge"
_____ 驻留在记忆中的实体世界与空间特征的表达
心象地图
vs
常规地图
零碎的片断 变化的比例尺 多层次结构组织 情感倾向性 定性化 相对空间关系 不确定性、模糊性 有变形、曲解 非一致
连续的平面 固定均一比例尺 同一水准 物理（本体） 定量化 可量算（绝对、精确） 明确 准确 一致性
（1） 空间表达的非均一性 （2） 内容选取的主观性
___ 其次是获取 路径连接通道，将孤立的特征标识物通过有序的连通路 径建立网络体系， "route knowledge“
___ 第三是获取二维延展区域上的空间布局、相互关系知识，在认知世 界通过“路线绕道、捷径、新建导航路径”获得新的知识。 "survey knowledge"
认知结果可视化 心象地图
■ 结论
1. 空间认知与心像地图
空间认知：关于地理世界空间特征的认知与表达
位置 大小 距离 方位 形状
模式 动态过程 内在联系 ……
研究地理实体世界在人们大脑中 如何建立空间概念，如何在表达 空间中描述地理事物与现象，如 何在心象地图中通过认知推理解 释空间现象、提取空间规律
认知的层次划分:
感觉 Sensation : 神经系统对外界特定刺激的第一反应，包括：
从常规地图的编辑生成角度，可看作是超一般程度的地图综合， 除图形实体的化简综合外，还有实体间空间关系的综合化简
（2） 面域拓扑图 (语义－空间 认知信息的表达)
Cartogram ----- 基于面积大小的属性信息表达, 将语义信息的数值通过 面积大小来表达，同时保持相对空间位置关系和拓扑结构. 区域多边形通常表达为简单、有效的形态结构 属性信息一般为区域上的统计值，如人口、产值、入学率等
常规的道路路线图很 准确，但却难于快速 提供导航信息
常规道路图
schematic map
Schematic map 的生成
在计算几何领域提供了专门的生成算法. 基本步骤： __ 非功能性无关特征要素从网络中删除； __ 删除于主体功能网络无关的线路、点要素 __ 线路化简为最简洁的形状 __ 调整线路连接方位，90o、45o、22.5o连接转折 __ 在保持拓扑结构正确前提下，进行几何变换（连通、夸大、简化） __ 路线符号化，连接点合并化简