万刚教授地理空间认知与高院士学术思想评析.docx
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万刚教授地理空间认知与高院士学术思想评析
（1）空间认知发展概况
（2）高俊院士的开创性工作
（3）地理空间认知发展过程
（4）地理空间认知发展趋势
（5）总结
空间认知发展概况
浪盖特.希金斯是是国家上第一个提出并使用“认知科学”一词的学者
他在地理论学和认识科学都有着杰出的贡献，1967年出于对于人工智能创新邻域的兴趣，他在爱丁堡创立了及其智能与感知研究部，于1973年将相关领域首次命名为“认知科学”
认知科学
1975年D.Bobror和A.Collins在合著的《Represcaistionunderstanding:
studiesincognitivescience》推崇使用“讽与科学，请训开连新流行;
1975年纽约的一个私人科研资功机构“斯隆基金会”开时认与科学的跨学科研究计划终予支持：
1977年《认与科学》期利创刊:
1979年8月在美国加利福尼亚州，十多个学科的科学家对认与科学进行了讨论，议决定成主美国认心科学学会并正式承认《认与科学》为学会的正式刊物，至此，认知科学被正式确立为一门学科
1986年，美国加州大学圣地亚哥分校建立了世界上第一个认知科学系。
目前，世界上最美影响力的认研究机构有：
美国加州大学圣地亚哥分校认知科学系
加州大学伯克利分校认知与科学研究所
麻省理工学院脑与认与科学系
布朗大学认知和语言科学系
美国医学研究理事会认与脑科学所
法国巴斯德研究所神经科学系
这些支撑学科又分别形成认知科学的六个核心分支学科，认知哲学，认知心理学、认知语言学、认知人类学、认知计算机科学神经科学，这些核心分支学科相互交叉，又产生许多新兴的分支学科。
1988年，“中国科学技术大学北京认知科学开放研究实验室”成立;
1996年“中国科学院—北京医院脑认知成像中心”;
2001年成为国际“人类脑计划”的会员国，举办了第三届国际认如科学大会
2005年中科院生物物理研究所成立脑与认如科学国军重点实验室;
2005年北京师范大学成立神经科学与学国家重点实验室
2013年中国认知科学学会成立;
同期，中国科技部和自然科学基金会提出了“中国脑计划”（脑科学与类脑科学研究），“一体两翼”的发展战略，一件就是阐释人类认知的神经基础，“两翼”是指脑重大成病研究和通道计算模拟推进人工智能的研究
2015年，清华大学成立类脑计算研究中心
2018年，北京脑科学中心和上海脑科学中心分别成立。
（二）空间认知
空间认知是认知科学的一个重要研究领城，是研究人脑中空间信息处过程的科学。
是心理学，地图学、地理学、计算机科学和人工智能等学科都在研究的一个重要问题。
MentalMaps是空间认知研究中的个重要概念,心像地图概念来源“意象”一词，也有译为意境地图、意象地图，是认知科学中的一个重要念。
MentalMaps是人类意识对于物质世界的主动和积板的形象化反映,表现象mage.形（Graph）或图式（Schema）
■第一次在地理文献中提到MuetalMaps的是sw伍尔德里吉 （1565）
R古尔德1966年认为了解空间行为的关键之一是了解人类的智能意像。
■167年RM.Dm将"Cophihe Maping与Mantal images紧密联系，指出这是，是人的一种收集，记录存储和处理局园空间环境信息的思维高着年龄和经验而改变
认知心理学的研究已经证实，大脑的空间推理行为是基于心像地图的，心理旋转实验、心理扫描实验给出了解释。
二、高俊院士的开创性工作
中国的学者在空间认知研究领城做出了突出的贡献，在地图空间认知、地理空间认知研究领成形成了以高俊院士、王家耀院士、鲁学草、陈毓芬、龚建华、艾越华、刘瑜等教授为代表的研究群体。
高俊是我国地图空间认知研究的开拓者，所提出的地图空间认知理论是对认知科学和测绘料学的重要贡献。
他从学科交叉中寻求突破，对认知科学的深入思考使其站在一个哲学的高度，能够准确把握测绘学科的发展趋势，提出了“地图是人类空间认知工具”的论断，设计并完成了作战环境学理论体质的构建。
第一阶段，建立地图空间认知理论
改革开放初期，高使教授在荷兰国际航天测量与地球科学学院（ITC）进修（1980~1981），对欧洲的理论制图学进行了深入研究，将先进的地图学理论引入国内，建立了地图空间认知理论并开展实践。
第一，强调人的认知因素在制图学中的作用
20世纪70年代，计算机地图制图技术的出现，引发欧洲理论制图学的新热湖，信息论、实验心理学、模型论等方法纷纷被引入地图学研究领域。
高俊在1982年对欧洲理论制图学进行系统论述论述针对瑞土英霍夫提出“理论制图学是一个带有强烈艺术倾向的科学”观点、法国贝廷的图形符号系统、捷克柯拉斯尼的地图信息传输模型等理论进行批判性分析，在我国测绘领域率先引入“认知制图”和“心像地图”概念，认为需要科学从心理学中寻找突破。
第二、详细论述地图感受与地图设计的关系
1984年测绘学会组织的新技术讲学班上的的《地图感受与地图设计的实验方法》堪称地图设计领域的经典之作，指导了以后三十多年的地图设计工作。
它的最大价值在于完成了对于国外学术思想的吸收和再突破，首次从生理和心理的角度对地图视觉感受进行论述，将视觉变量与地图感受效果有机结合，设计了基于心理物理学的地图设计的实现
第三、明确提出认知地图学理论
1991奠定了国内地图空间认知研究的理论基础。
地图空间认知是人们借助地图，认识自己赖以生存的环境包括其中的诸多事物、现象的位置、空间分布、相互关系以及变化和规律:
认知制图是指在人脑中格所处环境中的事物与现象的空间位置。
相互关系和性质的信息进行头取编码存储提取别等系列变换的过程，是人的一种能力
心像地图即认知地图，具有变化性、可操作性，替代性不稳定性、可塑性等特点。
观点一：
地图是人类空间认知的重要工具,这个观点对于指导地图学乃全地理科学的建设和发展具有极其重要的意义:
观点二：
认知制图能力指空间行为的进行，是可以通过学习强的这个观点对于教育有指导意义。
第四、超图开展地图设计专家系统工作
基于认知地图学理论成果，积极开展地图设计专家系统的研究，认为地图设计专家系统是人工智能在地图学领城的运用，认知科学可以在地图设计自动化中发挥重要作用，指导孙群、华新、游峰三人分别完成数学基础自动生成专家系统、专题地图设计专家系统、地图色彩管理专家系统的研究。
这部分工作直接促成了地图制图，地理位息系统，战场环境方向的突破。
第二阶段、不断丰富完善地图空间认知理论体系
世纪之交，高俊院士开创性的建立了虚拟环境仿真方向，结合数字地图的深入发展，不断探索多维战场空间感知的理论，强调知识服务为核心，设计了以空间认知理论为基础的作战环境学新体系。
第一、建立战场环境伤真新方向
20世纪90年后期，高俊基于“地图是人类空间认知的工具”这一核心理念，敏锐地开展虚拟现实（VR）新技术研究，完成了科研方向的次华丽转身，
VR技术将成为空间认知的新手段，对人的感知功能和认知能力的探索，从来没有哪一个技术领域像VR这样有如此强烈的油切要求（1994）.
地图学在VR领城找到了新的生长点，从建立空间模型的地图制图体统转入建立可交的虚报环境系统，是环境技术的发展和深化
第二、地用空间认知理论的不断深化
空间认知可以从人类大脑机能和空向行为的两个角度进行播述。
将其界定为一种能力和过程，信息技术的发展带来空间认知工具的泛化。
传统地图、三维地图、动态地图，虚拟环境。
合成视觉等都成为地图空间认知的有效工具，在支持空间认知功能实现上具有不同的特点和局限性。
（2007）
GIS的空间认知价值在于，提供逻情思维（建模、分析、计算等）和系统思维（可视化、地图、图表等）两大引擎，为启动创造性思维提供便利条件（2000）.
第四、设计作战环境学理论体系
进入21世纪，正是因为站在地图空间认知的理论高地上，高俊深入恩考“人一装备—环境”三元世界的复杂关系，提出了作战环境学科的设计思想，这是其科研方向的第二次华丽转身。
作战环境学的总目标是提高指战员的战场空间认知能力，必须以空间认知理论为基础研究指挥员的战场感知增强技术，知识服务是作战环境学建设的核心理念，面对大量涌现的知识化指挥系统、智能化装备，要大力强化知识服务的理论体系研究，搭建战场环境信息与用户之间的信息通道。
（2011）
（一）地图空间认知
1、地图学基础理论
明确地图学的科学属性、总結现代地图学理论体系是以高俊、廖克、王家耀等量国内老地图学家的不懈追求。
2008年家耀提出信息化地图学，并指出以空间认知为核心构建信息化地图学理论体系
2010年王家耀总结到多模式时空综合认知贯穿地理信息传输的全过程，将成为地图制图学与地理信息工程学科的基础理论、地图、地理信息系统和虚拟地理环境下的多模式认知手段，已从地图认知发展到虚拟地理环境下的多模式时空综合认知。
2、地图设计与制图综合
地图设计是国内地图空间认知研究的起点。
20世纪70年代地图工作者首先在地图视觉感受、地图符号设计应用上开展空间认知理论研究。
人们认为，大脑的空间认知机制还存在很多“黑箱”。
1995年陈毓芬探讨心想地图在地图设计中的作用。
1999年王家耀指出，制图综合中视觉思维
2008年艾廷华指出路网图、拓扑图、网络图适宜空间认知
陈毓芬、董卫华等团队开展眼动实验
3、地理信息系统
1997王家耀通过对人的空间认知系统和地理信息系统的分析比较，认为两者的工作原理是相同的，都是信息加工系统，即输入信息、进行编码、存储记忆、作出决策、输出结果。
地理信息系统能够模拟地理环境信息流在人脑中的处理过程，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。
从面向对象的方法论角度，王家耀进步认为空间认知理论是地理信息系统方法论的理论基础
2000年王家耀指出，空间认知理论为空间数据挖掘奠定了理论基础和方法
2005年，鲁学军分析地理信息系统中空间分析能力薄弱的原因时指出，传统地理信息系统的“点”、“线”、“面”模型机制距离人类主观空间的“特征”、“对象”、“格局”认知机理相差甚远。
把地理信息系统模型与认知机理有机结合有助于提高地理信息系统的人性化设计水平，将大大提高地理信息系统的空间模拟与分析能力。
4、虚拟地理环境
1995年，徐青在国内率先进行地形三维可视化技术的研究。
1996年，高俊、游雄在提出了虚拟战场环境仿真概念
1996年，廖朵朵在SGI工作站上完成地形建模与实时显示。
1999年，王全科进行基于认知的多维动态地图可视化研究。
1999年，高俊、夏运均、游雄等出版的《虚拟现实在地形环境仿真中的应用》是国内本领域的第一本著作。
2001年，地理学家从地理表和地理实验的角度研究虚拟地理环境。
龚建华《虚拟地理环境》一书中正式提出虚拟地理概念
5、地图学史与古地图
地图学史方向研究空间认知理论，是将地图看作一种人类空间认知表达的方式并进行社会学研究，从地图的图形表现形式分析人类不同时期对所处空间的认知模式，揭示地图所表示的社会形态、社会力量，政治权力、思维形态等。
1963年，高俊认为地图在图画、文字相混淆的阶段就萌芽了，通过研究史前地图的表现方式，可以分析早期人类对空间的认知模式，
1982年，高俊推出心像地图在人类地图设计制作过程中曾起着重要的作用，大量的古代地图（例如《马王堆地形图》、《马王堆驻军图》，《华夷图》、《皇舆全图》、（T-0地图》等）中都包含着明显的心像地图的痕迹。
1997年李孝聪在《古代中国地图的启示》一文中认为，中国地图采用不同方位表现为中国地图工程从使用目的出发的方位观，中国地图制作技术的进步表明中国古人对空间认知水平的不断提高。
2002年葛兆光认为地图背后往往有观念的影响。
不同的文化背景、信仰背景、政治意图反映为地用的范围、位置的安排、比例的大小以及色彩的异同，其背后的实质就是不同的空间认知思想。
2009年安敏总结到，基于空间认知的古地图制作理论研究包括古代地图制作理论萌芽期确定、古代地图制作理论的研究、古代地图图例符号的发展、古代地图上方向和维度的确定4个方面。
2012年，王家耀院土总结到地图有着几乎和世界文明同样悠久的历史，浓缩着人类对世界的认知、想象和信念。
不同国家，不同时期的地图反映这一时期先人空间认知能力的差异。
总之，随着对地图的深入研究，使更多的人看到地图是民族文化的象征，反映了不同民族空间思维观的不同
（二）地理空间认知
1989年，美国国家地理信息和分析中心（NCGIA）的提案中提出地理信息科学应该具有认知基础的思想，其中包含一个将认知和计算联系起来的组成部分。
1995年，美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）发表了"AdvancingGeographicInformationScience"报告，提出地理信息科学的三大战略领域:
地理空间认知模型研究、地理概念计算方法研究、地理信息与社会研究，它们分别对应人类如何对地理空间进行概念化和推理，地理概念如何被形式化和计算以及地理信息的社会应用和服务。
1996年，美国地图科学大学研究会（UCGIS）发布10个优先研究主题，其中包含对地理空间认的研究
（二）地理空间认知
1992年，AndrewFrank组织了一次关于“地理信息系统—从空间到地域时空推理的理论和方法”的国际会议，后来被称为COSITZero:
1993年，首次国际空间信息理论会议（COST）在意大利召开，主题包括：
基于活动的空间知识模型、制图和地理可视化、空间知识的认知结构、地理空间和时间中的事件和过程、人体传感器在空间和时间上应用、不完整或不精确的空间和时间知识表示、空间关系的语言、导航和寻路、空间和时间的本体论、空间信息的表达和传播等。
COSIT系列会议是地理信息科学认知研究领域发展和成熟的一个重要标志。
2001年中国自然科学基金委员会空间信息科学的战略研究报告中，把地理空间认知研究作为基础理论之一列入研究范围。
2003年，黄建华、林晖指出，虚拟地理环境是一个可进入的“虚报空间”，可作为人类空间认知的工具，对人类认知地理环境具有很多优势，能够缩短使用者判读时的认知距离，更符合人类的认知规律。
2009年龚建华提出了虚报地理实验的概念，参照了心理学、认知科学、神经科学等领域的实验方法。
2010年林珲指出拟地理环境的认知对象是现实世界中的地物和现象、地理学过程和人类行为。
2018年张帆等指出人类活动大数据和城市空间的上下文大数据构成了数据密集型研究范式，支持更准确的“人地关系”表达。
全空间地理信息系统的出现，为地理空间认知开辟了新的研究领域。
2015年，周成虎首次提出全空间信息系统概念，指出需建立一种新的空间认知表征形式，开展新的地理空间认知研究。
2016年华一新进步阐述，全空间信息系统是在大数据物联网时代、随着地理空间认知研究的深入和地理信息技术的迅猛发展而产生的。
2017年江南认为，全空间信息系统的空间认知有其自身的特点:
认知主体进入“人机物”三元融合的时代全尺度、全类型特征，扩展可认知对象的广度;全动态、全属性特征，增强空间认知对象的深度。
面对人类心智这个超级复杂的对象，要想真正了解人空间认知过程及其背后的机理，进行跨越微观到宏观的多层次化的系统研究是唯一的路径。
人类已经发现一系统的海马结构空间细胞，他们的放电活动被认为能够形成对环境内在地图的表达，即认知地图。
1971年发现“位置细胞”
1984年发现“头方向细胞”
1997年发现“空间视角细胞”
2005年发现“网络细胞”
2008年发现“边界细胞”
2015年发现“速度细胞”
（二）服务于教育、训练的空间认知应用
科学家们意识到大脑的功能及认知结构的发展取决于环境的影响，也就是说认知能力是不同人群在不同的环境压力下通过自然选择而形成的种个体化适应。
2005年，傅小兰认为信息时代如何从海量的数据中提取出个性化信息并加以针对性吸收和理解，如何快速有效的传播迅速积累的知识是人类面临的一个重大难题。
利用认知科学理论和规律来帮助人们更为有效的学习，是应对信息爆炸性带来的挑战的最佳解决方案。
1986年DonaldNorman提出“认知工程"这个概念，起初只是集认知与计算机科学方法于一体， 进行机械设计和构建。
认知工程学是种应用认如科学。
2009年Martin Raubal提出空间认知工程学的概念，它沿用认知工程学的基本观
点并应用于地理空间领域。
（三）大数据支撑下的智能空间认知
李德仁院士在2017年论空间大数据与人工智能集成时，提出了“空间信息脑”的思想，认为脑认知科学与地理空间信息科学的融合，是极高挑战性的命题。
遥感信息科学可以学习大脑的感知、认知、记忆、联想、推理等智能来开发多种不用空间信息脑。
（四）认知计算与智能机器人
在当代的认知科学探索中，有关表征计算的研究仍然具有重要价值，并且通过与脑科学、信息科学、人工智能、数学、计算机技术和机器人学等学科的融合焕发出新的活力。
认知计算是对新代智能系统特点的概括，既包括在功能层面具备人类的某些认知能力，能够出色完成特定的认知任务的系统:
也包括在结构层面借鉴人类大脑特征设计出非冯诺依曼架构计算机，更有效地进行认知所需的运算。
1975年AllenNewell提出基于物理符号的认知计算模型，近年来随着现代神经影像学技术的发展又提出了多种基于神经信号的认知计算模型。
麻省理工学院脑与认知系把认知计算领域列为重点研究方向，主要关于运动控制、视觉、深度学习知识的知觉和推理以环机器人技术。
脑科学为人工智能的发展指明了方向，类脑将是人工智能发展的必要途径之一。
2017年，中国科学技术大学建立类脑智能技术及应用国家工程实验室，在类脑计算理论类脑计算芯片、类脑计算软件、类脑计算系统等方面开展研究。
2018年于乃功等、陈孟元分别提出了将鼠类脑细胞中边界细胞、局部场景细胞、网格细胞、速度细胞位置细胞等具有定位导航功能的细胞模利应用到机器人SLAM中思想。
2018年郑南宁院土将认知地图模型运用到复杂路况的无人驾驶研究中，目标是使自动驾驶汽车像人样理解和记忆交通情景，形成可进化、发展的自动驾驶学习系统。
总结
陈霖院士总结现代认知科学的三大基石是：
认知变量、认知实验范式和脑认知成像
李德院土指出，长期以来神经生物学和人工智能的研究犹如两条平行线，没有实质的交集。
他们一旦交叉融合让碳基生物脑和硅基电子脑在介质或宏观尺度上形成“杂交优势”，将会势不可挡。
在这个浩浩荡荡的人类科技洪流中，地理空间认知研究人员必须跟上时代，一棒接一棒，迎接新的挑战，才能焕发出新的风采。
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