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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Schematicmap（路网构架图）Cartogrammap（面域拓扑图）Cybermap（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■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：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ChildpsychologistPiagetknownforaqualitativestagetheory___首先是获取特征点标识，标识区位的独立特征地物landmarkknowledge___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，routeknowledge“___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。surveyknowledge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、曲解非一致认知结果可视化心象地图_____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（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？是少女还是巫婆？是男人的腿还是女人的腿？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，QualitativeSpatialReasoning）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2.空间认知结果的可视化表达（1）SchematicMap（路网构架图）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schematicmap伦敦对道路网络的线性化抽象表达；北京地铁（含规划）Schematicmap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schematicmapSchematicmap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。Fromwebsite年世界网民预测（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。Cyberspaceisdefinedasacomputer-generatedlandscape,thevirtualspaceofaglobalcomputernetwork,linkingallpeople,computerandsourcesofvariousinformationintheworldthroughwhichonecouldnavigate.赛伯空间中的距离、方位无意义(零时间访问、零时间到达)，如何认知该空间，如何提供导航信息？新的地图CyberMap关注连接、在线/离线、节点关联等拓扑信息，拓扑表达图赛伯地图CyberMap———是对虚拟空间的认知表达，对赛伯空间里存在的事物、发生的现象与过程进行可视化表达，服务于虚拟空间的导航与分析，赛伯地图表达的信息内容强调：虚拟空间的拓扑信息的认知与导航网络结点导航点击率DNS域名分布访问记忆信息流量因特网发展态势服务器节点分布信息容量。。。。。。Fromwebsite讨论：他们是真正的地图码？（是否符合地图的定义）符号可视化直观性地图综合一览性数学法则可量算性地图（I）三种图形可视化技术（Schematicmap，Cartogrammap，Cybermap），均采用了符号可视化将空间特征、属性特征展示，表现出强的直观性，与常规地图没有什么差别（II）在综合概括方面，三种图形可视化技术实施了高度的综合化简，在保持拓扑结构正确的前提下，对图形目标大胆化简综合，还产生了“空间关系的综合”问题方向关系：16方向8方向4方向距离关系：定量表达等级表达（远/近）拓扑关系：语义归并，分辩率降低（III）在数学规则应用方面，没有均一的比例尺，不具有可量算性？在度量概念中，存在四种不同量化程度的描述，定名量有序量差异量比率量有序量、差异量也是可量算的，只是量化程度没有比率量高。schematicmap中的换乘车站的有序性排列，在距离远近的描述中，采用“坐n站”取代“坐x千米”，乘车趋向的总体方位保持。说明schematicmap具有一定的可量算性，schematicmap的生成具有严格的数学规则，可用算法实现，也是一种空间变换。其他Cartogram、cybermap的生成在拓扑特征的保持上也符合特定的数学规范，不是随意的，具有拓扑意义上的可量算性。因此，应用“图面各处是否有均一比例尺”作为地图数学法则的判断标准，是狭隘的。实际上，在常规地图上，投影后各处也有距离、面积的比例差异，严格意义上比例尺也不是均一的。注意，在谈到可量算性时，我们用“数学法则”而不是“地图投影”，说明某些新型地图可能存在特定的空间数学变换，不一定都是三维到二维的地图投影变换。结论，上述三种表达是地图表达。3面向空间认知的地图分析通用的数学模型与计算方法面向空间位置的数据加工处理地学现象与过程的专业化规律探求多元统计聚类分析相关分析主成分分析概率分析。。。优化技术模拟退火爬山技术。。。智能计算神经元网络Agent遗传算法粗集。。。空间数据挖掘计量地理地图分析地学各分支专业化的分析、计算（地质统计Krig插值计算）分析：从无到有派生、导出、推论、提炼出新的有用的信息与知识。地图分析基于图形符号化的思维分析，强调感性思维，关注“形状”“模式”“结构”。人的主观因素有一定影响，受认知心理学原则控制面向空间认知空间分析地理分析基于空间位置的分析，与几何学结合紧密，依赖于几何操作（多边形拓扑关系、缓冲区、多边形布尔运算）是地理分析的基础构件不关注图形符号化的感性思维与地理学原理、规则结合紧密，面向地学机理、现象特征、分布规律的解释、挖掘。经“空间分析”构件组合定量化处理后，要引入定性化分析。缺乏感性思维基于地图的空间认知分析示例之一德国地球物理学家、地质学家魏格纳，在病床上发现大西洋两岸的陆地形状惊人的相似，尤其是非洲与南美洲，几乎可以吻合。。。世纪大发现“大陆漂移学说”（1910年）30年后，“板块构造学说”这只“火凤凰”与重庆生态、经济、人文、功能神秘对应吻合;主城九区商圈为心脏;长江为主动脉；涪江、嘉陵江、乌江、綦江、芙蓉江、大宁河等水系为静脉系统；主城九区为都市发达经济圈(太阳):头颈胸腹翅腿相对应区域为经济较发达地区;尾、羽、脚爪相对应区域为三峡库区生态经济区;涪陵、万州两大工业城市分布在两个主要节点上;江北机场和即将建设的垫江国际机场均在鸟的翅膀上；人杰地灵的潼南县(伟人杨尚昆、杨闇公故里)为鸟的头部示例之二重庆的版图为一只火凤凰南京明长城分布结构非正方形、非矩形，将破残的城墙连接起来，得到一个大人物的脸谱——明太祖朱元璋示例之三…有趣的是，如果从泸州、合江县两点通过叙水、古蔺县和赤水、仁怀，把川酒分布与贵州西北部赤水河流域的黔酒分布连接起来，你会惊异地发现，在祖国大西南的地图上，伫立着一只标准的高脚大酒杯！它以赤水河流域的酱香型国酒茅台、郎酒等玉液琼浆为坚实的底座，高高托起浓香型国酒泸州老窖特曲、宜宾五粮液、成都全兴大曲、绵竹剑南春以及各种黄酒、果酒、啤酒、滋补酒等系列名酒，令人惊叹大自然的鬼斧神工！…全兴大曲沱牌雪莲黄酒荔乡曲郎酒泸州老窖茅台董酒啤酒五粮液圣灯山酒厂江津酒厂喜红喜酒厂龙泉啤酒丰谷果蔬酒双桂啤酒成都市南充市广安市遂宁市绵阳市德阳市资阳市内江市自贡市宜宾市乐山市雅安市泸州市遵义市凯里市合江赤水市叙永古蔺仁怀市桐梓贵阳市昭通市毕节市綦江重庆市巴南区长寿垫江梁平达州市巴中市广元市剑阁绵竹都江堰市彭州市康定石里德恪甘孜新龙色达壤塘阿坝马尔康松格宝兴石棉越西西昌市木里盐源攀枝花市峨边眉山射洪道真正安务川沿河西阳彭水黔江石柱利川市开县云阳奉节域口余庆瓮安石阡万山特区都匀市思南稻城省会直辖市()地市、州()县市、区()省直辖区界()高速公路国省道()图例铁路全兴大曲沱牌雪莲黄酒荔乡曲郎酒泸州老窖茅台董酒啤酒五粮液圣灯山酒厂江津酒厂喜红喜酒厂龙泉啤酒丰谷果蔬酒双桂啤酒成都市南充市广安市遂宁市绵阳市德阳市资阳市内江市自贡市宜宾市乐山市雅安市泸州市遵义市凯里市合江赤水市叙永古蔺仁怀市桐梓贵阳市昭通市毕节市綦江重庆市巴南区长寿垫江梁平达州市巴中市广元市剑阁绵竹都江堰市彭州市康定石里德恪甘孜新龙色达壤塘阿坝马尔康松格宝兴石棉越西西昌市木里盐源攀枝花市峨边眉山射洪道真正安务川沿河西阳彭水黔江石柱利川市开县云阳奉节域口余庆瓮安石阡万山特区都匀市思南稻城省会直辖市()地市、州()县市、区()省直辖区界()高速公路国省道()图例铁路示例之四面向空间认知的地图分析过程概念模型——逻辑