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摘 要： GIS数据组织是GIS的核心和关键问题之一，其对象来源于现实世界的地理现象或客观实体，必须对现实世界进行抽象和表达。因此，建立GIS的过程是以认知科学为基础、以计算机为手段，对地理空间数据进行有效组织的过程，这一过程是以地理空间认知为桥梁，对现实世界的地理现象进行逐步抽象，通过一层层具有不同抽象程度的空间概念来实现的。
关键词： GIS；认知；数据组织
随着人们认识水平的不断提高和计算机技术的迅猛发展，GIS从开拓发展、巩固突破应用阶段进入了社会化阶段。GIS和其他相关学科（如RS、测绘学、地理学等）的共同发展，最终形成了地理信息科学和地球空间的信息科学。作为地图科学，GIS是地理信息科学和地球信息科学的重要组成部分之一，GIS为智能决策支持服务，决策支持的过程就是问题的求解过程，即认知操作过程，数据组织是问题求解过程的一个必要的基础组成部分，是GIS的重要研究内容。为了实现GIS智能决策的目标，理解人们某些特定方面的认知是必要的，但这个目标经常很难达到，主要是因为对GIS中认知问题的关注程度不够、理解不够。因此，目前对认知问题重视程度的不足是地理信息技术有效性的一个主要障碍。认知研究将直接导致GIS系统的改进，改进后的系统将充分体现人类的地理感知，因此，认知问题的研究对设计更有效的GIS是有帮助的。
在这里沿用认知是研究知识的获得、储存、提取及运用的定义。发生在地理空间上的认知称为地理空间认知，它是对地理空间信息的表征，包括感知过程、表象过程、记忆过程和思维过程，实质是对地理现象或地理空间实体的编码、内部表达和解码的过程。地理空间认知是地理学的一个重要研究领域，是地理认知理论之一和GIS数据表达与组织的桥梁和纽带，研究地理空间认知对GIS的建立具有重要作用。认知、空间认知、地理空间认知以及GIS之间的关系如图1所示。
图1 认知、空间认知和地理空间认知与GIS的关系
Fig.1 Relationship between GIS and geographical spatial cognition，spatial cognition，cognition
随着地图应用的进一步深入以及计算机等技术的飞速发展，GIS成为人们认识、理解世界的另一重要工具。目前，在现实生活中，地图是人们表达地理现象（事物）最常用的工具或方式之一，它是地表空间关系和空间形成的视觉图解表象。因此，地图是空间表达的一种普通方式。从概念上讲，它既可以看作一种图形图像，也可以看作一种图形几何结构。前者导致了栅格数据模型，其基本元素是栅格单元，用网格来表达，它是基于位置的，后者导致了矢量数据模型，基本元素是点线面，在拓扑结构中还包含拓扑关系，它是基于对象的。可见，GIS的矢量模型和栅格模型实际上是一种基于地图的模型。因此，GIS认知是以地理空间认知为基础，在相关理论（如地图认知、认知心理学）的指导和支持下，对GIS系统建设整个过程的描述和表达，并以此指导GIS系统建设，使所建立的GIS系统既符合人们的认知习惯，又符合计算机技术原理的基本要求，促进GIS系统的人性化、智能化。
地理空间认知的重要基础之一是认知心理学，目的是建立地理空间认知模型，利用它可以优化GIS数据组织模型，实现客观世界的计算机管理，并起到辅助决策的作用。因此，要建立符合人性思维的GIS，实现海量地理空间数据的GIS辅助决策，必须重视空间认知心理学研究。在数据的处理过程中，应借鉴人脑对信息处理方式和思维过程。人脑的地理思维（包括地理抽象思维、地理形象思维和地理创造性思维）形成了地理意象，地理意象有地理区域、综合体、地理景观和区域地理系统四种模式。GIS对于地理现象或地理实体的表达与组织、处理与分析要遵循这四种模式以及其中的关系。目前GIS对于思维的模拟有两种典型的方法论——连接主义和符号主义，但要使其模拟人脑思维并实现人脑的某项功能，必须具备一定的条件，并发展相应的理论。
GIS是对地理空间信息的描述、表达和运用，其初衷是用计算机模拟分析地表现象、地理时空过程，并为辅助决策服务，即GIS应该以认知科学为基础，以计算机为手段（工具），运用地理思维来模拟分析地理问题。用GIS可以解决的地理学问题如图2所示。
图2 地理学问题的GIS回答
Fig.2 Replying problem about geography with GIS
地理知识的描述需要地理思维，它们与GIS相结合会产生基于知识的GIS和基于GIS的专家系统两种结果。这两种系统都是以地理认知为基础的。地理认知、地理思维和GIS的关系可用图3来表示。
图3 地理认知、地理思维与GIS
Fig.3 Geographic cognition，geographic thinking and GIS
GIS数据最终要存储在数据库中，因此，GIS数据组织涉及计算机的有关知识。由于GIS与其他数据处理系统（如CAD）的本质区别在于GIS的空间数据处理与分析（尤其体现在拓扑关系上），因此，GIS空间数据的数据组织是整个系统能否有效运行的关键。应用认知理论对GIS数据组织进行认知分析，实质上就是利用信息流、知识流来分析和表达GIS的研究方法。GIS数据库中，地理现象的组织和表达是地理信息科学最核心、最根本的内容之一，当然也是GIS的核心和关键问题之一。数据组织问题涉及GIS系统应用开发的成败。传统意义的数据组织只注重研究数据模型和数据结构，实际上GIS数据组织的内容非常广泛，涉及的理论是GIS、地理信息科学或地球信息科学的基本理论。
GIS空间数据组织的对象来源于现实世界的地理现象（客观实体），因此，必须对现实世界进行抽象和表达，以建立现实世界的GIS数据模型。抽象的过程是人们对现实世界进行认知的过程，表达的过程是人们对现实数据进行计算机再现的过程，如图4所示。
图4 GIS数据组织的两个过程
Fig.4 Two processes of GIS data organization
顾及图形数据本身的特点，GIS系统的数据组织与纯属性数据的组织有很大不同（无特别说明时文中的数据组织指GIS空间数据组织），包括微观数据组织和宏观数据组织两部分内容，两者之间既有区别又有联系。宏观数据组织具有大区域、大尺度的特点，是真正从地理空间的角度来研究地表现象的组织与表达方式，而微观数据组织具有抽象、具体的特点，它注重研究地表现象个体以及它们之间的内在联系，在此基础上建立地表现象的逻辑组成关系。前者以后者为基础，并为后者提供关系空间和实验空间，后者为前者提供逻辑基础，是前者研究的前提。两者均以地理认知或空间认知理论为基础，利用计算机技术来实现，两者的关系如图5所示。
图5 宏观数据组织与微观数据组织之间的关系及内容
Fig.5 Relationship between micro－data organization and macro－data organization and Their contents
微观数据组织是指通过研究地表现象的微观抽象表达，进而研究它们的计算机存储、管理和分析，如通过地理认知，人们把地表现象抽象为点线面体四种类型，为了在计算机中再现这些地表现象，根据计算机科学有关理论（如计算机图形学、数据库、数据结构等），按照点线面体的组织方式选择合适的数据模型和数据结构，来实现地表现象的可视化表达。微观数据组织是从微观上研究GIS数据组织的一种方式，是建立任何GIS系统的基础和前提，其内容包括微观颗粒、数据模型、数据结构、空间关系等。微观颗粒是指组成地表现象的基本元素，是GIS信息组织的基本单元，有坐标点、栅格像元、地理特征三类。
人们对现实世界的地理现象通过认知和抽象，把地理实体结构化为数学上的点线面以及栅格单元（格网），这种抽象与描述方法造就了基于分层的数据组织方法。实际上，点线面以及栅格单元是不存在的，这种抽象不是一种对真实地理空间的描述或表达方式。对地理实体属性和关系共性的认识是人们认知的开始点，可见，人们对客观世界的初识是基于地理特征的，这种认知方式造就了基于特征的数据组织方法。
基于分层的数据组织和基于特征的数据组织都以实体模型和场模型为基础，但基于特征的数据组织在面向对象数据模型的基础上使用面向对象的技术方法来组织数据，而基于分层的数据组织主要在矢量数据模型、栅格数据模型以及关系数据模型的基础上使用分层的方法来组织数据。虽然随着技术手段的不断发展和完善，分层的数据组织方法也渗入了面向对象技术，但这并没有构成真正的面向对象的数据模型。可见，两者存在根本的差别。
宏观数据组织是以微观数据组织为基础，以数字地球为框架，研究大型GIS海量数据的存储、组织、管理与共享，其内容主要包括宏观颗粒、数据共享、分布式结构以及无缝数据组织等。宏观颗粒是指大型GIS中存储和管理数据的基本组成单位，如图幅、行政单元等。
在GIS建立之初，所应用的区域范围是比较小的，随着GIS应用领域的不断推广和深入，应用GIS研究的区域越来越大，区域性GIS越来越受到重视，这种类型的GIS具有大中小比例尺的要求，所面对的数据量越来越大，从最初的MB数量级已经发展到了现在的GB数量级甚至TB数量级，已经到了海量的程度。所有这些数据都一起推动着GIS向大型化方向发展。大型GIS有不同的表述方式，如企业GIS、政府GIS。另外，数字地球、数字中国、数字流域以及数字城市等都是大型GIS的一种表现形式。海量数据是它们的共同特征，海量空间数据的管理成了制约GIS发展的一个瓶颈。因而，解决大区域海量空间数据的统一管理成了GIS广泛应用面临的主要问题。从数据组织的角度在宏观上进行研究有助于这一问题的解决，它涉及认知理论。把认知理论应用到数据组织的应用研究中，使得数据组织既符合计算机技术原理的基本要求，又符合人们的思维习惯。可应用到海量数据组织管理的认知理论主要有：①分级分类理论，主要指人们为了组织数据以及更有效地存储知识而使用的怎样把具有共同属性的实体组进行分类的方法。② where、what、when的认知理论。where、what、when三个知识系统之间的相互作用，使得人们能够正常行使职能，what涉及实体的标志，where涉及实体的相关空间关系，when涉及实体的变化运动以及对过程的探测。由于使用上的根本差别，三个系统在性质上彼此区分，在人脑中独立编码，但它们相互交织，在空间上相互作用。③总体先于局部原理，即对于视知觉，总体特征先于局部特征被知觉，总体加工处于局部分析之前的一个必要的知觉阶段。
上述理论要根据where、what、when之间的相互关系，应用有关理论（如分级分类理论）对海量数据进行从粗到精的组织与管理。另外，由于GIS表现的是地理时空过程，因此其数据组织模式必须符合地理规律。地理时空等级组织体系对此做了简要概括，为实现具有不同时间和空间比例尺的海量空间数据的浏览提供了数据组织模式。海量数据的分布式存储组织符合地理信息分布的特点与要求，建立分布式地理数据库，实现GIS数据的分布式管理即分布式GIS，是一种较实用的方法。有两个解决方案：基于元数据的异质数据获取方案；基于FDBS的异质数据库一体化方案。其中涉及的GIS无缝数据组织包含三个方面的内容，即同地数据库或异地数据库之间不同数据层的无缝组织、不同比例尺的无缝组织和不同时相的无缝组织。另外，从计算机的角度讲，还可以使用数据压缩的方法，把GIS海量数据变为非海量数据。目前，栅格数据的压缩和数据简化算法已经比较成熟，但在矢量数据压缩方面还很不完善，混沌理论、人工智能、专家系统、分形分析和模糊逻辑系统等都可以应用到GIS海量的矢量数据压缩和简化中。
（1）认知是GIS的基础理论之一，数据组织是GIS的重要研究内容之一，从认知的角度研究GIS的数据组织，可以丰富GIS的研究内涵、充实GIS基础理论、推动GIS自身的发展，还可以促进地理信息科学、地球空间信息科学的进步。
（2）建立GIS的过程是以认知科学为基础，以计算机为手段，对地理空间数据进行有效组织的过程，这一过程是以地理空间认知为桥梁，对现实世界的地理现象进行逐步抽象，通过一层层具有不同抽象程度的空间概念来实现的。
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Abstract： GIS cognition depends on people understanding and cognition to map.GIS data organization，whose contents come from the real world，is one of the key and core problems on GIS.Therefore，it is necessary to abstract and describe the real world in order to make the real world expressed on the computer and to develop the practicable GIS.Certainly，geographic spatial cognition should be applied to the whole abstract course.Consequently，we must reasonably organize the data on computer based on the cognitive theory during developing GIS.
Key words： GIS；cognition；data organization