地理信息关联理论与方法

第1章绪论 地球是人类赖以生存的家园，认知地球及人与地球的关系产生了地理学科。随着空间信息技术的发展和应用，地球观测探测仪器、地球观测系统和各种遥感数据处理等研究取得突破性进展。观测的多源时空地理数据是对地理事物或现象观察的结果，也是自然和生命现象的一种表示形式。正确认识地理现象的动态变化规律，必须对分布于统一时空基准上的不同表达模式、表达尺度、语义和时段的瞬间片断的地理数据进行关联分析。挖掘海量地理数据之间的关系是探索宇宙奥秘和社会发展规律的一种重要手段，能够发挥多源地理数据的综合优势，克服人类对地理信息感知、认知和表达等方面的局限性。在大数据时代，地理信息关联已成为地理信息智能分析和推理研究的热点，并已有效应用于空间决策分析、突发事件应急管理、智慧城市建设等领域。 1.1信息关联概述 知识是人类在实践中认识客观世界（包括人类自身）的成果。人与人之间知识的交流和传播产生了信息。信息载体包括以能源和介质为特征，运用声波、光波、电波传递信息的无形载体和以实物形态记录为特征，运用纸张、胶卷、胶片、磁带、磁盘传递和储存信息的有形载体。数据是信息的载体之一，是反映客观事物属性的记录，是信息的具体表现形式。关联反映了知识关联、也反映信息关联，*后以数据关联的形式体现。 1.1.1人类智慧的知识关联 “古往今来曰世，上下四方曰界”，世界就是全部时间与空间的总称。世界因人而产生联系，因人的联系而有了世界。认识世界和改造世界是人类创造历史的两种基本活动。 1.知识获取 人类*显著特征是拥有一个十分发达的大脑。知识的获取涉及许多复杂的过程：感觉、交流和推理。知识也可以看成是构成人类智慧*根本的因素。智慧是运用知识和实践经验的能力。 1）感知和认知 人类用心念来诠释自己器官所接收的信号，称为感知。我们身体上的每一个器官都是外在世界信号的接收器，器官接收范围内的信号，经过某种刺激，器官就能将其接收，并转换成感觉信号，再经由自身的神经网络传输到心念思维的中心——头脑中进行情感格式化的处理，就带来了我们的感知。 80%以上的外界信息是通过人类视觉获得的。人通过视觉感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静。人的一只眼睛只能感受一个平面（二维）图像，立体物体（三维）是通过两只眼睛观测并经过人脑关联思维构建的，所以人只能观测立体物体的表象和侧面，不能观测立体物体的内部和背面。 人脑反映客观事物特性与联系、并揭露事物对人的意义与作用的思维活动称为认识。简单来说，认识指人脑对客观世界的反映。人们认识活动的过程称为认知，即个体对感觉信号接收、检测、转换、简约、合成、编码、储存、提取、重建、概念形成、判断和解决问题的信息加工、处理过程。认知是人类*基本的心理过程。人脑接受外界输入的信息，经过大脑的加工处理，转换成内在的心理活动，进而支配人的行为，这就是认知过程。 认识是表层的，而认知是一个将认识再深化的过程，一般比较理性、深层次。认识是对事物简单的了解。认知一般是指自己以前所认识的事物通过自己再次经历后，对其有了更深一层的认识。 2）思维与推理 人们在工作、学习、生活中遇到问题，总要想一想，这种“想”，就是思维，是人脑对客观事物间接概括的反映。思维形式是人们进行思维活动时对特定对象进行反映的基本方式，即概念、判断、推理。推理是由一个或几个已知的判断推出一个新的判断的思维形式，任何一个推理都包含已知判断、新的判断和一定的推理形式，推理的已知判断称为前提，根据前提推出新的判断称为结论。前提与结论的关系是理由与推断，原因与结果的关系。 3）存储和记忆 人们通过感知所获得的知识经验，在刺激物停止作用之后，并没有马上消失，它还保留在人们的头脑中，并在需要时再现出来。这种积累和保存个体经验的心理过程称为记忆。记忆是人对经历过的事物的一种反映，包括识记（对当前事物的认识并记住）、再认（该事物重新出现后能够认识出来）和重现（把头脑中的印象回想起来）。 4）知识的获取 人类从各个途径中获得并经过提升总结与凝练的系统认识叫知识。也可以说知识就是可以解释为什么或者原因的那些东西。有一个经典的定义来自柏拉图：一条陈述能称得上是知识必须满足三个条件，它一定是被验证过的，正确的，而且是被人们相信的。这也是科学与非科学的区分标准。 在《中国大百科全书 教育》中知识条目是这样表述的：“所谓知识，就它反映的内容而言，是客观事物的属性与联系的反映，是客观世界在人脑中的主观映象。就它的反映活动形式而言，有时表现为主体对事物的感性知觉或表象，属于感性知识，有时表现为关于事物的概念或规律，属于理性知识。”从这一定义中我们可以看出，知识是主客体相互统一的产物。它来源于外部世界，所以知识是客观的；但是知识本身并不是客观事实，而是事物的特征与联系在人脑中的反映，是客观事物的一种主观表征，知识是在主客体相互作用的基础上，通过人脑的反应活动而产生的。 把一些零碎的、分散的、相对独立的知识概念或观点加以整合，使之形成具有一定联系的知识系统。这种系统像一棵树，每片叶子都是独立的，但树干把它们联系在一起，形成了某种体系。知识体系不是简单的堆积，而在于制造关联，不然无法构成体系。从知识到知识体系的构建就是元认知的构建（关联）。关联是知识的结构特征。想要完整地构建一套知识体系，一定要经历知识的分解和再聚合，知识的分解和再聚合是从理论—实践—理论的循环迭代过程。 知识体系是基于人而存在的，别人总结的是别人的，你吸收得到的知识体系才是你自己的。 2.知识关联 世界的普遍联系是世界物质统一性的内在表现。联系是指一切事物、现象、过程及其内部要素之间的相互影响、相互作用和相互制约。联系的特征：①联系具有客观性。联系是客观事物固有的本性，是独立于人的意识之外的客观存在，它不依赖于人的意识和主观认识而转移。就其与实践的关系来说，事物的联系可以分为自在事物的联系和人为事物的联系，它们都是不以人的意志为转移的。②联系具有普遍性。世界上的一切事物都与周围其他事物有着这样或那样的联系。每一事物内部的各个部分、要素之间是相互联系的；整个世界是一个普遍联系的有机整体，没有一个事物是孤立存在的；从自然界到人类社会都是由相互联系的各个要素、各个部分组成的复杂系统。③联系具有多样性。由于事物和现象之间的联系是具体的，并且世界上的事物千差万别，因而事物的普遍联系必然复杂多样，如直接联系与间接联系、内部联系与外部联系、本质联系与非本质联系、必然联系和偶然联系等。④联系具有条件性。条件性是指任何一种联系总是在一定条件下的联系。条件是指某一事物相关联的、对它的存在和发展产生影响的诸要素的总和。 世界上的任何事物都同它周围的事物相互联系，这种联系表明它们彼此存在一致性、共同性，并在此基础上形成不同的事物、特性的统一形式，即表现为一定的关系。世界上的事物、现象以及它们的特性是复杂的、无限多样的，导致事物之间的关系也是复杂的、无限多样的，如整体与部分的关系、原因与结果的关系、函数相依关系、内部关系与外部关系、空间关联（邻近关系）、空间和时间关系、相似关系。关系是事物相互联系的必要因素，不同关系表现事物、特性的不同联系方式，每一种关系都是不同事物、特性的具体统一形式。事物之间的关系，以及它们特性之间的关系，是由世界物质统一性决定的。关系是客观的，为事物所固有，存在于相应的事物之间。 关联是依据事物之间有某种关系建立的联系。知识关联是知识之间以某一中介为纽带，所建立起来的具备参考价值的关系。在这个概念中有三个重点：①这种关系是知识之间的。②关联是依靠某一中介来建立的。③关联要产生价值。 人类具有基于已有的知识，针对物质世界运动过程中产生的问题获得的信息进行关联、分析、对比、演绎，找出解决方案的能力。这种能力运用的结果是将无数关联的知识点集合并构建知识体系，将信息的有价值部分挖掘出来并使之成为已有知识架构的一部分。 知识是通过知识点的逐渐积累形成的，但知识点在头脑中不是堆积的。心理学研究发现，优生和差生的知识组织存在明显差异。优生头脑中的知识是有组织、有系统的，知识点按层次排列，而且知识点之间有内在联系，具有结构层次性。而差生头脑中的知识则水平排列，是零散和孤立的。知识关联是人类认知世界的基本技能。大脑是用来思考的，而不是用来记忆的。 心理学家指出，人们普遍喜欢记忆规律性强的东西。许多知识本身看起来并不是很有规律，但经过分类，就能将其规律性显现出来。通过将知识分类，能够增强人的有意注意，提高对知识记忆的效果。分类是根据对象的共同点和不同点，将对象区分为不同的种类，并且形成有一定从属关系的、不同等级的、系统的逻辑方法。分类也是将零散的、个别的知识系统化和条理化，从而形成有关客观世界的概念的过程。首先，分类使大量繁杂的材料系统化、条理化，使知识之间建立起立体的从属关系。其次，科学分类反映了事物之间的规律性联系，因此可以根据系统的特性，推出某些未被发现的事物的性质，从而有利于更快地掌握新知识。 分类思维方法是一种基本的科学思想方法，人在整个学习过程中，会一直对身边的事物进行分类。通过分类，可以不断加深对事物的了解，明确事物间的内在联系，从而构建自己的知识体系。知识体系能精确地反映事物的本质。知识关联对构建知识体系具有重要的作用。 3.知识传播 人受到时空的限制，直接感知和认识世界的能力是有限的。人的大量知识是从交流和学习中获得的。这种学习的能力是人类长期进化的结果，在交流和学习过程中产生了语言。人类传播知识时离不开知识表达、学习和传播三个基本过程。 1）知识表达 知识表达是对知识的一种描述，或者说是对为描述知识而作的一组约定，是知识的形式化过程和符号化过程。人们*初用来描述客观世界和人与人之间互相交往用的是自然语言，但是随着科学技术的发展和认识的深入，人们利用符号语言和图形语言来对客观事物的本质属性以及事物间的关系加以描述。因为任何事物及其运动的属性都是质和量的统一，所以知识的描述既有定性的一面，又有定量的一面。知识的定量描述可以借助于符号语言和图形语言，而知识的定性描述主要借助于自然语言。 知识表达的目的是知识传播。当某些知识被传播的时候，知识主体所表述的是主体向外部世界输出的信息。信息是传播学的概念，是人与人之间沟通传播的内容、是被传播的知识。知识的传播一般遵循的模式为传播者的知识—信息—载体（数据、书本）—信息接收者的知识。信息能够转化为知识的关键在于信息接收者对信息的理解能力。 在知识输入和输出时，为了表达、传播、识别和理解知识，人们把一个领域的整个知识体系分解成多个互相关联的组成部分，成为相对独立的*小单元，称为知识点。知识点是知识输入和输出时信息传递的基本单元。 知识点是一个立体的存在，不是孤立的存在。一种认为知识单元是知识不再分解的基本单位，是构成系统知识的*小的、*基本的要素；一种认为知识单元是知识不同层次的，自为一组的相对独立的单位。两种认识并不矛盾，前一种是狭义知识单元，而后一种是广义的知识单元。 知识点之间具有千丝万缕的联系。这些联系是知识关联的基础。知识关联是指知识点之间存在的各种关系的总和。通过知识点的关联，我们可以从A知识延伸并获取B、C知识，从而延展开来，直到我们获得解决问题的正确信息。严格地说，这种关联本身也属于知识，因此知识关联兼具关系与知识双重属性。知识表示是指把知识客体中的知识点与知识关联起来。 2）知识学习 知识是学习的一种结果。学习是主体所感知外部世界向主体输入信息的过程。人类所感知的信息，通过与先验知识的关联、思维（推理）和实践验证，去伪存真，正确的、有用的信息保存（记忆、书籍和图表等媒介），逐步积累，形成概念分类有机联系的知识。 心理学认为人们进行知识学习的过程是一个知识建构的过程，必须将这些知识与原有的经验、体会关联起来，并将这些外在的知识和经验进行编码，与既有的知识和经验建立关联，成为学习者原有知识体系的一部分，作为新增的知识，准备与未来的知识建立关联。自己的知识