学科交叉驱动的地图思维演化

1 引言

地图是人类文明史上的伟大创举，是最古老的，可能也是最强大的、最持久的地理思想之一，反映世界并影响人们观察世界的方式。从两河流域古巴比伦陶片地图和黄河流域放马滩木板地图，再到地中海世界的波特兰海图和贯穿亚非欧的郑和航海图，再到经过实地测量和摄影测量遥感等手段获得的地形图，发展到现今的时空大数据地图和泛地图，地图制图技术经历着各种变化，但反映人类对地理空间认知的思维模式，这一基本地图功能没有发生本质变化。探究地图思维演化成为认识、理解和构建空间知识框架的有效途径之一。

地图思维发展动力主要源自地理学、测绘科学和计算机科学等学科群的交叉。国内许多学者从多学科视角对地图学展开深度思考，贯穿了理论地图学、应用地图学和地图制图学各个层面。

在理论地图学层面，地图学传统和地理信息系统（Geographic Information System，GIS）组成的地理信息科学成为信息地理学3个重要来源之一，地图集被认为是重构复杂非线性地理世界的"百科全书"，在信息通讯技术(Information and Communications Technology，ICT)时代，地图的科学概念及理论框架通过表达对象、信息抽象、地图表达、地图结果等维度拓展创新，并通过引入地理信息"七维度"理论，学者们开始从场景学的视角对未来地图学的发展进行前瞻性思考。
在地图制图学层面，日趋复杂的空间数据可视分析功能使得地图体现出多维度（领域部门）、多层次（"数据－信息－知识"）和多尺度（时空精度）的知识工程特征；智能时代，地图制图的新特性也得到了深入剖析，包括众源数据、用户参与、模型耦合以及可视化分析的强化。
在应用地图学层面，融合人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术和GIS形成地理可视化、地理决策、地理设计和地理控制等地理智慧金字塔，并在地图应用中借鉴马斯洛人类需求层次理论，审视发展了地图学5个层次的需求驱动：符号化、数学化、理论化、规范化，以及个性化。

可见，地图学天然具有横断学科性质和多学科交叉驱动特征，ICT使得地图学的内涵和外延不断拓展和泛化，正呈现出同其所属的测绘科学与技术和地理科学各分支学科的交叉融合的态势。在地理学中，地图既是科学分析建模工具，也是地理思想表达媒介，被称为地理学十大思想之一；在测绘科学中，随着从对地观测到对人观测的拓展，一直作为测绘后端产品的地图却不断前移，日益成为对物理空间和社会空间测度、量化和表达的重要媒介，尤其在社会感知方面，地图已成为互联网时空大数据服务汇聚的入口和中枢；在计算机科学中，地图成为时空信息计算处理不可或缺的表达方式，也是对信息空间可视化呈现的首选载体。地图思维亦需坚持守正创新，从学科交叉时代背景和三元空间融合现实场景中，汲取灵感，不断分化和演化，本文尝试剖析并形成一个多层次地图思维体系。

2 三元空间与地图学

法国现代思想家列斐伏尔最早将空间概括为感知的（Perceived）、生活的（Lived）和构想的（Conceived）3种形式，可分别对应物质空间、社会空间和精神空间。在ICT时代，三元空间被提出并逐步明确为物理空间、社会空间以及信息空间。物理空间是由实际存在的物理实体所构成，为人类社会空间提供物质基础；社会空间是人类生活所形成的各类结构和关系，以及之间的相互作用，可以通过人的作用来影响改变物理空间；信息空间则是在通信网络、设备、软件和信息技术等基础上建立的赛博空间或虚拟地理环境，既是人类社会的"比特再造"，也为人类社会提供数字空间的交流体验。

物理空间

由实际存在的物理实体构成，为人类社会空间提供物质基础

信息空间

赛博空间或虚拟地理环境，是人类社会的"比特再造"

在三元空间中，信息空间的结构和运行机理还在被逐步认识中，但相对明确的是，信息空间与物理和社会空间是紧密交融的，并可以通过学习、预测和创造回馈到二元空间中，重构知识体系和产业体系。地图的英文"map"本身就具有"映射"之意。随着三元空间不断演进，地图的主客体表达对象、制图目的和应用环境也都不断发生着深刻变化。

图1 三元空间中的地图技术链

这些挑战贯穿于"数字化"、"智能化"和"智慧化"3个信息化阶段，地图学知识体系也随之发生着系统性更新（图1）：

数字化阶段

解决了"用机器代替人劳动"的基础。就地图而言，地图成图设备从早期的扫描仪、数字化仪，发展到今天空天地一体化的物联网感知体系，地图数据采集更加自动化，数据存储更加结构化，技术链不断迭代。地理实体由先进的传感器设备进行感知、抽象和量化，建立了精准的地理信息数据库，为全数字化地图制图提供了效率保障，并以海量的数据资源和服务满足多类用户多样化的信息需求。

智能化阶段

着眼于机器能够学习人类经验，具有智能判断的能力。地图结合深度学习等智能算法，实现高效稳定的地理信息大数据处理、地图智能综合、非线性时空知识的深度挖掘，使地图的功用不断迭代和升级。"数智化"作为数字化和智能化的有机叠加，是数字化成果结合智能算法构成的表达、处理和操作功能集合。

智慧化阶段

作为智能化的后续阶段，地图结合知识图谱，融入深度学习、边缘计算等前沿技术，实现信息空间服务于物理空间、社会空间的过程。数治化是智慧化和治理场景的融合，在创建智慧城市、数字孪生，实现政府治理、社会治理和空间治理等过程中提供更好的决策和服务支持。智慧地图应用于各类治理场景，体现智慧化、体系化思维，服务于一个依数而治、循数而治的数治化新生态。

地图与GIS一直是地理学家的"语言"，诚如马克思认为的"语言是思维本身的要素"，地图也是空间思维的直接表征，而空间思维涉及对地理现象的综合、分析和解释，是地理学的核心。三元空间孕育着不同的空间思维，地图也侧重从不同方面解构空间思维，概括而言，自然地理学中更多蕴含着科学"表达"（Presentation）思维，人文地理学更多蕴含空间"表征（Representation）"思维，而在信息空间中则更多体现的是泛在"计算（Computation）"思维。地图思维是地理科学乃至地球科学的重要研究方法，如何把地图思维提炼、凝聚为一个清晰框架是在三元空间中理解空间思维的重要思考命题。

3 四种思维：数-形-图-谱

思维是人脑对客观事物的本质属性和内在规律的概括和间接反映，一般认为人类的思维包括逻辑思维、形象思维、顿悟思维等类型。地图思维是人类运用图形图像来理解、分析和表达空间问题的一种高级认知活动。地图"数-形-图-谱"四种思维是一个迭代演化的思维体系，既分层并列又相互交织。地图的"数-形"低阶思维在数学（几何学）和地理学的驱动下，贯穿地图发展各个阶段，是最为基础且交织发展的，虽然从出现历史角度"形"早于"数"的概念，但形只有在数的刻画下才摆脱了图画的范畴，形成有科学含义的地图；地图的"图-谱"高阶思维是在多学科交叉知识催发下，从"数-形"形象思维基础上演化出来的逻辑思维，图思维是"数-形"思维向"谱"思维迭代转换的基础，是地图思维的核心，谱思维被认为是衔接地图与认知预测决策的关键桥梁。

图2 地图思维演化模型

3.1 地图与"数"思维

地图的科学性首先来源于数学，物理空间要素的数学表达是地图思维的一阶抽象，传统二元空间中地理实体和现象的定量化描述和表达形成了地图学的数思维，贯穿于地理学科发展主脉络。数学非常精确地描述了物理世界，并对描述自然界中规则性提供了工具和方法，这种数思维在精确描述、阐明和解决地理问题中发挥着极为重要的作用。

时空观概念的抽象表达有古老的哲学传统。早在古希腊自然哲学时代，毕达哥斯加就开创了"数本原"理念（即"数是万物的本原"），第一次从哲学视野把对对象和现象的认知投射到其背后的本质或形式上，开创了运用抽象思维把握事物本质的道路。古希腊在自然科学，特别是地理知识方面的进步推动了地图学数思维的进步：托勒密的《地理学指南》论述了地图的数学解析，形成了地图投影思想的雏形，同时提出了通过经纬坐标描述地理要素位置的方法，提出地图首要任务是按比例测量世界。在掌握了地球的正确形状（地圆学说），产生了客观描述空间位置的方法（经纬度思想），和初步解决了二维载体与三维空间矛盾（地图投影思想）后，地图学朝着"精确－科学"方向稳步前行。到15世纪地理大发现后，在近代科学技术的支持下，出现了三角网测量和墨卡托投影地图这类科学地图（数据制图）。科学地图的定量描述，使人类理解和操作空间要素具备了数思维的能力，是地图学数思维演化的早期进程。

在社会空间，人文地理学家对社会现象和社会中诸要素的相互联系和作用也开始了从量化角度进行描述和分析。投射到地图学上，各类专题地图要表达复杂社会要素的空间结构和相互关系，催生了专题要素定级定量表达思维。从广义上讲，定量研究通过4种量表分析、考察和解释问题与现象，分别为名义量表、顺序量表、间距量表和比率量表，这一体系成为专题地图制图最核心的概念。更深入地，与空间粒度和时间粒度相类似，地理信息中还形成了语义粒度，即用数据反应的真实世界中的事物概念及其相互间关系的量度，为人类能够从精确的程度上把握概念提供了更丰富的分析和应用的可能性。

随着计算机时代的到来，数据作为事实或观测结果而普遍沉淀，实现从模拟走向数字摹写、分析时空对象，GIS应运而生，这是地图思维在工具层面的一次重要突破。GIS源于计算机地图制图、脱胎于地图数据库，以卫星遥感数据、航空摄影测量数据等数字化数据为数据源，进行各种量算和空间分析。GIS的广泛应用促进了在"数"的基础上空间计算的实现，拓展和延伸了地图的数思维功能。

地图的数思维追求对空间描述的"精度和准确"，运用量化思维实现对空间对象或现象的抽象描述与记录。通过数思维对空间概念进行刻画，使人们具备在一致的数学语境讨论空间问题的基础，同时也为抽象科学概念的表达、操作和分析提供了强有力的推导能力。

3.2 地图与"形"思维

形是大脑从对象和现象的分布形态构思出来的图形，人类的视觉系统也对二维图形有很好的适应性，本质上是因其更符合人类的思维模式。地图天然就是可视化产品，通过形思维来表达人类的地理学洞察力。形思维是地图思维的二阶抽象，提升了数的表达效率，是"数"的符号形式映射，重"相似与保真"，具有鲜明、生动和完整的特点。特别是科学意义上的地图——以地理坐标为框架表达地理现象在空间上的分布，便于通过视觉观察，易于被读图者理解和接受。"地图构建世界，而非复制世界"——形思维建立现实世界的几何模型，利用距离、方向，以及几何形态、拓扑关系等空间属性来描述和解释地理现象的空间分布、形态特征和相互关系。在地图构建的地理信息空间中，可以通过地图图形代替实地的量测和观察，直接认识地理环境的组成和结构，数形结合体现了人类运用描述性思维和形象性思维，把握地理规律和规则的能力。

"制图综合"作为地图的三大特征之一，体现了人类在形的视觉认知上的多视点、多角度、多层次特征。在建立象（信息空间）与本（物理、社会空间）的对应关系时，形的一致性是最关键因素。因此，地图综合的出发点和落脚点都是地图形的相似性和保真性，其大部分工作是对形的识别和认知。此外，形与所表征对象的特征还具有高度协同性，亦即形的特征也蕴含着深层次的地学领域知识，这在地图综合中要求塑形也应保持地学特性。在这两层约束下，地图综合采用图形的取舍、合并、简化、夸大与位移，形成适应不同分辨率、不同使用目的等条件约束下的不同细节程度的"形"，从而实现模型转化——减少信息细节和抽取本质规律——的目的。

地图的另一个特征——符号系统是形思维的具体化和补充。符号借助特定的图形变量，按一定的原则组合起来描述客观世界，对空间分布、时间过程、顺序等级以及关联、对比、趋势等空间信息进行更进一步抽象，以表达制图对象的质量与数量特征。通过视觉变量选择、空间组合关系调节，建立统一协调的符号系统，地图成为处理地理分布的空间变量和相互关系的图解作品，实现地理语言的语法、语义和语用功能。这种将复杂的科学现象和自然景观甚至抽象的概念图示化、符号化的方式，使地图功能从"表达已知"向"挖掘未知"发展。

3.3 地图与"图"思维

哲学思维中有"取象比类"的观念，如果说"取象"是形思维的话，那么"比类"就使用了图思维。图的使用是地理学历来的传统，在地理学中，图思维是一种更高阶的抽象思维，它进一步完成区域事象之间关系和结构的抽象，形成意义整体。图思维的核心是对关系的表达和对结构的刻画，是一种基于关系的系统思维。

图思维在地图学中的应用，可以从"图"的两重含义来理解：一是指"图形"，二是指"图论"。作为"图形"，地图是对地理现象的可视化表达，通过视觉符号传递空间信息；作为"图论"，地图则是对地理要素之间关系的结构化表达，通过节点和边来描述空间关系。这两种理解方式共同构成了地图的图思维基础。

图思维在地图应用中的基本路径包括：

隐喻启示：通过类比和隐喻，将一个领域的概念和关系映射到另一个领域，从而产生新的理解和洞察。例如，将交通网络比作血液循环系统，可以帮助理解城市交通流的特性。
泛化表达：将具体的地理现象抽象为更一般的模式和结构，揭示其背后的普遍规律。例如，将不同城市的空间结构抽象为中心地理论模型。
知识链接：将分散的地理知识通过关系网络连接起来，形成知识图谱，支持复杂的空间推理和决策。例如，将自然地理要素与人文地理要素的关系构建为知识网络。

图思维是建立"地图/GIS+行业应用"的思维基础。随着地理信息系统的发展，地图不再仅仅是静态的空间表达工具，而是成为动态的空间分析和决策支持平台。通过图思维，可以将行业专业知识与地理空间信息有机结合，形成面向特定领域的空间决策支持系统。例如，在城市规划中，通过图思维可以分析城市功能区之间的空间关系和交互模式，为城市结构优化提供依据。

图思维使地图从单纯的空间表达工具，发展为空间关系分析和知识发现的平台，为地理学研究提供了新的视角和方法。通过图思维，地图能够更有效地揭示地理现象背后的结构和机制，支持更深入的空间分析和决策。

3.4 地图与"谱"思维

谱思维是地图思维的最高阶抽象，是按照对象的类别或系统，采取某种特征将一系列地图编辑起来，形成具有动态演化特征的概念体系。谱思维的核心是对系统演化和动态变化的把握，强调的是时空过程和演变规律。

在地图学中，谱思维主要体现在以下几个方面：

时间序列地图：通过一系列按时间顺序排列的地图，展示地理现象的时间演变过程，如城市扩张的历史变迁、气候变化的长期趋势等。
多尺度地图：通过不同空间尺度的地图序列，展示地理现象在不同空间层次上的表现特征，揭示尺度效应和尺度转换规律。
多维度地图：通过多个维度的地图组合，展示地理现象的多维特性，如将人口、经济、环境等多维度信息集成分析。
情景模拟地图：通过多种可能情景的地图序列，展示地理系统在不同条件下的可能演化路径，支持预测和决策。

谱思维的一个重要应用是地图集编制。地图集不仅是地图的集合，更是一个有机的知识体系，通过系统的组织和编排，将地理知识按照一定的逻辑结构呈现出来，形成对地理空间的系统认知。现代地图集已经从传统的纸质形式发展为电子地图集和网络地图集，具有更强的交互性和动态性，能够更好地支持谱思维的应用。

在信息时代，谱思维与大数据分析、人工智能等技术相结合，产生了时空大数据分析和可视化等新方法。通过对海量时空数据的挖掘和分析，可以发现地理现象的时空模式和演变规律，为科学研究和决策提供支持。例如，通过对城市人口流动数据的分析，可以识别城市功能区的动态变化和人口活动规律，为城市管理提供依据。

谱思维使地图从静态的空间表达工具，发展为动态的时空过程分析平台，能够更全面地把握地理系统的演化规律和动态特征。谱思维是衔接地图与认知预测决策的关键桥梁，为地理学研究提供了系统的思维框架。

4 多学科驱动下地图思维的特征与差异

多学科驱动下，地图"数-形-图-谱"4种思维方式在语法特征、语义功能、语用特征、实现路径、表达类型和关键技术方面都存在着显著的差异性。这些差异性既反映了不同学科对地图思维的影响，也体现了地图思维自身的多元化发展趋势。

表1 地图"数-形-图-谱"思维方式的特征与差异

特征维度	数思维	形思维	图思维	谱思维
语法特征	精确性、量化性、可计算性	直观性、形象性、空间性	关系性、结构性、系统性	动态性、演化性、序列性
语义功能	表达地理要素的精确位置和属性	表达地理现象的空间分布和形态特征	表达地理要素之间的关系和结构	表达地理系统的演化过程和规律
语用特征	科学测量、空间定位、属性统计	空间认知、形态分析、视觉传达	关系分析、结构识别、系统理解	过程分析、趋势预测、情景模拟
实现路径	测量、计算、建模	绘制、符号化、可视化	关系构建、网络分析、知识链接	序列组织、演化分析、系统集成
表达类型	数值地图、统计地图	形态地图、符号地图	关系地图、网络地图	序列地图、演化地图
关键技术	地理测量、空间统计、数学建模	地图设计、符号系统、可视化技术	网络分析、知识图谱、关系挖掘	时空分析、系统模拟、情景预测

从学科视角看，测绘科学更多立足于地图"数－形"思维，重在科学量度和表达地理要素的空间分布；地理学更加偏向于"图－谱"思维，重在揭示地理现象的规律与机制。这种差异反映了不同学科对地图的不同需求和应用方式。

在信息时代，随着地理信息科学的发展和多学科交叉融合的加强，地图思维呈现出更加多元化和综合化的特点。一方面，数据驱动的地图分析方法使得"数思维"得到了极大的拓展和深化；另一方面，可视化技术的发展使得"形思维"有了更丰富的表现形式；同时，网络分析和知识图谱等技术的应用，促进了"图思维"的创新发展；而大数据分析和系统模拟等方法的成熟，则为"谱思维"提供了新的技术支撑。

地图思维的多元化发展，不仅丰富了地图学的理论体系，也为地理学研究提供了更多的方法和工具。通过综合运用"数-形-图-谱"四种思维方式，可以更全面、更深入地理解和分析地理现象，为地理学研究和应用提供更强大的支持。

5 结论

本文从学科交叉驱动的角度，探讨了地图思维的演化过程和特征。主要结论如下：

在信息通讯技术时代，地图表达对象已着眼于物理空间、社会空间以及信息空间组成的三元空间。伴随"数字化"、"智能化"和"智慧化"等信息化阶段的演进，地图学知识体系也随之发生着深刻变化。
地图思维演化成为认识、理解和构建空间思维的重要途径，可以具体提炼为"数-形-图-谱"4种思维方式：
- "数思维"是对传统二元空间中地理实体和现象的定量化描述和表达，追求空间描述的"精度和准确"；
- "形思维"是"数"的符号映射，以可视化形式承载人类的地理学洞察力，看重"相似与保真"；
- "图思维"进一步完成区域事象之间关系和结构的抽象，形成意义整体，是建立"地图/GIS+行业应用"的思维基础；
- "谱思维"是按照对象的类别或系统，采取某种特征将一系列地图编辑起来，形成具有动态演化特征的概念体系。
多学科驱动下，地图"数-形-图-谱"4种思维方式在语法特征、语义功能、语用特征、实现路径、表达类型和关键技术方面都存在着显著的差异性。测绘科学更多立足于地图"数－形"思维，重在科学量度和表达地理要素的空间分布；地理学更加偏向于"图－谱"思维，重在揭示地理现象的规律与机制。

地图思维是人类运用图形图像来理解、分析和表达空间问题的一种高级认知活动，从"数-形-图-谱"思维的视角看，地图在地理学与测绘科学交叉点上占据着独特的位置。随着信息技术的发展和学科交叉融合的深入，地图思维将继续演化，为地理学研究和应用提供更强大的认知工具和思维方法。