北京师范大学董卫华：聚焦地理空间认知 深入地理学基础研究

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北京师范大学地理科学学部教授 董卫华

从《最强大脑》录制现场出来，深夜的南京已入沉寂，兴奋之感却等不到明日庆祝，在唯一一家营业的KFC快餐店里，董卫华教授向他的团队，也是他的学生谈起了他之所以走上这条科研之路的初衷：地理学研究如不能揭示基础的科学问题，那么应用研究很难走远，我迫切地回归到地理学的基本问题，向地理空间认知的基础研究进发。

重新突破，以地理空间认知筑牢地理学发展根基

记者：您一直致力于地理空间认知的基础性实验研究，能否结合您的研究，介绍下这方面的内容？国际、国内同行在这个领域的研究如何？

董卫华：地理空间认知是现代地图学和地理学的基础理论。尤其是当前地理大数据、人工智能对学科的极大促进，空间认知已成为地理空间智能、虚拟地理环境等重要的方法支撑。地理学发展至今，其空间认知的对象已经发生了很大的变化，以前的空间认知主体是人，现在的主体还有机器；以前的空间认知主体主要是地理学家，现在则越来越大众化；在空间认知客体方面，以前的地理学研究对象主要是地表，现在则越来越丰富，地上空间、地下空间、室内空间、虚拟空间等。此外，空间认知的表达方式、方法手段也发生了很大的变化，由纸质地图到电子地图、三维地图，甚至更加复杂精确的导航地图、高精度地图等。

这些变化造成传统的地理空间认知研究范式面临较大的挑战，也对现代地理空间认知研究提出了更高的要求。从面向一张静态地图，到面向动态地图、多维地图以及人-地图-环境实时交互。现代地理空间认知研究，从关注认知结果转向认知过程，如何定量地刻画认知的过程，揭示人-地图-环境之间的动态交互机制是现代空间认知理论方法亟待解决的基础科学问题。这在以前很难做到，我们的研究小组通过引入了认识心理学、神经科学的实验方法和手段，为现代地理空间认知理论方法研究提供了新的途径。

对于地理空间认知的研究，在国际、国内的大学及机构均有相关的团队，在国内除了北京师范大学在空间认知方面创建了实验室，其他如解放军信息工程大学从地图空间认知角度、中科院地理所从地理认知角度、北京大学从社会感知角度均有不同侧面的研究，在国际上，如瑞士的两所大学苏黎世大学和苏黎世联盟理工大学，分别从地理地图认知表达及定位导航的实用角度进行研究，美国的加州大学圣巴巴拉分校从事研究较早，并将地理系与心理系结合成立了空间研究中心，此外，我们研究团队也与德国慕尼黑工业大学联合组建了中德地理空间认知与可视分析联合研究中心。

记者：将地理学与心理学、认知神经科学等学科交叉融合，谈一谈此类研究的意义何在？有何研究及应用成果？存在的难点有哪些？

董卫华：我们每天有意无意间都在面临并解决这些问题：我在哪儿？要去什么地方？怎么选择和规划路线？这些生活日常也经常给我们带来困扰。除了生活常识，地理学的研究应用也面临基础性的问题，即地理的表达及地图的绘制其原理何在？例如，为什么要用一圈圈的等高线来表示地形，有没有其他更适合人类认知的表达方式？这些常识问题及基础问题，蕴含于地理学的深层原理当中。而对于这些问题的研究及解答，是地理学发展的内生需求。

我们如何知道自己的位置？我们如何从一个地方去到另一个地方？我们的视觉又是如何接受信息，进而进行地理信息的存储记忆及判别处理的？作为人与环境的交互机制，很明显对地理学的基础问题的研究也需要跨出学科。2014年的诺贝尔生理学与医学奖获得者们发现了大脑内的定位系统，一种大脑中内置的“GPS”，它让我们能够在空间中行实现定位，揭示了高等认知能力的细胞层面机制。同时也为地理信息科学基础理论特别是地理空间认知研究提供了重要的推动作用。

2008年之前，我一直从事GIS算法和模型的研究。但一个问题一直困扰我，到底如何进行地图表达才能符合人的认知和思维习惯？也是这一问题，促使我从应用研究转到更基础的实验型研究，去揭示地理学认知背后的机制。地图应该如何绘制？对影像图、二维地图、三维地图、街景图等不同类型地图的认知规律及其差异是什么？弄清楚其中规律，就能为我们理解地图并推动其发展，提供理论方法，而不再像以往凭借经验，进行地理表达及地图设计。

除了基础理论的研究及基础问题的解答，我们所从事的空间认知的研究意义也在于精准高效地进行人类空间能力的测量、评估和训练。从传统的关注地理空间认知的结果，专项研究地理空间认知的过程，从而服务于人的空间能力的培养，同时服务于改善城市规划、地理教育、地图和地理信息的设计等。其中，典型的代表是Google Earth，其在视觉及应用上的创新和变革，必然是建立在对人的视觉及空间认知深度的理解上的。此外，从传统的纸质地图到电子地图导航，再到增强现实导航等，导航和定向辅助带来方便的同时，人类也在逐渐损失自身的导航能力，例如近几年频发的深山迷路甚至致死事件，很多都是由于关键时刻人类的导航能力的缺乏。我们研究的意义也在于保持和增强人的空间认知能力。

当然，作为一项基础性研究，空间认知研究存在其难点。

一是基础研究要求我们提出相应的科学问题，并要进行合理详实的实验设计和数据分析，这就要求研究者具备跨学科的知识及实验能力。例如我们正在做的脑及视觉相关的实验，以研究地理学相关的尺度及抽象表达的问题，就需要对地理学及脑神经科学均有扎实的学识。这对研究者特别是学生阶段人员有很大挑战。

二是基础研究对实验室及实验设备要求很高，我们实验室每台设备价格都达几十甚至数百万，高级复杂的实验其设备价格更高昂。且这些设备进口居多，也希望未来能实现国产化。除了实验设备昂贵，实验成本也比较高，针对一个实验对象的一次试验成本要数千元。

三是科学研究有自身的规律，尤其基础科学研究需要长期积累、坚持不懈，绝非朝夕之功，并且应用实践转化也需要时间。因此，需要全社会、全行业为相关的科研人员营造潜心科研的良好氛围，建立长期稳定的支持机制，让基础科学领域科研人员敢于触碰有原创性、前瞻性和引导性，但周期长、出好成果的课题。

记者：您率先在北京师范大学建立了地理空间认知与空间思维实验室，和通常的3S相关实验室相比，在实验室构建、研究方向及内容等方面有何异同及特点？

董卫华：空间认知是融合地理学与地图学研究问题及心理学研究方法的研究方向，国内对此方面研究不足。我来到北京师范大学后，着手组织空间认知研究团队，构建起了专门的实验室。交叉性学术思想是我组建地理空间认知与空间思维实验室的重要思想基础。实验室的构建充分利用了北京师范大学自身的学科优势，地理学和心理学双A+学科，从心理学、地理学、信息科学等多个方面进行跨学科、多领域的交叉融合。

2017年，在地理空间认知与空间思维实验室的基础上，北京师范大学也成立目前国内唯一家专门针对空间认知研究的地理空间认知与可视分析研究中心。主任由德国慕尼黑工业大学孟立秋院士和我联合担任。它不仅可以引领国内地理空间认知方向，而且能在国际上有中国声音。

我们实验室从事的地理空间认知研究是建立现代空间认知模式下的理论方法体系。地理空间认知研究有明确的科学问题，即理论假设，在此基础上采取一定实验手段，对实验结果定量分析进而得出结论，也即证明或证伪，其最终回答的是基础理论问题，并有助于解决一些应用实际问题。地理空间认知的实验对象主要是人，被试群体存在性别、年龄、专业等方面的差异，且实验的分析涉及大量的数理统计和定量分析。而传统的3S研究及3S实验室关注的焦点不一样，其最终解决的是技术及产品问题，服务的是各领域及行业应用，且3S研究更多的关注实验数据，如野外数据采集、卫星遥感数据等，而这些数据在空间认知研究实验中常常是作为刺激材料存在。

厚积薄发，以基础研究反哺地理学大众化科普

记者：2016年您和江苏卫视《最强大脑》栏目合作，推出“一眼辨山”，反响非凡，能不能谈谈酝酿及完成这个节目的过程？组织参加此类科普工作有何意义？

董卫华：2016年6月，我们应邀与江苏卫视《最强大脑》栏目开始合作，经严格的实验设计、野外考察、系统研发后推出“一眼辨山”节目。所谓“一眼辨山”，是指让选手通过庐山实景照片找出等高线地形图上的观察点与观察角度。我们出题一是想研究等高线地形图如何抽象表达现实世界，二是想考查人的地理空间定位、定向、空间旋转匹配和空间运算推理的能力。

事实上，从2012年开始，我们采取与中学联合培养方式，开展“翱翔计划”特色课程，每年邀请20名左右对地理感兴趣的中学生来北京师范大学学习，学生可以根据我们的研究进行定向课题的学习。而“一眼辨山”项目，也是基于我们的研究成果及科普经验，回归地理学基础，考验参与者地理空间认知能力的一个项目。

当然，在酝酿及操作过程中也遇到很多问题，比如数据问题、软件问题、野外考察问题。半年之内，既要前往庐山考察，还要设计一套专家选题、选手答题、后台控制等功能于一身的系统，感到压力很大。但最终在有限的时间及有限的资金支持下，我们团队通过半年的努力，最终做出来的节目达到预期效果，节目播出后，反响非凡。

“一眼辨山”得到了业内的广泛认可，不仅让大家看到了地理学与益智类综艺的结合，也让大家看到人类空间认知与思维能力的重要性，从而针对性地开展科研训练。通过《最强大脑》媒体平台的传播，进一步推进了地理科学科研成果的科普化、大众化。

事实上，一些学校也基于“一眼辨山”，进行题目的设计与扩展，通过游戏、实验来提高学生的空间能力。学校组织学生参与空间能力测试及培养，逐渐成为了一项长期的基本能力的学习。

记者：地理学科普难，大众化难，“一眼辨山”具有重要的启示意义，您能总结分享一下地理学科普的经验吗？

董卫华：《地理学与生活》是一本让人重新认识地理学的书籍。它让读者意识到，地理学来源于生活。我们日常的生活需要定位定向，规划路线，那么就需要我们运用科学手段研究这些生活日常背后的地理学原理，从而形成对地理学的科学认识，再将这种认识通过科普型的实验传达给更广泛的受众。

而科普工作不到位往往是因为采取灌输式的知识传授方式，成效甚微，根本原因是因为基础研究不够深入。一个貌似简单的问题，“地图为什么要这样绘制？”，学生甚至老师很少人能就此给出完满的回答。基础研究最重要的作用是触及问题的根本。如我们是如何确定所处方位的？大脑如何进行位置的判别与记忆？这些问题必须要通过基础性的科学研究来回答，必要通过整套的机制来解释。

我们团队研究方向的意义也在此，通过学科交叉与融合深入对地理空间认知的研究，进一步揭示大脑的空间推理、空间思维过程。这样我们就能知道我们的大脑如何识别地图、空间定位/定向；地图上纷繁复杂的符号、颜色、图形是如何通过一套机制被我们识别的。科普的意义是让大家重视地图这种基本工具的使用，而不只是被动地认知。当我们能够解释抽象符号与人的交互机制，也就能因此加强人在这方面能力的训练。

有的学生在入学时是个路痴，经过大学四年的地理学课程学习与野外实践，其空间定位定向能力显著提高。这也是我工作的意义所在！

不忘初心，以好奇心驱动科学研究与人才培养

记者：您对地理信息科学人才培养方面有什么意见和建议？尤其是目前学科交叉、技术融合的趋势，在人才培养上要着重哪些方面？

董卫华：地理信息科学从最初的地理信息系统到发展而来，其视角也会从偏向技术与应用，向基础问题的研究转变。地理信息科学要做好理论研究、基础应用、系统研发等，尤其在大数据时代，数据的极大丰富对数基础理论到应用实践都提出了更高的要求。

在学科建设方面，仍然要突出学校学科优势，学校的层次不一样，学校的发展定位不同，对于学科的发展也要有所差异。例如，北京师范大学特别注重厚地理学的基础，突出人文地理、自然地理、GIS在学科交叉综合方面的特色及优势。

在人才培养方面，以前注重知识的传授，现在要适当增加地理空间智能、地理大数据分析等课程，丰富现代地理学的教育教学。当前的地理学教学科研工作，要具备现代化的思维、现代化的实验手段、分析方法。

此外，从刚开始从事地理学基础研究，成立地理空间认知与空间思维实验室，我就认识到基础科学研究、交叉科学研究的艰难。需要确实将本学科的科学问题想清楚，做好定位，并找到合适的先进的手段。所以在学生培养方面，除了需要地学方面的知识以外，还需要实验心理学、神经科学方面的内容，北京师范大学有相应的优势学科，也为学生的培养创造了良好的条件。

记者：您从事地理学科研与教学多年，有何感想可以与大家分享？

董卫华：最深的感触是：不忘初心、砥砺前行。

初心就是坚持好奇心驱动的科学研究。我的地理学学习及科研生涯，伴随着对地理学的好奇开始，又出于对地理空间认知的好奇而潜心突破。因为始终存在对地理现象的好奇，所以就不觉得困难，也不觉得枯燥。有好奇心，就有破解问题的动力，也就有科研的原始动力。

我也始终鼓励学生要始终怀着好奇心、怀着问题做科研，并启发、刺激、训练他们这种好奇心，让他们深入思考问题。只有这样，再加上严格科研训练，才能培养出一流科研人才。

同时，科学研究也要强调结合国家和社会的重大需求，将理论研究和应用研究相结合，才能将研究落地。要充分调动自身及学生的好奇心，深入基础研究，然后解决国家和社会迫切需要解决的问题。

基础研究、交叉研究伴随的是永无止境的学习，不断的研究难题与困境。就像人的空间认知能力一样，科研工作者一样要训练自己解决问题、不断前行的能力，勇担风险，顶住压力，在好奇心驱动下，坚持对真理的追寻。

人物介绍

董卫华：北京师范大学地理科学学部教授，博士生导师，地理学院副院长。长期从事地理信息科学空间认知的基础性研究工作。承担国家973、863、国家科技支撑项目、国家自然科学基金等课题十余项，以第一作者（或通讯作者）发表SCI/SSCI/EI等40余篇，出版专著3部。并于2016年与江苏卫视《最强大脑》合作，成为“一眼辨山”出题者。2011年入选“北京市科技新星计划（B类）”，2011年获“北京市科学技术奖（三等奖）”，2015年获得“全国青年地理科技奖”，2018年“高校GIS创新人物”获得者。