技术推文 | 融合心理学和神经科学的地理空间认知研究

研究背景

地理空间认知是指人类感知地理信息、在记忆中保持空间表征并操纵这些表征以指导行为的过程。研究地理空间认知有助于地理信息科学家理解环境对人类心理的影响，并开发更加个性化的地理可视化方法。近年来，随着智能地图、自动驾驶和智能遥感解译等地理空间应用的蓬勃发展，对“以人为中心”的研究需求增加，促使研究者们从神经层面深入理解空间认知过程。过去的研究主要依赖于问卷调查和行为测量，这些方法虽能捕捉主观体验和可观察行为，但无法直接测量驱动这些行为的神经机制。

因此，本文提出了一个结合心理学和神经科学的研究框架，旨在揭示这些机制，并探讨该框架在地图空间认知、遥感图像解译、空间导航和空间能力评估等四个关键领域的应用。

研究框架

地理空间认知研究的新框架整合了心理学和神经科学的方法，涵盖实验设计、数据预处理、统计分析和行为建模四个关键步骤。

实验设计阶段，研究者通过模拟自然环境中的空间任务，确保实验范式的高度控制，并排除与研究无关的变量。实验中常用平面显示设备（如电脑和平板）；在驾驶模拟研究中，常用虚拟显示设备如头戴式显示器和增强现实（AR）眼镜。在信号采集阶段使用非侵入性设备（如眼动追踪、脑电图和功能磁共振成像）来记录参与者的眼动和脑活动模式，以揭示复杂的空间认知过程。

数据预处理阶段，研究者通过独立成分分析、空间滤波和运动校正等算法对信号进行处理，并提取与认知过程相关的特征。表1列出了常见的认知特征。此外，还可纳入行为特征辅助分析。

统计分析阶段，研究者通过推断、相关和功能三个层次的分析，建立认知特征与环境之间的统计关系。

行为建模阶段，研究者利用卷积神经网络等人工智能模型来模拟人类的视觉感知、认知映射和决策过程，从而更好地理解人类与环境的交互机制。

研究应用

在地图空间认知方面，研究通过眼动追踪和脑电图等技术分析地图设计元素（如颜色、符号）对用户认知的影响，发现优化地图符号和设计可以显著提升导航效率和用户体验。在遥感图像解译中，利用眼动追踪和脑电图分析专家的视觉搜索行为和认知潜力，通过人工智能技术提高低对比度目标的检测能力。在空间导航领域，研究表明环境因素（如地标显著性、道路网络模式）和个体差异（如性别、经验）对导航行为有显著影响，而人工智能技术可用于模拟人类视觉注意力和导航决策。最后，在空间能力评估方面，通过结合行为测试和神经成像技术，研究发现地理教育可以显著提升学生的空间能力，这与大脑网络的优化密切相关。这些应用领域展示了该框架在地理空间认知研究中的广泛价值和潜力。

挑战与目标

将心理学和神经科学的方法论应用于地理空间认知研究所面临的挑战，如表2所示。

地图空间认知方面，研究通过眼动追踪等技术评估地图设计中的视觉元素（如颜色、符号等）对用户认知的影响，并探讨了不同性别、年龄和职业的用户在地图使用中的差异。此外，人机交互与眼动追踪技术的结合为改善地图阅读体验提供了新途径。

遥感图像解译部分则关注专家如何利用地理知识进行图像解译，并通过ET、EEG等技术提取认知特征，优化图像解译算法。

空间导航研究探讨了环境因素（如地标、道路网络）对人类认知的影响，以及人口统计因素导致的不同空间行为。并通过EEG和fMRI等技术揭示导航过程中的神经机制。

空间能力评估部分通过行为测试和脑网络分析，评估了个体在小尺度和大尺度空间任务中的表现差异，并探讨了地理教育对空间能力的提升作用。

总结

随着智能地图、自动驾驶和智能遥感解译等技术的快速发展，地理空间认知研究变得越来越重要。本文提出了一个结合心理学和神经科学的研究框架，通过眼动追踪、脑电图、功能磁共振成像等技术，深入探讨地理空间认知的神经机制。该框架不仅有助于理解环境对人类心理的影响，还为开发更加个性化的地理可视化工具提供支持。然而，挑战依然存在。文末指出研究在信号采集、实验设计、数据融合和人工智能应用方面的问题和未来方向，旨在为后续的地理空间认知研究提供参考。

原文信息

Hei, Q., Yang, T., Dong, W., He, B., & Han, D. (2025). Leveraging psychology and neuroscience for geospatial cognition research. Annals of GIS, 1–13. https://doi.org/10.1080/19475683.2025.2451228

公司简介

北京恒挚科技有限公司，由中科(广东)科学集团有限公司投资，依托于广东人因技术研究院与武汉人因工程技术研究院，是以心理认知、脑科学、驾驶人因、虚拟现实、生物力学、神经调控等方向为基础，集研发、生产、销售、技术服务于一体的新型科技型企业，拥有多项发明专利、软件著作权和注册商标。已入选国家高新技术企业、科技型中小企业、创新型中小企业、中关村高新技术企业等名单，并参与多项国家标准和团体标准的编制。

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