传统GIS是基于“地图的数字化，便于计算机分析处理”的目标发展起来的，其刻画的目标对象是地图而不是客观世界，表达的是对地图的认知，而不是对现实地理世界的认知，这种基于地图而不是现实世界的认知具有很大的局限性。 随着应用的不断深入，这种局限性带来的各种问题越来越突出，极大限制了GI和GIS应用的社会化和大众化发展方向。为克服传统GIS的不足，未来GIS必须实现从面向专家的专业性分析、决策向面向大众的常识性分析、决策，从面向地图和对地图的认知实现面向真实地理世界、对真实地理世界认知的两大转变。 本文在前人工作的基础上，将分层空间推理(Hierarchicalspatialreasoning，HSR)的认知观点及相关认知理论与计算观点相融合，建立GIS相关形式化模型，解决当前形式化模型在语义表达、数据组织及空间信息定性表达和推理方面与认知观点的不一致。具体来说，本文的创新性成果主要包括如下几个方面： (1)在对地理认知过程和两种基于分层组织的认知分类(类型分层和实体分层)分析的基础上，提出了与GIS语义表达利数据组织相关的认知模型；将该认知模型融入GIS数据元模型的组成，构造了与认知模型相一致的形式化模型。 (2)在数据元模型实体分层数据组织的基础上，提出了一种新的空间关系—“内方向”(Internalcardinaldirection，ICD)关系，为了相互区别，将传统方向关系命名为外方向关系(Externalcardinaldirection，ECD)。与ECD关系和定性距离关系是对拓扑相离关系的细化相比较，ICD关系实质是对拓扑包含关系的细化。在对ICD关系认知观点研究的基础上，给出了相应的形式化模型。研究了基于ICD-9模型的定性空间推理，包括嵌套关系推理、ECD关系推理、定性距离关系推理和拓扑关系推理。 (3)在元模型实体分层数据组织的基础上，结合地标定位认知观点的研究，提出了一个新的定性地理参考系统—“基于地标的定性参考系统”(Landmark-basedqualitativereferencesystem，LBQRS)，对其进行了形式化描述，给出了形式化表征力法。LBQRS以地标集合为参照系，非地标场所通过建模与其所临近的一个或几个地标的外方向关系实现位置定性描述。研究了基于LBQRS的定性测量知识生成，包括局地测量知识的牛成、定性距离关系推理和全局定性测耸知识的牛成。 (4)对基一于ICD利LBQRS的组合定位进行了研究，并给出了相应形式化模型。 本文建立的相关形式化模型因与常识地理世界中HSR的认知观点相一致，信息的表征更加自然和直觉，因而更容易被大众的常识所理解和接受。其成果将有助于未来大众化、社会化地理信息系统相关理论基础的建立。