論地理科學

 1986年錢學森在地球表層科學的基礎上，提出了“地理科學”的概念[2]，與原來的地理學的不同在于地理學受自然科學與社會科學的局限，將自身分成自然地理與經(jīng)濟地理，而地理科學是自然科學與社會科學的橋梁科學；地理科學與地球科學也不同，在于地球科學是自然科學，地理科學不隸屬于地球科學，而是獨立于地球科學的自然科學與社會科學的跨界科學。筆者在1996年曾發(fā)表“論地理科學的發(fā)展”提出了地理科學的三個層次。
　　　　1　地理科學在科學體系中的地位
　　錢學森在20世紀80-90年代逐步完成了總結全人類研究的科學體系。概括起來分11個門類、5大巨系統(tǒng)、4項建設（圖1、圖2、圖3、表1），下面分別表述原著與解解的內容。
　　附圖
　　圖1　錢學森論人類的知識體系
　　Fig.1  The  statement  of  human  knowledge  system  by  Qian  Xuesen
　　錢學森將當今人類對科學知識的體系，分為數(shù)學科學、自然科學、地理科學、社會科學、建筑科學、軍事科學、人體科學、思維科學、行為科學、系統(tǒng)科學與美學11個體系。對上述人類知識體系解讀，可以將自然科學、社會科學和地理科學作為客體世界的主要研究對象；而人體科學、思維科學和行為科學作為人類主體的主要研究對象；建筑科學界于客體與主體科學之間；軍事科學實際上是指謀略科學（包括經(jīng)濟、政治、軍事等），是在掌握所有科學基礎上的智慧較量；美學是縱貫于各個學科的；數(shù)學科學與系統(tǒng)科學是橫貫于各個學科的。因此有以下的科學分類網(wǎng)絡系統(tǒng)（圖2）。
　　附圖
　　圖2　科學分類的網(wǎng)絡體系
　　Fig.2  The  network  system  of  science  classification
　　在五個開放的、復雜巨系統(tǒng)中（圖3），地理系統(tǒng)與星系系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、人體系統(tǒng)、人腦系統(tǒng)并列，其中的物理、地理、事理、人理、腦理中的“理”都是指研究的“規(guī)律”。
　　錢學森提出的社會主義總體設計部（表1）中，除了政治文明建設、物質文明建設、精神文明建設外，特別提出地理建設，筆者將其修改為地理系統(tǒng)工程，并增加了人口、科教、城鎮(zhèn)、資源、災害、產業(yè)。
　　　　表1　社會主義建設的系統(tǒng)結構（略有修改）
　　Tablel  The  system  structure  of  socialism  construction
　　附圖
　　　　2　地理信息科學
　　20世紀70年代以來，隨著航天技術的迅猛發(fā)展，來自外層空間的遙感、遙測、定位、通訊信息海量地增加；隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，處理與解決這些海量數(shù)據(jù)的能力大幅度地提高。地理信息系統(tǒng)、地理專家系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)應運而生，使得地理信息科學首先獲得發(fā)展的機會。正是地理信息科學這門用高新技術武裝起來的技術科學的發(fā)展，帶動了整個地理科學的建立與發(fā)展。
　　附圖
　　圖3　五個開放的復雜巨系統(tǒng)
　　Fig.3  Five  open  complex  giant  system
　　地理信息科學的主要內容就是天地信息一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括航天信息網(wǎng)絡系統(tǒng)（外層空間衛(wèi)星之間的信息網(wǎng)絡）、地面的網(wǎng)絡系統(tǒng)、天地之間的網(wǎng)絡系統(tǒng)三部分，是有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡連通的一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)。1998年筆者發(fā)表了“航天信息與地理信息一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)及其應用”的論文[5]，2002年又發(fā)表了“論地理信息科學的發(fā)展”[6]一文。兩篇論文基本上代表了地理信息科學的創(chuàng)始與發(fā)展，當前各行各業(yè)都在進行數(shù)字化或信息化的建設，實際上都是天地信息一體化網(wǎng)絡中的部分子網(wǎng)絡或子系統(tǒng)。地理信息科學中最重要的原創(chuàng)性的成果是遙感信息模型與地理信息編碼模型。
　　隨著遙感信息的大量獲取，數(shù)學家以模式識別為工具對遙感信息進行圖像處理與分類，使用的數(shù)學工具主要是數(shù)理統(tǒng)計的方法，把遙感信息看成是沒有成因關系的隨機變量；物理學家則把獲取遙感的物理過程視為遙感信息的成因，因此采用反演的方法，使用輻射傳輸方程為主的數(shù)學工具，事實上不承認地理現(xiàn)象的不確定性；大多數(shù)地理學家將遙感信息當成系列成圖的基礎信息，快速、準確地制作系列地圖。地圖是符號系統(tǒng)，其信息量遠不可與遙感信息量比較，地圖學家把遙感信息轉化成符號系統(tǒng)的系列圖譜。遙感信息模型則是將地理復雜現(xiàn)象中的非遙感信息轉變?yōu)闅w一化的影像信息，與遙感信息一起用方程、統(tǒng)計與相似準則結合，也即演繹邏輯、歸納邏輯與類比邏輯結合；確定性與不確定性（包括隨機的不確定性、模糊的不確定性、灰色的不確定性、分形的不確定性）辯證統(tǒng)一；圖像與方程（一個像元或一個圖斑、一個方程）耦合；抽象思維與形象思維互動而建立起來的一種地理復雜信息模型[7-9]。這種信息模型只有在遙感技術的推動下才有可能產生。這種信息模型是遙感信息與地理信息連接的紐帶。
　　地理信息系統(tǒng)本來就是為了制作地圖而創(chuàng)建的，因此地圖學家將從遙感中提取的系列地圖存入地理信息系統(tǒng)，是順理成章的。但是這種地理信息系統(tǒng)無論空間分析功能多么強大，也不可能進行模型計算，外掛、內嵌種種方式都不可能解決直接進行模型計算問題。系列地圖存入計算機的圖形庫時，信息又是冗余的，因此帶來一系列與計算機技術發(fā)展格格不入的疑難，最為典型的是數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)挖掘說明存在數(shù)據(jù)庫中的信息有冗余。遙感信息模型的運算要求地理信息系統(tǒng)可以直接進行模型計算，由此地理信息編碼模型應運而生[10,11]。傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)以圖形的疊合(Overlay)為主；而能夠進行遙感信息模型運算的地理信息系統(tǒng)則以像元或圖斑中的多位編碼的抽取(Extract)為主。這又是完全相反的途徑。地理信息編碼模型還是地理定量信息與定性信息轉化的紐帶，也是地理信息系統(tǒng)中屬性庫與地理專家系統(tǒng)中知識庫聯(lián)系的橋梁。
　　總之，天地信息一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)是開放的復雜巨系統(tǒng)，研究這個巨系統(tǒng)的地理信息科學的內容遠遠超過了3S(Remote  Sensing,Global  Positioning  System,Geographical  Information  System)的范圍，而是以天地信息一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)為核心的天—地—人—機系統(tǒng)。地理信息科學雖然是從屬于地理科學的技術科學，但是地理信息科學的誕生與發(fā)展是引領地理科學成長的核心力量，因此本刊更名時，將地理信息科學與地理科學相提并論

，突出了地理信息科學的重要性。
　　　　3　地理系統(tǒng)工程
　　地理系統(tǒng)工程當前尚未被廣泛認識，已經(jīng)認識到的也僅僅是系統(tǒng)工程在地理學中的應用。當?shù)乩硇畔⒖茖W中的模型在實踐中應用時，必然會涉及地理系統(tǒng)工程的可操作性。地理遙感復雜信息模型的建立，可以進行定量預報和回溯，因此為地理系統(tǒng)工程打下了工程的基礎。國民經(jīng)濟的主戰(zhàn)場主要包括人口、資源、生態(tài)、環(huán)境、災害、城鎮(zhèn)、基建、產業(yè)等8個方面，這8個方面是互動的。中國的人口問題、西部開發(fā)問題、21世紀水資源問題、能源問題、洪旱災害問題、環(huán)境問題、生態(tài)農業(yè)問題、城鎮(zhèn)體系問題、基建布局問題、產業(yè)結構動態(tài)調整問題以及相互之間的協(xié)調發(fā)展問題，無不屬于地理系統(tǒng)工程。
　　地理現(xiàn)象是復雜現(xiàn)象，地理系統(tǒng)是開放的復雜巨系統(tǒng)。當研究西部開發(fā)時，如果國家各個部門各行其是，石油開發(fā)只考慮石油開采與輸送管道；交通只考慮公路建設；鐵路只考慮鐵路建設；水利只考慮南水北調問題；城鎮(zhèn)建設只考慮城市規(guī)劃等，那么整體的西部地區(qū)有可能產生許多事倍功半的現(xiàn)象，例如修了公路沒有物資運輸；城市居民結構不盡合理；勞動力與產業(yè)結構不配套等。錢學森的社會主義總體設計部就是要把地理系統(tǒng)工程與政治文明建設、物質文明建設、精神文明建設系統(tǒng)地結合起來，地理系統(tǒng)工程僅是其中的一個子系統(tǒng)。而人口、資源、生態(tài)、環(huán)境、災害、城鎮(zhèn)、基建、產業(yè)是地理系統(tǒng)工程中的子系統(tǒng)。人口中的數(shù)量、素質、結構、分布是人口系統(tǒng)中的要素；資源中的礦產資源、水資源、生物資源、土資源、大氣資源等又是資源系統(tǒng)中的子系統(tǒng)；大氣環(huán)境、水環(huán)境、土環(huán)境、生物環(huán)境、地質環(huán)境是環(huán)境系統(tǒng)的子系統(tǒng)；交通、鐵路、航運、航空、供排水、供電、供氣、供暖、電訊、電視、計算機網(wǎng)絡是基礎建設系統(tǒng)的子系統(tǒng)等。系統(tǒng)嵌套系統(tǒng)，分層次子系統(tǒng)與交叉子系統(tǒng)，構成完整的、開放的、復雜的巨系統(tǒng)。
　　研究開放復雜巨系統(tǒng)的方法，首先是將系統(tǒng)分解為多層次的子系統(tǒng)，明確其中的交叉子系統(tǒng)；其次是從定性到定量地確定子系統(tǒng)中各個要素與指標體系；第三是根據(jù)指標（相似準則）建立模型進行預測預報；最后是檢驗該巨系統(tǒng)的效益與效率。當前大多數(shù)是分別研究人口、資源、生態(tài)、環(huán)境、災害、城鎮(zhèn)、基建、產業(yè)等子系統(tǒng)，在一個地區(qū)全面研究區(qū)域地理系統(tǒng)工程的有效實例不多，區(qū)域經(jīng)濟地理的研究還遠遠夠不上地理系統(tǒng)工程。筆者曾在2000年底提出中國水資源、水災害、水環(huán)境、生產用水、生活用水統(tǒng)一解決的洪水充分利用，全國水系網(wǎng)絡化與渤海淡化的地理系統(tǒng)工程，中國科技報曾進行報道，之后筆者在“21世紀黃河系統(tǒng)工程方略”一文中進行闡述，首先所能進行的研究是虛擬地理系統(tǒng)工程。全國水系網(wǎng)絡化與渤海淡化是21世紀的世紀工程，尚需有識之士共識，廣泛地深入研究，進一步的論證。
　　如果沒有以高新技術武裝起來的地理信息科學的支撐，研究復雜的地理系統(tǒng)工程就是空想，然而所幸的是人們已經(jīng)掌握了地理信息科學的許多關鍵技術，地理系統(tǒng)工程的實踐指日可待。
　　　　4　理論地理科學
　　地理信息科學一方面可以進一步為地理系統(tǒng)工程提供研究方法與手段；另一方面又為理論地理科學提供技術基礎。從遙感信息模型發(fā)展到地理復雜信息模型再到地理數(shù)學[8]，為理論地理科學奠定了堅實的基礎。
　　理論地理科學中首要的是建立開放的復雜巨地理系統(tǒng)的理論；其次是地理類比的廣義相似理論[13]；第三是一般地理復雜模型理論與地理數(shù)學；第四是地理數(shù)學在部門地理—部門子地理系統(tǒng)工程與區(qū)域地理—區(qū)域地理系統(tǒng)工程中的應用。理論地理科學如果不能指導部門子地理系統(tǒng)工程的研究和區(qū)域地理系統(tǒng)工程的研究，那么就失去了理論意義。
　　如果沒有以高新技術武裝起來的地理信息科學的支撐，研究理論地理科學也是空想，然而所幸的是人們已經(jīng)掌握了地理信息科學的許多關鍵技術，理論地理科學的建立指日可待。
　　　　5　地理科學在可持續(xù)發(fā)展信息社會中的作用
　　地理學的發(fā)展經(jīng)歷了“地理環(huán)境決定論”、“人類中心主義”，然后達到了地理科學的可持續(xù)發(fā)展的階段。地球上人類消耗的資源、能源是極其不平衡的，按照發(fā)達國家的水平，一個地球是滿足不了全人類的需求的。可持續(xù)發(fā)展只有在信息社會中才能實現(xiàn)，人類一方面需要依靠科學技術開發(fā)資源，如太陽能的利用，靠基因工程使綠色植被更多地利用太陽輻射，靠納米技術直接轉化太陽能為電能；另一方面是靠信息技術節(jié)省資源、能源，如天地信息一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)就是信息社會的重要支柱之一，靠航天技術獲取外層空間信息源，靠計算機技術建立信息網(wǎng)絡。由此可見，地理信息科學在可持續(xù)發(fā)展信息社會中的作用[14]。隨著地理信息科學的發(fā)展，地理系統(tǒng)工程與理論地理科學的發(fā)展，將為國民經(jīng)濟的主戰(zhàn)場做出重要的貢獻。
　　由上分析，可見地理科學與地理信息科學已經(jīng)被廣泛共識，地理系統(tǒng)工程與理論地理科學的發(fā)展尚不夠充分，因此本刊更名為“地理與地理信息科學”是適時的，是既有繼承性又有發(fā)展性的；是既有前瞻性又有現(xiàn)實性的。在這里我們希望地理科學界的同仁，切不要輕視技術，高新技術恰恰是新理論、新應用的強大推動力。
【參考文獻】
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　　[5]　馬藹乃.航天信息與地理信息一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)及其應用[J].北京大學學報（自然科學版），1998,34(4):533-541.
　　[6]　馬藹乃，等.論地理信息科學的發(fā)展[J].地理學與國土研究，2002,18(1):1-8.
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　　[8]　馬藹乃.遙感信息模型與地理數(shù)學[J].北京大學學報（自然科學版），2001,37(4):521-529.
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　　[10]　馬藹乃.地理信息編碼模型[A].地理科學與地理信息科學論[C].武漢，武漢出版社，2000.283-302.
　　[11]　馬藹乃.地理知識的形式化[A].地理科學與地理信息科學論[C].武漢，武漢出版社，2000.261-274.
　　[12]　馬藹乃.21世紀黃河系統(tǒng)工程方略（首屆黃河論壇暨王化云治黃思想研討會）[N].黃河報（轉載），2002.
　　[13]　馬藹乃.地理圖像信息模型[A].地理科學與地理信息科學論[C].武漢，武漢出版社，2000.234-247.
　　[14]　馬藹乃，等.可持續(xù)發(fā)展與長江地區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略[M].武漢：武漢出版社，1999.1-354.

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