物理學(xué)論文-論地理科學(xué).doc

物理學(xué)論文-論地理科學(xué)1986年錢學(xué)森在地球表層科學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了“地理科學(xué)”的概念2，與原來的地理學(xué)的不同在于地理學(xué)受自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的局限，將自身分成自然地理與經(jīng)濟(jì)地理，而地理科學(xué)是自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的橋梁科學(xué)；地理科學(xué)與地球科學(xué)也不同，在于地球科學(xué)是自然科學(xué)，地理科學(xué)不隸屬于地球科學(xué)，而是獨(dú)立于地球科學(xué)的自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的跨界科學(xué)。筆者在1996年曾發(fā)表“論地理科學(xué)的發(fā)展”提出了地理科學(xué)的三個(gè)層次。1地理科學(xué)在科學(xué)體系中的地位錢學(xué)森在20世紀(jì)80-90年代逐步完成了總結(jié)全人類研究的科學(xué)體系。概括起來分11個(gè)門類、5大巨系統(tǒng)、4項(xiàng)建設(shè)（圖1、圖2、圖3、表1），下面分別表述原著與解解的內(nèi)容。附圖圖1錢學(xué)森論人類的知識(shí)體系Fig.1ThestatementofhumanknowledgesystembyQianXuesen錢學(xué)森將當(dāng)今人類對(duì)科學(xué)知識(shí)的體系，分為數(shù)學(xué)科學(xué)、自然科學(xué)、地理科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、建筑科學(xué)、軍事科學(xué)、人體科學(xué)、思維科學(xué)、行為科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與美學(xué)11個(gè)體系。對(duì)上述人類知識(shí)體系解讀，可以將自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和地理科學(xué)作為客體世界的主要研究對(duì)象；而人體科學(xué)、思維科學(xué)和行為科學(xué)作為人類主體的主要研究對(duì)象；建筑科學(xué)界于客體與主體科學(xué)之間；軍事科學(xué)實(shí)際上是指謀略科學(xué)（包括經(jīng)濟(jì)、政治、軍事等），是在掌握所有科學(xué)基礎(chǔ)上的智慧較量；美學(xué)是縱貫于各個(gè)學(xué)科的；數(shù)學(xué)科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)是橫貫于各個(gè)學(xué)科的。因此有以下的科學(xué)分類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（圖2）。附圖圖2科學(xué)分類的網(wǎng)絡(luò)體系Fig.2Thenetworksystemofscienceclassification在五個(gè)開放的、復(fù)雜巨系統(tǒng)中（圖3），地理系統(tǒng)與星系系統(tǒng)、社會(huì)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(xué)森提出的社會(huì)主義總體設(shè)計(jì)部（表1）中，除了政治文明建設(shè)、物質(zhì)文明建設(shè)、精神文明建設(shè)外，特別提出地理建設(shè)，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(zāi)害、產(chǎn)業(yè)。表1社會(huì)主義建設(shè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（略有修改）TablelThesystemstructureofsocialismconstruction附圖2地理信息科學(xué)20世紀(jì)70年代以來，隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，來自外層空間的遙感、遙測(cè)、定位、通訊信息海量地增加；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(yīng)運(yùn)而生，使得地理信息科學(xué)首先獲得發(fā)展的機(jī)會(huì)。正是地理信息科學(xué)這門用高新技術(shù)武裝起來的技術(shù)科學(xué)的發(fā)展，帶動(dòng)了整個(gè)地理科學(xué)的建立與發(fā)展。附圖圖3五個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)Fig.3Fiveopencomplexgiantsystem地理信息科學(xué)的主要內(nèi)容就是天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括航天信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（外層空間衛(wèi)星之間的信息網(wǎng)絡(luò)）、地面的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、天地之間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三部分，是有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)連通的一體化網(wǎng)絡(luò)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(luò)系統(tǒng)及其應(yīng)用”的論文5，2002年又發(fā)表了“論地理信息科學(xué)的發(fā)展”6一文。兩篇論文基本上代表了地理信息科學(xué)的創(chuàng)始與發(fā)展，當(dāng)前各行各業(yè)都在進(jìn)行數(shù)字化或信息化的建設(shè)，實(shí)際上都是天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)中的部分子網(wǎng)絡(luò)或子系統(tǒng)。地理信息科學(xué)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(xué)家以模式識(shí)別為工具對(duì)遙感信息進(jìn)行圖像處理與分類，使用的數(shù)學(xué)工具主要是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，把遙感信息看成是沒有成因關(guān)系的隨機(jī)變量；物理學(xué)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(xué)工具，事實(shí)上不承認(rèn)地理現(xiàn)象的不確定性；大多數(shù)地理學(xué)家將遙感信息當(dāng)成系列成圖的基礎(chǔ)信息，快速、準(zhǔn)確地制作系列地圖。地圖是符號(hào)系統(tǒng)，其信息量遠(yuǎn)不可與遙感信息量比較，地圖學(xué)家把遙感信息轉(zhuǎn)化成符號(hào)系統(tǒng)的系列圖譜。遙感信息模型則是將地理復(fù)雜現(xiàn)象中的非遙感信息轉(zhuǎn)變?yōu)闅w一化的影像信息，與遙感信息一起用方程、統(tǒng)計(jì)與相似準(zhǔn)則結(jié)合，也即演繹邏輯、歸納邏輯與類比邏輯結(jié)合；確定性與不確定性（包括隨機(jī)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(gè)像元或一個(gè)圖斑、一個(gè)方程）耦合；抽象思維與形象思維互動(dòng)而建立起來的一種地理復(fù)雜信息模型7-9。這種信息模型只有在遙感技術(shù)的推動(dòng)下才有可能產(chǎn)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(xué)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(qiáng)大，也不可能進(jìn)行模型計(jì)算，外掛、內(nèi)嵌種種方式都不可能解決直接進(jìn)行模型計(jì)算問題。系列地圖存入計(jì)算機(jī)的圖形庫(kù)時(shí)，信息又是冗余的，因此帶來一系列與計(jì)算機(jī)技術(shù)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(kù)中的信息有冗余。遙感信息模型的運(yùn)算要求地理信息系統(tǒng)可以直接進(jìn)行模型計(jì)算，由此地理信息編碼模型應(yīng)運(yùn)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(jìn)行遙感信息模型運(yùn)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(zhuǎn)化的紐帶，也是地理信息系統(tǒng)中屬性庫(kù)與地理專家系統(tǒng)中知識(shí)庫(kù)聯(lián)系的橋梁。總之，天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，研究這個(gè)巨系統(tǒng)的地理信息科學(xué)的內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了3S(RemoteSensing,GlobalPositioningSystem,GeographicalInformationSystem)的范圍，而是以天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為核心的天地人機(jī)系統(tǒng)。地理信息科學(xué)雖然是從屬于地理科學(xué)的技術(shù)科學(xué)，但是地理信息科學(xué)的誕生與發(fā)展是引領(lǐng)地理科學(xué)成長(zhǎng)的核心力量，因此本刊更名時(shí)，將地理信息科學(xué)與地理科學(xué)相提并論，突出了地理信息科學(xué)的重要性。3地理系統(tǒng)工程地理系統(tǒng)工程當(dāng)前尚未被廣泛認(rèn)識(shí)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的也僅僅是系統(tǒng)工程在地理學(xué)中的應(yīng)用。當(dāng)?shù)乩硇畔⒖茖W(xué)中的模型在實(shí)踐中應(yīng)用時(shí)，必然會(huì)涉及地理系統(tǒng)工程的可操作性。地理遙感復(fù)雜信息模型的建立，可以進(jìn)行定量預(yù)報(bào)和回溯，因此為地理系統(tǒng)工程打下了工程的基礎(chǔ)。國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)主要包括人口、資源、生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害、城鎮(zhèn)、基建、產(chǎn)業(yè)等8個(gè)方面，這8個(gè)方面是互動(dòng)的。中國(guó)的人口問題、西部開發(fā)問題、21世紀(jì)水資源問題、能源問題、洪旱災(zāi)害問題、環(huán)境問題、生態(tài)農(nóng)業(yè)問題、城鎮(zhèn)體系問題、基建布局問題、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整問題以及相互之間的協(xié)調(diào)發(fā)展問題，無不屬于地理系統(tǒng)工程。地理現(xiàn)象是復(fù)雜現(xiàn)象，地理系統(tǒng)是開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)。當(dāng)研究西部開發(fā)時(shí)，如果國(guó)家各個(gè)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(shè)；鐵路只考慮鐵路建設(shè)；水利只考慮南水北調(diào)問題；城鎮(zhèn)建設(shè)只考慮城市規(guī)劃等，那么整體的西部地區(qū)有可能產(chǎn)生許多事倍功半的現(xiàn)象，例如修了公路沒有物資運(yùn)輸；城市居民結(jié)構(gòu)不盡合理；勞動(dòng)力與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不配套等。錢學(xué)森的社會(huì)主義總體設(shè)計(jì)部就是要把地理系統(tǒng)工程與政治文明建設(shè)、物質(zhì)文明建設(shè)、精神文明建設(shè)系統(tǒng)地結(jié)合起來，地理系統(tǒng)工程僅是其中的一個(gè)子系統(tǒng)。而人口、資源、生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害、城鎮(zhèn)、基建、產(chǎn)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(zhì)、結(jié)構(gòu)、分布是人口系統(tǒng)中的要素；資源中的礦產(chǎn)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(zhì)環(huán)境是環(huán)境系統(tǒng)的子系統(tǒng)；交通、鐵路、航運(yùn)、航空、供排水、供電、供氣、供暖、電訊、電視、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)建設(shè)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(gòu)成完整的、開放的、復(fù)雜的巨系統(tǒng)。研究開放復(fù)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(gè)要素與指標(biāo)體系；第三是根據(jù)指標(biāo)（相似準(zhǔn)則）建立模型進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；最后是檢驗(yàn)該巨系統(tǒng)的效益與效率。當(dāng)前大多數(shù)是分別研究人口、資源、生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害、城鎮(zhèn)、基建、產(chǎn)業(yè)等子系統(tǒng)，在一個(gè)地區(qū)全面研究區(qū)域地理系統(tǒng)工程的有效實(shí)例不多，區(qū)域經(jīng)濟(jì)地理的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠不上地理系統(tǒng)工程。筆者曾在2000年底提出中國(guó)水資源、水災(zāi)害、水環(huán)境、生產(chǎn)用水、生活用水統(tǒng)一解決的洪水充分利用，全國(guó)水系網(wǎng)絡(luò)化與渤海淡化的地理系統(tǒng)工程，中國(guó)科技報(bào)曾進(jìn)行報(bào)道，之后筆者在“21世紀(jì)黃河系統(tǒng)工程方略”一文中進(jìn)行闡述，首先所能進(jìn)行的研究是虛擬地理系統(tǒng)工程。全國(guó)水系網(wǎng)絡(luò)化與渤海淡化是21世紀(jì)的世紀(jì)工程，尚需有識(shí)之士共識(shí)，廣泛地深入研究，進(jìn)一步的論證。如果沒有以高新技術(shù)武裝起來的地理信息科學(xué)的支撐，研究復(fù)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(xué)的許多關(guān)鍵技術(shù)，地理系統(tǒng)工程的實(shí)踐指日可待。4理論地理科學(xué)地理信息科學(xué)一方面可以進(jìn)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(xué)提供技術(shù)基礎(chǔ)。從遙感信息模型發(fā)展到地理復(fù)雜信息模型再到地理數(shù)學(xué)8，為理論地理科學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。理論地理科學(xué)中首要的是建立開放的復(fù)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(fù)雜模型理論與地理數(shù)學(xué)；第四是地理數(shù)學(xué)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(yīng)用。理論地理科學(xué)如果不能指導(dǎo)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(shù)武裝起來的地理信息科學(xué)的支撐，研究理論地理科學(xué)也是空想，然而所幸的是人們已經(jīng)掌握了地理信息科學(xué)的許多關(guān)鍵技術(shù)，理論地理科學(xué)的建立指日可待。5地理科學(xué)在可持續(xù)發(fā)展信息社會(huì)中的作用地理學(xué)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(dá)到了地理科學(xué)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(dá)國(guó)家的水平，一個(gè)地球是滿足不了全人類的需求的?？沙掷m(xù)發(fā)展只有在信息社會(huì)中才能實(shí)現(xiàn)，人類一方面需要依靠科學(xué)技術(shù)開發(fā)資源，如太陽(yáng)能的利用，靠基因工程使綠色植被更多地利用太陽(yáng)輻射，靠納米技術(shù)直接轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能為電能；另一方面是靠信息技術(shù)節(jié)省資源、能源，如天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是信息社會(huì)的重要支柱之一，靠航天技術(shù)獲取外層空間信息源，靠計(jì)算機(jī)技術(shù)建立信息網(wǎng)絡(luò)。由此可見，地理信息科學(xué)在可持續(xù)發(fā)展信息社會(huì)中的作用14。隨著地理信息科學(xué)的發(fā)展，地理系統(tǒng)工程與理論地理科學(xué)的發(fā)展，將為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)做出重要的貢獻(xiàn)。由上分析，可見地理科學(xué)與地理信息科學(xué)已經(jīng)被廣泛共識(shí)，地理系統(tǒng)工程與理論地理科學(xué)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(xué)”是適時(shí)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(shí)性的。在這里我們希望地理科學(xué)界的同仁，切不要輕視技術(shù)，高新技術(shù)恰恰是新理論、新應(yīng)用的強(qiáng)大推動(dòng)力?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1錢學(xué)森，等.論地理科學(xué)M.杭州：浙江教育出版社，1994.1-325.2錢學(xué)森.發(fā)展地理科學(xué)的建議J.大自然探索，1987,6(19):36-463錢學(xué)森.就“地理科學(xué)”答地理知識(shí)記者問J.地理知識(shí)，1990,(1):90-93.4馬藹乃.論地理科學(xué)的發(fā)展J.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1996,32(1):120-129.5馬藹乃.航天信息與地理信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其應(yīng)用J.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998,34(4):533-541.6馬藹乃，等.論地理信息科學(xué)的發(fā)展J.地理學(xué)與國(guó)土研究，2002,18(1):1-8.7馬藹乃.遙感信息模型M.北京：北京大學(xué)出版社，1997.1-165.8馬藹乃.遙感信息模型與地理數(shù)學(xué)J.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001,37(4):521-529.9馬藹乃.遙感地理信息模型J.地理學(xué)報(bào)，1996,51(3):266-2