地球系統(tǒng)的系統(tǒng)模型

地球系統(tǒng)的系統(tǒng)模型第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月目的:認識地球第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1地球系統(tǒng)模型3.1.1地球系統(tǒng)的基本概念

(1)系統(tǒng)的定義錢學森指出：所謂系統(tǒng)是指由兩個以上、相互聯(lián)系、相互制約的部分組成的具有特定功能的整體。綜上所述，從小到分子或細胞，大到宇宙，從個人到整個人類社會，都可以看作為一個系統(tǒng)。用數(shù)學語言來說，系統(tǒng)S就是元素(子系統(tǒng))A及其關系B的總和，可表示為：

S={A，B}第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1地球系統(tǒng)的基本概念

與地球系統(tǒng)相關的概念，早在2000多年就提出來了，如老子就提出了“天人合一”概念，實際上就是今天的“人地系統(tǒng)”?！疤臁本褪亲匀画h(huán)境，包括資源在內(nèi)，就是指地球“人”就是指人類社會“合一”就是組成了一個相互聯(lián)系、相互制約的整體“天人合一”就是指地球系統(tǒng)第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1地球系統(tǒng)的基本概念(2)地球系統(tǒng)的定義：地球系統(tǒng)是指某一個特定時間、特定空間的，由兩個以上或無數(shù)個相互區(qū)別、又相互聯(lián)系、相互制約、相互作用和相互調(diào)節(jié)功能或行為的，并與外界環(huán)境相互作用的地球要素組成的整體。地球要素是指氣候、水文、生物、土壤、地質(zhì)、地形及人類社會等。外界環(huán)境，是指對整個地球系統(tǒng)而言的太陽及宇宙第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月錢學森認為：地球系統(tǒng)是一個開放的、復雜的巨系統(tǒng)。地球系統(tǒng)是由無數(shù)個，甚至是無窮多的要素所組成，這些要素相互聯(lián)系、相互制約、相互作用，有的強、有的弱，是動態(tài)的、錯綜復雜的，而且與地球系統(tǒng)以外的太陽密切相關，甚至受到宇宙影響的巨系統(tǒng)。第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)地球系統(tǒng)的實例：生態(tài)系統(tǒng)(包括草原生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)、沼澤生態(tài)系統(tǒng)、沙漠生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)，等等)地貌系統(tǒng)(如：河流地貌系統(tǒng)、坡地地貌系統(tǒng)、冰川地貌系統(tǒng)、凍土地貌系統(tǒng)、喀斯特地貌系統(tǒng)、沙漠地貌系統(tǒng)，等等)區(qū)域系統(tǒng)、城市系統(tǒng)等等第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)地球系統(tǒng)的性質(zhì)與特征：組成各地球系統(tǒng)的要素之間，具有相互聯(lián)系、相互制約的性質(zhì)，因此系統(tǒng)的各要素或各部分之間具有相關性與整體性的特征以及有序性與層次性的結構特征；地球系統(tǒng)還具有時間和空間兩大特征，因此它具有動態(tài)性和區(qū)域性的特征、共性和個性的特征等。第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2地球系統(tǒng)的功能與結構模型地球系統(tǒng)的功能主要原理有：“整體功能大于各部分功能之和”原理“地球系統(tǒng)具行自動調(diào)節(jié)與自組織功能”原理“系統(tǒng)功能取決于系統(tǒng)結構”與“系統(tǒng)優(yōu)化結構”原理“地球系統(tǒng)的自相似性”原理上述地球系統(tǒng)功能的原理是由物質(zhì)流、能量流和信息流三者決定的。第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2地球系統(tǒng)的功能與結構模型地球系統(tǒng)研究的核心是：“系統(tǒng)的優(yōu)化結構”與“優(yōu)化配置”問題。地球系統(tǒng)模型：地球系統(tǒng)模型是對真實地球系統(tǒng)的抽象和簡化。地球系統(tǒng)建模的內(nèi)容：包括系統(tǒng)空間行為模型、系統(tǒng)時空耦合模型、系統(tǒng)過程的節(jié)律模型及各種生產(chǎn)應用模型等。地球系統(tǒng)熵：地球系統(tǒng)熵(Entropy)是地理系統(tǒng)狀態(tài)的定量描述。地球系統(tǒng)的調(diào)控：地球系統(tǒng)調(diào)控的目的是使系統(tǒng)能夠持續(xù)發(fā)展。第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3地球系統(tǒng)分析方法論原則L.V.Bertalan提出了對任何系統(tǒng)進行分析時，要素有三個觀點：第一，系統(tǒng)觀點第二，動態(tài)觀點第三，層次觀點，才能順利地解決任何復雜問題曲東升(1990)將其總結為整體性原則、有序相關原則、動態(tài)性原則、目標優(yōu)化原則和可行性原則地球系統(tǒng)的網(wǎng)絡分析：“網(wǎng)絡是某些系統(tǒng)最形象、最簡單的表達形式”。第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2地球系統(tǒng)的自組織、自相似與自相關模型3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說1．地球系統(tǒng)的自組織模型自組織(self-organization)是指系統(tǒng)在無外界強迫(制)條件下的，系統(tǒng)自發(fā)形成的有序行為。這一詞來源于熱力學中的熱交流的“自我變化”。有組織是指系統(tǒng)在外界的強迫下形成的有序行為，而自組織是指自身進行調(diào)節(jié)功能的行為。第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月如:森林系統(tǒng)是一個典型的自組織系統(tǒng)當它遭到人為或自然的破壞之后，它能自行恢復；但這種自行恢復，不是復原，而是有變化、有發(fā)展，可以往好的方向發(fā)展，也可以往壞的方向發(fā)展，完全受環(huán)境和自身的結構而定，所以是時間不可逆的，是不確定性的。自組織就是通過事物本身的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生自發(fā)的有序化的過程，或由有序程度差向程度好的過程。第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說2．地球系統(tǒng)的GaiaHypothesisGaia是希臘神話中的大地女神，是由英國地球物理學家Lovelock和美國生態(tài)學家L．Margulis借用來代表地球系統(tǒng)的《自組織理論》的假說。假說認為地球系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、生物圈和固體圈構成的復雜實體，是一個具有自動調(diào)功能的自組織系統(tǒng)。這個自組織系統(tǒng)的關鍵是生物圈。生物調(diào)節(jié)著地球系統(tǒng)內(nèi)的能量流、物質(zhì)流，調(diào)控著大洋的溫度、鹽度、酸度及元素的地球化學循環(huán)，這種機制稱為Gaia假說。第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說例1：森林遭毀壞后的自動恢復過程，動物種群的消、長周期過程，都是生物自組織功能的表現(xiàn)。森林越長越密，阻礙了新的樹苗生長，結果使森林退化衰落；當樹的密度減少到一定程度時，新的樹苗又能生長了，森林將恢復原氣。這就是自組織功能。第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說例2：某種野生動物繁殖越來越多，食物就越來越少動物因吃不飽而死亡，于是動物數(shù)量就開始減少當減少到可以供養(yǎng)新生的動物時，動物的數(shù)量也將會恢復原狀這也是自組織功能的結果第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說無機物質(zhì)也有自組織過程，如化學反應、晶體的生成過程等都是自組織過程，地貌的發(fā)育與演化過程也是自組織過程。自組織過程是地球過程的普遍現(xiàn)象，也是主要過程之一。第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2分形與自相似分形分維是描述復雜圖形的數(shù)學，即分形分維幾何學，由B.B.Mandelbrot于1982年創(chuàng)建。分形分維幾何學可描述自然界中的分形特征。自然和社會中的復雜的幾何形態(tài)，具有相似性的特征，在統(tǒng)計意義上總體形態(tài)的每一部分可以被看作是整體標度減少的映射，標度指級別，或觀測數(shù)目。第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月不論形態(tài)是如何復雜，它們在統(tǒng)計上的相似性或概率上的相似性是普遍存在的。局部形狀與整體形狀的相似性，以及局部的局部形狀與整體形狀的相似性，是自然界和社會中的普遍存在的現(xiàn)象。第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月B.B.Mandelbrot認為，自然和社會中的復雜的幾何形態(tài)，可以用冪函數(shù)D，即分形數(shù)來表達：

D=Log[N(r)]/Logr

式中，D-分形維數(shù)，r-形狀的變量，[N(r)]-標度，指級別或觀測數(shù)目。分維數(shù)是對分形復雜性程度的度量。分維數(shù)的基本概念包括：在歐氏幾何中，點是0維，線是1維，面是2維，體是3維，推而廣之，時空是4維，高維抽象空間可以為5維，6維及任意n維(n為整數(shù))，這種整數(shù)維的圖形，經(jīng)過拓撲變換，即拉長，壓縮或扭曲，仍然是不變的，稱為拓撲維數(shù)。第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月自然界存在各種尺度的分形形體，大到宇宙，小到一個樹的圖形，這與數(shù)學上分形有兩點差別：1.自然界的分形，不是按一定規(guī)則構造出來的一種有規(guī)則的分形，而是一種具有自相似性的隨機對象，是無規(guī)則分形2.自然分形的自相似性層次是有限的，分形只存在被限制的范圍內(nèi)，不存在無限的自相似層次，如一條河流的分支，一株樹的分支，都不是無限的第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3地球系統(tǒng)對象的自相關性“自相關”(Self-relation)是地球系統(tǒng)的又一基本特征在一個區(qū)域內(nèi)，所有的組成要素之間都存在著自相關或自適應(Self-adapt)的特征如地質(zhì)、地貌、氣候、水文、土壤、植被、動物、微生物、土地利用，甚至社會經(jīng)濟活動之間均存在著“自相關”或“自適應”的特征。第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月這是長期以來這些要素之間或地球系統(tǒng)對象之間相互作用、相互改造、相互適應，取得的“和諧”、”協(xié)調(diào)”結果。如果某一要素，如植物、動物、或微生物；或土地利用方式，與地質(zhì)、地形(地貌)、氣候等基礎要素“不相關”或“不適應”的話，該要素或?qū)ο缶蛯⒚撾x該系統(tǒng)，或在系統(tǒng)中被淘汰。外來的動植物進入系統(tǒng)時，它要進行“自相關”、“自適應”的過程，通常稱為“馴化”過程。第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3地球系統(tǒng)的空間結構與空間功能模型3.3.1地球系統(tǒng)的空間結構地球空間結構(Geo-spatialstructure)指在一特定的空間范圍或區(qū)域內(nèi)，自然和社會各要素，包括資源、環(huán)境、經(jīng)濟和社會諸要素的組合關系或耦合關系。同一空間范圍內(nèi)的資源配套關系(如陽光、土壤與水資源的配套等)、環(huán)境的配套(如深水港、地形等)和社會經(jīng)濟的配套(如人口素質(zhì)與基礎設施等)關系。第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1地理系統(tǒng)的空間結構

1）地理系統(tǒng)空間結構理論／生產(chǎn)力布局與地域生產(chǎn)綜合體理論資源與環(huán)境的耦合(空間結構化原理之一)資源耦合環(huán)境耦合資源與環(huán)境耦合資源、環(huán)境與社會、經(jīng)濟條件的耦合(空間結構化原理之二)第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2）空間過程理論物質(zhì)流、能量流與信息流在空間的擴散方式，有：

(1)按方式分：集中與分散方式孤立與嵌入方式鄰近效應與輻射方式

(2)按性質(zhì)分：物質(zhì)過程：資源、環(huán)境要素的移動過程(物質(zhì)流)粒子-能量過程：太陽的電磁波能量、重力、磁力、電力場等(能量流）人類社會行為過程：引起的物質(zhì)流、能量流和信息流人類的經(jīng)濟過程第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2地理系統(tǒng)的空間功能地理空間功能或地理空間結構功能(Geo-spatialstructurefunction)，指區(qū)域或系統(tǒng)所具有的經(jīng)濟和社會發(fā)展?jié)摿Φ拇笮?，或可持續(xù)發(fā)展能力的大小，或潛力的大小。具有最優(yōu)化結構的地區(qū)或系統(tǒng)，一定具有最強的地理空間功能，具有最強的經(jīng)濟和社會發(fā)展的潛力，或可持續(xù)發(fā)展的能力最強。例如，長江三角洲、珠江三角洲地區(qū)具有最佳的地理空間，因此具有最強的地理空間結構功能。江漢平原和黃淮海平原具有中等的地理空間功能，西藏阿里地區(qū)及新疆塔里木盆地具有較差的地理空間功能。第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)地理空間功能分工理論：發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢理論，包括資源優(yōu)典、環(huán)境優(yōu)勢、社會優(yōu)勢、經(jīng)濟優(yōu)勢，因地制宜地發(fā)展理論發(fā)揮區(qū)域綜合優(yōu)勢理論，地域生產(chǎn)綜合體類型及其優(yōu)化結構等(2)地理空間協(xié)同理論：不同功能區(qū)之間的互補關系理論不同功能區(qū)的融合理論第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)地理空間功能評估區(qū)域自然資源、環(huán)境與生產(chǎn)力發(fā)展條件綜合評估區(qū)域經(jīng)濟結構與產(chǎn)業(yè)間聯(lián)系發(fā)展機制評估區(qū)域開發(fā)中的地區(qū)生產(chǎn)綜合體的形成與發(fā)展評估區(qū)域空間聚集(人口、產(chǎn)業(yè)等)過程及合理規(guī)模評計估不同類型空間的發(fā)展戰(zhàn)略(4)地理空間發(fā)展原理最小的投入，最大的產(chǎn)出，最小的破壞原則，節(jié)省資源/能源和資金及勞動力，減少廢氣、廢水、廢物的排放量，而且要高產(chǎn)出、高效益，主要是有高的科技貢獻率。效果檢驗標準：經(jīng)濟效益、資源與環(huán)境效益、社會效益包括科教效益等。第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)地理空間發(fā)展模式的選擇：分析該空間的資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟的優(yōu)缺點，并提出措施在分析上述四大要素狀況的基礎上，對空間生產(chǎn)力布局的結構、功能特征進行論證對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展模式進行論證第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3地球系統(tǒng)的區(qū)位理論區(qū)位理論(LocationTheory)是:探討地理空間對各種經(jīng)濟活動分布的影響和研究生產(chǎn)力空間組織的一種學說。它是經(jīng)濟地理學、空間經(jīng)濟學和地球系統(tǒng)科學相結合理論。區(qū)位理論有三條基本法則：第一距離衰減法則第二空間相互作用原理第三中心地學說

第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)位理論按其研究對象，可以劃分為:農(nóng)業(yè)區(qū)位論、工業(yè)區(qū)位論、運輸區(qū)位論、市場區(qū)位論等。資源的空間分布及其價格，生產(chǎn)成本及運輸成本，市場需求(價格)等決定農(nóng)業(yè)、工業(yè)、運輸及市場的區(qū)位，具有明顯的空間和系統(tǒng)的概念。如E．M．胡佛的運輸區(qū)位理論，他以追求最低成本為目標，將區(qū)位費用因子分為運輸和生產(chǎn)費用兩部分，認為運輸距離、方向、運輸量及其他運輸條件的變化，往往直接引起工業(yè)布局發(fā)生變化。所謂區(qū)位理論就是追求能達到最大效益的區(qū)位。空間因素，尤其是空間結構具有很大的作用?！胺涓C狀”是理想的市場區(qū)位結構。第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4地球系統(tǒng)的人口承載力與可持續(xù)發(fā)展理論

3．4．1人—地系統(tǒng)理論環(huán)境決定論人定勝天論人與環(huán)境協(xié)調(diào)理論第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3．4．2關于地球系統(tǒng)的人口承載力問題關于承載力的計算問題資源承載力(極限)環(huán)境的承載力關于“增長的極限”與“無極限的增長”之爭人口增長的極限第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月可持續(xù)發(fā)展(SustainableDevelopment)是當代影吶最大的“人與自然相互作用的理論“。1992年在巴西里約熱內(nèi)盧召開的“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，有182個國家和地區(qū)首腦參加，共同簽署了名為《21世紀議程》的宣言，正式確認了“可持續(xù)發(fā)展是世界各國發(fā)展的戰(zhàn)略目標”。3．4．3可持續(xù)發(fā)展理論第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月可持續(xù)發(fā)展是指：經(jīng)濟和社會的發(fā)展，既要滿足當代人的需求，又要不影響后代人的需求。社會經(jīng)濟的增長，不人能片面追求增長的數(shù)量和速度，要考慮增長的