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，與原來的地理學的不同在於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濟地理，而地理科學是自然科學與社會科學的橋樑科學；地理科學與地球科學也不同，在於地球科學是自然科學，地理科學不隸屬於地球科學，而是獨立於地球科學的自然科學與社會科學的跨界科學。筆者在1996年曾發表“論地理科學的發展”提出了地理科學的三個層次。

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、4項建設，下面分別表述原著與解解的內容。

錢學森將當今人類對科學知識的體系，分為數學科學、自然科學、地理科學、社會科學、建築科學、軍事科學、人體科學、思維科學、行為科學、系統科學與美學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；建築科學界於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；美學是縱貫於各個學科的；數學科學與系統科學是橫貫於各個學科的。因此有以下的科學分類網路系統。

在五個開放的、複雜巨系統中，地理系統與星系系統、社會系統、人體系統、人腦系統並列，其中的物理、地理、事理、人理、腦理中的“理”都是指研究的“規律”。

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工程，並增加了人口、科教、城鎮、資源、災害、產業。

20世紀70年代以來，隨著航天技術的迅猛發展，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展，處理與解決這些海量數據的能力大幅度地提高。地理信息系統、地理專家系統、管理信息系統、輔助決策系統應運而生，使得地理信息科學首先獲得發展的機會。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展，帶動了整個地理科學的建立與發展。

地理信息科學的主要內容就是天地信息一體化網路系統，包括航天信息網路系統(外層空間衛星之間的信息網路)、地面的網路系統、天地之間的網路系統三部分，是有線網路與無線網路連通的一體化網路系統。1998年筆者發表了“航天信息與地理信息一體化網路系統及其應用”的論文，2002年又發表了“論地理信息科學的發展”一文。兩篇論文基本上代表了地理信息科學的創始與發展，當前各行各業都在進行數字化或信息化的建設，實際上都是天地信息一體化網路中的部分子網路或子系統。地理信息科學中最重要的原創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，使用的數學工具主要是數理統計的方法，把遙感信息看成是沒有成因關係的隨機變數；物理學家則把獲取遙感的物理過程視為遙感信息的成因，因此採用反演的方法，使用輻射傳輸方程為主的數學工具，事實上不承認地理現象的不確定性；大多數地理學家將遙感信息當成系列成圖的基礎信息，快速、準確地製作系列地圖。地圖是符號系統，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的系列圖譜。遙感信息模型則是將地理複雜現象中的非遙感信息轉變為歸一化的影像信息，與遙感信息一起用方程、統計與相似準則結合，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複雜信息模型。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。

地理信息系統本來就是為了製作地圖而創建的，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，是順理成章的。但是這種地理信息系統無論空間分析功能多麼強大，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，信息又是冗餘的，因此帶來一系列與計算機技術發展格格不入的疑難，最為典型的是數據挖掘，數據挖掘說明存在資料庫中的信息有冗餘。遙感信息模型的運算要求地理信息系統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]。傳統的地理信息系統以圖形的疊合(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，也是地理信息系統中屬性庫與地理專家系統中知識庫聯繫的橋樑。

總之，天地信息一體化網路系統是開放的複雜巨系統，研究這個巨系統的地理信息科學的內容遠遠超過了3S(Remote Sensing,Global Positioning System,Geographical Information System)的範圍，而是以天地信息一體化網路系統為核心的天—地—人—機系統。地理信息科學雖然是從屬於地理科學的技術科學，但是地理信息科學的誕生與發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並論，突出了地理信息科學的重要性。

地理系統工程當前尚未被廣泛認識，已經認識到的也僅僅是系統工程在地理學中的應用。當地理信息科學中的模型在實踐中應用時，必然會涉及地理系統工程的可操作性。地理遙感複雜信息模型的建立，可以進行定量預報和回溯，因此為地理系統工程打下了工程的基礎。國民經濟的主戰場主要包括人口、資源、生態、環境、災害、城鎮、基建、產業等8個方面，這8個方面是互動的。中國的人口問題、西部開發問題、21世紀水資源問題、能源問題、洪旱災害問題、環境問題、生態農業問題、城鎮體系問題、基建布局問題、產業結構動態調整問題以及相互之間的協調發展問題，無不屬於地理系統工程。

地理現象是複雜現象，地理系統是開放的複雜巨系統。當研究西部開發時，如果國家各個部門各行其是，石油開發只考慮石油開採與輸送管道；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；城鎮建設只考慮城市規劃等，那麼整體的西部地區有可能產生許多事倍功半的現象，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工程與政治文明建設、物質文明建設、精神文明建設系統地結合起來，地理系統工程僅是其中的一個子系統。而人口、資源、生態、環境、災害、城鎮、基建、產業是地理系統工程中的子系統。人口中的數量、素質、結構、分佈是人口系統中的要素；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中的子系統；大氣環境、水環境、土環境、生物環境、地質環境是環境系統的子系統；交通、鐵路、航運、航空、供排水、供電、供氣、供暖、電訊、電視、計算機網路是基礎建設系統的子系統等。系統嵌套系統，分層次子系統與交叉子系統，構成完整的、開放的、複雜的巨系統。

研究開放複雜巨系統的方法，首先是將系統分解為多層次的子系統，明確其中的交叉子系統；其次是從定性到定量地確定子系統中各個要素與指標體系；第三是根據指標(相似準則)建立模型進行預測預報；最後是檢驗該巨系統的效益與效率。當前大多數是分別研究人口、資源、生態、環境、災害、城鎮、基建、產業等子系統，在一個地區全面研究區域地理系統工程的有效實例不多，區域經濟地理的研究還遠遠夠不上地理系統工程。筆者曾在2000年底提出中國水資源、水災害、水環境、生產用水、生活用水統一解決的洪水充分利用，全國水系網路化與渤海淡化的地理系統工程，中國科技報曾進行報道，之後筆者在“21世紀黃河系統工程方略”一文中進行闡述，首先所能進行的研究是虛擬地理系統工程。全國水系網路化與渤海淡化是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，研究複雜的地理系統工程就是空想，然而所幸的是人們已經掌握了地理信息科學的許多關鍵技術，地理系統工程的實踐指日可待。

地理信息科學一方面可以進一步為地理系統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。從遙感信息模型發展到地理複雜信息模型再到地理數學，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複雜巨地理系統的理論；其次是地理類比的廣義相似理論；第三是一般地理複雜模型理論與地理數學；第四是地理數學在部門地理—部門子地理系統工程與區域地理—區域地理系統工程中的應用。理論地理科學如果不能指導部門子地理系統工程的研究和區域地理系統工程的研究，那麼就失去了理論意義。

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。

地理學的發展經歷了“地理環境決定論”、“人類中心主義”，然後達到了地理科學的可持續發展的階段。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。可持續發展只有在信息社會中才能實現，人類一方面需要依靠科學技術開發資源，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省資源、能源，如天地信息一體化網路系統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路。由此可見，地理信息科學在可持續發展信息社會中的作用。隨著地理信息科學的發展，地理系統工程與理論地理科學的發展，將為國民經濟的主戰場做出重要的貢獻。

由上分析，可見地理科學與地理信息科學已經被廣泛共識，地理系統工程與理論地理科學的發展尚不夠充分，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展性的；是既有前瞻性又有現實性的。在這裡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。