發布時間：2021-07-06所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要地理系統是一個復雜巨系統,地理綜合研究是整體性認知與理解地理系統的重要途徑.隨著地理學的發展演進,地理綜合成為新時期地理學創新與突破的根本任務;發展地理綜合的理論方法,成為防止地理學空心化,建立地理學核心理論的重要途徑.然而,傳統地理綜合方法
摘要地理系統是一個復雜巨系統,地理綜合研究是整體性認知與理解地理系統的重要途徑.隨著地理學的發展演進,地理綜合成為新時期地理學創新與突破的根本任務;發展地理綜合的理論方法,成為防止地理學空心化,建立地理學核心理論的重要途徑.然而,傳統地理綜合方法多采用“先分后綜”的思路,導致“易分難綜”,地理綜合方法體系亟待進一步探索.本文總結了現有地理綜合相關研究及方法,分析了阻礙地理綜合研究方法發展的根結所在,提出了發展基于地理模態的地理綜合研究方法新構想.地理模態作為地理系統規律性認知的描述形式與表達機制,是比地理要素與地理過程更高層次的抽象載體;以多層次地理模態的有機聚合、有序迭代形成地理系統的整體性、系統性認知,有望指導后期地理系統的綜合研究與模型重構.基于地理模態的地理綜合研究方法將試圖打通片段地理認知到綜合地理認知的雙向通道,構建地理數據到地理規律再到綜合地理認知的模型方法,推動地理綜合研究在理論和方法上的協同演進,促進地理綜合研究的發展.
關鍵詞地理綜合,地理模態,地理規律,地理分析,地理建模
區域性和綜合性是地理學兩大重要特征;地理區域研究與地理綜合研究是地理學研究的兩個主要方向.地理區域性研究關注于“定位”,針對地球表層某個特定區域,界定研究對象的范圍與邊界,觀察分析其自然和人文現象,探索其空間特征及異質性.地理綜合性研究立足于地理系統“共生共長”的本質特征,將地球表層或特定地理系統作為統一整體,對其組成要素及其空間結構、演化過程與相互作用機理開展系統性研究.通常情況下,區域性研究主要聚焦于某一地理系統空間特征及其內部差異特性的挖掘,而綜合性研究既要兼顧地理系統、子系統內要素之間的生物、物理、化學作用及機制,又要挖掘系統、子系統之間的關聯與影響,從而形成具備整體性、全局性的地理認知.
20世紀60年代,國內外學者普遍開始關注地理學綜合性研究,試圖發展從定性到定量集成研究方法;李春芬[1]的“地域綜合體分析”,吳傳鈞[2]、陸大道[3]的“人地關系地域系統”,,黃秉維[4]的“綜合與分析方法”,鄭度和傅小鋒[5]的“自然地理綜合區劃”,無不體現與滲透了地理綜合研究的思想與追求.然而,隨著地理學各部門研究的縱深發展,面向特定區域內單要素、單過程、單系統的表達與分析已明顯走向成熟,但由于地理系統及其要素的復雜性、時空過程的交互性、作用邊界的模糊性等特性,地理綜合研究的發展始終顯得“心有余而力不足”.21世紀初,國內諸多地理學家開始重新審視與思考新時代地理學的發展方向[6~8],普遍認為開展多要素、多過程、多系統的綜合性探索理所當然成為地理學尚未完成且亟須突破的根本性任務[9~12].
從方法論的角度,地理綜合研究方法主要經歷了4個發展階段:(1)20世紀80年代以前,面向自然環境分界、土地利用分類、農業生產分區等客觀需求,地理綜合研究主要借助自上而下區劃手段,對地理綜合體的組成要素與屬性進行定性描述;(2)20世紀80年代之后,隨著GIS等空間信息技術的發展,空間疊置分析、要素聚類分析等手段被應用于地理綜合,支持對地理綜合體組成要素及其數據的定性與定量描述;(3)2000年以來,當地理學研究不再滿足于靜態格局描述,而愈加關注于“格局-過程-相互作用”的多層面解釋時,基于機理過程的陸表模型得到了快速發展,并被廣泛應用于地理綜合研究,為地理綜合體的數理模型表達提供了途徑;(4)2010年以來,隨著大數據時代的來臨,地理大數據分析方法逐漸被應用于地理綜合體各種要素格局及其內外關系的表達.可以看到,技術進步對地理綜合研究方法的發展起到了推動作用,以綜合、定量視角對人地系統開展理解的主導性思想逐漸明晰[13],對地理系統要素、格局、演化過程進行一致性探索的研究范式也浮出水面[14],但地理綜合研究方法的不足依舊明顯:無論是“自頂而下”的系統分解,還是“自底而上”的要素綜合,都始于個性化研究對地理系統的理解與認知,缺乏共同的認知基礎以支持研究結果的統領與進階綜合;此外,研究方法的體系性有待建立、兼容性有待探索、實用性也有待提升[15,16].
為了促進地理綜合研究的進一步發展,本文總結、歸納了地理綜合研究的相關方法,分析了當前地理綜合研究方法存在的問題,提出了基于地理模態的地理綜合研究新構想,試圖推動地理綜合研究在理論和方法上的協同演進,提升地理信息科學對地理綜合研究的支撐效能.
1地理綜合研究相關方法現狀分析
地理系統是地理綜合研究的主體,其主要是指在地理學研究視角下,地理環境中各種自然與人文要素共同構成的統一整體.在客觀地理規律的制約下,地理系統內的各種要素相互作用,不斷進行著物質、能量和信息交換.當下,地理系統已經成為地理學研究的主體,而系統科學也已經成為地理系統研究的重要范式[4].基于系統論、信息論、控制論等現代科學理論,地理系統的特征性認知逐漸形成:一個開放、非平衡的系統,系統內各要素間存在復雜的線性/非線性相互作用[17,18].近年來,以地球系統集成框架(EMF)、未來地球(FutureEarth)、國際地圈生物圈計劃(IGBP)、聯合國可持續發展(SDGs)、地球關鍵帶為代表的集成模擬研究得到快速發展,這既反映了地理系統的綜合性和復雜性的本質特征,也體現了地理綜合研究的時代性需求.
地理認知是地理綜合研究的主要目的,地理分析與地理綜合是地理綜合研究“指臂相使”的兩個重要組成部分[4],因此本文擬從地理認知方法、地理分析方法及地理綜合方法三方面進行闡述:
1.1地理認知方法
地理認知方法是理解地理系統的基本途徑.地理認知涉及人類感知、記憶、推理等眾多方面[19,20].面向地理系統的認知,不同領域針對其研究對象,形成了不同的認知體系.例如,面向土壤體系的認知,形成了以發生學分類等方法支持的土壤分類認知體系[21,22];面向水文系統認知,出現了基于河流價值等因素的水文分類認知體系[23,24];面向固體地球系統認知,出現了以年代地質、巖石地質為因素的分類認知體系[25].雖然各領域對地理系統認知體系各不相同,但主要關注于要素類別、空間格局[26]、演化過程[27,28]等方面的認知.隨著數據采集能力的加強,地理系統認知的研究更加強調從各個層次、各個領域綜合理解地理系統及地球表層過程發生的機理;但是由于地理系統的復雜性,國內外學者對地理系統的綜合性認知探索還處于起步階段[29].
在眾多地理認知方法中,歸納法和演繹法是使用最為廣泛的科學研究方法[30].從信息科學的角度來看,地理系統認知中的歸納法貫穿了從地理信息獲取、抽象、轉換到地理系統表達與分析的全過程[31].目前,歸納法已經在各部門領域對地理系統的研究中得到廣泛應用,涉及氣象學、地質學、經濟地理、人文地理等各個方向[32~34].但是由于缺乏對內在機理與關聯的深入挖掘,事實和假設之間往往存在邏輯缺陷,導致歸納不全、歸類不清.演繹法的思維過程是由總體到局部、由概念到事實、由總括到觀察,從而開展必然性推理.氣候學在理論和方法上一直沿著演繹的方向發展,地貌學和地質學則在沿著歸納方向發展的基礎上,逐步以演繹法作為系統方法的重要補充[35].在實際應用中,歸納和演繹在地理系統認知中都起著重要的作用,相互依賴、相互滲透,并在一定條件下可以相互轉換.
地理抽象是地理認知的基礎環節[36].地理系統認知的信息化輔助手段經歷了從傳統地圖、計算機輔助圖形圖像、GIS,到現在的虛擬環境系統的變化,其背后實質體現了地理系統抽象與組織方法的發展[37].可以認為,地理系統抽象與組織方法經歷了地圖數據模型、空間數據模型、時空數據模型以及地理場景模型的發展[38].由于地圖是地理系統認知結果的最直觀抽象表達形式和載體,所以傳統地理系統與抽象表達往往從地圖制圖的視角出發,將地理系統抽象為連續的“場”、離散的“對象”或“場”與“對象”統一描述的“對象場”[39]、“地理原子”[40]或“通用場”[41],試圖描述地理現象個體在位置、幾何、專題屬性等方面的特性以及它們之間的空間關系[42].為了描述地理系統的動態變化特性,在場模型和對象模型的基礎上增加時間特性描述,以表達地理特征在位置、幾何和屬性上的變化軌跡,出現了一系列時空數據模型[43~45].然而地理系統抽象方式基本都是針對單一類型地理要素的時空過程,尚難以刻畫地理系統中多要素、多過程復雜作用所表現的地理系統演變規律.況且,不同類型的抽象方式往往側重地理要素的時空變化,存在著描述以及表達方法上的差異,難以在一個整體框架下,對地理格局、演化過程以及相互作用機理進行一致性描述.
面向地理系統的認知,其內容與方法都相對明晰,要充分借助歸納法“自下而上”與演繹法“自上而下”的深度融合,兼顧“局部”與“整體”特征對地理系統進行探索與研究,不僅要能感知其現象,而且要能明晰其機理.然而,現有的地理系統認知手段還有待改進.現有的地理系統認知研究,多關注于對地理系統結構內某些節點上要素與過程的理解,缺乏對地理系統框架性結構及統籌性規律的挖掘,導致對地理系統的整體性認知缺失,特別是借助現有地理信息技術開展地理系統認知時,在抽象時往往“重個體、輕全局”、“重空間信息獲取、輕地理規律發現”,從而阻礙了對地理系統全面、整體的認知.
1.2地理分析方法
為了對地理系統開展深入了解,揭示數據以外的隱含信息,面向不同部門領域,出現了多樣的地理系統分析方法[46].(1)面向水文系統分析,基于代數學方法,研究關注于描述水文過程機理的模型開發[47,48],數值分析方法成為水文過程模擬和分析的主要手段[49~52].(2)面向土壤系統分析,為了充分認識土壤的形成、演變和發展過程,需要對土壤進行定量化描述[53].因此,土壤學家使用時間序列方法和模式定量分析方法,研究土壤發生和演變;基于地統計學、模糊數學和機器學習的土壤分析方法,對土壤信息進行分析[53~60].(3)面向大氣系統分析,為了進行氣候變化的模擬與預測,相關學者基于能量守恒、動量守恒等基本物理學方程,建立了氣候系統模式[61~65].此外,為了分析空氣質量和氣象狀況,基于代數方法模擬了空氣污染物擴散過程,利用人工智能方法實現對空氣質量和氣象的預測[66~69].(4)面向生態系統分析,空間統計方法被看成是生態領域重要的分析方法[70~72].例如,為了分析物種分布、生物多樣性、種群或群落之間的相互作用關系,許多概率模型被引入到生態研究之中,如貝葉斯網絡、泊松回歸模型、馬爾科夫鏈等[71,73].此外,還可以將空間關聯分析方法、空間插值方法、空間聚類分析方法和地圖代數等方法,應用于生態分析、野生動物保護、生態恢復等方面[74~77].(5)面向人類活動及其系統分析,空間點模式方法、時空可視化方法、元胞自動機等方法被設計出來[78~80],對手機用戶行為、城市道路狀況、疾病分布、犯罪分布、社會經濟變化等現象進行分析[81~87].
此外,地理數據獲取技術的飛速發展,為地理系統認知和探索提供了海量地理數據,推動了地理大數據研究范式的興起[88~90].但是,由于這些數據具有體量大、多源、異構、多維、動態等復雜特征,傳統地理系統分析方法難以用于地理大數據分析之中[91~93].因此,為了分析挖掘海量地理數據背后有價值的信息,誕生了地理大數據分析方法[94~96].該類方法多基于規則歸納、語義提取、空間關聯等手段,對研究對象進行分類、提取和融合,再基于空間統計學、深度學習、模糊集、粗糙集等理論,探索地理系統數據間的相互關系[95,97,98].
可以看到,現有的地理系統分析方法在各個領域都有所建樹.但是,由于研究領域之間的理論不同,以及研究對象的差異,不同領域的地理系統分析方法不盡相同,有的在原理上還差異甚大,“由表及里”的數據統計分析和“由里及表”的機理建模分析之間存在明顯的隔閡,這些都導致了已有的很多方法難以直接集成應用于綜合地理系統研究.借助地理大數據分析方法開展地理系統分析成為近來的趨勢,但是數據的紛雜性、多樣性導致難以在統一可操作框架下對地理系統的眾多信息進行聚合,且相關分析方法多集中于對人類社會活動現象及問題等短時間過程現象的研究,缺乏對各種地理現象背后作用過程及機制的分析,因此大數據分析方法仍無法直接應用于地理系統形成及演化因果關系的解釋.
相關期刊推薦：《科學通報》(旬刊),創刊于1950年，報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性和和高水平的、具有重要意義的最新研究成果，要求文章的可讀性強，能在一個比較寬范的學術領域產生深刻的影響。
1.3地理綜合方法
地理系統綜合研究是對陸地表層地理現象與地理過程中各要素相互作用及人地關系的研究,可以幫助對地球的過去、現在和未來有更進一步認知[99].20世紀60年代,黃秉維[100]就提出綜合是地理學生存之本.綜合性是地理學最高層次的科學難點問題,而自然要素(包括水資源、礦產資源、生態環境等)和人文要素(包括信息、科技、體制創新等)都是地理學綜合的要素[9,101].陸地表層的地理現象與地理過程均是多個地理要素共同作用的結果,所以地理學綜合性研究核心任務之一是理解不同尺度之間地理要素的相互作用及在空間上表現出來的整體特征[14].地理學的綜合研究可以分為4個研究階段[15],分別為:(1)對自然和人文要素進行區域內羅列;(2)基于GIS將特定區域內環境要素進行空間疊加,表達空間上多要素之間的疊加關系和綜合特征;(3)考慮特定區域多個核心要素的相互作用;(4)基于復雜性的區域系統綜合研究.
在傳統地理系統綜合研究中,自然地理和人文地理的研究方法都自成體系.在自然地理系統研究過程中,主要關注于對自然地理過程綜合和陸地表層系統集成,相關研究也在從自然-自然向自然-人文方向,及從單要素、單過程向多要素、多過程耦合方向發展[102,103].目前,自然地理系統綜合分析方法被諸多領域所重視,主要應用于自然區劃[104,105]、區域自然地理[106]和土地系統[107]等方面.由于人文要素的復雜性、邊界模糊性及地球表層人居環境急劇變化等因素,人文地理系統綜合性研究也日益凸顯[108].尤其是綜合區劃研究,需要充分考慮人文要素的地域分異性和相似性[109].而尋求人地系統綜合分析方法,則更是地理學持續發展的動力所在[110,111].
當下,地理信息科學的發展,為地理綜合研究提供了現代化分析工具.在地理綜合研究中,地理信息科學已經貫穿各個環節[14].一方面,相關的數據分析方法,例如空間聚類、神經網絡、隨機森林等算法為特定主題的地理綜合研究提供了支撐[112~115];另一方面,支撐特定地理系統過程模擬的集成建模與模擬方法也逐漸成為地理綜合的一種途徑[116~120],出現了一些綜合人文過程和自然過程的集成模型[121,122].
地理綜合的總體變化特征是從“多元”走向“系統”,但隨著地理綜合的要素、過程越來越多,問題也越發復雜.目前,針對單要素、單過程變化趨勢的研究較為成熟,面向簡單系統綜合也有較多成果;但涉及多過程、多系統的地理綜合,其綜合能力尚有所欠缺.現有的地理綜合方法,缺乏統一的理論框架與計算載體,導致不同的地理綜合研究及成果呈現“圍墻式”發展,各種綜合標準難以互相兼容,不同綜合方法難以耦合,更難以支撐地理綜合推理計算,導致當下地理系統綜合仍難以有新突破.——論文作者：閭國年1,4,5,周成虎2,4,林琿3,陳旻1,4,5*,樂松山1,4,5,溫永寧1,4,5
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