地理科學(xué)的體系

馬藹乃

地理科學(xué)的體系

馬藹乃

本文是在“香山科學(xué)會議（324次，378次）”的兩次報告中提煉出來的關(guān)于地理科學(xué)的體系，包括地理哲學(xué)、理論地理科學(xué)、地理信息科學(xué)與地理系統(tǒng)工程，以及前科學(xué)的部分。地理科學(xué)在錢學(xué)森的科學(xué)思想中占有極為重要的地位，隨著研究的深入，越來越清楚，地理科學(xué)與建筑科學(xué)共同構(gòu)成生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

在錢學(xué)森研究的科學(xué)技術(shù)體系11個門類中，有地理科學(xué)（1986），見圖1；在開放的、復(fù)雜巨系統(tǒng)中有地理系統(tǒng)，見圖2；在社會主義的總體設(shè)計部中有地理建設(shè)[錢學(xué)森等著。論系統(tǒng)工程。上海：上海交通大學(xué)出版社，2007]，見圖3；錢學(xué)森與合作者們共同寫過14篇有關(guān)地理科學(xué)方面的論文[錢學(xué)森等著。論地理科學(xué)。杭州：浙江教育出版社，1994]。

圖1 錢學(xué)森科學(xué)技術(shù)體系（1996）

圖2 開放的、復(fù)雜巨系統(tǒng)

圖3 社會主義總體設(shè)計部

由此可知，在錢學(xué)森科學(xué)思想中，地理科學(xué)占有極為重要的地位。我們在研究地理學(xué)向現(xiàn)代地理科學(xué)發(fā)展的過程中，歷經(jīng)半個世紀(jì)，居然研究成果與錢學(xué)森的科學(xué)思想不謀而合，殊途同歸。

一、地理科學(xué)體系

地理學(xué)是一門古老的學(xué)科，自從有人類以來，地理學(xué)伴隨著人類社會的發(fā)展而發(fā)展。在史前社會的地理，稱為第四紀(jì)古地理；在歷史社會時期的地理，稱為歷史地理；地理學(xué)發(fā)展至今，在科學(xué)化的進(jìn)程中，成為現(xiàn)代地理科學(xué)。這里研究的實(shí)際上是現(xiàn)代的地理科學(xué)。1996年我們發(fā)表了“論地理科學(xué)的發(fā)展”，首次建立了地理科學(xué)的體系。見圖4。

圖4 地理科學(xué)的體系

這篇論文中的地理科學(xué)體系得到了錢學(xué)森的贊同[錢學(xué)森。1996年1月18日致馬藹乃，錢學(xué)森書信選（下卷）。北京：國防工業(yè)出版社，2008]，并提出增加基礎(chǔ)設(shè)施。我們的研究是從地理信息科學(xué)入手的，地理野外觀測學(xué)增加了遙感技術(shù)（RS）；地理的定位測量學(xué)增加了全球定位系統(tǒng)（GPS）；地理實(shí)驗(yàn)學(xué)可以用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）；地理計量學(xué)可以用數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（DCS）；整體上可以用地理信息科學(xué)（GIS）來組合。在突破了技術(shù)科學(xué)層面之后，整個地理科學(xué)體系就建立起來了。地理科學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系的科學(xué)層次上就是理論地理科學(xué)、地理信息科學(xué)和地理系統(tǒng)工程三個亞層。

理論地理科學(xué)，按照錢學(xué)森在基礎(chǔ)理論部分常用“x x學(xué)”，例如系統(tǒng)學(xué)、思維學(xué)、人體學(xué)、行為學(xué)等等，如果用“地理學(xué)”就會與古老的地理學(xué)相混淆，因此直接用“理論地理科學(xué)”來代表基礎(chǔ)理論部分。在基礎(chǔ)理論中，“地理相似理論”與“區(qū)域（差異）理論”是最為重要的。相似理論解決可以比較的問題，區(qū)域理論實(shí)際上是“地理場論”，兩者結(jié)合為地理數(shù)學(xué)模型。

地理現(xiàn)象中有許多的要素組成，例如大氣圈、水圈、生物圈、土圈、巖石圈等，因此部門地理科學(xué)也是基礎(chǔ)理論；地球表面是分區(qū)域的，例如亞洲、歐洲、北美洲、南美洲、非洲、大洋洲、南極洲等，因此研究區(qū)域地理科學(xué)的規(guī)律也是必要的。

在技術(shù)科學(xué)層次上，研究的技術(shù)方法是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，而變化的。當(dāng)前最主要的是信息技術(shù)科學(xué)的應(yīng)用。因此地理科學(xué)在技術(shù)科學(xué)層次上，就是地理信息科學(xué)。如果下一個階段是以生物技術(shù)為主導(dǎo)的高密集產(chǎn)業(yè)（NBIC或者NBIN）為主要發(fā)展的生產(chǎn)力，那么將會出現(xiàn)地理NBIC科學(xué)或者地理NBIN科學(xué)。就是說，技術(shù)科學(xué)是隨著社會生產(chǎn)力發(fā)展變化而變化的。

地理系統(tǒng)工程是一個開放的、復(fù)雜巨系統(tǒng)，既然是開放的，所以也是可以發(fā)展的，不是一成不變的，我們在研究地理系統(tǒng)工程時，沒有考慮建筑系統(tǒng)工程，因此實(shí)際上將許多建筑系統(tǒng)工程也概括進(jìn)去了。經(jīng)過378次香山科學(xué)會議，打算將地理系統(tǒng)工程與建筑系統(tǒng)工程之間有一個分工，凡是與人工環(huán)境有關(guān)的人工科學(xué)方面的內(nèi)容，將從地理系統(tǒng)工程中請出來，歸入建筑系統(tǒng)工程。地理系統(tǒng)工程僅僅保留其應(yīng)有的位置。

按照錢學(xué)森的科學(xué)技術(shù)體系來說，還有與馬克思主義哲學(xué)聯(lián)通的地理哲學(xué)的哲學(xué)層次。在未進(jìn)入科學(xué)層次之前，還有前科學(xué)的地理知識的層次。

此外，地理科學(xué)與建筑科學(xué)、自然科學(xué)、數(shù)學(xué)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、社會科學(xué)、軍事科學(xué)、思維科學(xué)、行為科學(xué)、人體科學(xué)、美學(xué)藝術(shù)、虛擬科學(xué)等也都有聯(lián)系。見圖5。

圖5 地理科學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系各科學(xué)門類之間的關(guān)系

二、地理科學(xué)的層次結(jié)構(gòu)

地理科學(xué)當(dāng)然也是受馬克思主義哲學(xué)指導(dǎo)的，但是地理科學(xué)研究自身特有的矛盾，因此分地理哲學(xué)、理論地理科學(xué)、地理信息科學(xué)、地理系統(tǒng)工程和前科學(xué)的地理知識五大部分。

（1）地理哲學(xué)

地理哲學(xué)主要研究“人地關(guān)系”，或者說是“人與地之間的矛盾”。自從有人類以來，經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)社會的“地理環(huán)境決定論”，工業(yè)社會的“人定勝天”，與信息社會的“可持續(xù)發(fā)展”三個階段。實(shí)際上，都是研究“人與地之間的矛盾”。

（2）理論地理科學(xué)

理論地理科學(xué)主要研究“地理區(qū)域差異”，“地理相似理論”，“地理數(shù)學(xué)模型”，“開放的、復(fù)雜巨系統(tǒng)”的復(fù)雜性理論，“地理思維中的抽象、形象與意象”，“天地人同源”等理論問題，以及部門地理科學(xué)與區(qū)域地理科學(xué)。

（3）地理信息科學(xué)

地理信息科學(xué)主要研究“天地人機(jī)信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”。見圖6。

圖6 天地人機(jī)信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1996年，我曾將研究過程中的“4S4R”（4-System：遙感信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)；4-Remote：遙感、遙測、遙控、遙信）系統(tǒng)寄給錢老，錢學(xué)森一看就認(rèn)為是一個“開放的、復(fù)雜巨系統(tǒng)”[錢學(xué)森。1996年6月19日致馬藹乃，錢學(xué)森書信選（下卷）。北京：國防工業(yè)出版社，2008]。正是這個開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，填補(bǔ)了系統(tǒng)科學(xué)中技術(shù)科學(xué)層次上的實(shí)例。

（4）地理系統(tǒng)工程

地理系統(tǒng)工程與建筑系統(tǒng)工程共同構(gòu)建了錢學(xué)森社會主義總體設(shè)計部中的地理建設(shè)，為生態(tài)文明與可持續(xù)發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，見圖7，圖8。

圖7 社會（軍事）系統(tǒng)工程與地理（建筑）系統(tǒng)工程

圖8 地理系統(tǒng)工程與建筑系統(tǒng)工程

1986-1996期間，錢學(xué)森將建筑科學(xué)歸入地理科學(xué)，1996年，由于考慮到建筑科學(xué)的人為性，特別是與藝術(shù)美學(xué)有關(guān)聯(lián)，因此將城鎮(zhèn)建設(shè)、園林建設(shè)、山水城市、城市規(guī)劃等從地理科學(xué)中提出來。社會是以人為本的，地理系統(tǒng)工程是以人口的需求為基礎(chǔ)的；人口是居住在城鄉(xiāng)居民點(diǎn)的；城鄉(xiāng)內(nèi)部與外部的聯(lián)系依靠基礎(chǔ)設(shè)施，如交通、電網(wǎng)、上下水道、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等；基礎(chǔ)設(shè)施、人民的生產(chǎn)、生活都與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的；各種產(chǎn)業(yè)都需要開發(fā)資源；在開發(fā)資源的過程中，必定帶來環(huán)境問題與生態(tài)問題；人類生活在地球表面，人類受到的最大危害是自然災(zāi)害。因此無論是城鎮(zhèn)還是區(qū)域，都是需要地理系統(tǒng)工程的，地理系統(tǒng)工程與建筑系統(tǒng)工程共同構(gòu)成地理建設(shè)，共同為生態(tài)文明建設(shè)服務(wù)。

（5）地理知識

普通自然地理學(xué)，實(shí)際上有點(diǎn)像自然哲學(xué)，我們將它歸結(jié)為前科學(xué)是比較合適的。地理學(xué)大部分內(nèi)容屬于前科學(xué)，只有具有從定性到定量的地理數(shù)學(xué)的地理科學(xué)，才成為真正的科學(xué)。

三、地理科學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系

地理科學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系中各個門類的科學(xué)關(guān)系都是比較密切的，現(xiàn)在的認(rèn)識，可能是不完全的，但是已經(jīng)可以看出有許多的聯(lián)系。

（1）地理科學(xué)與自然科學(xué)

自然科學(xué)中的“理科”是地理科學(xué)的基礎(chǔ)，物理、化學(xué)、生物、地學(xué)、天文都是研究地理科學(xué)中自然環(huán)境的基礎(chǔ)。自然科學(xué)中的“工科”是建筑科學(xué)的基礎(chǔ)，或者說是人工科學(xué)的基礎(chǔ)，地理科學(xué)中的人工環(huán)境需要人工科學(xué)做基礎(chǔ)。

（2）地理科學(xué)與建筑科學(xué)

建筑科學(xué)，更為確切地說是“人工科學(xué)”，研究地理科學(xué)中的人工環(huán)境必定用建筑科學(xué)。建筑系統(tǒng)工程與地理系統(tǒng)工程是有交集的。見圖7。

（3）地理科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)

系統(tǒng)科學(xué)在基礎(chǔ)科學(xué)層次上的復(fù)雜性科學(xué)，研究開放的、復(fù)雜巨系統(tǒng)，地理科學(xué)在理論地理科學(xué)中研究復(fù)雜性理論，“現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系”是基礎(chǔ)理論層次上的典型實(shí)例，其中包含地理科學(xué)；系統(tǒng)科學(xué)在技術(shù)科學(xué)層次上有控制論、信息論、博弈論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能，地理科學(xué)在技術(shù)科學(xué)層次上的“天地人機(jī)信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”是典型的開放復(fù)雜巨系統(tǒng)，與系統(tǒng)科學(xué)共集；系統(tǒng)科學(xué)在工程技術(shù)層次上的系統(tǒng)工程，典型實(shí)例是“社會主義總體設(shè)計部”，其中有“地理建設(shè)”，具體到地理科學(xué)的技術(shù)工程層次上，就是地理系統(tǒng)工程。因此地理科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)關(guān)系密切，相得益彰。

（4）地理科學(xué)與數(shù)學(xué)科學(xué)

錢學(xué)森將“定性與定量結(jié)合”，改為“從定性到定量綜合集成”，實(shí)在是真知灼見。我們在研究“地理數(shù)學(xué)”的過程中深有體會，不是我們要“標(biāo)新立異”，數(shù)學(xué)還要分“物理數(shù)學(xué)”與“地理數(shù)學(xué)”嗎？實(shí)際上兩者確實(shí)不同，如果所有的科學(xué)門類，都能從自身的規(guī)律出發(fā)，從定性到定量研究新的數(shù)學(xué)方法，數(shù)學(xué)也將有巨大的發(fā)展。

（5）地理科學(xué)與社會科學(xué)

地理系統(tǒng)與社會系統(tǒng)是互為環(huán)境的，見圖2，當(dāng)然地理系統(tǒng)與星系系統(tǒng)也是互為環(huán)境的。從地理科學(xué)的角度來看，當(dāng)前的地理科學(xué)與社會科學(xué)的關(guān)系，實(shí)際上，錢學(xué)森提出的社會主義建設(shè)的總體設(shè)計部與地理科學(xué)中的人地系統(tǒng)工程是一回事，見圖9。地理系統(tǒng)工程嚴(yán)絲密縫地與社會系統(tǒng)工程對接。見圖7。

圖9 人地系統(tǒng)工程與社會主義建設(shè)的總體設(shè)計部

（6）地理科學(xué)與軍事科學(xué)

軍事科學(xué)與社會科學(xué)是相對的，平時為社會科學(xué)，戰(zhàn)時則為軍事科學(xué)了。地理科學(xué)與軍事科學(xué)的密切性還表現(xiàn)在“天地人機(jī)信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”平時“民用”，戰(zhàn)時“軍用”，當(dāng)前的局部信息戰(zhàn)爭，是需要應(yīng)用“天地人機(jī)信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”的。至于軍事系統(tǒng)工程比社會系統(tǒng)工程更為復(fù)雜的，在于“武器系統(tǒng)”中的“人－機(jī)關(guān)系”問題。

（7）地理科學(xué)與人體科學(xué)

地理科學(xué)與人體科學(xué)之間的關(guān)系，主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)科學(xué)方面的“天地人同源”問題與工程技術(shù)層次的“生態(tài)醫(yī)學(xué)”方面的問題。人類如果不能與自然相適應(yīng)，早就被淘汰了。中西醫(yī)的結(jié)合主要是西醫(yī)的還原方法與中醫(yī)的整體方法相結(jié)合，將人體系統(tǒng)放在環(huán)境（包括自然環(huán)境、人工環(huán)境與社會環(huán)境）中來考察身心的健康，所以稱為“生態(tài)醫(yī)學(xué)”。

（8）地理科學(xué)與行為科學(xué)

地理科學(xué)自身無所謂“行為”，我們理解的行為是“人的行為”，那么主要就是地理工作者、學(xué)者、專家的行為。無論是地理的科學(xué)研究、著書立說、地理教育、地理野外工作、遙感地理工作、地理實(shí)驗(yàn)工作等等，所有的行為都是為了認(rèn)識地理現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)地理規(guī)律，屬于認(rèn)識世界的方面。我們無法“創(chuàng)造規(guī)律”，然而，建筑科學(xué)（或者人工科學(xué)）卻是改造世界的手段。改造世界，就有創(chuàng)造性的勞動在其中。所以地理科學(xué)必須與建筑科學(xué)聯(lián)合起來，才能既認(rèn)識世界，又改造世界。

（9）地理科學(xué)與思維科學(xué)

地理思維有其優(yōu)越的條件，特別是數(shù)字遙感影像，既有“數(shù)”又有“圖”從而可以既有抽象思維（數(shù)字，好比是代數(shù)），又有形象思維（圖像，好比是幾何），在兩者的結(jié)合的基礎(chǔ)上達(dá)到“意象思維”（創(chuàng)造性思維，好比是解析幾何），如果再加上“頓悟與靈感”，那么發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)見是順理成章的，地理數(shù)學(xué)就是在遙感信息模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。

（10）地理科學(xué)與文藝美學(xué)

地理學(xué)的發(fā)展史是從文科發(fā)展到理科的，中國古代2500年前的“詩經(jīng)”，有“風(fēng)”、“雅”、“頌”三部分組成。其中的“風(fēng)”是“土風(fēng)”與“風(fēng)謠”，采集了“十五國風(fēng)”，可以看成是“原始地理學(xué)”的表現(xiàn)。在西方國家，至今地理學(xué)安排在文學(xué)院（Arts），我國是學(xué)習(xí)原蘇聯(lián)，在大學(xué)理科設(shè)立地理學(xué)，直到現(xiàn)今，中學(xué)生的地理課，歸文科，考大學(xué)地理系，按照理科標(biāo)準(zhǔn)，這種不協(xié)調(diào)仍然沒有解決。人文地理確實(shí)是屬于文科的，一般地理工作者在野外有素描與攝影的習(xí)慣，現(xiàn)在更有野外“遙感、遙測、遙控、遙訊”，使用計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時傳輸實(shí)景的能力，因此文學(xué)美學(xué)對于地理工作者來說是一種必要的修養(yǎng)。中國國家地理雜志，經(jīng)常發(fā)表各地的優(yōu)秀攝影，既是地理景觀，又是藝術(shù)作品。

（11）地理科學(xué)與虛擬科學(xué)

虛擬科學(xué)是非常新的科學(xué)，主要是對“實(shí)科學(xué)”而言的。研究人工環(huán)境與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，需要用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)研究虛擬地理環(huán)境。虛擬科學(xué)的哲學(xué)層次主要研究“虛實(shí)矛盾”的虛擬論，基礎(chǔ)科學(xué)的理論上沒有累積的成果，技術(shù)科學(xué)已經(jīng)相當(dāng)成熟，工程技術(shù)的應(yīng)用也已經(jīng)有許多成效。因此“創(chuàng)建虛擬學(xué)”是迫在眉睫的。目前還要進(jìn)行更多的實(shí)踐，才能在理論上有所提高。見圖10。

圖10 地理綜合集成研討廳中的虛擬環(huán)境信息系統(tǒng)