摘要地理系统是一个复杂巨系统,地理综合研究是整体性认知与理解地理系统的重要途径.随着地理学的发展演进,地理综合成为新时期地理学创新与突破的根本任务;发展地理综合的理论方法,成为防止地理学空心化,建立地理学核心理论的重要途径.然而,传统地理综合方法多采用“先分后综”的思路,导致“易分难综”,地理综合方法体系亟待进一步探索.本文总结了现有地理综合相关研究及方法,分析了阻碍地理综合研究方法发展的根结所在,提出了发展基于地理模态的地理综合研究方法新构想.地理模态作为地理系统规律性认知的描述形式与表达机制,是比地理要素与地理过程更高层次的抽象载体;以多层次地理模态的有机聚合、有序迭代形成地理系统的整体性、系统性认知,有望指导后期地理系统的综合研究与模型重构.基于地理模态的地理综合研究方法将试图打通片段地理认知到综合地理认知的双向通道,构建地理数据到地理规律再到综合地理认知的模型方法,推动地理综合研究在理论和方法上的协同演进,促进地理综合研究的发展.
关键词地理综合,地理模态,地理规律,地理分析,地理建模
区域性和综合性是地理学两大重要特征;地理区域研究与地理综合研究是地理学研究的两个主要方向.地理区域性研究关注于“定位”,针对地球表层某个特定区域,界定研究对象的范围与边界,观察分析其自然和人文现象,探索其空间特征及异质性.地理综合性研究立足于地理系统“共生共长”的本质特征,将地球表层或特定地理系统作为统一整体,对其组成要素及其空间结构、演化过程与相互作用机理开展系统性研究.通常情况下,区域性研究主要聚焦于某一地理系统空间特征及其内部差异特性的挖掘,而综合性研究既要兼顾地理系统、子系统内要素之间的生物、物理、化学作用及机制,又要挖掘系统、子系统之间的关联与影响,从而形成具备整体性、全局性的地理认知.
20世纪60年代,国内外学者普遍开始关注地理学综合性研究,试图发展从定性到定量集成研究方法;李春芬[1]的“地域综合体分析”,吴传钧[2]、陆大道[3]的“人地关系地域系统”,,黄秉维[4]的“综合与分析方法”,郑度和傅小锋[5]的“自然地理综合区划”,无不体现与渗透了地理综合研究的思想与追求.然而,随着地理学各部门研究的纵深发展,面向特定区域内单要素、单过程、单系统的表达与分析已明显走向成熟,但由于地理系统及其要素的复杂性、时空过程的交互性、作用边界的模糊性等特性,地理综合研究的发展始终显得“心有余而力不足”.21世纪初,国内诸多地理学家开始重新审视与思考新时代地理学的发展方向[6~8],普遍认为开展多要素、多过程、多系统的综合性探索理所当然成为地理学尚未完成且亟须突破的根本性任务[9~12].
从方法论的角度,地理综合研究方法主要经历了4个发展阶段:(1)20世纪80年代以前,面向自然环境分界、土地利用分类、农业生产分区等客观需求,地理综合研究主要借助自上而下区划手段,对地理综合体的组成要素与属性进行定性描述;(2)20世纪80年代之后,随着GIS等空间信息技术的发展,空间叠置分析、要素聚类分析等手段被应用于地理综合,支持对地理综合体组成要素及其数据的定性与定量描述;(3)2000年以来,当地理学研究不再满足于静态格局描述,而愈加关注于“格局-过程-相互作用”的多层面解释时,基于机理过程的陆表模型得到了快速发展,并被广泛应用于地理综合研究,为地理综合体的数理模型表达提供了途径;(4)2010年以来,随着大数据时代的来临,地理大数据分析方法逐渐被应用于地理综合体各种要素格局及其内外关系的表达.可以看到,技术进步对地理综合研究方法的发展起到了推动作用,以综合、定量视角对人地系统开展理解的主导性思想逐渐明晰[13],对地理系统要素、格局、演化过程进行一致性探索的研究范式也浮出水面[14],但地理综合研究方法的不足依旧明显:无论是“自顶而下”的系统分解,还是“自底而上”的要素综合,都始于个性化研究对地理系统的理解与认知,缺乏共同的认知基础以支持研究结果的统领与进阶综合;此外,研究方法的体系性有待建立、兼容性有待探索、实用性也有待提升[15,16].
为了促进地理综合研究的进一步发展,本文总结、归纳了地理综合研究的相关方法,分析了当前地理综合研究方法存在的问题,提出了基于地理模态的地理综合研究新构想,试图推动地理综合研究在理论和方法上的协同演进,提升地理信息科学对地理综合研究的支撑效能.
1地理综合研究相关方法现状分析
地理系统是地理综合研究的主体,其主要是指在地理学研究视角下,地理环境中各种自然与人文要素共同构成的统一整体.在客观地理规律的制约下,地理系统内的各种要素相互作用,不断进行着物质、能量和信息交换.当下,地理系统已经成为地理学研究的主体,而系统科学也已经成为地理系统研究的重要范式[4].基于系统论、信息论、控制论等现代科学理论,地理系统的特征性认知逐渐形成:一个开放、非平衡的系统,系统内各要素间存在复杂的线性/非线性相互作用[17,18].近年来,以地球系统集成框架(EMF)、未来地球(FutureEarth)、国际地圈生物圈计划(IGBP)、联合国可持续发展(SDGs)、地球关键带为代表的集成模拟研究得到快速发展,这既反映了地理系统的综合性和复杂性的本质特征,也体现了地理综合研究的时代性需求.
地理认知是地理综合研究的主要目的,地理分析与地理综合是地理综合研究“指臂相使”的两个重要组成部分[4],因此本文拟从地理认知方法、地理分析方法及地理综合方法三方面进行阐述:
1.1地理认知方法
地理认知方法是理解地理系统的基本途径.地理认知涉及人类感知、记忆、推理等众多方面[19,20].面向地理系统的认知,不同领域针对其研究对象,形成了不同的认知体系.例如,面向土壤体系的认知,形成了以发生学分类等方法支持的土壤分类认知体系[21,22];面向水文系统认知,出现了基于河流价值等因素的水文分类认知体系[23,24];面向固体地球系统认知,出现了以年代地质、岩石地质为因素的分类认知体系[25].虽然各领域对地理系统认知体系各不相同,但主要关注于要素类别、空间格局[26]、演化过程[27,28]等方面的认知.随着数据采集能力的加强,地理系统认知的研究更加强调从各个层次、各个领域综合理解地理系统及地球表层过程发生的机理;但是由于地理系统的复杂性,国内外学者对地理系统的综合性认知探索还处于起步阶段[29].
在众多地理认知方法中,归纳法和演绎法是使用最为广泛的科学研究方法[30].从信息科学的角度来看,地理系统认知中的归纳法贯穿了从地理信息获取、抽象、转换到地理系统表达与分析的全过程[31].目前,归纳法已经在各部门领域对地理系统的研究中得到广泛应用,涉及气象学、地质学、经济地理、人文地理等各个方向[32~34].但是由于缺乏对内在机理与关联的深入挖掘,事实和假设之间往往存在逻辑缺陷,导致归纳不全、归类不清.演绎法的思维过程是由总体到局部、由概念到事实、由总括到观察,从而开展必然性推理.气候学在理论和方法上一直沿着演绎的方向发展,地貌学和地质学则在沿着归纳方向发展的基础上,逐步以演绎法作为系统方法的重要补充[35].在实际应用中,归纳和演绎在地理系统认知中都起着重要的作用,相互依赖、相互渗透,并在一定条件下可以相互转换.
地理抽象是地理认知的基础环节[36].地理系统认知的信息化辅助手段经历了从传统地图、计算机辅助图形图像、GIS,到现在的虚拟环境系统的变化,其背后实质体现了地理系统抽象与组织方法的发展[37].可以认为,地理系统抽象与组织方法经历了地图数据模型、空间数据模型、时空数据模型以及地理场景模型的发展[38].由于地图是地理系统认知结果的最直观抽象表达形式和载体,所以传统地理系统与抽象表达往往从地图制图的视角出发,将地理系统抽象为连续的“场”、离散的“对象”或“场”与“对象”统一描述的“对象场”[39]、“地理原子”[40]或“通用场”[41],试图描述地理现象个体在位置、几何、专题属性等方面的特性以及它们之间的空间关系[42].为了描述地理系统的动态变化特性,在场模型和对象模型的基础上增加时间特性描述,以表达地理特征在位置、几何和属性上的变化轨迹,出现了一系列时空数据模型[43~45].然而地理系统抽象方式基本都是针对单一类型地理要素的时空过程,尚难以刻画地理系统中多要素、多过程复杂作用所表现的地理系统演变规律.况且,不同类型的抽象方式往往侧重地理要素的时空变化,存在着描述以及表达方法上的差异,难以在一个整体框架下,对地理格局、演化过程以及相互作用机理进行一致性描述.
面向地理系统的认知,其内容与方法都相对明晰,要充分借助归纳法“自下而上”与演绎法“自上而下”的深度融合,兼顾“局部”与“整体”特征对地理系统进行探索与研究,不仅要能感知其现象,而且要能明晰其机理.然而,现有的地理系统认知手段还有待改进.现有的地理系统认知研究,多关注于对地理系统结构内某些节点上要素与过程的理解,缺乏对地理系统框架性结构及统筹性规律的挖掘,导致对地理系统的整体性认知缺失,特别是借助现有地理信息技术开展地理系统认知时,在抽象时往往“重个体、轻全局”、“重空间信息获取、轻地理规律发现”,从而阻碍了对地理系统全面、整体的认知.
1.2地理分析方法
为了对地理系统开展深入了解,揭示数据以外的隐含信息,面向不同部门领域,出现了多样的地理系统分析方法[46].(1)面向水文系统分析,基于代数学方法,研究关注于描述水文过程机理的模型开发[47,48],数值分析方法成为水文过程模拟和分析的主要手段[49~52].(2)面向土壤系统分析,为了充分认识土壤的形成、演变和发展过程,需要对土壤进行定量化描述[53].因此,土壤学家使用时间序列方法和模式定量分析方法,研究土壤发生和演变;基于地统计学、模糊数学和机器学习的土壤分析方法,对土壤信息进行分析[53~60].(3)面向大气系统分析,为了进行气候变化的模拟与预测,相关学者基于能量守恒、动量守恒等基本物理学方程,建立了气候系统模式[61~65].此外,为了分析空气质量和气象状况,基于代数方法模拟了空气污染物扩散过程,利用人工智能方法实现对空气质量和气象的预测[66~69].(4)面向生态系统分析,空间统计方法被看成是生态领域重要的分析方法[70~72].例如,为了分析物种分布、生物多样性、种群或群落之间的相互作用关系,许多概率模型被引入到生态研究之中,如贝叶斯网络、泊松回归模型、马尔科夫链等[71,73].此外,还可以将空间关联分析方法、空间插值方法、空间聚类分析方法和地图代数等方法,应用于生态分析、野生动物保护、生态恢复等方面[74~77].(5)面向人类活动及其系统分析,空间点模式方法、时空可视化方法、元胞自动机等方法被设计出来[78~80],对手机用户行为、城市道路状况、疾病分布、犯罪分布、社会经济变化等现象进行分析[81~87].
此外,地理数据获取技术的飞速发展,为地理系统认知和探索提供了海量地理数据,推动了地理大数据研究范式的兴起[88~90].但是,由于这些数据具有体量大、多源、异构、多维、动态等复杂特征,传统地理系统分析方法难以用于地理大数据分析之中[91~93].因此,为了分析挖掘海量地理数据背后有价值的信息,诞生了地理大数据分析方法[94~96].该类方法多基于规则归纳、语义提取、空间关联等手段,对研究对象进行分类、提取和融合,再基于空间统计学、深度学习、模糊集、粗糙集等理论,探索地理系统数据间的相互关系[95,97,98].
可以看到,现有的地理系统分析方法在各个领域都有所建树.但是,由于研究领域之间的理论不同,以及研究对象的差异,不同领域的地理系统分析方法不尽相同,有的在原理上还差异甚大,“由表及里”的数据统计分析和“由里及表”的机理建模分析之间存在明显的隔阂,这些都导致了已有的很多方法难以直接集成应用于综合地理系统研究.借助地理大数据分析方法开展地理系统分析成为近来的趋势,但是数据的纷杂性、多样性导致难以在统一可操作框架下对地理系统的众多信息进行聚合,且相关分析方法多集中于对人类社会活动现象及问题等短时间过程现象的研究,缺乏对各种地理现象背后作用过程及机制的分析,因此大数据分析方法仍无法直接应用于地理系统形成及演化因果关系的解释.
相关期刊推荐：《科学通报》(旬刊),创刊于1950年，报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性和和高水平的、具有重要意义的最新研究成果，要求文章的可读性强，能在一个比较宽范的学术领域产生深刻的影响。
1.3地理综合方法
地理系统综合研究是对陆地表层地理现象与地理过程中各要素相互作用及人地关系的研究,可以帮助对地球的过去、现在和未来有更进一步认知[99].20世纪60年代,黄秉维[100]就提出综合是地理学生存之本.综合性是地理学最高层次的科学难点问题,而自然要素(包括水资源、矿产资源、生态环境等)和人文要素(包括信息、科技、体制创新等)都是地理学综合的要素[9,101].陆地表层的地理现象与地理过程均是多个地理要素共同作用的结果,所以地理学综合性研究核心任务之一是理解不同尺度之间地理要素的相互作用及在空间上表现出来的整体特征[14].地理学的综合研究可以分为4个研究阶段[15],分别为:(1)对自然和人文要素进行区域内罗列;(2)基于GIS将特定区域内环境要素进行空间叠加,表达空间上多要素之间的叠加关系和综合特征;(3)考虑特定区域多个核心要素的相互作用;(4)基于复杂性的区域系统综合研究.
在传统地理系统综合研究中,自然地理和人文地理的研究方法都自成体系.在自然地理系统研究过程中,主要关注于对自然地理过程综合和陆地表层系统集成,相关研究也在从自然-自然向自然-人文方向,及从单要素、单过程向多要素、多过程耦合方向发展[102,103].目前,自然地理系统综合分析方法被诸多领域所重视,主要应用于自然区划[104,105]、区域自然地理[106]和土地系统[107]等方面.由于人文要素的复杂性、边界模糊性及地球表层人居环境急剧变化等因素,人文地理系统综合性研究也日益凸显[108].尤其是综合区划研究,需要充分考虑人文要素的地域分异性和相似性[109].而寻求人地系统综合分析方法,则更是地理学持续发展的动力所在[110,111].
当下,地理信息科学的发展,为地理综合研究提供了现代化分析工具.在地理综合研究中,地理信息科学已经贯穿各个环节[14].一方面,相关的数据分析方法,例如空间聚类、神经网络、随机森林等算法为特定主题的地理综合研究提供了支撑[112~115];另一方面,支撑特定地理系统过程模拟的集成建模与模拟方法也逐渐成为地理综合的一种途径[116~120],出现了一些综合人文过程和自然过程的集成模型[121,122].
地理综合的总体变化特征是从“多元”走向“系统”,但随着地理综合的要素、过程越来越多,问题也越发复杂.目前,针对单要素、单过程变化趋势的研究较为成熟,面向简单系统综合也有较多成果;但涉及多过程、多系统的地理综合,其综合能力尚有所欠缺.现有的地理综合方法,缺乏统一的理论框架与计算载体,导致不同的地理综合研究及成果呈现“围墙式”发展,各种综合标准难以互相兼容,不同综合方法难以耦合,更难以支撑地理综合推理计算,导致当下地理系统综合仍难以有新突破.——论文作者：闾国年1,4,5,周成虎2,4,林珲3,陈旻1,4,5*,乐松山1,4,5,温永宁1,4,5
