地理科學的體系

馬藹乃

地理科學的體系

馬藹乃

本文是在“香山科學會議（324次，378次）”的兩次報告中提煉出來的關于地理科學的體系，包括地理哲學、理論地理科學、地理信息科學與地理系統工程，以及前科學的部分。地理科學在錢學森的科學思想中占有極為重要的地位，隨著研究的深入，越來越清楚，地理科學與建筑科學共同構成生態文明建設與可持續發展的基礎。

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

圖1 錢學森科學技術體系（1996）

圖2 開放的、復雜巨系統

圖3 社會主義總體設計部

由此可知，在錢學森科學思想中，地理科學占有極為重要的地位。我們在研究地理學向現代地理科學發展的過程中，歷經半個世紀，居然研究成果與錢學森的科學思想不謀而合，殊途同歸。

一、地理科學體系

地理學是一門古老的學科，自從有人類以來，地理學伴隨著人類社會的發展而發展。在史前社會的地理，稱為第四紀古地理；在歷史社會時期的地理，稱為歷史地理；地理學發展至今，在科學化的進程中，成為現代地理科學。這里研究的實際上是現代的地理科學。1996年我們發表了“論地理科學的發展”，首次建立了地理科學的體系。見圖4。

圖4 地理科學的體系

這篇論文中的地理科學體系得到了錢學森的贊同[錢學森。1996年1月18日致馬藹乃，錢學森書信選（下卷）。北京：國防工業出版社，2008]，并提出增加基礎設施。我們的研究是從地理信息科學入手的，地理野外觀測學增加了遙感技術（RS）；地理的定位測量學增加了全球定位系統（GPS）；地理實驗學可以用虛擬現實技術（VR）；地理計量學可以用數據收集系統（DCS）；整體上可以用地理信息科學（GIS）來組合。在突破了技術科學層面之后，整個地理科學體系就建立起來了。地理科學在現代科學技術體系的科學層次上就是理論地理科學、地理信息科學和地理系統工程三個亞層。

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

地理現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，因此部門地理科學也是基礎理論；地球表面是分區域的，例如亞洲、歐洲、北美洲、南美洲、非洲、大洋洲、南極洲等，因此研究區域地理科學的規律也是必要的。

在技術科學層次上，研究的技術方法是隨著生產力的發展，而變化的。當前最主要的是信息技術科學的應用。因此地理科學在技術科學層次上，就是地理信息科學。如果下一個階段是以生物技術為主導的高密集產業（NBIC或者NBIN）為主要發展的生產力，那么將會出現地理NBIC科學或者地理NBIN科學。就是說，技術科學是隨著社會生產力發展變化而變化的。

地理系統工程是一個開放的、復雜巨系統，既然是開放的，所以也是可以發展的，不是一成不變的，我們在研究地理系統工程時，沒有考慮建筑系統工程，因此實際上將許多建筑系統工程也概括進去了。經過378次香山科學會議，打算將地理系統工程與建筑系統工程之間有一個分工，凡是與人工環境有關的人工科學方面的內容，將從地理系統工程中請出來，歸入建筑系統工程。地理系統工程僅僅保留其應有的位置。

按照錢學森的科學技術體系來說，還有與馬克思主義哲學聯通的地理哲學的哲學層次。在未進入科學層次之前，還有前科學的地理知識的層次。

此外，地理科學與建筑科學、自然科學、數學科學、系統科學、社會科學、軍事科學、思維科學、行為科學、人體科學、美學藝術、虛擬科學等也都有聯系。見圖5。

圖5 地理科學與現代科學技術體系各科學門類之間的關系

二、地理科學的層次結構

地理科學當然也是受馬克思主義哲學指導的，但是地理科學研究自身特有的矛盾，因此分地理哲學、理論地理科學、地理信息科學、地理系統工程和前科學的地理知識五大部分。

（1）地理哲學

地理哲學主要研究“人地關系”，或者說是“人與地之間的矛盾”。自從有人類以來，經歷了農業社會的“地理環境決定論”，工業社會的“人定勝天”，與信息社會的“可持續發展”三個階段。實際上，都是研究“人與地之間的矛盾”。

（2）理論地理科學

理論地理科學主要研究“地理區域差異”，“地理相似理論”，“地理數學模型”，“開放的、復雜巨系統”的復雜性理論，“地理思維中的抽象、形象與意象”，“天地人同源”等理論問題，以及部門地理科學與區域地理科學。

（3）地理信息科學

地理信息科學主要研究“天地人機信息一體化網絡系統”。見圖6。

圖6 天地人機信息一體化網絡系統

1996年，我曾將研究過程中的“4S4R”（4-System：遙感信息系統、地理信息系統、數據收集系統、全球定位系統；4-Remote：遙感、遙測、遙控、遙信）系統寄給錢老，錢學森一看就認為是一個“開放的、復雜巨系統”[錢學森。1996年6月19日致馬藹乃，錢學森書信選（下卷）。北京：國防工業出版社，2008]。正是這個開放的復雜巨系統，填補了系統科學中技術科學層次上的實例。

（4）地理系統工程

地理系統工程與建筑系統工程共同構建了錢學森社會主義總體設計部中的地理建設，為生態文明與可持續發展奠定了物質基礎，見圖7，圖8。

圖7 社會（軍事）系統工程與地理（建筑）系統工程

圖8 地理系統工程與建筑系統工程

1986-1996期間，錢學森將建筑科學歸入地理科學，1996年，由于考慮到建筑科學的人為性，特別是與藝術美學有關聯，因此將城鎮建設、園林建設、山水城市、城市規劃等從地理科學中提出來。社會是以人為本的，地理系統工程是以人口的需求為基礎的；人口是居住在城鄉居民點的；城鄉內部與外部的聯系依靠基礎設施，如交通、電網、上下水道、互聯網、物聯網等；基礎設施、人民的生產、生活都與產業結構密切相關的；各種產業都需要開發資源；在開發資源的過程中，必定帶來環境問題與生態問題；人類生活在地球表面，人類受到的最大危害是自然災害。因此無論是城鎮還是區域，都是需要地理系統工程的，地理系統工程與建筑系統工程共同構成地理建設，共同為生態文明建設服務。

（5）地理知識

普通自然地理學，實際上有點像自然哲學，我們將它歸結為前科學是比較合適的。地理學大部分內容屬于前科學，只有具有從定性到定量的地理數學的地理科學，才成為真正的科學。

三、地理科學與現代科學技術體系

地理科學與現代科學技術體系中各個門類的科學關系都是比較密切的，現在的認識，可能是不完全的，但是已經可以看出有許多的聯系。

（1）地理科學與自然科學

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

（2）地理科學與建筑科學

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

（3）地理科學與系統科學

系統科學在基礎科學層次上的復雜性科學，研究開放的、復雜巨系統，地理科學在理論地理科學中研究復雜性理論，“現代科學技術體系”是基礎理論層次上的典型實例，其中包含地理科學；系統科學在技術科學層次上有控制論、信息論、博弈論、運籌學、人工智能，地理科學在技術科學層次上的“天地人機信息一體化網絡系統”是典型的開放復雜巨系統，與系統科學共集；系統科學在工程技術層次上的系統工程，典型實例是“社會主義總體設計部”，其中有“地理建設”，具體到地理科學的技術工程層次上，就是地理系統工程。因此地理科學與系統科學關系密切，相得益彰。

（4）地理科學與數學科學

錢學森將“定性與定量結合”，改為“從定性到定量綜合集成”，實在是真知灼見。我們在研究“地理數學”的過程中深有體會，不是我們要“標新立異”，數學還要分“物理數學”與“地理數學”嗎？實際上兩者確實不同，如果所有的科學門類，都能從自身的規律出發，從定性到定量研究新的數學方法，數學也將有巨大的發展。

（5）地理科學與社會科學

地理系統與社會系統是互為環境的，見圖2，當然地理系統與星系系統也是互為環境的。從地理科學的角度來看，當前的地理科學與社會科學的關系，實際上，錢學森提出的社會主義建設的總體設計部與地理科學中的人地系統工程是一回事，見圖9。地理系統工程嚴絲密縫地與社會系統工程對接。見圖7。

圖9 人地系統工程與社會主義建設的總體設計部

（6）地理科學與軍事科學

軍事科學與社會科學是相對的，平時為社會科學，戰時則為軍事科學了。地理科學與軍事科學的密切性還表現在“天地人機信息一體化網絡系統”平時“民用”，戰時“軍用”，當前的局部信息戰爭，是需要應用“天地人機信息一體化網絡系統”的。至于軍事系統工程比社會系統工程更為復雜的，在于“武器系統”中的“人－機關系”問題。

（7）地理科學與人體科學

地理科學與人體科學之間的關系，主要表現在基礎科學方面的“天地人同源”問題與工程技術層次的“生態醫學”方面的問題。人類如果不能與自然相適應，早就被淘汰了。中西醫的結合主要是西醫的還原方法與中醫的整體方法相結合，將人體系統放在環境（包括自然環境、人工環境與社會環境）中來考察身心的健康，所以稱為“生態醫學”。

（8）地理科學與行為科學

地理科學自身無所謂“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、學者、專家的行為。無論是地理的科學研究、著書立說、地理教育、地理野外工作、遙感地理工作、地理實驗工作等等，所有的行為都是為了認識地理現象、發現地理規律，屬于認識世界的方面。我們無法“創造規律”，然而，建筑科學（或者人工科學）卻是改造世界的手段。改造世界，就有創造性的勞動在其中。所以地理科學必須與建筑科學聯合起來，才能既認識世界，又改造世界。

（9）地理科學與思維科學

地理思維有其優越的條件，特別是數字遙感影像，既有“數”又有“圖”從而可以既有抽象思維（數字，好比是代數），又有形象思維（圖像，好比是幾何），在兩者的結合的基礎上達到“意象思維”（創造性思維，好比是解析幾何），如果再加上“頓悟與靈感”，那么發現與創見是順理成章的，地理數學就是在遙感信息模型的基礎上發展而來。

（10）地理科學與文藝美學

地理學的發展史是從文科發展到理科的，中國古代2500年前的“詩經”，有“風”、“雅”、“頌”三部分組成。其中的“風”是“土風”與“風謠”，采集了“十五國風”，可以看成是“原始地理學”的表現。在西方國家，至今地理學安排在文學院（Arts），我國是學習原蘇聯，在大學理科設立地理學，直到現今，中學生的地理課，歸文科，考大學地理系，按照理科標準，這種不協調仍然沒有解決。人文地理確實是屬于文科的，一般地理工作者在野外有素描與攝影的習慣，現在更有野外“遙感、遙測、遙控、遙訊”，使用計算機聯網實時傳輸實景的能力，因此文學美學對于地理工作者來說是一種必要的修養。中國國家地理雜志，經常發表各地的優秀攝影，既是地理景觀，又是藝術作品。

（11）地理科學與虛擬科學

虛擬科學是非常新的科學，主要是對“實科學”而言的。研究人工環境與自然環境的協調發展，需要用虛擬現實（Virtual Reality）技術研究虛擬地理環境。虛擬科學的哲學層次主要研究“虛實矛盾”的虛擬論，基礎科學的理論上沒有累積的成果，技術科學已經相當成熟，工程技術的應用也已經有許多成效。因此“創建虛擬學”是迫在眉睫的。目前還要進行更多的實踐，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境信息系統