地理科学的体系

马蔼乃

地理科学的体系

马蔼乃

本文是在“香山科学会议（324次，378次）”的两次报告中提炼出来的关于地理科学的体系，包括地理哲学、理论地理科学、地理信息科学与地理系统工程，以及前科学的部分。地理科学在钱学森的科学思想中占有极为重要的地位，随着研究的深入，越来越清楚，地理科学与建筑科学共同构成生态文明建设与可持续发展的基础。

在钱学森研究的科学技术体系11个门类中，有地理科学（1986），见图1；在开放的、复杂巨系统中有地理系统，见图2；在社会主义的总体设计部中有地理建设[钱学森等著。论系统工程。上海：上海交通大学出版社，2007]，见图3；钱学森与合作者们共同写过14篇有关地理科学方面的论文[钱学森等著。论地理科学。杭州：浙江教育出版社，1994]。

图1 钱学森科学技术体系（1996）

图2 开放的、复杂巨系统

图3 社会主义总体设计部

由此可知，在钱学森科学思想中，地理科学占有极为重要的地位。我们在研究地理学向现代地理科学发展的过程中，历经半个世纪，居然研究成果与钱学森的科学思想不谋而合，殊途同归。

一、地理科学体系

地理学是一门古老的学科，自从有人类以来，地理学伴随着人类社会的发展而发展。在史前社会的地理，称为第四纪古地理；在历史社会时期的地理，称为历史地理；地理学发展至今，在科学化的进程中，成为现代地理科学。这里研究的实际上是现代的地理科学。1996年我们发表了“论地理科学的发展”，首次建立了地理科学的体系。见图4。

图4 地理科学的体系

这篇论文中的地理科学体系得到了钱学森的赞同[钱学森。1996年1月18日致马蔼乃，钱学森书信选（下卷）。北京：国防工业出版社，2008]，并提出增加基础设施。我们的研究是从地理信息科学入手的，地理野外观测学增加了遥感技术（RS）；地理的定位测量学增加了全球定位系统（GPS）；地理实验学可以用虚拟现实技术（VR）；地理计量学可以用数据收集系统（DCS）；整体上可以用地理信息科学（GIS）来组合。在突破了技术科学层面之后，整个地理科学体系就建立起来了。地理科学在现代科学技术体系的科学层次上就是理论地理科学、地理信息科学和地理系统工程三个亚层。

理论地理科学，按照钱学森在基础理论部分常用“x x学”，例如系统学、思维学、人体学、行为学等等，如果用“地理学”就会与古老的地理学相混淆，因此直接用“理论地理科学”来代表基础理论部分。在基础理论中，“地理相似理论”与“区域（差异）理论”是最为重要的。相似理论解决可以比较的问题，区域理论实际上是“地理场论”，两者结合为地理数学模型。

地理现象中有许多的要素组成，例如大气圈、水圈、生物圈、土圈、岩石圈等，因此部门地理科学也是基础理论；地球表面是分区域的，例如亚洲、欧洲、北美洲、南美洲、非洲、大洋洲、南极洲等，因此研究区域地理科学的规律也是必要的。

在技术科学层次上，研究的技术方法是随着生产力的发展，而变化的。当前最主要的是信息技术科学的应用。因此地理科学在技术科学层次上，就是地理信息科学。如果下一个阶段是以生物技术为主导的高密集产业（NBIC或者NBIN）为主要发展的生产力，那么将会出现地理NBIC科学或者地理NBIN科学。就是说，技术科学是随着社会生产力发展变化而变化的。

地理系统工程是一个开放的、复杂巨系统，既然是开放的，所以也是可以发展的，不是一成不变的，我们在研究地理系统工程时，没有考虑建筑系统工程，因此实际上将许多建筑系统工程也概括进去了。经过378次香山科学会议，打算将地理系统工程与建筑系统工程之间有一个分工，凡是与人工环境有关的人工科学方面的内容，将从地理系统工程中请出来，归入建筑系统工程。地理系统工程仅仅保留其应有的位置。

按照钱学森的科学技术体系来说，还有与马克思主义哲学联通的地理哲学的哲学层次。在未进入科学层次之前，还有前科学的地理知识的层次。

此外，地理科学与建筑科学、自然科学、数学科学、系统科学、社会科学、军事科学、思维科学、行为科学、人体科学、美学艺术、虚拟科学等也都有联系。见图5。

图5 地理科学与现代科学技术体系各科学门类之间的关系

二、地理科学的层次结构

地理科学当然也是受马克思主义哲学指导的，但是地理科学研究自身特有的矛盾，因此分地理哲学、理论地理科学、地理信息科学、地理系统工程和前科学的地理知识五大部分。

（1）地理哲学

地理哲学主要研究“人地关系”，或者说是“人与地之间的矛盾”。自从有人类以来，经历了农业社会的“地理环境决定论”，工业社会的“人定胜天”，与信息社会的“可持续发展”三个阶段。实际上，都是研究“人与地之间的矛盾”。

（2）理论地理科学

理论地理科学主要研究“地理区域差异”，“地理相似理论”，“地理数学模型”，“开放的、复杂巨系统”的复杂性理论，“地理思维中的抽象、形象与意象”，“天地人同源”等理论问题，以及部门地理科学与区域地理科学。

（3）地理信息科学

地理信息科学主要研究“天地人机信息一体化网络系统”。见图6。

图6 天地人机信息一体化网络系统

1996年，我曾将研究过程中的“4S4R”（4-System：遥感信息系统、地理信息系统、数据收集系统、全球定位系统；4-Remote：遥感、遥测、遥控、遥信）系统寄给钱老，钱学森一看就认为是一个“开放的、复杂巨系统”[钱学森。1996年6月19日致马蔼乃，钱学森书信选（下卷）。北京：国防工业出版社，2008]。正是这个开放的复杂巨系统，填补了系统科学中技术科学层次上的实例。

（4）地理系统工程

地理系统工程与建筑系统工程共同构建了钱学森社会主义总体设计部中的地理建设，为生态文明与可持续发展奠定了物质基础，见图7，图8。

图7 社会（军事）系统工程与地理（建筑）系统工程

图8 地理系统工程与建筑系统工程

1986-1996期间，钱学森将建筑科学归入地理科学，1996年，由于考虑到建筑科学的人为性，特别是与艺术美学有关联，因此将城镇建设、园林建设、山水城市、城市规划等从地理科学中提出来。社会是以人为本的，地理系统工程是以人口的需求为基础的；人口是居住在城乡居民点的；城乡内部与外部的联系依靠基础设施，如交通、电网、上下水道、互联网、物联网等；基础设施、人民的生产、生活都与产业结构密切相关的；各种产业都需要开发资源；在开发资源的过程中，必定带来环境问题与生态问题；人类生活在地球表面，人类受到的最大危害是自然灾害。因此无论是城镇还是区域，都是需要地理系统工程的，地理系统工程与建筑系统工程共同构成地理建设，共同为生态文明建设服务。

（5）地理知识

普通自然地理学，实际上有点像自然哲学，我们将它归结为前科学是比较合适的。地理学大部分内容属于前科学，只有具有从定性到定量的地理数学的地理科学，才成为真正的科学。

三、地理科学与现代科学技术体系

地理科学与现代科学技术体系中各个门类的科学关系都是比较密切的，现在的认识，可能是不完全的，但是已经可以看出有许多的联系。

（1）地理科学与自然科学

自然科学中的“理科”是地理科学的基础，物理、化学、生物、地学、天文都是研究地理科学中自然环境的基础。自然科学中的“工科”是建筑科学的基础，或者说是人工科学的基础，地理科学中的人工环境需要人工科学做基础。

（2）地理科学与建筑科学

建筑科学，更为确切地说是“人工科学”，研究地理科学中的人工环境必定用建筑科学。建筑系统工程与地理系统工程是有交集的。见图7。

（3）地理科学与系统科学

系统科学在基础科学层次上的复杂性科学，研究开放的、复杂巨系统，地理科学在理论地理科学中研究复杂性理论，“现代科学技术体系”是基础理论层次上的典型实例，其中包含地理科学；系统科学在技术科学层次上有控制论、信息论、博弈论、运筹学、人工智能，地理科学在技术科学层次上的“天地人机信息一体化网络系统”是典型的开放复杂巨系统，与系统科学共集；系统科学在工程技术层次上的系统工程，典型实例是“社会主义总体设计部”，其中有“地理建设”，具体到地理科学的技术工程层次上，就是地理系统工程。因此地理科学与系统科学关系密切，相得益彰。

（4）地理科学与数学科学

钱学森将“定性与定量结合”，改为“从定性到定量综合集成”，实在是真知灼见。我们在研究“地理数学”的过程中深有体会，不是我们要“标新立异”，数学还要分“物理数学”与“地理数学”吗？实际上两者确实不同，如果所有的科学门类，都能从自身的规律出发，从定性到定量研究新的数学方法，数学也将有巨大的发展。

（5）地理科学与社会科学

地理系统与社会系统是互为环境的，见图2，当然地理系统与星系系统也是互为环境的。从地理科学的角度来看，当前的地理科学与社会科学的关系，实际上，钱学森提出的社会主义建设的总体设计部与地理科学中的人地系统工程是一回事，见图9。地理系统工程严丝密缝地与社会系统工程对接。见图7。

图9 人地系统工程与社会主义建设的总体设计部

（6）地理科学与军事科学

军事科学与社会科学是相对的，平时为社会科学，战时则为军事科学了。地理科学与军事科学的密切性还表现在“天地人机信息一体化网络系统”平时“民用”，战时“军用”，当前的局部信息战争，是需要应用“天地人机信息一体化网络系统”的。至于军事系统工程比社会系统工程更为复杂的，在于“武器系统”中的“人－机关系”问题。

（7）地理科学与人体科学

地理科学与人体科学之间的关系，主要表现在基础科学方面的“天地人同源”问题与工程技术层次的“生态医学”方面的问题。人类如果不能与自然相适应，早就被淘汰了。中西医的结合主要是西医的还原方法与中医的整体方法相结合，将人体系统放在环境（包括自然环境、人工环境与社会环境）中来考察身心的健康，所以称为“生态医学”。

（8）地理科学与行为科学

地理科学自身无所谓“行为”，我们理解的行为是“人的行为”，那么主要就是地理工作者、学者、专家的行为。无论是地理的科学研究、著书立说、地理教育、地理野外工作、遥感地理工作、地理实验工作等等，所有的行为都是为了认识地理现象、发现地理规律，属于认识世界的方面。我们无法“创造规律”，然而，建筑科学（或者人工科学）却是改造世界的手段。改造世界，就有创造性的劳动在其中。所以地理科学必须与建筑科学联合起来，才能既认识世界，又改造世界。

（9）地理科学与思维科学

地理思维有其优越的条件，特别是数字遥感影像，既有“数”又有“图”从而可以既有抽象思维（数字，好比是代数），又有形象思维（图像，好比是几何），在两者的结合的基础上达到“意象思维”（创造性思维，好比是解析几何），如果再加上“顿悟与灵感”，那么发现与创见是顺理成章的，地理数学就是在遥感信息模型的基础上发展而来。

（10）地理科学与文艺美学

地理学的发展史是从文科发展到理科的，中国古代2500年前的“诗经”，有“风”、“雅”、“颂”三部分组成。其中的“风”是“土风”与“风谣”，采集了“十五国风”，可以看成是“原始地理学”的表现。在西方国家，至今地理学安排在文学院（Arts），我国是学习原苏联，在大学理科设立地理学，直到现今，中学生的地理课，归文科，考大学地理系，按照理科标准，这种不协调仍然没有解决。人文地理确实是属于文科的，一般地理工作者在野外有素描与摄影的习惯，现在更有野外“遥感、遥测、遥控、遥讯”，使用计算机联网实时传输实景的能力，因此文学美学对于地理工作者来说是一种必要的修养。中国国家地理杂志，经常发表各地的优秀摄影，既是地理景观，又是艺术作品。

（11）地理科学与虚拟科学

虚拟科学是非常新的科学，主要是对“实科学”而言的。研究人工环境与自然环境的协调发展，需要用虚拟现实（Virtual Reality）技术研究虚拟地理环境。虚拟科学的哲学层次主要研究“虚实矛盾”的虚拟论，基础科学的理论上没有累积的成果，技术科学已经相当成熟，工程技术的应用也已经有许多成效。因此“创建虚拟学”是迫在眉睫的。目前还要进行更多的实践，才能在理论上有所提高。见图10。

图10 地理综合集成研讨厅中的虚拟环境信息系统