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1.钱学森现代科学思想中的地理科学本书在学习与研究钱学森科学思想的基础上，从地理科学切入，尽可能地进行“独立”研究，希望从地理科学的视角也能够达到整个科学技术体系的程度，能够为开放的复杂巨系统的现代科学技术体系添砖加瓦，进一步发展现代科学技术体系。

探讨地理科学与现代科学技术体系中的联系。

如图1所示为现代科学技术体系中的地理科学。

图1 现代科学技术体系在“论地理科学的发展”一文中，提出了地理科学的学科体系。

如图2所示。

图2 地理科学的三个层次按系统的复杂程度排序，认为研究人脑系统最复杂，其次是人体系统，再次是社会系统，然后是地理系统和星系系统。

研究地理系统的是比较复杂的地理科学，地理科学介于自然科学与社会科学之间，是桥梁科学。

如图3所示图3 按系统的复杂度排序现代科学技术体系与中国古文化的整体论也是有关联的。

比如地理科学对应的是建筑建筑科学，两者共同构成一个太极。

地理科学用于发现规律，属于阳，建筑科学主要是人为的创造性科学，属于阴。

同样地，自然科学与虚拟科学构成一个太极，虚拟科学是人工在计算机内建立的科学。

对开放的复杂巨系统的研究，地理系统是初级懂得复杂巨系统，复杂度是比较低的开放的复杂巨系统。

由于地理科学中研究了虚拟环境，应用了虚拟技术，根据虚拟技术强劲的发展趋势，增加虚拟科学作为第12个门类。

由地理系统工程和社会系统工程构成的人地系统工程实际上是社会主义总体设计部。

地理建设与物质文明、政治文明、精神文明一起构成社会主义总体设计部。

如图4所示。

图4 社会主义建设总体设计部地理建设实际上是需要地理系统工程与建筑系统工程共同完成的。

从地理科学的角度来看，地理环境发展到工业化的阶段，成为自然环境与人工环境两个环境了，而且人工环境成为重要的环境组成部分。

如图5所示。

图5 社会主义总体设计部与人地系统工程从地理科学的角度来看，社会主义总体设计部，实际上是地理科学中研究的人地系统。

人地系统工程包括地理系统工程与社会系统工程两部分。

地理环境又分为自然环境与人工环境两部分，因此地理建设实际上是由地理系统工程与建筑系统工程共同组成的。

地理科学将人地关系发展为人地系统，在工程层次上，进一步发展成为人地系统工程。

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；人口是分布在城乡居民点上的，城镇内部与城镇之间的联系都是靠基础设施完成的；基础设施、人民的生产和生活都与产业结构密切相关；各种城镇建设、基础设施建设和产业的生产，无不需要开发资源，地球上的资源是有限的所以要注意保护与节省；开发资源必定会引发环境问题与生态问题，因此环境保护、生态保护成为资源开发过程中必须同时考虑的问题；人类生活在地球表面，受到的最大危害是自然灾害，随着人类社会在地球表面上占有的面积越来越大，深度开发越来越频繁，自然灾害带来的损失也随之增加。

地理系统工程是一个整体，往往是牵一发而动全身。

航天技术与计算机技术的应用研究，使得地理科学获得了长足的进步。

天地人机信息一体化网络系统遥感卫星系统、遥测卫星系统、定位卫星系统、通信卫星系统、对地观测信息系统、人地信息系统等组成。

信息论、控制论、博弈论、运筹学、人工智能等在天地人机信息一体化网络系统中已经用上了。

研究开放的复杂巨系统，钱学森提出要用综合集成研讨厅的方法，而且一定是建立在计算机网络基础之上的。

2.地理科学与建筑科学我们通过地理科学来认识世界，通过建筑科学来改造世界。

建筑科学是从地理科学中分离出来的，两者关系密切。

进入到工业社会以后，地理环境分自然环境与人工环境两部分。

然而，工业化的过程中地球表面的人工改造痕迹将成为主要的环境。

人工环境主要包括城镇系统、生态系统、交通系统、通信系统、产业系统等。

从地理科学的视角来看，地理系统中的人工环境与建筑系统的人居环境是交集，当今的人工环境以城市与区域来说已经构成开放的复杂巨系统。

三个产业的发展是构筑人工环境的原动力。

建筑一方面依靠科学技术，另一方面又反映文化艺术。

随着社会生产力的进步，产业的门类增加，从第一产业、第二产业、第三产业、第四产业等的发展，建筑的水平也随之提高。

人类创造的人工环境也越来越复杂。

我们将所有的人工作用构成的环境，称之为人工环境，包括农业、人工牧场、人造林、沙产业等。

人工环境用人工科学来研究是顺利成章的，如图6所示。

地理科学中的人工科学与建筑科学是有区别的，地理科学中的人工科学涉及面更加广泛，不仅限于园林、城市与山水城市。

我们将建筑科学的内容扩展成地理科学对人工科学理解的内容，保留建筑科学的名称。

地理科学、人工—建筑科学的关系如图7所示。

图7 地理科学、人工-建筑科学的关系从地理科学的角度来分析建筑科学的技术层次，实际上就是天地人机信息一体化网络系统在建筑科学领域中的作用。

地理系统工程主要是在规划管理层面上的，建筑科学却是在规划指导下，具体实施工程建设的。

因此，从地理科学的角度来看建筑系统工程，就是在改造世界的具体实施。

建筑系统工程，分宏观建筑系统工程和微观建筑系统工程。

在地理系统工程与社会系统工程条件下进行宏观人工—建筑系统工程的设计。

微观人工—建筑系统工程主要是人居建筑系统与人居环境中的社区山水林苑的建设。

人工—建筑系统工程如图8所示。

图8 人工-建筑系统工程从地理科学的角度看，地理系统中的人工环境与建筑系统中的人居环境是交集；天地人机信息一体化网络系统是共用的；地理系统工程与建筑系统工程共同构成生态文明的地理建设。

3.系统科学与地理系统系统科学贯穿于所有的科学之中，由于地理科学研究地理系统，当然也是不可能离开系统科学的。

地理科学得益于现代高度发展的航天技术与计算机技术。

在高新技术的支持下，地理学得以发展成为地理科学，与从系统科学的视角看到的地理科学就不谋而合了。

地理科学的体系可以分为理论地理科学系统、地理信息系统、地理系统工程系统。

理论地理科学系统，包括部门地理科学与区域地理科学两部分。

地理信息科学中的天地人机信息一体化网络系统，实际上已经包含了信息论、控制论、运筹学、博弈论、人工智能等内容。

在系统工程的层次上，地理科学就是地理系统工程。

地理系统工程顶层包括8个子系统，每个子系统下还有深度不等的子系统。

系统科学的层次分为系统哲学、理论系统科学、技术系统科学、工程技术。

系统科学在基础科学层次上的实例是现代科学技术体系，在工程技术的层次上的实例是社会主义总体设计部，在技术科学的层次上的实例是地理科学中的天地人机信息一体化的网络系统。

从地理科学的角度来看，总体设计部实际上是人地系统工程，地理系统工程正好是社会系统工程的系统环境。

系统科学对任何一个门类都起作用，地理科学是与任何一个门类都有关联的，两者之间虽然学科差别很大，但是内在联系很多。

如表1所示。

表1系统科学与地理科学的比较由表1可知，地理科学中的天地人机信息一体化网络系统、地理数学、人地系统工程、数字图像一体化条件都是实际和可操作的。

这在一定程度上补充了系统科学，为系统科学提供了实际可操作的实例。

天地人机信息一体化网络系统，曾经扩展到建筑系统工程、经济系统工程、社会系统工程、人体系统工程、军事系统工程、教育系统工程等方面。

天地人机信息一体化网络系统实际上是从地理科学的实际出发，发现了数学科学，系统科学与信息科学在技术科学层次上的交集。

4.地理数学与数学科学数学科学的体系是十分庞大的，参照钱学森对科学分层的思路，分别是数学哲学、基础数学、应用数学与计算数学4个层次。

从地理学与地理科学的实际出发，研究分析在地理学界运用数学的过程；从定性与定量相结合，到从定性到定量综合集成，再到地理数学的提出，以及关于数学科学的发展等问题。

如下图所示地理学中一些简单的问题常用初等数学解决；水量平衡的问题用到高等数学；一些随机性问题常常使用近代数学中的概率论与数理统计；现代数学出现的新方法地理学界也会尝试使用。

那么，单一地使用类比逻辑的方法，也是有局限性的。

定性与定量结合，实际上是对其用一种已经成熟的数学方法去类比、去逼近。

单一使用类比逻辑的方法，也有局限性。

所以提出从定性的地理现象出发建立一种适合定量描述地理现象的数学，即定性到定量的综合集成。

从定性到定量，再回到定性的思路，建立适合地理现象自身规律的数学方法。

地理现象是复杂性的现象，研究地理现象时用到演绎逻辑的物理方程，归纳逻辑的数理统计，类比逻辑的相似准则来构建地理信息复杂模型。

这种模型已经不仅仅是形式逻辑的计算，而是集非线性与线性、确定性与各种不确定性、数据与图像、抽象思维与形象思维为一体的辩证逻辑的计算。

我们经常用图文并茂地描述方法来研究地理现像，但当研究天地人机信息一体化的时候，定性问题定量化是无法回避的。

在地理科学中采用了将定性问题指标化，然后对指标进行分等定级，等级数字化，数量级不同的数字归一化，对归一化数据进行编码存入数据库。

从地理数学形成的过程，清楚地看到一门学科转变为科学，必须有学科自身从定性到定量综合集成的数学。

在定量的基础上再回到定性，此时的定性比出发时的定性应该具有更高层次的定性认识。

因此，定性和定量的关系，是认识过程的一个描述，循环往复，永远如此。

地理科学是复杂性科学，需要用复杂性数学。

社会科学是特别复杂的科学，思维科学，人体科学是更加不清楚的学问，显然现有的数学是不能解决问题的，必须发展新的数学。

所以对于11个门类都是需要发展其各自数学的，只有建立各自科学领域的数学模型，才能成为现代科学。

5.地理科学与社会科学地理科学与社会科学的关系，从地理科学的角度来认识就是研究人地系统。

地理科学是自然科学与社会科学之间的桥梁科学，自然科学与社会科学当然是地理科学的基础，但对于社会科学来说，脱离不了地理环境，因此地理科学反过来又是社会科学的基础。

人类社会与地理环境的关系有一个发展的过程。

从地理科学的角度来看是人地系统工程，从系统科学的角度来看，就是社会主义建设总体设计部。

在五大开放的复杂巨系统中，地理系统排在星系系统与社会系统之间；在社会总体设计部下，将地理建设与政治文明、物质文明、精神文明建设并列。

社会科学用科学的方法，来研究人类社会的各种现象及其发展规律。

地理系统与社会系统是互为环境的系统。

地理系统是开放的发展巨系统，社会系统也是开放的复杂巨系统，两者之间又构成人地系统，必须引进复杂度的概念才能判复杂性的程度。

社会科学研究事理，但是一定也是可以从定性到定量综合集成研究的。

地理科学中的人口、产值、信息、各种比例、个数、质量、时间、空间等，肯定都是可以用到社会系统工程中去的。

从社会科学的哲学层次、基础科学层次、科学技术层次、技术工程层次上进行划分，从社会系统工程中的总体设计部来进行区分，可以得到如图9的框架。

图9 社会科学体系在当前信息社会来临的时代，地理信息系统与社会信息系统几乎相当，地理信息科学中的天地人机社会信息一体化网络系统同样可以用到社会信息科学技术中来。