數(shù)量地理學(xué)及其在地理信息時代的發(fā)展

李龍 陳龍乾 趙建林 李媛媛 李翌晗

（1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院 江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)國土資源研究所 江蘇徐州 221008）

數(shù)量地理學(xué)及其在地理信息時代的發(fā)展

李龍1，2陳龍乾1，2趙建林1，2李媛媛1，2李翌晗1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院 江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)國土資源研究所 江蘇徐州 221008）

數(shù)量地理學(xué)將數(shù)量方法引入了地理學(xué)研究，革新了地理學(xué)的傳統(tǒng)研究方法。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，數(shù)量地理學(xué)研究的內(nèi)容與應(yīng)用的領(lǐng)域不斷地擴展。在地理信息時代，數(shù)量地理學(xué)將會以地理信息系統(tǒng)、遙感、非線性科學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)與理論的支持下，不斷地發(fā)展與完善。

數(shù)量地理學(xué)（計量地理學(xué)）；數(shù)量方法；地理信息系統(tǒng)；遙感；非線性科學(xué)

1.引言

近代地理學(xué)的學(xué)派之爭引來了現(xiàn)代地理學(xué)發(fā)展史上轟轟烈烈的數(shù)量革命，而數(shù)量革命也最終產(chǎn)生了一門新的地理學(xué)分支——數(shù)量地理學(xué)。數(shù)量地理學(xué)（也稱為“計量地理學(xué)”）是應(yīng)用數(shù)學(xué)方法與理論研究地理學(xué)方法論的地理學(xué)分支，其運用統(tǒng)計推理、數(shù)學(xué)分析、數(shù)學(xué)程序和數(shù)學(xué)模擬等數(shù)學(xué)工具以及計算機技術(shù)，分析自然地理和人文地理的各種要素，以獲取有關(guān)地理現(xiàn)象的結(jié)論與規(guī)律[1]。地理學(xué)中的數(shù)量方法革新了地理學(xué)的方法論，使地理學(xué)進一步準(zhǔn)確化、科學(xué)化。地理學(xué)過去發(fā)展緩慢，在很大程度上是由于長期地停留描述地理現(xiàn)象階段。沒有用數(shù)值表達地理要素，沒有建立解決問題的數(shù)學(xué)模型，地理學(xué)就不能處理海量的地理數(shù)據(jù)，更不能從復(fù)雜的地理現(xiàn)象中提取出有用的規(guī)律。數(shù)量方法的應(yīng)用不僅是對傳統(tǒng)地理方法的補充與發(fā)展，也是地理方法論上質(zhì)的飛躍。

19世紀(jì)40年代以來，以計算機技術(shù)高速發(fā)展為特征的信息革命標(biāo)志著信息時代的開始，而隨后計算機技術(shù)與數(shù)量革命的有機結(jié)合為人類開啟了一個新的信息時代——地理信息時代。在地理信息時代，地理信息系統(tǒng)、遙感等地理信息技術(shù)幾乎滲透到人們的日常生活的各個方面，并悄悄地改變了人類的生產(chǎn)、生活甚至思維方式。與此同時，數(shù)量地理學(xué)也把握機遇并成功地地理信息時代與地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)與非線性科學(xué)相互影響，迎來了它新的發(fā)展。

2.數(shù)量地理學(xué)與地理信息技術(shù)、理論

2.1 數(shù)量地理學(xué)與地理信息系統(tǒng)。GIS（Geographic Information System）是在計算機硬軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、模擬、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[2]。GIS的形成和發(fā)展使地學(xué)的研究方法產(chǎn)生了革命性的變革，它將傳統(tǒng)的手工方式進行的單一的、靜態(tài)的定性描述為主的分析方法推進到半自動化的多時相、多數(shù)據(jù)源、時空結(jié)合、定性與定量相結(jié)合的綜合技術(shù)手段，提供了利用地理空間先進的信息工具，促進了地理學(xué)向地理信息學(xué)發(fā)展[3]。數(shù)量地理學(xué)中的數(shù)學(xué)方法只有與GIS技術(shù)相結(jié)合，才能不斷提高其應(yīng)用層次與水平，不斷擴展其應(yīng)用領(lǐng)域。而GIS也只有與數(shù)學(xué)方法（尤其是數(shù)量地理學(xué)中的數(shù)量方法）結(jié)合才能夠在GIS建立各種模型來解決復(fù)雜的地理問題。

2.1.1 提供海量數(shù)據(jù)。GIS是一個集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與一身的技術(shù)系統(tǒng)，并且通過基于Internet的WebGIS能夠發(fā)布、分享、交換各種地理數(shù)據(jù)解決了數(shù)量地理學(xué)數(shù)據(jù)來源問題，同時GIS擁有的強勁的計算方法與計算機程序使數(shù)量地理學(xué)得計算能力有了本質(zhì)上的飛躍。

2.1.2 空間分析功能?？臻g分析是GIS的核心功能，是基于空間對象的屬性、分布、形態(tài)及其空間關(guān)系調(diào)整的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)。數(shù)量地理學(xué)的主要任務(wù)便是分析地理要素的空間分布、構(gòu)成及其行為，GIS的定量的空間分析功能很好的滿足了數(shù)量地理學(xué)的這一要求，并使得數(shù)量地理學(xué)的分析更加具有說服力。

2.1.3 建立數(shù)學(xué)模型。GIS的各種空間分析模型具有分析、模擬、仿真、預(yù)測、規(guī)劃、決策、調(diào)控等強大功能，可用以解決一系列復(fù)雜的地理問題；這與數(shù)量地理學(xué)通過數(shù)學(xué)方法建立模型解決問題的要求是一致的，而且都是利用數(shù)學(xué)方法來建立空間分析模型。GIS與數(shù)量地理學(xué)在建模方面可以相輔相成，共同促進。

2.2 數(shù)量地理學(xué)與遙感技術(shù)。遙感是不接觸物體本身，從遠處通過儀器（傳感器）探測和接受來自目標(biāo)物體的信息，經(jīng)過信息傳輸、加工處理及分析介意，識別物體和現(xiàn)象的屬性及其空間分布等特征與變化規(guī)律的理論與技術(shù)[4]，具有周期短、速度快、獲取信息量豐富的特點。遙感是隨著空間技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)等高新技術(shù)迅速發(fā)展以及地學(xué)、資源、環(huán)境等學(xué)科發(fā)展發(fā)展的需要，形成的一門交叉科學(xué)技術(shù)，是地理信息時代最重要的組成部分之一。數(shù)量地理學(xué)與遙感技術(shù)作為現(xiàn)代地理學(xué)中兩個重要的組成部分，兩者也有著密切的聯(lián)系。

2.2.1 研究目的。從遙感的定義可知，遙感的目的是識別地理對象的屬性及其空間分布特征與變化規(guī)律，具體來說是地理對象的大小、形狀及空間分布特點、屬性特點、變化動態(tài)特點。而數(shù)量地理學(xué)的出現(xiàn)就是為打破區(qū)域?qū)W派的觀點，其目的就是通過數(shù)量方法來建立地理模型并以此提取出包含在復(fù)雜的地理現(xiàn)象中的地理規(guī)律。遙感的各種特點也更好的為數(shù)量地理學(xué)挖掘地理規(guī)律服務(wù)。

2.2.2 區(qū)域研究。遙感可以宏觀觀測，大范圍獲取數(shù)據(jù)資料，一幅TM圖像，其覆蓋面積可達三萬多平方公里，這為數(shù)量地理學(xué)在地球資源與環(huán)境的區(qū)域性研究提供重要的數(shù)據(jù)源。此外，遙感還可以動態(tài)監(jiān)測，快速更新監(jiān)控范圍數(shù)據(jù)，即通過不同時相對同一地區(qū)進行遙感觀測，提取和動態(tài)分析變化信息，滿足了數(shù)量地理學(xué)對同一地理要素進行地理過程變化的研究。遙感大范圍、不同時相獲取數(shù)據(jù)為數(shù)量地理學(xué)進行區(qū)域研究提供可能性，這是其他技術(shù)所不能比擬的。

2.3.3 數(shù)學(xué)方法。遙感技術(shù)應(yīng)用的前提是從遙感圖像中提取出有效的遙感信息。遙感信息提取主要包括遙感圖像預(yù)處理與遙感圖像分類，這里面涉及到眾多的數(shù)量方法。遙感圖像預(yù)處理中，無論是幾何校正、輻射校正還是圖像增強、變換等，都需要建立變換函數(shù)（數(shù)學(xué)模型），確定相應(yīng)的參數(shù)才能夠進行下一步的實際操作。而遙感圖像分類，不論是傳統(tǒng)的監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類還是新的決策樹分類、面向?qū)ο蠓诸?、神?jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都引入了許多的數(shù)學(xué)方法與理論，如距離判決函數(shù)、聚類分析技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)。在數(shù)量地理學(xué)中，這也是常見的數(shù)學(xué)方法，兩者可以相互借鑒。

2.3 數(shù)量地理學(xué)與分形地理。地理學(xué)的研究對象是地球表層，而地球表層是集成自然環(huán)境與人類社會的一個開放、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)之間的組成存在非線性的相互作用。非平衡性、非線性、多尺度、突變性、隨機性、自組織性、自相似性等特性正是復(fù)雜系統(tǒng)的特點，也是非線性科學(xué)研究的焦點。非線性科學(xué)是研究非線性現(xiàn)象共同規(guī)律的交叉學(xué)科，一般包括孤立波，混沌，分形三個內(nèi)容。分形理論是數(shù)量革命之后孕育并發(fā)展起來的，其創(chuàng)始人是法國數(shù)學(xué)家 Mandelbrot。分形地理開辟了地理研究的新方向。它作為一種新的數(shù)量方法，也溝通了傳統(tǒng)地理的景觀研究、生態(tài)研究和區(qū)域研究等分支[5]。分形地理作為一種地理研究方法，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于自然地理（南京師范大學(xué)朱曉華博士）與人文地理（北京大學(xué)陳彥光博士）的研究當(dāng)中。

3.數(shù)量地理學(xué)在地理信息時代的發(fā)展

數(shù)量地理學(xué)發(fā)展初期主要是運用一般的統(tǒng)計分析方法，對地理要素進行定量分析；但隨著地理學(xué)研究中逐步使用計算機，并把多元分析、隨機過程引入研究領(lǐng)域；現(xiàn)代化的空間信息技術(shù)以及非線性科學(xué)等系統(tǒng)理論的推廣，數(shù)量地理學(xué)現(xiàn)在又處于一個新的突破邊緣，其發(fā)展趨勢可歸納為以下幾點。

3.1 數(shù)量地理學(xué)與生產(chǎn)實踐進一步緊密結(jié)合。生產(chǎn)發(fā)展的實際需要以及新技術(shù)的應(yīng)用使得地理學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了一系列的巨大變化，地理學(xué)不再僅僅“紙上談兵”，只注重理論研究，而是研究與回答生產(chǎn)中遇到的問題，將理論研究取得的成果轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力，為生產(chǎn)實踐服務(wù)。Satapathy等[6]在印度中部某地區(qū)地表水中金屬的空間分布及其可信源的研究中，利用克里金差值方法估計不同金屬的空間分布，運用主成分分析方法建立金屬污染的空間模式與GIS環(huán)境下的區(qū)域地質(zhì)的相關(guān)性。Sehnaz Sener等[7]利用GIS的空間分析功能，并利用層次分析法確定眾多因子權(quán)重，研究土耳其某盆地固體垃圾處理廠的選址問題。

3.2 數(shù)量地理學(xué)迅速向全新的地理計算學(xué)發(fā)展。20世紀(jì)90年代，地理學(xué)研究方法的一個重要進展便是地理計算學(xué)（GeoComputation）的出現(xiàn)，它應(yīng)用計算方法與技術(shù)求解復(fù)雜的地理問題。第一屆地理計算國際會議便于 1996年在英國利茲大學(xué)舉行，至今已舉辦過10次[8]。地理計算可被概括為三個組成部分：地理數(shù)據(jù)、現(xiàn)代計算技術(shù)以及高性能的計算機硬件[9]。地理計算的產(chǎn)生對于地理學(xué)發(fā)展的影響不亞于GIS的出現(xiàn)，其發(fā)展源流之一是數(shù)量地理學(xué)，因此有學(xué)者指出地理計算將是未來定量地理學(xué)的一種發(fā)展趨勢[10]。地理計算雖然現(xiàn)在發(fā)展不成熟，但已經(jīng)在空間相互作用、人口與人群、城市演變動力學(xué)等研究領(lǐng)域取得了一些成果[11]。可以肯定的是地理計算學(xué)的發(fā)展將會為地理學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用工作提供更為強大的數(shù)理分析工具。

3.3 分形地理將革新數(shù)量地理學(xué)。1976年，在莫斯科舉行的第23屆國際地理學(xué)大會解散了CQMG，在一定程度上不得不說這是數(shù)量地理發(fā)展史上的遺憾。隨著分形理論的發(fā)展，許多學(xué)者開始了地理學(xué)的分形研究，有學(xué)者認為這是數(shù)量運動的失敗[4]。但分形地理研究提取相關(guān)的地理信息，分析地理分形系統(tǒng)，建立分形模型，測算分形維數(shù)，因此分形地理學(xué)本質(zhì)上也是一種量化研究，是一種更具有實質(zhì)意義的地理學(xué)數(shù)量運動。大量的地理現(xiàn)象與地理理論告訴我們，地理研究實質(zhì)上就是進行地球表層的分形研究，地理學(xué)因此可被視為關(guān)于地理分形研究的科學(xué)。自然世界與人類社會都是充滿分形體的復(fù)雜、非線性系統(tǒng)，利用分形理論有助于我們探索其中的地理規(guī)律，解決好資源、環(huán)境與人口問題。因此，無論是學(xué)科發(fā)展，還是社會需求，地理分形研究將革新數(shù)量地理學(xué)，很有可能成為未來地理學(xué)的主流方向之一。

4.總結(jié)

數(shù)量地理學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展對于整個地理學(xué)科產(chǎn)生了巨大的影響，它讓地理學(xué)實現(xiàn)了由單純的理論化向數(shù)量化的轉(zhuǎn)變，它以嚴(yán)密的邏輯和明確的數(shù)學(xué)模型描述復(fù)雜的地理問題，傳遞豐富的地理思想。雖然在其發(fā)展的過程中，遇到過質(zhì)疑與挫折，但是對于數(shù)量地理學(xué)本身需要給予一個客觀公正的評價，不能走向兩個極端——極力支持或全盤否定。

地理信息時代也是一個不斷發(fā)展的過程。隨著 Google Earth、MSN Virtual Earth、下一代互聯(lián)網(wǎng)、Web2.0、網(wǎng)格計算和云計算技術(shù)的出現(xiàn)，一個新的地理信息時代悄然而來[12]。但是數(shù)量地理學(xué)作為地理學(xué)中的一種方法論，并不會因此而銷聲匿跡，它反而會不斷地發(fā)展或以新的面孔出現(xiàn)在新的地理信息時代里——這也是每一位數(shù)量地理工作者共同面對的問題，必須承擔(dān)的責(zé)任。只有主動思考、積極應(yīng)對這一時代變化，才可以將數(shù)量地理學(xué)這一學(xué)科更好地發(fā)展下去。

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Quantitative Geography and Its Development in Geo-information Age

Quantitative Geography introduced quantitative methods into geographical research and renovated the traditional research methods of geography.Over half century of development has broadly expanded its research extents and application fields. Quantitative geography will continually advance and improved with support of modern technologies and theories such as geographic information system，remote sensing and nonlinear science in geo-information age.

Quantitative geography; Quantitative Methods; Geographic Information System; Remote Sensing; Nonlinear Science

李龍（1986-），男，湖南瀏陽人，中國礦業(yè)大學(xué)自然地理學(xué)碩士，研究方向：遙感與GIS應(yīng)用。陳龍乾（1964-），男，江蘇阜寧人，中國礦業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：國土開發(fā)與整治、土地規(guī)劃與利用、遙感與GIS應(yīng)用、不動產(chǎn)經(jīng)濟與政策。

2010-10-16