地理科学与现代科学技术体系.docx

1、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。

2、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

3、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。社会主义建设总体设计部政治文明建设物质文明建设精神文明建设地理建设民主体制法制经济体质思想文明环境生态基建图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

4、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

5、，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

6、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

7、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。图6人工科学的组成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

8、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

9、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

10、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比较项目系统科学地理科学哲学思想局部与整体的对立统一人地的对立统一基础理论简单系统-复杂系统简单-复杂性科学信息技术包含信息技术天地人机信息一体化网络系统定性定量从定性到定量地理数学工程管理社会主义建设总体设计部人地系统工程认识地表地理科学发现地理规律改造地表建筑科学人工环境-人工科学跨学

11、科现代科学技术体系自然-社会-人文思维方式抽象与形象结合数字图像一体化由表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

12、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

13、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

14、，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

15、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

16、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。仅仅是目的、目标不同，科学技术体系是相同的。天地人机社会信息一体化网络系统分为对地观测子系统与社会信息子系统。人类社会是建设在地面上的，对地观测系统中的遥感观测系统主要是对地面的

17、地理地物的观测。以遥感为信息源建立的地理信息系统，对人类社会的生态系统与环境系统进行监测；以社会调查为主要信息源，建立社会信息系统；社会管理系统主要运用运筹学结合管理人员的智慧进行社会的管理；社会决策信息系统所用的博弈模型尚需要进一步研究和发展。总之，地理信息科学中的理论、方法、实践，在社会信息科学中都可以借鉴与应用。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，但是对于社会科学来说，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

18、总体设计部。在不同的社会历史阶段，地理环境发生了很大的变化，从单纯的自然环境演变为自然环境与人工环境并存，将来再演变为虚拟环境、人工环境、自然环境并存。可见地理系统的发展越来越随着社会系统的发展而发展了。在建设社会的同时也要进行地理建设。6.地理科学与军事科学两者都是自然科学与社会科学之间的桥梁科学。地理科学、建筑科学、社会科学与军事科学都是建立在系统科学基础上的。而且地理科学与建筑科学是军事科学的基础。在哲学层次上，军事哲学与系统论、地理哲学、建筑哲学有着密切的联系。系统哲学主要解决部分与整体的关系，地理科学主要解决人地关系，建筑科学主要解决人工环境与自然环境的关系。社会科学与军事科学研究生

19、产力与生产关系是力量与智慧的较量。理论层次上有系统学、理论地理学、理论建筑科学和理论军事科学。技术层次上是地理科学中的天地人机信息一体化网络系统已经有了一定的基础积累，社会科学与军事科学又是平时与战时的同一个问题，也使得天地人机信息一体化网络系统成为战时军用、平时民用的高新科技。工程层次上有系统工程、地理系统工程、建筑系统工程和军事系统工程。军事科学哲学层次上是军事哲学，理论层次上是理论军事科学，科学技术层次上是军事信息科学，技术工程层次上是军事系统工程。如图10所示。图10 军事科学体系兵者，诡道也。儒、道两家都是以得道为最高精神追求的。理论军事科学分战略与战术的理论，军事战略系统与社会系统

20、、地理系统、人工系统等有关。军事战术是一场局部的战斗在具体的战场上进行的实战，也与地理系统、人工工程系统、社会系统有关。军事信息科学与地理信息科学类似，需要参照天地人机信息一体化网络系统，建立军事天地人机信息一体化网络系统。军事天地人机信息一体化网络系统的技术，分军事对地观测信息系统与地面军事信息系统两部分。如图11和图12所示。图11 对地观测信息系统图12 地面军事信息系统地理科学研究地理系统。地理系统包括自然环境系统与人工环境系统，因此，军事地理科学分自然环境系统与人工环境系统两部分与军事科学的关系。地理科学与军事科学交叉的军事地理科学与传统的军事地理学，既有继承性的一面，又有许多不同的

21、地方。传统的军事地理，主要阐述自然环境与军事的关系，而军事地理科学，除了自然环境之外，人工环境、地理信息系统、地理系统工程等都会涉及军事科学。7.地理科学与人体科学地理科学研究人类生存的地球表层，人体科学研究生活在地球表层上的人类。从天人合一，人体与宇宙同源的角度来看，地理科学与人体科学确实是有联系的。人体科学的体系，按照哲学层次、理论层次、技术层次、应用层次划分如图13所示。图13人体科学体系人体是一个开放的复杂巨系统。人体的开放性与自然界中的电磁辐射关系密切。地理信息科学中的遥感技术主要研究电磁波与声波的图像，应用于地球表面与海底表面的探测，医学中的X射线、CT、核磁共振等应用于人体各部分

22、的探测。人体是复杂的、开放的、自组织的、自修复的、自再生的、精确的、高智能的系统。与自然系统、地理系统、社会系统相互作用。人体信息主要载于电磁波和声波上，人体能量来源主要是化学能与氧气燃烧葡萄糖产生热能的过程，构成人体的元素也是土圈、岩石圈提供的各种元素。由此可见，人体与地球上的大气圈、水圈、生物圈、土圈、岩石圈的同源问题。人体信息系统有两种含义，第一种是人体自然信息的演化，称为人体自然信息系统；第二种是将人体物质、能量、信息等属性输入计算机进行信息处理的研究，称为人体人工信息系统，现在也称为数字人体学。人体自然信息系统经历宇宙演化过程、生命演化过程、动物演化过程、人类演化过程、古代演化过程、

23、近代演化过程、现代演化过程、创造演化过程。人体人工信息系统是指用计算机处理人体信息。用计算机虚拟人体系统，建立中医数据库和西医数据库，对两者相同或相异的数据与知识都存储起来，进行更高层次的分析与综合。西医以实证科学为基础，主要是以分解、还原为方法。中医以辨证的道理为基础，主要是以综合、整体的方法，把人看成是天、地、人三位一体的整体。8.地理科学与行为科学行为科学是运用自然科学的实验和观察方法，研究自然和社会环境中的行为的科学。行为科学体系如下图所示。图14 行为科学体系实际上人是一个整体，行为科学与人体科学、思维科学是分不开的一个整体。人体哲学、思维哲学、与行为哲学是三位一体的哲学。是一个问题

24、的三个侧面。人的行为受思维的支配，由人体的动作来表达，三者是不可能完全分开的。因此人类主体是一个人体科学、思维科学、行为科学三者完整的系统，当然也是开放的复杂巨系统。世界观、人生观、价值观决定了人的行为。身心矛盾、人与人的矛盾、人与社会的矛盾、人与自然的矛盾等是行为哲学的核心问题。在基础科学层次上是理论行为科学，理论行为科学分宏观行为科学与微观行为科学，必须将，行为与群体行为区别研究，再研究个体与群体之间的关系。个人的最高行为准则是大康-大德-大智-大功-大爱的立体五行。群体行为也是有“五行”和层次的。“五行”表现在和谐与竞争、德治与法治、智商与情商、建功与犯罪、博爱与仇恨五个方面。理论行为科

25、学实际上是研究复杂性的行为系统科学，行为系统的环境是特别复杂的。行为系统与复杂的社会与地理系统相互作用。行为的功能是十分明显的，自然环境被人工改造，社会秩序的建立和社会的发展，都充分证明了人类行为的功能。行为系统的环境是复杂的社会系统与地理系统，复杂的思维系统与人体系统。人类一方面在自然环境中适应，一方面又用行为改造自然，成为人工环境。信息社会中对人类行为的研究也可以使用信息系统。无论是实验研究还是社会调查，所有的数据都可以输入计算机，建立各种数据库。行为信息科学是研究人类的真实行为与信息行为的一体化网络系统。首先要提到的是机器人的参与。将具体的行为数字化称为行为信息。行为信息系统主要是行为实

26、验数据、测试数据建立的具有影像或非影像数据的行为数据库。在计算机中进行行为操作称为信息行为。信息行为分图形图像库、行为属性库、行为调查数据库，需要进行行为信息编码。机器人系统是在机器人硬件的基础上，将人工智能技术引入行为软件系统。真实机器人是软硬件结合的实体机器人，虚拟机器人是完全使用软件构建的虚体机器人，与真实机器人一样在三维空间中具有各种行为。由此，除了个体人和群体人，社会之外又多了真实机器人与虚拟机器人。宏观行为涉及人类群体的行为，必定产生管理的问题，在群体机器人的基础上也会有管理的问题，管理当然涉及到运筹学中的各种模型。行为系统工程主要的应用分向，是教育系统工程。将教育系统工程列入思维

27、系统工程，因此行为系统工程主要是创新系统工程的建立。人类社会的发展，主要依靠创造性劳动，包括体力劳动与脑力劳动。一般来说，重复性劳动能够维系社会的生存，只有创造性劳动才能推进社会的发展。现代的创新系统工程，必定是信息网络结合的高程。特点表现为：思维科学-人体科学-行为科学结合；个人行为-群体行为-社会行为结合；重复性行为与创造性行为的分工。 地理科学与行为科学之间，最为紧密的关系是创造性的行为对地理系统工程的影响。地理系统工程是因地适宜的，在不同的自然环境中，人工环境的建设尽管都有8个子系统，但是组合搭配是不同的，因此，需要具有创造性的思维和创造性的行为。一下比较比较两类学科的信息系统与系统工

28、程。 一般信息系统都包含技术层、专家层、管理层与辅助决策层。天地人机信息一体化网络系统与人类行为信息一体化网络系统都有技术层次上的信息系统，包括各种数据库、图形库、图像库、属性库、数据库、信息模型、信息编码模型、方法库、模型库等。都有以人工智能为基础的专家层。除了综合数据库外，还有知识库与逻辑库，行为科学更为直接，就是制造机器人。将来可能用机器人来设计、实施地理系统工程，管理层都需要应用运筹学。决策层以人为主都要应用博弈论和人机交互，两者都有相同的原则。不同的是机器人的作用，机器人承担全部重复性的劳动，包括体力劳动与脑力劳动。 系统工程的差别比较大。行为系统工程直接应用计算机网络，而地理系统工

29、程必须与建筑系统工程协同完成生态文明，主要是实体与计算机网络结合的系统。地理系统工程与建筑系统工程，在行为科学的创新系统工程的支持下，将是如虎添翼，将会有许多的创造性的地理建设，生态文明也将具有革命性的变 化。能够进行实践的创造系统工程。9.地理思维与思维科学一切军事、经济、政治、科学方面的竞争，到头来是人才的竞争，而人才竞争的核心是头脑智慧水平的竞争。地理科学当然也是需要用头脑思维的，称为地理思维。地理思维是学习者在地理认知过程中产生的心理活动，是对地理事物感觉、知觉、记忆和想像基础上形成的对地理事物本质特征和内部联系的探索性思考，也是对地理事物认识的高级阶段。地理认识对象的特殊性，使地理思

30、维过程的结构具有特殊性。地理思维是空间的形象思维，地理区域及其景观是一个有形的宏观世界。地理认知的思维活动主要是利用地理形象、图像或图示完成的；地理思维是综合的逻辑思维，地理环境具有整体性和地域性，这使得地理认知对象是一个物质、能量运动的复杂系统。地理科学的应用优势是用综合的眼光对区域环境开发与利用的问题进行综合评价。思维科学的体系，实际上是要研究思维系统。从系统学的角度来看思维系统，与自然、人工、社会等系统相互作用。当前研究思维系统是具有难度的，因为要从人脑的生理、心理研究，现代还原论科学尚未深入到应有的层次。我们从宏观唯象的原则出发，按照哲学层次、理论科学层次、技术科学层次、技术工程层次来

31、认识思维科学。 在现代科学技术体系中，11个门类的科学都是从不同角度研究的系统，必然都与思维有关，要成为科学，必须从语言的定性到定量，完成数学表达才行。思维科学体系如下图所示图15系统论、数学哲学、认识论三位一体在哲学层次上，钱学森认为认识论实际上就是指唯物辩证法，在哲学层面上实际上有三个层次：一义序，是指一种事物只有一个名称，其它所有事物都与其有区别；二义序，是指一种事物的存在是以其对立面的存在而存在的；三分序，即黄金分割的转化当点。三分序的提出是实践中感悟而得，实际上是人的右半脑功能比较深层次的思维。关于右半脑和脑干的思维功能从生理研究方面来看，还有很长的道路要走，从心理学的研究来看，用自

32、然科学来研究意识，距离相当远。用宏观脑波的频率所载信息来研究，虽然仍然不是十分清楚，但是距离似乎要近一些。理论思维科学目前建立在宏观人脑脑波的基础上，来探讨抽象思维、形象思维和创造性思维。左半脑擅长语言功能和计算功能，因此以抽象思维为主。人出生后的后天学习，主要依靠左半脑对知识的积累。右半脑擅长识别图像和声音，因此以形象思维为主。思维信息科学，从信息科学的角度来看是人脑+电脑，对高级信息的处理。人脑是指个人的脑袋，个体思维的知识库，电脑网络是群体的头脑，是社会的知识库。两者共同作用极大地提高了人类认识世界的能力。思维科学在技术工程的层次上，最为重要的是教育系统工程。从思维科学中开发智力着手，在整个人生各个阶段研究大脑发展的规律和科学地用脑，是当前教育革命的方向。思维学研究理论思维科学，主要是对抽象思维、形象思维、意象思维、灵感思维的探讨。特别