地理学与地理系统复杂性研究，本文主要内容关键词为：地理学论文,复杂性论文,地理论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N941.4;K90文献标识码：A
地理系统是开放的复杂巨系统，复杂性特征明显，以地理系统和人地关系为探究对象的地理科学是一门实践的学问。改革开放20年以来，我国国民经济建设空前活跃，在工农业生产布局、国土资源规划和整治、城市规划、旅游规划、高新技术产业等国民经济建设实践以及计量方法、GIS技术、遥感等技术方法的推动下，我国地理研究空前繁荣，在理论和方法两方面都取得了很大进步。随着学科的深入，人们不满足于对空间差异的描绘和解释，开始探讨地理系统发展变化的深层次的规律问题。于是，地理系统复杂性开始走上地理研究的舞台。
1 地理系统复杂性研究的科学背景和意义
1.1 科学研究从探索简单性到探索复杂性
科学史表明，近代科学发展的主旋律是沿着古代科学家毕达哥拉斯、阿基米德等人开创的方向前进的，即探索自然现象所蕴涵的简单性、和谐性和规律性，并且把它用直观的数学形式或语言形式表达出来（王鸿生，1996）[1]。地理学的发展也不例外。然而，世界的本质是怎样的？简单性，还是复杂性，或者还是二者兼而有之？这是一个发人深思的话题。
在简单性原则和还原论的指引下，科学的发展取得了辉煌的成就，但这种科学研究从一开始就遇到了困难：它不能解释自组织和整体功能涌现现象，人们不得不逐渐认识复杂性是世界的本质属性[2]。复杂性是客观的，不是简单性的线性组合和现象，特别不仅仅是简单性的表现结果。随着科学的发展和技术的进步，20世纪自然科学不再像以往一样偏重于在复杂性中探索简单性而忽略了在简单性中探索复杂性，科学研究开始重视复杂性问题的探讨。系统论、控制论和信息论以及耗散结构理论、协同学、超循环论、突变论、分形几何和混沌学等新科学理论也相继诞生[1-3]，为解决复杂性问题提供了新的方法和思路，促进了全新的自然观和方法论的发展，进而引发了研究复杂性和复杂系统的复杂科学，在科技界、产业界、金融界、政府和社会公众都引发了广泛的兴趣和关注[4-6]。尽管在复杂性的概念和研究领域尚存在较大分歧，但已经被有些科学家誉为是“21世纪的科学”，是现代科学的前沿之一[7]。
1.2 复杂性研究的主要领域和主要方法
目前，复杂系统研究主要集中在人脑系统、生命系统、生态系统、社会系统、经济系统、互联网系统等方面。钱学森指出“复杂性是开放的复杂巨系统的动力学特征”。从认识论层面上看，复杂性研究改变了人们认识问题的视角，使人们更加注重从整体论出发，以整体和还原相结合的视角来研究认识事物。SFI研究所侧重于复杂自适应系统理论研究、MIT学者提出系统动力学研究、中国学者钱学森则提出开放的复杂巨系统的概念等等，从不同侧面对复杂性进行研究（戴汝为，成思危，2000）[8-9]；从方法论层面看，借助计算机等现代工具发展了一套解决复杂系统问题的方法，如神经网络、元胞自动机、多智能体、遗传算法、综合集成研讨厅体系等，成为问题探索的有力工具。
1.3 地理系统复杂性研究的意义
由人类社会和地理环境共同组成的地理系统是一个复杂巨系统。著名自然科学家耗散结构理论的创始人比利时科学家Prigogine I(1987)首先认识到城市的形成是一种社会的自组织的宏观有序现象[10]，我国科学家钱学森先生也认识到地理系统是“开放复杂巨系统”[11]。正是由于地理系统过于复杂，地理学的理论研究一直落后于地理学的实践，被认为是追随型的学科[12]。地理系统的复杂性特征决定了其研究必须采取复杂性方法。空间系统复杂性研究成为地理学面临的迫切任务[13]，它几乎涉及到地理研究的各个分支领域。地理空间复杂性是复杂科学的重要内容，其研究成果也将会丰富和完善，具有跨学科综合集成特征的复杂性科学研究的内容和方法。
2 近期地理系统复杂性研究的主要内容
周成虎等(1999)[13]对地理系统复杂性进行过系统的总结，把地理系统的复杂性概括为5个方面：1)地理系统的综合性、层次性和高维性；2)地理系统的多尺度性与自相似性；3)地理系统的开放性与非平衡性；4)地理系统的非线性与突变性；5)地理系统的有序性和自组织性。并且断言“基于现代系统科学的思想，在复杂性科学的理论框架下，应用非线性理论和方法来描述、分析、模拟和预测空间系统的复杂动态行为，并构筑新一代的高级分析模型将是本世纪地理研究的第三次革命”。其实，地理系统复杂性研究主要是围绕地理系统本身的复杂性性质以及对地理系统复杂性的刻画进行研究两个方面而展开，它们水乳交融，互为依托。
2.1 地理系统及其解释
系统是人观察问题的一种思路，一种方法。洪堡堪称是一位系统自然地理研究的先驱，在他的著作《宇宙》中指出所有的自然科学的重要目标是“在研究复杂性中认识统一性”，在描述国家和地方时，他强调系统研究[14]。把系统方法引入地理学还要归工于哈特向、乔莱、哈维等地理学家[13]。然而，当深入探讨地理空间行为和空间演化规律时却发现地理系统具有非线性、多层次、多尺度、突变性、随机性、自组织、自相似等复杂系统的特点时，地理学家就需要用复杂理论和方法进行研究。
系统理论具有极强的解释能力，它已经成为自然科学、社会科学和思维科学的重要工具。系统是由不同要素组成的具有一定结构和功能的整体。系统有整体性、层次性、结构性和功能性等特点。从系统论的角度看，地理系统可以划分为以自然力为主导的自然地理系统和以认识因素为主导的人文地理系统。两个子系统相互作用、相互影响共同构成高层次的地理系统，同时又可以划分出更低一级的若干子系统。围绕不同层次系统，发展出各自主题的学科。地理科学的核心是研究人地关系及其空间状态，研究对象是有人类以来的人与地球的表层系统，简称地理系统或人地系统。地理系统应该包括大气、水、岩石、土壤、生物等自然要素以及人类社会要素，各组成要素之间相互影响、相互制约，形成不可分割的整体，并且随着科学技术的进步，人类作用的空间范围将会扩大，地理系统的范围必将随之发展变化。人是指人群，人类聚居和人类社会（包括农村和城市）；地是地理环境，即地球的表层人类赖以生存的环境。地理系统包括人类社会系统与地球表层的地理系统两个子系统，是一个“开放的复杂巨系统”[11]，在时空上处于动态演化过程之中，要求网络思维和多学科综合研究，用系统理论来研究地球表层，它涉及人类活动和自然资源、生态环境的相互关系，还要把人地关系上升到地理系统和它的时空分异层次进行考察[15]。之所以把地理系统看成是复杂的巨系统，而不是看成简单系统，不仅在于组成地理系统子系统数目的众多，还在于组成这一系统的子系统之间存在着复杂的层次结构、功能结构关系以及促进系统发展变化的非线性因素。
上世纪50-60年代兴起的地理学计量革命，在某种程度上推动了地理学的理论化，某些学者还致力于地理学方法的革新和理论建树，试图把实证思想贯穿于地理研究。应该看到，这一时期也是实证主义哲学倍受批判的时代。进入80年代，在地理信息系统技术迅速发展的背景之下，计量革命逐渐被人遗忘。究其根源，恐怕在于地理研究对象的极端复杂性，这些尝试基本上没有超出概念模型的范围，实质性的突破至今乏善可呈，又正是这种复杂性，成为地理研究方法论的突破点所在[16]。
根据对系统结构的了解程度不同，可以把系统分为内部结构完全未知的黑色系统、完全清楚的白色系统以及部分已知的灰色系统。从目前人们对地理系统结构的把握来看，地理系统还是一个灰色系统，继续认识系统的层次结构、功能结构仍然是需要进一步探索的课题，需要对系统结构层次进行科学解析。
2.2 自下而上的地理系统区域性研究
地理系统区别于其他一般系统的重要特征在于其区域性。从空间范围看，有世界、国家、地区、县域、城市、乡村等不同行政区域层次以及不同自然单元景观的地理系统，这些不同区域层次各有其特征。区域发展必然要研究不同区域层次的地理系统，对这些系统进行剖析、诊断，摸清其脉络，才能因地制宜地制定出区域发展的对策。如薛领、杨开忠等学者试图建立基于复杂自适应系统的区域空间演化模型[17]，运用SFI研究所开发的Swarm软件，采取“自下而上”的策略对一个城市区域发展演化进行模拟分析。
地理系统具有全球性。全球系统是区域系统的组合，离开区域来谈全球问题是不可想象的。由于不同利益主体的存在，达到区域最优不等于国家最优；同样，达到国家最优也未必就能达到全球最优，在全球最优指导下的区域最优才能称得上是真正的最优。区域的划分因自然、经济和行政不同而不同，三者之间有交叉重叠，使复杂性特征明显。
2.3 地理系统的网络结构分析及其运动过程的模拟
地理系统要素众多，随着要素的增加，要素之间关系愈来愈复杂。线性结构、拓扑网络结构和神经网络结构是简化和模拟地理系统结构的有效工具。在模拟复杂巨系统的研究中，神经网络结构尤其有效，其特点是可以进行非线性的分层并行计算。地理系统包括人口、资源、环境、居住地、经济、科教文化等多个方面的要素。众多的圈层结构以及人类社会所处的不同发展阶段，使现实的地理系统具有纷繁复杂的种类，是一个全方位、多层次的系统，表现出一定的非线性特征。当计算物流、能流、信息流时，可能是分形的，也可能是多维的[20]。马蔼乃教授阐述了地理系统不同层次的复杂性，认为地理系统是天地信息一体化网络系统，是多系统综合集成的开放复杂巨系统，并把地理遥感信息模型的确定性与不确定性数学方法融合在一个模型中[21]。地理学理论的一个重要方面是关于区位、流、网络等的研究，以及如何将他们详尽地表达于地理模型中[18,19]。
地理系统存在着各种各样的过程，从人类活动层面上看有人口过程、经济过程、文化教育过程等；从自然环境层面上看，包括地貌过程、流水过程、气候过程、生物过程等。这些过程纷繁复杂，存在着复杂的相互关系。人类活动参与、干预地质大循环和生物物质小循环，共同构建了地理系统的复杂性。地理系统的复杂性及其运动过程的多样性导致了以人地关系为核心的地理研究的效果不尽如人意，至今还没有形成完整的令人信服的科学理论体系。地理系统研究的最大障碍在于其定量化的难度，如何从复杂的要素中选取影响因子以及对影响因子的量化、指标体系、模型建立与检验、动态预测等至今还都缺乏坚实的理论基础。复杂科学的兴起为地理科学提供了新的思路和方法。
地理系统不断地与外界进行物质、能量和信息的交换和传递，是一个远离平衡状态的非线性开放系统。该系统不断从外界吸收负熵流，当负熵流达到一定的阈值时，系统就向前进化。地理系统的有序性和目的性也是经历了从无序到有序、从简单结构到复杂结构的过程演变而来的，并且还在继续发展演变。模拟复杂的地理系统的发展规律，是地理系统复杂性研究的重要内容。
2.4 地理系统的混沌、自组织和涌现的模拟
地理系统在本质上是自组织系统，具有其发展的内在逻辑性。地理系统在发展过程中能够不断地学习，并对其层次结构和功能进行重组和完善。200多年前，法国科学家居维叶在地学中首先使用“灾变”这一术语来描述突变现象[12]，如地震、火山爆发、断裂、生物灾变等。地理系统行为具有明显的不确定性，甚至是细小的波动都能引起巨大的涌现。美国气象学家洛伦兹形象地称之为“蝴蝶效应”。1995年Batty M在《自然》杂志上发表《研究城市的新方式》。之后，有不少学者运用元胞自动机模型，按照一定的局部规则演化出系统的宏观的自组织行为，在城市发展等方面进行过有益的尝试[13,22-24]。自组织行为的涌现是系统变量之间非线性关系的体验，某些地理行为的突发性飞跃无法用处理离散过程的数学工具来精确解释。
2.5 地理系统行为分析与人地关系协调发展
复杂系统或系统中复杂行为的研究是当前十分引人注目的领域。地理系统的行为极其复杂，具有很大的挑战性。在地理系统中，人具有双重角色，一方面人是自然界的一部分，不能凌驾或超越自然界；另一方面，人又是地理系统的调控者，是地理系统中最积极的因素。人类通过生产和生活模式影响自然地理过程，进而影响地理系统的行为特征，使地理系统不稳定性特征明显。因此，对地理系统行为的研究可以根据社会发展需要，选定典型区域的地理系统，通过对地观测、实地调查、模拟实验等手段，获得大量的地球信息，建立关于地理系统的大型数据库、知识库，通过计算机进行数据处理、数据挖掘，建立动态决策支持系统，选择不同方案与模式对区域地理系统的行为进行适当的调控，探讨地理系统的动态演变过程与规律，探索地理系统中人地关系协调发展的新途径。
总之，地理系统是自然界和人类社会长期发展的产物，有一个发展的过程，其时限、空域也在不断发展变化，是一个开放的复杂巨系统，其系统复杂性表现为多层次、多区域、网络化、动态性、多过程、多类别、非线性等特征，地理系统复杂性研究也正是主要围绕这些内容及其刻画而展开的。
3 地理系统复杂性研究的理论、方法及其展望
地理系统是复杂的开放系统，是复杂科学研究的重要研究对象之一。从复杂科学的整体论视角出发，运用复杂性的理论方法有助于研究地理系统发展的规律和动因，有利于人类更好地进行适应和调控管理环境。进而做到“人地”协调发展。综合性与地域性是地理系统的重要特征，加强地理系统复杂性研究也将会丰富和完善具有跨学科综合集成特征的复杂科学研究的内容和方法。
受牛顿时空观念的影响，哲学家康德认为，地理是关于空间的科学，历史是关于时间的科学。尽管爱因斯坦关于时间和空间的观念对传统的绝对时空观念提出了挑战，但康德的观念对地理学界一直有深刻的影响。其实，地理学既是关于空间的科学，也是关于时间的科学，而且其研究跨越的尺度都很大，内容纷繁复杂，规律难以把握。地理系统复杂性研究的重要贡献有两个侧面，一个是从认识论层面上改变着人认识地理空间问题的观念，使人们注重从系统科学整体论的观点认识世界，改变了分析问题解决问题时采取的策略；另一个是从方法论的层面上为地理学提供了有力的工具，系统动态学、元胞自动机、多智能体、混沌、分形、突变、神经网络、遗传算法等在地理研究中得到广泛的应用[13]，在空间决策、大气研究、城市模拟、农田保护与管理、交通运输等传统地理问题中的应用，取得良好的效果[13,22-30]。多数研究是针对具体问题的地理空间复杂性而展开的。
鉴于复杂性研究尚处于初级阶段，还没形成统一的理论框架，地理系统复杂性研究的理论基本上处在借鉴和移植阶段。Allen P研究城市与社会的自组织现象[31]；Holt A等则试图用复杂性模型来描述环境和地理问题，并且给予一般性推论[28]。林逢春、王华东在前人的研究基础上试图给出一个人口—经济—资源—环境(PRED)系统的通用自组织模型[32]；李后强、艾南山提出人地协同论[33-34]，指出人地协同论的基本原理，报导了分形地貌学以及地貌演化的非线性模型、人口系统及城市演化的混沌与自组织特征；胡皓从哲学层面提出可持续发展的超系统思维，强调系统只有通过相关系统的互利合作、协同进化，在物质能量流通的“超循环”机制和信息资源交换的“超反馈”机制作用下，耦合成更高层次的“超系统”，通过这一系统的进化达到可持续发展[35]。最近，杜云艳、周成虎等对地理案例推理进行研究并把它应用到东海渔场资源研究，认为地理学空间分异和区域规律是引起案例之间区别的根本原因[36]；黎夏、叶嘉安则把神经网络模型网络引入CA模型并且用ARC/INFO的空间数据，对广东省东莞市城市土地利用空间演变建立了真实和优化的模型[37]。王铮、邓悦等则对上海市空间结构的复杂性和混沌特征进行研究，发现与经典的城市空间结构模式不同，对伯吉斯(Burgess)以来的城市标准模式提出修正[38]。
目前我国对地理系统复杂性这一问题的研究还比较薄弱，不够深入、全面、系统，需要进一步加强研究。从发表的论文和研究报告可以看出，我国对于地理系统复杂性问题的探讨侧重于引进其他学科的成果，涉及面很广，但从整体来看，许多研究缺乏深度，全面性和系统性不够。尽管地理系统复杂性研究还刚刚起步，但难能可贵的是我国地理工作者从具体问题入手进行探讨性工作。在自然资源耗竭、环境污染加剧，生态系统失去平衡的时期，人类不得不开始对人与自然的关系进行反思，不得不越来越重视地理系统中人地关系的研究，用近代的传统的建立在征服、利用、控制自然为基调的人地关系论作为地理学的理论基础已经愈来愈不适应[39]，以“人地和谐论”为基调的可持续发展理论应运而生。数理传统和博物学（自然史）传统是近代科学的两大传统，前者强调数学化，后者则强调要面向自然的历史性和时间性。进化论可以看作是博物学传统的最高成就，然而其科学性不被科学界看作是精确科学[40]。作为近现代科学重要组成部分的地理科学无疑试图向着精确性科学努力，尽管失败的努力充满着这一道路。经过地理科学数量化运动——计量革命的洗礼，地理学界开始重新思考地理学真正的发展道路到底应该在何方，这不仅仅是引进数学就能解决的问题，应该把地理研究放在一个回归复杂性问题本来面目的更广阔的视野中进行思考。
地理系统复杂性研究一方面要加强理论探索，构筑地理系统复杂性理论框架，引进、改善和创建地理系统复杂性的研究方法；另一方面要针对具体问题的地理空间复杂性探讨予以重视，脱离了具体问题来讲复杂性容易陷入空泛的陷阱。如前所述，我国不少学者已经认识到这一点，并且从城市扩展演化、渔场资源定位等许多具体问题出发，对其复杂性进行深入的探讨。鉴于地理环境的特殊性和悠久的历史，我国的空间行为和空间演化更具复杂性特征，这无疑对广大地理工作者造成了极大挑战，但对其进行深入探讨和挖掘，有望取得更大的成果。
诚然，对于复杂性科学本身的认识意见还难以统一，仍然有人提出不同的见解[41]，复杂性科学尚需要进一步完善。至于把这一科学引入地理系统研究，引入地理学，则更有待于实践检验之后方能做出公允的评判。但至少有一条值得我们去注意：地理学和地理系统研究必须正视研究对象的复杂性，而复杂性科学的确有自己的一套解决方案，运用复杂性科学对地理问题进行认识有独到之处，地理学界应该给予足够的重视和精心培育。
收稿日期：2003-03-19