面向新时代地理学特征研究的地理建模与模拟系统发展与构建思考

　　摘要区域性、综合性、复杂性是地理学的基本特征,其核心内涵的挖掘是新时代地理学发展的主要突破口及增长点.本文聚焦地理学研究的重要方法——地理建模与模拟,首先分析了地理学基本特征对地理问题求解的时代新需求,然后从模型资源、建模流程和运行架构三个方面分析了现有地理建模与模拟系统对地理学特征研究的支撑能力及不足,从而进一步探讨了地理建模与模拟系统在面向地理学区域性、综合性及复杂性特征研究时的发展方向.在此基础上,本文设计了新时代地理学特征研究引导下的地理建模与模拟系统实现架构,讨论了模块构成及功能实现,为地理建模与模拟系统更好地服务于新时期地理学发展提供了理论及技术支撑.

　　关键词地理学特征,地理学发展,区域性,综合性,复杂性,地理建模与模拟

　　1地理学特征研究及其对问题求解的新需求

　　长久以来,区域性与综合性被认为是地理学两大特征,引导着地理学研究的推进与发展.近年来,随着地理学特征挖掘及问题认知的深入,复杂性在地理学研究中越来越受到重视,被认为是地理学的第三特征(宋长青等,2018,2020b).然而,无论是区域性、综合性还是复杂性,在地理学研究命题中的导向性需求都并非一成不变.随着新时代地理学研究的发展,在传统问题认知的基础上,地理学特征得到了更深层次的剖析,从而对相关研究及问题求解手段提出了新的需求.

　　1.1地理学区域性特征及研究需求

　　如黄秉维先生所言:“地理学以研究世界事物所组成之复杂体之区域的差异为目的”,区域性一直被认为是地理学的研究核心和基本特征(郑度,1998;Paasi,2009;傅伯杰,2017).将区域作为地理研究单元,进行自然、人文要素的相互作用关系分析,能够有效地揭示典型区域地理现象的成因规律,从而推动人地关系协调发展(郑度和傅小锋,1999).地理学区域性研究是从区域视角出发,以“差异性”与“相似性”为研究基本点,主要关注区域的分异组合、划分合并,以及区域内地理要素的相互联系和演化过程(李春芬,1982;Anselin,1989;郑度,1998;郑度等,2005;陆大道,2011).

　　一方面,地理学家利用多年观测、调查数据和分类、区划等方法探究地域分异规律,从而实现对地理格局的表达(Tobler,2004;Goodchild,2004;吴绍洪等,2016;宋长青等,2018;Zhu等,2018).另一方面,区域性研究通过模型构建和定量分析等方法解释区域内部的要素作用机理和动力机制,以理解区域内的各种地理过程(Gironás等,2010;Li等,2011;李徐生等,2018;樊杰,2018).

　　近年来,区域性研究愈发体现出其研究问题的多样性和研究对象的关联性.首先,由于区域单元之间时空位置、范围和尺度的差异,以及区域单元内部地理要素类别、分布格局、相互作用和演化过程的不同(Brown等,1996;傅伯杰等,2001;宋长青等,2018),区域性研究面对的问题日益多样,涵盖了从自然区域理解到人文社会认知等不同方面,涉及水、土、气、生等各部分的不同问题(林珲等,2006;傅伯杰,2018).

　　同时,专注于单一对象分析的传统区域性研究已难以满足新时代地理问题认知的需求,区域问题求解越发注重研究对象的各种关联与作用关系(吴绍洪等,2016;宋长青等,2018).因此,为了对区域问题进行深入理解,需要从多视角、广视角、全视角来看待区域问题,充分考虑各种现象与过程背后的发生机理,理解不同区域对象产生与演化的因果关系,关注其联动效应(如土壤-水文过程、生态-经济过程),从而解释区域内地理现象与发展历程(Seneviratne等,2010;Green等,2011;程国栋等,2014;程国栋和李新,2015;Trinh等,2017).

　　1.2地理学综合性特征及研究需求

　　作为地理学两大传统基本特征之一,综合性是地理环境中多种自然、人文要素相互作用下形成的整体性特征(Zonneveld,1983;Waugh,2000;倪绍祥,2003;宋长青等,2018,2020b).由于地理现象和过程都是由地球表层多种地理要素共同作用的结果,只有将不同的地理要素融为一体作为研究对象,分析各要素之间的相互作用关系和驱动机制,才能整体性地揭示地理环境的时空格局、地理现象及其演化规律(Chorley和Haggett,2013;吴绍洪等,2016;Lü等,2018;傅伯杰,2018).

　　因此,地理学综合性研究通常以地理综合体为研究对象,关注于综合体内各种地理要素,探究地理现象和过程背后的各要素相互作用关系(樊杰,2004;傅伯杰,2014).从实现方法来看,综合性研究的发展可以分为四个阶段:(1)将自然、人文要素进行简单罗列;(2)基于GIS技术对地理要素空间叠加;(3)对不同核心地理要素间相互作用关系进行综合地理分析;(4)基于复杂理论进行地理系统的综合理解(宋长青等,2018).

　　综合性研究的发展推动着地理学研究从单要素、单过程的空间分异规律和个体行为研究,走向多要素、多过程的相互关系和驱动机制研究,并迈向陆地表层系统内全要素、全过程的系统行为与内在机理研究(即人地关系综合研究)(Clarke,2002;倪绍祥,2003;许学工等,2009;陈发虎等,2019;宋长青等,2020b).面对结构各异、变化多样的地理环境,传统地理学综合性研究常常难以整体性、规律性地阐释各种地理现象,新理论和新方法有待挖掘.具体而言,“还原论”思维指导下的传统综合性研究主要通过对地理系统的拆解剖分,以及对地理要素的罗列叠加,实现地理现象和过程的综合分析和表达(温永宁等,2006;Granell等,2013;Laniak等,2013;宋长青等,2018;刘斌等,2019).

　　然而,无论是从数据汇聚角度还是从模型集成角度而言,研究粒度的过度划分会使得地理要素之间的内在相互作用被主观割裂,从而导致所构建的数字地理系统无法再现地理系统的本质(宋长青等,2020b).因此,在综合性研究中,需要能找到比要素更高层次的抽象概念载体,既能够表达空间结构、演化过程、相互作用等地理系统本征,又能够支撑地理机理与要素关系的挖掘,从而达到“脉络清”且“机理明”的地理系统整体性、全面性认知(闾国年等,2021).

　　在思维模式上,研究者需要兼顾“整体论”与“还原论”,在概念层次上将地理综合体内的各种地理要素作为相互协调的整体,充分把握各地理要素间的相互作用(傅伯杰,2017),提炼出地理现象及规律的概念载体,对其进行构建与表达研究;在研究手段上,依循概念载体的引导,借助数据融合、模型集成等手段,实现“实体资源”与“概念知识”并重的地理学综合性研究.

　　1.3地理学复杂性特征及研究需求

　　在复杂性科学、复杂性巨系统等概念提出后,国内外关于地理学复杂性的探讨就已经开始(钱学森等,1990;成思危,1999).通过借鉴复杂性科学的概念,研究者们认为地理系统也是一个复杂系统,因此需要超越以“还原论”为基础的传统地理学方法论,探索更具系统性的研究方法(甘国辉和杨国安,2004;O’Sullivan,2004;Portugali,2006;李双成等,2010),并且开展了基于复杂性理论的地理学研究与应用(徐德军,2013;刘海猛,2014;陈雪婷,2015).在此基础上,宋长青等(2018)思考和总结了新时代地理学的特征与挑战,认为复杂性已经成为地理学的第三特征.

　　2地理建模与模拟系统应对地理学特征研究的能力分析

　　地理模型是地理对象与地理现象的重要表达形式;地理建模是对地理实体、地理事件、地理过程以及地理机理进行抽象与表达的过程,是现代地理学研究的重要方法;地理模拟可以用于反演过去、预测未来、模拟过程、揭示规律,是拓展GIS地理分析能力的重要手段.传统意义上地理模型包括了数据模型(如矢量模型、栅格模型、面向对象模型、时空数据模型等)与分析模型(如空间分析模型、时空统计模型、机理过程模型、智能体模型等)(Chen等,2018a)。

　　此外,为了桥接数据模型与分析计算,各种计算网格模型(如结构网格、非结构网格、混合网格、嵌套网格等)被提出(Chen等,2018b).目前,各类地理模型已经被用于应对地理学特征的探索和研究.例如,高精度曲面建模方法(HASM)被提出用于不同尺度区域地表要素曲面建模和生态环境要素的表达,从而服务于地理学区域性研究;通过综合地球表层系统的全局宏观信息和微观细节信息,推动了地球表层系统的综合性模拟与分析;HASM方法从系统论出发,提出了生态环境曲面建模基本定理,探索了地球表层系统及其生态环境要素模拟过程中相关复杂性问题(如尺度问题和误差问题)的解决途径(Yue,2011;YueTX等,2016;岳天祥等,2020).

　　聚焦于地理机理与规律的挖掘,本文所指的地理模型主要指分析模型,地理建模与模拟系统也主要指地理分析模型构建与应用的地理学研究系统工具.随着研究的深入,研究者已经开发了诸多地理建模与模拟系统,而这些系统在模型资源、建模流程和运行架构上都各有不同.在多角度总结地理建模与模拟系统的特征及其异同点的基础上。

　　3地理建模与模拟系统的发展方向

　　地理建模与模拟系统虽然是计算机软件系统的一类典型,但是其构建主旨是服务于地理学问题的探索与求解,其灵魂是地理分析模型的构建与应用.因此,发展地理建模与模拟系统,除了顺应IT技术、软件技术发展的趋势,更重要的是围绕地理学的基本特征,根据特征需求以及现有地理建模与模拟系统应对地理学特征研究的不足,总结地理建模与模拟系统的发展方向并推动其不断前进.

　　4地理建模与模拟系统实现架构设计

　　面向新时代地理学特征的地理建模与模拟系统实现架构如图3所示.在发展方向的引导下,地理建模与模拟系统需要从地理模拟资源服务化共享与重用、协 作式地理建模、开放式地理模拟三个方面进行系统实现架构的设计.

　　4.1地理模拟资源服务化共享与重用方法研究

　　针对区域问题多样性的地理建模与模拟系统发展方向,需要围绕模拟资源的服务化共享与重用进行系统架构设计.地理模拟资源(包括模型资源、数据资源以及计算资源)是建模与模拟的基础,其服务化共享与复用主要包括:地理模拟资源的分类与描述、地理模拟资源的标准化封装以及地理模拟资源的服务化调用.

　　地理论文投稿刊物：地理信息世界是测绘地理行业优秀的期刊，期刊学术水平较高，影响因子跻身全国测绘类名刊行列，主要是促进国内地理信息科学技术及产业的快速发展。

　　5总结

　　系统工具的发展,一方面受到研究需求的驱动,另一方面推动着研究能力的提升.地理学特征研究的需求引领了地理学科学研究手段及工具的革新,同时也给相关的软件系统提出了新的挑战.地理建模与模拟系统作为地理学研究主要的工具之一,已经得到了广泛的重视,但是如何评价地理建模与模拟系统的广泛适应性及效能尚没有定论.本文从地理学特征——区域性、综合性、复杂性出发,剖析了新时代地理学特征研究的根本需求,以此来推动地理建模与模拟系统的架构与设计,以期反作用于地理学相关研究,从而为新时代地理学发展提供重要的技术手段支撑,为新一代地理模拟器的构建奠定基础.

　　参考文献

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　　作者：陈旻1,4,5,闾国年1,4,5*,周成虎2,4,林珲3,马载阳1,4,5,乐松山1,4,5,温永宁1,4,5,张丰源1,4,5,王进1,4,5,朱之一1,4,5,许凯1,4,5,何元庆1,6