摘要區域性、綜合性、復雜性是地理學的基本特征,其核心內涵的挖掘是新時代地理學發展的主要突破口及增長點.本文聚焦地理學研究的重要方法——地理建模與模擬,首先分析了地理學基本特征對地理問題求解的時代新需求,然后從模型資源、建模流程和運行架構三個方面分析了現有地理建模與模擬系統對地理學特征研究的支撐能力及不足,從而進一步探討了地理建模與模擬系統在面向地理學區域性、綜合性及復雜性特征研究時的發展方向.在此基礎上,本文設計了新時代地理學特征研究引導下的地理建模與模擬系統實現架構,討論了模塊構成及功能實現,為地理建模與模擬系統更好地服務于新時期地理學發展提供了理論及技術支撐.

　　關鍵詞地理學特征,地理學發展,區域性,綜合性,復雜性,地理建模與模擬

　　1地理學特征研究及其對問題求解的新需求

　　長久以來,區域性與綜合性被認為是地理學兩大特征,引導著地理學研究的推進與發展.近年來,隨著地理學特征挖掘及問題認知的深入,復雜性在地理學研究中越來越受到重視,被認為是地理學的第三特征(宋長青等,2018,2020b).然而,無論是區域性、綜合性還是復雜性,在地理學研究命題中的導向性需求都并非一成不變.隨著新時代地理學研究的發展,在傳統問題認知的基礎上,地理學特征得到了更深層次的剖析,從而對相關研究及問題求解手段提出了新的需求.

　　1.1地理學區域性特征及研究需求

　　如黃秉維先生所言:“地理學以研究世界事物所組成之復雜體之區域的差異為目的”,區域性一直被認為是地理學的研究核心和基本特征(鄭度,1998;Paasi,2009;傅伯杰,2017).將區域作為地理研究單元,進行自然、人文要素的相互作用關系分析,能夠有效地揭示典型區域地理現象的成因規律,從而推動人地關系協調發展(鄭度和傅小鋒,1999).地理學區域性研究是從區域視角出發,以“差異性”與“相似性”為研究基本點,主要關注區域的分異組合、劃分合并,以及區域內地理要素的相互聯系和演化過程(李春芬,1982;Anselin,1989;鄭度,1998;鄭度等,2005;陸大道,2011).

　　一方面,地理學家利用多年觀測、調查數據和分類、區劃等方法探究地域分異規律,從而實現對地理格局的表達(Tobler,2004;Goodchild,2004;吳紹洪等,2016;宋長青等,2018;Zhu等,2018).另一方面,區域性研究通過模型構建和定量分析等方法解釋區域內部的要素作用機理和動力機制,以理解區域內的各種地理過程(Gironás等,2010;Li等,2011;李徐生等,2018;樊杰,2018).

　　近年來,區域性研究愈發體現出其研究問題的多樣性和研究對象的關聯性.首先,由于區域單元之間時空位置、范圍和尺度的差異,以及區域單元內部地理要素類別、分布格局、相互作用和演化過程的不同(Brown等,1996;傅伯杰等,2001;宋長青等,2018),區域性研究面對的問題日益多樣,涵蓋了從自然區域理解到人文社會認知等不同方面,涉及水、土、氣、生等各部分的不同問題(林琿等,2006;傅伯杰,2018).

　　同時,專注于單一對象分析的傳統區域性研究已難以滿足新時代地理問題認知的需求,區域問題求解越發注重研究對象的各種關聯與作用關系(吳紹洪等,2016;宋長青等,2018).因此,為了對區域問題進行深入理解,需要從多視角、廣視角、全視角來看待區域問題,充分考慮各種現象與過程背后的發生機理,理解不同區域對象產生與演化的因果關系,關注其聯動效應(如土壤-水文過程、生態-經濟過程),從而解釋區域內地理現象與發展歷程(Seneviratne等,2010;Green等,2011;程國棟等,2014;程國棟和李新,2015;Trinh等,2017).

　　1.2地理學綜合性特征及研究需求

　　作為地理學兩大傳統基本特征之一,綜合性是地理環境中多種自然、人文要素相互作用下形成的整體性特征(Zonneveld,1983;Waugh,2000;倪紹祥,2003;宋長青等,2018,2020b).由于地理現象和過程都是由地球表層多種地理要素共同作用的結果,只有將不同的地理要素融為一體作為研究對象,分析各要素之間的相互作用關系和驅動機制,才能整體性地揭示地理環境的時空格局、地理現象及其演化規律(Chorley和Haggett,2013;吳紹洪等,2016;Lü等,2018;傅伯杰,2018).

　　因此,地理學綜合性研究通常以地理綜合體為研究對象,關注于綜合體內各種地理要素,探究地理現象和過程背后的各要素相互作用關系(樊杰,2004;傅伯杰,2014).從實現方法來看,綜合性研究的發展可以分為四個階段:(1)將自然、人文要素進行簡單羅列;(2)基于GIS技術對地理要素空間疊加;(3)對不同核心地理要素間相互作用關系進行綜合地理分析;(4)基于復雜理論進行地理系統的綜合理解(宋長青等,2018).

　　綜合性研究的發展推動著地理學研究從單要素、單過程的空間分異規律和個體行為研究,走向多要素、多過程的相互關系和驅動機制研究,并邁向陸地表層系統內全要素、全過程的系統行為與內在機理研究(即人地關系綜合研究)(Clarke,2002;倪紹祥,2003;許學工等,2009;陳發虎等,2019;宋長青等,2020b).面對結構各異、變化多樣的地理環境,傳統地理學綜合性研究常常難以整體性、規律性地闡釋各種地理現象,新理論和新方法有待挖掘.具體而言,“還原論”思維指導下的傳統綜合性研究主要通過對地理系統的拆解剖分,以及對地理要素的羅列疊加,實現地理現象和過程的綜合分析和表達(溫永寧等,2006;Granell等,2013;Laniak等,2013;宋長青等,2018;劉斌等,2019).

　　然而,無論是從數據匯聚角度還是從模型集成角度而言,研究粒度的過度劃分會使得地理要素之間的內在相互作用被主觀割裂,從而導致所構建的數字地理系統無法再現地理系統的本質(宋長青等,2020b).因此,在綜合性研究中,需要能找到比要素更高層次的抽象概念載體,既能夠表達空間結構、演化過程、相互作用等地理系統本征,又能夠支撐地理機理與要素關系的挖掘,從而達到“脈絡清”且“機理明”的地理系統整體性、全面性認知(閭國年等,2021).

　　在思維模式上,研究者需要兼顧“整體論”與“還原論”,在概念層次上將地理綜合體內的各種地理要素作為相互協調的整體,充分把握各地理要素間的相互作用(傅伯杰,2017),提煉出地理現象及規律的概念載體,對其進行構建與表達研究;在研究手段上,依循概念載體的引導,借助數據融合、模型集成等手段,實現“實體資源”與“概念知識”并重的地理學綜合性研究.

　　1.3地理學復雜性特征及研究需求

　　在復雜性科學、復雜性巨系統等概念提出后,國內外關于地理學復雜性的探討就已經開始(錢學森等,1990;成思危,1999).通過借鑒復雜性科學的概念,研究者們認為地理系統也是一個復雜系統,因此需要超越以“還原論”為基礎的傳統地理學方法論,探索更具系統性的研究方法(甘國輝和楊國安,2004;O’Sullivan,2004;Portugali,2006;李雙成等,2010),并且開展了基于復雜性理論的地理學研究與應用(徐德軍,2013;劉海猛,2014;陳雪婷,2015).在此基礎上,宋長青等(2018)思考和總結了新時代地理學的特征與挑戰,認為復雜性已經成為地理學的第三特征.

　　2地理建模與模擬系統應對地理學特征研究的能力分析

　　地理模型是地理對象與地理現象的重要表達形式;地理建模是對地理實體、地理事件、地理過程以及地理機理進行抽象與表達的過程,是現代地理學研究的重要方法;地理模擬可以用于反演過去、預測未來、模擬過程、揭示規律,是拓展GIS地理分析能力的重要手段.傳統意義上地理模型包括了數據模型(如矢量模型、柵格模型、面向對象模型、時空數據模型等)與分析模型(如空間分析模型、時空統計模型、機理過程模型、智能體模型等)(Chen等,2018a)。

　　此外,為了橋接數據模型與分析計算,各種計算網格模型(如結構網格、非結構網格、混合網格、嵌套網格等)被提出(Chen等,2018b).目前,各類地理模型已經被用于應對地理學特征的探索和研究.例如,高精度曲面建模方法(HASM)被提出用于不同尺度區域地表要素曲面建模和生態環境要素的表達,從而服務于地理學區域性研究;通過綜合地球表層系統的全局宏觀信息和微觀細節信息,推動了地球表層系統的綜合性模擬與分析;HASM方法從系統論出發,提出了生態環境曲面建模基本定理,探索了地球表層系統及其生態環境要素模擬過程中相關復雜性問題(如尺度問題和誤差問題)的解決途徑(Yue,2011;YueTX等,2016;岳天祥等,2020).

　　聚焦于地理機理與規律的挖掘,本文所指的地理模型主要指分析模型,地理建模與模擬系統也主要指地理分析模型構建與應用的地理學研究系統工具.隨著研究的深入,研究者已經開發了諸多地理建模與模擬系統,而這些系統在模型資源、建模流程和運行架構上都各有不同.在多角度總結地理建模與模擬系統的特征及其異同點的基礎上。

　　3地理建模與模擬系統的發展方向

　　地理建模與模擬系統雖然是計算機軟件系統的一類典型,但是其構建主旨是服務于地理學問題的探索與求解,其靈魂是地理分析模型的構建與應用.因此,發展地理建模與模擬系統,除了順應IT技術、軟件技術發展的趨勢,更重要的是圍繞地理學的基本特征,根據特征需求以及現有地理建模與模擬系統應對地理學特征研究的不足,總結地理建模與模擬系統的發展方向并推動其不斷前進.

　　4地理建模與模擬系統實現架構設計

　　面向新時代地理學特征的地理建模與模擬系統實現架構如圖3所示.在發展方向的引導下,地理建模與模擬系統需要從地理模擬資源服務化共享與重用、協 作式地理建模、開放式地理模擬三個方面進行系統實現架構的設計.

　　4.1地理模擬資源服務化共享與重用方法研究

　　針對區域問題多樣性的地理建模與模擬系統發展方向,需要圍繞模擬資源的服務化共享與重用進行系統架構設計.地理模擬資源(包括模型資源、數據資源以及計算資源)是建模與模擬的基礎,其服務化共享與復用主要包括:地理模擬資源的分類與描述、地理模擬資源的標準化封裝以及地理模擬資源的服務化調用.

　　地理論文投稿刊物：地理信息世界是測繪地理行業優秀的期刊，期刊學術水平較高，影響因子躋身全國測繪類名刊行列，主要是促進國內地理信息科學技術及產業的快速發展。

　　5總結

　　系統工具的發展,一方面受到研究需求的驅動,另一方面推動著研究能力的提升.地理學特征研究的需求引領了地理學科學研究手段及工具的革新,同時也給相關的軟件系統提出了新的挑戰.地理建模與模擬系統作為地理學研究主要的工具之一,已經得到了廣泛的重視,但是如何評價地理建模與模擬系統的廣泛適應性及效能尚沒有定論.本文從地理學特征——區域性、綜合性、復雜性出發,剖析了新時代地理學特征研究的根本需求,以此來推動地理建模與模擬系統的架構與設計,以期反作用于地理學相關研究,從而為新時代地理學發展提供重要的技術手段支撐,為新一代地理模擬器的構建奠定基礎.

　　參考文獻

　　陳發虎,傅伯杰,夏軍,吳鐸,吳紹洪,張鐿鋰,孫航,劉禹,方小敏,秦伯強,李新,張廷軍,劉寶元,董治寶,侯書貴,田立德,徐柏青,董廣輝,鄭景云,楊威,王鑫,李再軍,王飛,胡振波,王杰,劉建寶,陳建徽,黃偉,侯居峙,蔡秋芳,隆浩,姜明,胡亞鮮,馮曉明,莫興國,楊曉燕,張東菊,王秀紅,尹云鶴,劉曉晨.2019.

　　近70年來中國自然地理與生存環境基礎研究的重要進展與展望.中國科學:地球科學,49:1659–1696陳旻,盛業華,溫永寧,陶虹,郭飛.2009.

　　語義引導的圖標式地理概念建模環境初探.地理研究,28:705–715陳雪婷.2015.

　　旅游地域系統的復雜性研究.博士學位論文.長春:東北師范大學程昌秀,史培軍,宋長青,高劍波.2018.地理大數據為地理復雜性研究提供新機遇.地理學報,73:1397–1406

　　程國棟,肖洪浪,傅伯杰,肖篤寧,鄭春苗,康紹忠,延曉冬,王毅,安黎哲,李秀彬,陳宜瑜,冷疏影,王彥輝,楊大文,李小雁,張甘霖,鄭元潤,柳欽火,鄒松兵.2014.黑河流域生態-水文過程集成研究進展.地球科學進展,29:431–437

　　作者：陳旻1,4,5,閭國年1,4,5*,周成虎2,4,林琿3,馬載陽1,4,5,樂松山1,4,5,溫永寧1,4,5,張豐源1,4,5,王進1,4,5,朱之一1,4,5,許凱1,4,5,何元慶1,6