第一章绪论

第一章绪论

地理学的发展阶段 • 地理学在中国战国前后的古希腊、古罗马时代开始萌芽，至今已有2000多年的发展历史。地理学的发展可划分为三个基本阶段： • 古代地理学，以记载地理知识为主体； • 近代地理学，对各种地理现象进行条理化归纳，并对它们之间的关系进行解释性描述； • 现代地理学，采用定性与定量相结合的方法，规范研究与实证研究并举，解释各种地理现象的内在机制并预测其未来演变。

地理学与数学的不解之缘 • 古代地理学和近代地理学中的数学方法限于定量地描述、记载和解释。 • 现代地理学中运用数学方法，是为了深入地进行定量化研究，揭示地理现象发生、发展的内在机制及运动规律，从而为地理系统的预测及优化调控提供科学依据。

本章主要内容： • 计量地理学的形成和发展 • 计量地理学的主要内容 • 对计量地理学的评价 • 计量地理学的应用

第一节计量地理学的形成和发展 • 现代地理学发展史上的计量运动 • 计量地理学的发展阶段 • 现代地理学的数学方法在中国的发展

一、现代地理学发展史上的计量运动 近代地理学有三种主要学派: • 区域学派,代表人物是赫特纳（A.Hettner）、哈特向（R.Hartshorne)。 • 人地关系学派，代表人物是洪堡（Alexander Von Humboldt）、李特尔（Karl Ritter）、李希霍芬（F. Richthofen）等。 • 景观学派，代表人物是施吕特尔（O. Schlüter）等。

计量运动的萌芽 德籍旅美地理学家舍弗尔（F.K. Schaefer），1953年发表了一篇题为“地理学中的例外论”的文章，抨击了哈特向的地域独特主义观点，即“例外主义”观点。他认为，地理学应该是解释现象，而不应该是罗列现象。解释现象必须有法则，应该把地理现象看成是法则的实例。地理学的目的应该与其他科学有相似之处：都是追求、探索法则的。舍弗尔等人对区域学派的批评与否定，拉开了现代地理学发展史上的计量运动的帷幕。

早期计量运动的三种学派 计量运动主要是由美国地理学家发起的，形成了三大学派： • 衣阿华的经济派。代表人物是舍弗尔、麦卡尔蒂。受杜能、廖什、克里斯泰勒等区位论学者影响很深，极力倡导建立地理学法则，着重探讨经济区位现象间相互内在联系及其组合类型。 • 威斯康星的统计派。代表人物是威弗尔、罗宾逊、东坎和仇佐里，以经典著作《统计地理学》为代表作，主要特征是发展和应用统计分析方法。 • 普林斯顿的社会物理学派。代表人物是司徒瓦特(J.Q. Stewart)。该派把物理学原理应用于社会现象的研究之中，发展了理论地理学中的引力模型、位势模型、空间相互作用模式。

计量运动的飞速发展 • 加里森(William L. Garrison) 及其领导的华盛顿小组首次把地理学的理论和方法建立在定量的基础上，编定了第一本《计量地理学》教材，率先在华盛顿大学举办了地理计量方法研讨班，培养了大批现代地理学名家。 • 美国区域科学协会协会组织了大量的学术活动，编辑出版了《区域科学年鉴》，成为美国计量运动的源地之一。瑞典学者哈格斯特朗积极组织瑞典和美国的地理学家交流学术思想，大大促进了计量运动向全世界的扩散。

计量运动中涌现的著名学派、组织和学术刊物 • 英国以乔莱（R.J. Chorley）、哈格特(P. Haggett)和哈威(D. Harvey)等为代表的剑桥学派； • 1964年国际地理学联合会(IGU)设立的地理计量学方法委员会； • 1967年英国地理学会设立的地理教学采用模型和计量技术委员会； • 1968年日本成立的计量地理学研究委员会，1973年又改称理论、计量地理学委员会； • 1963年英国出版的《地理学计量资料杂志》和1969年美国出版的《地理分析——国际理论地理学》杂志。

二、计量地理学的发展阶段 • 第一阶段（20世纪50年代末到60年代末期）把统计学方法引入地理学研究领域，构造一系列统计量来定量地描述地理要素的分布特征，应用各种概率分布函数、方差等简单的统计特征回归分析方法。分布中心、区域形状、地理要素分布的集中和离散程度等都有了定量指标，许多地理要素间的相关关系，也可以进行定量地表示。

第二阶段（20世纪60年代末期到70年代末期） 多元统计分析方法和电子计算机技术在地理学研究中广泛应用。以电子计算机技术为手段，许多地理学家熟练地掌握了多元统计方法，具备了分析多因素、复杂结构和动态特征等复杂地理问题的能力。

第三阶段（20世纪70年代末期开始到80年代末期）第三阶段（20世纪70年代末期开始到80年代末期）系统理论、系统分析方法、系统优化方法、系统调控方法等被引进了地理学研究领域，促进了运筹学中的规划方法、决策方法、网络分析方法，以及数学物理方法、模糊数学方法、分形几何学方法、非线性分析方法等一系列现代数学方法的形成。同时GIS技术的发展为其提供了先进的技术手段支持。

第四阶段（20世纪90年代初至今） 按照英国著名地理学家、里兹大学S·奥彭肖(S. Openshaw)教授的提法，90年代初进入计算地理(Geocomputational Geography)时代。得益于计算机技术与计算理论和方法的巨大发展和3S技术在获取大容量、整体性地理数据信息中的成功应用，以向量或并行处理器为基础的超级计算机为工具，对“整体”、“大容量”资料所表征的地理问题实施高性能计算，探索构筑新的地理学理论和应用模型。

除继续应用20世纪80年代中叶以来在地理学模型研究中成功引入的突变、自组织、混沌、分支、分形等模型外，地理计算学又成功的引入了神经网络（neural network)、遗传算法模型（genetic programming）、细胞自动模型（cellar automata）、模式参数随机取样模型（random sampling of model parameter）、模糊逻辑模型(fuzzy logic)、改进了的地理加权回归（geographically weighted regression）等先进方法。

三、计量地理在中国的发展 • 20世纪50年代末，一些大学开设运筹学课程，《地理学报》等刊物上开始出现运用有关数学方法研究地理问题的论文。 • 70年代末80年代初，计量地理学正式起步。1980年5月，《计量地理学》被列为全国综合大学地理系和高等师范大学地理系的专业课；中国地理学会于1983年召开数量地理研讨会；1984年和1985年，正式出版了教材《计量地理学概论》（林炳耀编）和《计量地理学基础》（张超、杨秉庚编）。 • 20世纪80年代后期以来，地理数学方法的应用与系统科学、系统分析方法以及GIS技术有机地结合起来。

第二节计量地理学中的数学方法 经过40多年的发展，计量地理学不断完善、不断成熟。目前，计量地理学中的数学方法，已经涉及到数学及其相关学科的各个领域。它不但继承了计量运动的成果，而且还吸收了40多年以来数学、系统理论、系统分析方法、计算机科学、现代计算理论及计算方法等领域内的有关成果，其内容是十分丰富而广泛的。

第三节对计量地理学的评价 对于计量地理学，产生了三种观点： • “反定量化”——反对地理学定量化研究，认为地理现象十分复杂，不能用简单的数学方法来解释，对数学方法采取拒绝和否定态度。代表人物：史密斯（David Smith）、奥格登(Philip Ogden)等。

“定量化”——推崇地理学定量化，认为数学方法不仅是一种分析技术，而且能够导出普遍性规律，能够解决地理学传统研究方法所不能解决的理论问题。代表人物如克里斯塔勒（W. Christaller）、帮吉(W. Bunge) 乔莱(R. Chorley)、哈格特(P. Haggett)等。 • “非定量化”——认为数学方法只是地理学研究方法之一，只能用来研究地理要素之间的数量关系和地理事物的空间格局，不能用来描述和解释地理规律，不能导出地理学理论，但其观点摇摆不定。

笔者对计量地理学的评价与认识： • 世界上的任何事物都可以用数值来度量。 • 在现代地理学中，传统方法是数学方法的基础，数学方法是传统方法的重要补充。 • 数学方法是人们进行数学运算和求解的工具，能以严密的逻辑和简洁的形式描述复杂的问题、表述丰富的实质性思想。 • 地理学研究中，数学方法有其局限性。 • 现代地理学中数学方法的形成和发展与计算机应用技术密切相关。

第四节计量地理学的应用 • 应用方面 • 应用中应该注意的几个问题

一、数学方法主要应用方面 • 分布型分析--对地理要素的分布特征及规律进行定量分析。 • 相互关系分析--对地理要素、地理事物之间的相互关系进行定量分析。 • 分类研究--对地理事物的类型和各种地理区域进行定量划分。

网络分析--对水系、交通网络、行政区划、经济区域等的空间结构进行定量分析。 • 趋势面分析--做出地理要素的趋势等值线图，展示所要分析的地理要素的空间分布规律。 • 空间相互作用分析--定量分析各种“地理流”在不同区域之间流动的方向和强度。

系统仿真研究，步骤： ①　对复杂地理系统的各种系统要素之间的相互关系与反馈机制进行分析，构造系统结构； ②　建立描述系统的数学模型； ③　以适当的计算方法与算法语言将数学模型转化为计算机可以识别运行的工作模型； ④　运行模型，对真实系统进行模拟仿真，从而揭示其运行机制与规律。

过程模拟与预测研究, 通过对地理过程的模拟与拟合，定量地揭示地理事物、地理现象随时间变化的规律，预测其未来发展趋势。 • 空间扩散研究,定量地揭示各种地理现象，包括自然现象、经济现象、社会现象、文化现象、技术现象在地理空间的扩散规律。

空间行为研究，主要是对人类活动的空间行为决策进行定量的研究。 • 地理系统优化调控研究,运用系统控制论的有关原理与方法，研究人地相互作用的地理系统的优化调控问题，寻找人口、资源、环境与社会经济协调发展的方法、途径与措施。 • 地理系统的复杂性研究。地理系统是高度复杂的巨系统，其复杂系统研究已经引起了国际地理学界的高度重视。

二、应用中应该注意的几个问题 • 地理数据的筛选与质量检验问题地理数据在建模分析中的作用： ①确定模型中的参数与初值； ②检验模型的正确性、合理性和有效性。 • 模型的建造问题

建模程序[威尔逊，英国] • 建造一个数学模型，首先必须明确建模的目标； • 地理问题—即所研究的对象系统； • 在各类变量中必须明确哪些变量是可控变量，即通过对哪些变量的调控可以使系统的行为发生改变； • 在模型中，如何处理时间概念，即认为被研究的对象系统是无记忆系统还是记忆系统，是建立静态模型还是建立动态模型；

所建模型将采用什么观点、解决哪些理论问题，与此问题有关的建立模型的基本假设，以及所依据的理论，将要解决的问题等都将直接或间接地体现在模型之中； • 能用于建模的有关数据、资料是什么，可能性如何，应采用何种建模技术，有现成的技术方法可供借鉴还是需要建造新模型，采用什么方法确定模型的参数； • 所建模型的精度及该模型的合理性和有效性如何，采用什么方法和手段检验所建模型。

数学方法和GIS的结合： • 研究一些复杂的地理问题，需要综合应用多种数学方法，建立一系列具有分析、模拟、仿真、预测、规划、决策、调控等多种功能的众多模型组成的模型系统。这些模型系统离不开GIS的支持。 • GIS的基本技术及建造空间分析模型需要借助有关的数学方法来实现。近几年来出现的基于知识的空间决策支持系统（苏理宏等，2000）就是数学方法、人工智能技术与GIS技术在地理学应用研究领域中相互结合的成功典范。

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