解读地理遥感信息模型及其启示——兼记马蔼乃教授的科学精神

  • 卢伟伟 (资源与环境学院)
  • 创建于 2007-07-13
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地理遥感信息模型是马蔼乃教授最早于1993年提出的。地理遥感信息模型以地理现象本身的特征为出发点,综合运用了遥感、遥测、卫星通讯、计算机、地理信息系统等技术,通过地理知识定量化掌握地理规律。地理遥感信息模型是由理论地理上升为地理系统工程的“桥梁”,具有理论和实践价值。
 
地理遥感信息模型与其他地理模型的最大不同点在于:它从地理现象本身的特征出发,反映了地理现象的特征,具有明确的地理意义。第一,模型反映了地理现象的非线性。地理现象大多是非线性的,像自然界的水循环,生态系统的能量流动等。②式是地理遥感信息模型的一般式,是指数方程而不是线性方程,与地理现象的非线性相一致。 第二,模型反映了地理现象的复杂性。以土壤含水量为例,不同地区、不同季节的含水量不同,土壤质地、结构、有机质含量、作物种类、地形、降水、灌溉等因素都会影响其值的高低。因此,地理的每个圈层都是复杂的巨系统,地理现象具有复杂性。②式中的a0是地理系数,a0种包含了未被提取的相似准则,是个“黑箱”。这些未被提取的因子可能尚未被人类认识,也可能无法量化表达。因此,②式为灰色方程,是确定性和不确定性相结合的复杂方程,与地理现象的复杂性相一致。第三,模型反映了地理现象的相似形。地理中的很多现象具有相似性,有相似的现象,必定能够找到相似准则。马蔼乃教授根据物理学中量纲分析的原理,突破厘米/克/秒制,在更广的范围内建立了地理相似准则。地理遥感信息模型就是利用地理相似准则建立起来的,与地理现象的相似性一致。第四,模型反映了地理现象的区域性。各种地理现象因地而异,因此产生了气候带、植被带、土壤带等。地理遥感信息模型是像元对像元的点点运算,同一现象,不同地区的πy,πx1,πx2,…,πxn数据不同,最后所求得的a0,a1,a2,…,an不同,所建模型不同。这就避免了调整参数扩大模型应用范围的问题。第五,模型反映了地理现象的时序性。各种地理现象因时而异,表现出动态性。通过输入相应的数据,地理遥感信息模型可以重现过去、预测未来,具有时序上的延展性。
 
徐光宪院士称钱学森院士为五维战略科学家。五维即高度、深度、宽度、远度、难度。现从这五个维度解读马蔼乃教授的地理遥感信息模型。
 
第一,高度。指的是哲学高度。地理遥感信息模型是方程和统计的结合,抽象思维和形象思维的结合,形式逻辑和类比逻辑的结合,必然性和偶然性的结合,确定性和不确定性的结合,还原论和整体论的结合,一义序和二极序的结合,东方文化和西方文化的结合,突破了还原论,引进了地理相似准则,实现了辩证逻辑的计算。
 
第二,深度。一方面,哲学的高度反映了模型本身所运用基础理论的深度。另一方面,数学深度。地理遥感信息模型的推导过程在逻辑上是成立的,由于模型的证明涉及的数学知识高深且广泛,尚未得到理论证明。在应用时通过实测数据进行验证。因此,模型所要求的数学深度已超过了目前数学的研究深度。
 
第三,宽度。地理遥感信息模型中的无量纲因子团没有限定必须是自然因子或是社会因子、经济因子。②式允许各种学科的因子团作为相似准则,是跨各类学科的定量计算方法。模型不仅可以应用于地理中的部门和区域地理,还可应用于物理、经济等学科,具有很强的一般性和宽广的应用领域。
 
第四,远度。地理遥感信息模型可以用于重现过去和预测未来,具有时序上的延展性。模型可以用于农作物产量估产,全球气候变化预测,区域经济发展格局推演,沙漠化扩张范围预演等。模型时序的延展性有助于进行过去、现在、将来地理现象的对比及对策的制定。
 
第五,难度。一方面,地理遥感信息模型是马蔼乃教授在建立了大量具体模型基础上,像《塔克拉玛干沙漠风沙流定量研究》、《土壤侵蚀因子的信息提取及建模应用》、《柳河地区土壤侵蚀定量分析》等,继承前人的研究成果,经过理论推导而得出的。模型的建立花费了大量的精力和心血。另一方面,应用地理遥感信息模型同样具有难度。不论是数据的整备,相似准则的确定,还是计算机软件系统的实现都不是容易的事。
 
五维解读是认识地理遥感信息模型的一种方式,基本概括了模型的特点。由于模糊数学、混沌分形、灰色系统、软件系统构建、中国古代哲学等相关背景知识的缺乏,本人对地理遥感信息模型还没有很完全的理解,对其解读难免存在不足之处。
 
对马蔼乃教授的地理遥感信息模型的学习使我掌握了具体的知识,更重要的是给予了我思想上的启示。“科学需要人的全部生命”—— 巴浦洛夫。马蔼乃教授就是这样做的。她将生命奉献给了科学事业。北大地理系毕业后,她首先进行了水文与地貌的跨学科研究;1975年开始研究遥感信息,进行数学、物理、计算机、地理的跨学科研究。此领域,先后出版了《遥感概论》、《遥感信息模型》、《遥感与地理信息科学》;1990年开始研究天地人信息复杂巨系统,进行自然科学与社会科学的跨学科研究。她的一生是在地理学科探索的一生。她始终站在地理学科发展的前沿,高瞻远瞩,为地理学指明了发展的方向。
 
“淡泊以明志,宁静以致远”马教授摆脱了世俗名利的束缚,一心只追求科学的真理,如此崇高的人生观和价值观是我们每位学子所应培养的。作为一位地理学家,马教授治学是非常严谨的。课堂上,她能够敏锐的发现学生的不严谨表述并给予纠正,像“生态环境系统”,“钱学森提出的智慧圈”、“地理(球)信息系统”。
 
第一,知识的相互贯通性。正如世界上的一切事物具有普遍联系性,各类知识是相互贯通的。不论是自然科学内部还是自然科学和人文科学之间,这种知识贯通性都是无处不在的。目前的交叉学科研究也正体现了这一点。
 
马蔼乃教授提出比较完善的地理遥感信息模型与其渊博的知识是分不开的。马蔼乃教授是位地理学家,但她同时对哲学、物理、数学、计算机技术、人脑及思维科学、东西方文化有所研究。地理遥感信息模型正是她积累沉淀的广博知识的升华。地理相似准则源于物理学的相似准则;地理遥感信息模型的相对普适性与马蔼乃教授的哲学修养密切相关,等等。
 
第二,敢于打破常规,敢于创新。创新是继承和发展的辩证统一,继承是扬弃的过程,发展是打破常规,实质的创新过程。马蔼乃教授在地理遥感信息模型中首次提出了地理形似准则,首次实现了辩证逻辑的计算,首次建立了复杂性方程。这些创新是马蔼乃教授在继承前人研究成果的基础上,为解决实际问题发展原有理论而提出的。
 
第三,不浮于表面,从根本上解决问题。任何事物都有表面和本质两个方面。深入认识事物的本质不仅可以锻炼思维,提高解决问题的能力,而且能够从根本上解决问题。马蔼乃教授从地理现象本身的特征出发,经过多年的探索和积累,水到渠成的建立了地理遥感信息模型。正是因为马蔼乃教授从根本上研究地理现象,不浮于表面,才可能真正建立地理学本身的模型。
 
责任编辑:卢伟伟