数量地理学及其在地理信息时代的发展

李龙 陈龙乾 赵建林 李媛媛 李翌晗

（1.中国矿业大学环境与测绘学院 江苏徐州 221008；2.中国矿业大学国土资源研究所 江苏徐州 221008）

数量地理学及其在地理信息时代的发展

李龙1，2陈龙乾1，2赵建林1，2李媛媛1，2李翌晗1，2

（1.中国矿业大学环境与测绘学院 江苏徐州 221008；2.中国矿业大学国土资源研究所 江苏徐州 221008）

数量地理学将数量方法引入了地理学研究，革新了地理学的传统研究方法。经过半个多世纪的发展，数量地理学研究的内容与应用的领域不断地扩展。在地理信息时代，数量地理学将会以地理信息系统、遥感、非线性科学等现代技术与理论的支持下，不断地发展与完善。

数量地理学（计量地理学）；数量方法；地理信息系统；遥感；非线性科学

1.引言

近代地理学的学派之争引来了现代地理学发展史上轰轰烈烈的数量革命，而数量革命也最终产生了一门新的地理学分支——数量地理学。数量地理学（也称为“计量地理学”）是应用数学方法与理论研究地理学方法论的地理学分支，其运用统计推理、数学分析、数学程序和数学模拟等数学工具以及计算机技术，分析自然地理和人文地理的各种要素，以获取有关地理现象的结论与规律[1]。地理学中的数量方法革新了地理学的方法论，使地理学进一步准确化、科学化。地理学过去发展缓慢，在很大程度上是由于长期地停留描述地理现象阶段。没有用数值表达地理要素，没有建立解决问题的数学模型，地理学就不能处理海量的地理数据，更不能从复杂的地理现象中提取出有用的规律。数量方法的应用不仅是对传统地理方法的补充与发展，也是地理方法论上质的飞跃。

19世纪40年代以来，以计算机技术高速发展为特征的信息革命标志着信息时代的开始，而随后计算机技术与数量革命的有机结合为人类开启了一个新的信息时代——地理信息时代。在地理信息时代，地理信息系统、遥感等地理信息技术几乎渗透到人们的日常生活的各个方面，并悄悄地改变了人类的生产、生活甚至思维方式。与此同时，数量地理学也把握机遇并成功地地理信息时代与地理信息系统、遥感技术与非线性科学相互影响，迎来了它新的发展。

2.数量地理学与地理信息技术、理论

2.1 数量地理学与地理信息系统。GIS（Geographic Information System）是在计算机硬软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、模拟、分析、显示和描述的技术系统[2]。GIS的形成和发展使地学的研究方法产生了革命性的变革，它将传统的手工方式进行的单一的、静态的定性描述为主的分析方法推进到半自动化的多时相、多数据源、时空结合、定性与定量相结合的综合技术手段，提供了利用地理空间先进的信息工具，促进了地理学向地理信息学发展[3]。数量地理学中的数学方法只有与GIS技术相结合，才能不断提高其应用层次与水平，不断扩展其应用领域。而GIS也只有与数学方法（尤其是数量地理学中的数量方法）结合才能够在GIS建立各种模型来解决复杂的地理问题。

2.1.1 提供海量数据。GIS是一个集数据采集系统与数据库管理系统与一身的技术系统，并且通过基于Internet的WebGIS能够发布、分享、交换各种地理数据解决了数量地理学数据来源问题，同时GIS拥有的强劲的计算方法与计算机程序使数量地理学得计算能力有了本质上的飞跃。

2.1.2 空间分析功能。空间分析是GIS的核心功能，是基于空间对象的属性、分布、形态及其空间关系调整的空间数据分析技术。数量地理学的主要任务便是分析地理要素的空间分布、构成及其行为，GIS的定量的空间分析功能很好的满足了数量地理学的这一要求，并使得数量地理学的分析更加具有说服力。

2.1.3 建立数学模型。GIS的各种空间分析模型具有分析、模拟、仿真、预测、规划、决策、调控等强大功能，可用以解决一系列复杂的地理问题；这与数量地理学通过数学方法建立模型解决问题的要求是一致的，而且都是利用数学方法来建立空间分析模型。GIS与数量地理学在建模方面可以相辅相成，共同促进。

2.2 数量地理学与遥感技术。遥感是不接触物体本身，从远处通过仪器（传感器）探测和接受来自目标物体的信息，经过信息传输、加工处理及分析介意，识别物体和现象的属性及其空间分布等特征与变化规律的理论与技术[4]，具有周期短、速度快、获取信息量丰富的特点。遥感是随着空间技术、计算机技术、信息技术等高新技术迅速发展以及地学、资源、环境等学科发展发展的需要，形成的一门交叉科学技术，是地理信息时代最重要的组成部分之一。数量地理学与遥感技术作为现代地理学中两个重要的组成部分，两者也有着密切的联系。

2.2.1 研究目的。从遥感的定义可知，遥感的目的是识别地理对象的属性及其空间分布特征与变化规律，具体来说是地理对象的大小、形状及空间分布特点、属性特点、变化动态特点。而数量地理学的出现就是为打破区域学派的观点，其目的就是通过数量方法来建立地理模型并以此提取出包含在复杂的地理现象中的地理规律。遥感的各种特点也更好的为数量地理学挖掘地理规律服务。

2.2.2 区域研究。遥感可以宏观观测，大范围获取数据资料，一幅TM图像，其覆盖面积可达三万多平方公里，这为数量地理学在地球资源与环境的区域性研究提供重要的数据源。此外，遥感还可以动态监测，快速更新监控范围数据，即通过不同时相对同一地区进行遥感观测，提取和动态分析变化信息，满足了数量地理学对同一地理要素进行地理过程变化的研究。遥感大范围、不同时相获取数据为数量地理学进行区域研究提供可能性，这是其他技术所不能比拟的。

2.3.3 数学方法。遥感技术应用的前提是从遥感图像中提取出有效的遥感信息。遥感信息提取主要包括遥感图像预处理与遥感图像分类，这里面涉及到众多的数量方法。遥感图像预处理中，无论是几何校正、辐射校正还是图像增强、变换等，都需要建立变换函数（数学模型），确定相应的参数才能够进行下一步的实际操作。而遥感图像分类，不论是传统的监督分类、非监督分类还是新的决策树分类、面向对象分类、神经网络等，都引入了许多的数学方法与理论，如距离判决函数、聚类分析技术、模糊数学。在数量地理学中，这也是常见的数学方法，两者可以相互借鉴。

2.3 数量地理学与分形地理。地理学的研究对象是地球表层，而地球表层是集成自然环境与人类社会的一个开放、非线性的复杂系统，系统之间的组成存在非线性的相互作用。非平衡性、非线性、多尺度、突变性、随机性、自组织性、自相似性等特性正是复杂系统的特点，也是非线性科学研究的焦点。非线性科学是研究非线性现象共同规律的交叉学科，一般包括孤立波，混沌，分形三个内容。分形理论是数量革命之后孕育并发展起来的，其创始人是法国数学家 Mandelbrot。分形地理开辟了地理研究的新方向。它作为一种新的数量方法，也沟通了传统地理的景观研究、生态研究和区域研究等分支[5]。分形地理作为一种地理研究方法，目前已经广泛的应用于自然地理（南京师范大学朱晓华博士）与人文地理（北京大学陈彦光博士）的研究当中。

3.数量地理学在地理信息时代的发展

数量地理学发展初期主要是运用一般的统计分析方法，对地理要素进行定量分析；但随着地理学研究中逐步使用计算机，并把多元分析、随机过程引入研究领域；现代化的空间信息技术以及非线性科学等系统理论的推广，数量地理学现在又处于一个新的突破边缘，其发展趋势可归纳为以下几点。

3.1 数量地理学与生产实践进一步紧密结合。生产发展的实际需要以及新技术的应用使得地理学领域发生了一系列的巨大变化，地理学不再仅仅“纸上谈兵”，只注重理论研究，而是研究与回答生产中遇到的问题，将理论研究取得的成果转换为生产力，为生产实践服务。Satapathy等[6]在印度中部某地区地表水中金属的空间分布及其可信源的研究中，利用克里金差值方法估计不同金属的空间分布，运用主成分分析方法建立金属污染的空间模式与GIS环境下的区域地质的相关性。Sehnaz Sener等[7]利用GIS的空间分析功能，并利用层次分析法确定众多因子权重，研究土耳其某盆地固体垃圾处理厂的选址问题。

3.2 数量地理学迅速向全新的地理计算学发展。20世纪90年代，地理学研究方法的一个重要进展便是地理计算学（GeoComputation）的出现，它应用计算方法与技术求解复杂的地理问题。第一届地理计算国际会议便于 1996年在英国利兹大学举行，至今已举办过10次[8]。地理计算可被概括为三个组成部分：地理数据、现代计算技术以及高性能的计算机硬件[9]。地理计算的产生对于地理学发展的影响不亚于GIS的出现，其发展源流之一是数量地理学，因此有学者指出地理计算将是未来定量地理学的一种发展趋势[10]。地理计算虽然现在发展不成熟，但已经在空间相互作用、人口与人群、城市演变动力学等研究领域取得了一些成果[11]。可以肯定的是地理计算学的发展将会为地理学的基础研究和应用工作提供更为强大的数理分析工具。

3.3 分形地理将革新数量地理学。1976年，在莫斯科举行的第23届国际地理学大会解散了CQMG，在一定程度上不得不说这是数量地理发展史上的遗憾。随着分形理论的发展，许多学者开始了地理学的分形研究，有学者认为这是数量运动的失败[4]。但分形地理研究提取相关的地理信息，分析地理分形系统，建立分形模型，测算分形维数，因此分形地理学本质上也是一种量化研究，是一种更具有实质意义的地理学数量运动。大量的地理现象与地理理论告诉我们，地理研究实质上就是进行地球表层的分形研究，地理学因此可被视为关于地理分形研究的科学。自然世界与人类社会都是充满分形体的复杂、非线性系统，利用分形理论有助于我们探索其中的地理规律，解决好资源、环境与人口问题。因此，无论是学科发展，还是社会需求，地理分形研究将革新数量地理学，很有可能成为未来地理学的主流方向之一。

4.总结

数量地理学的产生与发展对于整个地理学科产生了巨大的影响，它让地理学实现了由单纯的理论化向数量化的转变，它以严密的逻辑和明确的数学模型描述复杂的地理问题，传递丰富的地理思想。虽然在其发展的过程中，遇到过质疑与挫折，但是对于数量地理学本身需要给予一个客观公正的评价，不能走向两个极端——极力支持或全盘否定。

地理信息时代也是一个不断发展的过程。随着 Google Earth、MSN Virtual Earth、下一代互联网、Web2.0、网格计算和云计算技术的出现，一个新的地理信息时代悄然而来[12]。但是数量地理学作为地理学中的一种方法论，并不会因此而销声匿迹，它反而会不断地发展或以新的面孔出现在新的地理信息时代里——这也是每一位数量地理工作者共同面对的问题，必须承担的责任。只有主动思考、积极应对这一时代变化，才可以将数量地理学这一学科更好地发展下去。

[1]张超，杨炳庚.计量地理学基础[M].高等教育出版社，2002.

[2]张海荣.地理信息系统原理与应用[M].中国矿业大学出版社，2008.

[3]许淑娜，杨令宾.数量地理方法对地理学发展的影响[J].经济地理，2006增刊，P10-13.

[4]杜培军.遥感原理与应用[M].中国矿业大学出版社，2006.

[5]陈彦光.地理学：数量运动的失败与分型研究的崛起[J].信阳师范学院学报（自然科学版），1999（12），P310-314.

[6]D. R. Satapathy，P. R. Salve，Y. B. Katpatal.Spatial distribution of metals in ground/surface waters in the Chandrapur district （Central India） and their plausible sources[J].Environmental Geology，2009（56），P1323-1352.

[7]Sehnaz Sener，Erhan sener，Remzi Karagüzel.Solid waste disposal site selection with GIS and AHP methodology：a case study in Senirkent–Uluborlu（Isparta）Basin，Turkey[J].Envrionmental Monitoring and Assessment，2010.

[8]www.geocomputation.org.

[9]Openshaw S R J.Abrahart（Eds）. GeoComputation[C].New York：Taylor &Francis，2000.

[10]毛政元，李霖.The developing tendency of quantitative geography GeoCom putation[J].华中师范大学学报（自然科学版），2003（1），P111-114.

[11]刘妙龙，李乔，罗敏.地理计算——数量地理学的新发展[J].地球科学进展，2000（6），P679-683.

[12]李德仁，邵振峰.论新地理信息时代.中国科学F辑：信息科学，2009（6），P579-587.

Quantitative Geography and Its Development in Geo-information Age

Quantitative Geography introduced quantitative methods into geographical research and renovated the traditional research methods of geography.Over half century of development has broadly expanded its research extents and application fields. Quantitative geography will continually advance and improved with support of modern technologies and theories such as geographic information system，remote sensing and nonlinear science in geo-information age.

Quantitative geography; Quantitative Methods; Geographic Information System; Remote Sensing; Nonlinear Science

李龙（1986-），男，湖南浏阳人，中国矿业大学自然地理学硕士，研究方向：遥感与GIS应用。陈龙乾（1964-），男，江苏阜宁人，中国矿业大学教授，博士生导师，研究方向：国土开发与整治、土地规划与利用、遥感与GIS应用、不动产经济与政策。

2010-10-16