日志
41王爱民地理学思想史第四篇地理学思想的评述第十五章第一节地理学的计量革命与定量化
|
随着信息时代的到来，大数据必然也会带来地理的改变而地理计量化运动为它奠定了基础。
P292第十五章地理学的计量化、理论化与行为论
受逻辑实证主义和自然科学方法的影响，20世纪50~60年代掀起了一场计量地理革命、理论化、空间模式化运动和行为革命，这场运动在很大程度上推进了地理学的转型。地理学家不再沉迷于区域范式，试图建立理论和模型，应用系统学方法、数学方法、计算机模拟实验等方法去揭示一般性法则和规律。古德尔将20世纪60年代评述为“地理学史中智慧结晶的最伟大的时期”。
P292第一节地理学的计量革命与定量化
数学对科学的意义和神秘性，在西方最早起源于古希腊的毕达哥拉斯学派的思想：世界统一于数之中，世界因数而呈现出美好。开普勒的行星运行三大定律、牛顿的运动方程、薛定谔的波函数方程、爱因斯坦的质能关系公式将数学与物理学完美地结合起来，显赫着“数学”作为科学“皇冠”的地位。物理学家尤金·魏格纳认为，数学在自然科学中具备着难以理解的作用。由于很多原因，科学家和哲学家都难以理解为什么数学理论与实验数据在物理学中出奇得精密，精密到人们不得不相信数学就是深层意义上的科学的自然语言。魏格纳写道：“数学在自然科学中的有用性有时竟然接近神秘的地步，无法对此做出理性的解释。‘自然法则’的存在一点也不自然，人类完全可以发现它们，将物理学定律公式化的数学语言具有一定的神奇性，是我们从未理解并从未接受过的最美好的礼物。”威尔逊指出数学模型中的四种特性：简约性、普遍性、契合性、可预测性。艾克曼曾说：“任何科学的思考、研究，若要达到科学的水准，必须建立一般性概念一一在最准确、最客观的原则下，测定某些现象间最肯定的相互关系。无疑，用计量方式去度量、用统计方法经过数学式逻辑推理，应该是最好的方法。”
一、数学方法在地理学中的应用与发展
普雷斯特·詹姆斯（1982）认为，古希腊地理学有两种地理研究的基本传统：数学传统和文学传统。当时的数学传统主要是与天文学、大地测量、地图学相联系的，马尔萨斯以“人口等比增长、生产资料等差增长”这一初级数学建立了人口学理论。科学计量化系统地开始于统计学方法的形成与发展。地理学用统计概率和相关关系探讨地理要素的关系。受实证主义和自然科学的数学形式化的驱动，出现了对传统地理学限于描述的、“空论的”地理学的反叛，地理学的计量运动应运而生。安布罗斯（Ambrose，1969）在他所著的《分析的人文地理学》中认为，计量革命萌芽相当早，真正开始在20世纪40年代末或50年代初，至1957~~1960年达到最高峰，现在“革命”虽然已经结束，但“计量”却仍在不停地发展。计量运动主要是美国地理学家发起的，早期集中在衣阿华、威斯康星、普林斯顿几所大学。英国在哈格特等领导下，呈现出后来居上的趋势。现代地理学中的数学方法作为一门新的方法论学科，其历史并不算长，但其发展速度和内部升级很快.自20世纪50年代末期以来的计量运动经历了四个发展阶段。
1）初期阶段。从20世纪50年代末至60年代末，主要特点是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，比较普遍地应用各种概率分布函数、平均值、方差、标准差、变异系数等统计特征参数以及简单的两要素间的一元线性回归分析方法，给长期以来只是定性地描述的地理学带来了可喜的变化。
2）中期阶段。在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，具备了分析复杂地理问题的能力。
3）成熟阶段。从20世纪70年代末开始到80年代末期，是现代地理学的数学方法更加完善的阶段，不但包括了概率论与数理统计方法、模糊数学方法、分形几何学方法、非线性分析方法等，而且包括计量经济学中的投入产出分析方法等。更重要的是它与现代系统科学紧密地结合起来，促进了地理学向着更加严密的理论结构和现代化方向发展。同时，电子计算机应用技术的发展，特别是GIS的理论结构和现代化方向发展。同时，电子计算机应用技术的发展，特别是GIS 技术的成熟，为数学方法在现代地理学中的应用提供了更加先进的技术手段支持，从而使其应用的范围更加广阔。
4）与现代数学深度结合阶段。从20世纪90年代初开始，由传统意义上的计量地理学向计算地理学发展，GPS、RS和GIS技术在获取大容量、整体性地理数据信息中的成功应用，在人文、经济、城市地理学的相关研究中发挥了巨大的作用。高性能计算所依赖的计算方法与理论模型，除突变、自组织、混沌、分支、分形等模型外，在地理计算学中占重要地位的还有神经网络、遗传算法模型、细胞自动模型、模式参数随机取样模型、模糊逻辑模型、改进了的地理加权回归模型等。地理计算学的出现与发展对整个地理学科，尤其是人文、经济地理学的理论模型和应用研究，已产生并将继续产生深远的影响。
数学方法不仅是现代地理学研究中的理论演绎与逻辑推理的工具，而且也是定量分析、模拟运算、预测、决策、规划及优化设计的手段，已经被广泛应用于现代地理学的各个分支领域，其主要的应用方面有：①分布型分析。主要是对地理要素的分布特征及规律进行定量分析，如运用平均值、方差、标准差、变异系数、峰度等统计量描述地理要素的分布特征：运用概率函数研究地理要素的分布形态的分形特征等。②相互关系研究。这类研究主要是对地理要素、地理事物之间的相互关系进行定量分析。主要方法有统计相关分析法、灰色关联分析法、回归分析法、投入产出法等。③类型研究。主要是对地理事物的类型和各种地理区域进行定量划分，主要方法有模式识别法、判别分析法、聚类分析法等。④网络分析，主要是对水系、交通网络、行政区划、经济区域等的空间结构进行定量分析，几何学方法和图地方法是常用方法。⑤趋势面分析。运用适当的数学方法计算一个空间曲面，这个空间曲面就称为趋势面。常用方法是回归分析法。⑥空间相互作用分析。主要是定量地分析各种“地理流”在不同区域之间流动的方向和强度。⑦过程模拟与预测研究，通过对地理过程的模拟与拟合，定量地提示地理事物和地理现象随时间变化的规律，从而对其未来发展趋势做出预测。主要方法有回归分析法、时间序列分析法、马尔可夫方法、灰色系统建模法、系统动力学法等。⑧数学方法在空间扩散研究、空间行为研究、地理系统优化调控研究以及地理学系统的复杂性研究等方面有广泛的应用前景。
二、计量革命对地理学的影响与观点评述
早在1963年，伯顿（I.Burton）就在“计量革命及理论地理学”一文中就宜称计量革命已结束。约翰斯顿（R.J.Johnston）和克拉瓦尔（P.Claval）在《自第二次世界大战以来的地理学》（1984）中论述了计量革命对地理学的影响：计量革命使地理学朝向科学的正确方向发展，科学假设、概括化使地理学有了理论特性和预测的功能。地理学从传统的“集中于单一事象的描述和解释”转变为寻求概括化、建立一般法则。而新的概括化地理学则以系统分析为主要研究途径。数学分析与模型的运用极大地提升了地理学的理论水平，使自然地理学和人文地理学同时取得长足进展，自然地理学和人文地理学都由于计量方法与系统分析而享受到可以应用图解形式、内部关系的科学解释、计量论述的便利。同时，对人文与自然的关系提供了正确的观点，也提供了环境和空间系统的数学模式之工作架构。计量革命引入到人文地理学，成为对“空间”研究的新方法，以研究社会空间组织的概括化。人文地理学者对实证主义的最重要反映是把研究的焦点放在“社会福祉的空间变化”上，也就是生活品质的研究。因而热衷于社会和经济变数的图解、解释其结果、考虑其起源和过程，以谋求改进生活品质。自然地理学最大的转变就是从昔日关注于空间形式、类型，转变为对过程、结果的分析。
数学模型、现代系统学和复杂科学理论促进了自然地理学思想的重大转变。各种自然要素、过程、作用关系的模拟推进了精确化、模式化和理论化研究，如土壤侵蚀模型、水文系统大尺度模拟、全球能量转换、物质循环模型、跨界模型、全球模型与区域模型等。动力学系统、环境系统中的非线性现象、混沌行为和攀级日益受到关注。
对计量化的“功”与“过”在地理学界并未完全达成共识，存在两种对立观点。
第一种是推崇地理学定量化的观点。不少学者认为，计量方法发展了地理学的理论，而使其成为理论的、模式建构的、预测的、应用的地理学。用科学的方法建立理论，再由预测来检验理论、修正理论，如此则必须将理论计量化。计量革命所产生的新观念已经逐渐注人地理学的思想领域，成为近代地理学向现代地理学跨越的重要驱动力。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。地理学的定量化实质就是地理学的科学化、现代化，持这种观点的有德国地理学家克里斯塔、美国地理学家邦吉、英国地理学家乔莱和哈格特等。
第二种是逆计量运动之潮流，反对地理学定量化的观点。认为地理现象，尤其是人文、社会现象十分复杂，不能用简单的数学方法来解释。数学方法只是地理学研究的方法之一，它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，但是不能用它来描述和解释地理规律，不能导出地理学理论。安布罗斯曾系统地将反对者的意见归纳为：计量革命根本就是错误观念，将地理学的发展导入歧途（现在这种说法已经消失）；计量方法虽有其功用，但地理学者却已花费太多的时间在改进研究工具上（计量方法也是研究工具），不应再谈计量革命，应该从事于实际的建树（即进行学术研究）；计量技术只适用于某些地理事象，对于不可量度者，这种方法不能适用；计量方法确实为有用的研究工具，然而其使用的方式却不正确，如目的和方法混淆，无法从琐碎中区别显著的现象等（而计量学者认为正是因为变数的繁多和复杂，才需要应用计量方法）（王洪文，1988）。约翰斯顿（Johnston）则批评计量学派的权威没有研究过他们已经深入运用的哲学，一些学者认为，计量地理并不能引起任何科学革命。最好把在20世纪60~70年代的新思潮称之为空间科学学派，而非计量革命或者计量地理学。
大多数地理学者，则坚持一种平衡的、综合性的观点。
①各种地理要素的分布及其间的相互关系均可以用数学方法进行定量分析与研究，可以对地理现象做出确定性解释和精确预测与判断。事实上，人们对哈特向坚持区域论的观点存在误解，理查德·哈特向（1996）曾指出：“要想达到科学知识水准，第一，必须建立类型的概念，这种概念可以应用最高度的正确性和客观性，第二，必须决定各种现象的相关至高度的确定性。假如能用计量方法完整而正确地叙述这些现象，同时这些量度可以根据数学逻辑作统计比较，则上述的两个目的就可以完全达到。”
②传统方法是数学方法的基础，而数学方法是传统方法的重要补充。传统方法与数学方法的有机结合是地理学研究现代化必不可少的条件。伯领指出：“今后地理学研究的方向必须是理论与经验二者并重，不可偏废。理论上的计量知识固然是今后科学发展的方向，然而必须和传统的观察、调查相互结合，也就是在发展数学、计量的理论地理学的同时，也必须发展潜在的创造力、想象力（演绎法），以建立模式。如此，才是正确的途径。”
③任何一种计量方法都有局限性，正确地认识其局限性，并不断地完善。对于复杂地理问题的研究，常常需要将多种方法结合起来使用。大多数的研究工作者都认同先进的统计方法在地理学的一些分支里是有效。而在其他的学科，特别是历史地理学和文化地理学来说则不是那么有效。
④充分利用计算机技术，使数学方法与计算机理论、计算方法和计算机技术相互结合、相互渗透，可有力地推动现代地理学研究的发展和进步。杰弗里·马丁（2008）指出将地理数量化与解释性描述对立的错误：“第二次世界大战后，特别是从1960年以来，存在着一种普遍性的倾向，强调科学与数学，忽视了历史、语文和文献……学术界的摇摆可以从两种基本传统一—数学传统与文学传统之间的相互影响中观察到。把力求规律为目的的数学的运用和以描述为目的的文字的运用对立起来，是极端错误的。事实上，很多情况下数学提供了一种显然更加精确的描述方式，文学形式的论著则可以概念的形成提供激动人心的、具有创新性的思想方法。”
地理学过度计量化的问题引起众多关注。斯坦普（Stamp）注意到计量化过程与政治意识形态有很多相似的地方，某种程度上对于它的追随者而言，这也是一种宗教，而“它的黄金小牛就是计算机”（Its Golden Calf Is Computer）。布鲁克（Broek）对此调侃道，“在天堂与人间之间有更多的事情能安全地委托给计算机做”。甚至计量化的倡导者之一阿克曼（Ackerman，1963）都发出警告：“死胡同和无意义不会因为硬件和符号逻辑的出现而消除。”罗杰（M.Roger）注意到：对于一些地理学家来说，地形正在成为一件麻烦事；许多的模型只能应用于那些平坦的、普通的地理表面的区域，因此他也发出警告，这些空间关系的过于理想化的概括的真正威胁在于它会误导现实本身。
