“地图学与地理信息系统”系列科普-武汉大学杜清运教授：学科之林中的地理信息科学
工业革命推动了人类文明在漫长的演变过程中加速发展，自然科学和社会科学的知识门类逐渐丰富，现代科学体系中的学科犹如丛林，纷繁复杂，那么这些学科到底是一个什么样的体系呢？
学科体系可以主要分为自然科学和人文社会科学。人文社会科学可以分为人文科学和社会科学，自然科学可以分为理学、工学、农学、医学等。在这里我们重点介绍一下自然科学的基础学科，并讨论地理学和计算机或者信息科学的关系。
首先需要对学科和专业进行界定，二者既有联系又有区别。通常来讲，学科主要指的是一个科学共同体的分类体系，也是科学及知识创造的分类，主要是面向硕士和博士的研究生培养的，我国的学科主要分为十四个门类、一百一十三个一级学科。
专业是在学科发展的基础上，对科学研究获取的知识进行体系化分类，面向高等学校学生进行知识传授，它主要是面向本科生培养的。我国有十二个门类、九十二个专业类、七百七十一个专业。高考志愿填报的是专业，而攻读硕士和博士学位时，选择的是学科。学科和专业的分类体系和名称略有差异，存在一定的对应关系，但并不是一一对应的。可以看出学科是一个非常强大的丛林。
数、理、化、天、地、生等组成了常说的理学，也即英文的Science，它是怎么分类的呢？宇宙从最小的量子空间到原子和中子质子空间，然后到化学的分子空间、生物的细胞和DNA空间，到地球表面的地理学空间，再到星系天文空间，进而到整个宇宙空间，研究的空间尺度从十的负三十次方米到大于三万千米的尺度，都有学科与之对应，也即，在每一个空间尺度上，都有不同学科的科学家在研究对应尺度的现象。地理学研究的现象居于生物学和天文学之间的尺度，地球科学和地理学对应的是一公里到三万公里尺度。
自然科学可以分为四大类。
第一大类叫做数学，它研究的对象是数字几何图形、抽象符号和公式等，可以说，数学是大脑里面的科学。
第二大类是物质科学，主要是物理和化学，是在受控的环境下研究小尺度上物质构成以及其间的关系。
第三大类是生命科学与医学，主要是在细胞和DNA尺度上，大多需要显微镜才能进行观察，有一部分工作是在实验室中的进行，还有一些工作是在真实世界中进行，比如植物学、动物学研究，当然，生命科学的基础是细胞遗传等。
第四大类是地球与空间科学，主要是地质学、土壤学、地理学和天文学等，地理学是整个地球科学的基础，天文学研究的范畴从太阳系、到银河系、到河外星系、到整个星系团。
基础学科分类受到哪些影响呢？首先是研究对象是否客观存在。
从这一点上来看，数学不是一门物质科学，但它为物理学家和其他的物质科学研究提供了思维工具。其次是研究的尺度差异，如上所述。
第三是观察世界的方法和工具。第四是研究范式，物理学家研究现实世界，有一套研究真实世界的范式，在量子力学层面上的研究对象是无法观察的，但是物理学家已经基本上建立起了整个真实世界的标准模型和规范场。
地理科学是数、理、化、生等在大脑和实验室发现的规律扩展到地球尺度空间的学科，研究地球尺度空间科学规律的学科。
地理学具有综合性、区域性等特征。数理化生研究真实世界的某一个特定的方面，而地理学的综合性来自于把物理、化学和生物研究的物质、对象集中在时空中所产生的综合系统，本质上是物理、化学和生物规律在起作用。
地理的时空描述依赖于抽象数学所提供的各种几何，包括欧式几何、拓扑、分形、图论、黎曼几何等，而地理现象本身则是由物质科学规律主导的内在变化和外在反映。所以，地理学具有横断学科的属性，更加注重几何和统计带来的通用性，而物质科学天然的机理和机制由地质学、大气科学、地球物理学、地球化学和生态学等相邻学科来研究。
因此，地理学的综合性本质上来源于多科学集成的特征，而涌现、衍生和整体的研究方法决定了统计学在地理学中的特殊地位。
地理学的区域性是区别于其他物质科学的显著特征，地理学引入了时空作为基础框架，其他一切由属性聚合形成的现象、结构、模式、过程等均附着于该时空框架。地理学家研究的对象一定是附着时空框架之中的，空间位置是地理学家特别重视的问题。时空是地理规律的变量，决定了地理学与物理、化学等微观世界的不同，甚至与宇观的天文学也有所差异，地理学所研究的是近地表的宏观现象，位置和时间是整个地理规律的一部分。
地理学在自然科学中的地位是非常独特的。首先，地理学研究空间中事物的位置，其综合性反映的是地理现象的多样特征，这决定了其规律必须服从更为基础的学科，包括物理、化学、生物等，数学也是地理学完成综合性的工具。
地理学的地域性也决定了其本质上是描述性的，地球表面每个位置的地理特征是不同，无法使用一个公式对地球表面上的所有特征进行描述，因此只能对每一个地方采样、描述。另外，地理学也关注演化，也就是时间上事物的变化，这是地理学相对于其他科学的独特性。
同时，地理学所关注的尺度正好是人类活动的尺度，客观上不需要像天文望远镜或者离子对撞机之类的工具进行观察，通过肉眼和测量工具即可获得地理数据和知识，客观上降低了对工具的依赖，所以说地理学的应用性和实践性是非常强的。这些特点也决定了地理学的研究与实践人才需求巨大，并且呈现本地化、专门化趋势。
信息科学是当今科学的主赛道，信息科学的发展对科技起到了推动作用，那么这个学科有哪些特点呢？信息科学发展的时间不长，但是信息的概念确有比较长的历史，物理学家克劳修斯在研究热力学时提出熵的概念后，波尔兹曼、香农等不断的对熵的概念进行修改，信息就是基于熵的，可以用来消除随机确定性。
面对未知的地球现象，首先需要收集信息，消除人们对地球表面认识的不确定性。开展信息科学研究的科学家往往是数学家和物理学家，很明显，信息科学的起源也是和物理学和数学密切相关的。
现在我们所处的是一个信息社会，信息科技对于当今社会的作用不言而喻，主要是以信息作为主要的研究对象，用的工具就是计算机，信息科学的起源主要是信息及其计算，而本质上是数学，它来源于数学的统计学集合论、群论、离散数学、几何计算、数学和数理逻辑等。
信息科学主要是在计算机出现以后才崛起的，尽管它的来源和最基础的数学物理的来源不同，信息科学推动了最基础的内容是信息论，进而推动了信息技术的发展，引发了很多的学科都在向信息学方向转向。
而且，它改变了人们对世界的看法，包括麦克斯韦妖、生命的编码、模因、随机性和量子信息论等。有些非常极端的理论认为构成世界的基础是信息，也就是世界可能就是由信息构成的，所有的感知系统所感知的对象实际上得到的只是信息，万物皆比特、万物皆数，还有一种提法认为宇宙可能就是一台大计算机。
人们对于世界的研究源于科学观察。科学观察是人们有目的、有计划的感知和描述客观世界的科学。望远镜、显微镜的发明都是为了让人们获取难以直接观察的世界，基于这些观察手段就可以进行数据的收集，并进行深入认识，因此观测贯穿于整个科学研究过程之中，包括了感官观测、仪器观测、自然状态的观测以及实验室观测。
物理学家为了开展受控的观察，发明了各种各样装置，并扩展到电脑指导下的参与观测，进而从地面上的观测扩展到了整个太空的观测。观测活动衍生了无数的科学工具，包括宇宙飞船、宇宙探测器、潜航设备、气球、无人机、移动测量车等等。观测是科学理论形成的基础，普朗克公式、量子力学的基础是发现热辐射与能量之间的关系。科学观测也成为了检验科学理论的途径，推动了技术的发展，而技术的发展又反过来推动了科学的发展。
对于地理学来讲，为了开展地理观测，人们发展了卫星定位导航系统对地面的任何一个点做实时的定位技术，还可以给卫星装上照相机以及其他传感器，对地面进行观测、拍照，加上无人机、地面传感器，一起形成了空天地立体的传感器网络。除此之外，还有很多通过统计等部门人为收集形成的数据库。
地理信息科学是一门既具有技术理论学科特性、又有工程技术学科特性的交叉性学科，地理信息科学的概念是一九九二年由美国加州大学圣芭芭拉分校的Goodchild教授提出的。到今天为止，地理信息科学已经成为广受欢迎的一门学科，它既有地理学的基础和核心，而地理学又组合了数理化生，同时它又是一门与计算机科学密切相关的学科，因此它既是探索世界的工具，又是改造世界的利器。
作为一门学科，地理信息科学更加靠近地理学、还是更靠近信息科学呢？实际上，不同的人是有不同的看法的，地理学类的专业中有地理信息科学专业，在国外的一些计算机科学也有地理信息科学相关的专业，当然总体看来，地理信息科学还是更加靠近地理学，体系、学科、专业和产业的重叠和分异，导致了地理信息科学今天的地位。
地理信息科学主要是解决大脑中世界、计算机中的世界以及社会结构中的世界三者之间的关系，也就是地理信息科学既要研究我们的大脑，又要研究计算机，同时还要研究我们的社会。
哲学本身不是一门自然科学，它是孕育自然科学的，因此可以从哲学的角度来研究地理信息科学。
科学的本质是对于客观世界的观察和模型的构建，具有自洽性、真伪性、重复性和可预期性，这是物理学坚持的理念，相对于其他自然科学而言，物理学具有原初地位。从物理学范畴来讲，科学的基础是假说、公理化逻辑推演、数学表达和陈述、以及实验研究。
因此，可以在物理学范式的基础上对地理信息科学进行两种可能的构建。首先是地理学的路径，通过物质科学、研究对象、分析方法和研究目标开展研究，第二种是信息科学，主要是追求形式化、横断学科特征、聚焦信息属性，进而发展数据科学，研究空间数据存储、传输、人机交互、空间分析和人工智能等。
后者和社会的发展、技术发展以及工作机会是相连的，更令人振奋。然而，地理学的数据使我们能够利用地理信息科学、遥感和数学建模的方法来研究我们的客观世界，满足人们对世界的好奇心。
科学的研究可以帮助我们发现更多的规律，地理信息科学出现后，地理学有第一定律、第二定律、第三定律、分形定律、不确定性定律等。
第一定律是空间自相关，反映的是地球上现象是趋于聚集的，第二定律是异质性，也即地球表面处处都不同，需要大量地理学家开展地域化的研究，第三定律以及分形定律表明宇宙是一个具有自相似性的结构体系。
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