信息地理学: 信息革命重塑地理学
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文章转载自中国科学地球科学期刊，音频转载自微信公众号中国科学地球科学，作者：李新，郑东海，冯敏，陈发虎，版权归原作者及刊载媒体所有。
Abstract
信息革命冲击了地理学的革新, 但地理学大家庭中的环境遥感、地理信息科学与技术、地理计算等越来越与信息科学亲缘, 而逐渐疏离了地理学。因此, 极有必要重新审视地理学和信息科学的交叉地带, 用新的概念来重构以信息为研究对象和手段的地理科学门类。本文提出用信息地理学来重构地理科学与信息科学的关系, 认为信息地理学既是信息的地理学, 也是利用信息科学研究地理学的方法论体系。文章阐述了信息地理学的产生背景、定义及与相近学科概念的区别, 从本体论、认识论、方法论三个层面分析了信息地理学对地理学范式转换的影响。
1 信息革命对地理学的影响与挑战
“信息就是信息, 既不是物质也不是能量”(Wiener,1948)——虽然信息是继物质、能量之后才成为科学的研究对象, 也是新近才汇聚到科学研究方法论的主流中, 但其对科学乃至整个人类社会的影响异常深刻。自人类开始进入信息时代开始, 信息就成为所有科学门类必须考虑的因素, 构建起和实体物理世界相对应的赛博(cyber)空间，而信息科学也先是潜流般、然后急剧地改变着传统的“物理科学”, 对所有科学门类带来范式挑战, 在两者的交叉领域, 轰然隆起信息时代新的科学大厦。
地理学深受信息革命的影响, 发生了地理学信息革命。自20世纪50年代Schaefer的《地理学的例外论: 方法论的检视》掀起计量地理革命风潮(Schaefer, 1953), 继而遥感技术、地理信息系统迅猛发展; 到20世纪90年代初, 地理信息系统已经根深叶茂, 深刻地改变了地理学, 华丽转身而出现地理信息科学(Goodchild, 1992); 进入21世纪, 大数据和人工智能在地球科学中的应用高歌猛进, 催生出地理数据科学(Singleton和Arribas-Bel, 2021)。70年来的技术进步, 也如影随形地交织着对计量革命的反思, 对地理学理论和方法论升华的诉求(Sheppard, 2001; Kwan和Schwanen, 2009; Wolf等, 2021)。信息革命的冲击, 一方面悄然导致地理学研究范式的转换, 驱动了地理学的革新与综合集成(National Academies ofSciences, Engineering, and Medicine, 2019); 另一方面也外延到社会和公众的领地, 地理信息服务走向千家万户, 发生了地理空间革命(Downs, 2014)。
然而, 曾经栖身于地理学大家庭的环境遥感、地理信息科学与技术、地理计算, 往往带有强烈的技术驱动的倾向, 因而越来越与信息科学亲缘, 却逐渐疏离了地理学。此外, 目前无论是地理信息科学、地理数据科学, 都不能完全概括信息革命对地理学的影响, 而其他纷繁复杂的概念体系(网络版附录, http://earthcn.scichina.com), 也更加模糊了地理学本体和认识论的界限(Graham和Shelton, 2013)。因此, 在信息革命进一步冲击地理学范式的关键时机, 在地理学升华为地理科学的关键时机, 极有必要重新审视地理学和信息科学广阔而又激荡互动的交叉地带, 用新的概念来重构以信息为研究对象和手段的地理科学门类, 协力“地球表面人类生存环境的空间分异、时间演化及人与环境相互作用”研究(陈发虎等, 2019)。
为此, 我们郑重提出用信息地理学来重构地理科学与信息科学的关系, 这是因为: (1) 信息从本体论、认识论、方法论三个层面贯穿了遥感与社会感知等地理观测技术、地理信息科学与技术、地理大数据这三大领域, 是它们最大的公约数; (2) 中外都以自然地理、人文地理作为地理学的两大分支, 增加信息地理作为地理学的新分支, 无论从构词还是从和已有学科的对称性上, 都水到渠成, 望文生义就可知是地理科学的一部分, 体现了自然、人文、信息三足鼎立的地理科学体系。
2 信息地理学的定义与内涵
信息地理学是信息的地理学, 也是利用信息科学研究地理学的方法论体系, 它具备以下特征: (1) 回归地理学本质; (2) 信息既是研究对象, 也是方法论; (3) 能够概括信息革命影响地理学范式转换的统一特性。
信息革命对地理学范式转换的影响体现在地理学从本体论到认识论再到方法论的深刻变化(图1)。
图 1：信息革命驱动地理学范式转换: 从本体论到认识论再到方法论的深刻变化
本体论: 重视“信息就是信息”, 秉承地理学的空间传统(Pattison, 1964), 鲜明地把信息的空间和距离作为信息地理学的研究对象。
认识论: 地理学计量革命以来, 由地理学的“例外论”而引发的逻辑实证、批判理性、激进地理学等认识论争论余音未了。我们并不尝试对这些认识论的争论画上句号, 但希望指出: 信息革命——特别是近来年大数据和社会感知(Liu等, 2015; Guo等,2017)的发展, 不仅更加深刻地改变着自然地理学, 也使得对人文地理学研究对象——如价值、范例、文化的实证和证伪都成为可能, 这再一次从根本上冲击了地理学的描述式认识论传统。实践已经先行于理论, 地理学认识论深深打上了信息科学、系统科学的现代方法论烙印。
方法论: 信息地理学方法论得到了地理学和信息科学的共同滋养。从地理学内部, 综合方法论依然应作为信息地理学的立本之源; 从信息地理学各分支, 遥感的实证传统、地理信息科学空间分析的深度、大数据对非结构化问题的定量挖掘能力是信息地理学方法论的直接源泉; 从信息科学角度, 信息革命以来的各种方法论革新则一直提供着原动力。在它们的共同驱动下, 信息地理学在方法论上已具备以下特征: (1) 空间分析(特别是自相关、地理回归、空间分异)领域孕育出有鲜明地理学特色的数学概念和方法; (2) 空间模拟传承自冯纽曼以来用简单原则模拟复杂空间现象的传统, 元胞自动机和基于智能体的建模在方法论上鲜明区别于以经典力学为动力框架的建模方式(黎夏等, 2020); (3) 长期困扰地理学的非结构和病态(wicked problem)问题方法论困境(Rittel和Webber, 1973), 由于大数据技术对非结构化问题的强大定量处理能力而逐渐破局;(4) 针对定性-定量二元综合集成(meta-synthesis)方法论(钱学森等, 1990), 在地理学人地复杂巨系统的集成研究领域, 已逐步发展出兼顾硬集成和软集成的流域科学集成研究方法(程国栋和李新, 2015)。我们相信, 对以上方法论的共性做进一步的抽象和提升后, 会形成更加理论化的地理学方法论, 有助于完成地理学尚未完成的现代科学革命, 甚至在自然科学和社会科学融合的方法论领域做出贡献。
3 与已有学科概念的联系与区别
信息地理学主要有地理遥感科学、地理信息科学和地理数据科学三个来源(陈发虎等, 2021; 李新等, 2021)。在这些领域, 先后出现诸多学科概念。网络版附录追述了这些概念, 这里我们进一步强调信息地理学与其最亲缘、但同时也是最应微妙区别的两个学科概念——地理信息科学(GIScience)和地信息学(Geoinformatics)的区别。
地理信息科学, 被学界广泛接受, 偏重于地理信息系统(GIS)和地图学传统, 但对遥感等地理观测科学和技术涵盖较弱, 也基本不涉及表层地球系统科学的动力学模拟。因此, 从地理信息科学到信息地理学, 体现了学科研究对象和方法论的进一步外延。
地信息学, 作为“空间信息的结构与特征的科学与技术”, 地信息学的研究领域远远超出了地理学范畴, 它是整个地学和信息科学的交叉科学, 也包括了其他地球科学分支的信息方法。此外, 地信息学是信息学的分支, informatic构词表达的也是信息学, 这与信息地理学的地理学属性是不一致的。
4 小结
地理学和信息科学的共同浇灌给地理学带来新的生机, 我们提出用信息地理学来统一在两者的交叉领域竖立起的新的科学领域。从地理学的发展历史看, 信息地理学是地理学70多年计量风潮和技术飞跃的产物; 在地理学快速转型的今天, 它正在成为地理学方法论成熟和理论抽象的荟萃; 未来, 它会具有更加明确的研究对象、更加鲜明的科学问题, 并且应具备反哺整个地理学的能力——与自然地理、人文地理相映成辉, 为更成熟的地理学方法论做出贡献。
在这篇短文中, 我们与其说是给出什么是信息地理学的定论, 毋宁说是启动这一讨论——信息地理学绝不是一个封闭的边界, 它在生长中, 因此也亟需热烈的讨论(闾国年等, 2022; 刘瑜, 2022)。但我们相信, 地理学范式的三个方面——本体论、认识论、方法论都因为信息革命的冲击而发生了根本的变化。因而, 我们引用库恩对于范式的解读, 作为短文的结语: “范式是一个成熟的科学共同体在某段时间内所接纳的研究方法、问题领域和解题标准的源头……范式一改变, 这世界本身也随之改变了”(Kuhn, 1962, p103, p111)。信息, 既然如此深刻地改变了70年来的人类社会, 那么, 由它来重塑古老而又新生的地理学, 并成熟其范式, 又有什么不自然而然呢?
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