理论地理科学与哲学1-2章

《理论地理科学与哲学》——复杂性科学理论内容整理指导老师：南颖教授整理人：陶慧整理时间：2015年1月3日-1月6日第一章理论地理科学与地理哲学的背景（共8小节）第一节知识科学的基础第二节相似理论的基础第三节数学科学的基础第四节系统科学的基础第五节逻辑科学的基础第六节思维科学的基础第七节复杂性科学基础第八节科学哲学的基础1.1现代科学的人类知识体系1.2钱学森论人类知识体系第一节知识科学的基础1.3现代全人类的知识体系1.4.1奴隶主义社会1.4社会的发展规律1.4.2封建主义社会1.4.3资本主义社会1.4.4后资本主义社会1.4.5社会主义社会1.4.5共产主义社会第一节知识科学的基础知识科学：本书的知识科学是指全人类的知识体系，是在钱学森知识体系的基础上，研究当今人类的知识体系，包括哲学、科学与艺术，神学与宗教，玄学与道理等。1.1现代科学的人类知识体系该图从二分法到三分法，主要是还原论的分法，分工越来越精细，学科也越分越细，从而又产生交叉科学与学科、边缘科学与学科。1.2钱学森论人类知识体系钱学森是用整体论与还原论结合的系统论对知识体系进行分类，由于用马克思主义的哲学进行指导，完全排斥了玄学与思辨的道理，神学与信仰的宗教。1.3现代全人类的知识体系在钱学森阐述的人类知识体系的基础上，展开对艺术、神学、玄学的研究。（百度注解：神学（古希腊语：Θεολογια，英语：Theology）一词，广泛指称所有对神（上帝）这个主题展开的研究或学说。为宗教研究的一个领域。玄学又称新道家，是对《老子》、《庄子》和《周易》的研究和解说。产生于魏晋，是中国魏晋时期出现的一种崇尚老庄的思潮，与世俗所谓玄学、玄虚实有不同。）1.4社会的发展规律全等三角形的证明定理2.1几何中的相似理论相似三角形的证明定理静力学第二节相似理论的基础2.2力学中的相似理论运动力学动力学2.3物理学中的单位与量纲，独立单位、量纲各7个，（例如，时间的单位为s，量纲为T；地理科学除质量、温度、安培、坎德拉、摩尔这5个“属性”的量纲外，还有物种、人数、资金。）连续性方程3.1数理方程讨论维纳-斯托克斯运动方程波函数解析式多元回归方程3.2数理统计讨论主成分分析第三节数学科学的基础3.3随机微分(积分)方程讨论命题逻辑3.4.1数理逻辑谓词逻辑3.4.2集合论3.4离散数学讨论3.4.3代数系统3.4.4图论3.5混沌与分形数学4.1系统论、信息论、控制论4.2耗散结构、协同论、突变论第四节系统科学的基础4.3系统动力学、超循环与神经网络4.4元胞自动机、复杂适应系统与代理算法4.1系统论、信息论、控制论4.1.1系统论创始人是加拿大籍奥地利生物学家、哲学家贝塔朗菲。定义系统由要素、结构、功能、物质流-能量流-信息流与环境所组成，并认为系统具有整体性、相关性、动态性、有序性和择优性等原理。马蔼乃定义的系统为由系统（S）、因素集合（I）、关系集合（R）、空间状态（s）、时间（t）、结构（S）、边界（B，虚线框）、环境（E）、行为（B）、功能（F）、关系（=）这11个要素组成一个完整的系统。从总系统到各个子系统，都需要具备系统的这11个因素。4.1.2信息论创始人申农1948年发表了著名的《通讯的数学理论》，提出了信息的传输过程，以及信息负熵的概念。作者提出认知信息、信息系统与本体信息三类信息。第一类为人类知识集合—认知信息，第二类为计算机与通讯—信息系统，第三类为自然结构信息—本体信息。系统论中的信息论主要是第二类的信息，特别是信息系统。第三类本体信息主要讨论真空零点能量场，能量、物质、信息、时间、空间五位一体，物信辩证与天人合一（心物辩证），以及东西方文化的结合。4.1.3控制论控制论是1948年美国科学家维纳提出来的。系统中各个子系统之间的关系集合R有一个非常重要的关系，这就是“控制”的关系。无论是自然控制，还是人工控制，都可能有前反馈、后反馈、中间反馈等多回路的控制，正是这种反馈回路的控制，使得系统构成循环回路、多循环回路、超循环回路、复杂循环回路等，使得多层次、多子系统的系统成为网络状态的复杂系统。4.2耗散结构、协同轮、突变论4.2.1耗散结构耗散结构理论创始人是物理学家、化学家普利高津，建立了热力学随机微分方程，在1977年曾获诺贝尔化学奖。耗散结构研究非线性的、远离平衡态的、开放复杂系统。4.2.2协同论创始人是德国物理学家哈肯，1969年哈肯创立了协同学。哈肯从激光器中激发激光的协同理论，推广到生命现象，认为从量子、原子、分子、晶体、DNA、细胞、植物、动物、人、人脑乃至于经济、社会都是从无序到有序的演化过程，子系统的协同和相干效应，在宏观尺度上产生时间、空间上的功能有序结构，并服从相同的数学方程。其中最为经典的是：协同效应原理，支配原理，自组织原理。4.2.3突变论由法国数学家托姆创建，于1958年荣获国际数学最高奖—菲尔兹奖，与牛顿、莱布尼兹齐名。突变论试图用数学方程描述从一种稳定状态跃迁到另一种稳定态之间的突然变化的过程，如果中间的过渡状态的参数是渐变的，则是渐变状态；如果是突变的，则是突变状态。4.3系统动力学、超循环与神经网络4.3.1系统动力学创始人是美国麻省理工学院的管理科学家福瑞斯特。他从经济管理、社会管理的角度研究复杂性系统问题，在20世纪60年代开始提出系统动态发展的理论。系统动力学主要是应用因果关系反馈连。4.3.2超循环创始人是德国生物、物理、化学家艾根。1967年艾根与英国的两位化学家诺里什和波特共享诺贝尔化学奖。20世纪70年代写了《物质的自组织和生物大分子的进化》、《生物信息的起源》和《超循环—一个自然自组织原理》这三篇著名的超循环理论的文章，创建了超循环理论。所谓的超循环，主要是指在生物进化中，不同的层次具有循环等级的联系。4.3.3人工神经网络仿造人脑神经元的结构，利用计算机研究人工神经网络。神经网络实际上是一个复杂的“灰箱”问题。但神经网络的发展方向，时至今日仍然是一个不确定的问题。当前的人工神经网络计算又分模糊神经网络、分形神经网络等。4.4元胞自动机、复杂适应系统与代理算法4.4.1元胞自动机元胞自动机的概念是由冯·诺依曼在20世纪30年代首先提出来的。1986年沃尔夫勒姆发表了元胞自动机的空间分类。1990年古托瓦茨发表了元胞自动机的马尔科夫随机链的时间分类。元胞自动机实际上是研究属性在时间、空间上的状态是离散分布的，用各种不同的规则在格点上进行领域“走步”，领域的距离是人为设定的，走步的规则也是认为设定的。4.4.2复杂性适应系统是美国科学家霍兰根据生物进化的复杂性，提出的研究复杂性适应系统的数学方法。他认为该系统具有7个特点：聚集特性，标识机制，非线性特性，流特性，多样性特性，内部模型机制，积木机制。4.4.3遗传算法、代理算法均由霍兰提出，遗传算法是模仿产生新一代的过程。同一律5.1形式逻辑排中律不矛盾律理由充足律模糊数学突破排中律第五节逻辑科学的基础5.2辩证逻辑方程与统计结合便突破不矛盾律演绎、归纳和类比逻辑结合达到辩证逻辑中庸逻辑5.3和谐逻辑和谐逻辑逻辑科学来源于一义序（0,1）、二极序（0~1）、三分序（0~0.618~1）。一义序对应形式逻辑，二极序对应辩证逻辑，三分序对应和谐逻辑，三者之间是有逻辑关系的，是层层深入的逻辑。β1属于一义序逻辑思维6.1抽象思维（β波）β2属于二极序逻辑思维β3属于三分序逻辑思维6.2形象思维（α1波）第六节思维科学的基础6.3意象思维（α2波）6.4悟觉思维（灵感思维）（θ波）6.5梦境思维（δ波）根据现代科学的研究，可测定自然界中存在着从0.1~30Hz，30~300Hz的超低频电磁波。而人工可接收0.1~30Hz之间，每间隔0.1Hz的电磁波；接收30~300Hz之间，每间隔1Hz的电磁波。正是由于超低频电磁波的存在与测量，使得我们能够认识人脑左、右两半球，脑的思维功能，以及β波（13~30Hz，或300~500Hz）、α1波（11~12Hz）、α2波（9~10Hz）、θ波（5~8Hz）、δ波（0.5~4Hz）的作用。圣菲研究所7.1美国的复杂性科学研究哲学家拉兹洛法国哲学家莫兰第七节复杂性科学研究7.2欧洲的复杂性科学研究德国科学哲学家曼彻尔7.3中国的复杂性科学研究（以钱学森为首）哲学8.1哲学与科学科学玄学8.2哲学与玄学第八节科学哲学的基础道理神学8.3哲学与神学信仰美学8.4哲学与美学艺术第二章地理知识（共4节）第一节地理现象的观测方法第二节地理现象的数据第三节地理现象的信息第四节地理现象的知识1.1遥感方法—遥感灰度、波普、几何、时间分辨率观测站的位置属性自动记录1.2遥测方法卫星接收与发射第一节地理现象的观测方法地面总站接收数据确定位置的定位1.3定位方法移动单元的定位属性变化的定位1.4通讯方法1.5野外考察与室内检测一体化系统1.1遥感方法遥感是瞬时的，数据、图像、光谱结合的，二维或三维的空间数据，是观测自然与人工地理现象最真实、最可靠的数据来源。1.1.1遥感灰度分辨率遥感影像的数据通过传感器实测的物理量，转化为电压、电流等数值，然后经过归一化，形成灰度值。（归一化百度注解：主要是为了数据处理方便提出来的，把数据映射到0～1范围之内处理，更加便捷快速，应该归到数字信号处理范畴之内。）1.1.2遥感波普分辨率波谱分辨率是指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。间隔越小，分辨率越高。1.1.3遥感几何分辨率即遥感影像的空间几何分辨率，指像素所代表的地面范围的大小。如LandsatTM1~5和7波段的分辨率为30m。1.1.4遥感时间分辨率指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。（补充：遥感图像的特征指时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率。辐射分辨率指传感器接收波普信号时，能分辨的最小辐射度，在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。1.2遥测方法遥测是针对地面观测站定时观测的数据，实时的收集、整编的气象、水文、生态、环境、地震以及社会调查等资料。如果说遥感信息是瞬时的空间数据，那么遥测就是定点的时序数据。遥测信息与观测站的空间位置、观测属性、属性个数以及实测的时间序列有关。观测站的空间位置过去是固定的，现在可以固定，也可以在小范围内移动，此时需启动GPS定位系统。观测属性是通过全自动的传感器随时间自动记录的，记录结果数字化，通过太阳能提供的能源，从天线直接用微波发射到卫星上去。1.3定位方法地理现象及其属性的定位是地理科学的基础。在地面上测得3颗卫星的信号即可获得地面三维坐标，测得4颗星的信号，则可同时获得时间信号。地面上的定位有三类，第一类是确定的位置、第二类是移动的物体、第三类是变化的属性。1.3.1确定位置的定位地球表面上的坐标系统（经纬网系统、地图制图标准系统）一旦选择确定，那么相对的位置就确定了。1.3.2移动单元的定位利用GPS定位系统对行人、车、船、飞机等移动单元定位，精度可达米级。1.3.3属性变化的定位固定的地理位置上的地理现象是可以变化的。例如，土地类型的变化，城市、农村范围的变化等。1.4通讯方法遥感卫星、遥测卫星、定位卫星与地面之间的信息传输属于通讯系统，计算机网络更是得力的通讯工具。1.5野外考察与室内监测一体化系统以“厦门环境保护现场实时稽查系统”为例该项目成果的应用领域在于环境管理，尤其适用于环境管理的现场工作。该系统针对环境管理的现场工作特点，结合目前已有的定点在线监测、污染源在线监控和环境管理指挥中心的建设，利用地理信息技术、遥感技术、全球定位技术、多媒体技术、无线通信技术、互联网技术和MIS技术，将移动监测单元、无线通信数据传输、遥感数据、GIS系统、全球定位系统相结合，建设成一个由各种移动、轻便的移动终端和中心支持系统有机组成的厦门环保移动办公业务系统，使环保现场工作与室内办公能够结合起来，实现中心和移动终端之间双向的消息和数据传送，在外业工作中能