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中尺度对地观测系统支持下中国综合自然地理区划新方法论研究

刘 闯 (中国科学院地理科学与资源研究所全球变化信息研究中心,北京 100101)

转载自“地理科学进展,第23卷 第6期,2004年11月

本文在国际地圈与生物圈委员会(IGBP)中国全国委员会2004年年会报告基础上完成,纪念并献给50年前为中国综合自然地理区划做出开创性贡献的导师林超教授!


摘 要:在中国地理学发展史上, 最值得纪念的成就之一是我国 地理学家对中国综合自然地理环境采用区划的方法进行的研究。我国 首次发布完整的综合自然地理区划方案至今已有50年历史。在这期间,产生了7个中国综合自 然地理区划主要方案,建立了经典的区划方法论。 近年来,中国生态区划研究、全球变化区域响应与适应研究对发展我国综合自然地理区划方法论做出了特殊的贡献。在全球和中国对地观测系统数据加速发展的支持下,本文对比了新形势下区划目的、内容、途径、范围、原则、依据、指标、等级系统、界线、研究单元、数据信息、分析计算、基础设施与研究环境条件发生的新变化,认为在中 国 未来20年发展的过程中,中国综合自然地理区划的目的将由主要为农业生产服务转向资源、环境、生态综合考虑,为可持续发展服务。全球对地观测系统,特别是中尺度对地观测系统数据资源和相关技术的发展和广泛应用, 必将对以信息化、数字化为时代特点的中国综合自然地理区划新方法论的产生和体系的建立起到划时代意义的促进作用。

关 键 词:中国综合自然地理区划;方法论; 对地观测系统

 

自20世纪50年代以来,在中国地理学的发展史上, 最值得纪念的成就之一是我国地理学家对中国综合自然地理环境采用区划的方法进行的研究。本文采用“中国综合自然地理区划”这一术语原由赵松乔1983年提出[1]。笔者认为,该术语的采用与林超于1954年提出的“中国自然地理区划”[2,32],黄秉维于1958年提出的“中国综合自然区划”[3]两个术语相关。根据中华人民共和国国家标准GB10112-88:确定术语的一般原则与方法[3],术语的等效对应即术语内涵和外延互相重合的基本原则,考察中国综合自然地理区划内涵和外延的重合性,相似的术语提法还包括:中国自然地理区划[5]、中国综合自然区划[3]、中国自然区划[7,8]和中国综合自然地理区划和中国自然地理分区[6]。据此,可以认为,我国第一部完整的综合自然地理区划方案诞生于1954年, 该方案当时命名为“中国自然地理区划大纲(草案)”[2], 从发表至今已经有50年历史。在回顾我国综合自然地理区划发展史, 综观不同历史时期区划方案,可以清晰地看出中国综合自然地理区划经典方法论的形成和发展历程。

自20世纪70 至80 年代以来,地理信息系统和遥感技术开始应用于我国土地类型和自然区划。20世纪90年代以来, 新一代对地观测系统卫星得到飞速发展,用于自然区划的中尺度对地观测系统数据以及由此衍生的地理相关要素数据得到了空前的丰富。随着地理科学信息化的深入,在综合自然地理区划经典方法论的基础上,在以对地观测系统为核心的数据和信息支撑下的、体现信息时代计算科学特点的综合自然地理区划新方法论正在蕴育而生。

1 我国综合自然地理区划经典方法论的产生与完善

综合自然地理区划方法论是关于综合自然区域划分方法的理论。其中包括区域划分的理论基础、原则、依据、指标、等级单位系统、命名等一系列内容。根据冯绳武的研究[5],2200多年前的禹贡篇(尚书中的一章)将全国划分为9州,应属世界最早的自然地理区划。19世纪20至40年代,先后有P.M.罗士培(1922)、G.B.葛德石(1933、1934)、李长博(1934)、洪思齐(1934)、L.D.斯坦普(1936)、李四光(1939)、冯绳武(1945)等对中国综合自然地理区划有些研究,“但他们的工作成果多很简陋,理论及实践意义不大,也少参考价值”[5]。

中国综合自然地理区划方法论体系的形成是在20世纪50 年代至80年代。

1.1 1954年两个区划方案建立了我国综合自然地理区划方法论的基本框架

1954年,林超、冯绳武等为综合大学地理系教学需要,提出了一个以干、湿、温度、地貌等指标划分的东西2部分、4地方、10地区、31区、105亚区的五级区划方案[2]。1957 年,教育部在此分区方案基础上,修订为8区、36副区的综合区划方案。1954年,罗开富发表了为编撰中华地理志分区自然地理方案,提出了2部分、7个基本区、23个副区的三级区划方案[6]。这二项工作的重要意义在于首次采取自上而下逐级划分的方法并提出了中国自 然地理区域多级划分等级单位系统方案,提出了以地带性和非地带性相结合的区划理论和方法,采取了多级指标、同级别不同区划指标的区划方法(例如在罗开富的区划方案中,在东部采取地带性分区指标、在西康区和西北、青藏采取非地带性分区指标,同时采用了更详细的区域资料为基础)和同一级别单一指标法(例如:以干湿为指标划分东西2部分)相结合的区划方法论,建立了我国综合自 然地理区划方法论的基本框架,并为以后的发展奠定了基础。例如同一级别单一指标法在生态区划中的应用[9]。

1.2 1959年和1961年两个区划方案全面、系统地发展了区划方法论,成为我国综合自然地理区划经典方法论的标志

1959年,黄秉维发表了中国综合自然区划(草案)[10],该区划方案的发表是我国综合自然地理区划发展史上具有重要意义的一件大事。该区划方案提出了3大区、6个热量带、18个地区和亚地区、28个地带和亚地带、90个省的7级分区方案,第一次明确提出为农业服务的区划目的,并在区划方法论上(例如:生物气候为主的区划原则,地带性和非地带性区划单位交叉组成的等级单位系统和以水热条件为主的区划指标等)充分反映了这一宗旨。该方案的另一个重要贡献是对中国这个世界上地理环境最复杂的区域在地带性和非地带性特征的认识上提出了系统的区划方法论,包括首次提出多级地带性区划等级单位系统,在多级地带性和非地带性双系列区划中一位组成的等级中一位系统中,采取交叉安排的方法等。该方案创立的独特的区划等级单位系统方法论,成为后人继承的经典区划方法之一[11,12],在区划的第一级首先划分三大区(东部季风区,西北干旱区和青藏高原区)的方案也成为经典划法被后来的几个重要方案所采用[1,8,11,12]。

1961年,任美愕、杨纫章针对1959年方案表示了不同的意见,提出了山8个自然区、23个自然地区、65个自然省和未继续划分的自然州组成的4级区划方案[7]。该方案在区划方法论方面的重要贡献是提出了任何地理区划单元既是地带性的,又是非地带性,它们是地带性和非地带性共同作用下形成的自然综合体[13]。在这个基木理论指导下,方案力图在高级区域结合地带性和非地带性两种自然规律。区划等级单位系统则采取了综合性的单列系统。这种方法也成为后人继承的经典区划方法之一[14]。

1963年侯学煜从强调为大农业服务的实践出发,提出了6带加1区、29个自然区的两级区划方案[15]。该方案除了在区域划分数量及其相关方法有所不同外,在基木区划方法论方而没有超出1954,1956,1959年和1961年所确立的和逐步形成的经典方法论的框架。

1.3 1980年的方案建立了综合自然地理区划与行政区划有机衔接的区划方法论

中国农业资源调查与农业区划委员会1980年完成的中国自然区划方案中,提出了三大区域,东部季风区9个温度带,21个区,西部干旱区2个温度带、12个区和青藏高原区2个温度带、4个区的区划方案,并首次在低级区划分中,提出了保持县界完整性的区划指标,发展了综合自然地理区划与行政管理区划有机衔接的新方法。这样处理的主要作用是使区划方案便于付诸实施,便于行政管理[8]。这种区划方法也被刘闯、周倩等应用在全国上地利用总体规划分区方案中(1994)[14]。

1.4 1983年方案提出5级区划系统并提出由土地类型向上组合自然小区的未来研究方向

1983年,赵松乔提出了3大自然区,7个自然地区,33个自然区的3级区划方案,并提出自然亚区和自然小区的共5级区划系统[16],明确指出自然小区采取自下向上组合方法由土地类型综合而成。他主持了全国1:100万比例尺土地类型图的编制工作[17]。但是,由于种种原因,该图的制作和出版尚未完成。该方案对区划方法论的重要贡献是提出了将上地类型与综合自然地理区划有机结合起来的区划思想。在中国地理学会自然地理专业委员会召开的“全国土地资源综合研究学术讨论会”的会议总结“上地类型与自然区划”一文中,刘闯指出[18],一个大范围(如全国)的完整的区划方案往往需要“自上而下”和“自下向上”两种区划途径相结合的方法完成,并以陕西秦岭的研究成果论证了组合区划的基木方法。

我国20世纪50至80年代经过7个主要区划方案的实践,建立了完整的中国综合自然地理区划方法论,其中关于自上向下区域划分方法、地带性和非地带性等级单位系统处理方法、高级区划单位的认定、单一指标与多指标区划方法等成为区划理论的经典,这些理论对中国综合自然地理区划及其相关的区划发展奠定了坚实的理论基础。该方法论不仅对综合自然地理区划的实践具有重要的理论指导意义,同时,对高层次的综合地理区划[19]和中国可持续发展区域差异的研究具有借鉴价值。该方法论同时也遇到了很大的挑战,表现在:主要为农业服务的区划方案和反映自然综合体(具有综合功能)的综合自然区域特征之间的矛盾问题;山区划指标引发的区划界线的争议问题、自然地理各相关要素以及对区域综合体动态变化问题缺乏足够的重视、人文活动因素与自然要素综合的方法论问题没有根木性的突破以及数据和信急短缺的困难等。

2 近年来,中国景观生态学研究、中国生态区划研究、全球变化区域响应与适应研究对发展我国综合自然地理区划方法论的贡献

“土地类型与自然区划”一文[18],记录了林超、景贵和等人1985年对我国土地类型与自然区划发展方向的学术观点。他们认为,土地类型研究要不断吸收相邻学科和系统科学的理论和方法,土地生态学就是把上地学和生态学有机结合形成的一门新学科,对土地生态学的深入研究必将推动上地类型学的发展;景贵和认为应从上地结构和功能角度研究土地生态系统。事实证明,特别是近十年来中国生态区划和景观生态学研究的成就证明了这些论断的前瞻性。

2.1 中国景观生态研究、中国生态区划对我国综合自然地理区划方法论发展的贡献

中国景观生态学研究[20]近年来得到很大的发展。肖笃宁在总结了国际景观生态学研究进展基础上,对东北的研究[21],傅伯杰对黄土高原景观生态格局的研究,为我国综合自然地理区划自下向上途径组合和从生态系统结构、功能、格局角度综合研究做出了有价值的探索。

1999年,杨勤业、李双成提出了3个生态大区、16个生态区、52个生态地区的三级中国生态地域划分方案[12]。2001年,傅伯杰、刘国华等提出了3个生态大区、13个生态地区、57个生态区的二级中国生态区划方案[11]。这两个方案与侯学煜1988年的中国自然生态区划[22]不同之处在于明确提出区划的目的是为生态环境建设和环境管理政策的制定提供科学依据,而后者的目的是为大农业发展服务。在这个指导思想下,生态区划更强调了具有生态系统特征的综合性生态区的理念,突出生态系统结构与功能作用;生态系统演替方向、生态系统稳定程度、主导生态系统类型等因素均在方案制定考虑之列。

2.2 全球变化区域响应与适应研究对我国综合自然地理区划方法论发展的贡献

近十年来,面对全球性环境问题,应对全球变化在中国的响应和适应问题,全球变化中国区域响应与适应研究己经成为、而且将继续成为地学界关注的热点问题[23-25]。中国的全球变化研究对综合自然区划方法论发展的重要贡献首先是将动态变化的原则和指标纳入到区划方法论中,特别是制约区域功能的要素特征和综合区域特征发生渐变和突变在内的动态变化。

虽然全球变化研究跨越时间尺度可以从瞬时到百万年尺度,综合自然地理区划更关注的是突变和渐变过程中的季节至20年范围的时间尺度。此外,全球变化与中国自然灾害和突发性资源环境问题的研究[26]为我国综合自然地理区划提出新的挑战。可以预料,全球变化中国区域分异规律的研究将丰富我国综合自然地理区划的内容。

3 中尺度对地观测系统支持下中国综合自然地理区划新方法论的建立

3.1 中尺度对地观测系统数据资源的发展

对地观测系统是20世纪后期人类发展史上最伟大的成就。其中,中尺度对地观测系统的发展史以公益性为主,为全球环境变化科学研究提供了丰富的、廉价的数据资源。根据国际对地观测卫星委员会(CEOS)信息系统与服务工作组(WGISS)的调查[27],目前,提供全球变化研究的各类中、大型数据库己经超过1万个,其中涉及中国范围的中、大型数据库超过1200个。就目前存储在中国境内的数据资源分析,非重复性总存储量接近280TB。适宜的中尺度对地观测系统数据主要包括:空间分辨率一般不高于30m ,不低于1000m[27]。目前我国科学界常用的有美国陆地资源卫星((TM/ETM),中巴资源卫星(CBERS}、美国对地观测科学卫星中分辨率多光谱扫描仪(TERRA/AQUA-MODIS) ,欧空局环境卫星雷达(ENVISAT- ASAR)、中国气象卫星(FY)和海洋卫星(HY)系列等。预计,2006-2020年,我国对地观测系统将会有一个大的发展。特别是中国减灾小卫星发射后,我国资源、环境、生态科学研究所需数据资源紧缺的矛盾将会进一步缓解。空间分辨率在30m-1000m范围,时间频率在半日至半月,观测内容涉及地表大气温度、湿度、化学成分、陆地高程、土地覆盖、冰雪、植被、水、海岸带等数据的提供将会有一个根本性的改善。除了直接观测数据外,由此衍生的相关资源环境科学时间序列数据也日趋完善(例如:10天合成、月度合成等)。随着我国科学数据共享工程和科技条件平台建设的深入,这些数据获取也将越来越容易和及时[28,29]。

日益丰富的中尺度对地观测系统数据资源的供给,向我国综合自然地理区划提出了具有信息时代特点的挑战,核心问题是在综合自然地理区划应用对地观测系统数据资源过程中,通过数据处理、数据计算、数据挖掘、数据验证、数据共享等一系列科学研究提出的综合自然地理区划新方法论问题。

3.2计算科学对综合自然地理区划新方法论的贡献

在对地观测系统数据加速度发展的情况下,面向综合自然地理区划的研究和应用,将观测数据转化为区划相关的知识,核心工作是将经典区划方法论与计算科学有机结合起来,在继承经典区划方法论的基础上,创造具有信息时代特点的区划新方法论,其内容主要包括:
(1) 综合自然地理区划必要的各相关要素信急的提取方法和算法。例如:遥感与地面观测数据结合提取必要信息的方法;
(2) 综合分析与主导因素相结合的原则在数据综合过程的体现,包括权重分析方法和综合分析算法;
(3) 统一指标法和不同指标法在不同区域选择的方法和算法;
(4) 综合自然地理区域单位结构与功能分析计算方法与算法;
(5) 综合自然地理区域界线过渡带与具体划线处理方法与算法;
(6) 综合自然区域突发性变化与渐变数字化分析方法与算法;
(7) 综合自然地理区域等级单位系统与数据尺度转化相关性处理办法与算法;
(8) 数据质量检验问题等。

笔者采用模糊数学的方法对类型划分和界线确定方面做了探索性尝试[30]。在岳天祥主编的资源环境数学模型手册[31]一书中,汇集了一部分应用比较成功的计算模型。可以说,在信息和数据日益发展的时代,没有计算科学的介入,涉及领域广泛的中国综合自然区划的工作难以完成。

3.3综合自然地理区划方法论发展对比

表1列出了笔者对未来15年中国综合自然地理区划方法论研究的发展趋势的基木估计,并与前期研究方法论做了简单的对比。从表1的对比可以看出,以信息化、数字化为特点的中尺度对地观测系统数据资源的应用,将对中国综合自然地理区划方法论的发展起到具有划时代意义的促进作用。


表1综合自然地理区划方法论发展对比

Tab.l Comparison among the methods of the comprehensive physical regionalization of China

 

20世纪50至80年代

20世纪90年代至本世纪初

对未来15年发展趋势的前瞻

区划目的和性质

为农业服务综合自然地理区划

具有综合自然地理区划性质的生态区划

以资源、环境、生态为对象的为可持续发展服务的综合自然地理区划

区划范围

全国范围
地方及典型区域

全国范围
地方及典型区域

亚洲、中国及周边地区,全国范围
地方及典型区域

区划原则

综合分析与主导因素相结合原则发生学原则
区域分异原则主要为农业服务原则

综合分析与主导因素相结合原则
发生学原则
区域分异原则
生态系统结构与功能综合分析原则
发展与生态环境保护统一原则

综合分析与主导因素相结合原则,
数据综合原则
定性与定量分析相结合原则
地带性、非地带性、人文性、动态性相结合的原则
区域资源、环境、生态结构与功能综合分析原则
为可持续发展服务原则

区划途径

自上而下为主

自上而下为主

自上而下、自下向上并重

依据

农业资源利用

农业资源利用

生态系统功能

指标

要素指标为主

要素指标为主

要素指标、结构指标、功能指标

等级系统

3-7级,3级为主

3级为主

3-7级区划单位并与3-4级土地生态类型单位衔接

界线

模糊界线为主

模糊界线为主

清晰定位为主

研究单元

以区域为主

以区域为主

区域和区域内部类型组成并重

数据信息

降水、热量、大地貌、植被为主

降水、热量、大地貌、植被为主

数字高程模型数据,时间序列水热条件、水资源、土地覆盖、植被、生物量、生物多样性、社会等多源数据

分析计算

定性为主,辅助计算

定性为主,辅助计算

定性-定量-定性过程;
定性基础上,定量计算模型,反馈定性研究

计算方式

个体计算为主

个体计算为主

网络计算、并行计算为主

基础设施与研究环境条件

野外考察与室内分析

野外考察与室内分析

野外考察与室内分析
一定规模的数据获取、处理、计算、制图、网络共享服务系统与设施

4 结束语

在中国未来20年发展的过程中,中国综合自然地理区划的目的将从主要为农业生产服务方向转向资源、环境、生态综合分析、为可持续发展服务方向。在全球和国家对地观测系统快速发展的支持下,中分辨率对地观测系统数据资源和技术将会促进中国综合自然地理区划方法论产生划时代意义的突破性进展。

中国是世界上综合自然区域最复杂的国家。未来15年,中国有可能是世界区域资源、环境、生态压力最大的国家之一。中国综合自然地理区划在基础理论、方法论和实践方而的突破将促进世界范围内可持续发展区域理论的深入,中国将有可能为该理论的发展做出特殊贡献,有可能为发展中国家做出示范。

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