地理信息科学的哲学时空观思考.doc

地理信息科学的时空哲学思考 收稿日期：基金项目: 国家自然科学基金项目(40771146); 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070475001); 省部共建河南大学科研项目(SBGJ090605); 广西空间信息与测绘重点实验室(桂林理工大学)研究基金.责任作者: 侯景伟,男,河南省镇平县人,宁夏大学资源环境学院博士. E-mail:侯景伟1，孔云峰2（1. 宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川750021；2. 河南大学环境与规划学院，河南 开封475004）摘要：哲学对具体科学有指导作用。从哲学角度，分析了哲学中的时空观，包括：哲学理论体系的时空界限、时空普遍联系、时空范畴、社会时空、社会形态时空和时空本体，在地理信息科学产生与发展中的作用，揭示了地理信息科学发展中层次性与尺度性、复杂性与开放性、连续性与阶段性、时间与空间相统一的发展规律，以及地理信息科学社会实践性与时空本体性的特点，旨在对当前的科学研究有所启迪和帮助，进一步推动地理信息科学的发展。关键字：哲学；时空观；地理信息科学；地理信息系统；思考中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：哲学是自然知识、社会知识和思维知识的方法论。爱因斯坦说：“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的形式中对知识的追求，那么，显然，哲学就可以被认为是全部科学研究之母。” 用浅显的哲学理论和基本的哲学观点解决实际问题，是一门学科走向成熟，得到发展的根本途径之一。地理信息科学的发展也需要哲学指导。虽然哲学不会直接告诉我们具体的系统设计、集成、管理、应用的理论和方法，但它的许多基本观点，将给予研究与实践工作以巨大的启示，如理论与实践的问题、关于确定性和随机性的问题、线性与非线性的问题，这些都需要运用哲学思想和观点去研究解决1。地理信息科学的研究对象主要是地理信息。而地理信息具有二元性,它包括时间与空间二元、瞬时与历时二元、空间几何与空间属性二元、定性与定量二元2。在马克思的哲学理论体系中，关于时空的观点对与时空作为主要研究对象的地理信息科学有着更加重要的指导作用。哲学的时空观点包括：哲学理论体系的时空界限、时空普遍联系、时空范畴、社会时空、社会形态时空、时空本体等。在地理信息科学发展的实践过程中,哲学的时空观点能起到提示、指导、促进乃至推动作用。1 从哲学时空界限思考地理信息科学的层次性和尺度性“一切存在的基本形式是空间和时间”（恩格斯语）。时间和空间是运动着的物质存在的基本形式。哲学的理论体系可将其分为四个层次：最普遍原理、普遍原理、局部原理、个别原理3。最普遍原理是指放之四海而皆准的，反映自然社会和思维世界本质和发展过程的规律。这类原理没有时空界限的限制。普遍原理反映自然社会内部和思维世界内部每个子系统的发展规律，如思维是存在能动的反映、实践是认识的基础和检验认识正确与否的标准等都是普遍原理。局部原理只概括局部范围的事物运动发展规律，只适用于局部范围，不可随意扩大。个别原理是揭示个别事物的发展规律，它的适用范围就更小一些。准确把握哲学理论体系的适用范围，不能随意扩大或缩小其使用范围，对理解地理信息科学的概念层次划分和层次理论具有一定的指导意义。在确定概念层次的时候，父概念的所有子概念之间不允许有重叠，每一个概念层次确定一个分类标准，同一概念派生出的各子概念应具有相同的泛化程度。地理信息科学的层次理论包括空间位置的层次表达、空间关系的层次表达、语义的层次表达等理论。空间位置的层次表达可分为基于格网的层次表达和基于空间实体的层次表达。如何进行基于格网的和基于空间实体的层次划分？怎样进行层次空间推理和层次空间查询（位置查询、属性查询和空间关系查询）？如何实现不同地理特征之间、不同地理实体之间语义的层次划分？这些问题是地理信息科学正在研究的主要问题。弄清不同层次和不同尺度之间的时空界限，是理解和运用地理信息科学理论体系的首要前提。解决地理信息科学层次性和尺度性的关键问题是如何有效解决层次模型下层间切换时的位置信息转换问题以及怎样寻找合理的入口（从低层进入高层的过渡节点）问题。我们要用哲学理论体系的时空界限观来准确把握、 科学构建和正确运用地理信息科学的原理，揭示和表达复杂系统的结构及其构成元素之间复杂的关系，从而又快又好地促进地理信息科学的发展。2从哲学时空普遍联系思考地理信息科学发展的复杂性和开放性辩证唯物主义哲学观认为：世界是一个由许多系统在时空域上交叉连接形成的复杂大系统，事物之间有许多直接或者间接的信息联系。时空也是物质存在的形式，因此事物的普遍联系也应该包括空间与时间的普遍联系。空间域普遍联系包括横向无限交叠扩张的联系和纵向无限层次可分的联系；时间域普遍联系包括后向无限历史过程的联系和前向无限发展趋向的联系4。地理信息系统发展的复杂性表现在：自然和社会系统的复杂性、数据和主观旨意的不确定性、社会结构层面和社会功能分化的复杂性、系统目标和结构确定性的限制、实体单元自主性和协同方式的欠缺、技术标准的不统一。因此，地理信息技术的发展和变化，降低了系统构造的复杂性，同时又增加了系统集成的复杂性，使得地理信息系统很难适应具有开放、动态和多变特性的环境5。从哲学的时空普遍联系观点研究地理信息科学发展的复杂性，就是要从复杂地理信息系统开发的困难来认识“复杂性”存在论问题；从地理信息技术发展过程中由简单性演化为复杂性来认识“复杂性”演化论问题；从探索地理信息科学的还原论与整体论相结合的方法复杂性来认识“复杂性”方法论问题。哲学的普遍联系观点决定了地理信息科学发展必须实现真正的开放性。只有开放学科体系结构、开放时空数据模型、开放互操作标准、开放源代码和规范说明以及开放开发者思想观念，才能促进地理信息科学的发展。基于Open GIS规范的GIS软件具有更好的可扩展性、可移植性、开放性、互操作性、协同性和易用性，不仅使数据能在应用系统内流动,还能在系统间流动，实现在异构分布数据库中的信息共享6。系统从数据源到客户端显示都基于开放式标准进行,以此实现真正意义上的系统的完全开放。地理信息科学要想实现真正的开放性，未来研究的重点应包括：异构数据源和地理信息软件之间的兼容性和互操作性研究；移动设备和地理网络搜索设备的用户界面质量改进；网络文本地理相关的自动精确分类等7。3从哲学时空范畴思考地理信息科学的时空统一性马克思的时空范畴观认为：时空是人的感性活动的社会历史展开，是人的价值的历史实现空间。时空是统一的、相互转化的。马克思将时空建立在人类实践活动基础之上，彻底驱逐了自然时空（物质时空），确立了社会时空、生存时空、价值时空和审美时空的时空观。它从根本上超越了传统哲学从抽象物质运动或从主观意识出发的极端，实现了时空概念发展史上的一次划时代革命8。传统地理信息系统的时态和空间往往是分离的，不能反映时空统一的地理现象，也不能有效地进行时空分析、动态监测、动态仿真与模拟。目前，在实现时空数据统一方面已有较大发展。序列快照模型、基态修正模型、时空立方体模型、时空复合模型等，能较好地描述时空目标状态本身；基于事件的时空数据模型 9、地形空间模型10、三域模型（语义域、时间域和空间域）11等，能较好地表达时空目标动力过程；地球剖分理论改变了传统以2维图层为基础的模式，实现了数据的多尺度化和连续化。时态数据库和空间数据库及其时空数据模型由长期分离到逐步集成再到智能化的研究动态，体现了地理信息科学发展的时空统一性。虽然时态数据库和空间数据库的发展很快，但是“时态”+“空间”“时空”，再加上空间数据层次性、有序性、不定长性、复杂性以及时态数据时间序列性等特点，要真正实现地理信息科学的时空统一性，仍有许多重大问题有待解决，如：数据库专家的时态关系数据库研究、人工智能专家的时态关系研究、面向对象的时空数据模型研究、地理信息系统专家的时空数据模型研究等。进入21世纪，时空数据库逐步向智能化集成化方向扩展，支持信息系统间“互联互访”，协同发展数据库套件与应用构件，在向高可靠性、高性能、高可伸缩性和高安全性方向发展。4 从哲学的社会时空思考地理信息科学的社会实践性社会时空是人的活动的存在形式，是在人的活动中形成和发展的。它包括社会时间和社会空间：社会时间是指社会运动过程的顺序性、持续性；社会空间则指社会运动的伸张性、广延性。社会时空的本质和源泉是人的实践活动，社会时空的主体性、社会现实性、社会历史性等是由人的实践活动赋予的12。由于“人的感性活动”所特有的实践性，人能够认识和利用自然时空，并在自然时空的基础上创造出社会时空。在人的实践活动基础上形成的社会时空状态，直接影响着主体认识、改造、利用客体的速度、规模、范围、层次和水平。 恩格斯说：“科学的产生和发展一开始就是由生产决定的。”地理信息科学是人类在生产实践中，为解决具有时空信息的资源管理、科学规划、辅助决策等问题的需求下产生的。地理信息科学的实践性包括技术实践性、经济实践性和社会实践性。地理信息科学的技术实践性是指从地理信息的物质形态和能量形式来研究地理信息的藕合和增效。地理信息有效及时的获取、处理、存储、分发和分享能力是地理信息技术发展水平和实践能力的重要标志。只有从技术层面上进行实践，才能满足信息时代和数字时代的要求，才能把握地理信息科学的网络化、集成化、虚拟现实、开放性、多维性等的发展趋势。地理信息科学的经济实践性是指以物化劳动和各类资源投入为起点，以GIS在实践中的作用为中介，分析地理信息产业的经济效用。地理信息产业仅在美国，其包括软件、数据和服务的直接年产值为40多亿美元左右，并以20%的年增长率增长13，其中遥感产业2001年在美国创产值24亿美元14。更为重要的是，在社会、经济、环境、资源等众多领域中，广泛使用数字化地理信息能进行科学化、合理化和有效化的决策管理，将产生巨大的间接的社会经济效益。地理信息科学的社会实践性是指以社会环境和自然环境为起点，以GIS的经济效用为中介，分析它的文化效用和环境效用。地理信息科学是在后工业社会和信息时代生态环境严重恶化的背景下产生、存在和发展的，是为了协调人与自然、人与社会的关系，改善人类的文化生态的和环境生态为终极目标的。随着地理信息科学的日趋成熟，地理数据和信息的社会价值已经从环境、资源等相关行业迅速扩展到政府、规划、工程、交通等领域。电子地图、在线地址查询和民用实时定位和寻路系统等，则标志着地理信息的社会价值在向普通消费者市场扩展。5从哲学的社会形态时空思考地理信息科学连续性与阶段性的统一马克思把社会历史的发展分为三大形态：第一形态即前商品经济社会，以人的自然的依赖关系为特征，空间（交换的范围）非常狭小，时间的节奏十分缓慢，但“最原始的物物交换形式是以劳动作为商品实体和劳动时间作为商品尺度为前提的”；第二形态即商品经济社会，以物的依赖性为基础，空间被大大地拓展，世界变得越来越小，时间的节奏也变得越来越快，社会必要劳动时间成了衡量一切社会的物的价值的标准；第三形态即后商品经济社会，以个人的全面发展为前提，空间将通过时间的媒介而进一步被拓宽，时间的重要性也将进一步显现出来。在这三大社会形态中，时间和空间都是在相应的劳动方式中展现出来的，并且时空概念有着质的差异15。哲学的社会时空演化说明了：事物的发展是不断由量变到质变，又由质变到量变，循环往复，无限运动，推动着事物不断向前发展，这就是质量互变规律。质量互变规律反映了事物发展的连续性与阶段性的统一，量变体现事物发展的连续性，质变体现事物发展的阶段性16。地理信息科学的发展是人类长期生产实践积累和科学研究的结果。地理信息系统，作为地理信息科学的核心，由极其简单、功能极为有限的技术发展为现代功能强大的新技术，其发展体现了连续性与阶段性的统一。从GIS技术体系形成过程来看，其发展经历了6个阶段：早期的GIS模块集成式GIS模块化GIS核心式GIS组件式GIS万维网GIS。正是GIS连续性与阶段性相统一的发展过程，推动GIS由低级向高级发展，使GIS功能越来越强大，成为现代化科学管理及快速决策的强有力的工具。6 从哲学的时空本体思考地理信息科学的时空本体性本体是一种对现实世界的概念结构进行系统化描述的方法论。本体方法的实质是从理论的高度，系统地研究思维的规律和人类认识客观世界的过程 17。时空本体是描述时空对象概念及其概念之间关系的规范体系，是对时空对象进行特征分类的方法，是标准时空知识共享和重用的工具。索亚认为，马克思的哲学本体论是自然社会空间本体论三位一体；这种先验的空间性、时间性与社会性的三位一体是马克思的社会再生产理论最终极的本体论框架 18。时空地理本体的研究是建立在前人对时间本体和空间本体的大量研究成果之上的。传统的时空本体研究方法是依靠逻辑的方法，如一阶时空逻辑和一阶时空逻辑模型19，20 、“二维”时空逻辑21、统一的时空本体框架22。这些方法对表达时空约束满足问题、时空知识库以及移动对象数据库(MOD)等具有重要作用。目前的地理时空本体主要用于时空推理方面，如用本体的时间序列模型进行推理，模拟历史地理区域随时间演变的过程23。构造时空本体，就必须通过概化、特化和角色提取确定合适的语义粒度级。粒度级越细，地理信息的表达与处理越丰富，知识的继承和重用越完善24。地理信息科学中时空本体论的研究和应用是顺应地理信息系统发展的网络化、大众化、社会化和智能化要求的必然产物。通过时空本体研究，可以正确表达和理解时空对象及关系，构造时空一体化模型，进行异源异构的地理信息系统综合，实现海量空间信息及知识的共享。因此，时空本体论在地理信息科学发展中具有广阔应用前景。8 结论哲学时空观包容的范围很广，它包括：哲学理论体系的时空界限、时空普遍联系、时空范畴、社会时空、社会形态时空、时空本体等。地理信息科学的发展，冲破了限制人们认识事物的空间障碍、时间障碍和人本身的功能障碍；加强了人的认识能力，使人认识世界的敏锐度、深度、精度和完备程度都提到新的高度。但是，目前，地理信息科学的发展也面临着许多根本性的问题。地理过程模拟和时空推理的研究尚不成熟；空间分析技术只提供一些简单的空间操作功能，没有真正具有决策支持能力；空间分析模型的复杂化和专业化程度以及空间和时间关系统一建模的研究和开发不够深入；分布式地理信息系统提供地理信息服务的能力尚未成熟；地理数据挖掘和时空知识发现技术亟待解决25等等。要全面深刻地认识地理信息科学，必须从哲学的高度分析地理信息科学产生、存在和发展的根源。通过哲学的时空观点思考地理信息科学的发展，必须坚持实践的观点，在实践中加强调查研究、不断深化对地理信息科学的认识；必须坚持联系的观点，用系统论的眼光来认识地理信息科学；必须坚持发展的观点，与时俱进地去把握地理信息科学的方向。参考文献：1 龚强,胡运权. 哲学基本思想对城市GIS研究的启示J.学术交流,2001,99(6):113-116.2 韩雪培,李满春,徐建刚.地理信息可视化中的二元方法论J. 地理研究,2008,27(5):1087-1096.3 段若非.论马克思主义理论体系中不同层次原理的时空界限J.前线,1987,1:25-27.4 倪鹏云.系统科学与信息科学相结合的哲学思考J.系统辩证学学报,2003,11(1):61-66.5 林正奎,杨德礼.信息系统复杂性的哲学思考J.系统辩证学学报,2004,12(4):33-37.6 OpenGIS Consortium. 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