第一章 前言
1.1 研究目标
1.1.1 地理系统工程科学计算的研究意义
在地理科学体系中，地理系统工程处于工程技术层次，它是一种软工程体系，以对地理现象的深刻认识和系统论为基础，根据要素相对独立性原则，结合所处的生产力发展阶段，可划分为多个子系统，探讨各个子系统自身的发展规律，以及各个子系统之间的相互影响，为区域建设提供科学的规划方案。探索地理系统各个子系统内部发展及相互作用的规律，以及对区域发展的规划，都需要进行观测、地理编码、地理建模与计算。科学计算是从计算数学发展而来，目前被赋予了与伽利略开创的科学实验方法、牛顿奠定的科学理论方法并列的三大科学方法之一（石钟慈，2000）。由于地理系统的状态存在多维性以及大时空尺度特性，要进行完备的实验观测有相当的困难，在地理系统中，并不存在控制其他变量保持不变而仅仅改变某一要素的输入，通过输出来理解系统的关联，地理系统的演化是暂时无法控制的（Hartshorne，1996），从而要想仅仅采用科学实验方法或者科学理论方法对地理系统进行研究，存在极大困难。通过计算机强大的计算能力，在现有的观测资料基础上拟合地理系统的发展规律成了目前较可行的办法。由此可见，地理系统工程在现代科学体系中，衔接了自然科学与社会科学、融合了科学研究与区域应用，对地理系统工程科学计算的研究将能为区域建设提供更具科学性的方案。
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1.2 论文研究框架与路线
根据论文的研究目标及主要内容，结合数据准备情况等辅助支撑，确定论文的研究框架及研究路线。1.2.1 研究框架
根据上文总结的论文研究的科学计算的模式基础、科学计算的地理系统特性与科学计算的区域应用三个层次的目标，可将研究框架划分为以反映地理系统特性的科学计算体系为中心、以地理系统工程模式研究为基础、以特定区域地理系统工程研究为应用的架构。这一“基础→中心→应用”的研究框架及主要研究内容，可以用下图进行概略的表述（如图 2 所示），其中，在主要研究之前，简要的总结了进行地理系统工程科学计算研究的相关基础，包括系统科学、地理科学、复杂性研究工具以及科学计算等内容。
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第二章 相关研究现状及启示
2.1 系统科学
1945 年，贝塔朗菲发表了《关于一般系统论》，创立了系统论；1948 年，维纳提出了控制论，同年，申农发表了《通讯的数学理论》论文，创立了信息论，其共同奠定了系统科学的基础。1960年代，普利高津创立了耗散结构理论，1969 哈肯创立了协同学，探讨了包括生命现象以及社会从无序到有序的演化过程，1972 年，托姆发表了《结构稳定性与形态发生学》理论，创立了突变论，近年来，还发展了混沌、分形等分支，它们将系统科学发展成了自然科学与社会科学研究的一种基本思想与方法体系。相关分支的核心概念及主要进展总结为表 1。系统科学是要研究一个系统的来源、现有的要素、结构、特性及其未来的演化，如上图中土黄色纹理填充体所示，一般系统论是对虚线边界内的已经存在的系统的解剖阐述，关注诸如要素的聚集性、相互关联性等问题，面对的是对象世界的客体；控制论基于系统论，探讨对象世界中的相互关联性，提出反馈模型，并针对主体的择优性追求进行系统的调控；信息论本身是探索信息这一不可视的概念体系，在系统科学体系中，将其引申来用于作为相互关联性的媒介。耗散结构关注通过系统边界的输入对系统有序化的影响，同时，它也是对于系统从近似混沌状态演化到有序状态的一种解释；协同论与耗散结构的不同之处在于关注系统边界内的要素之间的协同、组织，其作用涉及系统的有序演化历程；突变论与耗散结构、协同论的研究问题是一致的，只是采用的思想更加数学化，将系统的演化动力表述成某一特定的数学模型，这些模型在某些情况下会出现图像的突变，这些突变可以与自然界的某些突变现象相对应，
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2.2 科学计算
伽利略和牛顿分别奠定了科学实验方法和科学理论方法，科学计算是从研究各种问题的数值计算方法及其数学理论的计算数学发展而来，目前，科学计算已和理论计算、实验并列为三大科学方法。理论科学家们主要对各种自然现象的内在规律进行研究，试图用严密的数学模型描述这些规律，并在一定的条件下求出准确解，得出的结果用来检验或者推动改进；实验科学家则试图研究和制造出各种科研设备，模拟各种自然条件，设计出可控制、反复实现的实验，对实验的结果进行分析，判断实验结果是否符合实际，实验的结果是否满足要求；科学计算借助计算机工具，通过提出具体问题的模型、构造求解这些模型的计算方法、然后将计算方法软件化、送到计算机上进行计算、对计算结果进行分析，从而揭示出各种现象的基本性质和内在规律。（石钟慈，2000）。一般来讲，一个科学计算的完整体系可能包含以下主要内容（Michael，2001）：
1）发展一个数学模型（比如一个方程等）来描述感兴趣的现象或者是系统；
2）开发一种算法来解决方程的数值问题；
3）将算法变为计算机软件；
4）通过运行软件来模拟现象的数值过程；
5）将计算结果表达为某些综合的容易理解的形式，比如图形可视化；
6）解释以及评估计算结果。从而，科学计算领域发展了线性方程系统、非线性方程、分数维方程、最小二乘法、最优化算法、数值积分与微分等分支。其与科学计算体系的主要内容之间的对应关系可以简要的总结为如下的示意图。
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第三章 地理系统工程的模式..............31
3.1 地理系统工程的定义...................31
3.2 地理——发展律........................33
3.3 系统工程模式.......................44
3.4 地理系统工程的模式....................46
3.5 总结及启示............................47
第四章 地理系统工程科学计算研究.................49
4.1 地理系统状态...............................49
4.2 突变输入.............................56
4.3 地理模型形式的探讨...................60
4.4 地理特征模型.............................62
4.5 区域响应模型.............................66
4.6 模型分析工具及可视化表达..................68
4.7 区域地理系统工程研究的流程......................71
4.8 本章小结........................73
第五章 东北地区地理系统工程初步研究
5.1 东北地区概况
5.1.1 东北地区的界定
东北地区位于我国大陆的东北部，在不同的研究背景下，其边界往往不一致，由于东部和北部以国界与朝鲜、俄罗斯接壤，因此其差异往往体现在西部和南部的界线。按照自然地理特征，大兴安岭是一条较为明显的自然界线，其东西两侧的自然景观显著不同，西侧的呼伦贝尔高平原在地貌上与蒙古高原连为一体，气候干旱，属半干旱干草原景观；东侧地貌以平原和山地为主，气候湿润，水系发达，属湿润、半湿润森林和森林草原、草甸草原景观。东北地区的南界即与华北地区的分界，该界线不甚明显，地形地貌上几乎没有差异，具有相当宽阔的过渡带性质，如果考虑到辽河下游平原与辽东半岛的气候比较温暖，水文特征、耕作制度、生物多样性与海河和黄河中下游的相似性，以及其与松嫩平原的差异性，因此可将之划归华北地区。从而根据上述自然地理的分析，东北地区的自然地理区划的西部和南部边界可取根河口－阿尔山－乌兰浩特－扎鲁特旗－奈曼旗－康平－宽甸一线（李祯，1993），如下页东北地区边界图的左图（A）所示。而根据当前中国行政区划以及区域发展规划，往往以省级或主要的市级边界作为地区的边界，这类地区边界的界定是在自然地理特征的基础上，考虑经济的联系特征做出的，在中国工程院的东北地区水土资源配置战略研究中，东北地区则取辽宁、吉林、黑龙江三省全部及内蒙古东部呼伦贝尔、兴安盟、通辽和赤峰四市盟（钱正英，2007）。而在国务院通过并发布的东北地区振兴规划上，则将东北地区取为辽宁、吉林、黑龙江三省全部及内蒙古东部呼伦贝尔、兴安盟、通辽、赤峰、锡林郭勒等五市盟（蒙东地区）。
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第六章 结论与展望
6.1 研究总结
通过对地理科学、系统科学与科学计算研究进展的总结，选定了能够联系自然科学与社会科学，并对区域地理建设与经济发展密切相关的地理系统工程作为研究对象，针对地理系统工程科学计算对区域地理研究的重要性及其当前的研究基础，确定了一个宏伟又具有可行性的研究目标——地理系统工程模式支持下的反映地理系统相似性基础上的空间差异性和时间发展性等本质特性的科学计算框架体系，提供区域地理系统工程研究的具有可操作性的科学研究流程。基于此研究目标和相关的研究现状，本论文主要进行了如下三个方面的研究：其一，探讨地理系统有别于其他系统的特征，确定对地理系统工程进行科学计算的基本模式。通过对地理研究与经典物理研究的对比发现，经典物理研究采用的是“物质－能量－时间－空间”的宇宙观，而且其中的时间与空间被假定为均匀的，具有对称性，而地理研究需要采用“物质－能量－信息－时间－空间”的五位一体宇宙观，并且需要把人类作为系统的客体进行研究，同时研究者本身又抱有一种人本主义的基本价值观，从而在“信息”不满足守恒律的特性以及人类生命具有时间单向演化特性的前提下，使得地理研究关注于系统的时间发展，从而可将地理研究的最终目标概括为“发展律”，区别于经典物理研究追求的“守恒律”。对地理发展律的深入剖析以及对发展观的探讨，确定了地理系统工程研究的模式——“内生演化＋突变输入→期望状态”，并获得了突变输入研究的分类启示，在那些直接体现在系统某一要素上的输入之外，生产力的发展和政策法规的颁布也是两类主要的突变输入。其二，要发展适用于地理系统工程的科学计算体系，需要综合考虑一般的科学计算体系、地理问题的本质以及地理系统工程的模式。本论文提出地理系统工程科学计算的体系需要在模型描述之前注重对系统状态的提炼及其针对独特时空尺度的测度度量，对于那些反映社会经济要素的统计资料，如果不具有明确的地理意义，需要通过辅助手段将其转化到比例数据层次，有助于提升模型计算的科学性及模型参数的解释能力；在模型表述中，强调结合地理问题的本质，探讨了解释变量在模型解释中所具有的特征时空尺度问题，从而将一般模型中的无后效马尔科夫过程的均一时间尺度发展为无后效马尔科夫过程的各自特征时间尺度间隔；由于地理现象的唯一性和不可控实验特性，发展了针对变异系数地理模型分析的数据集设计方法，用以解算出更符合地理现实的作用力效应，在样本集足够的情况下，能籍此在那些存在模型研究基础的地区或者对未来的有效预测上提供比直接借用邻域一般模型更符合特定时空范围特征和发展阶段情况的模型；另外，还通过设定突变输入关联系统状态阈值的方法，实现了区域内生演化规律与区域对外在突变输入响应规律的分离。基于前述成果与可能的区域应用，总结了具有可操作性的区域地理系统工程科学研究的基本流程。
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参考文献（略）