分解与综合

第2章　人居环境建设解析方法：分解与综合

【本章要点】人居环境科学是研究人与其生存环境相互作用的科学，人居环境系统是一个复合生态系统，人居环境系统研究必须借助于复杂系统综合研究的思路与方法。本章基于人居环境复杂系统综合研究的思路，简要介绍了一般系统论的理论与方法，复杂系统的综合研究方法，以及影响土地利用变化与土地利用流转的生态经济学方面的基本理论，论述了土地利用变化的生态经济评价的方法，并对地理学综合研究的相关概念与研究方法进行了总结。

2.1　理论基础

2.1.1　一般系统理论

“系统”一词源于美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲（L.V.Bertelanffy），他认为“处于相互作用中的诸要素的复合体”就是系统（冯•贝塔朗菲，1973）。钱学森认为，系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。按照一般系统论的基本思想，系统具有以下共同特性：

（1）系统的整体性与集合效应

系统内部各个要素之间相互联系、相互制约，共同构成一个统一的整体，某种要素的变化会引起其他要素变化乃至整个系统变化；同时，整体中包含有各要素中看不到的属性和特征（马建华等，2003），即整体大于部分之和。

（2）系统的稳定性与自组织性

系统在一定的内外干扰下不发生改变或发生改变后可自动恢复到原来状态（马建华等，2003）。但当干扰力超过系统承受的阈值时，系统将受到破坏，有时几乎不可能恢复，因此阈值是系统稳定性的一项重要指标。

（3）系统结构的层次性

由于系统结构特征与各组分在系统中所起的不同作用与所处不同地位，便形成了不同层次的子系统及子子系统。结构分析的重要内容是划分子系统，分析各个子系统的结构，并阐明不同子系统之间的关联方式（许国志等，2000）。

系统方法是一种新的逻辑方法，包括系统分析和系统综合两个方面的内容。在研究中把对象当作一个完整的整体，通过分析方法与综合方法、定性描述与定量分析相结合，建立系统的整体与要素之间、要素与要素之间、系统与外部环境之间的相互联系和相互作用，力求综合地、合理地研究对象，把握系统的综合特征。

系统分析（system analysis）的基本目标是在系统组成要素、层次结构综合分析的基础上，了解系统各组分间相互影响的定量关系，建立系统的数学模型。具体分析方法一般可分为“白箱”“黑箱”和“灰箱”三种（曹凑贵等，2002）。黑箱方法是完全忽略系统内部结构，只通过输入与输出的信息来研究系统的转化特性和反应特征的系统研究途径。当人们由于技术原因对系统内部难以了解，或研究者仅对系统整体感兴趣时，常采用黑箱方法。白箱方法则是建立在对系统的组分构成及其相互联系有透彻了解的基础上的系统研究方法，通过揭示系统内部的结构和功能来理解系统的整体特性。灰箱方法是研究人员对系统内部的结构与功能部分已知、部分未知时所采用的分析方法。

系统论哲学思想对指导区域人居环境建设研究具有重要意义。这是因为，人居环境建设系统中的要素和成分不是简单的堆砌，而是由一定的顺序和结构联系起来的。因此，区域人居环境建设系统的研究应摒弃单一子系统和单一因素的研究方式，将系统进行分解，鉴定它的要素、组成与结构的特征与描述方法及指标体系，只有这样，才能阐明区域人居环境建设系统的形成、演化及动力学过程。

2.1.2　综合研究思想与方法

人居环境是研究人类聚居地的一门学科，人居环境研究力求揭示人类聚居地的发生、发展、演变规律，具有鲜明的综合性和区域性的特点，是一个复杂的巨系统。地理学科在区域综合研究方面进行了富有成效的探索。钱学森早就从世界科学的高度提出建立综合性科学体系层次的概念与大的地理科学系统的综合性和层次性的新理念。^[1]几十年以来，特别是近年来，老一辈地理学家进一步强调对重大的地理学问题开展综合性多学科交叉研究的重要性。综合地研究地理环境是辩证地认识地理环境的形成和发展的根本途径（黄秉维，1960）。相邻学科间的交叉、渗透和融合是现代科学发展的明显趋势，跨学科交叉研究也是当代科学研究的普遍特征，学科交叉将促进科学研究的重大发现和重大突破（叶笃正等，2001）。

现代学科发展显示，当今系统论、信息论、控制论、协同论、耗散结构和突变论等概念、理论和方法与地理学综合性、整体性的认识论和方法论不谋而合，这促使现代地理学的综合研究具有更强的整体观念，更多地从系统整体出发，注意从理论假设出发进行演绎。综合的内容更加深广，包括研究系统的结构功能及动态演变过程。综合的方法更具有逻辑性和精确性，更多通过结构分析、功能评价、过程监控与动态预测等途径来解决相关问题（郑度，2001）。

进入21世纪，地学研究的主要趋向是：

①突出地球系统科学，关注全球变化与地球各圈层相互作用及其变化的研究，以及人类活动引发的重大环境变化的研究。

②突出演化动力过程研究，关注生态环境的保护和建设。

③突出跨学科研究，关注经济社会发展对地球科学的影响与需求，重视地学在自然科学内部与其他学科的交叉融合以及高新技术在地球科学中的应用（孙成权等，2002）。

在传统地学以学科分化研究为主的基础上，当代地球科学的宏观发展趋势更强调“系统论”思想（孙成权等，2002）。在时间演变方面，对地球上发生的各种自然现象的认识，逐步由各个时段的研究串联起来，既面向过去，也面对未来，从其过去的历史、现在的状态、预测未来的发展趋势，形成了解地球系统的过去、现今和未来的行为的时间链。在空间方面，由过去侧重于局地现象的认识，转向对该现象区域性、全球性的表现、影响、过程与动力学机制的模拟研究。地球科学的思维和方法论正在从局部观向整体观拓展，由线性思维走向复杂性思维，从注重分析转变为分析与综合集成相结合。

总之，在当今由自然引发的环境变化过渡到人类引发的环境变化的态势下，必须把人类活动与自然界相互关系（人地关系）的研究提到一个新的高度（任美锷，2003），从综合的角度开展研究。这也是开展人居环境研究必须遵循的理念。

2.1.3　尺度与层次理论

尺度（scale），是对研究对象（物体或过程）的时间分辨率的量度。空间尺度一般是指所能辨识的研究对象的最小单元，而时间尺度通常是指研究事件的时间间隔。现象与事件不仅具有时空分布规律性与异质性，而且也具有时、空上的尺度之分。随着观察研究的尺度的变化，现象与事件的均质性及异质性的规律会发生变化。

每一种尺度都强调某些不同的方面，甚至要求采用不同的研究方法。从多尺度上分析人居环境建设问题，能得到更加全面的认识。研究区域人居环境建设也必须遵循尺度理论，从不同尺度上开展综合研究。例如在进行某一局地尺度的研究时，必须考虑该局地在区域背景中的地位与作用，才能揭示变化的过程与实质；反之，在进行区域人居环境建设研究时，必须考虑区域背景下的地域内部分异规律，才能全面分析人居环境建设系统演变与发展规律。

在人居环境建设系统的时间尺度方面，常常可发现变化格局是存在量变到质变的转化过程，即存在明显的阶段性，这种阶段性在形式上表现为量变和质变。如，当今的地球系统科学在建立地球系统运行的概念模型时，将全球变化的主要时间尺度用五个时段来定义：几百万年至几十亿年，几千年至几十万年，几十年至几百年，几天至几个季度，几秒至几小时（国家自然科学基金委员会，1998）。诚然，人居环境建设的研究并不适合采用这样的时间尺度分析，但时间尺度的理念应牢固根植于人居环境建设研究之中。

无论是空间尺度还是时间尺度，都有一个尺度转换问题，尺度分析的重要内容之一就是解决跨越不同空间或时间尺度上的信息转换问题，而在人居环境建设研究中这样进行尺度转换分析，是一个未解决的问题。

层次系统理论（hierarchy theory）认为客观世界的结构是有层次性的，人居环境建设系统也不例外。层次系统中高层级与低层级在组织、行为上存在显著差别，主要表现在空间大小、时间长短，以及复杂性、分辨率和过程速率等方面，由此可见层次与尺度之间存在紧密的联系。层次结构最重要的现象是当低层次的单元结合在一起组成一个较高层次的整体时，会有新的特性在高层次中产生，这种现象通常称为新生特性现象。

开展人居环境建设研究，我们应充分利用尺度和层次理论，从多尺度和多层次来剖析人居环境发生、发展、变化的现象与成因，这样才有可能真正揭示人居环境建设基本规律。

2.1.4　景观生态学理论

景观生态学是地理学、生态学以及系统论、控制论等多学科交叉、渗透而形成的一门新的学科，主要研究景观的空间格局与生态过程的相互作用（邬建国，2000；傅伯杰等，2001），重点在于研究景观的结构、功能和动态变化。

空间格局研究是景观生态学研究中的核心内容之一。空间格局是生态系统或系统属性空间变异程度的具体表现，它包括空间异质性、空间相关性等内容。空间格局决定着地理环境要素的分布，并制约着各种生态过程（肖笃宁等，2003）。景观格局通常可用斑块大小、斑块形状、斑块密度和斑块的分布构型等参数来描述。人居环境系统从本质上说也是一种生态系统，不过它属于在人类活动干预下形成的复杂生态系统，因此景观生态学的原理和研究方法，尤其是景观格局与过程的分析方法，原则上也是完全适用于人居环境系统的研究。其中，景观异质性和尺度分异原理更是为人居环境空间变化过程与格局的研究提供了可供借鉴的研究思路。

2.1.5　生态经济学理论

生态经济学是由生态学和经济学相结合而成的一门新兴边缘学科（迟维韵，1990）。莱斯特•R•布朗认为，生态经济是一个维系环境永续不衰的经济，即能够满足人们的需求而又不会危及子孙后代满足其自身所需的经济。其基本思想，要求经济政策的形成必须以生态原理建立的框架为基础（布朗，2002）。生态经济强调人们的生产活动应是生态效益、经济效益和社会效益的统一，而不是单纯追求最佳的经济效益。因此，生态经济思想对人居环境建设研究及人居环境特征的评价具有重要的指导意义。

目前已出现了众多的生态经济系统评价方法，如能值分析、生态足迹方法（Wackernagel.et al.，2000）、国民经济绿色评价体系等方法。其中能值（Emergy）分析方法是美国著名生态学家H.T.Odum于20世纪80年代创立的（Odum，1988），它把环境资源、商品、劳务和科技等不同类别与各种形式的能量经转换为同一标准的能值后，并加以比较研究。这些新理论和研究方法同样也可供人居环境建设研究所借鉴，从而把生态环境系统与人类社会经济系统有机地联系和统一起来。

2.2　人居环境建设系统解析方法的构建

本研究在前人研究成果的基础上，从跨学科分析的角度，运用地理学、经济学、社会学与系统科学等相关学科知识，尝试提出了解析方法。

黄秉维^[2]于1994年指出，研究比较复杂的问题都需要在综合的指导下进行分析，在分析的基础上进行综合，土地利用研究应借助地理学综合分析的研究思路与方法，从新的视角开展综合研究，本研究正是顺着这样的思路，同时还借鉴了马杏垣提出的解析构造学基本思想（马杏垣等，1987）。

本研究所采用的解析方法，其基本思路是以人居环境建设系统为研究对象，把人居环境建设系统分解成若干子系统（见图2-1）（自然子系统、经济子系统、社会子系统、生态子系统），以定量分析与定性描述相结合的手段，分析土地利用人居环境建设系统的几何学属性特征。然后，采用综合研究的方法，研究人居环境建设系统的时空组合特征，揭示人居环境建设系统的运动图式。在此基础上，开展人居环境建设系统的动力学研究，即探讨人居环境建设系统演变的驱动力与驱动机制，以及演变规律与演变范式。概括而言，本书的人居环境建设解析研究包含了从分解到综合的过程，从现象到原因到机理再到模式的认识过程。具体来说包括四个方面：第一，是对人居环境建设系统格局的组成、分类、属性等进行观察、描述和测量，即几何学分析，它是人居环境建设解析的基础；第二，根据所观察到的人居环境建设系统变化格局的几何学数据，探寻人居环境建设系统演变格局的变化轨迹，即运动学研究；第三，进行人居环境建设系统演变的驱动力与驱动机制，也就是研究空间格局演变与引起其变化的自然条件、社会经济驱动力之间的关系，即动力学研究；第四，建立人居环境建设系统优化配置模式，进行人居环境建设预警系统监测与研究，并进行人居环境建设系统优化调控，整个过程如图2-1所示。

图2-1　人居环境建设系统解析方法概念模型

据此，针对人居环境建设解析，我们从三个层面开展研究。在微观层面，探讨了人居环境建设的物质系统的解析，分析了人居环境建设系统可持续相关的理论与实践。在中观层面，我们拟选择区域土地利用变化为研究对象，探索地理学综合集成研究的理论方法与应用实践，揭示土地生态系统在不同层次上的特点与差异，并进一步揭示土地利用生态系统在时空的分异规律。针对江苏不同地区社会经济发展程度及土地利用变化所造成的问题的尖锐程度差异大的特点，通过多尺度调查分析，探讨区域土地利用的时空变化特点，探讨土地利用变化解析研究的理论与方法，为复杂系统综合研究的解析方法提供典型研究。在宏观层面，探索了人居环境学科体系的新思路，提出了构建城市规划一级学科及其学科体系的构成。实践证明，从分析—合成—综合的解析分析方法，是揭示复杂系统特征及其规律的有效分析工具。

【注释】

[1]钱学森：关于山水城市及建筑科学受到重视的原因给鲍世行的信。见：鲍世行，顾孟潮主编：杰出科学家钱学森论山水城市与建筑科学，北京：中国建筑工业出版社，1999年版，第133～134页。

[2]转引自中国科学院地理与资源研究所叶庆华博士论文，2001年，第89页。