1.1 地理现象的认知与表达

地理现象指地理事物在发生、发展和变化过程中的外部形式和表面特征。自远古时代，对自然的敬畏和神秘感，驱使着人类不断地探索和解释自己身边的各种地理现象。从夸父追日的神话传说到哥伦布的航海实践，从亚里士多德对地球球形的证明到阿波罗飞船传回的地球真实照片，关于地球的知识在探索和发现中不断积累，成为人类活动的重要基础。直到今天，仍然有很多的地理谜团困扰着我们，对地理现象的探索将持续进行下去。

“言之不存，传之不远”，采用适当的方法记录和保存有关地理现象的信息，是实现地理知识表达和传播的唯一途径。

1.1.1 地理现象的自然语言

1.自然语言

自然语言是随文化演化自然形成的语言，是人们在生产、生活中进行思维和思想交流的工具。汉语、英语、俄语等都是自然语言。

文字是自然语言的载体，是记录语言的符号，是存储、传输信息的重要形式。文字使得人类的思想和知识得以保存和传播，因此我们将其定位为文本语言，它是自然语言的重要组成部分。而在自然语言发展的初期，人类则是通过肢体和语言来传递信息，表达情感的，这类语言我们称为肢体语言和口头语言。当自然语言发展到较高层次的时候，文字就自然而然地出现了。

一般认为，世界上最早的文字出现在古代中东地区的楔形文字，距今6000~5000年（图1.1）。我国原始文字的雏形可以追溯到距今约6000多年的仰韶文化（图1.2）。到公元前16世纪的商朝甲骨文出现，标志着系统的汉字体系已经形成。（图1.3）

2.表达地理现象的第一语言

    在认知地理现象的过程中，需要一种便于交流和传递地理信息的语言，以便表达和描述地理现象及其特征。自然语言便自然而然地担当起了这个重任，成为地理学的第一语言。自然语言实现了地理空间到抽象思维空间的形态变换。

    文字是描述地理现象和传输地理信息的基本形式。在文字出现之前，人们已经积累了一些地理知识。当文字出现并用于表述地理现象之后，地理知识的积累和传播出现了一个飞跃。

    自然语言描述地理现象的厉史非常悠久，并遗留下来非常丰富的地理遗产。即使在信息化社会，自然语言描述地理现象仍然具有不可替代的优势。

    在我国，甲骨文中就有卜雨卜晴的记载（图1.4 )。

《春秋》一书中记载了公元前722一前479年200多年间鲁国的水旱情况；《尚书·禹贡》更是一部重要的古代地理著作，全书约1200字，分九州、导山、导水、五服4个部分，依据河流、山脉、海洋的自然分界将国土划分为九州，此书可以说是自然区划思想的萌芽。

明代地理学家、旅行家徐霞客（图1.5 )更是通过亲身经历，用生动的语言描述了祖国丰富的自然资源和地理景观，他所著的《徐霞客游记》流传至今（图1.6）。

在古希腊，生活在公元前5世纪的希罗多德总结了前人游记、航海志等文字作品，从区域及其界限角度组织地理知识（图1.7）；在公元元年前后，斯特拉波完成17卷本《地理学》，构建了以区域变化为核心的方法论，并对前人著作做了大量引用和评论，成为描述地理学的典型代表人物（图1.8）。世界其他古老文明同样也遗存有大量的地理著作。

地理现象的文本语言描述，对计算机的存储而言是一种非结构化信息，在表达地理现象的语义、空间位置、几何形态、变化过程、要素关系和属性特征等内容时往往没有固定的格式。

1.1.2地理现象空间分布的地图表达

1.从古老岩画到地图

绘画是一种可以共享的特殊语言。在文字出现以前，绘画就已经用于表达情感、记载事件了。岩画就是石器时代的一种石刻文化。人类祖先以石器作为工具，以图画形式在岩壁上描绘、记录当时的生活环境、生产方式或重大事件。

1963年，考古学家在土耳其的一处史前遗址中发现了一幅岩画，内容是城镇的平面图。这幅岩画全长约9375px，图1.9展示了其大部分内容。根据放射性碳同位素t年代测定，岩画完成的时间约在公元前6200年，这比楔形文字的出现还要早约2700年。

随着文明的进步，原始的绘画逐渐分化，一支演化成象形文字，一支成为美术的先驱，还有一支在测量技术方法支持下发展成平面图和地图。

测量工具的发明和使用可追溯到人类文明初期。在中国古代神话中的人类始祖伏羲和女蜗时代，就已经有测量角度的规和丈量长度的矩了，规矩既是生产工具，也是社会秩序的象征（图1.10）。

    图1.11是1986年在甘肃天水秦墓发掘出土的放马滩战国秦地图，绘制在4块667.5pxx 18.lcm大小的松木板上，是我国现存最早的实物古地图。

2.地理空间位置的图示表达

    所有地理现象都有特定的时空位置。确定和表达地理事物与地理现象的时空位置是人类活动的基本需求。

    地名地址是最常用的一种确定地理位置的方法，在自然语言描述地理现象时广为使用。地名是人们赋予某一特定空间位置上自然或人文地理实体的专有名称，而地址则是地理实体具体的空间位置。每当提及一个大家熟知的地名时，它所包含的地理实体的文化内涵和地理位置就会映现在人们的大脑中。

利用地名进行空间定位虽然直观、易记．但是有时定位不够精确。为了准确地确定地理事物的位置，就需要建立具有严密数学基础的坐标系统（图1.12）。

地球是一个不规则的椭球体，当需要确定球面上一个点的位置时，我们自然就想到了球面坐标—经度和纬度。例如，我国在南极建立的第一个科学考察站长城站的地理位置是南纬62°12'59"、西经58°57'52"、海拔高10m，这样就准确、唯一地表述了长城站在地球上的地理位置（图1.13和图1.14）。

最早认为必须以经纬度位置为基础才能精确绘制世界地图的是公元前2世纪时的古希腊学者希帕库。到公元2世纪，托勒密（图1.15）在希帕库的经纬度网基础上，建立了地图投影，利用已有的地理资料绘制了世界地图（图1.16）。托勒密所著8卷本《地理学指南》是一部影响深远的著作，其第一卷讲的是地图投影，第八卷讲的是世界各部分的地图。托勒密地图投影方法为精确编绘地图奠定了基础。

在中国，与托勒密时代相近的裴秀（图1.17）提出了“制图六体”和计里画方理论，是中国古代地图制图分展的重要里程碑。图1.18是南宋时期采用计里画方绘制的“禹迹图”。

    16世纪，荷兰出现了一位地图发展史上划时代的人物—墨卡托（图1.19）。墨卡托的主要贡献是建立了墨卡托投影，这是一种将航海时重要的等角航线投影为直线的地图投影（图1.20）。

到了17世纪，随着光学测量仪器、三角测量和天文测量理论的出现，测量学得到发展，实地测量成为绘制大比例尺地图的主要手段（图1.21），推动了科学地图学的兴起。

3.表达地理现象的第二语言

    地图被称为地理学的第二语言。地图语言具有数学语言的精确性和图形语言的可视性特点，实现了地理空间到形象空间的形态变换。

    地图能够准确表达地理现象的空间位置和格局，直观反映空间分布及其变化，有很强大的表现力。20世纪中叶以来，遥感制图、计算机辅助制图技术的兴起和专题地图、综合地图集的发展，更增强了地图的表现力（图1.22）。

美国学者丹尼斯·伍德在《地图的力量》〔图1.23）一书中说：“地图所赋予我们的现实，超出我们的视野、我们的掌握、我们的时间，那是一种我们别无他法可以获得的现实。地图能够使过去与未来呈现在我们面前。”

1.1.3地理现象时空分析的地理信息系统表达

1.从计算机制图到地理信息系统

1939年，美国艾奥瓦州立大学教授阿塔纳索夫（图1.24)发明阿塔纳索夫一贝利计算机（Atanasoff Berry computer,简称ABC），开启了数字化时代的大门。随后，冯·诺依曼与莫年小组合作，在研制EDVAC计算机的同时，提出研制电子计算机的基础性方案。冯·诺依曼被誉为“计算机之父”（图1.25）。

    20世纪50年代后期，美国华盛顿大学几位学者开始尝试20世纪50年代后期，美国华盛顿大学几位学者开始尝试利用电子训算机绘制地图，并取得了成功。在这个时期，信息论、控制论和系统论也先后被提出。

    1937年，美籍奥地利生物学家贝塔朗菲提出一般系统论原理，奠定了系统科学的理论基础，并在此基础上于20世纪50年代创立系统论（图1.26）。

    1948年和1949年，美国数学家香农发表论文《通信的数学理论》和《在噪声中的通信》，提出信息嫡的数学公式，量化描述了信息的传输和提取间题，创立了信息论（图1.27）。

1948年，美国应用数学家维纳出版《控制论—关于在动物和机器中控制和通信的科学》，明确提出控制论的两个基本概念—信息和反馈，揭示了信息与控制规律，创立了控制论（图1.28）。

    在计算机技术和信息论、控制论、系统论等科学思想推动下，一种新的表达地理现象的形式出现了，这就是地理信息系统。1963年，罗杰·汤姆林森（图1.29)为了更有效地存储、分析和利用加拿大土地统计局收集的关于土壤、农业、休闲、野生动物、水禽、林业和土地利用数据，开始开发国际上第一个地理信息系统—加拿大地理信息系统（CGIS )。

2.表达地理现象的第三语言

    地理信息系统被称为地理学的第三语言。地理信息系统既具有数学语言的精确性、图形语言的可视性，也具有空间分析的灵活性特点，实现了从地理空间到抽象思维空间，再到形象空间的变换。

    地理信息系统是在计算机技术、航天遥感技术等高新技术辅助下形成发展起来的一种全新的描述与表达地理现象的语言。与自然语言和地图语言相比，地理信息系统具有合理灵活的空间存储结构和更良好的空间分析功能。

    从反映地理现象客观本质的角度看，自然语言和地图语言只能反映被人的感官所接收的地理信息，这些信息只是客观地理信息中极少的一部分。随着技术工具的进步，虽然地图所能反映的地理现象的内容和范围有越来越大的趋势，但是仍然受到诸多的限制。地理信息系统借助遥感和卫星定位导航等技术，真正实现了地理现象的全球化、一体化、同步化表达。

    从描述地理现象技术工具的角度看，自然语言和早期地图主要依赖人的感觉器官和神经器官获得并进行信息转换，用的是人的耳朵和眼睛，也使用一些工具，如木器、石器、纸张等。但随着科学技术的发展，地图信息获取所使用的工具逐渐增多，如各种测量仪器、摄影设备、电子存储工具等。地理信息系统极大地拓展了人的感知能力，信息获取和转换主要依靠遥感、定位、计算机等高新技术，其载体包括计算机、互联网、多媒体、光存储器等，具有信息容量大、传递速度快的特征。

    从大脑思维产物---主观地理信息的角度看，自然语言是大脑思维最初级的产品，所输出的只有声音、符号等信息内容，它既是人们交往的工具，也是大脑进一步思维加工的基本工具或原材料。地图是大脑思维经过一系列综合加工处理的产品，它既可以作为独立产品使用，也可以作为人脑进一步思维加工的工具。地理信息系统的大脑思维由人脑预先设计的计算机软件所代替，输出的是集语音、文字、地图于一身的多媒体信息，具确多层次、网络化、数字化全面、形象地反映地理现象的优势，既可以作为终极产物使用，还可以进一步合成或进行思维加工。

    科学和技术进步是永无止境的。从远古到今天，人类关于地理现象认知与表达的技术、工具和方法经过了天翻地覆的变化（图1.30），这种变化还将不断地发展下去。