模式、理論及系統在地理學的分析與應用

第一章　探究知識方法
“Discovery consists of seeing what everybody has seen and thinking what nobody has thought”
～Albert Szent-Gyorgyi (1893-1986)

繽紛的世界呈現著許多鬼斧神工的瑰麗景觀和各種千變萬化的奇特現象，自古以來人類也不斷嘗試去理解、描述、分析和闡釋這個我們所「存在」的空間與環境。藉由追根究底、抽絲剝繭的好奇心驅使與不斷嘗試、鍥而不捨的學習歷程，人類逐漸窺知浩瀚瀛寰的奧妙，發現、認識與理解森羅萬象的天地間，雜亂中存在著規律性的秩序，繁複中含藏著簡單性的機制；而透過這些對大自然真相的觀察和研究，人類不僅知曉事物的存在與運作的原理，消除了疑惑，也漸次累積經驗與增長智慧，進而發展出有系統的知識，並創設出「科學」一詞的思想與內涵，實踐了「存有」的價值。
「科學」的英文「Science」是16世紀英國哲學家法蘭西斯．培根（Francis Bacon）所創設的字彙，而Science是從拉丁文「scientia」一詞所衍生而來的，其意義就是指知識（knowledge），而scientia則是援用「Scio」這個動詞為字根的轉化，原意是指「I know」，由此可知「科學」就是認識自然界萬事萬物的一門學問。換言之，所謂的科學即是對所生存的周遭環境與事物作理由充分的觀察或探究，並透過這樣的探究歷程而逐步建構出知識體系，Babbie（1983）便認為科學是一種探索的方法，是一種學習瞭解我們周遭事物的方法；2009年英國科學委員會為「科學」所下的定義即為：「科學是以日常現象為基礎，用系統的方法對知識的追求、對大自然的理解以及對社會的理解。」故以有系統的實證性研究方法所獲得之有組織、有系統且正確的知識，即稱之為「科學」。概而言之，慎密觀察和探究以了解自然的真相，是須藉由一些必要的方法和手段（如推理、驗證）來進行，這種研究的方式與途徑，即是今日我們所熟悉的「研究方法」。
用來建立和發展科學知識體系的研究方法就是所謂的科學方法（Scientific method），科學方法常是由欲探索的事項進行詳細的觀察開始，然後對此現象或問題提出一些疑問，這個心中的疑惑最常見的表達方式就是「為何會這樣」（why）？此時人們常會用自己原有的知識或經驗，去類化和推導出一個假設，然後從觀察及收集的資料去進行歸納分析和邏輯思考，進一步發展出概念化的通則或原理，並反覆加以測試及實驗來證明假設的正確性及原理的適用性，最後獲致一個可來解釋所觀察事項的結論（know how）；如同Mayr（1997）所歸結的科學方法之五字真言，即：「觀察、質問、臆測、試驗、解釋」。
因此科學方法第一步，就是進行縝密詳實的觀察，科學家從自然現象或特定的研究客體中，察覺有趣、奇特、蹊蹺，而目前的一些理論無法解釋，或與一般觀點相衝突的情形進行有目的性、規劃性和系統性的察看。換言之，觀察並非浮光掠影或走馬看花的瞥視，而是一種透過感覺器官及相關工具來蒐集研究資料的歷程，不僅要知道如何將自己的探究標的清楚地界定出來，且對於那些易受時間或環境影響的因素，要進一步加以控制或排除干擾以求觀察之客觀與正確，例如借用計時器觀察發燒的週期規律、排除霧霾期間觀測恆星顏色的變化及光照對植物生長的影響等。
細心觀察後的下一個步驟便是養成敏於思考和善於發現問題的習慣，對於欲認知或研究的對象，提出疑問並設法尋求解答，就是質疑和臆測的研究歷程。質疑是知識學習最大的動力，也是人類文明推進的舵手，古今中外的名人都強調其重要性。至聖先師孔子便云：「學源於思，思源於疑，疑是思之始，學之端」；西方哲人蘇格拉底也說過：「問題是接生婆，它能幫助新思想誕生」；愛因斯坦亦認為：「提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題也許僅僅是一個數學或實驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，都需要有創造性的想像力，且標誌著科學的真正進步。」顯見，對於所觀察的事項提出「為何會這樣」的疑問，就是開啟思維運作、觸動探究精神的鑰匙。而發現問題後，接下來必須確定的是問題的性質與範圍，並對待決問題提出暫時性、嘗試性的答案，或是認為這些觀察要項間可能存在的關係，這種猜測或臆度的科學術語便是「假設」（hypothesis）。
「大膽假設、小心求證」是胡適於1919年提出治學方法的至理名言，著名的英國物理學家牛頓（Newton）也說：「沒有大膽的猜測，就沒有偉大的發現」。尋求對一件事情的解答，不論是高瞻卓見的想法或是縝密邏輯的思慮，到最後都需經嚴格驗證的關卡，得知事實真相與對錯，方能提出令人信服、合理且正確之解釋，所以科學哲學家亨普爾（Hempel, 1948）便說：「解釋就是邏輯演繹的論證過程」，他強調解釋作為一種科學過程是不需要借助任何形上學的，只要能滿足正確邏輯和經驗條件，該現象的解釋便具有知識基礎。因此，從事科學研究，除了需勇於想像、具備創意和大膽假設的前提外，更重要是需要不斷的試驗求證明其假設的真實性，這就是「驗證」的意涵；所謂驗證，意即透過經驗、實驗或觀察等方法，來證明定義所指的事項是否存在，不僅要禁得起邏輯推理還需通過客觀檢測、反覆驗證，才能將指陳的概念與觀察事項相契合，建構出新的知識或學說理論（圖1-1）。由於推導和驗證一個假說有嚴謹的步驟與程序，所以大膽假設並非天馬行空的想像，而是構築在既有的知識或經驗下、發揮正確敏銳的想像力去針對真實且存有的懷疑事項，謹慎地檢視求證，方能提出自圓其說且令人信服的解釋，而將「假說」確認為新發現的「事實」。
由此可知，科學的探索與發現並非憑空而來，而是有其一貫的傳承與脈絡，所謂「善於觀、敏於思、勤於行」，即是指科學的研究除了詳細觀察發現而提出疑問外；更重要的是思考與實做（doing），即基於既有的知識或經驗體系，以歸納演繹的思維方法進行邏輯推理，或藉由實際量測所得之數據加以對比分析，來驗證假說的成立與否。例如：察看到天體恆星的顏色不同，設想這是由於它們相對於地球的運動速度不同？還是其表面溫度不同而引起的？又觀察到臺灣高山發現疑似冰河地形的出現，而提出是否因臺灣的氣候或是高度曾出現過變異而形成的？因此，如何透過敏於思、勤於行去收集和分析資料來證明和解釋哪些假說的正確性便是一項挑戰，著名的「紅位移」（Red shift）現象的發現便是1929年美國天文學家哈伯（Hubble）從「都卜勒效應」（Doppler effect）的知識得到啟發，思考並實證後認為恆星光譜線的紅位移意味著許多恆星正遠離我們而去，而且恆星離我們越遠，紅位移也就越明顯，其退行速度也越大，這便是著名的哈伯定律（Hubble’s law）的由來，接著後來的天文學家又依此定律為基礎，發展出了現今重要的宇宙「大爆炸」理論（Big Bang theory）。

第一章　探究知識方法
“Discovery consists of seeing what everybody has seen and thinking what nobody has thought”
～Albert Szent-Gyorgyi (1893-1986)

繽紛的世界呈現著許多鬼斧神工的瑰麗景觀和各種千變萬化的奇特現象，自古以來人類也不斷嘗試去理解、描述、分析和闡釋這個我們所「存在」的空間與環境。藉由追根究底、抽絲剝繭的好奇心驅使與不斷嘗試、鍥而不捨的學習歷程，人類逐漸窺知浩瀚瀛寰的奧妙，發現、認識與理解森羅萬象的天地間，雜亂中存在著規律性的秩序，繁複中含藏著簡單性的機制；而透過這些對大自然真相的...

安東．聖伯修里的《小王子》一書中，小王子問一位老先生：「地理學家是什麼？」老先生回說：「地理學家是一位懂得哪裡有海，有河流，有城市，有山脈和沙漠的科學家。」此語言簡意賅地說明地理的學習是去知曉我們所生活的大千世界，不僅觀察四季和地景的更迭，也嘗試理解人類的情感與活動。
自從有人類的足跡開始，我們便開始接觸並探索周遭環境事物的種種現象，因此地理學可以說是最古老的學問，也是一門綜合的知識。西元前五世紀的中國《尚書》禹貢篇就描述了中土各州的山脈、河川、物產及農業狀態，顯見對地理知識的研究自古即存。十八世紀後隨著科學方法的提倡和知識體系的建立，近代地理學也逐漸成形，在洪堡德和李特爾等學者的努力下，地理也漸蛻變並轉化成為現代科學。
所謂的現代科學強調模型的建構和理論的驗證，也促使知識朝向專門化的學科發展，一方面許多學科如地質學、氣象學、人口學、都市規劃學漸由這稱為科學之母的地理領域分化而出；一方面地理學本身也吸取相關的方法和理論來鞏固和延續地理學門的發展，尤其在1960 年代的計量革命風潮中，地理學也掀起劇烈的反動與省思，這些因時興革的交鋒與激盪，豐富了地理學多元的內容與進展。
由統一而分化，由分化趨向統一，這就是地理學發展歷程中的辯證規律，順應近年來系統科學的茁壯、科際整合的需求日趨熱絡，地理學的綜合學科特質也因勢利導地受到矚目。而系統科學的導入，有助於打破地理學長久以來自然地理與人文地理的壁壘，並消弭區域地理與系統地理的爭議；尤其是近年來地理資訊系統的知能不斷推陳出新，並整合許多新方法與新理論，不僅架構了現代地理學的理論模式與應用發展，也使地理學得到復甦的契機，在許多不同的學科領域中廣泛受到重視與採行，提供了空間分析與決策支援，有效協助解決真實世界的紛紜問題。
因此在這全球面臨能源、人口、汙染等環境課題，問題經緯萬端、複雜難解，地理學的系統性和整合性，實可在此發揮改變世界的力量，故如何將這些科學的模式、理論融入地理學的研究，並以系統的思維和架構加以踐行和應用，實為一個地理工作者應肩負的職責。這些構思和規劃在筆者的腦海中纏繫縈繞許久，然因諸事冗雜制肘，使書寫的計畫延宕耽擱甚久。幸承張瑞津、鄧國雄、鄧天德、許民陽老師等地理前輩不斷敦勉勸勵，方能篩濾結晶、聚沙成塔，終臻底成。
付梓之際，驀然回首，知命之年忽焉已至，白雲蒼狗，雖人事已非，仍感念造化宏德，留片語只辭於時空洪爐中錘鍊，冀望能對地理學的繼往開來盡些許棉薄之力。然駑鈍之資，倥傯就筆，闕漏誤謬在所難免，尚祈專家先進不吝指導斧正為禱。

安東．聖伯修里的《小王子》一書中，小王子問一位老先生：「地理學家是什麼？」老先生回說：「地理學家是一位懂得哪裡有海，有河流，有城市，有山脈和沙漠的科學家。」此語言簡意賅地說明地理的學習是去知曉我們所生活的大千世界，不僅觀察四季和地景的更迭，也嘗試理解人類的情感與活動。
自從有人類的足跡開始，我們便開始接觸並探索周遭環境事物的種種現象，因此地理學可以說是最古老的學問，也是一門綜合的知識。西元前五世紀的中國《尚書》禹貢篇就描述了中土各州的山脈、河川、物產及農業狀態，顯見對地理知識的研究自古即存。十八...

目　錄
序　論
第一章 探究知識方法　
第二章 模式、理論與系統　
第一節　模型與模式　
第二節　理論與系統　
第三章 系統科學與地理學　
第一節　系統科學的建立與發展　
第二節　地理學的發展與其系統特性　
主要參考文獻　
模　式
第四章 詮釋結構模式的方法與應用　
第一節　引論　
第二節　詮釋結構模式的方法與實施步驟　
第三節　詮釋結構模式的應用與實例　
主要參考文獻　
第五章 預測模式　
第一節　引論　
第二節　預測的類型與方法　
第三節　臺灣地區氣溫變化趨勢之預測　
主要參考文獻　

第六章 分析階層程序法與馬可夫鏈模型　
第一節　引論　
第二節　分析階層程序法的理論與方法　
第三節　分析階層程序法的應用與實例　
第四節　馬可夫鏈的理論與應用案例　
主要參考文獻　
第七章 結構方程模式　
第一節　引論　
第二節　結構方程模式的理論與方法　
第三節　SEM案例分析－文化觀光之遊客行為模式研究　
主要參考文獻　
理　論
第八章 模糊理論的方法與應用　
第一節　引論　
第二節　模糊理論的原理與方法　
第三節　模糊理論的應用與實例　
主要參考文獻　
第九章 碎形理論（一）　
第一節　緒論　
第二節　碎形的理論與方法　
第三節　碎形理論在海岸線量測之應用　
第四節　臺灣海岸線分類問題的再探討　
主要參考文獻　

第十章 碎形理論（二）　
第一節　緒論　
第二節　碎形理論在海岸動態變化與地圖簡化之應用　
第三節　碎形理論在水系網的分析與探討　
第四節　碎形理論在地形的分析及其他領域上之應用　
主要參考文獻　
系　統
第十一章 系統動力學與海岸工程設計分析系統　
第一節　導論　
第二節　系統動力學的理論與實務　
第三節　應用系統動力學探討基隆港口城市之發展　
第四節　海岸工程設計與分析系統介紹　
主要參考文獻　
第十二章 地理資訊系統（一）　
第一節　導論　
第二節　地理資訊系統的內容與方法　
第三節　地理資訊系統在環境災害之應用　
第四節　GIS應用於大甲溪流域之坡地災害調查分析　
主要參考文獻　
第十三章 地理資訊系統（二）　
第一節　地理資訊系統的發展趨勢　
第二節　GIS在土地利用變遷的研究
第三節　運用馬可夫鏈模型與細胞自動機理論模擬植生復育　
主要參考文獻
結　論
主要參考文獻　

目　錄
序　論
第一章 探究知識方法　
第二章 模式、理論與系統　
第一節　模型與模式　
第二節　理論與系統　
第三章 系統科學與地理學　
第一節　系統科學的建立與發展　
第二節　地理學的發展與其系統特性　
主要參考文獻　
模　式
第四章 詮釋結構模式的方法與應用　
第一節　引論　
第二節　詮釋結構模式的方法與實施步驟　
第三節　詮釋結構模式的應用與實例　
主要參考文獻　
第五章 預測模式　
第一節　引論　
第二節　預測的類型與方法　
第三節　臺灣地區氣溫變化趨勢之預測　
主要參考文獻　

第六章 分...