對GIS中尺度和尺度轉(zhuǎn)換的理解與分析

段秋亞

(廣東建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510440)

對GIS中尺度和尺度轉(zhuǎn)換的理解與分析

段秋亞

(廣東建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510440)

尺度是對地理現(xiàn)象觀察、度量的標(biāo)準(zhǔn)之一，是空間數(shù)據(jù)采集、建模、分析的重要依據(jù),是空間數(shù)據(jù)的重要特征。本文首先對尺度和尺度轉(zhuǎn)換概念進(jìn)行了剖析，然后對其重要性進(jìn)行歸納總結(jié)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需要對尺度轉(zhuǎn)換常用類型，尺度選擇和尺度效應(yīng)進(jìn)行了分析。

尺度；尺度轉(zhuǎn)換；尺度效應(yīng)

1.引言

近年來在地理學(xué)研究中，尺度問題是一個熱點(diǎn)問題，已經(jīng)被UCGIS列在地理信息科學(xué)未來研究的十大優(yōu)先領(lǐng)域。大量的研究事實(shí)證明，研究對象格局與過程的發(fā)生、時空分布、相互耦合等特性都是尺度依存的。因此，只有在連續(xù)的尺度序列上對其考察和研究，才能把握它們的內(nèi)在規(guī)律。若只是在某一特定范圍內(nèi)，由于科學(xué)認(rèn)知水平，財力，時間、經(jīng)歷等方面的限制，很多研究只能是離散化的，單一尺度的。這就使得尺度大小的選擇，向下或向上轉(zhuǎn)換過程的研究成為了必要環(huán)節(jié)。雖然尺度問題一度得到科研者的關(guān)注，但在其定義、類型、域界定、模式轉(zhuǎn)換與技術(shù)等方面卻存在著一些歧義和片面的認(rèn)識。實(shí)際研究中主要表現(xiàn)在以下幾個方面：尺度選擇不當(dāng)，不能準(zhǔn)備的反映研究對象的科學(xué)本質(zhì)。盲目的進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。有意無意的忽視研究結(jié)果的尺度性，沒有明確說明研究結(jié)果在哪個尺度上產(chǎn)生或有效。在各個分支學(xué)科采用的時間和空間尺度范圍不同，在成果的表述和理解時經(jīng)常引起歧義，特別是在跨學(xué)科研究日益強(qiáng)化的情形下，更加劇了綜合集成的困難。

2.尺度與尺度轉(zhuǎn)換

尺度是指在研究某一物體或現(xiàn)象時所采用的空間或時間單位，又可指某一現(xiàn)象或過程在空間和時間上所涉及到的范圍和發(fā)生的頻率。即尺度通常有時間和空間兩方面的含義，同時尺度往往以粒度和幅度來表達(dá)。尺度轉(zhuǎn)換是利用某一尺度上所獲得的信息和知識來推測其他尺度上的現(xiàn)象，既可以是向上尺度轉(zhuǎn)換，也可以是向下尺度轉(zhuǎn)換。根據(jù)王勁峰等對尺度轉(zhuǎn)換的定義，統(tǒng)一將較小尺度觀測結(jié)果獲得較大尺度信息的向上尺度轉(zhuǎn)換過程稱為尺度擴(kuò)展；而把大尺度上的信息分解到更小的尺度的過程稱為尺度收縮。

2.1 向上尺度轉(zhuǎn)換方法

向上尺度轉(zhuǎn)換即尺度上推，這一過程與科學(xué)研究中常用的采樣非常相似，是從較多信息中抽取較少信息，可采用較簡單的聚合方法，并可以數(shù)量化地分析其誤差?？傮w來說是一個“集聚”的過程，在地理信息分析中，地統(tǒng)計分析是常采用方法。

地統(tǒng)計方法是一種優(yōu)化估計的技術(shù)，其基本假設(shè)是建立在空間相關(guān)的先驗(yàn)?zāi)Ｐ椭系?。假定空間隨機(jī)變量具有二階平穩(wěn)性，或者是服從地統(tǒng)計的本征假設(shè)。因此，它具有這樣的性質(zhì)：距離較近的采樣點(diǎn)比距離遠(yuǎn)的采樣點(diǎn)更相似，相似的程度或空間協(xié)方差的大小，是通過點(diǎn)對的平均方差度量的。點(diǎn)對差異的方差只與采樣點(diǎn)間的距離有關(guān)，而與它們的絕對位置無關(guān)。由于可以通過比較被特定滯后距離分隔的同一隨機(jī)變量的不同值和在多個尺度上對區(qū)域化隨機(jī)變量的變異性進(jìn)行量度，因而地統(tǒng)計方法常用來作為向上尺度轉(zhuǎn)換的一種解決方案。

地統(tǒng)計算法的最大優(yōu)點(diǎn)是以空間統(tǒng)計學(xué)作為其堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，可以克服內(nèi)插中誤差難以分析的問題，能夠?qū)φ`差做出逐點(diǎn)的理論估計，而且它不會產(chǎn)生回歸分析的邊界效應(yīng)。缺點(diǎn)是復(fù)雜，計算量大，尤其變異函數(shù)為幾個標(biāo)準(zhǔn)變異函數(shù)模型的組合時，計算量更大；另一個缺點(diǎn)是變異函數(shù)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為選定。

2.2 向下尺度轉(zhuǎn)換方法

向下尺度轉(zhuǎn)換即尺度下推，這一過程是從較少信息推論較多信息，因此必須借助模型，無法分析其誤差，需要與實(shí)際觀測比較。通常采用面域加權(quán)法和最大化保留等方法。

1)面域加權(quán)法。先將目標(biāo)區(qū)和源區(qū)疊加，分別計算各交叉區(qū)域的屬性值，再按目標(biāo)區(qū)進(jìn)行計算。這種算法雖然能夠保證源區(qū)與目標(biāo)區(qū)的屬性值相等，但是它假定屬性值在源區(qū)內(nèi)均勻分布的假設(shè)是不符合實(shí)際的。

2)最大化保留。最大化保留是簡單面域加權(quán)的擴(kuò)展，它假定一個光滑密度函數(shù)，該密度函數(shù)在變量一致的前提下，考慮了相鄰區(qū)域的影響。平滑條件是通過要求每個網(wǎng)格單元的數(shù)值接近它周圍4個鄰近網(wǎng)格單元的平均值達(dá)到最小化估計表面曲率的目的。其他的平滑條件根據(jù)應(yīng)用的類型而定。

3.尺度與尺度轉(zhuǎn)換的重要性

尺度是空間數(shù)據(jù)的重要特征，是數(shù)據(jù)建模和表達(dá)時的空間范圍、粒度、細(xì)節(jié)的相對大小。不同尺度內(nèi)的空間信息密度有很大的差異。在地理科學(xué)及許多相關(guān)研究領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)來源的一個重要特點(diǎn)是其來自于觀測數(shù)據(jù)而不是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些觀測數(shù)據(jù)一般由計數(shù)單元采樣而得，而計數(shù)單元的大小又是尺度的指標(biāo)。因此從數(shù)據(jù)來源的角度，其尺度特征往往是被預(yù)先決定的?？墒窃趯?shí)際研究中，觀測問題、研究問題以及最終的應(yīng)用層次之間往往存在尺度的不一致性，從而導(dǎo)致尺度轉(zhuǎn)換在地學(xué)和相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域中不可避免。

4.尺度與尺度選擇

4.1 尺度的分類

尺度發(fā)展為四種與空間現(xiàn)象有關(guān)的尺度：制圖尺度或地圖尺度，指地圖比例尺，大比例尺地圖提供更詳細(xì)信息；地理尺度，即研究區(qū)域的空間擴(kuò)展，大的研究區(qū)域具有更大尺度；分辨率，指空間數(shù)據(jù)集中最小的可區(qū)分部分，越細(xì)的區(qū)分單位具有越小的尺度；運(yùn)行尺度，指地學(xué)現(xiàn)象發(fā)生的空間范圍，如森林具有比單個樹更大的運(yùn)行尺度。

基于尺度的這些分類，尺度問題主要的研究領(lǐng)域有：格局的識別；對觀察到的目標(biāo)的解譯；對特定尺度某一層次命題的一般化處理及其在同一尺度其他層次的應(yīng)用；過程和函數(shù)的最優(yōu)化。

4.2 尺度選擇與尺度效應(yīng)

由于尺度依賴性的存在，在尺度研究領(lǐng)域，尺度效應(yīng)和尺度選擇是緊密聯(lián)系在一起的，是“尺度科學(xué)”的重要內(nèi)容之一。理論上講，應(yīng)該選取能夠?qū)⑸?、非生物和人類過程關(guān)聯(lián)起來的最佳尺度，但是尺度選擇卻經(jīng)常按照感知能力或技術(shù)的、邏輯的限制來完成。一般尺度的選擇受到研究項(xiàng)目的狀況、研究對象的性質(zhì)和復(fù)雜程度等一系列因素的影響和制約，在充分考慮這些因素的情況下，尺度選擇應(yīng)該具有層次性，即至少要包括核心尺度，小尺度組分和大尺度背景三個層次。確定最適合尺度的方法可能完全是經(jīng)驗(yàn)主義的。另外，根據(jù)多元回歸分析在不同尺度上的解釋能力，也可以幫助確定合適的研究尺度。也有學(xué)者認(rèn)為，在地理學(xué)研究中，往往不只存在一個單一的最佳尺度，因此，需要采用多尺度分析來進(jìn)行研究。

5.地理科學(xué)尺度研究需要解決的問題

地理科學(xué)的尺度問題面臨的挑戰(zhàn)總結(jié)如下：空間異質(zhì)性如何隨尺度改變；過程研究中速率變量如何隨尺度改變；優(yōu)勢或主導(dǎo)過程如何隨尺度變化；過程特性如何隨尺度改變；敏感性和可預(yù)測性如何隨尺度改變；干擾因素的尺度效應(yīng)如何表達(dá)；尺度轉(zhuǎn)換能否跨越多個尺度或尺度域；噪聲成分是否隨改變等。

[1]Fred I Bunnell，David J Huggard．Biodiversity across spatial and temporal scales：problems and opportunities.Forest Ecology and Management，1999，115：113-126．

[2]Montello DR.Scale and multiple psychologies of space[A].In FRANK AU,CAMPARI.Spatial Information Theory.A Theoretical Basis for GIS [ C ],Berlin:SpringerOVerlag.1993,312-321.

G322

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1007-6344（2017）02-0296-01

段秋亞（1987-），女，河南遂平人，研究生學(xué)歷，從事工程測量技術(shù)專業(yè)教學(xué)工作