段秋亞

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

對(duì)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(duì)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(duì)尺度和尺度轉(zhuǎn)換概念進(jìn)行了剖析，然后對(duì)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(duì)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(lái)在地理學(xué)研究中，尺度問(wèn)題是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，已經(jīng)被UCGIS列在地理信息科學(xué)未來(lái)研究的十大優(yōu)先領(lǐng)域。大量的研究事實(shí)證明，研究對(duì)象格局與過(guò)程的發(fā)生、時(shí)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(duì)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(cái)力，時(shí)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(guò)程的研究成為了必要環(huán)節(jié)。雖然尺度問(wèn)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(shí)。實(shí)際研究中主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：尺度選擇不當(dāng)，不能準(zhǔn)備的反映研究對(duì)象的科學(xué)本質(zhì)。盲目的進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。有意無(wú)意的忽視研究結(jié)果的尺度性，沒(méi)有明確說(shuō)明研究結(jié)果在哪個(gè)尺度上產(chǎn)生或有效。在各個(gè)分支學(xué)科采用的時(shí)間和空間尺度范圍不同，在成果的表述和理解時(shí)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(shí)所采用的空間或時(shí)間單位，又可指某一現(xiàn)象或過(guò)程在空間和時(shí)間上所涉及到的范圍和發(fā)生的頻率。即尺度通常有時(shí)間和空間兩方面的含義，同時(shí)尺度往往以粒度和幅度來(lái)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(shí)來(lái)推測(cè)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(duì)尺度轉(zhuǎn)換的定義，統(tǒng)一將較小尺度觀測(cè)結(jié)果獲得較大尺度信息的向上尺度轉(zhuǎn)換過(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單的聚合方法，并可以數(shù)量化地分析其誤差。總體來(lái)說(shuō)是一個(gè)“集聚”的過(guò)程，在地理信息分析中，地統(tǒng)計(jì)分析是常采用方法。

地統(tǒng)計(jì)方法是一種優(yōu)化估計(jì)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(jì)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(guò)點(diǎn)對(duì)的平均方差度量的。點(diǎn)對(duì)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(duì)位置無(wú)關(guān)。由于可以通過(guò)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(gè)尺度上對(duì)區(qū)域化隨機(jī)變量的變異性進(jìn)行量度，因而地統(tǒng)計(jì)方法常用來(lái)作為向上尺度轉(zhuǎn)換的一種解決方案。

地統(tǒng)計(jì)算法的最大優(yōu)點(diǎn)是以空間統(tǒng)計(jì)學(xué)作為其堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，可以克服內(nèi)插中誤差難以分析的問(wèn)題，能夠?qū)φ`差做出逐點(diǎn)的理論估計(jì)，而且它不會(huì)產(chǎn)生回歸分析的邊界效應(yīng)。缺點(diǎn)是復(fù)雜，計(jì)算量大，尤其變異函數(shù)為幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)變異函數(shù)模型的組合時(shí)，計(jì)算量更大；另一個(gè)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(guò)程是從較少信息推論較多信息，因此必須借助模型，無(wú)法分析其誤差，需要與實(shí)際觀測(cè)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(jì)算各交叉區(qū)域的屬性值，再按目標(biāo)區(qū)進(jìn)行計(jì)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(jiǎn)單面域加權(quán)的擴(kuò)展，它假定一個(gè)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(guò)要求每個(gè)網(wǎng)格單元的數(shù)值接近它周圍4個(gè)鄰近網(wǎng)格單元的平均值達(dá)到最小化估計(jì)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(shí)的空間范圍、粒度、細(xì)節(jié)的相對(duì)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(lái)源的一個(gè)重要特點(diǎn)是其來(lái)自于觀測(cè)數(shù)據(jù)而不是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)一般由計(jì)數(shù)單元采樣而得，而計(jì)數(shù)單元的大小又是尺度的指標(biāo)。因此從數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)問(wèn)題、研究問(wèn)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(gè)樹(shù)更大的運(yùn)行尺度。

基于尺度的這些分類，尺度問(wèn)題主要的研究領(lǐng)域有：格局的識(shí)別；對(duì)觀察到的目標(biāo)的解譯；對(duì)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(guò)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铩⒎巧锖腿祟愡^(guò)程關(guān)聯(lián)起來(lái)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(lái)完成。一般尺度的選擇受到研究項(xiàng)目的狀況、研究對(duì)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(gè)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(gè)單一的最佳尺度，因此，需要采用多尺度分析來(lái)進(jìn)行研究。

5.地理科學(xué)尺度研究需要解決的問(wèn)題

地理科學(xué)的尺度問(wèn)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(guò)程研究中速率變量如何隨尺度改變；優(yōu)勢(shì)或主導(dǎo)過(guò)程如何隨尺度變化；過(guò)程特性如何隨尺度改變；敏感性和可預(yù)測(cè)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(gè)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.

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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(cè)量技術(shù)專業(yè)教學(xué)工作