對GIS中尺度和尺度轉換的理解與分析

段秋亞

(廣東建設職業技術學院 廣東 廣州 510440)

對GIS中尺度和尺度轉換的理解與分析

段秋亞

(廣東建設職業技術學院 廣東 廣州 510440)

尺度是對地理現象觀察、度量的標準之一，是空間數據采集、建模、分析的重要依據,是空間數據的重要特征。本文首先對尺度和尺度轉換概念進行了剖析，然后對其重要性進行歸納總結。結合實際應用的需要對尺度轉換常用類型，尺度選擇和尺度效應進行了分析。

尺度；尺度轉換；尺度效應

1.引言

近年來在地理學研究中，尺度問題是一個熱點問題，已經被UCGIS列在地理信息科學未來研究的十大優先領域。大量的研究事實證明，研究對象格局與過程的發生、時空分布、相互耦合等特性都是尺度依存的。因此，只有在連續的尺度序列上對其考察和研究，才能把握它們的內在規律。若只是在某一特定范圍內，由于科學認知水平，財力，時間、經歷等方面的限制，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，向下或向上轉換過程的研究成為了必要環節。雖然尺度問題一度得到科研者的關注，但在其定義、類型、域界定、模式轉換與技術等方面卻存在著一些歧義和片面的認識。實際研究中主要表現在以下幾個方面：尺度選擇不當，不能準備的反映研究對象的科學本質。盲目的進行尺度轉換。有意無意的忽視研究結果的尺度性，沒有明確說明研究結果在哪個尺度上產生或有效。在各個分支學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常引起歧義，特別是在跨學科研究日益強化的情形下，更加劇了綜合集成的困難。

2.尺度與尺度轉換

尺度是指在研究某一物體或現象時所采用的空間或時間單位，又可指某一現象或過程在空間和時間上所涉及到的范圍和發生的頻率。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。尺度轉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象，既可以是向上尺度轉換，也可以是向下尺度轉換。根據王勁峰等對尺度轉換的定義，統一將較小尺度觀測結果獲得較大尺度信息的向上尺度轉換過程稱為尺度擴展；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 向上尺度轉換方法

向上尺度轉換即尺度上推，這一過程與科學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，并可以數量化地分析其誤差。總體來說是一個“集聚”的過程，在地理信息分析中，地統計分析是常采用方法。

地統計方法是一種優化估計的技術，其基本假設是建立在空間相關的先驗模型之上的。假定空間隨機變量具有二階平穩性，或者是服從地統計的本征假設。因此，它具有這樣的性質：距離較近的采樣點比距離遠的采樣點更相似，相似的程度或空間協方差的大小，是通過點對的平均方差度量的。點對差異的方差只與采樣點間的距離有關，而與它們的絕對位置無關。由于可以通過比較被特定滯后距離分隔的同一隨機變量的不同值和在多個尺度上對區域化隨機變量的變異性進行量度，因而地統計方法常用來作為向上尺度轉換的一種解決方案。

地統計算法的最大優點是以空間統計學作為其堅實的理論基礎，可以克服內插中誤差難以分析的問題，能夠對誤差做出逐點的理論估計，而且它不會產生回歸分析的邊界效應。缺點是復雜，計算量大，尤其變異函數為幾個標準變異函數模型的組合時，計算量更大；另一個缺點是變異函數需要根據經驗人為選定。

2.2 向下尺度轉換方法

向下尺度轉換即尺度下推，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，需要與實際觀測比較。通常采用面域加權法和最大化保留等方法。

1)面域加權法。先將目標區和源區疊加，分別計算各交叉區域的屬性值，再按目標區進行計算。這種算法雖然能夠保證源區與目標區的屬性值相等，但是它假定屬性值在源區內均勻分布的假設是不符合實際的。

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

3.尺度與尺度轉換的重要性

尺度是空間數據的重要特征，是數據建模和表達時的空間范圍、粒度、細節的相對大小。不同尺度內的空間信息密度有很大的差異。在地理科學及許多相關研究領域中，數據來源的一個重要特點是其來自于觀測數據而不是實驗數據。這些觀測數據一般由計數單元采樣而得，而計數單元的大小又是尺度的指標。因此從數據來源的角度，其尺度特征往往是被預先決定的。可是在實際研究中，觀測問題、研究問題以及最終的應用層次之間往往存在尺度的不一致性，從而導致尺度轉換在地學和相關學科領域中不可避免。

4.尺度與尺度選擇

4.1 尺度的分類

尺度發展為四種與空間現象有關的尺度：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信息；地理尺度，即研究區域的空間擴展，大的研究區域具有更大尺度；分辨率，指空間數據集中最小的可區分部分，越細的區分單位具有越小的尺度；運行尺度，指地學現象發生的空間范圍，如森林具有比單個樹更大的運行尺度。

基于尺度的這些分類，尺度問題主要的研究領域有：格局的識別；對觀察到的目標的解譯；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用；過程和函數的最優化。

4.2 尺度選擇與尺度效應

由于尺度依賴性的存在，在尺度研究領域，尺度效應和尺度選擇是緊密聯系在一起的，是“尺度科學”的重要內容之一。理論上講，應該選取能夠將生物、非生物和人類過程關聯起來的最佳尺度，但是尺度選擇卻經常按照感知能力或技術的、邏輯的限制來完成。一般尺度的選擇受到研究項目的狀況、研究對象的性質和復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驗主義的。另外，根據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。也有學者認為，在地理學研究中，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行研究。

5.地理科學尺度研究需要解決的問題

地理科學的尺度問題面臨的挑戰總結如下：空間異質性如何隨尺度改變；過程研究中速率變量如何隨尺度改變；優勢或主導過程如何隨尺度變化；過程特性如何隨尺度改變；敏感性和可預測性如何隨尺度改變；干擾因素的尺度效應如何表達；尺度轉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，研究生學歷，從事工程測量技術專業教學工作