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自然地理學(xué)中的尺度問題 李雙成 自然地理學(xué)進(jìn)展講座 自然地理學(xué)中的尺度問題 基本概念自然地理學(xué)中研究尺度的意義尺度的類型主要的Scaling途徑研究尺度選擇的基本原則目前尺度研究中存在的問題尺度存在的原因尺度及尺度域覺察的方法與技術(shù)格局與過程的尺度問題 一 基本概念 尺度與尺度域尺度與分辨率尺度與尺度推繹尺度與標(biāo)度不變律 冪律 Informationloss pixelresolution 800m1600m2400m EffectsofResolution1 5 minute 1 2 degree 1 degree Coarseningofgeographicfeatures EffectsofResolution2 5 minute 1 2 degree 1 degree Narrowfeaturesalteredandmergedwithothers 一 基本概念 自然尺度存在的客觀性研究尺度的主觀性 二 自然地理學(xué)中研究尺度的意義 對(duì)于地理學(xué)家和生態(tài)學(xué)家來說 自然或人文的過程與格局是相當(dāng)復(fù)雜的 尺度效應(yīng)對(duì)其作用也是不言而喻的 分形理論的創(chuàng)始人曼德布羅特曾在 科學(xué) 雜志上撰文指出 英國的海岸線的長度是不確定的 它依賴于測量時(shí)所用的尺度 結(jié)果令人詫異嗎 其實(shí)道理很簡單 用一公里的標(biāo)尺和用一米的標(biāo)尺度量海岸長度所得到的結(jié)果肯定是不一樣的 這就是尺度效應(yīng) 尺度問題對(duì)于大多科學(xué)來說都是存在的 哈維說過 空間是一個(gè)變量 那么 對(duì)于研究空間分布的傳統(tǒng)地理學(xué)來講 空間這個(gè)變量肯定也存在 尺度 問題 二 自然地理學(xué)中研究尺度的意義 可以進(jìn)一步提升地理學(xué)理論及其普適化水平可以為地理綜合集成提供一個(gè)平臺(tái)可以為研究結(jié)果的實(shí)踐轉(zhuǎn)化提供技術(shù)支撐 生態(tài)學(xué)中尺度研究的歷史變化 生態(tài)學(xué)中尺度研究的歷史變化 三 尺度的基本類型 R Schulze 2000 研究尺度或觀測尺度 researchscaleorobservationalscale 過程尺度 processscale 操作尺度 optionalscale 作者 2002 本征尺度 intrinsicscale 非本征尺度 non intrinsicscale 本征尺度與非本征尺度 所謂本征尺度是指自然本質(zhì)存在的 隱匿于自然實(shí)體單元 格局和過程中的真實(shí)尺度 它也是個(gè)變量 不同的格局和過程在不同的尺度上發(fā)生 不同的分類單元或自然實(shí)體也從屬于不同的空間 時(shí)間或組織層次 一般本征尺度可區(qū)分為空間尺度 時(shí)間尺度 組織尺度 功能尺度等等 本征尺度與非本征尺度的匹配問題 如果觀測的尺度大于過程尺度 也就是取樣太少 所得結(jié)果是噪聲而不是信號(hào) 結(jié)果導(dǎo)致對(duì)變化的低估 當(dāng)觀測尺度小于過程尺度時(shí) 也就是取樣太頻繁 真實(shí)的過程也沒有探測到 真正的變化趨勢(shì)難以把握 同樣變化也被低估 當(dāng)觀測的粒度或粗糙度超過過程尺度時(shí) 也就是說 樣區(qū)大小基本與過程尺度相近 或者甚至還超過了過程尺度 那么過程或過程中的格局就會(huì)被過度平滑 其間的信息就會(huì)被過度聚合 四 主要的Scaling途徑 Upscaling所謂Upscaling就是將精微尺度上的觀察 試驗(yàn)以及模擬結(jié)果外推值較大尺度的過程 它是研究成果的 粗?；?DownscalingDownscaling是將宏大尺度上的觀測 模擬結(jié)果推繹至精微尺度上的過程 Downscaling最大的任務(wù)就是從較粗糙的空間和時(shí)間分辨率參數(shù)化更詳細(xì)的尺度異質(zhì)性信息 Downscaling的目的就是將宏大的觀測數(shù)據(jù)或模型模擬結(jié)果應(yīng)用到局部區(qū)域 以解決當(dāng)?shù)氐膶?shí)際問題 Upscaling Downscaling Upscaling 從采樣角度看 空間和時(shí)間的Upscaling相當(dāng)于采樣點(diǎn)的舍棄 是數(shù)據(jù)的一種聚合過程 在空間案例中 采樣粒度的空間范圍逐漸增大 在時(shí)間案例中 采樣頻率由密至疏 數(shù)據(jù)平均法參數(shù)化的回歸方法塊克立格和塊協(xié)克立格法 blockkrigingandblockcokriging 重正化群方法 renormalizationgroup 數(shù)據(jù)平均聚合示意圖 重正化群采用的歸并示意圖 Downscaling 與Upscaling相反 Downscaling實(shí)際上是一種數(shù)據(jù)解聚 disaggregation 的過程 常用于大尺度的氣候模式 GCMs 在區(qū)域上的輸出結(jié)果 點(diǎn)克立格和點(diǎn)協(xié)克立格法 pointkrigingandpointcokriging 層次時(shí)空貝葉斯模型現(xiàn)在有幾種新的貝葉斯基的統(tǒng)計(jì)模型途徑 如貝葉斯統(tǒng)計(jì) 小波變換 貝葉斯統(tǒng)計(jì) CART 貝葉斯統(tǒng)計(jì) ANN 貝葉斯統(tǒng)計(jì) SVM 層次貝葉斯時(shí)空模型等等 幾個(gè)Scaling的關(guān)鍵問題 在什么情況下 簡單的聚合 aggregation 對(duì)于Upscaling是充足精確的 速率變量如何隨著尺度改變 敏感性如何隨尺度改變 空間異質(zhì)性如何隨尺度改變 可預(yù)測性如何隨尺度改變 如何避免MAUP問題 MAUP是可塑性面積單元問題 themodifiablearealunitproblem 簡稱 是表征空間格局或過程的特征值隨采樣單位面積的變化而出現(xiàn)變化 可塑性面積單元問題包括兩個(gè)方面 即尺度效應(yīng) scaleeffect 和劃區(qū)效應(yīng) zoningeffect 有關(guān)尺度能否推繹的爭論 關(guān)于尺度能否推繹的問題 存在著兩種截然不同的觀點(diǎn) 按照O Neill 1992 的等級(jí)理論 屬于某一尺度的系統(tǒng)過程和性質(zhì)受限于該尺度 每一尺度都有其約束體系和臨界值 尺度外推必然要超越這些約束體系和臨界值 外推獲得的結(jié)論將很難理解 但King認(rèn)為 上層系統(tǒng)是由下層系統(tǒng)組合構(gòu)成的 不同層次系統(tǒng)間存在著物質(zhì) 能量和信息交流 構(gòu)成了等級(jí)間相互聯(lián)系的紐帶 而這條紐帶正使尺度推繹成為可能 鄔建國 2000 認(rèn)為 在同一個(gè)尺度域中 由于過程的相似性 尺度推繹比較容易 而當(dāng)跨越多個(gè)尺度域時(shí) 由于不同過程在不同尺度上其作用 且又有相互間的作用 尺度推繹必然復(fù)雜化 在尺度域間的過渡帶多會(huì)出現(xiàn)混沌 災(zāi)變或其他難以預(yù)測的非線性變化 有關(guān)尺度能否推繹的爭論 續(xù) 假定某一特定的格局或過程滿足能夠進(jìn)行尺度推繹的條件 是否存在一個(gè)普適的標(biāo)度律 scalinglaw 近年來 很多學(xué)者熱心尋找標(biāo)度律 并聲稱在不同學(xué)科已找到這樣的定律 M E Ritchie等 1999 S E J rgensen等1998 B Birnir 2000 於崇文 1998 更斷言 廣義地質(zhì)學(xué)場 溫度場 流速場 濃度場 應(yīng)力場等 的許多場量在時(shí)間上和空間上具有冪律分布 powerlawdistribution 冪律反映自相似性 self similarity 它是標(biāo)度不變性和分形之源 作者認(rèn)為 從目前科學(xué)發(fā)展角度看 還沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)普適不同性質(zhì)系統(tǒng)各個(gè)尺度域上的冪律和分維 就是在同一系統(tǒng)內(nèi) 冪律或分維也僅存在于特定的尺度域內(nèi) 其最大的跨越尺度域也不過2 3 因而 在尺度轉(zhuǎn)換上不可能 窺一斑而見全豹 五 研究尺度選擇的基本原則 科學(xué)性原則科學(xué)原則就是觀測尺度選擇時(shí)首先要考慮的原則 科學(xué)研究的重要任務(wù)就是要準(zhǔn)確地探究自然現(xiàn)象的表象 過程及其內(nèi)在機(jī)理 對(duì)于地理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究來說 首要的任務(wù)就是選擇與自然現(xiàn)象 格局與過程 發(fā)生規(guī)模相當(dāng)?shù)挠^測尺度 如果觀測尺度與實(shí)際尺度相差甚遠(yuǎn) 研究結(jié)果的可信度就會(huì)很差 其次 選擇的尺度應(yīng)盡可能是自然界的實(shí)體單位 經(jīng)濟(jì)性原則可操作性原則 六 目前尺度研究中存在的問題 尺度選擇不當(dāng) 不能正確揭示研究對(duì)象的科學(xué)本質(zhì) 研究尺度過大 大量細(xì)節(jié)被省略 研究成為 有偏 估計(jì) 研究尺度過小 陷入局部而不能窺其全貌 盲目進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換 一些研究者聲言對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了尺度轉(zhuǎn)換 而實(shí)際情況是主觀的推定 一些研究結(jié)果在參數(shù)都沒有變換的情況下 被推繹到另外的尺度上 甚至跨越了幾個(gè)尺度 一些研究結(jié)果不能夠進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換 而一些研究者無視尺度轉(zhuǎn)換的限制性條件對(duì)研究結(jié)果隨意進(jìn)行尺度推繹 尺度轉(zhuǎn)換技術(shù)使用不當(dāng) 表現(xiàn)為沒有認(rèn)識(shí)到概念模型 機(jī)理模型和統(tǒng)計(jì)模型在尺度轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)當(dāng)采取不同的策略 在工作中倚重回歸技術(shù) 有意或無意漠視研究結(jié)果的尺度性 沒有標(biāo)定研究結(jié)果是那個(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 六 尺度存在的原因 總的來說 地學(xué)和生態(tài)學(xué)中的格局與過程是多層次系統(tǒng) 層次間相互聯(lián)系 過程間存在著許多耦合與反饋 另外 許多過程是隨機(jī)性的混沌過程 R Schulze 2000 因此 尺度和標(biāo)度變換問題不可避免 六 尺度存在的原因 地學(xué)格局與過程的空間異質(zhì)性響應(yīng)與反饋的非線性特征涌現(xiàn)特性的發(fā)展優(yōu)勢(shì)過程的尺度改變干擾因素的影響 七 尺度及尺度域覺察的方法與技術(shù) 圖示法譜分析方法空間相關(guān)分析技術(shù)半方差方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析 尺度覺察技術(shù) 圖示法 圖示法是尺度及尺度域覺察最為常用的方法 它是將表征尺度變化的各種變量和特征值以不同空間和時(shí)間取樣單位表現(xiàn)在圖上 通過檢視其中的曲線規(guī)律來獲得尺度信息 在圖示中 可用實(shí)值對(duì)特征值與空間或時(shí)間取樣單位做圖 但更多的是用雙對(duì)數(shù)的來標(biāo)示 一般而言 曲線中明顯的拐點(diǎn)可以認(rèn)為是兩個(gè)尺度域的分界點(diǎn) 譜分析通過是一種時(shí)頻分析技術(shù) 其中傅立葉變換 Fouriertransform 是一種經(jīng)典而又實(shí)用的頻譜分析手段 該方法的基本原理是擬合實(shí)際觀測數(shù)據(jù)與確定波譜特性數(shù)據(jù) 當(dāng)有意義的匹配實(shí)現(xiàn)時(shí) 格局或過程就會(huì)被檢視出來 譜分析尤其適合于分析具有周期性結(jié)構(gòu)的空間和時(shí)間數(shù)據(jù) 由于采用三角函數(shù)轉(zhuǎn)換 它不受空間數(shù)據(jù)起始位置的影響 尺度覺察技術(shù) 譜方法 小波分析示意圖 格局與過程的尺度問題 對(duì)于過程和格局而言 是否存在可以表征的時(shí)間和空間尺度 若有 如何表達(dá) 不同尺度的過程與格局之間是如何相互作用的 如何耦合 采用什么方法去耦 如何役使 用什么方法判斷 解除役使的外力需要多大 時(shí)間有多長 格局與尺度關(guān)系 格局尺度大小不同 其諸多特性表現(xiàn)出差異 首先 形成與維持的格局的時(shí)間隨著尺度的增大而加長 其次 在格局形成的動(dòng)力上 小尺度以自組織力為主 而大尺度以他組織力為主 同時(shí) 隨著尺度增大 高斯噪聲呈逐漸淬滅趨勢(shì) 第三 格局形成的過程周期上 小尺度以短周期過程為主 多表現(xiàn)為瞬時(shí)或脈沖作用 而大尺度的格局則以長周期過程為主 是區(qū)域過程多種因素共同作用的產(chǎn)物 第四 在格局內(nèi)部的聯(lián)結(jié)性上 小尺度格局表現(xiàn)出強(qiáng)聯(lián)結(jié)性 而大尺度格局的內(nèi)部聯(lián)結(jié)較為松散 過程與尺度關(guān)系 在一個(gè)變化過程的序列中 包含許多頻率的成分 最為明顯的典型的是趨勢(shì)成分和噪聲成分 不同的頻率成分性態(tài)不同 高頻不穩(wěn) 生長較快 相反 低頻較穩(wěn) 變化較為緩慢 以尺度來區(qū)分 生長快的高頻成分 通常生存周期比較短 能量主要分布在比較少的尺度上 生長較慢的低頻成分 往往生存周期比較長 分布的尺度域大 常成為某一過程的背景 舉例來說 自工業(yè)革命以來的全球氣溫變化曲線就是氣候系統(tǒng)自身的變化趨勢(shì)疊加一些隨機(jī)噪聲而形成的 其中主要的噪聲項(xiàng)是人類活動(dòng)對(duì)全球氣溫變化的影響 一般來說 隨著尺度的增加 過程通常由非平穩(wěn)序列轉(zhuǎn)變成平穩(wěn)序列 格局和過程與尺度關(guān)系 一般來說 隨著格局尺度的增大 作用于格局之上的過程的周期加長 過程 毛刺 被剔除 一些細(xì)節(jié)被 平滑 曲線變得相對(duì) 光滑 從成因上說 格局尺度增大 內(nèi)部的空間異質(zhì)性就會(huì)相應(yīng)增大 高空間異質(zhì)性會(huì)阻尼或削減外部作用力的變異效果 按照役使原理 短時(shí)間尺度的隨機(jī)力作用于大尺度格局時(shí) 格局內(nèi)部綴塊之間的過渡區(qū)域?qū)⒊蔀殡S機(jī)力作用效應(yīng)的 壁壘 格局和過程與尺度關(guān)系 尺度研究的框架體系 1 SimonALevin Theproblemofpatternandscaleinecology J Ecology1992 73 6 1943 19672 StenBergstr m L PhilGraham Onthescaleprobleminhydrologicalmodeling J JournalofHydrology1998 211 253 2653 DavidA Perry Self organizingsystemsacrossscales J Tree1995 10 6 241 2444 MarcelR Hoosbeek Incorporatingscaleintospatio temporalvariability applicationstosoilqualityandyielddata J Geoderma1998 85 113 1315 HeatherA Viles Scaleissuesinweatheringstudies J Geomorphology2001 41 63 726 A Stein J Riley N Halberg Issuesofscaleforenvironmentalindicators J Agriculture EcosystemsandEnvironment2001 87 215 2327 RolandSchulze Transcendingscalesofspaceandtimeinimpactstudiesofclimateandclimatechangeonagrohydrologicalresponses J Agriculture EcosystemsandEnvironment2001 82 185 2128 FredL Bunnell DavidJ Huggard Biodiversityacrossspatialandtemporalscales problemsandopportunities J ForestEcologyandManagement 1999 115 113 126 有關(guān)尺度研究的重要文獻(xiàn) 9 ClarkC Gibsonetal Theconceptofscaleandhumandimensionsofglobalchange asurvey J EcologicalEconomic 2000 32 217 23910 PhilipC Elkie RobertS Rempel Detectingscalesofpatterninborealforestlandscapes J ForestEcologyandManagement 2001 147 253 26111 R K Guptaetal Problemsinupscalingofhighresolutionremotesensingdatatocoarsespatialresolutionoverlandsurface J Adv SpaceRes 2000 26 7 1111 112112 L Lauetal Downscalingglobalinformationforregionalbenefit couplingspatialmodelsatvaryingspaceandtimescales J EnvironmentalModelling Software 1999 14 519 52913 MichaelP Bishopetal Scale dependentanalysisofsatelliteimageryforcharacterizationofglaciersurfacesintheKarakoramHimalaya J Geomorphology1998 21 217 23214 T W Paynetal Scalinguporscalingdown theuseoffoliageandsoilinformationforoptimizingthephosphatenutritionofradiatapine J ForestEcologyandManagement2000 138 79 8915 I Linatietal Anumericalcomparisonbetweentwoupscalingtechniques non localinversebasedscalingandsimplifiedrenormalization J AdvancesinWaterResources2001 24 913 929 有關(guān)尺度研究的重要文獻(xiàn)