对GIS中尺度和尺度转换的理解与分析

段秋亚

(广东建设职业技术学院 广东 广州 510440)

对GIS中尺度和尺度转换的理解与分析

段秋亚

(广东建设职业技术学院 广东 广州 510440)

尺度是对地理现象观察、度量的标准之一，是空间数据采集、建模、分析的重要依据,是空间数据的重要特征。本文首先对尺度和尺度转换概念进行了剖析，然后对其重要性进行归纳总结。结合实际应用的需要对尺度转换常用类型，尺度选择和尺度效应进行了分析。

尺度；尺度转换；尺度效应

1.引言

近年来在地理学研究中，尺度问题是一个热点问题，已经被UCGIS列在地理信息科学未来研究的十大优先领域。大量的研究事实证明，研究对象格局与过程的发生、时空分布、相互耦合等特性都是尺度依存的。因此，只有在连续的尺度序列上对其考察和研究，才能把握它们的内在规律。若只是在某一特定范围内，由于科学认知水平，财力，时间、经历等方面的限制，很多研究只能是离散化的，单一尺度的。这就使得尺度大小的选择，向下或向上转换过程的研究成为了必要环节。虽然尺度问题一度得到科研者的关注，但在其定义、类型、域界定、模式转换与技术等方面却存在着一些歧义和片面的认识。实际研究中主要表现在以下几个方面：尺度选择不当，不能准备的反映研究对象的科学本质。盲目的进行尺度转换。有意无意的忽视研究结果的尺度性，没有明确说明研究结果在哪个尺度上产生或有效。在各个分支学科采用的时间和空间尺度范围不同，在成果的表述和理解时经常引起歧义，特别是在跨学科研究日益强化的情形下，更加剧了综合集成的困难。

2.尺度与尺度转换

尺度是指在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位，又可指某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率。即尺度通常有时间和空间两方面的含义，同时尺度往往以粒度和幅度来表达。尺度转换是利用某一尺度上所获得的信息和知识来推测其他尺度上的现象，既可以是向上尺度转换，也可以是向下尺度转换。根据王劲峰等对尺度转换的定义，统一将较小尺度观测结果获得较大尺度信息的向上尺度转换过程称为尺度扩展；而把大尺度上的信息分解到更小的尺度的过程称为尺度收缩。

2.1 向上尺度转换方法

向上尺度转换即尺度上推，这一过程与科学研究中常用的采样非常相似，是从较多信息中抽取较少信息，可采用较简单的聚合方法，并可以数量化地分析其误差。总体来说是一个“集聚”的过程，在地理信息分析中，地统计分析是常采用方法。

地统计方法是一种优化估计的技术，其基本假设是建立在空间相关的先验模型之上的。假定空间随机变量具有二阶平稳性，或者是服从地统计的本征假设。因此，它具有这样的性质：距离较近的采样点比距离远的采样点更相似，相似的程度或空间协方差的大小，是通过点对的平均方差度量的。点对差异的方差只与采样点间的距离有关，而与它们的绝对位置无关。由于可以通过比较被特定滞后距离分隔的同一随机变量的不同值和在多个尺度上对区域化随机变量的变异性进行量度，因而地统计方法常用来作为向上尺度转换的一种解决方案。

地统计算法的最大优点是以空间统计学作为其坚实的理论基础，可以克服内插中误差难以分析的问题，能够对误差做出逐点的理论估计，而且它不会产生回归分析的边界效应。缺点是复杂，计算量大，尤其变异函数为几个标准变异函数模型的组合时，计算量更大；另一个缺点是变异函数需要根据经验人为选定。

2.2 向下尺度转换方法

向下尺度转换即尺度下推，这一过程是从较少信息推论较多信息，因此必须借助模型，无法分析其误差，需要与实际观测比较。通常采用面域加权法和最大化保留等方法。

1)面域加权法。先将目标区和源区叠加，分别计算各交叉区域的属性值，再按目标区进行计算。这种算法虽然能够保证源区与目标区的属性值相等，但是它假定属性值在源区内均匀分布的假设是不符合实际的。

2)最大化保留。最大化保留是简单面域加权的扩展，它假定一个光滑密度函数，该密度函数在变量一致的前提下，考虑了相邻区域的影响。平滑条件是通过要求每个网格单元的数值接近它周围4个邻近网格单元的平均值达到最小化估计表面曲率的目的。其他的平滑条件根据应用的类型而定。

3.尺度与尺度转换的重要性

尺度是空间数据的重要特征，是数据建模和表达时的空间范围、粒度、细节的相对大小。不同尺度内的空间信息密度有很大的差异。在地理科学及许多相关研究领域中，数据来源的一个重要特点是其来自于观测数据而不是实验数据。这些观测数据一般由计数单元采样而得，而计数单元的大小又是尺度的指标。因此从数据来源的角度，其尺度特征往往是被预先决定的。可是在实际研究中，观测问题、研究问题以及最终的应用层次之间往往存在尺度的不一致性，从而导致尺度转换在地学和相关学科领域中不可避免。

4.尺度与尺度选择

4.1 尺度的分类

尺度发展为四种与空间现象有关的尺度：制图尺度或地图尺度，指地图比例尺，大比例尺地图提供更详细信息；地理尺度，即研究区域的空间扩展，大的研究区域具有更大尺度；分辨率，指空间数据集中最小的可区分部分，越细的区分单位具有越小的尺度；运行尺度，指地学现象发生的空间范围，如森林具有比单个树更大的运行尺度。

基于尺度的这些分类，尺度问题主要的研究领域有：格局的识别；对观察到的目标的解译；对特定尺度某一层次命题的一般化处理及其在同一尺度其他层次的应用；过程和函数的最优化。

4.2 尺度选择与尺度效应

由于尺度依赖性的存在，在尺度研究领域，尺度效应和尺度选择是紧密联系在一起的，是“尺度科学”的重要内容之一。理论上讲，应该选取能够将生物、非生物和人类过程关联起来的最佳尺度，但是尺度选择却经常按照感知能力或技术的、逻辑的限制来完成。一般尺度的选择受到研究项目的状况、研究对象的性质和复杂程度等一系列因素的影响和制约，在充分考虑这些因素的情况下，尺度选择应该具有层次性，即至少要包括核心尺度，小尺度组分和大尺度背景三个层次。确定最适合尺度的方法可能完全是经验主义的。另外，根据多元回归分析在不同尺度上的解释能力，也可以帮助确定合适的研究尺度。也有学者认为，在地理学研究中，往往不只存在一个单一的最佳尺度，因此，需要采用多尺度分析来进行研究。

5.地理科学尺度研究需要解决的问题

地理科学的尺度问题面临的挑战总结如下：空间异质性如何随尺度改变；过程研究中速率变量如何随尺度改变；优势或主导过程如何随尺度变化；过程特性如何随尺度改变；敏感性和可预测性如何随尺度改变；干扰因素的尺度效应如何表达；尺度转换能否跨越多个尺度或尺度域；噪声成分是否随改变等。

[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

段秋亚（1987-），女，河南遂平人，研究生学历，从事工程测量技术专业教学工作