自然地理學(xué)中的尺度問(wèn)題

1、自然地理學(xué)中的尺度問(wèn)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(wèn)題,基本概念自然地理學(xué)中研究尺度的意義 尺度的類(lèi)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(wèn)題尺度存在的原因尺度及尺度域覺(jué)察的方法與技術(shù)格局與過(guò)程的尺度問(wèn)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）,Information loss & pixel resolution,80

2、0m 1600m 2400m,Effects of Resolution 1,5-minute,1/2-degree,1-degree,Coarsening of geographic features,Effects of Resolution 2,5-minute,1/2-degree,1-degree,Narrow features altered and merged with others,一、基本概念,自然尺度存在的

3、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(lái)說(shuō)，自然或人文的過(guò)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(guó)的海岸線的長(zhǎng)度是不確定的，它依賴于測(cè)量時(shí)所用的尺度。結(jié)果令人詫異嗎？其實(shí)道理很簡(jiǎn)單，用一公里的標(biāo)尺和用一米的標(biāo)尺度量海岸長(zhǎng)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(wèn)題對(duì)于大多科學(xué)來(lái)說(shuō)都是存在的。哈維說(shuō)過(guò)，空間是一

4、個(gè)變量。那么，對(duì)于研究空間分布的傳統(tǒng)地理學(xué)來(lái)講，空間這個(gè)變量肯定也存在“尺度”問(wèn)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(lèi)型,R.Schulze（2000）： 研究尺度或觀測(cè)尺度（research scale or observational scale

5、） 過(guò)程尺度（process scale） 操作尺度（optional scale） 作者（2002） 本征尺度（intrinsic scale） 非本征尺度（non-intrinsic scale）,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(guò)程中的真實(shí)尺度。它也是個(gè)變量，不同的格局和過(guò)程在不同的尺度上發(fā)生，不同的分類(lèi)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

6、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(wèn)題,,如果觀測(cè)的尺度大于過(guò)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(cè)尺度小于過(guò)程尺度時(shí)，也就是取樣太頻繁，真實(shí)的過(guò)程也沒(méi)有探測(cè)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(cè)的粒度或粗糙度超過(guò)過(guò)程尺度時(shí)，也就是說(shuō)，樣區(qū)大小基本與過(guò)程尺度相近，或者甚至還超過(guò)了過(guò)程尺度，那么過(guò)程或過(guò)程中的格局就會(huì)被過(guò)度平滑，其間的信息就會(huì)被過(guò)度

7、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(guò)程，它是研究成果的“粗?；?。 Downscaling Downscaling是將宏大尺度上的觀測(cè)、模擬結(jié)果推繹至精微尺度上的過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)或模型模擬結(jié)果應(yīng)用到局部

8、區(qū)域，以解決當(dāng)?shù)氐膶?shí)際問(wèn)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(guò)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（block kriging and block cokriging ） 重正化群方法（renormalizatio

9、n group）,,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(guò)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（point kriging and point cokriging ） 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

10、；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(wèn)題,在什么情況下，簡(jiǎn)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(cè)性如何隨尺度改變？ 如何避免MAUP問(wèn)題？MAUP是可塑性面積單元問(wèn)題（the modifiable areal unit proble

11、m）簡(jiǎn)稱，是表征空間格局或過(guò)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(wèn)題包括兩個(gè)方面，即尺度效應(yīng)（scale effect）和劃區(qū)效應(yīng)（zoning effect）。,有關(guān)尺度能否推繹的爭(zhēng)論,關(guān)于尺度能否推繹的問(wèn)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(guò)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

12、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(guó)（2000）認(rèn)為，在同一個(gè)尺度域中，由于過(guò)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(guò)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(guò)渡帶多會(huì)出現(xiàn)混沌、災(zāi)變或其他難以預(yù)測(cè)的非線性變化。,有關(guān)尺度能否推繹的爭(zhēng)論（續(xù)）,假定某一特定的

13、格局或過(guò)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（scaling law）。近年來(lái)，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. Jørgensen等1998; B. Birnir,2000）。於崇文（1998）更斷言，“廣義地質(zhì)學(xué)場(chǎng)（溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)、濃度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等）的許多場(chǎng)量在時(shí)間上和空間上具有冪律分布（power law distribution

14、）。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(méi)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(guò)2～3。因而，在尺度轉(zhuǎn)換上不可能“窺一斑而見(jiàn)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(cè)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

15、、過(guò)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(lái)說(shuō)，首要的任務(wù)就是選擇與自然現(xiàn)象（格局與過(guò)程）發(fā)生規(guī)模相當(dāng)?shù)挠^測(cè)尺度。如果觀測(cè)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(wèn)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(guò)大，大量細(xì)節(jié)被省略，研究成為“有偏”估計(jì)；研究尺度過(guò)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

16、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(méi)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(wú)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(méi)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(wú)意漠視研究結(jié)果的尺度性，沒(méi)有標(biāo)定研究結(jié)果是那個(gè)尺度上產(chǎn)生或有效。 在

17、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(lái)說(shuō)，地學(xué)和生態(tài)學(xué)中的格局與過(guò)程是多層次系統(tǒng)，層次間相互聯(lián)系，過(guò)程間存在著許多耦合與反饋。另外，許多過(guò)程是隨機(jī)性的混沌過(guò)程（R. Schulze,2000）。因此，尺度和標(biāo)度變換問(wèn)題不可避免。,六、尺度存在的原因,地學(xué)格局與過(guò)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

18、的發(fā)展 優(yōu)勢(shì)過(guò)程的尺度改變 干擾因素的影響,七、尺度及尺度域覺(jué)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(jué)察技術(shù)（圖示法）,,圖示法是尺度及尺度域覺(jué)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(guò)檢視其中的曲線規(guī)律來(lái)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(lái)標(biāo)示。一般而言，曲線中明顯

19、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(guò)是一種時(shí)頻分析技術(shù)，其中傅立葉變換（Fourier transform）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(cè)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(guò)程就會(huì)被檢視出來(lái)。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(jué)察技術(shù)（譜方法）,小波分析示意圖,格局與過(guò)程的尺度問(wèn)題,對(duì)于過(guò)程和格局而

20、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(guò)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(zhǎng)？,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(zhǎng)；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(guò)程周期上，

21、小尺度以短周期過(guò)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(zhǎng)周期過(guò)程為主，是區(qū)域過(guò)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(guò)程與尺度關(guān)系,在一個(gè)變化過(guò)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(zhǎng)較快；相反，低頻較穩(wěn)，變化較為緩慢。以尺度來(lái)區(qū)分，生長(zhǎng)快的高頻成分，通常生存周期比較短，能量主要分布

22、在比較少的尺度上；生長(zhǎng)較慢的低頻成分，往往生存周期比較長(zhǎng)，分布的尺度域大，常成為某一過(guò)程的背景。舉例來(lái)說(shuō)，自工業(yè)革命以來(lái)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(lèi)活動(dòng)對(duì)全球氣溫變化的影響。一般來(lái)說(shuō)，隨著尺度的增加，過(guò)程通常由非平穩(wěn)序列轉(zhuǎn)變成平穩(wěn)序列。,格局和過(guò)程與尺度關(guān)系,一般來(lái)說(shuō)，隨著格局尺度的增大，作用于格局之上的過(guò)程的周期加長(zhǎng)，過(guò)程“毛刺”被剔除，一些細(xì)節(jié)被“平滑”，曲線變得相對(duì)

23、“光滑”。從成因上說(shuō)，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(guò)渡區(qū)域?qū)⒊蔀殡S機(jī)力作用效應(yīng)的“壁壘”。,格局和過(guò)程與尺度關(guān)系,,,,,尺度研究的框架體系,1.      Simon A Levin. The problem of pattern and scale in

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