（地图学与地理信息系统专业论文）基于dem的流域沟谷网络尺度特征及尺度分解.pdf

摘要 摘要 尺度问题是地理学重要的理论问题。近年来，随着人类活动对全球环境变化影响的加剧，全 球尺度和区域尺度的研究越来越受到重视，尺度特征、尺度分解和尺度转换成为在局部、区域、 全球环境分析和建模的主要研究内容。而流域作为与人类联系最紧密的独立系统之一，对国土整 治、环境控制及重大水利工程建设等国民经济发展项目有着重要影响。流域沟谷网络的尺度研究 一直是地貌、水文、环境、土壤等地球科学关注和研究的热点之一。 然而，目前流域沟谷网络的尺度研究存在以下问题：形态指标在不同尺度范围内对网络结构 的描述不具唯一性，沟谷网络等级划分方案未考虑网络自身的多尺度特征，尺度分解研究只针对 规则数据做过初步研究。为解决以上问题，本文重点研究流域沟谷网络的多尺度特征，构建了适 合流域沟谷网络的多尺度分析模式，并以陕北韭园沟小流域及模拟沟谷网络为例，深入研究了流 域沟谷网络自身的多尺度特征；针对流域沟谷网络的多尺度格局提出基于二阶局部聚块样方方差 ( t w o - t e r ml o c a lq u a d r a tv a r i a n c e ，t t l q v ) 算法的尺度分解方法，并利用尺度分解的结果对主 流的沟谷等级划分方案能否最大程度得将多尺度特征分解为单一尺度进行了评估。本文进行的主 要研究工作如下： l 、流域沟谷网络多尺度分析模式与算法研究 首先，为解决空隙度的滑动框算法只考虑当前窗口、易受局部异常值影响的缺陷，本文提出 了顾及邻域空间关系的3 阶局部条形窗口空隙度( t h r e e t e r ml o c a ls t r i pl a c u a n r i t y ，3 t l s l ) 算 法，并以模拟沟谷网络为例，对比分析了3 t l s l 算法与滑动框算法的结果，研究结果显示，3 t l s l 算法在分析结果的精确性、可靠性、有效性等方面均有明显的提高。其次分析与讨论了现有空隙 度算法与聚块样方方差算法对于沟谷网络的不适应性，针对现有沟谷网络多尺度研究的缺陷，提 出了适用于沟谷网络的多尺度分析模式，该分析模式克服了现有沟谷网络多尺度分析的缺陷，采 用高阶局部分析窗口，顾及到沟谷网络的各向异性特点，引入了三维信息，有效探测出常规分析 方法所不能或不易探测的沟谷网络特有的格局特征，如沟谷网络的多重分形特征、特征尺度、各 向异性等，为流域研究的实验设计、信息采集提供依据，为理解沟谷网络格局分布提供支持。 2 、沟谷网络多尺度特征的探测与分析 以陕北韭园沟小流域及模拟沟谷网络为例，应用沟谷网络多尺度分析模式探测并分析了沟谷 网络的特征尺度及其含义，对每种尺度下沟谷网络表现出的分形特征进行了研究，针对沟谷网络 各向异性特点，以四个方向为例分析讨论了不同方向多尺度特征的差异。将沟谷网络多尺度分析 模式应用于山脊网络，对谷、脊网络在多尺度特征上的区别进行了重点分析，并对他们的耦合关 摘要 系进行了深入研究。结果表明，沟谷网络多尺度分析模式能够有效地识别网络结构中存在的特征 尺度，并对不同特征尺度下网络格局如多重分形现象能够准确有效地探测出来，同时能灵活高效 地判别网络的各向异性特点，分析结果准确可靠，分析过程简单易行。 3 、基于t t l q v 算法的尺度分解方法研究 针对非规则数据斑块与空隙不等大小的特点，提出了基- j ：t t l q v 算法的尺度分解方法，针 对各种边界条件进行了理论推导。对于沟谷网络及不规则镶嵌数据，该方法能够有效得将多尺度 特征分解为几个单一尺度与单一尺度间的交互作用，为理解流域沟谷网络结构提供支持，为研究 沟谷网络等级划分方案的尺度特征提供依据。 4 、沟谷网络等级划分方案的多尺度特征评估 分别以规则镶嵌数据、模拟沟谷网络和西雁沟子流域沟谷网络为例进行尺度分解，分析其格 局中的单一尺度及尺度间的交互作用，并利用沟谷网络尺度分解的结果对目前主流的等级划分方 案( g r a v e l i u s 、s t r a h l e r 方案) 进行多尺度特征评估，结果表明，g r a v e l i u s 方案所划分的级别中对沟 谷网络的分支部分多尺度特征保持较好，而s t r a h l e r 方案则对所划分级别中主干部分的多尺度特 征保持较好；不同级别下的沟谷段表现出的多尺度特征可能与整个网络的多尺度特征有区别，具 体应用中应根据研究目的选择适当的研究范围。 沟谷网络的多尺度研究有助于理解沟谷网络的空间分布格局，为类似流域网络( 谷、脊网络) 的多尺度研究提供可供借鉴的分析模式，为理解与预测流域系统的整体行为，如流域演化、水文 预报、流域治理等提供科学依据，充实和发展了流域地貌学研究的内容。 关键字：沟谷网络，尺度，尺度分解，空隙度，聚块样方方差 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s c a l ei sa ne s s e n t i a l t h e o r e t i cp r o b l e mi ng e o g r a p h yr e s e a r c h i nr e c e n ty e a r s ，g l o b a la n dr e g i o n a l r e s e a r c h e sh a v eb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na st h ei n f l u e n c eo fg l o b a le n v i r o n m e n t a lc h a n g e s s p e e d su pc a u s e db yh u m a nb e i n g sa c t i v i t i e s t h e r ea r et h r e ep r i m a r yr e s e a r c hp o i n t sf o rb o t hr e g i o n a l a n dg l o b a le n v i r o n m e n t a la n a l y s i s ，w h i c ha r es c a l ec h a r a c t e r i s t i c s ，s c a l ed e c o m p o s i n ga n ds c a l e t r a n s f o r m a t i o n a sa ni n d e p e n d e n ts y s t e mw i t hc l o s e s tr e l a t i o nt oh u m a nb e i n g s ，d r a i n a g eb a s i np l a y sa n i m p o r t a n tr o l eo nn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，s u c ha sl a n dm a n a g e m e n t ，e n v i r o n m e n tc o n t r o l l i n g ， a n dw a t e rc o n s e r v a n c y h e n c e ，s c a l er e s e a r c ho ng u l l yn e t w o r ki sb e c o m i n go n eo ft h ev a l u a b l e r e s e a r c ht o p i c so fg e o s c i e n c e ，s u c ha sg e o m o r p h o l o g y , h y d r o l o g ya n de n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h e r e r es o m es i g n i f i c a n tw e a k n e s s e sf o rs t a t e - o f t h e a r tr e s e a r c hw o r k s f i r s t l y , s p a t i a l p a t t e r no fd r a i n a g en e t w o r k su n d e rd i f f e r e n ta n a l y s i ss c a l e sm a yb ee v a l u a t e df o rt h es a m ev a l u eo f t h e d e s c r i p t i v ep a r a m e t e r s ；s e c o n d l y ，s c a l ec h a r a c t e r i s t i c so fg u l l yn e t w o r k sh a v en o tb e e nt a k e n i n t o a c c o u n tb yn u m e r o u se x i s t i n gg u l l yo r d e r i n gs y s t e m s ；t h i r d l y , o n l yr e g u l a rd a t ah a v eb e e nr e g a r d e d h i 曲l yi nc u r r e n ts c a l ed e c o m p o s i n gr e s e a r c h e s m o t i v a t e db ys o l v i n gi s s u e sm e n t i o n e da b o v e ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es c a l ec h a r a c t e r i s t i c so fg u l l y n e t w o r k i no r d e rt os o l v et h ef i r s tp r o b l e m ，am u l t i s c a l ea n a l y s i sm o d e li sb u i l t t h i sm o d e li ss u i t a b l e f o r t h eg u l l yn e t w o r k i th a sb e e na p p l i e di n t oj i u y u a n g o ud r a i n a g eb a s i na n das i m u l a t e dg u l l yn e t w o r k f o ri n v e s t i g a t i n gt h eg u l l yn e t w o r k s s c a l ec h a r a c t e r i s t i c s f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt w o - t e r ml o c a l q u a d r a tv a r i a n c e ( t t l q v ) a l g o r i t h m ，as c a l ed e c o m p o s i n gm e t h o di sp o i n t e do u t t h i st h e s i sa l s o e v a l u a t e st h eq u e s t i o nt h a tw h e t h e rw ec a na p p l ys c a l ed e c o m p o s i n gr e s u l t si n t og u l l yo r d e r i n gr e s u l t s f o rg e t t i n gg u l l yo r d e r i n gs y s t e mk e e p i n gt h es a m es c a l ec h a r a c t e r i s t i c sr e s u l t s t h ep r i m a r yw o r k sa n dc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h r e et e r ml o c a ls t r i pl a c u a n r i t ya l g o r i t h m ( 3 t l s l ) t h i st h e s i ss h o w st h a tt h eg l i d i n ga l g o r i t h mo fl a c u n a r i t yh a ss e v e r a ls h o r t c o m i n g s s u c ha si tc a l lo n l y f o c u so nt h ec u r r e n ta n a l y s i sw i n d o w , a n di se a s i l yi n f l u e n c e db ys o m el o c a li r r e g u l a rv a l u e s i no r d e rt o o v e r c o m et h e s ew e a k n e s s e s ，t h i st h e s i sp r e s e n t san o v e la l g o r i t h mn a m e d3 t l s l c o m p a r e dw i t h i i i a b s t r a c t g l i d i n ga l g o r i t h m ，3 t l s la l g o r i t h mc o n s i d e r s t h er e l a t i o nb e t w e e nc u r r e n ta n a l y s i sw i n d o wa n di t s n e i g h b o r h o o d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t3 t l s la c h i e v e sb e t t e ra c c u r a t e l ys p a t i a lp a t t e r n d e t e c t i n gr e s u l t sw h e nc o m p a r e dt ot h eg l i d i n ga l g o r i t h m 2 m u l t i s c a l ea n a l y s i sm o d e lf o rg u l l yn e t w o r k t h i st h e s i ss h o w st h a ts t a t e o f - t h e a r ta l g o r i t h m so fl a c u a n r i t ya n db l o c k e dq u a d r a ta n a l y s i sc o u l dn o t h a n d l eg u l l yn e t w o r kp r o p e r l y i no r d e rt os o l v et h e i rp r o b l e m s ，am u l t i - s c a l ea n a l y s i sm o d e lw h i c hi s s u i t a b l ef o rg u l l yn e t w o r kh a sb e e np u tf o r w a r d t h i sm o d e la d o p t st w o - t e r mo rt h r e e t e r ml o c a l a n a l y s i sw i n d o w , a n da l l o w sf o rg u l l yn e t w o r k sa n i s o t r o p y t h i sm o d e la l s ot a k e st h et h i r dd i m e n s i o n s i n f o r m a t i o ni n t oa c c o u n t t h e r e f o r e ，i tc a ne f f e c t i v e l yd e t e c tg u l l yn e t w o r k sp a t t e r n ( f o r i n s t a n c e ， m u l t i - f r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，c h a r a c t e r i s t i cs c a l ea n da n i s o t r o p y ) w h i c hc a n n o to ri sn o te a s yt ob e d e t e c t e di nr e g u l a rs c a l ea n a l y s i sm e t h o d t h i sm o d e lo f f e r st h ef o u n d a t i o nf o rt h ee x p e r i m e n td e s i g n a n di n f o r m a t i o nc o l l e c t i o no fd r a i n a g er e s e a r c h e sa n ds u p p o r t sf o ri n t e r p r e t a t i o no fg u l l yn e t w o r k s s p a t i a lp a t t e m 3 s c a l ec h a r a c t e r i s t i c so f g u l l yn e t w o r kd e t e c t i o na n di n t e r p r e t a t i o n t h em u l t i s c a l ea n a l y s i sm o d e li sa p p l i e di nj i u y u a n g o ud r a i n a g eb a s i n sg u l l yn e t w o r ka n das i m u l a t e d g u l l yn e t w o r k a n df o l l o w i n gw o r k sa r ec a r r y i n go u ti nt h e s en e t w o r k s t h e s ew o r k sa r e 11 c h a r a c t e r i s t i cs c a l ed e t e c t i n ga n di t si n t e r p r e t a t i o n ；2 ) f i n d i n go u tt h ed i f f e r e n c e so fs c a l ec h a r a c t e r i s t i c s a m o n gd i f f e r e n td i r e c t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h ea n a l y s i sm o d e lh a sa l s ob e e na p p l i e di nt h er i d g e l i n e n e t w o r ko fj i u y u a n g o ud r a i n a g eb a s i n ，d i f f e r e n c e so fm u l t i - s c a l ec h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ng u l l yn e t w o r k a n dr i d g e l i n en e t w o r ki se m p h a s i z e da n dt h ec o u p l i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h e mi sa l s ob es t u d i e d 4 s c a l ed e c o m p o s i n gm e t h o db a s e do nt t l q va l g o r i t h m f o c u s i n go ni r r e g u l a rd a t aw i t hu n e q u a lp a t c ha n dg a ps i z ea n dg u l l yn e t w o r k , s c a l ed e c o m p o s i n g m e t h o db a s e do nt t l q va l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d t h i sm e t h o dc a l le f f e c t i v e l yd e c o m p o s em u l t i - s c a l e c h a r a c t e r i s t i c si n t os e v e r a ls i n g l es c a l e sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n 5 s c a l ec h a r a c t e r i s t i c se v a l u a t i o no f g u l l yo r d e r i n gs y s t e m ar e g u l a rq u a d r a td a t a , s i m u l a t e dg u l l yn e t w o r ka n dx i y a n g o us u b - w a t e r s h e d sg u l l yn e t w o r ka l et a k e n a st h es a m p l ea r e a sf o rt h es c a l ed e c o m p o s i n g s i n g l es c a l e sa n dt h e i ri n t e r a c t i o na r es e p a r a t e ds t e pb y i v a b s t r a c t s t e p t h e nm u l t i - s c a l ec h a r a c t e r i s t i c so fp o p u l a rg u l l yo r d e r i n gs y s t e mi se v a l u a t e db a s e do ns c a l e d e c o m p o s i n gr e s u l t s t h e r ea r es e v e r a lc o n c l u s i o nc a l lb ed r a wf r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s f i r s t l y , t h eg r a v e l i u s sg u l l yo r d e r i n gs y s t e mc a l lk e e pt h em u l t i s c a l ec h a r a c t e r i s t i c so ff i n g e r t i p sb r a n c h e s w h i l et h es t r a h l e r sa p p r o a c hc a nk e e pm u l t i - s c a l ec h a r a c t e r i s t i c so ft r u n kp a r t s e c o n d l y ，m u l t i - s c a l e c h a r a c t e r i s t i c so fg u l l i e si nd i f f e r e n to r d e r sa r ed i f f e r e n tf r o mt h ew h o l en e t w o r k s t h e r e f o r e ，s o m e p r o p e ra n a l y s i se x t e n tn e e dt ob es e l e c t e da c c o r d i n gt or e s e a r c hg o a l ，a n ds c a l ed e c o m p o s i n gm e t h o d c a nm a k eh e l pt oc h o o s eap r o p e ra n a l y s i se x t e n t m u l t i - s c a l er e s e a r c ho fg u l l yn e t w o r ki si m p o r t a n tf o rs p a t i a lp a t t e r ni n t e r p r e t a t i o no fg u l l yn e t w o r k t h em u l t i - s c a l ea n a l y s i sm o d e lc a nb eu s e da sr e f e r e n c ef o rt h es i m i l a rn e t w o r k ，s u c ha sr i d g e l i n e n e t w o r k i ta l s op r o v i d e ss c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o ru n d e r s t a n d i n ga n df o r e c a s t i n gd r a i n a g es y s t e m s b e h a v i o r , s u c ha sd r a i n a g ee v o l u t i o n ，h y d r o l o g i cf o r e c a s t i n ga n dd r a i n a g em a n a g e m e n t k e yw o r d s ：g u l l yn e t w o r k ，s c a l e ，s c a l ed e c o m p o s i n g ，l a c u n a r i t y , b l o c kq u a d r a ta n a l y s i s v 图目录 图目录 图1 1 流域结构模式( 据周启鸣，刘学军，2 0 0 6 ) 4 图1 2 韭园沟地面晕渲图8 图1 3 韭园沟沟谷网络9 图1 4 韭园沟山脊线。1 0 图1 6 技术路线1 1 图2 1 沟谷网络级别划分方案( 据p e t e rh a g g e t t ，1 9 6 9 ) 1 6 图2 2 半变异函数图 1 9 图3 1 韭园沟流域西雁沟子流域及其分支的沟谷网络2 7 图3 23 维属性对沟谷网络的影响2 9 图3 3 滑动框算法示意图。3 0 图3 4 空隙度与聚块样方方差分析的通用计算流程3 1 图3 5 具有不同方向性的两组模拟数据3 2 图3 6 方形窗口对图3 5 的空隙度探测结果3 2 图3 72 维3 t l q v 算法示意图3 3 图3 8 采用条形窗口的3 t l q v 算法的示意图3 7 图3 9 条形分析窗口对于任意方向沟谷网络格局的分析原理3 7 图3 1 0 采用条形分析窗口的空隙度对图3 5 中数据的探测结果3 8 图3 1 1 滑动框算法与3 t l s l 算法的对比 4 0 图3 1 23 t l s l 结果在沟谷网络中的表现4 0 图3 1 3 三维信息对沟谷网络多尺度特征的影响4 l 图3 1 4 沟谷网络多尺度分析流程4 2 图4 13 t l s l 算法对韭园沟沟谷网络东西方向的探测结果4 5 图4 2 分解为三部分的空隙度曲线及其趋势线4 7 图4 3 韭园沟沟谷网络东西方向特征尺度的探测4 9 图4 4 韭园沟沟谷网络东西方向的5 个特征尺度示意图5 l 图4 5 模拟数据( 东西方向具有斑块与空隙不等大小的格局) 5 2 图4 6 模拟数据的3 t l q v 结果5 3 图4 7 模拟数据的t q v 结果5 3 图4 83 t l q v 算法对模拟沟谷网络的东西方向探测结果5 4 图4 9t q v 算法对模拟沟谷网络的东西方向的探测结果5 4 图4 1 0 特征尺度在沟谷网络中的含义5 5 i x 图目录 图4 1 1 针对韭园沟沟谷网络进行的4 个探测方向5 6 图4 1 2 韭园沟河网4 个方向的t q v 算法结果5 7 图4 1 3 韭园沟河网4 个方向的3 t l q v 算法结果5 7 图4 1 4 韭园沟流域西雁沟子流域谷、脊网络分布示意图5 9 图4 1 5 谷、脊网络东西方向的3 t l s l 探测结果对比6 0 图4 1 6 谷、脊线网络的3 t l q v 算法结果对比6 0 图4 1 7 谷、脊线网络的t q v 算法结果对比6 l 图4 1 8 脊线网络的3 t l s l 曲线的分解6 2 图4 1 9 谷、脊网络东西方向的3 t l q c 探测结果6 4 图5 1 情况1 的计算过程分解示意图7 2 图5 2 情况2 的计算过程分解示意图7 3 图5 3a ) 情况3 的第一种过程分解示意图7 4 图5 3 情况3 的第二种过程分解示意图。7 5 图5 4a ) 情况4 的第一种过程分解示意图7 6 图5 4b ) 情况4 的第二种过程分解示意图7 7 图5 5a ) 情况5 的第一种过程分解示意图7 8 图5 5b ) 情况5 的第二种过程分解示意图一7 9 图5 6a ) 情况6 的第一种过程分解示意图8 0 图5 6b ) 情况6 的第二种过程分解示意图一8 1 图5 7 模拟数据及其两个具有单一尺度的组分8 2 图5 8 数据a 东西方向的多尺度特征8 3 图5 9 数据a 在东西方向的两个分解组分的t t l q v 曲线8 3 图5 1 0 数据b 的理论t ，r l q v 曲线与实际t t l q v 曲线的对比8 4 图5 1 1 数据c 的理论t t l q v 曲线与实际1 v r l q v 曲线的对比8 4 图5 1 2 模拟沟谷网络东西方向的多尺度特征8 5 图5 13 三个单一尺度的理论t t l q v 曲线8 7 图5 1 4 三个尺度之间的交互影响8 8 图5 15g r a v e l i u s 分级8 9 图5 1 6s t r a h l e r 分级8 9 图5 1 7 韭园沟西雁沟子流域沟谷网络东西方向的多尺度特征9 2 图5 1 8 三个单一尺度的理论t t l q v 曲线9 4 图5 1 9 三个尺度之间的交互影响9 4 图5 2 0g r a v e l i u s 分级9 5 图5 2 1s t r a h l e r 弓子级9 5 x 表目录 表目录 表1 1 流域结构元素( 据周启鸣，刘学军，2 0 0 6 ) 4 表4 1 韭园沟沟谷网络东西方向的多重分形特征4 7 表4 2 韭园沟沟谷网络东西方向的特征尺度5 0 表4 3 模拟沟谷网络在东西方向上的特征尺度5 5 表4 4 四个方向的特征尺度5 8 表4 5 山脊网络东西方向的特征尺度6 l 表4 6 山脊网络的多重分形特征6 3 表4 7 谷、脊线网络的耦合关系6 4 表5 1 数据b 、c 的理论值与实际值的误差统计8 5 表5 2 模拟沟谷网络东西方向的特征尺度8 6 表5 3g r a v e l i u s 与s t r a h l e r 方案不同级别格局的t t l q v 曲线对比9 0 表5 4 两种方案不同级别下的特征尺度9 1 表5 5 西雁沟子流域沟谷网络东西方向的特征尺度9 2 表5 6g r a v e l i u s 与s t r a h l e r 方案不同级别格局的t t l q v 曲线对比9 6 表5 7 两种方案不同级别下的特征尺度9 8 x i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 作者签名：逡鲤 日期：2 0 裾二f z 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索； 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 作者签名：选亟 日 期：垒! 墨。z ：兰 第一章绪论 第1 章绪论 尺度问题是地理学重要的理论问题。近年来，随着人类活动对全球环境变化影响的加剧，全 球尺度和区域尺度的研究越来越受到重视，尺度特征、尺度分解和尺度转换成为在局部、区域、 全球环境分析和建模的主要研究内容。而流域作为与人类联系最紧密的独立系统之一，对国土整 治、环境控制及重大水利工程建设等国民经济发展项目有着重要影响。沟谷网络的尺度研究一直 是地貌、水文、环境、土壤等地球科学关注和研究的热点之一。然而，目前沟谷网络形态指标在 不同尺度范围内对网络结构的描述不具唯一性、沟谷网络等级划分方案未考虑网络自身的多尺度 特征、尺度分解研究只针对规则数据做过初步研究。 为解决以上问题，本文重点研究沟谷网络的多尺度特征，构建适合沟谷网络的多尺度分析模 式，针对沟谷网络的多尺度格局提出基于t t l q v 算法的尺度分解方法，并利用尺度分解的结果 对主流的沟谷等级划分方案的尺度特征进行评估。 1 1 尺度与尺度分析 1 1 1 格局、过程及尺度 格局( p a t t e r n ) ，即空间格局，广义地讲，它包括景观或研究对象组成单元的类型、数目以及 空间分布与配置。例如，不同类型的点状数据可在空间上呈现随机型、均匀型或聚集型分布。与 格局不同，过程( p r o c e s s ) 强调事件或现象的发生、发展的动态特征( 邬建国，2 0 0 0 ) 。 尺度( s c a l e ) 是指在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位，同时又可指某一现象或 过程在空间或时间上所涉及到的范围和发生的频率。前者是从研究者的角度来定义尺度，而后者 则是根据所研究的过程或现象的特征来定义尺度。尺度可分为空间尺度、时间尺度和组织尺度 ( o r g a n i z a t i o n a ls c a l e ) ，其中，组织尺度是指在等级系统中研究对象的相对位置( 邬建国，2 0 0 0 ) 。在 数字地形分析中，尺度往往以分辨率( r e s o l u t i o n ) 和分析窗口大d 、( a n a l y s i ss c a l e ) 来表示。本文中涉 及的尺度限定为分析尺度，即主要研究改变分析窗口大小时研究对象随之产生的变化特征。 近年来，随着人类活动对全球环境变化影响的加剧，全球尺度和区域尺度的研究越来越受到 重视，格局、过程与尺度已成为目前地学研究的核心。过程产生格局，格局作用于过程。正确理 解格局与过程的关系就必须认识到其依赖于尺度的特点，即尺度效应。一方面，人们在研究同一 地理系统时，由于各自所采用的时间和空间尺度大小不一，结论往往差别很大；虽然人们已经认 南京师范大学博士论文 基于d e m 的流域沟谷网络尺度特征及尺度分解 识到时空尺度的重要意义，但是如何选择合适的尺度对某一地理过程进行研究，还没有形成完整 的理论和方法体系；同时，对不同尺度上地理过程相互作用机制的研究也还很不充分。另一方面， 从自然环境到社会经济与自然环境的复合系统，人们所面临的研究对象异常复杂，尺度便成为解 析这些复杂系统的有效手段以及整合地理学知识和研究成果的核心轴线( 吕一河，傅伯杰，2 0 0 1 ) 。 时间和空间尺度包含于任何地理格局及过程之中。格局与过程在不同尺度上会表现出不同的 特征( 吕一河，傅伯杰，2 0 0 1 ) 。通常在一种尺度下空间变异中的噪声( n o i s e ) 成分，可在另一较小 尺度下表现成结构性成分( b u r r o u g h ，1 9 8 3 ) 。显然在一个尺度上定义的同质性格局，可以随着观 测尺度的改变而转变成异质性格局( 邬建国，2 0 0 0 ) 。正是这种变异性增加了跨尺度预测的难度。不 同尺度的现象和过程之间的相互作用、相互影响，表现出复杂性特征，也增加了多尺度现象解析 与跨尺度规律转换的难度。 效应和尺度转换成为在局部、区域、全球环境分析和建模中的主要研究内容。而地形作为活 跃的地理环境组成要素之一，对其他要素和整体环境特征有着重要影响。地形表达和基于地形的 各种地学分析与模拟具有很强的尺度依赖性，数字高程模型( d e m ) 作为区域地形表面的主要数 字化表达方式，其尺度问题尤为重要。 1 1 2 尺度分析 尺度的存在根源于地球表层自然界的等级组织和复杂性。尺度本质上是自然界所固有的特征 或规律，而为有机体所感知( 吕一河，傅伯杰，2 0 0 1 ) 。因而尺度又可分为现象( p h e n o m e n o n ) 尺度、观 澳u ( o b s e r v a t i o n a l ) 尺度、分析( a n a l y s i s ) 尺度。现象尺度是自然现象固有而独立于人类控制之外的， 也被称为特征( c h a r a c t e r i s t i c ) 尺度或本征( i n t r i n s i c ) 尺度。观测尺度是用来测量过程和格局的，是 人类的一种感知尺度，随感知能力的发展而不断发展。观测尺度相当于研究手段，隶属方法论范 畴，而本征尺度则是研究的对象。尺度研究的根本目的在于通过适宜的测量尺度来揭示和把握本 征尺度中的规律性( 张娜，2 0 0 6 ) 。因此，科学有效的尺度选择和多尺度复杂对象的尺度分解方法不 可或缺。 尺度分析无论对于理论研究还是生产实践都具有重要意义。要想准确预测地理系统的发展规