自然地理学中的尺度问题市公开课一等奖百校联赛优质课金奖名师赛课获奖课件

自然地理学中尺度问题李双成自然地理学进展讲座1/39自然地理学中尺度问题基本概念自然地理学中研究尺度意义尺度类型主要Scaling路径研究尺度选择基本标准当前尺度研究中存在问题尺度存在原因尺度及尺度域觉察方法与技术格局与过程尺度问题2/39一、基本概念尺度与尺度域尺度与分辨率尺度与尺度推绎尺度与标度不变律（幂律）3/39Informationloss&pixelresolution800m 1600m2400m4/39EffectsofResolution15-minute1/2-degree1-degreeCoarseningofgeographicfeatures5/39EffectsofResolution25-minute1/2-degree1-degreeNarrowfeaturesalteredandmergedwithothers6/39一、基本概念自然尺度存在客观性研究尺度主观性7/39二、自然地理学中研究尺度意义对于地理学家和生态学家来说，自然或人文过程与格局是相当复杂，尺度效应对其作用也是不言而喻。分形理论创始人曼德布罗特曾在《科学》杂志上撰文指出，英国海岸线长度是不确定，它依赖于测量时所用尺度。结果令人诧异吗？其实道理很简单，用一公里标尺和用一米标尺度量海岸长度所得到结果必定是不一样，这就是尺度效应。尺度问题对于大多科学来说都是存在。哈维说过，空间是一个变量。那么，对于研究空间分布传统地理学来讲，空间这个变量必定也存在“尺度”问题。

8/39二、自然地理学中研究尺度意义能够深入提升地理学理论及其普适化水平

能够为地理综合集成提供一个平台

能够为研究结果实践转化提供技术支撑

9/39生态学中尺度研究历史改变10/39生态学中尺度研究历史改变11/39三、尺度基本类型R.Schulze（）：

研究尺度或观察尺度（researchscaleorobservationalscale）过程尺度（processscale）操作尺度（optionalscale）作者（）

本征尺度（intrinsicscale）

非本征尺度（non-intrinsicscale）

12/39本征尺度与非本征尺度所谓本征尺度是指自然本质存在，隐匿于自然实体单元、格局和过程中真实尺度。它也是个变量，不一样格局和过程在不一样尺度上发生，不一样分类单元或自然实体也隶属于不一样空间、时间或组织层次。普通本征尺度可区分为空间尺度、时间尺度、组织尺度、功效尺度等等。

划分依据尺度类型空间范围全球尺度、区域尺度、地方及以下尺度长程型、中程型、短程型、非重现型关联型、弱关联型、随机型地质尺度、历史尺度、年际尺度、年及以下周期性、阵发型、随机型依存型、弱依存型、随机型空间周期空间相关时间长短时间特征时间相关13/39本征尺度与非本征尺度匹配问题假如观察尺度大于过程尺度，也就是取样太少，所得结果是噪声而不是信号，结果造成对改变低估；当观察尺度小于过程尺度时，也就是取样太频繁，真实过程也没有探测到，真正改变趋势难以把握，一样改变也被低估；当观察粒度或粗糙度超出过程尺度时，也就是说，样区大小基本与过程尺度相近，或者甚至还超出了过程尺度，那么过程或过程中格局就会被过分平滑，其间信息就会被过分聚合。

14/39四、主要Scaling路径Upscaling所谓Upscaling就是将精微尺度上观察、试验以及模拟结果外推值较大尺度过程，它是研究结果“粗粒化”。

Downscaling

Downscaling是将宏大尺度上观察、模拟结果推绎至精微尺度上过程。Downscaling最大任务就是从较粗糙空间和时间分辨率参数化更详细尺度异质性信息。Downscaling目标就是将宏大观察数据或模型模拟结果应用到局部区域，以处理当地实际问题。

15/39DownscalingDownscalingUpscalingUpscalingUpscaling和Downscaling过程示意图Upscaling&Downscaling16/39Upscaling从采样角度看，空间和时间Upscaling相当于采样点舍弃，是数据一个聚合过程。在空间案例中，采样粒度空间范围逐步增大，在时间案例中，采样频率由密至疏。数据平均法参数化回归方法块克立格和块协克立格法（blockkrigingandblockcokriging）重正化群方法（renormalizationgroup）

17/39数据平均聚合示意图

18/39重正化群采取归并示意图19/39Downscaling与Upscaling相反，Downscaling实际上是一个数据解聚（disaggregation）过程，惯用于大尺度气候模式（GCMs）在区域上输出结果。。点克立格和点协克立格法（pointkrigingandpointcokriging）层次时空贝叶斯模型现在有几个新贝叶斯基统计模型路径，如贝叶斯统计＋小波变换；贝叶斯统计＋CART；贝叶斯统计＋ANN；贝叶斯统计＋SVM；层次贝叶斯时空模型等等

20/39几个Scaling关键问题在什么情况下，简单聚合（aggregation）对于Upscaling是充分准确？

速率变量怎样伴随尺度改变？

敏感性怎样随尺度改变？

空间异质性怎样随尺度改变？

可预测性怎样随尺度改变？

怎样防止MAUP问题？MAUP是可塑性面积单元问题（themodifiablearealunitproblem）简称，是表征空间格局或过程特征值随采样单位面积改变而出现改变。可塑性面积单元问题包含两个方面，即尺度效应（scaleeffect）和划区效应（zoningeffect）。21/39相关尺度能否推绎争论关于尺度能否推绎问题，存在着两种截然不一样观点。按照O'Neill（1992）等级理论，属于某一尺度系统过程和性质受限于该尺度。每一尺度都有其约束体系和临界值。尺度外推必定要超越这些约束体系和临界值，外推取得结论将极难了解。但King认为，上层系统是由下层系统组合组成，不一样层次系统间存在着物质、能量和信息交流，组成了等级间相互联络纽带，而这条纽带正使尺度推绎成为可能。邬建国（）认为，在同一个尺度域中，因为过程相同性，尺度推绎比较轻易；而当跨越多个尺度域时，因为不一样过程在不一样尺度上其作用，且又有相互间作用，尺度推绎必定复杂化。在尺度域间过渡带多会出现混沌、灾变或其它难以预测非线性改变。

22/39相关尺度能否推绎争论（续）假定某一特定格局或过程满足能够进行尺度推绎条件，是否存在一个普适标度律（scalinglaw）。近年来，很多学者热心寻找标度律，并声称在不一样学科已找到这么定律（M.E.Ritchie等,1999;S.E.Jørgensen等1998;B.Birnir,）。於崇文（1998）更断言，“广义地质学场（温度场、流速场、浓度场、应力场等）许多场量在时间上和空间上含有幂律分布（powerlawdistribution）。幂律反应自相同性（self-similarity），它是标度不变性和分形之源”。作者认为，从当前科学发展角度看，还没有发觉一个普适不一样性质系统各个尺度域上幂律和分维。就是在同一系统内，幂律或分维也仅存在于特定尺度域内，其最大跨越尺度域也不过2～3。因而，在尺度转换上不可能“窥一斑而见全豹”。

23/39五、研究尺度选择基本标准科学性标准

科学标准就是观察尺度选择时首先要考虑标准。科学研究主要任务就是要准确地探究自然现象表象、过程及其内在机理。对于地理学和生态学研究来说，首要任务就是选择与自然现象（格局与过程）发生规模相当观察尺度。假如观察尺度与实际尺度相差甚远，研究结果可信度就会很差。其次，选择尺度应尽可能是自然界实体单位。

经济性标准

可操作性标准

24/39六、当前尺度研究中存在问题尺度选择不妥，不能正确揭示研究对象科学本质。研究尺度过大，大量细节被省略，研究成为“有偏”预计；研究尺度过小，陷入局部而不能窥其全貌。盲目进行尺度转换。一些研究者声言对研究结果进行了尺度转换，而实际情况是主观推定；一些研究结果在参数都没有变换情况下，被推绎到另外尺度上，甚至跨越了几个尺度。一些研究结果不能够进行尺度转换，而一些研究者无视尺度转换限制性条件对研究结果随意进行尺度推绎。尺度转换技术使用不妥。表现为没有认识到概念模型、机理模型和统计模型在尺度转换时应该采取不一样策略，在工作中倚重回归技术。有意或无意漠视研究结果尺度性，没有标定研究结果是那个尺度上产生或有效。在各个分支学科采取时间和空间尺度范围不一样，在结果表述和了解时经常引发歧义，尤其是在跨学科研究日益强化情形下，愈加剧了综合集成困难。

25/39六、尺度存在原因总来说，地学和生态学中格局与过程是多层次系统，层次间相互联络，过程间存在着许多耦合与反馈。另外，许多过程是随机性混沌过程（R.Schulze,）。所以，尺度和标度变换问题不可防止。

26/39六、尺度存在原因地学格局与过程空间异质性响应与反馈非线性特征涌现特征发展优势过程尺度改变干扰原因影响27/39七、尺度及尺度域觉察方法与技术图示法谱分析方法空间相关分析技术半方差方法人工神经网络和小波分析28/39尺度觉察技术（图示法）图示法是尺度及尺度域觉察最为惯用方法，

它是将表征尺度改变各种变量和特征值以不一样空间和时间取样单位表现在图上，经过检视其中曲线规律来取得尺度信息。在图示中，可用实值对特征值与空间或时间取样单位做图，但更多是用双对数来标示。普通而言，曲线中显著拐点能够认为是两个尺度域分界点。29/39谱分析经过是一个时频分析技术，其中傅立叶变换（Fouriertransform）是一个经典而又实用频谱分析伎俩。该方法基本原理是拟合实际观察数据与确定波谱特征数据，当有意义匹配实现时，格局或过程就会被检视出来。谱分析尤其适合于分析含有周期性结构空间和时间数据。因为采取三角函数转换，它不受空间数据起始位置影响。

尺度觉察技术（谱方法）30/39小波分析示意图31/39格局与过程尺度问题对于过程和格局而言，是否存在能够表征时间和空间尺度，若有，怎样表示？不一样尺度过程与格局之间是怎样相互作用，怎样耦合，采取什么方法去耦？怎样役使，用什么方法判断？解除役使外力需要多大，时间有多长？

32/39格局与尺度关系格局尺度大小不一样，其很多特征表现出差异。首先，形成与维持格局时间伴随尺度增大而加长；其次，在格局形成动力上，小尺度以自组织力为主，而大尺度以他组织力为主，同时，伴随尺度增大，高斯噪声呈逐步淬灭趋势；第三，格局形成过程周期上，小尺度以短周期过程为主，多表现为瞬时或脉冲作用，而大尺度格局则以长周期过程为主，是区域过程各种原因共同作用产物；第四，在格局内部联结性上，小尺度格局表现出强联结性，而大尺度格局内部联结较为涣散。33/39过程与尺度关系

在一个改变过程序列中，包含许多频率成份，最为显著经典是趋势成份和噪声成份。不一样频率成份性态不一样，高频不稳，生长较快；相反，低频较稳，改变较为迟缓。以尺度来区分，生长快高频成份，通常生存周期比较短，能量主要分布在比较少尺度上；生长较慢低频成份，往往生存周期比较长，分布尺度域大，常成为某一过程背景。举例来说，自工业革命以来全球气温改变曲线就是气候系统本身改变趋势叠加一些随机噪声而形成，其中主要噪声项是人类活动对全球气温改变影响。普通来说，伴随尺度增加，过程通常由非平稳序列转变成平稳序列。34/39格局和过程与尺度关系普通来说，伴随格局尺度增大，作用于格局之上过程周期加长，过程“毛刺”被剔除，一些细节被“平滑”，曲线变得相对“光滑”。从成因上说，格局尺度增大，内部空间异质性就会对应增大，高空间异质性会阻尼或削减外部作用力变异效果。按照役使原理，短时间尺度随机力作用于大尺度格局时，格局内部缀块之间过渡区域将成为随机力作用效应“壁垒”。

35/39格局和过程与尺度关系36/39尺度研究框架体系研究范式转换路径转换技术top-down

bottom-up

SCSdownscaling

upscaling

自适应尺度系统①传统统计方法(RA、CART等)②地统计方法(pointkriging与pointcokriging)③其它①传统统计方法（RA、CART等）②地统计方法(blockkriging与blockcokriging)③重整化群方法①小波方差、小波熵等②二叉树变换等37/391.

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