自然地理學(xué)中的尺度問(wèn)題ppt課件

.,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）,.,InformationlossS.E.Jrgensen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（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(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)23。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(guān)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、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^(guān)測(cè)尺度。如果觀(guān)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(guān)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(xiàn)性特征涌現(xiàn)特性的發(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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(guān)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，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(xiàn)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(xiàn)變得相對(duì)“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.SimonALevin.TheproblemofpatternandscaleinecologyJ.Ecology1992,73(6):1943-19672.StenBergstrm,L.PhilGraham.OnthescaleprobleminhydrologicalmodelingJ.JournalofHydrology1998,211:253-2653.DavidA.Perry.Self-organizingsystemsacrossscalesJ.Tree1995,10(6):241-2444.MarcelR.Hoosbeek.Incorporatingscaleintospatio-temporalvariability:applicationstosoilqualityandyielddataJ.Geoderma1998,85:113-1315.HeatherA.Viles.ScaleissuesinweatheringstudiesJ.Geomorphology2001,41:63-726.A.Stein,J.Riley,N.Halberg.IssuesofscaleforenvironmentalindicatorsJ.Agriculture,EcosystemsandEnvironment2001,87:215-2327.RolandSchulze.TranscendingscalesofspaceandtimeinimpactstudiesofclimateandclimatechangeonagrohydrologicalresponsesJ.Agriculture,EcosystemsandEnvironment2001,82:185-2128.FredL.Bunnell,DavidJ.Huggard.Biodiversityacrossspatialandtemporalscales:problemsandopportunitiesJ.ForestEcologyandManagement.1999,115:113-126,有關(guān)尺度研究的重要文獻(xiàn),.,9.ClarkC.Gibs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