地理數(shù)據(jù)與模型的時(shí)空尺度問題

1、地理數(shù)據(jù)與模型的時(shí)空尺度問題XXX科學(xué)研究中的科學(xué)研究中的“尺度尺度”，是自然科學(xué)和社，是自然科學(xué)和社會科學(xué)各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域會科學(xué)各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域首先必須面對首先必須面對、必須必須解決解決的一個(gè)基本問題。的一個(gè)基本問題。不同的學(xué)科領(lǐng)域，對于不同的學(xué)科領(lǐng)域，對于“尺度尺度”的定義和的定義和概念理解不同。概念理解不同。地理學(xué)中的尺度最具復(fù)雜性和多樣性地理學(xué)中的尺度最具復(fù)雜性和多樣性。 從廣義上來講，所謂從廣義上來講，所謂尺度尺度是指研究對象是指研究對象在在空間空間或或時(shí)間時(shí)間方面的方面的基準(zhǔn)尺寸基準(zhǔn)尺寸。 地理學(xué)中的尺度包括兩個(gè)方面的含義：地理學(xué)中的尺度包括兩個(gè)方面的含義：粒度粒度( (Grain) ):

2、 :研究對象的研究對象的最小可辯識單元最小可辯識單元 空間空間粒度粒度時(shí)間時(shí)間粒度粒度幅度幅度( (Extent):):研究對象研究對象的持續(xù)范圍的持續(xù)范圍空間空間幅度幅度時(shí)間時(shí)間幅度幅度1.多種時(shí)空尺度的地理問題2.多種時(shí)空尺度的地理數(shù)據(jù)3.兩個(gè)具體實(shí)例4.建立地理模型的“問題導(dǎo)向”原則q 全球尺度的問題地帶性和非地帶性規(guī)律全球變化問題厄爾尼諾現(xiàn)象生物多樣性變化q 區(qū)域尺度的問題洲際、地區(qū)尺度的問題國家尺度的問題各種尺度的區(qū)域問題1.1 多種空間尺度的地理問題q 以地質(zhì)（或地層）年代為時(shí)間尺度的古環(huán)境問題研究古生物問題研究.q 現(xiàn)代環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展問題研究千年、百年的時(shí)間尺度10年、1年的

3、時(shí)間尺度季度、月、天、小時(shí)的尺度1.2 多種時(shí)間尺度的地理問題2.1 地理數(shù)據(jù)的多維性 對于一個(gè)地理對象，它的具體意義往往需要從空間、屬性、時(shí)間三個(gè)方面進(jìn)行綜合描述。在空間方面，需要描述該地理對象所處的地理位置和空間范圍；在屬性方面，需要描述該地理對象的具體內(nèi)容；在時(shí)間方面，需要描述該地理對象產(chǎn)生、發(fā)展和存在的時(shí)間范圍。 其中，對于時(shí)間的描述，需要1個(gè)變量；對于地理位置和空間范圍的描述，一般需要23個(gè)變量；對于屬性特征的描述，至少需要1個(gè)以上，多則需要十幾個(gè)、甚至幾十個(gè)變量。 可見，地理數(shù)據(jù)具有多維性特征。地理數(shù)據(jù)具有多維性特征。 2.2 地理數(shù)據(jù)管理地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）2.2.1 數(shù)據(jù)倉庫

4、數(shù)據(jù)倉庫(Data Warehouse，簡稱DW)的定義 DW是依賴于計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的是依賴于計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的DSS技術(shù)，技術(shù)，是在決策需求的驅(qū)動下產(chǎn)生與發(fā)展起來的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)庫無法滿足決策支持系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的要求。因此，專為決策服務(wù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)倉庫就應(yīng)用而生了。 W.H.Inmon（被譽(yù)為被譽(yù)為 “數(shù)據(jù)倉庫之父數(shù)據(jù)倉庫之父” ）對數(shù)據(jù)倉庫的定義是：數(shù)據(jù)倉庫是支持決策過程的、面向主題的、數(shù)據(jù)倉庫是支持決策過程的、面向主題的、集成的、隨時(shí)間變化的、持久的數(shù)據(jù)集合集成的、隨時(shí)間變化的、持久的數(shù)據(jù)集合。2.2 地理數(shù)據(jù)管理地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）2.2.2 地理數(shù)據(jù)倉庫（

5、地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）的定義）的定義數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)倉庫(Data Warehouse）的概念 ，定義：地理數(shù)據(jù)倉庫（地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）是支持地理研究與決策過程是支持地理研究與決策過程的、具有空間、時(shí)間和屬性多維特征的、面向特定主的、具有空間、時(shí)間和屬性多維特征的、面向特定主題的、持久的數(shù)據(jù)集合。題的、持久的數(shù)據(jù)集合。2.2 地理數(shù)據(jù)管理地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW） 數(shù)據(jù)倉庫中的基本概念“粒度粒度”，正好與我們地理數(shù)據(jù)的“粒度粒度”相對應(yīng)，它是指數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)單位中保存數(shù)據(jù)的細(xì)化或總合程度的級別。 數(shù)據(jù)倉庫的多重粒度多重粒度的劃分的劃分正好對應(yīng)多種粒度的地理的地理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。 相應(yīng)地，立方體立方體、數(shù)

6、據(jù)分割、分片以及數(shù)據(jù)集市(Data Mart)等概念；數(shù)據(jù)組織模式；數(shù)據(jù)追加；切片和切塊、鉆取鉆取(drill)、旋轉(zhuǎn)(pivoting)等操作分析方法都可以平移地理數(shù)據(jù)倉庫地理數(shù)據(jù)倉庫。2.2.3 相應(yīng)的概念、模型和方法平移相應(yīng)的概念、模型和方法平移 近10年來，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對于中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異收斂性的討論非常熱烈。有人認(rèn)為，改革開放以來，中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異迅速擴(kuò)大，有人則不以為然；有人認(rèn)為中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異的演化過程服從倒U型曲線，有人則認(rèn)為不盡然；許多學(xué)者認(rèn)為東西部差距差距急劇擴(kuò)大東西部差距差距急劇擴(kuò)大！ 究其原因，除了不同學(xué)者采用的分析方法、統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和考察問題的角度有所不同以外，還有一個(gè)更

7、為重要的原因，就是研究的時(shí)空間尺度不同。顯然，以下兩點(diǎn)實(shí)事是不可否認(rèn)的：基于不同的空間基本單元，即使采用同一測度指標(biāo)，衡量相同年份的收入差異，得到結(jié)果肯定不同。即使基于相同的空間單元，采用相同的測度指標(biāo)，在不同的時(shí)間段內(nèi)考察區(qū)域收入差異的收斂性，得到的結(jié)果肯定不同。 v但是，大部分學(xué)者在這個(gè)問題的研究中，都忽略了一個(gè)基本問題：時(shí)空尺度問題時(shí)空尺度問題！ 除了按行政區(qū)域劃分外，是否還有其它的空間單元劃分方法空間單元劃分方法？中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異變化過程呈倒U型？東中西三個(gè)地帶及其之間的差異變化呈倒U型？東中西三個(gè)地帶之間的差距大于全國省際差異？大于東部地區(qū)的省際差異？地帶之間的差異比省內(nèi)差異更嚴(yán)重？

8、3.1.2 3.1.2 與時(shí)空尺度相關(guān)的幾個(gè)問題與時(shí)空尺度相關(guān)的幾個(gè)問題 區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異研究中，區(qū)域單元的劃分與空間尺度密切相關(guān)。對于中國，至少可以從如下幾方面劃分：（1）兩分法，即沿海和內(nèi)陸地區(qū)；（2）三大地帶：東部、中部、西部；（3）六分法：華北、東北、華東、中南、西南、西北；（4）七分法：遠(yuǎn)西、北部腹地、南部腹地、中部核心、北部沿海、東部沿海和南部沿海。 （ 5）以省級行政單元為基本區(qū)域單元；（6）以地級行政單元劃分；（7）以縣級行政單元劃分。3.1.3 3.1.3 幾點(diǎn)初步認(rèn)識（幾點(diǎn)初步認(rèn)識（1 1）從三大地帶尺度三大地帶尺度來看，改革開放以來東中西三大地帶間經(jīng)濟(jì)差異在逐漸拉大，地帶內(nèi)的

9、差異一直在縮小。地帶間的差異對全國總體差異的影響較地帶內(nèi)差異更為顯著，且影響程度逐漸加深，對總體差異起主導(dǎo)作用。 從?。ㄊ?、區(qū)）級空間尺度?。ㄊ?、區(qū)）級空間尺度來看，東部的省際差異比較顯著，東部的省際差異比中西部表現(xiàn)得更為突出；新中國成立以來，中部和西部的省際差異一直相對較小，東部的省際差異比較顯著。從地（州、市）級空間尺度地（州、市）級空間尺度來看，東中西三大地帶的省間差異在全國總體差異中的基本格局保持不變，而省內(nèi)差異是全國整體差異的重要構(gòu)成部分，省內(nèi)差異對于全國整體差異的貢獻(xiàn)比三大地帶之間差異和省際差異的貢獻(xiàn)顯著得多。從縣（市、區(qū)）級空間尺度從縣（市、區(qū)）級空間尺度來看，西部省內(nèi)的縣域差異

10、比東部和中部更為突出，中部省內(nèi)的縣域差異最??；東中西部三大地帶內(nèi)的縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展體現(xiàn)了地帶內(nèi)“群體趨同”現(xiàn)象。這就是說，東部大多數(shù)縣（市、區(qū)）的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，而中西部大部分縣（市、區(qū)）的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平均處于落后水平。 從時(shí)間尺度時(shí)間尺度來看，在大時(shí)間尺度（譬如24年）水平上，中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異的變化過程，基本上服從“倒U型”曲線規(guī)律，但是小時(shí)間尺度(譬如23年或22年)水平上來看，它就不再是“倒U型”曲線了，而呈現(xiàn)為一條由幾個(gè)U型曲線首尾相接的“復(fù)合U型曲線”。3.1.3 3.1.3 幾點(diǎn)初步認(rèn)識（幾點(diǎn)初步認(rèn)識（2 2）3.2 城市景觀格局的空間尺度效應(yīng)景觀是地理學(xué)研究的核心問題之一。景觀格局（

11、包括形態(tài)、結(jié)構(gòu)、分布）隨著時(shí)空尺度的變化而發(fā)生變化!已有的研究主要集中在空間尺度效應(yīng)、尺度選擇和尺度轉(zhuǎn)換三個(gè)方面。目前，對于景觀格局時(shí)空尺度規(guī)律，人們還沒有完全認(rèn)識清楚。譬如，對于最基本的問題：景觀格局研究的時(shí)空尺度，究竟應(yīng)該怎樣劃分？至今仍然沒有統(tǒng)一的答案沒有統(tǒng)一的答案。我們課題組課題組，對城市景觀格局的空間尺度效應(yīng)空間尺度效應(yīng)規(guī)律做了一些初步的研究，結(jié)果如下如下：變異函數(shù)是一個(gè)綜合性指標(biāo)，它有3個(gè)重要參數(shù)：塊金值（塊金值（Nugget）C0：表示隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性，較大的塊金值就預(yù)示著小尺度的某種過程不可忽視；h0時(shí)，基臺值（基臺值（Sill）C C0 0+C+C：基臺值越大表示總的

12、空間差異性程度越高, C表示空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性。塊金值與基臺值之比C0/(C0+C)則反映了隨機(jī)因素引起的異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的比重。 變程（變程（Range）A0A0：當(dāng)h從0增大到A0時(shí)， 從非零值達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的常數(shù),所以它表示空間變異的最大范圍。 景觀多樣性，是一種典型的區(qū)域化變量，它在空間變異規(guī)律(依賴性與空間異質(zhì)性) ，可以用變異函數(shù)來描述：式中：h為兩樣本點(diǎn)的空間分隔距離，Z(xi)與Z(xi+h)分別是Shannon多樣性指數(shù)（SHDI）在空間位置xi和xi+h上的觀測值，N(h)是分隔距離為h時(shí)的樣本對總數(shù)。0.5km幅度幅度下景觀多樣性的變異函數(shù)：下景觀多樣性

13、的變異函數(shù)：指數(shù)模型指數(shù)模型 城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律1km幅度幅度下景觀多樣性的半變異函數(shù)下景觀多樣性的半變異函數(shù): : 球狀模型球狀模型 城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律2km幅度幅度下景觀多樣性的變異函數(shù)：下景觀多樣性的變異函數(shù)：高斯模型高斯模型 城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律不同幅度下景觀多樣性半變異函數(shù)的理論模型及參數(shù)不同幅度下景觀多樣性半變異函數(shù)的理論模型及參數(shù)3.2.2 3.2.2 幾點(diǎn)初步認(rèn)識幾點(diǎn)初步認(rèn)識 （1）城市景觀多樣性格局，與空間區(qū)位及人類活動的空間格局息息相關(guān)。在城市中心，由于土地成本高

14、昂，主導(dǎo)型景觀是經(jīng)濟(jì)效益較高的商業(yè)文化景觀，并且景觀斑塊聚集度、破碎度大；經(jīng)濟(jì)效益較低的農(nóng)業(yè)景觀只能分布在城市邊緣區(qū)和郊區(qū)，景觀類型單一，而且斑塊面積較大，破碎度較??；在由城市中向邊緣過渡的中間地帶，景觀類型多樣，空間格局復(fù)雜。 （2）城市景觀格局具有明顯的空間自相關(guān)性特征，而且這種自相關(guān)性具有顯著的尺度依賴性特點(diǎn)。Moran指數(shù)I與Geary系數(shù)c對粒度變化的敏感點(diǎn)相同，均為50m，即在50m的粒度范圍內(nèi)景觀格局具有明顯的空間依賴性。 (3) 城市形態(tài)的自相似性和復(fù)雜性 ，也與空間尺度存在一定的關(guān)系。在粒度較小時(shí)，各類景觀斑塊之間的分維數(shù)差異較大，而隨著粒度的增大，其分維數(shù)之間的差異逐漸縮小

15、。 3.2.2 3.2.2 幾點(diǎn)初步認(rèn)識幾點(diǎn)初步認(rèn)識 （3）景觀多樣性具有尺度依賴性。隨著幅度的增加，景觀多樣性指數(shù)逐漸增大，多樣性的空間格局也顯著變化。在0.5km幅度下，多樣性指數(shù)的最大值出現(xiàn)在市中心，從市中心向外呈現(xiàn)高低起伏的環(huán)狀模式擴(kuò)展；隨著幅度增加，多樣性指數(shù)的高值區(qū)向景觀類型變化最劇烈的城鄉(xiāng)過渡地帶和城市化前緣地帶轉(zhuǎn)移。小尺度下局部的細(xì)節(jié)變化顯著，隨著尺度的增加，局部細(xì)節(jié)變化逐漸消逝，大范圍的甚至全局的空間格局更為突出。尺度越大，多樣性格局的不平衡性越明顯。 （4）在小幅度下，景觀多樣性的空間變異，主要來自空間自相關(guān)部分的貢獻(xiàn)，隨機(jī)因素（尺度和測量誤差）貢獻(xiàn)較小。隨著幅度增加，較大

16、尺度掩蓋了更小尺度上的變異，空間自相關(guān)部分引起的空間變異對系統(tǒng)總的空間變異的貢獻(xiàn)明顯下降。 4.4.建立地理模型的“問題導(dǎo)向”原則多種時(shí)空尺度的地理問題多種時(shí)空尺度的地理問題多種時(shí)空尺度的地理多種時(shí)空尺度的地理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)多種時(shí)空尺度的地理模型多種時(shí)空尺度的地理模型也就是說，地理學(xué)研究需要多種尺度的模型，那么，也就是說，地理學(xué)研究需要多種尺度的模型，那么，究竟怎樣建立究竟怎樣建立多種時(shí)空尺度的地理模型多種時(shí)空尺度的地理模型？對于這個(gè)問題，對于這個(gè)問題，無法給出具體答案無法給出具體答案，但，但問題導(dǎo)向原問題導(dǎo)向原則則應(yīng)該是一個(gè)基本的應(yīng)該是一個(gè)基本的原則原則。譬如：譬如：對于前面兩個(gè)研究實(shí)例對于前面兩個(gè)研究實(shí)例 對于城市景觀格局尺度下效應(yīng)規(guī)律的研究：對于城市景觀格局尺度下效應(yīng)規(guī)律的研究：數(shù)據(jù)源：數(shù)據(jù)源：SPOT5SPOT5尺度轉(zhuǎn)換方法：尺度轉(zhuǎn)換方法