地理數(shù)據(jù)與模型的時空尺度問題

地理數(shù)據(jù)與模型的時空尺度問題第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四科學(xué)研究中的“尺度”，是自然科學(xué)和社會科學(xué)各個學(xué)科領(lǐng)域首先必須面對、必須解決的一個基本問題。不同的學(xué)科領(lǐng)域，對于“尺度”的定義和概念理解不同。地理學(xué)中的尺度最具復(fù)雜性和多樣性。量熱儀第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四從廣義上來講，所謂尺度是指研究對象在空間或時間方面的基準(zhǔn)尺寸。地理學(xué)中的尺度包括兩個方面的含義：粒度(Grain):研究對象的最小可辯識單元

空間粒度時間粒度幅度(Extent):研究對象的持續(xù)范圍空間幅度時間幅度第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四1.多種時空尺度的地理問題2.多種時空尺度的地理數(shù)據(jù)3.兩個具體實例4.建立地理模型的“問題導(dǎo)向”原則第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四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………

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第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

以地質(zhì)（或地層）年代為時間尺度的古環(huán)境問題研究古生物問題研究………….

現(xiàn)代環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展問題研究千年、百年的時間尺度10年、1年的時間尺度季度、月、天、小時的尺度…………1.2多種時間尺度的地理問題第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.1地理數(shù)據(jù)的多維性

對于一個地理對象，它的具體意義往往需要從空間、屬性、時間三個方面進(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；在時間方面，需要描述該地理對象產(chǎn)生、發(fā)展和存在的時間范圍。其中，對于時間的描述，需要1個變量；對于地理位置和空間范圍的描述，一般需要2～3個變量；對于屬性特征的描述，至少需要1個以上，多則需要十幾個、甚至幾十個變量。可見，地理數(shù)據(jù)具有多維性特征。

第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.2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(DataWarehouse，簡稱DW)的定義DW是依賴于計算機和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的DSS技術(shù)，是在決策需求的驅(qū)動下產(chǎn)生與發(fā)展起來的。因為傳統(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)倉庫就應(yīng)用而生了。W.H.Inmon（被譽為“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、集成的、隨時間變化的、持久的數(shù)據(jù)集合。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.2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（GDW）的定義數(shù)據(jù)倉庫(DataWarehouse）的概念

，定義：地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）是支持地理研究與決策過程的、具有空間、時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。第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.2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”，正好與我們地理數(shù)據(jù)的“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)倉庫的多重粒度的劃分正好對應(yīng)多種粒度的地理數(shù)據(jù)。相應(yīng)地，立方體、數(shù)據(jù)分割、分片以及數(shù)據(jù)集市(DataMart)等概念；數(shù)據(jù)組織模式；數(shù)據(jù)追加；切片和切塊、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。2.2.3

相應(yīng)的概念、模型和方法平移第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

近10年來，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對于中國區(qū)域經(jīng)濟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)濟差異迅速擴大，有人則不以為然；有人認(rèn)為中國區(qū)域經(jīng)濟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大！究其原因，除了不同學(xué)者采用的分析方法、統(tǒng)計指標(biāo)和考察問題的角度有所不同以外，還有一個更為重要的原因，就是研究的時空間尺度不同。顯然，以下兩點實事是不可否認(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。

但是，大部分學(xué)者在這個問題的研究中，都忽略了一個基本問題：時空尺度問題！第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

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？中國區(qū)域經(jīng)濟差異變化過程呈倒U型？東中西三個地帶及其之間的差異變化呈倒U型？東中西三個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？3.1.2與時空尺度相關(guān)的幾個問題

區(qū)域經(jīng)濟差異研究中，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。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.1.3幾點初步認(rèn)識（1）從三大地帶尺度來看，改革開放以來東中西三大地帶間經(jīng)濟差異在逐漸拉大，地帶內(nèi)的差異一直在縮小。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小^(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。第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四從縣（市、區(qū)）級空間尺度來看，西部省內(nèi)的縣域差異比東部和中部更為突出，中部省內(nèi)的縣域差異最小；東中西部三大地帶內(nèi)的縣域經(jīng)濟發(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)濟發(fā)展水平較高，而中西部大部分縣（市、區(qū)）的經(jīng)濟發(fā)展水平均處于落后水平。從時間尺度來看，在大時間尺度（譬如24年）水平上，中國區(qū)域經(jīng)濟差異的變化過程，基本上服從“倒U型”曲線規(guī)律，但是小時間尺度(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U型曲線首尾相接的“復(fù)合U型曲線”。3.1.3幾點初步認(rèn)識（2）第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.2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（包括形態(tài)、結(jié)構(gòu)、分布）隨著時空尺度的變化而發(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)換三個方面。目前，對于景觀格局時空尺度規(guī)律，人們還沒有完全認(rèn)識清楚。譬如，對于最基本的問題：景觀格局研究的時空尺度，究竟應(yīng)該怎樣劃分？至今仍然沒有統(tǒng)一的答案。我們課題組，對城市景觀格局的空間尺度效應(yīng)規(guī)律做了一些初步的研究，結(jié)果如下：第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四變異函數(shù)是一個綜合性指標(biāo)，它有3個重要參數(shù)：塊金值（Nugget）C0：表示隨機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；h＝0時，基臺值（Sill）C0+C：基臺值越大表示總的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)則反映了隨機因素引起的異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的比重。

變程（Range）A0：當(dāng)h從0增大到A0時，從非零值達(dá)到一個相對穩(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時的樣本對總數(shù)。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四0.5km幅度下景觀多樣性的變異函數(shù)：指數(shù)模型

城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四1km幅度下景觀多樣性的半變異函數(shù):球狀模型

城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2km幅度下景觀多樣性的變異函數(shù)：高斯模型

城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四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)第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.2.2幾點初步認(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，由于土地成本高昂，主導(dǎo)型景觀是經(jīng)濟效益較高的商業(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。Moran指數(shù)I與Geary系數(shù)c對粒度變化的敏感點相同，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，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。

第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.2.2幾點初步認(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)，隨機因素（尺度和測量誤差）貢獻(xiàn)較小。隨著幅度增加，較大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。

第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四4.建立地理模型的“問題導(dǎo)向”原則多種時空尺度的地理問題多種時空尺度的地理數(shù)據(jù)多種時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，究竟怎樣建立多種時空尺度的地理模型？對于這個問題，無法給出具體答案