（地图学与地理信息系统专业论文）社会经济数据尺度转换研究.pdf

中文摘要 在地理信息科学领域空间尺度是地理数据处理分析的前提，是空间分析与决策的基础， 它几乎影响着6 i s 应用每个方面，是地理信息科学中最重要的问题在尺度研究中，社会经 济数据尺度转换是在环境人口健康风险诊断、自然灾害损失快速评估、现场抽样调查对照等 地学和社会经济研究中普遗遇到的一个瓶颈问题。论文以空间分析理论和方法为基础，以社 会经济数据的尺度转换为主要内容，从理论和应用两个层面展开研究 论文首先系统回顾和总结了国内外有关尺度转换的研究成果，井以空间分析为线索，通 过查阅和总结大量的文献资料，对空间尺度转换研究中相关概念以及主要方法的发展做了比 较。指出了进一步开展尺度转换研究在理论和方法上面临重大的挑战与机遇。 根据理论和方法研究的成果，论文更进一步以山西省和顺县数据为倒成功地运用了点 与多边形、面域加投、距离衰减模型、核心估计法及基于遗传算法和遗传规划的格点内插法 等5 种方法，将人口密度数据从统计单元转换到流域分区自然单元上。其中针对目前大多尺 度转换方法存在的影响因素选择困难、建模复杂等问题，论文首次将遗传算法和遗传规划引 入尺度转换研究中，建立了基于遗传算法和遗传规划的格点内插法。通过实验结果证明，此 种方法是切实可行的。 为了选择何种方法更加适合于和顺县实际情况，并为以后的尺度转换研究提供一些经验 参考，论文在流域尺度上对这5 方法进行了不确定性分析和比较。研究发现，对于和顺县数 据来说，基于遗传算法和遗传规划的格点内插法的转换精度最好，核心估计法次之。点与多 边形叠加精度最差。值得一提是，论文在没有真实值比较误差的情况下，创造性地结合5 种算法的优点得到了各所选流域分区上的综合最优值，并计算了最优值的可靠程度，为转换 方法不确定性研究开拓了思路。 最后对全文进行了总结，也提出了一些值得进一步深入探讨的问题。 关键词：空间分析尺度转换基于遗传算法和遗传规划的格点内插法不确定性 a b s t r a c t i n t h e f l i e do f g e o g r a p h i c a l 咖a t i o ns c i e n c e , s p a t i a ls c a l e i s t h ep r e m i s eo f g e n - d a t a o 螂 a n da a a l y s i sa n dt h ef o u n d a 廿o no fs p a 土i a lm m l y s ba n dd e c i s i o n t h e 憾f o r e ，i ti st h em o s ts i g r 曲c a n t p m b i mo fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns c i e n c e , w h i c he f f e c t sa l m o s te v e r ya s p e c t so fg i sa p p l i c a t i o n a m o n gt h e 姐l d i 髓o f 即a t i a ls c a l e , 窖c a l l 鸩w i t hs o c i o e c e n o m t ed a t ai so o oo f c h o k ep o i n t si ng e o n e m y a n ds o c i o e c o n o m i cr e s e a r c h e s , s u c he sd i a g n o s i so fo n v l o n m f l l l u dh e a l t hn s l e v a l u a t i o no fn a t t u a l d i s a s t e rl o s s , e n dc o m p a r i s o no f o n - s i t es a m p l i n gi n v e s t i g a t i o n s , e c t b a s e do nt h e 也d 骼t a x im e t h o d s o f 印稍矗io n a l y s b ，t h e 龋龇o fs o c i e e n o 枷d c 她i ss t u d i e d t h et h e s i sf o a b 髂o nb o t ht h e d e v e l o p m e n t o f t h e o r y a n d 掣a c i j f i r s t l y , t h er e l e v a n tr e a r c h e sa n dl i t e r a t u r e so i ls c a l i n ga r er e v i e w e d a n dt h e nb y 删n g s p a t i a l a n a l y s i s a c l e w , t h e t h e s i s i n s p e c t s t h e k e yc o n c e p t s i n s c i e i l c e s o f s c a l e ”a n dc o m p a r e s t h e m e t h o d s t os o l v et h ep r o b l e m so f s c a l i n gi n 出i f e r e mf i e l d s - b a s e do nt h e s er e s e a r c h e s , t h et h e s i sf i n d st h 址t h e c h o o s i n g o f s u i t a b l e m e t h o d s i ns c a l i n g w i t h g e o - d a t a i s a c h a l l e n g e i n t h e f u t u r e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ea c h i e v e m e n to ft h e o r ye n dm e t h o d , a s c e r c b , t h et h e s i sf u r t h e rt a k e s h e s h u n , ac o u n t yi ns h a n x ip r o v i n c ea s e x a m p l ea n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e sf i v em e t h o d s p o 缸i 1 1 p o l y g o n ，a r e a lw d g h d n g c e - d e c a ym o d e l k e r n e le s t i m a t i o nm i d 鲥di n t e r p o l a t i o nm e t h o db a s e d 0 1 1g e l l e d 0a l g o r i t h m s ( g a ) a n dg e l s cp r o g r a m m i n s ( g p ) - t ot r a n s f o r mp o p u l a t i o nd e n s i t yd a t af r o m c e n s u st od r a l n a g ea n i no r d e rt os o l v m gt h ed i f f i c u l t i e so f t r a d i t i o n a ls c r a gm e t h o d si ni n f l u e n c e f a c t o r sc h o i c ea n dm o d e lc r e a t i o n , t h et h e s i se x p l o r e san o v e la p p r o a c ht os c a l i n gw i t hp o p u l a t i o nd a t a b yi n t e g r a t i n gg i s , g aa n dg 只n a m e l y 鲥di n t e r p o l a t i o nm e t h o db a s e do i lg aa n dg p t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sp m v e1 h a li ti san e wa a df e a s i b l em e t h o dt os o l v et h ep o p u l a d o nd i s t r i b u t i o ns c a l i n g t h i r d l y , t h et h e s i sc o m p a r a n da n a l y s e su n c e r t a i n t i e so f d lt h ea p p l i e dm e t l l o d sf o rc h o o s i n gt h e m d s ts u i t a b l em e t h o d sa n dp m v l d i n ge x p e r i e n c ee n dr e f e r e n c et of u t u r es c a l es t u d i e s t h er e s u l t s i n d i c a t et h a ta sf a ra st h ed a t ao f h e s h a ni sc o n c e r n e d , t h ea c c u r a c yo f i n t e r p o h n i o nm e t h o db a s e d g ae n dg pi sm 曲e 吒k e r n e le s t i m a t i o nt a k e ss e c o n dp l a c e , p o 埘i np o l y g o ni sl o w e s tn o t i c e a b l y , d t w i n gt m c e 础t ya m i y s i st h et h e s i sc r e a t i v e l yu s e si n t e g r a ! b e s tv a l u e sc a l c u l a t e db yi n t e g r a t i n gt h o s e 5m e t h o d si ns t e a do f t h ed e f a u l ta c t u a lo n e st oh l e a $ 1 1 1 t h ee l l 0 r s m e a n w h i l e , i ta l s oc o m p u t e st h e r e l i a b i l i t yo f i n t e g r mb e s t v a l u e s t h a tm e t h o dw i l le x p l o i tan wm e t h o d o l o g y f o rt h eu n c e r t a i n t ys t u d y o f 耐i l l gm o t h o d $ f i n a l l y , t h et h e s i sc o n c l u d e sb ym a d e8 m m 埘a b o u tt h ew h o l ew o r k s ，a n da l s op u t sf o r w a r d s s o m e t h o u g h t s i n t h e f u t u r e k e y w o r d ：s p a t i n la i l a l y s h , s c e h n g ，i n t e r p o l a t i o nm e t h o db a s e do i bg a a n dg p , u n c e r t a b t y , n 图索引 图1 - 1 研究技术路线图6 图2 - 1 不同尺度及其相互转换l o 图2 - 2 尺度扩张和尺度收缩过程示意图1 2 图2 - 3 模型构成1 3 图2 - 4 点与多边形叠加：1 7 图3 1 和顺县区位图2 8 图3 - 2 和顺县人口密度分布图2 9 图3 - 3 和顺县流域分区图3 0 图3 - 4 和顾县各流域分区入口密度估计( 点与多边形叠加) 3 1 图3 - 5 流域分区与村区域的叠置分析图3 2 图3 - 6 和顺县各流域分区人口密度估计( 多边形与多边形叠加) 3 3 图3 - 7 和顺县各流域分区人口密度估计( 距离衰减模型) j 3 5 图3 - 8 面域加权与距离衰减模型结果比较一3 6 图3 - 9 点核心估计3 8 图3 1 0 和顺县1 l 啦格网上的人口分布( 核心估计法) 。4 0 图3 1 l 和顺县各流域分区人口密度估计( 核心估计法) 4 0 图3 1 2 和顺县l k r a 格网高程分布4 3 图3 1 3 和顺县l k m 格网的平均河流距离值分布“ 图3 - 1 4 和顺县1 k m 格网的平均主要距离值分布4 5 图3 1 5 和顺县l k m 格阔的平均铁路距离值分布4 5 图3 1 6 和顺县村庄空问分布4 6 图3 1 7 和顺县l k m 格网上的人口分布( 基于g p 和( 3 a 的格网内插法) 5 3 图3 1 8 和顺县各流域分区人口密度估计( 基于c 巾和g a 的格网内插法) 5 4 图4 - 1 所选择的流域分区图卯 图4 - 2 所选择的交叉区域5 8 图4 3 流域5 中的交叉区域分布5 9 图4 4 各方法人口密度转换误差值比较( 流域5 中的交叉区域) 6 0 图4 5 所选择流域分区人口密度估计( 基于综合最优方法) ，6 1 图4 6 所选择流域分区上各种方法m a r e 值三维可视化6 3 图4 - 7 尺度转换模型选择辅助决策系统框图6 6 v 表索引 表2 _ l 常用关于空间尺度转换的表述1 1 表2 - 2 尺度转化主要方法比较2 3 表3 1 遗传规划参数设置4 9 表4 - 1 部分交叉区域的人口转换方法。5 8 表4 - 2 所选择流域分区人口密度估计一览表( 基于综合最优方法) 表4 _ 3 所选择流域分区上各种方法估算结果一览表6 2 表4 4 各种方法误差检验比较6 2 表4 - 5 所选择流域分区上各种方法尉z 尼醪一览表6 4 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： 日期： 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： 日期t 匆。声 i i 研究背景和意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 空间( s p a c e ) 是地理学研究中的核心概念，对地理数据的研究，是地理学最重要 的特点之一。作为所有地理数据的共同特征，尺度是地球科学领域的一个非常重要的 概念。它通常研究客体或过程的空间维和时间维，多用分辨率和范围进行描述，同时 标志着对所研究对象细节了解的水平【l j o 大量研究证实，地理学研究对象格局与过程 的发生、时空分布、相互耦合等特性都是尺度依存的( s c a l e - d e p e n d e n t ) ，即地理对象 表现出来的特质具有时间和空间抑或时空尺度特征脚。尺度间的相互依赖己成为地理 学家用以观察世界的三个“透镜”之一，也是地理学思维和方法为一般科学认知所做 出的独特贡献。对尺度间相互依存的注意可以使地理学家至少避免两种错误：用错误 的空间尺度观察问题，由于不重视尺度而造成因果关系的曲解。因此，尺度问题是地 理学研究的核心问题之一。同样对尺度的认知在处理经济与社会健康、生态系统变化、 冲突与合作等社会实际问题上也具有重要作用d l 。 由于观测的尺度、研究的尺度、应用的尺度以及地理现象本身的运行尺度之间的 不一致，尺度问题在地理学及相关学科中不可避免，所以尺度问题在地理学、生态学 和水文科学等广泛领域研究中都占有非常重要的地位。近几十年来，随着自然和人文 综合研究的趋势日益增强和地理信息技术的广泛应用，国内外众多学者从不同学科角 度对尺度问题进行了大量而深入的研究。在国外，生态学家r o b i n s o n 在1 9 5 0 年就提 出生态学中著名的“尺度谬论”问题【4 j ；1 9 8 3 年o p e n s h a w 提出的可变面元( m o d i f i a b l e a r e a l u n i t p r o b l e m ) ( m a t w ) 问题现已成为尺度研究的代表问题罔；为了确定地质变化 和植被动态之间的相互作用，j d p h n l i p s 提出了4 种尺度指标旧；为了解决全球变化影 响的跨尺度问题，g d p e t e r n s o n 引入了等级理论r 刀；r s c h u l z e 分析了气候变化农业水 文响应的尺度问题、尺度类型和尺度转换的关键问题嘲；a v e l d k a m p 等提出了农业经 济研究的多尺度系统方法嗍；在国内，岳天祥和刘纪远等建立了多尺度生态多样性模 型、提出了多尺度信息融合模型的框架【1 0 j ；吕一河和傅伯杰分析和总结了生态学中常 见的尺度转换方法f j l 】；夏军、丁晶等回顾了尺度研究在水文学研究中的重要地位和目 前水文研究中尺度相关热点问题【1 2 1 ；吴凡等讨论了地貌形态的多尺度表达的方法【1 3 l ； 刘纪根等研究了土壤侵蚀模型中的尺度转换问剐闻。目前，尺度研究多集中在尺度效 应、适宜性尺度选择、尺度转换三个方面。在前两个方面，通过对于包括地貌系统、 景观结构变化、生物多样性等大量实际应用的研究，人们认识到，某种空间形式( 包 括形态、结构与过程) 会随着( 空间) 尺度的不同而发生变化，因此，对于某种空间 形式的研究应该选择其适宜的尺度。而尺度转换一直是地理学及相关学科有关“尺度” 问题研究的一个热点、难点，也是地理学有关时空建模与时空动态模拟分析的一个 “瓶颈一【“。 在地理信息科学领域，空间尺度是地理数据处理分析的前提，是空间分析与决策 的基础，它不仅是地理空间分析的一个基本工具，还是空间数据的一个主要属性，是 空间分析和管理的主要因素之一。空间尺度几乎影响着g i s 应用每个方面的：尺度认 知问题，空问数据的优化表达、综合和信息交流【1 5 1 ，它是地理信息科学中最重要的问 题。目前随着自然和人文综合研究的趋势日渐加强和地理信息技术的广泛应用，解决 “尺度鸿沟”的地理数据的空间尺度融合的要求越来越紧迫，u c g i s 在1 9 9 6 年和2 0 0 0 年两度提出的优先研究领域中都包括“尺度”问题的研究：欧共体统计署( e u r o s t a t ) 资助了“基于g i s 的地理信息的空间转换”的专项研究；中国空间数据基础设施 ( s p a t i a ld a t ai n f i a s l r u c t u r e ，s d i ) 建设中也强调要加强多尺度数字地理空伺数据框架建 设【1 6 1 。 1 1 , 2 研究意义 出生缺陷是指出生时就存在的人类胚胎( 胎儿) 在结构和功能( 代谢) 方面的异 常，包括先天畸形、智力障碍、代谢性疾病等。严重的出生缺陷可导致新生儿和儿童 死亡，或者造成患者的终生残疾【堋。由出生缺陷所造成的人口素质问题以及所带来的 健康损失和疾病负担已成为一个严重的公共卫生问题，引起了全社会的高度重视。出 生缺陷的原因复杂，综合目前资料一般认为：由遗传因素所致者约为2 0 - - 3 0 = 在 环境因素中，由母体疾病及宫内病原体感染所致者约占5 左右，由环境有害化学物 质或药物导致者约占l ：其余约6 0 0 一7 0 原因未明，估计是由遗传与环境因素的共 同作用所致r 瑚。而在环境因素中，经济发展水平的作用不容忽视。国内外多项研究表 明，社会经济状况对人体健康水平具有重要的影响，对婴儿的发育和成长也具有非常 显著的影响。因此，考察社会经济因素对出生缺陷的影响，是预防和减少出生缺陷发 2 生的另一个重要环节。 通过普查、统计、逐级汇总得到的传统社会经济数据是典型的统计型属性数据。 在进行社会经济因素对出生缺陷的影响分析中，这种数据存在着精度不够、数据结构 不合适等问题。而为了有效地指导有关专家学者或政府决策人员正确选择空间数据与 空间分析模型的类型、正确指定合理的空间分析技术路线、预估分析结果的精度与适 用性，在数据尺度转换之后，还必须进行数据尺度转换过程及转换方法不确定性研究。 1 2 社会经济数据转换研究现状 在地球科学的研究中，如全球变化研究、不同空间尺度的土地利用覆盖变化研究 等，普遍认为产生变化的原因是自然因素和人文因素的综合作用【1 9 】，因此需要将自然 和入文两大要素结合起来研究分析产生变化的驱动力，并在此基础上建立相对应模型 来对问题进行描述、预测和提出应对措施。而在g i s 中，社会经济数据一般是作为行 政区多边形的属性数据进行存储，而行政区界线往往与其它要素( 主要是自然要素) 基本单元边界不一致，使得数据融合成为难题。因此在空间分析时需要建立属性数据 空间化及空间尺度转换技术，其核心是非空间信息或更大空间单元的属性数据在( 较 小) 空间上表达的理论和方法，或称可变面元问题1 2 0 ! 。 社会经济数据空间转换一般包括这样几个过程：转换方法( 模型) 的选择； 社会经济数据的探索分析，包括对数据的均值、方差、协方差、独立性和变异函数的 估计等；转换方法评价；重新选择转换方法，直到合理；社会经济数据转换。 因此，通过比较而选择一个合用的、适合于数据空间分布特点的转换方法是社会经济 数据空间转换的关键。 近年，社会经济数据空间转换研究发展很快，成果较多。本文在阅读大量文献的 基础上，将目前世界常用的社会经济数据尺度转换方法归纳为以下几类：无辅助信 息转换法。此方法多用于除“尺度”和研究对象之外的其它辅助信息由于技术或经济 的原因难于获取的情况。它是通过源区与目标区图层叠加来获得目标区域的社会经济 数据的。基于点面插值、面域加权法、p y c o n p h y l a c t i c 面插值法都属于此类型。这是最 简单也是最粗略的方法，常常在行政边界产生突变。格点内插法。此方法是将研究 区域划分为一定分辨率的网格，使用各种内插方法来计算得到各网格的社会经济数 据，例如岳天祥等利用基于重力模型的格点生成法模拟了中国人口密度分布。该方法 能够有效地融合点、线、面等各种空间类型数据，总体的模拟误差也可以通过局部格 点修正得到改善 2 q 。影响因子分析法。这种方法则是在分析影响社会经济因素分布 的一系列因子例如基础设旌建设、地形和气候等的基础上，利用相关分析和回归分析 的方法来建立转换模型进行转换，如g a l l e g o 将土地乖佣作为辅助信息，对欧洲人i ：1 分 布进行研究 2 2 1 。遥感估算法。一般是通过遥感影像直接提取居民区信息( 如居民区 类型、居住密度、夜间灯光信息和居民区内住户数目等) 来估算人口密度，或者是通 过提取人口分布影响因子从而进一步估算人口密度。人口分布规律法。根据经典的 人口密度一距离衰减规律，模拟各格网的人口密度。这些方法各有所长，互为补充。 1 3 存在的问题 属性数据尺度融合是地理研究中不可避免要面对的问题，但由于尺度问题的时空 复杂性，虽然已经发展起来的处理尺度转换方法十分丰富，尺度问题仍然是地理研究 中的难点问题之一例。 首先，获得高精度估计结果的前提是拥有高精度的、可靠的和时空一致性好的地 理数据和相关背景信息，而目前多数研究中所用数据远达不到此要求，所以急需建立 这样的数据集刚。 其次，模型是尺度转换的核心问题，其涉及的方面一般包括模型的要素选择、系 统过程的数学表达、尺度转换的响应、模型的不确定性分析等 1 6 3 。而目前大多模型 虽然多从数据影响因素出发建立模型，但是无法处理好因素选择和模型复杂度之间的 关系，而且因素选择需要一定的理论基础和先验知识。另外，模型转换结果的验证有 待进一步提高，目前的验证方法主要是分析和比较统计数据和估计结果的相关性， 对估计结果在细致尺度上的空间分布估计精度没有很好的评估办法，是尺度转换研 究的难点。 还有，对于现有的多种尺度转换方法，其适应条件的研究相对缺乏，相互之间的 比较也不够充分，因此在实际应用时，对尺度转换方法的选取往往存在一些随意性， 导致对结果的评价难度增加。因此，通过对尺度转换方法的适应条件的比较，建立尺 度转换方法的辅助决策系统，可以极大促进尺度转换在实际中的应用范围。 4 1 4 研究工作与技术路线 1 4 1 研究目的 本研究的主要目的在于：以空问分析为核心，结合国家9 7 3 项目“中国出生缺陷 的遗传和环境可干预性研究”，综合评价点与多边形、面域加权、距离衰减模型、核 心估计法及基于遗传算法和遗传规划的格点内插法等尺度转换方法在将研究区 山西省和顺县人口密度数据从统计单元转换到流域自然带这一过程中的应用效果，找 出最适合于和顺实际情况的社会经济尺度转换方法，为进一步识别出生缺陷的主要影 响因素和有效实施人工干预手段奠定了重要基础，同时也为尺度转换问题提供理论与 方法参考。 1 4 2 研究内容 论文主要研究包括三个方面的内容： ( 1 ) 建立新的尺度转换方法：主要是基于现有尺度转换方法的因素选择和建模复 杂的缺陷，将遗传规划和遗传算法首次引入尺度转换，使之与g i s 技术结合，产生了 新的行之有效的尺度转换方法基于遗传算法和遗传规划的格点内插法。 ( 2 ) 社会经济数据转换实践：主要是从应用层面出发，借鉴和利用多种尺度转换 算法，将研究区的人口密度分布统计数据转换到自然带上。 ( 3 ) 转换方法不确定性研究：主要是在没有真实数据的情况下，结合多种算法计 算自然带尺度上转换最优结果，并计算了该结果的可靠度，以此来进行各种方法的不 确定性评价和分析。 1 4 3 研究技术路线 基于以上的研究目的及研究内容，我们提出了如下的技术路线： 1 5 论文结构 图1 - 1 研究技术路线图 f i g 1 1t e c h n i c a lr o u t eo f t h i ss t u d y 论文一共分为5 章，在第一章中，就是本部分，主要分析本文的研究背景和意义， 总结和评述了国内外的研究进展，简述了本文的研究目的、主要内容、技术路线和论 文结构。 第二章以尺度转换的理论和方法为主要研究内容，首先通过分析空间数据的特点 和自然人文学科研究日益交叉融合的趋势，指出尺度转换问题产生的必然性；接着在 直译的基础上对尺度转换进行了定义，然后从研究和解决尺度问题的实际需要出发， 对尺度转换问题的分类进行了系统论述。除此外，还介绍了尺度转换的理论基础。最 后该章从向上尺度转换和向下尺度转换两个方面分类别详细讨论了各种常用尺度转 换方法。 第三章主要是社会经济数据尺度转换问题的实证研究。包括对研究区和顺县的自 6 然条件和社会经济基本情况介绍；对各种方法的思路及模型的说明；各种方法的实际 应用结果显示。尤其在该章最后，重点地阐述了一种将g i s 和遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) 、遗传规划算法( g e n e t i cp r o g r a m m i n g ) 相结合起来进行社会经济尺度转换 的方法，此方法较好地利用了各种辅助信息，简化了建模过程，改善了估计结果。 第四章则分别验证了这5 种转换方法的转换结果，在此基础上进行了不确定性分 析，并以三维图的形式显示了各种方法的误差值。误差结果显示基于遗传算法和遗传 规划的格点内插法的转换效果最接近评价标准，进一步证实了将遗传算法和遗传规划 引进人口尺度转换中的可行性，为基于遗传算法和遗传规划的格点内插法这一人口尺 度转换全新方法研究提供了有力的支持。 第五章是全文的总结，回顾了论文的主要工作和发现，也指出了论文中存在的一 些待改进的问题，最后给出人口初度转换方法研究的展望。 参考文献： 【1 】鲁学军、周成虎、张洪岩、徐志刚地理空间的尺度结构分析模式探讨地理科学进展 2 0 0 4 ，2 3 ( 2 ) ：1 0 7 1 1 4 【2 】李双成、蔡运龙地理尺度转换若干问题的初步探讨地理研究2 0 0 5 ，2 4 ( 1 ) ：1 1 1 8 【3 】蔡运龙、陆大道、周一星等地理科学的中国进展与国际趋势地理学报2 0 0 4 ，5 9 ( 6 ) ：8 0 3 8 1 0 【4 r o b i n s o nw s e c o l o g i c a lc o r r e l a t i o n sa n dt h eb e h a v i o ro fi n d i v i d u a l s a m e r i c a ns o c i o l o g i c a l r e v i e w 1 9 5 0 。1 5 ：3 5 1 - 3 5 7 【5 o p e n s h a ws t h em o d i f i a b l ea r e a lu n i tp r o b l e m c a t m o g3 8 n o r w i c h ，u k ：g e ob o o k s ，1 9 8 3 6 p h i l l 秘j d b i o g e o m o r p h o l o g ya n dl a n d s c a p ee v o l u t i o n ：t h ep r o b l e mo fs c a l e g e n m o r p h o l o g y 1 9 9 5 。1 3 ：3 3 7 d 4 7 7 p o t e m s o ng d s c a i i n ge c o l o g i c a id y n a m i c s ：s e l f - o r g a n i z a t i o n ，h i e r a r c h i c a l s l r u c c u r e ，a n d e c o l a g i c a lr e s i l i e n c e c l i m a t ec h a n g e 2 0 0 0 ，4 4 ：2 9 1 - 3 0 9 8 s c h u l z er t r a n s c e n d i n gs o a l e s o fs p a c ea n dt i m ei ni m p a c ts t u d i e so fc l i m a t ec h a n g eo n a g r o h y d r o l g i c a lr e s p o n s e s a g r i c i l l t u r e ，e c o s y s t e m sa n de n v i r o n m e n t 2 0 0 0 ，8 2 ：1 8 5 2 1 2 9 v e l d k a m pa ，k o kk d ek o m n go i - i j ，e ta 1 m u l t i - s c a l es y s t e ma p p r o a c h e si na g r o n o m i cr e s e a r c ha t t h el a n d s c a p el e v e l s o f t & t i l l a g er e s e a r c h 2 0 0 1 ，5 8 ：1 2 9 - 1 4 0 【1 0 y u et x ，l i uj xj o t g a n s a ns e ，e ta 1 c h a n g e so f h o l d f i d g el i f ez o n ed i v e r s i t yi na l lo f c h i n ao v e r ah a l f c e n t m y e c e l o g i c a lm o d e l l i n g 2 0 0 1 1 4 4 ：1 5 3 - 1 6 2 【1 1 l 昌一河、傅伯杰生态学中的尺度与尺度转换方法生态学报2 0 0 1 ，2 1 ( 1 2 ) ：2 0 9 6 2 1 0 5 【1 2 】夏军等水文尺度问题水利学报1 9 9 3 ，( 5 ) ：3 2 3 7 【1 3 】吴凡、祝罱瑞基于小波分析的地貌多尺度表达与自动综合武汉大学学报信息科学版 2 0 0 1 ，2 6 ( 2 ) ：1 7 0 1 7 6 【1 4 】刘纪根、蔡国强、樊新良等流域侵蚀产沙模拟研究中的尺度转换方法泥沙研究2 0 0 4 ，( 3 ) ： 6 9 , - , 7 4 【1 5 】李霖、应申空间尺度基础性问题研究武汉大学学报信息科学版2 0 0 5 ，3 0 ( 3 ) ：1 9 9 - 2 0 3 【1 6 】孟斌空间过程因子识别与地理数据尺度转换研究中国科学院研究生院博士学位论文 2 0 0 5 ，8 5 - 9 9 【1 7 】王伟人、孙长学出生缺陷相关危险因素中国优生与遗传杂志2 0 0 5 ，1 3 ( 9 ) ：1 嗡 【l 叼武继磊、王劲峰等出生缺陷环境致残畸因子识别空间探索分析环境与健康杂志2 0 0 4 ，2 1 ( 6 ) ：3 6 6 - 3 6 8 【1 9 】范大一、史培军、事智慧、李小兵行政单元数据向网格单元转化的技术方法2 0 0 4 ，2 4 ( 1 ) ： 1 0 s 一1 0 8 【2 0 】王劲峰，武继磊，孙英君，李连发，孟斌空间信息分析技术地理研究2 0 0 5 ，5 ( 3 ) ：4 6 4 , - 4 7 1 【2 1 】刘纪远、岳天祥、王英安中国人口密度数字模执地理学报2 0 0 3 ，5 8 ( 1 ) ：1 7 2 4 2 2 g a l l e g o j u s i n g l a n d c o v 竹i n f o r m a t i o n t o m a pp o p u l a t i o nd e n s 地 2 0 0 1 h u p y w w w u n e c e 伽曲t a l 鲥o a 哪e 曲汔i m 9 俘s ，2 1 e p d t ： 【2 3 盂斌，王劲峰地理数据尺度转换方法研究进展地理学报2 0 0 5 ，6 0 ( 2 ) ：2 7 7 2 8 8 2 4 t 雪梅、李新、马明国基于遥感和g i s 的人口数据空间化研究进展及案例分析遥感技术 与应用2 0 0 4 ，1 9 ( 5 ) ：3 2 0 3 2 6 8 第二章地理数据尺度转换理论和方法 尺度是地理现象的固有特征，是观测、过程或过程模型在空间或时间方面的基准 尺寸，它囊括过程的离散状态或过程状态间的临界点【l 】。解决在何种尺度内保持空间 过程和空间格局的稳定性以及如何跨越尺度处理等问题，是空间分析对地理学最具有 影响力的贡献之一团。多年来，尺度转换、跨尺度相互作用、空间尺度与时间尺度相 互关联和多空间尺度数据处理等一直是地学研究的重要内容。本论文主要关注和探讨 社会经济属性数据的尺度转换问题。由于自然和人文研究日益综合和3 s 技术快速发 展，多源数据空间尺度转换融合的要求越发紧迫。空间分析理论的发展和逐渐完善以 及计算机技术的不断改进，也为发展和应用尺度转换方法提供了理论基础和技术支 持。 本章着重从空间数据分析的角度，对尺度转换问题的产生、分类定义、相关理论 研究和解决方法等四个方面进行了具体的分析。 2 1 尺度转换问题的产生 在地理科学及许多相关研究领域( 如水文、生态科学) 中，数据来源的一个重要特 点是其来自于观测数据而不是实验数据1 3 1 。这些观测数据一般由计数单元采样而得， 而计数单元的大小又是尺度的指标。因此从数据来源的角度，其尺度特征往往是被预 先决定的嘲。可是在实际研究中，观测问题、研究问题以及最终的应用层次之间往往 存在尺度的不一致性，从而导致尺度转换在地学及相关学科中不可避免1 4 】。实际上， 在观测尺度之上还存在过程尺度，即自然现象发生且无法控制的尺度( 见图图2 - 1 ) 。理 论上，观测尺度、研究尺度和应用尺度应该尽量与过程尺度相吻合；但是受到测量技 术和模拟水平的限制，在实际中往往达不到。所以需要引入尺度转换的概念，弥补这 种缺陷。 引起尺度转换问题的另一个因素在于数据本身。传统上，数据问题是阻碍地理信 息系统广泛应用的“瓶颈”之一。地理信息系统发展之初主要的数据问题是数据来源 渠道少。但是随着技术的进步，获取数据的能力有了极大提高，从非常微小( 1 0 - 9 m ) 到极其巨大( 1 0 1 4 m ) ，人类都有能力获取相关信息嘲。可是正由于数据来源不同，尤其 是这些数据依附的空间单元尺度的不同，使得在实际应用和研究过程中的数据融合成 9 为难题【6 。 图2 - 1 不同尺度及其相互转换( 据b i e r k e n s 等，2 0 0 0 ，有修改) f 喀2 - 1s c a l e sa n ds c a l i n gb e t w e e nd i f f e r e n ts c a l e s 另外，自然人文不同学科间不断交叉融合的趋势也加强了尺度转换问题研究的迫 切性。例如，在人口学研究中，各地人口数据可以通过调查、统计得到。但在进行人 口变化与空间要素关联分析时，必须进行数据转换，而地球生态环境以及人口相关统 计数据通常具有不同形状和尺度的地理空间单元，同样也需要利用空间尺度转换技术 s q o l 。 2 2 尺度转换定义及分类 2 2 1 尺度转换定义 尺度转换是利用某一尺度上所获得的信息和知识来推测其他尺度上的现象，既可 以是向上尺度转换，也可以是向下尺度转换。目前国内对“尺度转换”的中文表达多 种多样，难以统一，如有的用“尺度上推”和“尺度下推”来分别表示向上和向下的 尺度转换过程，有的又称之为“尺度推绎”。本小节根据王劲峰等对尺度转换的定义， 在对单词直译的基础上统一将较小尺度观测结果获得较大尺度信息的向上尺度转换 过程称为尺度扩展；而把大尺度上的信息分解到更小的尺度向下尺度转换的过程称为 尺度收缩( 表2 - 1 ) i 】。 l o 表2 - l 常用关于空间尺度转换的表述( 王劲峰等2 0 0 5 ) 英文表述其他中文翻译具体含义 尺度 u p s c a l i n g 向上尺度转换从较小尺度( 空间) 观测中获得较大尺度( 空间) 上信息的 扩展 s c a l i n g - u p 尺度上推过程：是将信息从精确的尺度( 高分辨率) 向模糊的尺度转 t o p - d o w n 换的过程 尺度 d o w n s c a l i n g 向下尺度转换从较大尺度( 空间) 的信息分解到更小的尺度( 空间) 上的 收缩 s c a l i n g - d o w n 尺度下推过程；是将信息从模糊的尺度向精确的尺度转换的过程 b o t t o m - d o w n 尺度和尺度转换是地学中两个重要概念，彼此间是相互联系而又有所区别的。尺 度是自然过程或观测研究在空间、时间或时空域上的特征量度。而尺度转换是不同时 间和空间层次上过程联结的概念。两者的区别在于尺度仅是格局或过程的时空量级表 征，虽包含着范围的涵义，但却是静态的概念