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彭懿中山大学硕士学位论文空间数据尺度转换和尺度效应研究 空间数据尺度转换和尺度效应研究 专业：地图学与地理信息系统 硕士生：彭懿 指导老师：张新长教授 中文摘要 越来越多的研究者关注尺度效应在其研究领域的重要性。大量研究证实，地 理学研究对象格局与过程及其时空特征均是尺度依存的，也就是说，这些对象表 现出来的特质是具有时间和空间抑或时空尺度特征的。因而，只有在连续的尺度 序列上对其考察和研究，才能把握它们的内在规律。而在一个特定的时段，由于 科学认知水平、财力、时间和精力等方面的限制，很多研究只能在离散或单一的 尺度上进行。尺度大小的选择、向下或向上转换是研究过程不可或缺的一个环节。 本文首先对一些有关尺度转换的议题进行了探讨。在评述了尺度及其转换研 究的地理学意义后，论述了尺度转换的概念，总结了空间数据尺度转换的一般理 论，并对尺度转换的方法进行了比较研究。 从不同的空间尺度研究土地利用空间数据对土地利用景观格局的表达，有利 于从不同的层次，认识土地利用与覆盖变化的机理与过程。本文选择改革开放的 前沿城市广州市作为研究对象，在土地利用详查数据和遥感、地理信息系统的支 持下，探讨土地利用空间数据转换过程中的尺度效应。主要结论如下： ( 1 ) 在空间粒度增大过程中，中心值原则下生成的栅格数据相对误差很小， 所有景观类型基本保持了原有的面积，只有极个别的面积误差较大。通过建立线 性回归模型发现：各地类的决定系数有高有低，悬殊较大，表现出较强的随机性。 ( 2 ) 土地利用景观格局具有尺度效应。无论是景观类型水平还是整个景观 水平，都具有尺度效应。各景观指数随研究粒度和幅度的变化呈现规律性的变化。 依据原始矢量数据尺度转换后计算得出的土地利用景观格局指数，可以在一定程 度上揭示精度损失变化特征的规律和成因。 最后，对全文进行了总结，并展望了需要进一步研究的方向。 关键词：空间数据，尺度转换，尺度效应，精度损失 彭t 中山大学硕士学位论文空问致据尺度转换和尺度效应研究 s t u d y o ns c a l i n ga n ds c a l ee f f e c t o f s p a t i a ld a t a m a j o r ：g i s a u t h o r ：p e n gy i s u p e r v i s o r ：p r o f x i n c h a n gz h a n g a b s t r a c t m a n y s c a l ed e p e n d e n tp h e n o m e n ah a v eb e e ne x e m p l i f i e di ns c i e n t i f i cr e s e a r c h e s ， a n ds c a l oi s s u e s 撒f o u n da tt h ec e n t e ro f m e t h o d o l o g i c a ld i s c u s s i o n si nb o l hp h y s i c a l a n dh m n a ng e o g r a p h y t h ep a t t e r n , p r o c e s sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i p sa f u n d a m e n t a l i s s u e si ng e o g r a p h y p a u e m sa n dp r o c e s s e si nn a t u r e , s u c ha se c o s y s t e md i s t r i b u t i o n , r e g i o n a lc l i m a t i cc h a n g e s , l a n du s ea n dl a n dc o v e i , a n dr a i n f a l lo rn m o f fs e r i e s , d i s p l a yc o m p l e xb e h a v i o ra n do f t e ni n t e r t w i n e1 而ms c a l ep r o b l e m s s c a l ei s s u eo f s p a t i a ld a t ai su n d o u b t e d l yo b co f t h em o s tf u n d a m e n t a la s p e c t so f m a n yr e s e a r c h e s f i r s t l y , t h er e l e v a n tr e s e a r c h e sa n dl i t e r a t u r e so t ls c a l i n ga r cr e v i e w e d i nt h i s p a p e r , t h em e a n i n g so fs c a l ea n ds c a l i n g 呲d i s c u s s e di nd e t a i la n dt h e ng e n e r a l t e c h n i q u e sa n dt h e o r i e so f m u l t i $ c a l o 仃a m s f o r m a t i o ai ng e o - s c i e n c e 撒s u m m a d z e d t h et h e s i si n s p e c t st h ek e yc o n c e p t si ns c i e n c e so f s c a l ea n dc o m p a r e st h em e t h o d st o s o l v et h ep r o b l e m so f s c a l i n gi nd i f f e r e n tf i e l d s a f t e ri n t r o d u c i n gs c a l i n ga p p r o a c h e s ， u ps c a l i n ga n dd o w n s c a l i n g , i ng e o g r a p h y , t h et h e s i sf i n d st h a tt h ec h o o s i n go f s u i t a b l em e t h o d si ns c a l i n gw i t hg e o - d a t ai sac h a l l e n g ei n t h ef u t u r e r e s e a r c h i n gt h el a n d s 硼p ep a t t e r no f t h ed i f f e r e n tl a n du s ei nt h ed i f f e r e n ts p a t i a l s c a l ei sh e l p f u lt ok n o wt h em e c h a n i s m sa n dp r o c e s s e so ft h el a n d - u s e l a n d - c o v e r c h a n g ea tv a r i o u sl e v e l s s e l e c t i n gg u a n g z h o uc i t ya ss t u d ya e a , b a s e do nt h el a n d u s es u r v e yd a t a , r sa n dg i s ，t h i sp a p e rt r i e st od i s c u s st h es c a l ee f f e c to fl a n du s e s p a t i a ld a t ai n t h es c a l i n g t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ei n f e r r e d ： ( 1 ) t h ee r r o ro ft h ed i f f e r e n tl a n du t y p e sf r o mr a s t e rd a t a 谢l l lt h er u l eo f c e n t r i cc e l lr a n d o m l yd i s t r i b u t e sw h e ns p a t i a lg r a i ni n c r e a s e s a l lt h el a n d s c a p et y p e s k e e po r i g i n a lm c a se x c e p tv e r yv i e wo n e s t h ea r e 8a c c u r a c yl o s so f a l lt y p e so f l a n d h 彭懿中山夫学硕士学位论文 宅圆数据尺度转换和尺度效应研究 1 1 s eh a s h te t l o r ec o r r e l a t i v i t yw i t ht h eg r i ds i z e ( 2 ) t h el a n du s el a n d s c a p ep a t t e r nh a ss p a t i a ls c a l i n ge f f e c t s n om a t t e r l a n d s c a p e - l e v e lo rc l a s s - l e v e li n d e x t h el a n d s c a p e i n d e x e sa r ec h a n g e dw i t h v a r i a t i o no ft h eg r a i na n de x t e n t t h el a n d s c a p ei n d i c e s , c a l c u l a t e df r o mt h eo r i g i n a l v e c t o rd a t a , c a ni n d i c a t et h el a wo f t h ec h a n g eo f t h ea r e aa c c u r a c yl o s s f i n a l l y , t h et h e s i s s u m m a r i z e st h ew h o l ed i s s e r t a t i o na n dp r o s p e c t st h e o r i e n t a t i o nf o rf a r t h e rr e s e a r c h e s k e yw o r d s ：s p a t i a ld a t a , s c a l i n g , s c a l ee f f e c t ，a c c u r a c yl o s s i i i 彭羹中山大学硕士学位论文空间数据尺度转换和尺度效应研究 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 空间( s p a c e ) 是地理学研究中的核心概念，对空间数据的研究，是地理学最 重要的特点之一空间数据是指用来表示空问实体的位置、形状、大小及其分布 特征诸多方面信息的数据。尺度是对地理现象观察、度量的标准之一，是空间数 据采集、建模和分析的重要依据。作为所有空间数据的共同特征，尺度是空间信 息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 】。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问和空间抑或时 空尺度特征【2 】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由于地理信息科学对计算单元的严格要 求，美国的c = | 0 0 d c h i l d 教授认为尺度是地理信息科学中最重要的问题之一，甚至 提出。尺度科学( s c i e n c eo fs c a l e ) ”的概念【3 】 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 彭菇中山大学硕士学位论文空间数据尺度转换和尺度效应研究 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 1 。1 9 8 3 年 0 p e n s h a w 提出的可变面元( m o d i f i a b l ea r e a lu n i tp r o b l e m ) ( m a u p ) 问题现已 成为尺度研究的代表问趔5 】：为了确定地质变化和植被动态之间的相互作用， j d p h i l l i p s 提出了4 种尺度指标【6 1 ；为了解决全球变化影响的跨尺度问题， g d e t e r n s o n 引入了等级理论【7 1 ；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【8 l ；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【9 l 。在国内，孙庆先、方涛等总结了地球科学领域尺度转换的 一般理论、方法，提出了空间数据挖掘中的尺度转换问题【i o 】；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【i 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 】；吴凡等讨论 了地貌形态的多尺度表达的方法【l3 】；刘纪根等研究了土壤侵蚀模型中的尺度转 换问题【l4 】。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”【”。 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 l s 应用每个 方面的：尺度认知问题，空间数据的优化表达、综合和信息交流【1 5 】，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旌( s p a t i a ld a t ai n f r a s t 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间数据框架建设【。 2 彭t 中山大学硕士学位论文宅间数据尺度转换和尺度效应研究 1 1 2 研究意义 尺度研究的根本目的在于通过适宜的空间和时间尺度来揭示和把握复杂的 生态地理变化规律土地利用是生态地理学的分支，生态地理中有关尺度的概述 同样适用于土地利用，尺度在土地利用中可以说是现实、观测及研究土地利用的 时间或空间单位【1 7 i 通过对土地利用尺度转换问题的研究将有助于实施利用模 式在不同尺度间的转换和促进深刻认识不同尺度下土地利用与覆被变化的机理 与过程 在当今数字化、数字地球正向我们走来的时代，越来越需要运用地理信息系 统进行空间数据的分析，栅格形式的g i s 数据在空间叠加、空间相关和空间模 拟等空间分析方面操作方便，表现出很强的优势，特别是在计算景观指数，分析 景观格局特征时，常用的景观格局分析程序多需要栅格数据为数据源，因而通常 需要把矢量数据转化成栅格数据【i s l 。由于不同的应用目的，所选取的尺度不同， 在这种转化过程中，所用栅格的大小是不同的，这就导致信息损失的程度也不一 样，因此尺度分析的研究势在必行f 1 9 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 有关尺度转换的研究进展 尺度转换( s e a l i n g ) 是将数据或信息从一个尺度转换到另一个尺度的过程 尺度转换可以是向上尺度转换( u p - s e a l i n g ) ，也可以是向下尺度转换 ( d o w n s e a l i n g ) 。向上尺度转换也称尺度扩张或尺度上推，是从较小尺度观测中 获得较大尺度上信息的过程，而向下尺度转换又称尺度收缩或尺度下推，则是将 大尺度上的信息分解到更小尺度上的过程( j a r v i s ，1 9 9 5 ) 【2 0 j 尺度缩小难度大， 而且正确程度很低，所以一般用尺度扩张。 尺度转换最早开始于海岸线的长度表达问题，不同尺度的基本度量单位将作 出不同长度的测量结果2 0 世纪7 0 年代中期，- l a n d e l b r o t 创建了分形几何，为 彭懿中山大学硕士学位论文宅问数据尺度转换和尺度效应研究 尺度转换提供了一个数学手段。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【2 l 】。尺度分析常用的方法是网格分析法 ( o ，n e i l l1 9 9 6 ) 圈。布仁仓在网格分析的理论基础上，发展了一种矢量分析 ( v e c t o ra n a l y s i s ) 方法，在矢量化地理信息系统的支持下，分别用不同的度量 精度( 尺度) 来分析景观斑块边界的变化过程【2 3 1 。这种方法既可保障廊道的连通 性，又能最大程度上保障斑块之间的空间相邻关系。h e l m u tm a y e r 探讨了多尺 度、多级抽象下的线型特征提取，并详细分析了高速公路的细微结构随尺度而变 化的情况 刎。h o w a r dv e r e g i n 对于线型地物随尺度变化所引起的误差问题进行 了研究【2 5 】。吴凡利用小波分析提出了线状特征空间数据的多尺度一致性无级表 达模型，动态地实现了线状特征空间数据的无级表达 2 6 1 。布仁仓，李秀珍，胡 远满等则从景观指数的角度入手，分析景观格局指标在尺度转换中的变化特征 【2 7 l 。 在信息技术蓬勃发展的今天，遥感、地理信息系统和数学模型等研究手段己 经成为尺度变化分析过程中的重要工具。不同遥感测量方式获取的数据及地面测 量数据在尺度上存在不一致性，因此在应用不同尺度的遥感数据时，尺度转换显 得格外重要。不同分辨率的遥感影像，如l o m 分辨率的s p o t ，3 0 m 分辨率的 l a n d s a tt m 和lk m 分辨率的n o a a a v h r r ，就是不同尺度的遥感影像数据对地物 不同综合程度的影像反映。对于不同的应用目的，所要求的精度不同，所选取的 影像尺度和所用信息提取的方法也不相同( 杨存建，刘纪元，张增祥等，2 0 0 1 ) 【i “。 m t m i l n e 根据分形的自相似性建立了针对m o d i s 数据的尺度转换方法【2 s 】； k m k o n a r s k a 等通过比较n o a h a v h r r 和l a n d s a tt m 数据集的分析结果，提出 了空间尺度对生态系统服务功能评价影响的分析方法【2 9 】；刘悦翠，樊良新( 2 0 0 4 ) 以我国内蒙东北部同时相的3 种空间分辨率i k m ，4 k m ，8 k m 的n o 从a v h r r 数据 为数据源，比较了三种空间分辨率的土地覆盖类型斑块在栅格频度( 面积) 上、形 状上以及分割的破碎程度上所表达的信息差异【划；彭晓鹃，邓孺孺等论述了基 于像元和基于对象的遥感尺度转换的研究进展，并对各种尺度转换方法的转换效 果进行了分析 3 1 】。 4 彭t 中山大学硕士学位论文 卒同数据尺度转换和尺度效应研究 1 2 2 有关尺度效应的研究进展 自二十世纪八十年代中期以来，尺度效应问题在地理学、遥感和生态学上都 有研究尺度分析( s c a l ea n a l y s i s ) 和尺度效应( s c a l ee f f e c t ) 研究对于认识景 观格局分析时的尺度效应问题和空间异质性的多尺度本质有重要意义。2 0 世纪 9 0 年代以来，多尺度问题被称为生态学和地理学的新前缘，受到生态地理学界 的高度重视为此，美国环境保护局建立了多尺度实验生态系统研究中心 o v i e e r c ) ，尺度转换问题也在研究中得到重视，理论研究也得到相应发展。 在地理学，尺度效应问题早已得到广泛关注。二十世纪五十年代，m c c a r t h y 等( 1 9 5 6 ) 就认识到：“在地理研究中，不能期望在某一尺度上的研究得出的结论 能适用于其他尺度上，尺度的每一个变化都会引出新的问题，没有理由假设在某 一尺度上的关联在其他尺度上仍然存在”二十世纪八十年代，地理学家进一步 认识到了尺度问题的重要性，o p e n s h a w 在前人工作的基础上，系统研究了地理 学中的尺度效应问题，提出了著名的“可变面元问题( m o d i f i a b l ea r e a lu n i t p r o b l e m ，m a u p ) ”，即存在许多不同的方式将地理研究区划分为互不重叠的面元 以进行空间分析，成为空间尺度效应分析的经典理论嘲。 在生态学中，早在二十世纪五十年代，r o b i n s o n ( 1 9 5 0 ) 就提出了“生态谬 论( e c o l o g i c a lf a l l a c y ) ”的概念以解释聚集关系到个体关系的统计推理中的误 差问题【4 】。此后，尺度问题成为生态学中的一个主要研究方向。q ia n dw u ( 1 9 9 6 ) 利用空间白相关指数研究了尺度变化对景观结构分析结果的影响，其结果表明， 随着分析尺度的变化，空问自相关指数也随着变化1 3 2 1 轧a n dg a n 等( 1 9 9 7 ) 分 析了景观数据统计分析结果随空间尺度的变化【3 3 1 。周红章等0 0 0 0 ) 研究了生物多 样性的变化格局与时空尺度的关系【卅 在水文，气象等学科中，尺度问题也被作为一个核心问题受到重视，提出了 “代表单元尺度”的概念，特别是在结合遥感信息进行水文学参数尺度转换的方 法研究方面取得了很大进展。 研究尺度效应需要解答的问题主要在于：( 1 ) 在哪种尺度上，可以正确的表 达特定的地理现象? ( 2 ) 如何有效的将数据和信息从一种尺度转换为另一种尺 度? ( m a r c e a u ，h a y ，1 9 9 9 ) 1 3 5 ( 3 ) 原始数据和信息经过尺度转换后，会出现何种 5 彭懿中山大学硕士学位论文窀问数据尺度转换和尺度效应研究 信息的损失或效应? 即不同尺度的数据反映相同的地物和现象时的差异如何( 刘 明亮等，2 0 0 1 ) 【3 6 1 。 针对这些问题，学者们做了大量的工作。h o w a r d ( 2 0 0 0 ) 对于线型地物随尺 度变化所引起的误差问题进行了研究翊。r h g a r d n e r 等提出了实验生态学的多 尺度分析理论 3 8 1 。g d p e t e r n s o n 引入了等级理论解决全球变化影响的跨尺度问 题1 3 9 l 。0 n e i l l 等( 1 9 8 6 ) 将等级理论( h i e r a r c h yt h e o r y ) 作为生态学中联系空间 尺度和信息的理论框架【竭。根据这个理论，景观被理解为一个具有连续层次组 织结构的集聚实体。在景观生态学中，结合斑块动力学理论和层次理论，发展了 层次斑块动力学理论( h i e r a r c h i c a lp a t c hd y n a m i c sp a r a d i g m ，h p d p ) ( w ua n d l e v i n ，1 9 9 8 ) 删，提供了一个研究时空异质性、尺度和层次组织如何影响生态 系统结构和动态的理论框架。赵文武，傅伯杰，陈利顶( 2 0 0 3 ) 则研究了不同比例 尺下，景观指数的尺度效应【4 l i 。刘明亮，唐先明，刘纪元等( 2 0 0 1 ) 研究了类型 数据空间尺度转换过程中的面积误差分布特征，并探讨了地貌特征对这种尺度效 应的影响，结果表明：地理空间数据具有尺度效应，在不同的空间尺度上，地理 实体所表现的特性不一样【3 6 】。地理数据尺度变化必然引起数据空间、属性的相 应变化。黄秋华，张新长等( 2 0 0 7 ) 对土地利用数据在不同空间尺度下的精度损失 进行了研究 4 2 1 。 人们早在二十世纪三十年代就已经对自然现象和过程存在尺度性有所认识， 但是对尺度性的科学研究是近年来的事情。目前已经发展起来的处理尺度转换的 方法十分丰富，但这些方法无一不是通过其特定的假设前提来简化研究对象的复 杂性。这种做法虽然简化了转换过程，但往往与尺度问题的时空复杂性相矛盾， 此问题已经发展成尺度研究中最大难题之一。随着地理信息科学的发展和对空间 过程机理认识水平的提高，发展符合空间数据特点的尺度转换方法具有广泛前 景。 6 彭t 中山大学硕士学位论文窀间数据尺度转换和尺度效应研究 1 3 研究内容和研究方法 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 空问数据尺度转换的理论和方法研究：分析了尺度转换问题产生的原 因，论述了尺度转换的概念，总结了空间数据尺度转换的一般理论，并对尺度转 换的方法进行了比较研究 ( 2 ) 空间数据尺度转换中的精度损失分析：本文在地理信息系统的支持下， 利用中心值矢栅转换原则对土地利用空间数据进行尺度转换，并对土地利用类型 的精度损失特征进行了分析 ( 3 ) 空间数据尺度转换的尺度效应研究：运用景观格局分析软件分析了不 同粒度和幅度下景观指数响应特征，探讨粒度和幅度变化对景观格局指数的影 响，从而为选择适宜粒度进行景观指数的计算和尺度转换提供理论依据。 1 3 2 研究方法 本文采用地理信息系统、数理统计分析、景观格局定量分析方法与文献调查、 理论分析的定性分析方法相结合的方式去分析土地利用空间数据在尺度转换中 的尺度效应 中心值矢栅转换原则是利用a r c v i e w 的g r i d 模块下的c o n v e r tt og r i d 命 令，将土地利用现状图栅格化，每个栅格的取值为该栅格中心点的地类代码值 对矢量数据的景观指数的计算是在a r c v i e w 3 3 及其空间分析扩展模块 s p a t i a la n a l y s i s 2 0 、g e o p r o c e s s i n gw a r z i d 支持下由斑块分析软件p a t c h a n a l y s t 3 1 计算得出栅格数据的景观指数计算采用景观格局分析软件 f r a g s t a t s 3 3 具体技术路线如下图所示： 7 彭懿中山大学硕士学位论文宅间数据尺度转换和尺度效应研究 1 4 数据来源 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 ft h i ss t u d y 研究区为广州市，所使用的数据为“国家自然科学基金”项目“基于g i s 技 术的城市土地利用时空结构演变分析模型研究以广州市土地利用土地覆被 变化为例( 4 0 4 7 1 1 0 6 ) ”的广州市2 0 0 0 年度比例尺为1 ：1 0 0 0 0 0 的土地利用数据。 土地利用数据的原始信息源为广州市2 0 0 0 年的l a n d s a t t m 遥感影像，空间分辨率 3 0 r e x 3 0 m ，经过了辐射纠正、几何纠正及r g b 假彩色合成，参照l ：1 0 万地形 图数据，以土地的用途、利用方式和覆盖特征为主要分类依据，对遥感影像进行 彭t 中山大学硕士学位论文宅同数据尺度转换和尺度效应研究 目视判读解译，得到广州市2 0 0 0 年土地利用矢量数据，数据存储a r c m f o - c o v e r a g e 格式，采用a l b e r s 等积圆锥投影 表1 1 数据源 t a b 1 1d a t as o u r c e 类型数据源 栅格数据l a n d s 砒e t m 图像( 2 0 0 0 年9 月1 4 日) 矢量数据l ：1 0 0 0 0 0 土地利用现状图( 2 0 0 0 年) ( 1 ) 广州市土地利用现状调查数字化成果标准书；( 2 ) 广州市城乡地籍数据库建库标准；( 3 ) l ：l 万广东省 文档数据 土地利用现状图接图表：( 4 ) 全国土地分类( 试行) ； ( 5 ) 广州代码符合对照表；( 6 ) 广州市土地利用变更 调查数据( 1 9 9 6 - - 2 0 0 3 年) 1 5 研究区概况 1 5 1 地理位置 广州市是广东省省会，广东省政治、经济、科技、教育和文化的中心。广州 位于广东省中南部，珠江三角洲北部，介于东经1 1 2 5 7 1 1 4 0 3 ，北纬2 2 。2 6 2 2 。5 6 之间，珠江横穿市区经虎门入海东连惠州市博罗、龙门两县， 西邻佛山市三水、南海和顺德三区，北靠清远市市区和佛冈县及韶关市新丰县， 南接东莞市和中山市，隔海与香港、澳门特别行政区相望。由于珠江口岛屿众多， 水道密布，有虎门、横门、磨刀门等水道出海，使广州成为中国远洋航运的优良 海港和珠江流域的进出口岸。广州也是京广、广深、广茂和广梅汕铁路的交汇点 和华南民用航空交通中心，与全国各地的联系极为密切。因此，广州有中国“南 大门”之称 9 彭懿中山大学硕士学位论文宅间数据尺度转换和尺度效应研究 图l 屹广州市在广东省的地理位置圈 f i g 1 - 2t h el o c a t i o no fg u a n g z h o uc i t yi ng u a n g d o n gp r o v i n c e 1 5 2 t t 然概况 广州地势自北向南降低，最高峰为北部从化市与龙门县交界处的南昆山天堂 顶，海拔为1 2 1 0 米。东北部为中低山区，中部为丘陵盆地，南部是珠江三角洲 冲积平原。 广州地处南亚热带，属南亚热带典型的季风海洋气候。由于背山面海，海洋 性气候特别显著，具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候 特征。由于水热同期，极利于作物的生长，但自然灾害威胁也较大。 广州光热资源充足，年平均日照时数为1 8 7 5 1 小时1 9 5 9 9 小时，年太阳 总辐射量1 0 5 3 千卡平方厘米1 0 9 8 千卡平方厘米，年平均气温为2 1 4 2 1 8 ，日均气温都在o 以上。无霜期北部2 9 0 天，南部3 4 6 天。 广州雨量充沛，年降水量为1 6 8 9 3 毫米1 8 7 6 5 毫米，雨季( ( 4 月9 月) 降水量占全年的8 5 左右；因受地形影响，山区多于平原，北部多于南部。同时， 雨季与强光和高热同期，形成了相当高的气候生物潜力( 光温水潜力) ，达7 7 8 6 5 千克公顷9 7 9 5 0 千克公顷。 i o 彭t 中山大学硕士学位论文宅同数据尺度转换和尺度效应研究 冬夏季风的交替是广州季风气候突出的特征冬季的偏北风因极地大陆气团 向南伸展而形成，干燥寒冷。夏季偏南风因热带海洋气团向北扩张所形成，温暖 潮湿，夏季风转换为冬季风一般在9 月份，而冬季风转换为夏季风在4 月份。 广州本地水资源较少，人均占有量不高。全市水域面积7 4 4 万h m 2 ，占全市 土地面积的l 喁。从化温泉一带有丰富的地下水，水温5 0 - 7 0 1 2 ，含丰富的矿 物质。广州市主要流经河流有增江、流溪河，东江流经本市汇合珠江入海。本地 水资源总量8 1 2 9 亿立方米，可开发利用的水电资源4 0 9 万千瓦以常年河川 径流量计，每平方公里有1 0 8 2 万立方米，人均1 3 7 5 立方米( 2 0 0 2 年人口数) 与广东全省平均相比，每平方公里占有量多6 3 万立方米，人均指标少1 8 0 8 立 方米。 广州市地处南方丰水区，属珠江水系河口区范围，过境水资源相对丰富，总 量1 2 4 5 亿立方米为本地水资源的1 5 倍其中，东江北干流经增城市境内2 0 4 亿立方米：北江经芦苞、西南两闸和平洲水道、大石涌等流入广州水道3 0 0 亿立 方米；西江、北江分别经思贤滔、甘竹滩和东海水道调节后流入番禺河网水道 7 4 1 亿立方米 广州市的自然条件为多种生物栖息繁衍和作物种植提供良好的生态环境。生 物种类繁多，生长快速，植物种类达数千种。地带性植被为南亚热带季风常绿阔 叶林，但天然林己极少，山地丘陵的森林都是次生林和人工林。经济作物以蔬菜、 水果、花卉等为主，具有热带向亚热带过渡的鲜明特征广州是。水果之乡”， 是全国果树资源最丰富的地区之一，包括热带、亚热带和温带3 大类、4 0 科、 7 7 属、1 3 2 种和变种共5 0 0 余个品种 1 5 3 社会经济概况 2 0 0 4 年末，广州行政区划为“十区两市”，即越秀区、东山区、海珠区、荔 湾区、天河区、自云区、黄埔区、芳村区、番禺区、花都区l o 个区，增城市和 从化市。全市总人口7 3 7 6 7 万人，其中常住户口人数7 1 7 1 3 万人，人口自然 增长率3 8 2 2 0 0 4 年全市生产总值( g d p ) 突破4 0 0 0 亿元大关，达4 11 5 8 1 亿 元，比1 9 9 9 年翻一番，比上年增长1 5 假，连续两年增长1 5 以上。其中，第一 彭懿中山大学硕士学位论文 窄间数据尺度转换和尺度效应研究 产业增加值1 1 5 5 0 亿元，增长5 4 ；第二产业增加值1 8 1 7 7 1 亿元，增长：1 7 2 ： 第三产业增加值2 1 8 2 6 0 亿元，增长1 3 8 。从横向对比看，广州经济总量在全 国主要大城市中稳居前列。人均g d p5 6 3 万元，全年完成社会固定资产投资 1 3 2 1 9 6 亿元，增长1 2 5 。城市居民家庭人均可支配收入1 6 8 8 4 元，农村居 民人均纯收入6 6 2 5 元。产业结构继续向“二、三”产业并重，并不断调整优化， 第一、二、三产业比例从1 9 4 9 年的2 7 3 7 ：3 3 0 2 ：3 9 6 1 ，发展到1 9 7 8 年的 1 1 6 7 ：5 9 5 8 ：2 9 7 4 ，再到1 9 9 8 年的4 8 3 ：4 4 8 7 ：5 0 3 0 ，2 0 0 2 的3 4 4 ： 4 0 8 8 ：5 5 6 8 ，2 0 0 4 年的2 8 1 ：4 4 1 6 ：5 3 0 3 ，各产业效益不断提高。同时， 枢纽型、功能性、网络化的现代化城市基础设施加快推进，社会经济发展的承载 力增强。2 0 0 4 年末，全市完成城市建设固定资产投资1 9 7 3 2 亿元，完成广州 新白云机场、广州大学城一期、南沙港一期、南洲水厂等重点工程投资建设，城 市道路总长度达4 7 9 0 k m ，道路总面积7 5 万k m z 。城乡居民居住条件和环境不断 改善，城镇居民和农村人均居住面积分别达1 8 1 8 一和3 6 5 9 m 2 。 从上述经济指标可以看出，广州市城市化和工业化已经达到较高水平，而且 正处于快速发展中，但广州市城市经济发展的重心和经济总量还主要集中在市 区，在市区以外，还存在着大量的农业景观类型，许多地区正处于城市化的快速 转型时期，土地利用景观变化迅速，为城市景观生态和土地利用变化研究提供了 有意义的研究对象。 彭t 中山大学硬士学位论文空闻数据尺度转换和尺度效应研究 第2 章空间数据尺度转换理论和方法 尺度是空间数据的重要特征，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【2 ”。不同尺度内的空 问信息密度有很大的差异。尺度变化在空间数据中表现为空间范围、粒度的可变 性、空间模式的变化、属性内容的可归并与可抽象综合性。也就是空间数据内容 表达的规律性、相关性及其自身规则，由相同的数据源形成与再现不同尺度规律 的数据。尺度变化是空间数据从一个尺度变化到另一个尺度的过程。包括数据变 化、认知变化和表达变化。这种变化具有尺度依赖性、尺度的可变性，是尺度问 题研究的主要内容之一，其基础是空间认知、多尺度建模与多尺度表达等的理 论。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- - 旧多年来，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脚】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嗍。 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 彭菇中山大学硕士学位论文宅问数据尺度转换和尺度效应研究 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 1 1 1 ) ，人类都有能力获取相关信息。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为难题1 4 7 4 s 1 。 图2 一l 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 i g 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e 4 9 - 5 。 彭t 中山大学硕士学位论文 空问数据尺度转换和尺度效应研究 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 一1 ) 【卦 表2 - 1 常用关于空间尺度转换的表述( 壬劲峰等2 0 0 5 ) t a b 2 - id i f f e r e n te x p r e s s i o n so fs c a l i n g 研究尺度问题，需要辨识尺度( s c a l e ) 与尺度转换( s c a l i n g ) 之问的联系 与差异尺度是自然过程抑或观测研究在空间、时间抑或时空域上的特征量度 而尺度转换( 又称标度化或尺度推绎) 是不同时间和空问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；尺度转换蕴含着变化，是格局空间分布的改变，是过程的时 问改变，是两者敏感性的改变如果说自然格局分布与变化过程和人类观测研究 都具有尺度特性的话，则尺度转换则仅是人类为识别客体对象的整体特征而采用 的一种研究范式。这种范式超越了在某一层次上对客体特性进行的聚集或解聚过 程，是对系统行为( 格局与过程) 的一种整体把握【5 2 】。 1 5 彭懿中山大学硕士学位论文空间数据尺度转换和尺度效应研究 2 2 2 尺度转换方法的分类 尺度转换是信息在不同层次水平上的变化。赵文武等认为目前在地学领域对 尺度转换的分类一般有3 种5 3 】。按照尺度转换的方向不同分为尺度上推 ( u p