生态地理建模中的多尺度问题_岳天祥.pdf

第 23卷 第 3 期 2003 年 5月 第 四 纪 研 究 QUATERNARY SCIENCES Vol 23 No 3 May 2003 生态地理建模中的多尺度问题 岳天祥 刘纪远 中国科学院地理科学与资源研究所 100101 北京 摘要 本文在分析生态地理建模内涵的基础上 讨论了生态地理建模中的尺度转换问题 跨尺度相互作用问题 空间尺度与时间尺度的关联问题和多尺度数据处理问题 由于生态地 理问题的非线性 生态环境的异质性和随机事件 简单的线性尺度转换方法远不能满足生态 地理建模的要求 为了从根本上解决生态地理建模中的时空尺度问题 除需要运用微分几何 学和等级理论等经典方法外 还需要引入格点生成法和网格计算等现代理论和技术手段 主题词 生态地理建模 时空尺度 格点生成 网格计算 系统模拟 1 引言 生态地理建模 ecogeographical modeling 是对各种时空尺度的生态系统结构 空间格局 和过程的定量描述 它的直接目标是定量描述和分析分类单元 taxa 的空间格局和过程 它的最终目标是模拟生态系统及其服务功能的空间演化规律 1 生态地理分类是生态地理建模的首要工作 已有很长的研究历史 2 例如 Humboldt 1907 关于气候与物种分布关系的描述 Schouw 1823 对植物区系和植被类型分布与各种 气候因素相互关系的探讨 Griesbach 1872 关于植物全球分布的描述 Merriam 1892 提出 的基于温度的北美植物区系和动物区系的地带分布 Koeppen 和 Geiger 1930 提出的气候 分类系统 在Koeppen 方法的基础上 Thornthwaite 1931 提出的侧重植物 土壤和流域特征 的气候分类 为了改进前人分类的缺陷 Holdridge 1947 提出了 Holdridge 生命地带模型 根据年平均生物温度 年平均总降雨量和潜在土壤水分蒸发蒸腾损失率 将全球划分为 100 多个生命地带 我国在生态地理分类方面也做了许多工作 例如 中国综合自然区划根据温度 干 湿度和地形将中国划分为 12 个温度带和 4类干湿区 3 4 中国综合农业区划将我国划分 为10 个一级农业区和 38个二级农业区 5 为了使 Holdridge 生命地带模型更适合中国的 实际情况 张新时 6 对其进行了修正 并将其应用于中国潜在净第一性生产力的估算 中 国生态区划方案 将我国划分为3 个生态大区 13 个生态地区和 57个生态区 7 中国生态 环境胁迫过程区划根据人类活动对自然资源和生态环境构成的压力 将中国划分为两个 一级区 10 个二级区和29 个三级区 8 中国土地覆盖分类首先根据气候数据将中国划分 第一作者简介 岳天祥 男 39 岁 研究员 资源环境模型与系统模拟专业 E mail yue lreis ac cn 国家 973 项目 批准号 2002CB412500 和国家自然科学重点基金项目 批准号 90202002 资助 2003 01 26 收稿 2003 02 12收修改稿 为9 个生物气候区 并在集成AVHRR卫星遥感影像与自然地理数据集的基础上对每个生 物气候区进行了土地覆盖分类1 在完成生态地理分类之后 生态系统边界的变化探测 detection of boundary change 是 生态地理建模的最重要步骤 边界变化探测包括遥感 统计分析和数值模拟 3种方法 9 遥感方法包括 Sobel 算子 Laplace 算子 Hough 变换和边界跟踪法 Sobel 算子通过计算相 邻像元属性值的线性差或一阶导数找出变化率最高的地方 10 Laplace 算子通过计算临近 像元属性值的二阶导数来分析边界的宽度 11 Hough 变换是为了减小搜寻计算的复杂性 对几何形状的参数描述 12 边界跟踪法是指以某一初值为起点对满足边界阈值条件要 素的连续探测 13 根据数据的具体情况 边界变化的统计分析包括 4 种途径 如果数据 是沿横断面的采样值 则边界是相邻样点值方差最高的地方 14 如果样点规则地分布于 研究区域 4 个相邻样点可形成一个正方形 则用每个正方形的顶点样值可计算其一阶偏 导数 一阶偏导数高的地方即为边界 15 如果样点随机地或不规则地分布于研究区域 则 相邻的 3 个样点可形成一个三角形 一阶偏导数高的三角形即为边界 16 如果有效数据 不仅包括定量变量 而且也包括半定量和定性变量 则可同时计算所有变量在相邻样点的 异点 dismililarity 总体上异点高的位置即为边界 15 地理信息系统为集成遥感数据处 理和采样数据统计分析提供了有效的工具 为数值模拟提供了便捷的平台 然而 边界变 化的数值模拟需要数据的足够积累和高性能的计算机硬件和软件 近年来 在生态地理建模研究中 Holdridge 生命地带模型得到了较广泛的应用 例 如 20 世纪 50 年代以来在气候变化和土地利用变化双重驱动力作用下 中国Holdridge 生 命地带变化规律及其对生态环境稳定性影响的模拟分析 2 Saint Lucia 岛生态系统分布评 估 17 气候变化对 Costa Rica 热带森林地理分布和多样性的区域影响预测等 18 目前 生态地理建模主要使用的是统计归纳的方法 局限于特定的空间尺度和分类层 次 妨碍了对其他空间尺度和分类层次问题的分析 很难用于分析跨尺度问题 也就是 说 生态地理建模目前需要研究的理论核心是多尺度问题 2 多尺度问题 20 世纪 60 年代 生态学家和地理学家就注意到了尺度问题的重要性 19 20 20 世纪 90 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 1 例如 为了认识生态格局 过程和尺度之间的关系及解决有关科学问题 美国环境 保护局建立了多尺度实验生态系统研究中心 MEERC 21 为了确定地质变化和植被动态 之间的相互作用 J D Phillips 22 提出了 4 种尺度指标 为了解决全球变化影响的跨尺度 问题 G D Peternson 23 引入了等级理论 A Stein 等 24 用地统计方法确定环境变量的最 恰当空间和时间尺度 A Veldkamp 等 25 提出了农业经济研究的多尺度系统方法 17 R H Gardner 等 26 提出了实验生态学的多尺度分析理论 R Schulze 27 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 B T Milne 和 W B Cohen 28 根 1 Liu J Y Zhuang D F Luo D et al Land cover classification of China Integrated analysis of AVHRR imagery and geophysical data International Journal of Remote Sensing 2003 in printing 257 3 期 岳天祥等 生态地理建模中的多尺度问题 据分形的自相似性建立了针对 MODIS 数据的尺度转换方法 K M Konarska 等 29 通过比 较NOAA AVHRR和 Landsat TM 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 Q Gao 等 30 通过对草地模拟模型中的非线性函数进行泰勒展 开 减小了由于空间尺度变化产生的误差 吕一河和傅伯杰 31 对生态学中常见的尺度转 换方法进行了分析和总结 岳天祥和刘纪远等 2 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 32 33 通过分析多尺度问题的研究进展可以发现 大多数研究 侧重于某一个主题或某一主题的一个方面 在生态地理的大背景下对多尺度问题进行全 面系统分析和研究的成果很少 远不能满足生态地理建模的需要 生态地理是生态学和地理学内容的结合 生态地理建模必须涵盖生态学和地理学的 所有尺度问题 尺度 scale 是观测 observation 过程 process 或过程模型 model of that process 在空间或时间方面的基准尺寸 a characteristic dimension or size 它囊括过程的离 散状态或过程状态间的临界点 27 尺度转换 跨尺度 cross scale 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问题是生态地理建模需要研究的重要内容 1 尺度转换问题 尺度转换可区分为自下而上的尺度转换 upscaling 和自上而下 的尺度转换 downscaling 自下而上的尺度转换是指高分辨率研究结果向低分辨率的转换 自上而下的尺度转换是指低分辨率研究结果向高分辨率的转换 20 生态地理建模需要研 究的主要尺度转换问题包括 如何进行观测过程和数学模型的尺度转换 尺度转换如何影响 变量灵敏性 空间异质性和系统可预测性 非线性响应被放大或减小的环境条件等 2 跨空间尺度相互作用问题 当某一空间尺度的事件或现象影响其他空间尺度 的事件或现象时 就产生了跨尺度的联系和相互作用 然而 以往的大多数生态地理研究 是在特定的空间尺度进行的 对跨尺度相互作用的分析非常有限 生态地理建模需要研 究的主要问题包括 在不同空间尺度同时发生作用的驱动力分析 跨尺度相互作用的识 别 生态地理事件在不同空间尺度的相互作用机制 跨尺度相互作用产生的非线性问题 跨尺度相互作用如何影响环境管理以及在政策制定中如何考虑跨尺度相互作用问题 3 空间尺度和时间尺度相互关联问题 生态地理过程的空间尺度和时间尺度往 往是密切相关的 例如 食物生产可以在一年的时间尺度和局部的空间尺度进行模拟分 析 生态系统的水调节功能可以在多年的时间尺度和区域的空间尺度进行模拟分析 生态 系统的气候调节功能必须在至少几十年的时间尺度和全球的空间尺度进行模拟分析 也 就是说 大空间尺度的变化对应大时间尺度的生态地理过程 空间尺度和时间尺度的这 种关联是否在生态地理建模中可以作为一种普遍规则运用是需要研究的重要内容之一 4 多空间尺度数据处理问题 生态地理建模必须处理各种不同空间尺度的数 据 目前 在生态地理问题的研究中 一般使用低 粗 分辨率数据 即使有高 细 分辨率 数据 由于计算机计算容量的制约 大多数模拟分析也是将其进行平均处理后转换为低分 辨率数据 这种处理几乎损失了所有局部格局信息和非线性特征信息 如何将高分辨率 数据和低分辨率数据结合起来分析生态系统的结构 空间格局和过程是生态地理建模面 临的首要挑战 3 解决尺度问题的重要理论 方法和技术 有关研究表明 32 33 等级理论 hierarchy theory 格点生成法 grid generation 和网格计 258 第 四 纪 研 究 2003 年 算 grid computing 是解决生态地理建模尺度问题的最重要理论基础和现代技术手段 1 等级理论 等级理论是生态系统尺度效应的传统分析方法 它是系统理论的 一种延伸 用于分析尺度对复杂系统组织的影响 等级理论把系统看作一个相互作用要 素的集合 这个集合又形成一个更大系统的要素 它并不假定系统具有必要的等级结构 而是把系统分成不同的等级层次 以便于跨尺度相互作用的分析 23 2 格点生成法 19 世纪 60 年代出现了格点生成法 34 数值化格点生成方法的 发展形成了一个独立的数学分支 20 世纪 90 年代 格点生成技术的发展达到了一个新 的阶段 格点生成可以被看作是寻找地图上有用的参数化信息的过程 格点生成技术应 用的独特性在于它不局限于任何特定的公式和需要任何特定的理论基础 格点生成技术 最重要的步骤是找到合适的从自然现象到数值化信息的转换方法 基于内插的格点生成 方法有两大优势 即相对于局部微分方程的快速计算能力和对格点的直接控制 3 网格计算 网格是借鉴电力网的概念提出来的 在使用电力时 不需要知道 它是从哪个地方的发电站输送出来的 也不需要知道该电力是通过什么样的发电机产生 的 不管是水力 火力还是核力 网格也希望给用户提供的是与地理位置无关 与具体的 计算机设备无关的通用的计算能力 网格计算是利用互联网把分散在不同地理位置的计 算机组织成一个 虚拟的超级计算机 其中每一台参与计算的计算机就是一个 节点 而 整个计算是由成千上万个 节点 组成的 一张网格 所以这种计算方式叫网格计算 35 在网格计算中 首先要查清网格里所有可用资源 比如 哪些主机可供访问 还空置多少处 理能力 数据库里可供使用的数据是什么 共享的应用程序是否已准备好以及共享主机采 用何种文件系统等 用户提交的任务要由系统来分配资源并控制其运行 包括要将其分 配到哪些主机上运行 调用哪些数据 启动何种应用程序以及何时开始运行等 4 讨论 在以往的大多数研究中 地理学者和生态学者往往在特定的地理和分类尺度开展研 究 这些地理和分类尺度包括生物个体 organism 种群 population 群落 community 生 态系统 ecosystem 生物群落区 biome 生物圈 biosphere 岩石圈 lithosphere 大气圈 atmosphere 和水圈 hydrosphere 等 生态地理建模的主要任务是定量化地描述生态地理 类型在各种时空尺度的空间格局和过程 不同尺度过程不是独立的 小尺度过程受大尺 度过程的制约 大尺度过程是许多小尺度过程相互作用的结果 在许多情况下 某一尺度 过程和格局的相互作用会在较大尺度形成自组织系统 在这些自组织系统中 起主导作 用的变量只有不多几个 也就是说 对这些主导变量及其相互作用的识别是解决跨尺度问 题的关键 目前 大多数研究使用简单的线性尺度转换方法 例如 加权平均 内插和跨尺 度数据转换等 然而 由于生态地理问题的非线性 生态环境的异质性 跨尺度相互作用 和随机事件 这些简单的线性尺度转换方法远不能满足生态地理建模的要求 初步研究结果表明 34 33 36 运用等级理论 通过确定恰当的搜索半径 建立跨尺度分 析模型 可以解决跨尺度问题中的多层次问题 在空间分类系统背景下的尺度转换方法可 归纳为 运用格点生成法 通过建立规范化的格点生成规则 构建多尺度数据融合模型 实 现生态地理建模中的多尺度转换 高分辨率和低分辨率遥感数据的尺度转换方法可归纳 259 3 期 岳天祥等 生态地理建模中的多尺度问题 为 运用微分几何学曲面论基本定理 建立尺度转换模型的基本方程 运用遥感数据 反演 尺度转换模型的一次近似表达形式 根据点上的采样数据或观测数据 修正一次近似表达 形式 实现尺度转换模型的第二次近似表达 如果有更新的遥感数据和点上的采样数据或 观测数据 重复以上过程 直至理论模型与实际需求完全相符 运用网格计算技术 解决由 于跨尺度分析模型和尺度转换模型采用新理论方法带来的超计算机负荷问题 参 考 文 献 1 Allen H D Mediterranean Ecogeography London Prentice Hall 2001 2 10 2 Yue T X Liu J Y J rgensen S E et al Changes of Holdridge life zone diversity in all of China over a half century Ecological Modelling 2001 144 153 162 3 中国科学院自然区划工作委员会 中国综合自然区划 初稿 北京 科学出版社 1959 2 3 4 黄秉维 中国综合自然区划纲要 1986 年 中国科学院地理研究所编 地理集刊 第 21 号 北京 科学出版社 1990 10 20 5 全国农业区划委员会 中国农业自然资源和农业区划 北京 农业出版社 1991 71 99 6 张新时 植被的 PE 可能蒸散 指标与植被 气候分类 三 植物生态学与地植物学学报 1993 17 2 97 109 7 傅伯杰 刘国华 陈利顶等 中国生态区划方案 生态学报 2001 21 1 1 6 8 苗 鸿 王效科 欧阳志云 中国生态环境胁迫过程区划研究 生态学报 2001 21 1 7 13 9 FortinM J Olson R J Ferson S et al Issues related to the detection of boundaries Landscape Ecology 2000 15 453 466 10 Pitas I Venetsanopolos A N Edge