对尺度和尺度转换的理解

对尺度和尺度转换的理解

摘要：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、分析的重要依据,是空间数据的重要特征。本文首先对尺度和尺度转换概念进行了剖析，然后对其重要性进行归纳总结。结合实际应用的需要，尺度转换通常会根据具体的情况采用不同的类型，即尺度效应的存在，对同一过程采用不同的观测尺度会得出不同的结果。于是对尺度转换常用类型，尺度选择和尺度效应进行了分析。最后，对尺度和尺度转换中存在的一些问题进行了总结。

关键词：尺度；尺度转换；尺度效应

1.前言：

由于地理空间非常复杂，人们不可能观察到现实地理世界的所有细节，因此地理信息对地表的描述总是近似的，而这个近似的程度如何则反映了对地理现象及过程的抽象的程度或者抽象尺度。因此尺度是所有地理信息的基本、重要特征，不同的尺度所表达的信息是有很大差异的。尺度问题已经被UCGIS列在地理信息科学未来研究的十大优先领域。Haggett也指出地理学研究中必须解决与尺度相关的三个问题，即：尺度覆盖，尺度关联以及尺度标准。很多学者在多个研究领域对尺度问题进行了研究[1-12]，如遥感科学，地图学，空间统计学，生态学，地理信息科学等。

基于此，对尺度和尺度转换概念的正确理解是至关重要和迫切的。

2.尺度与尺度转换

2.1 尺度的概念

尺度是指在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位，又可指某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率。即尺度通常有时间和空间两方面的含义，同时尺度往往以粒度和幅度来表达。空间粒度指最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或体积(如像元)；时间粒度指某一现象或事件发生的(或取样的)频率和时间间隔。幅度是指研究对象在空间或时间上的持续范围或长度。具体来说，所研究对象的范围决定该研究的空间幅度；而研究项目持续多久，则确定其时间幅度[24]。Thompson早在1917年就指出，“尺度的影响，不仅仅是尺度本身，而是与其周围的环境紧密联系”。尺度一词的含义比较复杂，在不同学科领域，同一术语如Scale 表达了不同的含义如表1所示：

表1 尺度在不同学科下的概念[15]

术语含义使用领域

尺度指的是一个事物或过程经历时间的长短或在空间上涵盖范围的大小广泛应用

绝对尺度实际的距离、方向、形状和几何特征等

相对尺度利用相对的距离、方向、形状和几何特性以及特定的函数关系表达绝对尺度

制图比例尺地图距离和地球表面实际距离的比率地图学

分辨率测量的精确程度、空间采样单元的大小遥感

粒径给定数据的最大分辨率景观生态学

范围研究区域的大小或考虑的时间范围

支集度量或定义（属性）值的空间地统计学

步长相邻现象、采样或分析单元间隔的度量空间分析生态学

2.2尺度转换的概念

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。根据王劲峰等对尺度转换的定义,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的过程称为尺度收缩。常用关于空间尺度转换的表述如表2[16]。

表 2 尺度转换的分类

转换分类英文表述其他中文表述具体含义

尺度扩展

Upscaling

Scaling-up

Top-down

向上尺度转换

尺度上推从较小尺度（空间）观测中获得较大尺度空间信息的过程：是将尺度从精确的尺度（高分辨率）向模糊的尺度转换的过程。

尺度收缩

Downscaling

Scaling-down

Bottom-down

向下尺度转换

尺度下推从较大尺度（空间）的信息分解到较小的尺度（空间）上的过程：是将信息从模糊的尺度向精确的尺度转换的过程。

3.尺度与尺度转换的重要性

尺度是空间数据的重要特征,是数据建模和表达时的空间范围、粒度、细节的相对大小。不同尺度内的空间信息密度有很大的差异。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。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。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和相关学科领域中不可避免。

另外，由于空间数据库对尺度的依赖性，也决定了对尺度转换的必要。空间数据库的尺度依赖表现在：

1)在不同尺度上观察，空间形态的表示可能不同；

2)在特定的尺度上，某些空间形态和过程可能会观察不到，而且其研究得出的结论不一定适用于其它尺度；

3)研究变量之间因果关系的方法会受观察尺度的影响，从而使获取的规律或知识出现偏差甚至错误。

由于空间尺度的依赖性，某一空间目标，随数据模型的尺度不同，其目标的特征(空间形态、关系、属性)也会发生改变，从而引起目标结构也发生变化。正是由于观测的尺度、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。

4.尺度与尺度选择

由于尺度依赖性的存在，在尺度研究领域，尺度效应和尺度选择是紧密联系在一起的，是“尺度科学”的重要内容之一。理论上讲, 应该选取能够将生物、非生物和人类过程关联起来的最佳尺度, 但是尺度选择却经常按照感知能力或技术的、逻辑的限制来完成。一般尺度的选择受到研究项目的状况、研究对象的性质和复杂程度等一系列因素的影响和制约，在充分考虑这些因素的情况下, 尺度选择应该具有层次性, 即至少要包括核心尺度, 小尺度组分和大尺度背景三个层次。确定最适合尺度的方法可能完全是经验主义的，另外，根据多元回归分析在不同尺度上的解释能力，也可以帮助确定合适的研究尺度。也有学者认为，在地理学研究中，往往不只存在一个单一的最佳尺度，因此，需要采用多尺度分析来进行研究。

5. 地理科学尺度研究需要解决的问题

根据近几年一些学者对尺度问题的的研究成果，及研究过程的具体需求，将地理科学的尺度问题面临的挑战[15]总结如下：1）空间异质性如何随尺度改变；2）过程研究中速率变量如何随尺度改变；3）优势或主导过程如何随尺度变化；4）过程特性如何随尺度改变；5）敏感性和可预测性如何随尺度改变；6）干扰因素的尺度效应如何表达；7）尺度转换能否跨越多个尺度或尺度域；8）噪声成分是否随改变等。