自然地理學(xué)中的尺度問題ppt課件

.,自然地理學(xué)中的尺度問題,李雙成,自然地理學(xué)進(jìn)展講座,.,自然地理學(xué)中的尺度問題,基本概念自然地理學(xué)中研究尺度的意義尺度的類型主要的Scaling途徑研究尺度選擇的基本原則目前尺度研究中存在的問題尺度存在的原因尺度及尺度域覺察的方法與技術(shù)格局與過程的尺度問題,.,一、基本概念,尺度與尺度域尺度與分辨率尺度與尺度推繹尺度與標(biāo)度不變律（冪律）,.,InformationlossS.E.Jrgensen等1998;B.Birnir,2000）。於崇文（1998）更斷言，“廣義地質(zhì)學(xué)場（溫度場、流速場、濃度場、應(yīng)力場等）的許多場量在時間上和空間上具有冪律分布（powerlawdistribution）。冪律反映自相似性（self-similarity），它是標(biāo)度不變性和分形之源”。作者認(rèn)為，從目前科學(xué)發(fā)展角度看，還沒有發(fā)現(xiàn)一個普適不同性質(zhì)系統(tǒng)各個尺度域上的冪律和分維。就是在同一系統(tǒng)內(nèi)，冪律或分維也僅存在于特定的尺度域內(nèi)，其最大的跨越尺度域也不過23。因而，在尺度轉(zhuǎn)換上不可能“窺一斑而見全豹”。,.,五、研究尺度選擇的基本原則,科學(xué)性原則科學(xué)原則就是觀測尺度選擇時首先要考慮的原則。科學(xué)研究的重要任務(wù)就是要準(zhǔn)確地探究自然現(xiàn)象的表象、過程及其內(nèi)在機理。對于地理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究來說，首要的任務(wù)就是選擇與自然現(xiàn)象（格局與過程）發(fā)生規(guī)模相當(dāng)?shù)挠^測尺度。如果觀測尺度與實際尺度相差甚遠(yuǎn)，研究結(jié)果的可信度就會很差。其次，選擇的尺度應(yīng)盡可能是自然界的實體單位。經(jīng)濟性原則可操作性原則,.,六、目前尺度研究中存在的問題,尺度選擇不當(dāng)，不能正確揭示研究對象的科學(xué)本質(zhì)。研究尺度過大，大量細(xì)節(jié)被省略，研究成為“有偏”估計；研究尺度過小，陷入局部而不能窺其全貌。盲目進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。一些研究者聲言對研究結(jié)果進(jìn)行了尺度轉(zhuǎn)換，而實際情況是主觀的推定；一些研究結(jié)果在參數(shù)都沒有變換的情況下，被推繹到另外的尺度上，甚至跨越了幾個尺度。一些研究結(jié)果不能夠進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換，而一些研究者無視尺度轉(zhuǎn)換的限制性條件對研究結(jié)果隨意進(jìn)行尺度推繹。尺度轉(zhuǎn)換技術(shù)使用不當(dāng)。表現(xiàn)為沒有認(rèn)識到概念模型、機理模型和統(tǒng)計模型在尺度轉(zhuǎn)換時應(yīng)當(dāng)采取不同的策略，在工作中倚重回歸技術(shù)。有意或無意漠視研究結(jié)果的尺度性，沒有標(biāo)定研究結(jié)果是那個尺度上產(chǎn)生或有效。在各個分支學(xué)科采用的時間和空間尺度范圍不同，在成果的表述和理解時經(jīng)常引起歧義，特別是在跨學(xué)科研究日益強化的情形下，更加劇了綜合集成的困難。,.,六、尺度存在的原因,總的來說，地學(xué)和生態(tài)學(xué)中的格局與過程是多層次系統(tǒng)，層次間相互聯(lián)系，過程間存在著許多耦合與反饋。另外，許多過程是隨機性的混沌過程（R.Schulze,2000）。因此，尺度和標(biāo)度變換問題不可避免。,.,六、尺度存在的原因,地學(xué)格局與過程的空間異質(zhì)性響應(yīng)與反饋的非線性特征涌現(xiàn)特性的發(fā)展優(yōu)勢過程的尺度改變干擾因素的影響,.,七、尺度及尺度域覺察的方法與技術(shù),圖示法譜分析方法空間相關(guān)分析技術(shù)半方差方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析,.,尺度覺察技術(shù)（圖示法）,圖示法是尺度及尺度域覺察最為常用的方法，它是將表征尺度變化的各種變量和特征值以不同空間和時間取樣單位表現(xiàn)在圖上，通過檢視其中的曲線規(guī)律來獲得尺度信息。在圖示中，可用實值對特征值與空間或時間取樣單位做圖，但更多的是用雙對數(shù)的來標(biāo)示。一般而言，曲線中明顯的拐點可以認(rèn)為是兩個尺度域的分界點。,.,譜分析通過是一種時頻分析技術(shù)，其中傅立葉變換（Fouriertransform）是一種經(jīng)典而又實用的頻譜分析手段。該方法的基本原理是擬合實際觀測數(shù)據(jù)與確定波譜特性數(shù)據(jù)，當(dāng)有意義的匹配實現(xiàn)時，格局或過程就會被檢視出來。譜分析尤其適合于分析具有周期性結(jié)構(gòu)的空間和時間數(shù)據(jù)。由于采用三角函數(shù)轉(zhuǎn)換，它不受空間數(shù)據(jù)起始位置的影響。,尺度覺察技術(shù)（譜方法）,.,小波分析示意圖,.,格局與過程的尺度問題,對于過程和格局而言，是否存在可以表征的時間和空間尺度，若有，如何表達(dá)？不同尺度的過程與格局之間是如何相互作用的，如何耦合，采用什么方法去耦？如何役使，用什么方法判斷？解除役使的外力需要多大，時間有多長？,.,格局與尺度關(guān)系,格局尺度大小不同，其諸多特性表現(xiàn)出差異。首先，形成與維持的格局的時間隨著尺度的增大而加長；其次，在格局形成的動力上，小尺度以自組織力為主，而大尺度以他組織力為主，同時，隨著尺度增大，高斯噪聲呈逐漸淬滅趨勢；第三，格局形成的過程周期上，小尺度以短周期過程為主，多表現(xiàn)為瞬時或脈沖作用，而大尺度的格局則以長周期過程為主，是區(qū)域過程多種因素共同作用的產(chǎn)物；第四，在格局內(nèi)部的聯(lián)結(jié)性上，小尺度格局表現(xiàn)出強聯(lián)結(jié)性，而大尺度格局的內(nèi)部聯(lián)結(jié)較為松散。,.,過程與尺度關(guān)系,在一個變化過程的序列中，包含許多頻率的成分，最為明顯的典型的是趨勢成分和噪聲成分。不同的頻率成分性態(tài)不同，高頻不穩(wěn)，生長較快；相反，低頻較穩(wěn)，變化較為緩慢。以尺度來區(qū)分，生長快的高頻成分，通常生存周期比較短，能量主要分布在比較少的尺度上；生長較慢的低頻成分，往往生存周期比較長，分布的尺度域大，常成為某一過程的背景。舉例來說，自工業(yè)革命以來的全球氣溫變化曲線就是氣候系統(tǒng)自身的變化趨勢疊加一些隨機噪聲而形成的，其中主要的噪聲項是人類活動對全球氣溫變化的影響。一般來說，隨著尺度的增加，過程通常由非平穩(wěn)序列轉(zhuǎn)變成平穩(wěn)序列。,.,格局和過程與尺度關(guān)系,一般來說，隨著格局尺度的增大，作用于格局之上的過程的周期加長，過程“毛刺”被剔除，一些細(xì)節(jié)被“平滑”，曲線變得相對“光滑”。從成因上說，格局尺度增大，內(nèi)部的空間異質(zhì)性就會相應(yīng)增大，高空間異質(zhì)性會阻尼或削減外部作用力的變異效果。按照役使原理，短時間尺度的隨機力作用于大尺度格局時，格局內(nèi)部綴塊之間的過渡區(qū)域?qū)⒊蔀殡S機力作用效應(yīng)的“壁壘”。,.,格局和過程與尺度關(guān)系,.,尺度研究的框架體系,.,1.SimonALevin.TheproblemofpatternandscaleinecologyJ.Ecology1992,73(6):1943-19672.StenBergstrm,L.PhilGraham.OnthescaleprobleminhydrologicalmodelingJ.JournalofHydrology1998,211:253-2653.DavidA.Perry.Self-organizingsystemsacrossscalesJ.Tree1995,10(6):241-2444.MarcelR.Hoosbeek.Incorporatingscaleintospatio-temporalvariability:applicationstosoilqualityandyielddataJ.Geoderma1998,85:113-1315.HeatherA.Viles.ScaleissuesinweatheringstudiesJ.Geomorphology2001,41:63-726.A.Stein,J.Riley,N.Halberg.IssuesofscaleforenvironmentalindicatorsJ.Agriculture,EcosystemsandEnvironment2001,87:215-2327.RolandSchulze.TranscendingscalesofspaceandtimeinimpactstudiesofclimateandclimatechangeonagrohydrologicalresponsesJ.Agriculture,EcosystemsandEnvironment2001,82:185-2128.FredL.Bunnell,DavidJ.Huggard.Biodiversityacrossspatialandtemporalscales:problemsandopportunitiesJ.ForestEcologyandManagement.1999,115:113-126,有關(guān)尺度研究的重要文獻(xiàn),.,9.ClarkC.Gibsonetal.Theconceptofscaleandhumandimensionsofglobalchange:asurveyJ.EcologicalEconomic.2000,32:217-23910.PhilipC.Elkie,RobertS.Rempel.DetectingscalesofpatterninborealforestlandscapesJ.ForestEcologyandManagement.2001,147:253-26111.R.K.Guptaetal.ProblemsinupscalingofhighresolutionremotesensingdatatocoarsespatialresolutionoverlandsurfaceJ.Adv.SpaceRes.2000,26(7):1111-112112.L.Lauetal.Downscalingglobalinformationforregionalbenefit:couplingspatialmodelsatvaryingspaceandtimescalesJ.EnvironmentalModelling&Software,1999,14:51952913.MichaelP.Bishopetal.Scale-dependentanalysisofsatelliteimageryforcharacterizationofglaciersurfacesintheKarakoramHimalayaJ.Geomorphology1998,21:217-23214.T.W.Paynetal.Scalinguporscalingdown:theuseoffoliageandsoilinformationforoptimizingthephosphatenutritionofradiatapineJ