太原理工大學(xué)數(shù)字高程模型第八章-數(shù)字高程模型的多尺度表達(dá)

1、尺度是指在研究某一物體或現(xiàn)象時(shí)所采用的空間尺度是指在研究某一物體或現(xiàn)象時(shí)所采用的空間或時(shí)間單位，又可指某一現(xiàn)象或過程在空間和時(shí)或時(shí)間單位，又可指某一現(xiàn)象或過程在空間和時(shí)間上所涉及到的范圍和發(fā)生的頻率，簡(jiǎn)單地說，間上所涉及到的范圍和發(fā)生的頻率，簡(jiǎn)單地說，尺度就是客體在其尺度就是客體在其“容器容器”中規(guī)模相對(duì)大小的描中規(guī)模相對(duì)大小的描述。述。空間數(shù)據(jù)的多尺度處理與表達(dá)，己成為建立多空空間數(shù)據(jù)的多尺度處理與表達(dá)，己成為建立多空間尺度數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)多尺度間尺度數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)多尺度GISGIS或無(wú)級(jí)比例尺或無(wú)級(jí)比例尺GISGIS的核心內(nèi)容，同時(shí)建立尺度依賴的空間數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容，同時(shí)建立尺度依賴的空間數(shù)據(jù)表達(dá)

2、模型，實(shí)現(xiàn)地理信息多尺度自動(dòng)綜合是解決表達(dá)模型，實(shí)現(xiàn)地理信息多尺度自動(dòng)綜合是解決空間數(shù)據(jù)多尺度處理與表達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)?？臻g數(shù)據(jù)多尺度處理與表達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)。尺度和空間尺度理論是地理學(xué)、地圖學(xué)和地理信尺度和空間尺度理論是地理學(xué)、地圖學(xué)和地理信息科學(xué)等學(xué)科中研究的熱點(diǎn)問題，而且這些理論息科學(xué)等學(xué)科中研究的熱點(diǎn)問題，而且這些理論有著深厚的空間認(rèn)知、信息科學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)有著深厚的空間認(rèn)知、信息科學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。算機(jī)圖形學(xué)以及工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。 “空間空間”是空間認(rèn)知的一個(gè)基本概念，在不同的學(xué)科是空間認(rèn)知的一個(gè)基本概念，在不同的學(xué)科中存在著不同的解釋。中存在著不同的解釋。 從天

3、文學(xué)研究角度看從天文學(xué)研究角度看： 從物理學(xué)研究角度看從物理學(xué)研究角度看： 地理空間具有整體性、差異性、層次性和可變性地理空間具有整體性、差異性、層次性和可變性等特征。等特征。 整體性整體性 差異性差異性 層次性層次性 可變性可變性 地理空間實(shí)體本質(zhì)上是無(wú)限性地理空間實(shí)體本質(zhì)上是無(wú)限性 空間數(shù)據(jù)通過描述地理空間實(shí)體及其實(shí)體間的空間關(guān)系來表空間數(shù)據(jù)通過描述地理空間實(shí)體及其實(shí)體間的空間關(guān)系來表達(dá)和模擬客觀地理世界。但由于主客觀的因素差別，地理信達(dá)和模擬客觀地理世界。但由于主客觀的因素差別，地理信息空間從本質(zhì)上來說是對(duì)客觀地理世界的近似模擬。其理想息空間從本質(zhì)上來說是對(duì)客觀地理世界的近似模擬。其理想

4、狀態(tài)應(yīng)該是盡可能準(zhǔn)確地反映地理世界，同時(shí)做到數(shù)據(jù)量最狀態(tài)應(yīng)該是盡可能準(zhǔn)確地反映地理世界，同時(shí)做到數(shù)據(jù)量最小，又便于人們從中獲取所需要的信息和規(guī)律。小，又便于人們從中獲取所需要的信息和規(guī)律。 而要達(dá)到這種理想狀態(tài)，首先需要準(zhǔn)確地理解地理而要達(dá)到這種理想狀態(tài)，首先需要準(zhǔn)確地理解地理(信息信息)空空間即對(duì)空間有效認(rèn)知間即對(duì)空間有效認(rèn)知;其次要研究合適的數(shù)據(jù)組織、處理和表其次要研究合適的數(shù)據(jù)組織、處理和表示方法來建立適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)表達(dá)模型。示方法來建立適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)表達(dá)模型。 在不混淆的情況在不混淆的情況下下，對(duì)地理空間信息和地理信息不加，對(duì)地理空間信息和地理信息不加區(qū)別。地理空間信息又稱空間信息，具有空間特

5、征、屬性區(qū)別。地理空間信息又稱空間信息，具有空間特征、屬性特征、時(shí)間特征和尺度特征等四個(gè)基本特征。特征、時(shí)間特征和尺度特征等四個(gè)基本特征。 空間特征指的是地理空間實(shí)體的幾何特征及其與其它空間特征指的是地理空間實(shí)體的幾何特征及其與其它空間實(shí)體之間的空間關(guān)系?？臻g實(shí)體之間的空間關(guān)系。 幾何特征也稱為空間位置特征，主要包括空間實(shí)體的幾何特征也稱為空間位置特征，主要包括空間實(shí)體的位置、形狀、大小以及分布狀況等等。位置、形狀、大小以及分布狀況等等。 空間關(guān)系是指地理空間實(shí)體之間存在的一些具有空間空間關(guān)系是指地理空間實(shí)體之間存在的一些具有空間特性的關(guān)系，如拓?fù)潢P(guān)系、度量關(guān)系、順序關(guān)系等等。特性的關(guān)系，如拓

6、撲關(guān)系、度量關(guān)系、順序關(guān)系等等。 屬性特征是與地理空間實(shí)體相聯(lián)系的、具有地理屬性特征是與地理空間實(shí)體相聯(lián)系的、具有地理意義的數(shù)據(jù)或變量，用于表達(dá)地理空間實(shí)體本質(zhì)意義的數(shù)據(jù)或變量，用于表達(dá)地理空間實(shí)體本質(zhì)特征和對(duì)空間實(shí)體的語(yǔ)義定義，以區(qū)別于其它空特征和對(duì)空間實(shí)體的語(yǔ)義定義，以區(qū)別于其它空間實(shí)體。也稱主題、專題或語(yǔ)義特征。間實(shí)體。也稱主題、專題或語(yǔ)義特征。 屬性通常有定性和定量?jī)煞N，定性屬性包括名稱、屬性通常有定性和定量?jī)煞N，定性屬性包括名稱、類型、特性等類型、特性等;定量屬性包括數(shù)量、等級(jí)等等。定量屬性包括數(shù)量、等級(jí)等等。 時(shí)間特征是指地理空間實(shí)體隨著時(shí)間而變化的特時(shí)間特征是指地理空間實(shí)體隨著時(shí)

7、間而變化的特性。地理空間實(shí)體的空間位置和屬性相對(duì)于時(shí)間性。地理空間實(shí)體的空間位置和屬性相對(duì)于時(shí)間來說，常常呈現(xiàn)相互獨(dú)立的變化，即在不同時(shí)間來說，常常呈現(xiàn)相互獨(dú)立的變化，即在不同時(shí)間地理實(shí)體空間位置可能不變，但屬性類型可能發(fā)地理實(shí)體空間位置可能不變，但屬性類型可能發(fā)生變化，或者相反，屬性類型不變，而空間位置生變化，或者相反，屬性類型不變，而空間位置發(fā)生變化。發(fā)生變化。 尺度特征就是指空間數(shù)據(jù)在不同的觀察層次上所尺度特征就是指空間數(shù)據(jù)在不同的觀察層次上所遵循的規(guī)律以及體現(xiàn)出來不盡相同的特征?；谧裱囊?guī)律以及體現(xiàn)出來不盡相同的特征?；诔叨忍卣骺山沂靖鄮缀鯚o(wú)限細(xì)節(jié)的能力，可以尺度特征可揭示更多幾

8、乎無(wú)限細(xì)節(jié)的能力，可以探究空間信息在抽象與演繹、概化與細(xì)化過程中探究空間信息在抽象與演繹、概化與細(xì)化過程中所反映出的空間特征漸變和突變規(guī)律。為了刻畫所反映出的空間特征漸變和突變規(guī)律。為了刻畫空間數(shù)據(jù)的尺度特征，有效建立一種由細(xì)到粗的空間數(shù)據(jù)的尺度特征，有效建立一種由細(xì)到粗的空間數(shù)據(jù)分辨率序列是其中的關(guān)鍵?？臻g數(shù)據(jù)分辨率序列是其中的關(guān)鍵。 歐幾里德幾何是以點(diǎn)、線、面、體等為研究對(duì)象的數(shù)學(xué)歐幾里德幾何是以點(diǎn)、線、面、體等為研究對(duì)象的數(shù)學(xué)分支。歐氏空間是指歐氏幾何中使用的抽象空間，其中分支。歐氏空間是指歐氏幾何中使用的抽象空間，其中也有尺度的概念，但它與地理學(xué)科中也有尺度的概念，但它與地理學(xué)科中“尺

9、度尺度”的含義不的含義不同同 。 地理信息空間中的目標(biāo)具有精確的空間位置，強(qiáng)調(diào)宏觀的空地理信息空間中的目標(biāo)具有精確的空間位置，強(qiáng)調(diào)宏觀的空間分布和目標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。間分布和目標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。 地理空間研究地理中各種地理現(xiàn)象、事物、過程等發(fā)生、存地理空間研究地理中各種地理現(xiàn)象、事物、過程等發(fā)生、存在和變化的空間特征。針對(duì)不同的研究對(duì)象，會(huì)有不同的表在和變化的空間特征。針對(duì)不同的研究對(duì)象，會(huì)有不同的表現(xiàn)形式，它們?cè)诤艽蟪潭壬先Q于考慮問題時(shí)的空間維數(shù)目，現(xiàn)形式，它們?cè)诤艽蟪潭壬先Q于考慮問題時(shí)的空間維數(shù)目，如一維、二維、三維和四維。自從分?jǐn)?shù)維的概念被引入如一維、二維、三維和四維。自從分?jǐn)?shù)維的概念被

10、引入(Mandelbrot，1967)后，地理空間中維數(shù)并不完全是整數(shù)。后，地理空間中維數(shù)并不完全是整數(shù)。在此空間內(nèi)，一條線的維數(shù)在在此空間內(nèi)，一條線的維數(shù)在1.02.0之間，一個(gè)面的維數(shù)之間，一個(gè)面的維數(shù)在在2.03.0之間。之間。 地理信息對(duì)地球表面的描述總是近似的，近似的程度如地理信息對(duì)地球表面的描述總是近似的，近似的程度如何反映了對(duì)地理現(xiàn)象及其過程的抽象程度或抽象尺度。何反映了對(duì)地理現(xiàn)象及其過程的抽象程度或抽象尺度。故，尺度是所有地理信息的重要特性，尺度特征定義了故，尺度是所有地理信息的重要特性，尺度特征定義了人們觀察地球的一種約束。人們觀察地球的一種約束。 只有經(jīng)過合理的尺度抽象的地

11、理信息才更具利用價(jià)值。只有經(jīng)過合理的尺度抽象的地理信息才更具利用價(jià)值。不同的尺度不僅在所表達(dá)的信息密度上有很大差異，而不同的尺度不僅在所表達(dá)的信息密度上有很大差異，而且還會(huì)影響所表達(dá)的地理信息是否正確，因?yàn)椴簧俚乩砬疫€會(huì)影響所表達(dá)的地理信息是否正確，因?yàn)椴簧俚乩憩F(xiàn)象和規(guī)律只在一定的尺度出現(xiàn)?，F(xiàn)象和規(guī)律只在一定的尺度出現(xiàn)。 進(jìn)行一系列的尺度和方向分析才能有效地反映出這些地理進(jìn)行一系列的尺度和方向分析才能有效地反映出這些地理現(xiàn)象的本質(zhì)特征?，F(xiàn)象的本質(zhì)特征。 圖說明了在地理空間中尺度的增加與縮小等變化過程。同圖說明了在地理空間中尺度的增加與縮小等變化過程。同時(shí)表明尺度變換據(jù)用不可逆性。時(shí)表明尺度變換

12、據(jù)用不可逆性。 事物在不同尺度上的表現(xiàn)形式可能完全不同，尺度意事物在不同尺度上的表現(xiàn)形式可能完全不同，尺度意味著抽象的層次。味著抽象的層次。 這其中也有人眼分辨率限制的原因。視點(diǎn)越高，對(duì)應(yīng)這其中也有人眼分辨率限制的原因。視點(diǎn)越高，對(duì)應(yīng)于人眼分辨率的地表范圍越大，這樣地表也看起來更于人眼分辨率的地表范圍越大，這樣地表也看起來更抽象。這些例子都遵循一個(gè)通用的法則，稱之為自然抽象。這些例子都遵循一個(gè)通用的法則，稱之為自然法則法則:“對(duì)于一個(gè)給定的尺度，能表現(xiàn)的地理對(duì)象之空對(duì)于一個(gè)給定的尺度，能表現(xiàn)的地理對(duì)象之空間變化細(xì)節(jié)是有局限性的。當(dāng)超越某種限度時(shí)，所有間變化細(xì)節(jié)是有局限性的。當(dāng)超越某種限度時(shí)，所

13、有的細(xì)節(jié)不能表現(xiàn)出來，因此被忽略不計(jì)的細(xì)節(jié)不能表現(xiàn)出來，因此被忽略不計(jì)” 。 由此可得到的推論表述如下由此可得到的推論表述如下:“通過使用一個(gè)類似于人通過使用一個(gè)類似于人眼分辨率限值，忽略超越該限值的空間對(duì)象之所有變眼分辨率限值，忽略超越該限值的空間對(duì)象之所有變化，便可以實(shí)現(xiàn)象攝影機(jī)一樣的變焦效果化，便可以實(shí)現(xiàn)象攝影機(jī)一樣的變焦效果”。 該法則可用圖表示。該法則可用圖表示。2.1空間認(rèn)知空間認(rèn)知 空間認(rèn)知是認(rèn)知科學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它研究空間認(rèn)知是認(rèn)知科學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它研究人們?cè)鯓诱J(rèn)識(shí)自己賴以生存的環(huán)境。人們?cè)鯓诱J(rèn)識(shí)自己賴以生存的環(huán)境。 從心理學(xué)的角度看，空間認(rèn)知能力是一種不同于一從

14、心理學(xué)的角度看，空間認(rèn)知能力是一種不同于一般的形象思維和抽象思維能力的特殊認(rèn)知能力，涉般的形象思維和抽象思維能力的特殊認(rèn)知能力，涉及到時(shí)間和空間交織而成的四維空間?？臻g認(rèn)知能及到時(shí)間和空間交織而成的四維空間。空間認(rèn)知能力是一種認(rèn)知圖形，并運(yùn)用圖形在頭腦中的心象進(jìn)力是一種認(rèn)知圖形，并運(yùn)用圖形在頭腦中的心象進(jìn)行圖形操作的能力。行圖形操作的能力。 研究表明，在不同空間尺度上，人類對(duì)于空間有研究表明，在不同空間尺度上，人類對(duì)于空間有著不同的理解能力和表達(dá)方式。由此可見，人們著不同的理解能力和表達(dá)方式。由此可見，人們對(duì)于對(duì)于“空間大小空間大小”及其及其“空間類型空間類型”的對(duì)應(yīng)劃分的對(duì)應(yīng)劃分符合人類有關(guān)

15、空間認(rèn)知的一般規(guī)律，即不同空間符合人類有關(guān)空間認(rèn)知的一般規(guī)律，即不同空間規(guī)模對(duì)應(yīng)著不同空間尺度，并具有不同空間認(rèn)知規(guī)模對(duì)應(yīng)著不同空間尺度，并具有不同空間認(rèn)知方式。方式。 事實(shí)上，人類對(duì)于空間的體驗(yàn)以及對(duì)空間概念的事實(shí)上，人類對(duì)于空間的體驗(yàn)以及對(duì)空間概念的理解與人類的空間行為能力有著密切的聯(lián)系，而理解與人類的空間行為能力有著密切的聯(lián)系，而人類的空間行為能力，如導(dǎo)航、探路等，則都是人類的空間行為能力，如導(dǎo)航、探路等，則都是基于經(jīng)驗(yàn)的、并與空間尺度的大小有關(guān)?；诮?jīng)驗(yàn)的、并與空間尺度的大小有關(guān)。 因此，在對(duì)空間的理解與認(rèn)識(shí)過程中，有關(guān)尺度、因此，在對(duì)空間的理解與認(rèn)識(shí)過程中，有關(guān)尺度、空間和經(jīng)驗(yàn)三者之

16、間的關(guān)系具有重要意義，特別空間和經(jīng)驗(yàn)三者之間的關(guān)系具有重要意義，特別是是“尺度尺度”對(duì)于區(qū)分對(duì)于區(qū)分“對(duì)象對(duì)象”和和“環(huán)境環(huán)境”這兩個(gè)這兩個(gè)概念尤為重要概念尤為重要 。 心理學(xué)根據(jù)空間尺度知覺方式的不同，將空間劃心理學(xué)根據(jù)空間尺度知覺方式的不同，將空間劃分為圖形、街景、環(huán)境和地理四種。分為圖形、街景、環(huán)境和地理四種。 圖形空間比人體小，可以從一個(gè)觀察點(diǎn)全面感知圖形空間比人體小，可以從一個(gè)觀察點(diǎn)全面感知; 街景空間比人體大，可以從一個(gè)觀察點(diǎn)通過改變街景空間比人體大，可以從一個(gè)觀察點(diǎn)通過改變視角視角(如掃描如掃描)而感知而感知; 環(huán)境空間不能從一個(gè)觀察點(diǎn)全面感知，需要通過在空間內(nèi)移環(huán)境空間不能從一

17、個(gè)觀察點(diǎn)全面感知，需要通過在空間內(nèi)移動(dòng)，在多個(gè)觀察點(diǎn)獲取一系列動(dòng)，在多個(gè)觀察點(diǎn)獲取一系列“觀測(cè)視圖觀測(cè)視圖”，形成多個(gè)，形成多個(gè)“知知覺空間覺空間”，然后將視圖拼接形成，然后將視圖拼接形成“認(rèn)知空間認(rèn)知空間”，地理空間尺，地理空間尺度遠(yuǎn)大于環(huán)境空間，不以獲得對(duì)空間的完整度遠(yuǎn)大于環(huán)境空間，不以獲得對(duì)空間的完整;地理空間尺度遠(yuǎn)地理空間尺度遠(yuǎn)大于環(huán)境空間，不能通過親身經(jīng)歷直接感知，必須通過地圖、大于環(huán)境空間，不能通過親身經(jīng)歷直接感知，必須通過地圖、三維模型等符號(hào)化表達(dá)，將空間縮減為圖形空間而感知。三維模型等符號(hào)化表達(dá)，將空間縮減為圖形空間而感知。 地理空間作為大尺度空間，是空間的特化，具有其特有的性

18、地理空間作為大尺度空間，是空間的特化，具有其特有的性質(zhì)。當(dāng)前地理信息科學(xué)采用的是質(zhì)樸地理學(xué)質(zhì)。當(dāng)前地理信息科學(xué)采用的是質(zhì)樸地理學(xué))的觀點(diǎn)，將地理的觀點(diǎn)，將地理空間定義為包含不能被人隨意處理的事物，即地理事物的空空間定義為包含不能被人隨意處理的事物，即地理事物的空間，地理空間一般不能從一個(gè)觀察點(diǎn)全面感知。間，地理空間一般不能從一個(gè)觀察點(diǎn)全面感知。 地理空間認(rèn)知是指發(fā)生在地理空間上的認(rèn)知，它是對(duì)地理空間認(rèn)知是指發(fā)生在地理空間上的認(rèn)知，它是對(duì)地理空間信息的表征，包括感知過程、表象過程、記地理空間信息的表征，包括感知過程、表象過程、記憶過程和思維過程，實(shí)質(zhì)是對(duì)地理現(xiàn)象或地理空間實(shí)憶過程和思維過程，實(shí)質(zhì)

19、是對(duì)地理現(xiàn)象或地理空間實(shí)體的編碼、內(nèi)部表達(dá)和解碼的過程。地理空間認(rèn)知是體的編碼、內(nèi)部表達(dá)和解碼的過程。地理空間認(rèn)知是地理信息科學(xué)實(shí)施空間信息分析、處理的必要步驟。地理信息科學(xué)實(shí)施空間信息分析、處理的必要步驟。 地理空間認(rèn)知是地理學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，是地理地理空間認(rèn)知是地理學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，是地理認(rèn)知理論之一和認(rèn)知理論之一和GIS數(shù)據(jù)表達(dá)與組織的橋梁和紐帶。數(shù)據(jù)表達(dá)與組織的橋梁和紐帶。 有關(guān)地理空間認(rèn)知的研究，己經(jīng)被有關(guān)地理空間認(rèn)知的研究，己經(jīng)被UCGIS列為地理信列為地理信息科學(xué)在未來研究的十大優(yōu)先領(lǐng)域之一息科學(xué)在未來研究的十大優(yōu)先領(lǐng)域之一(UCGIS， 1996)。從目前研究的情況看，

20、主要包括。從目前研究的情況看，主要包括:地理空間作地理空間作為一個(gè)有關(guān)人的為一個(gè)有關(guān)人的“心理空間心理空間”或或“經(jīng)驗(yàn)空間經(jīng)驗(yàn)空間”是怎樣變是怎樣變化的化的;人們?cè)鯓荧@取地理信息的人們?cè)鯓荧@取地理信息的;個(gè)體的年齡、文化、性個(gè)體的年齡、文化、性別或特殊的背景等因素如何影響人們對(duì)地理信息的認(rèn)知。別或特殊的背景等因素如何影響人們對(duì)地理信息的認(rèn)知。 研究地理空間認(rèn)知對(duì)地理信息科學(xué)中的尺度特性具有指研究地理空間認(rèn)知對(duì)地理信息科學(xué)中的尺度特性具有指導(dǎo)作用。導(dǎo)作用。 層次理論是系統(tǒng)理論的一種延伸，用于分析尺度對(duì)復(fù)層次理論是系統(tǒng)理論的一種延伸，用于分析尺度對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)組織的影響。雜系統(tǒng)組織的影響。 層次理論把

21、系統(tǒng)看作一個(gè)相互作用要素的集合，這個(gè)層次理論把系統(tǒng)看作一個(gè)相互作用要素的集合，這個(gè)集合又形成一個(gè)更大系統(tǒng)的要素，它并不假定系統(tǒng)具集合又形成一個(gè)更大系統(tǒng)的要素，它并不假定系統(tǒng)具有必要的等級(jí)結(jié)構(gòu)，而是把系統(tǒng)分成不同的等級(jí)層次，有必要的等級(jí)結(jié)構(gòu)，而是把系統(tǒng)分成不同的等級(jí)層次，以便于跨尺度相互作用的分析。以便于跨尺度相互作用的分析。 數(shù)字環(huán)境下的空間目標(biāo)具有層次性和可分解性，數(shù)字環(huán)境下的空間目標(biāo)具有層次性和可分解性，存在最抽象的層次和最詳細(xì)的層次。在存在最抽象的層次和最詳細(xì)的層次。在GIS環(huán)境下，環(huán)境下，對(duì)某層要素也可以三個(gè)層次進(jìn)行劃分，即要素層、對(duì)某層要素也可以三個(gè)層次進(jìn)行劃分，即要素層、空間目標(biāo)群

22、層、空間目標(biāo)層等?？臻g信息在認(rèn)知空間目標(biāo)群層、空間目標(biāo)層等?？臻g信息在認(rèn)知中就是以分層的形式進(jìn)行組織的，這里的分層就中就是以分層的形式進(jìn)行組織的，這里的分層就具有尺度的概念。具有尺度的概念。 在數(shù)字環(huán)境下，建設(shè)了多層次、多尺度的地圖和在數(shù)字環(huán)境下，建設(shè)了多層次、多尺度的地圖和空間數(shù)據(jù)庫(kù)，由于描述的是同一個(gè)客觀世界，不空間數(shù)據(jù)庫(kù)，由于描述的是同一個(gè)客觀世界，不同的層次之間必然存在內(nèi)在的不可分解的聯(lián)系。同的層次之間必然存在內(nèi)在的不可分解的聯(lián)系。 由于地理現(xiàn)象和過程的尺度行為既非線性變化，又由于地理現(xiàn)象和過程的尺度行為既非線性變化，又非均勻變化的，在不同的空間尺度上，所進(jìn)行的空非均勻變化的，在不同的

23、空間尺度上，所進(jìn)行的空間認(rèn)知和地理分析過程、結(jié)果、所揭示的規(guī)律等都間認(rèn)知和地理分析過程、結(jié)果、所揭示的規(guī)律等都各有差異各有差異(UCGIS，1998)。魏格納面對(duì)大尺度的世。魏格納面對(duì)大尺度的世界地圖發(fā)現(xiàn)了大陸漂移學(xué)說就是有效例證。界地圖發(fā)現(xiàn)了大陸漂移學(xué)說就是有效例證。 層次性理論在尺度研究的應(yīng)用主要體現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)層次性理論在尺度研究的應(yīng)用主要體現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)組織、空間目標(biāo)的語(yǔ)義層次、多空間目標(biāo)聚合、空組織、空間目標(biāo)的語(yǔ)義層次、多空間目標(biāo)聚合、空間目標(biāo)群間的特征差異性、空間數(shù)據(jù)的分層表達(dá)等間目標(biāo)群間的特征差異性、空間數(shù)據(jù)的分層表達(dá)等方面。方面。3.1 DEM模型及特點(diǎn)模型及特點(diǎn) 在地理信息系統(tǒng)中

24、，在地理信息系統(tǒng)中，DEM主要的三種表示模型主要的三種表示模型:規(guī)規(guī)則格網(wǎng)模型，等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型，則格網(wǎng)模型，等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型，其它如斷面模型、散點(diǎn)模型、混合模型等則應(yīng)用其它如斷面模型、散點(diǎn)模型、混合模型等則應(yīng)用不多。不多。 3.1.1規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則格網(wǎng)模型 規(guī)則格網(wǎng)，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)規(guī)則格網(wǎng)，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則格網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)將空間區(qū)域分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每則格網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)將空間區(qū)域分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個(gè)格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值。數(shù)學(xué)上可以表示為一個(gè)矩陣，個(gè)格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值。數(shù)學(xué)上可以表示為一個(gè)矩陣，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的是一個(gè)

25、二維數(shù)組。每個(gè)格網(wǎng)單元或數(shù)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的是一個(gè)二維數(shù)組。每個(gè)格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個(gè)元素，對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值。組的一個(gè)元素，對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值。 對(duì)于每個(gè)格網(wǎng)的數(shù)值有兩種不同的解釋。對(duì)于每個(gè)格網(wǎng)的數(shù)值有兩種不同的解釋。 第一種是格網(wǎng)柵格觀點(diǎn)第一種是格網(wǎng)柵格觀點(diǎn) 第二種是點(diǎn)柵格觀點(diǎn)第二種是點(diǎn)柵格觀點(diǎn) 規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，特別是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)。它還可以很容易特別是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)。它還可以很容易地計(jì)算等高線、坡度坡向、山坡陰影和自動(dòng)提取流域地地計(jì)算等高線、坡度坡向、山坡陰影和自動(dòng)提取流域地形，使得它成為形，

26、使得它成為DEM最廣泛使用的格式，目前許多國(guó)家最廣泛使用的格式，目前許多國(guó)家提供的提供的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。格網(wǎng)格網(wǎng)DEM的缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部，為的缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部，為避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)描述地形結(jié)構(gòu)。避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)描述地形結(jié)構(gòu)。 3.1.2等高線模型等高線模型 等高線模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一等高線模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一條等高線賦予一個(gè)已知的高程值，這樣一系列等高線條等高線賦予一個(gè)已知的高程值，這樣一系列等高線集合和它們的高

27、程值一起就構(gòu)成了地面高程模型。如集合和它們的高程值一起就構(gòu)成了地面高程模型。如圖所示。圖所示。 等高線通常被保存為一組有序的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)序列，可以認(rèn)等高線通常被保存為一組有序的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)序列，可以認(rèn)為是一條帶有高程值屬性的簡(jiǎn)單多邊形或多邊形弧段。為是一條帶有高程值屬性的簡(jiǎn)單多邊形或多邊形弧段。 通常使用相鄰的兩條等高線的高程進(jìn)行空間插值。通常使用相鄰的兩條等高線的高程進(jìn)行空間插值。 3.1.3不規(guī)則三角網(wǎng)不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型模型 盡管規(guī)則格網(wǎng)盡管規(guī)則格網(wǎng)DEM在計(jì)算和應(yīng)用方面有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也在計(jì)算和應(yīng)用方面有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在許多不足存在許多不足: l)在地形平坦的地方，存在大量的數(shù)據(jù)冗余在地

28、形平坦的地方，存在大量的數(shù)據(jù)冗余; 2)在不改變格網(wǎng)大小的情況下，難以表達(dá)復(fù)雜地形的突變?cè)诓桓淖兏窬W(wǎng)大小的情況下，難以表達(dá)復(fù)雜地形的突變現(xiàn)象現(xiàn)象; 3)在某些計(jì)算方面，如通視問題，過分強(qiáng)調(diào)格網(wǎng)的軸方向在某些計(jì)算方面，如通視問題，過分強(qiáng)調(diào)格網(wǎng)的軸方向。 不規(guī)則三角網(wǎng)是另外一種數(shù)字高程模型的表示方不規(guī)則三角網(wǎng)是另外一種數(shù)字高程模型的表示方法，它既減少規(guī)則格網(wǎng)模型中數(shù)據(jù)冗余問題，同法，它既減少規(guī)則格網(wǎng)模型中數(shù)據(jù)冗余問題，同時(shí)在計(jì)算時(shí)在計(jì)算(如坡度如坡度)效率方面又優(yōu)于純粹等高線模型，效率方面又優(yōu)于純粹等高線模型，如圖所示。如圖所示。 隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，DEM成為國(guó)家空間

29、基礎(chǔ)建設(shè)的成為國(guó)家空間基礎(chǔ)建設(shè)的基本數(shù)據(jù)之一?；緮?shù)據(jù)之一。 隨著人們對(duì)隨著人們對(duì)DEM的需求層次變化和應(yīng)用目的不同，很多情的需求層次變化和應(yīng)用目的不同，很多情況下需要中小比例尺的，或者說是隨人類的視覺變化而變況下需要中小比例尺的，或者說是隨人類的視覺變化而變比例尺的比例尺的DEM。因此對(duì)。因此對(duì)DEM的處理都集中在多尺度表達(dá)，的處理都集中在多尺度表達(dá)，現(xiàn)階段更多的討論現(xiàn)階段更多的討論DEM具有多比例尺、多精度、多源和多具有多比例尺、多精度、多源和多分辨率等特點(diǎn)。分辨率等特點(diǎn)。 長(zhǎng)期以來對(duì)長(zhǎng)期以來對(duì)DEM尺度特征方面的研究主要集中在數(shù)據(jù)尺度特征方面的研究主要集中在數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)精度層面，前者如

30、多尺度組織和數(shù)據(jù)精度層面，前者如多尺度DEM數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)組織、表達(dá)及其應(yīng)用表達(dá)及其應(yīng)用;后者則重點(diǎn)研究后者則重點(diǎn)研究DEM尺度所引起的不尺度所引起的不確定性問題，包括確定性問題，包括DEM尺度對(duì)地形表達(dá)的精度影響研尺度對(duì)地形表達(dá)的精度影響研究和究和DEM分辨率對(duì)地形分析、地學(xué)模型的影響分析等。分辨率對(duì)地形分析、地學(xué)模型的影響分析等。 在當(dāng)今不同比例尺、不同分辨率、不同精度的在當(dāng)今不同比例尺、不同分辨率、不同精度的DEM共共存局面下，尺度問題是急需解決的核心問題，這不但存局面下，尺度問題是急需解決的核心問題，這不但是是DEM和地學(xué)模型在集成上的根本保證，也是和地學(xué)模型在集成上的根本保證，也是D

31、EM數(shù)據(jù)推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵。 (l)地理尺度。因?yàn)榈乩沓叨?。因?yàn)镈EM是區(qū)域地形表面的數(shù)字化是區(qū)域地形表面的數(shù)字化表達(dá)形式，本身就具有地理尺度的含義。表達(dá)形式，本身就具有地理尺度的含義。DEM所所表示的區(qū)域范圍彈性很大，從幾平方公里到覆蓋表示的區(qū)域范圍彈性很大，從幾平方公里到覆蓋全球范圍都有可能。全球范圍都有可能。DEM的地理尺度直接決定著的地理尺度直接決定著的其它尺度和的其它尺度和DEM應(yīng)用目的。應(yīng)用目的。 (2)采樣尺度。由于采樣尺度。由于DEM是對(duì)區(qū)域地形表面的抽樣，故是對(duì)區(qū)域地形表面的抽樣，故采樣尺度具有原始數(shù)據(jù)尺度和樣點(diǎn)尺度兩種類型。采樣尺度具有原始數(shù)據(jù)尺度和樣點(diǎn)

32、尺度兩種類型。 樣點(diǎn)尺度主要包括采樣時(shí)樣點(diǎn)的密度及其分布。樣點(diǎn)樣點(diǎn)尺度主要包括采樣時(shí)樣點(diǎn)的密度及其分布。樣點(diǎn)尺度對(duì)尺度對(duì)DEM的地形模擬精度有著重要的影響。的地形模擬精度有著重要的影響。 (3)DEM結(jié)構(gòu)尺度。結(jié)構(gòu)尺度。 與高程數(shù)據(jù)精度不同，垂直分辨率反映高程數(shù)據(jù)最小與高程數(shù)據(jù)精度不同，垂直分辨率反映高程數(shù)據(jù)最小的增量范圍，而高程數(shù)據(jù)精度則是采樣和內(nèi)插過程中的增量范圍，而高程數(shù)據(jù)精度則是采樣和內(nèi)插過程中誤差的綜合影響，如我國(guó)誤差的綜合影響，如我國(guó)1:5萬(wàn)萬(wàn)DEM，其垂直分辨率，其垂直分辨率為為dm，相鄰兩個(gè)單元的垂直分辨率可相差一個(gè)增量單，相鄰兩個(gè)單元的垂直分辨率可相差一個(gè)增量單位即位即0.l

33、m，但并不意味著這兩個(gè)格網(wǎng)單元的數(shù)據(jù)精度，但并不意味著這兩個(gè)格網(wǎng)單元的數(shù)據(jù)精度也是也是0.lm，其高程數(shù)據(jù)精度在，其高程數(shù)據(jù)精度在419m范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 (4)表達(dá)尺度。由于將表達(dá)尺度。由于將DEM這種數(shù)字產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為模這種數(shù)字產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為模擬產(chǎn)品，則要按一定的比例輸出，此時(shí)表達(dá)尺度擬產(chǎn)品，則要按一定的比例輸出，此時(shí)表達(dá)尺度就是制圖尺度。就是制圖尺度。 (5)分析尺度。由于地形參數(shù)如坡度、坡向、曲率等的計(jì)算通常分析尺度。由于地形參數(shù)如坡度、坡向、曲率等的計(jì)算通常是在是在DEM上的局部范圍中進(jìn)行的，在形狀上，可以是方形的、上的局部范圍中進(jìn)行的，在形狀上，可以是方形的、圓形的、扇形的等圓形的、扇形的

34、等;在范圍上，可以是單個(gè)格網(wǎng)單元，也可以是在范圍上，可以是單個(gè)格網(wǎng)單元，也可以是整個(gè)整個(gè)DEM范圍。范圍。 但不管怎樣，該局部范圍都是以格網(wǎng)單元的各種組合表示的，但不管怎樣，該局部范圍都是以格網(wǎng)單元的各種組合表示的，這些格網(wǎng)單元的范圍就是分析窗口尺度。這些格網(wǎng)單元的范圍就是分析窗口尺度。DEM地形分析也存在地形分析也存在閩值尺度。即對(duì)地形特征部位的判斷，需要一個(gè)閩值尺度。即對(duì)地形特征部位的判斷，需要一個(gè)閾值閾值，即某一，即某一點(diǎn)上的水流累積量大于給定的閾值，則為特征點(diǎn)，反之不是。點(diǎn)上的水流累積量大于給定的閾值，則為特征點(diǎn)，反之不是。閾值的大小直接影響著所提取的地形特征形狀和數(shù)量。閾值的大小直接

35、影響著所提取的地形特征形狀和數(shù)量。 尺度效應(yīng)是指由尺度變化所引起的對(duì)象表達(dá)和分析結(jié)果上的尺度效應(yīng)是指由尺度變化所引起的對(duì)象表達(dá)和分析結(jié)果上的變化。變化。DEM作為數(shù)字化的地形模型，試圖通過離散的方式作為數(shù)字化的地形模型，試圖通過離散的方式表達(dá)連續(xù)的地形表面，必然受到各種尺度的約束，故表達(dá)連續(xù)的地形表面，必然受到各種尺度的約束，故DEM及其地形分析具有尺度依賴性。及其地形分析具有尺度依賴性。 (一一)單尺度效應(yīng)是指在單一尺度下的地形分析結(jié)果隨尺度的單尺度效應(yīng)是指在單一尺度下的地形分析結(jié)果隨尺度的變化規(guī)律，主要是指變化規(guī)律，主要是指DEM結(jié)構(gòu)尺度和分析尺度，包括結(jié)構(gòu)尺度和分析尺度，包括DEM水平分

36、辨率和垂直分辨率、水平分辨率和垂直分辨率、DEM分析窗口尺度和閩值尺度分析窗口尺度和閩值尺度; (二二)邊界效應(yīng)。邊界效應(yīng)。DEM地形分析中的邊界效應(yīng)一般由分析尺度引起。地形分析中的邊界效應(yīng)一般由分析尺度引起。不論采用何種分析窗口，總是以犧牲邊界信息量為代價(jià)的，并且不論采用何種分析窗口，總是以犧牲邊界信息量為代價(jià)的，并且隨著分析尺度的擴(kuò)大，外圍隨著分析尺度的擴(kuò)大，外圍DEM單元信息量的損失越多單元信息量的損失越多; (三三)交叉尺度效應(yīng)。由于不同尺度所引起的不確定性并不相同，交叉尺度效應(yīng)。由于不同尺度所引起的不確定性并不相同，DEM尺度之間既相互關(guān)聯(lián)又相互約束。交叉尺度效應(yīng)分析就是要尺度之間既

37、相互關(guān)聯(lián)又相互約束。交叉尺度效應(yīng)分析就是要綜合地考慮垂直分辨率、水平分辨率以及窗口分析中的兩者或三綜合地考慮垂直分辨率、水平分辨率以及窗口分析中的兩者或三者發(fā)生變化時(shí)對(duì)地形分析的影響，分析其間聯(lián)系與差異、相互影者發(fā)生變化時(shí)對(duì)地形分析的影響，分析其間聯(lián)系與差異、相互影響和制約以及三者如何交叉影響地形分析結(jié)果等。響和制約以及三者如何交叉影響地形分析結(jié)果等。 DEM的尺度變換就是實(shí)現(xiàn)不同的尺度變換就是實(shí)現(xiàn)不同DEM尺度之間的信尺度之間的信息轉(zhuǎn)移，其研究?jī)?nèi)容包括尺度變換、尺度反演以息轉(zhuǎn)移，其研究?jī)?nèi)容包括尺度變換、尺度反演以及多尺度地形分析模型。及多尺度地形分析模型。 尺度變換通常是指不同水平分辨率之間的尺度變換通常是指不同水