地理數(shù)據(jù)與模型的時空尺度問題

地理數(shù)據(jù)與模型的時空尺度問題第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四科學研究中的“尺度”，是自然科學和社會科學各個學科領域首先必須面對、必須解決的一個基本問題。不同的學科領域，對于“尺度”的定義和概念理解不同。地理學中的尺度最具復雜性和多樣性。量熱儀第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四從廣義上來講，所謂尺度是指研究對象在空間或時間方面的基準尺寸。地理學中的尺度包括兩個方面的含義：粒度(Grain):研究對象的最小可辯識單元

空間粒度時間粒度幅度(Extent):研究對象的持續(xù)范圍空間幅度時間幅度第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四1.多種時空尺度的地理問題2.多種時空尺度的地理數(shù)據(jù)3.兩個具體實例4.建立地理模型的“問題導向”原則第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四全球尺度的問題地帶性和非地帶性規(guī)律全球變化問題厄爾尼諾現(xiàn)象生物多樣性變化………

區(qū)域尺度的問題洲際、地區(qū)尺度的問題國家尺度的問題各種尺度的區(qū)域問題1.1多種空間尺度的地理問題第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

以地質（或地層）年代為時間尺度的古環(huán)境問題研究古生物問題研究………….

現(xiàn)代環(huán)境和社會經濟發(fā)展問題研究千年、百年的時間尺度10年、1年的時間尺度季度、月、天、小時的尺度…………1.2多種時間尺度的地理問題第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.1地理數(shù)據(jù)的多維性

對于一個地理對象，它的具體意義往往需要從空間、屬性、時間三個方面進行綜合描述。在空間方面，需要描述該地理對象所處的地理位置和空間范圍；在屬性方面，需要描述該地理對象的具體內容；在時間方面，需要描述該地理對象產生、發(fā)展和存在的時間范圍。其中，對于時間的描述，需要1個變量；對于地理位置和空間范圍的描述，一般需要2～3個變量；對于屬性特征的描述，至少需要1個以上，多則需要十幾個、甚至幾十個變量?？梢?，地理數(shù)據(jù)具有多維性特征。

第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.2地理數(shù)據(jù)管理——地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）2.2.1數(shù)據(jù)倉庫(DataWarehouse，簡稱DW)的定義DW是依賴于計算機和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的DSS技術，是在決策需求的驅動下產生與發(fā)展起來的。因為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫無法滿足決策支持系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的要求。因此，專為決策服務的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)倉庫就應用而生了。W.H.Inmon（被譽為“數(shù)據(jù)倉庫之父”）對數(shù)據(jù)倉庫的定義是：數(shù)據(jù)倉庫是支持決策過程的、面向主題的、集成的、隨時間變化的、持久的數(shù)據(jù)集合。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.2地理數(shù)據(jù)管理——地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）2.2.2

地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）的定義數(shù)據(jù)倉庫(DataWarehouse）的概念

，定義：地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）是支持地理研究與決策過程的、具有空間、時間和屬性多維特征的、面向特定主題的、持久的數(shù)據(jù)集合。第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.2地理數(shù)據(jù)管理——地理數(shù)據(jù)倉庫（GDW）數(shù)據(jù)倉庫中的基本概念“粒度”，正好與我們地理數(shù)據(jù)的“粒度”相對應，它是指數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)單位中保存數(shù)據(jù)的細化或總合程度的級別。數(shù)據(jù)倉庫的多重粒度的劃分正好對應多種粒度的地理數(shù)據(jù)。相應地，立方體、數(shù)據(jù)分割、分片以及數(shù)據(jù)集市(DataMart)等概念；數(shù)據(jù)組織模式；數(shù)據(jù)追加；切片和切塊、鉆取(drill)、旋轉(pivoting)等操作分析方法都可以平移地理數(shù)據(jù)倉庫。2.2.3

相應的概念、模型和方法平移第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

近10年來，國內外學術界對于中國區(qū)域經濟差異收斂性的討論非常熱烈。有人認為，改革開放以來，中國區(qū)域經濟差異迅速擴大，有人則不以為然；有人認為中國區(qū)域經濟差異的演化過程服從倒U型曲線，有人則認為不盡然；許多學者認為東西部差距差距急劇擴大！究其原因，除了不同學者采用的分析方法、統(tǒng)計指標和考察問題的角度有所不同以外，還有一個更為重要的原因，就是研究的時空間尺度不同。顯然，以下兩點實事是不可否認的：基于不同的空間基本單元，即使采用同一測度指標，衡量相同年份的收入差異，得到結果肯定不同。即使基于相同的空間單元，采用相同的測度指標，在不同的時間段內考察區(qū)域收入差異的收斂性，得到的結果肯定不同。

但是，大部分學者在這個問題的研究中，都忽略了一個基本問題：時空尺度問題！第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

除了按行政區(qū)域劃分外，是否還有其它的空間單元劃分方法？中國區(qū)域經濟差異變化過程呈倒U型？東中西三個地帶及其之間的差異變化呈倒U型？東中西三個地帶之間的差距大于全國省際差異？大于東部地區(qū)的省際差異？地帶之間的差異比省內差異更嚴重？3.1.2與時空尺度相關的幾個問題

區(qū)域經濟差異研究中，區(qū)域單元的劃分與空間尺度密切相關。對于中國，至少可以從如下幾方面劃分：（1）兩分法，即沿海和內陸地區(qū)；（2）三大地帶：東部、中部、西部；（3）六分法：華北、東北、華東、中南、西南、西北；（4）七分法：遠西、北部腹地、南部腹地、中部核心、北部沿海、東部沿海和南部沿海。

（

5）以省級行政單元為基本區(qū)域單元；（6）以地級行政單元劃分；（7）以縣級行政單元劃分。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.1.3幾點初步認識（1）從三大地帶尺度來看，改革開放以來東中西三大地帶間經濟差異在逐漸拉大，地帶內的差異一直在縮小。地帶間的差異對全國總體差異的影響較地帶內差異更為顯著，且影響程度逐漸加深，對總體差異起主導作用。

從省（市、區(qū)）級空間尺度來看，東部的省際差異比較顯著，東部的省際差異比中西部表現(xiàn)得更為突出；新中國成立以來，中部和西部的省際差異一直相對較小，東部的省際差異比較顯著。從地（州、市）級空間尺度來看，東中西三大地帶的省間差異在全國總體差異中的基本格局保持不變，而省內差異是全國整體差異的重要構成部分，省內差異對于全國整體差異的貢獻比三大地帶之間差異和省際差異的貢獻顯著得多。第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四從縣（市、區(qū)）級空間尺度來看，西部省內的縣域差異比東部和中部更為突出，中部省內的縣域差異最?。粬|中西部三大地帶內的縣域經濟發(fā)展體現(xiàn)了地帶內“群體趨同”現(xiàn)象。這就是說，東部大多數(shù)縣（市、區(qū)）的經濟發(fā)展水平較高，而中西部大部分縣（市、區(qū)）的經濟發(fā)展水平均處于落后水平。從時間尺度來看，在大時間尺度（譬如24年）水平上，中國區(qū)域經濟差異的變化過程，基本上服從“倒U型”曲線規(guī)律，但是小時間尺度(譬如23年或22年)水平上來看，它就不再是“倒U型”曲線了，而呈現(xiàn)為一條由幾個U型曲線首尾相接的“復合U型曲線”。3.1.3幾點初步認識（2）第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.2城市景觀格局的空間尺度效應景觀是地理學研究的核心問題之一。景觀格局（包括形態(tài)、結構、分布）隨著時空尺度的變化而發(fā)生變化!已有的研究主要集中在空間尺度效應、尺度選擇和尺度轉換三個方面。目前，對于景觀格局時空尺度規(guī)律，人們還沒有完全認識清楚。譬如，對于最基本的問題：景觀格局研究的時空尺度，究竟應該怎樣劃分？至今仍然沒有統(tǒng)一的答案。我們課題組，對城市景觀格局的空間尺度效應規(guī)律做了一些初步的研究，結果如下：第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四變異函數(shù)是一個綜合性指標，它有3個重要參數(shù)：塊金值（Nugget）C0：表示隨機因素引起的空間異質性，較大的塊金值就預示著小尺度的某種過程不可忽視；h＝0時，基臺值（Sill）C0+C：基臺值越大表示總的空間差異性程度越高,

C表示空間自相關部分引起的空間異質性。塊金值與基臺值之比C0/(C0+C)則反映了隨機因素引起的異質性占總空間異質性的比重。

變程（Range）A0：當h從0增大到A0時，從非零值達到一個相對穩(wěn)定的常數(shù),所以它表示空間變異的最大范圍。景觀多樣性，是一種典型的區(qū)域化變量，它在空間變異規(guī)律(依賴性與空間異質性)，可以用變異函數(shù)來描述：式中：h為兩樣本點的空間分隔距離，Z(xi)與Z(xi+h)分別是Shannon多樣性指數(shù)（SHDI）在空間位置xi和xi+h上的觀測值，N(h)是分隔距離為h時的樣本對總數(shù)。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四0.5km幅度下景觀多樣性的變異函數(shù)：指數(shù)模型

城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四1km幅度下景觀多樣性的半變異函數(shù):球狀模型

城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2km幅度下景觀多樣性的變異函數(shù)：高斯模型

城市景觀多樣性的空間變異規(guī)律第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四不同幅度下景觀多樣性半變異函數(shù)的理論模型及參數(shù)第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.2.2幾點初步認識（1）城市景觀多樣性格局，與空間區(qū)位及人類活動的空間格局息息相關。在城市中心，由于土地成本高昂，主導型景觀是經濟效益較高的商業(yè)文化景觀，并且景觀斑塊聚集度、破碎度大；經濟效益較低的農業(yè)景觀只能分布在城市邊緣區(qū)和郊區(qū)，景觀類型單一，而且斑塊面積較大，破碎度較??；在由城市中向邊緣過渡的中間地帶，景觀類型多樣，空間格局復雜。

（2）城市景觀格局具有明顯的空間自相關性特征，而且這種自相關性具有顯著的尺度依賴性特點。Moran指數(shù)I與Geary系數(shù)c對粒度變化的敏感點相同，均為50m，即在50m的粒度范圍內景觀格局具有明顯的空間依賴性。

(3)城市形態(tài)的自相似性和復雜性，也與空間尺度存在一定的關系。在粒度較小時，各類景觀斑塊之間的分維數(shù)差異較大，而隨著粒度的增大，其分維數(shù)之間的差異逐漸縮小。

第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.2.2幾點初步認識（3）景觀多樣性具有尺度依賴性。隨著幅度的增加，景觀多樣性指數(shù)逐漸增大，多樣性的空間格局也顯著變化。在0.5km幅度下，多樣性指數(shù)的最大值出現(xiàn)在市中心，從市中心向外呈現(xiàn)高低起伏的環(huán)狀模式擴展；隨著幅度增加，多樣性指數(shù)的高值區(qū)向景觀類型變化最劇烈的城鄉(xiāng)過渡地帶和城市化前緣地帶轉移。小尺度下局部的細節(jié)變化顯著，隨著尺度的增加，局部細節(jié)變化逐漸消逝，大范圍的甚至全局的空間格局更為突出。尺度越大，多樣性格局的不平衡性越明顯。

（4）在小幅度下，景觀多樣性的空間變異，主要來自空間自相關部分的貢獻，隨機因素（尺度和測量誤差）貢獻較小。隨著幅度增加，較大尺度掩蓋了更小尺度上的變異，空間自相關部分引起的空間變異對系統(tǒng)總的空間變異的貢獻明顯下降。

第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四4.建立地理模型的“問題導向”原則多種時空尺度的地理問題多種時空尺度的地理數(shù)據(jù)多種時空尺度的地理模型也就是說，地理學研究需要多種尺度的模型，那么，究竟怎樣建立多種時空尺度的地理模型？對于這個問題，無法給出具體答案