地理信息科学中尺度问题的30年研究现状

尺度在地学中无处不在,地理信息科学也不例外。自Abler 1987年将尺度列为地理信息的几个重要科学问题之一,30年来,各国学者为尺度问题做了大量的研究工作。试图对这30年的研究作一简单的回顾,明析已解决的部分问题和尚需进一步努力的方向。讨论的重点是Goodchild等提出的5大关键问题,即尺度不变量、改变尺度的能力、尺度效应的度量、尺度作为过程模型中的参数及多尺度方法的实施。通过讨论发现,尺度效应得到了很好的研究,但主要是针对数据尺度,多种尺度（如数据尺度和分析尺度）的联合效应研究仍然严重贫乏;现在有很多转换模型可供使用,但是有些方法的理论基础不够完美;"尺度作为过程模型中的参数"这一问题最任重道远;尺度变换引起的信息量变化缺乏系统研究。这些问题需要引起高度的重视。     

尺度问题研究进展

尺度是与空间现象与过程有关的术语, 关于尺度、尺度效应及尺度转换方面的研究广泛地存在于材料、化学、计算机等领域。在总结地学领域尺度、尺度转换及尺度效应研究的基础上, 着重介绍了近年来在定量遥感领域尺度相关问题的新兴研究进展。     

坐标转换模型尺度参数的假设检验

介绍了基于空间尺度为各向异性的三尺度参数坐标转换模型及其转化形式，从理论上分析了坐标转换中如何对尺度参数进行选择，给出了坐标转换模型中尺度参数假设检验模型的统一表达形式，构造了相应的检验统计量。该检验模型能对三尺度坐标转换模型、双尺度模型和单尺度是的相互转化及尺度参数的显著性等情况进行假设检验。通过该假设检验方法对两算例进行了解算，得出了一些有益的结论。     

陆地植被二氧化碳通量尺度扩展研究进展

定量的估计陆地植被的光合作用,是估算作物产量和净初级生产力的基础。简要介绍了当前国内外CO2通量观测研究的方法以及与尺度问题有关的一些地学问题,重点阐述了陆地植被气孔导度模型和光合作用模型的尺度扩展以及尺度转化方法,总结了从植被叶片尺度到冠层尺度的4种尺度扩展模型(大叶模型、多层模型、两片大叶模型以及多层—两片大叶模型)以及从冠层尺度到群落尺度的尺度扩展方法,并对上述模型和方法的适用范围、应用优势以及存在的问题等进行了分析和讨论,指出对不同的研究对象,选择合适尺度的模型和参数是研究成败的关键。     

坐标转换模型尺度参数的选择及其分析

本文首先介绍了广泛使用的七参数Bursa-Wolf坐标转换模型，指出了基于尺度空间为各向同性的单尺度模型存在不足，分析了尺度参数选择的不同对坐标转换结果的影响。随后给出了三尺度参数坐标转换的数学模型及其参数求解过程，分析了它与单尺度坐标转换模型在理论上的差别，最后通过两个算例对三尺度坐标转换模型与单尺度模型进行了比较与分析，得出了坐标转换模型中尺度参数选择的一些有益的结论。     

地理信息科学中尺度概念的诠释与表达

本文对地理信息科学的尺度概念、尺度效应、尺度变换等进行了总结,提出了尺度外延与内涵联合表达的3×3尺度矩阵,深入剖析了尺度矩阵中的9个尺度子概念。基于尺度子概念的相互作用,讨论了粒度与广度的依存关系,以及时间粒度、语义粒度分别与空间粒度联合表达的基本规则。针对空间关系尺度在空间分析、空间推理中的重要意义,提出并建立了拓扑关系粒度、方向关系粒度、距离关系粒度的计算方法。在完整诠释地理信息科学中的尺度概念基础上,提出了未来关于尺度问题研究的3个方向:尺度概念形式化、尺度效应与不变性、尺度变换与知识发现。     

构造地理要素趋势面的尺度转换普适性方法探讨

当前的遥感科学面临着遥感数据获取能力与数据应用能力之间突出的供需矛盾。尺度问题作为遥感科学中的关键问题,既限制了遥感作为一门科学向系统性、普适性的发展,又限制了遥感应用能力的发展。本文对定量遥感中的尺度问题进行了梳理,包括:遥感与传统站点观测之间的不一致、不同尺度遥感产品之间的不一致、机理模型的尺度适用问题,以及遥感产品与用户需求时空尺度间的不一致。对遥感中的尺度转换方法展开了讨论,总结了尺度转换的关键问题在于原数据信息量不足时引入额外信息和保留关键信息两方面。提出了构造地理要素趋势面的基本构想,搭建了一个具有普适性的尺度转换方法框架。核心内容是充分利用地表环境要素时间、空间上的信息作为先验知识,通过关联遥感观测新信息和先验趋势面生成指定时空尺度的地表要素产品。     

近岸/内陆典型水环境要素定量遥感空间尺度问题研究

近岸/内陆水环境遥感的空间尺度问题研究包括空间变异尺度及遥感监测空间尺度需求,以及多源多尺度遥感数据及定量产品的空间尺度误差两个方面。利用长时序高分一号16 m遥感数据集高时空分辨率的综合优势,采用空间半变异函数分析方法获取了中国近岸/内陆典型水环境要素（以悬浮颗粒物为例）的空间变异尺度。基于水环境要素空间变异的连续性和泰勒级数展开理论,定量化地描述了空间尺度误差解析函数。结果表明,近岸/内陆水体等高动态水体的空间变异尺度平均在150 m以下,而外海等相对稳定水体空间变异尺度在300 m以上。随着空间分辨率的降低,受到空间变异和水环境要素非线性定量反演模型的共同影响,悬浮颗粒物的空间尺度误差显著增大,亟需重点研究区域化的尺度误差校正方法。     

定量遥感升尺度转换方法研究进展

尺度效应是地理科学中普遍存在的现象,制约着遥感等空间科学的发展。发展合理的尺度转换方法以促进遥感技术的全面应用迫在眉睫。本文分别从面—面升尺度转换、点—面升尺度转换两个角度对目前定量遥感领域存在的升尺度转换方法进行综述。其中,面—面升尺度转换方法按照转换原理可分为先反演后聚合、先聚合后反演两种;点—面升尺度转换方法依据定权策略可分为简单平均法、经验回归法、地统计方法、贝叶斯方法等。不同的升尺度转换方法具有各自的特点和优势,本文分别从模型构架、基本原理、特点、局限性和适用条件等方面对现有升尺度转换方法进行分析和讨论,并从离散型与连续型、统计型与物理型、普适型与针对型以及先验知识有和无4个方面总结了现有研究中存在的不足,剖析了升尺度转换研究中存在的问题与挑战,并预测了可能的发展方向。     

空间数据尺度转换问题研究

空间尺度是GIS领域研究的一个热点问题,它几乎影响GIS应用的每个方面.本文首先提出了空间数据尺度转换的重要性和基本概念,总结归纳了常用的尺度转换方法;最后以河南理工大学为例,给出了不同尺度下的空间数据精度损失.     

两种普适性尺度转换方法比较与分析研究

着重阐述了地表空间信息尺度转换的必要性和方法.首先从尺度转换成因分析入手,介绍了两种普适性的尺度转换模型,即泰勒级数展开模型和计算几何模型,并对这两个模型的适用性进行了分析.借助叶面积指数的反演,针对林地、农田、水体3种不同下垫面的试验样区进行了模型的分析比较.结果表明,在拥有小尺度(高分辨率)数据时,泰勒级数模型能够很好的刻画尺度效应,使得尺度效应改正后的相对误差小于1%,获取更为准确的地表参数反演值.遥感尺度转换方法、技术为获取不同尺度的地学信息,为资源调查和环境灾害监测等相关领域的应用提供真实可靠的多尺度数据支持.     

周期基数插值对偶尺度函数和对偶小波

在对二维周期基数插值小波的尺度函数和小波函数研究的基础上,对二维周期基数插值小波的对偶尺度函数和对偶小波进行了研究,得到了一系列重要的结论。     

BASIC TENETS OF A THEORY OF SCALING IN CARTOGRAPHY

The basic principles behind a theory of scaling in cartography are outlined and illustrated with a large number of examples. The following levels of scaling are used in the transformation of “(objective) empirical systems of relationships” to “abstract systems of relationships” for the purpose of their graphic representation: nominal, ordinal, interval, proportional or ratio, and absolute. While the first four levels (nominal, ordinal, interval, and ratio) are similar to those widely identified in the West, the absolute level represents what would be considered a special type of ratio scaling in Western practice. The paper includes criticism of certain graphic methods supposedly used by Western cartographers on maps employing the different levels of scaling (use of symbols differentiated by variations in internal structure, failure to correctly differentiate between interval, ratio, and absolute scaling, etc.). Measurement for mapping purposes should be based on careful analysis of the structure of relationships among the objects of mapping and on their preservation during numerical data transformations and graphic representation. Translated from: Vestnik Leningradskogo Universiteta, seriya geograficheskaya, geologicheskaya, 1986, No. 3, pp. 57-62.     

附有相对权比的总体最小二乘平差

推导了加权情况下附有相对权比的总体最小二乘平差方法,提出了确定相对权比的验前单位权方差法和目标函数最小化法。模拟算例表明,当观测值和系数矩阵的验前单位权方差已知且比较准确时,验前单位权方差法得到的结果与参数真值的差值范数最小;目标函数最小化法的目标函数估值最小,与参数真值的差别比验前单位权方差法的结果稍大。     

基于最小二乘配置的九参数模型在三维坐标转换中的应用

运用传统的布尔莎七参数法进行三维坐标转换时,并未考虑到两坐标系统的公共点坐标误差及三个坐标轴缩放比例不均的问题。引入最小二乘配置法,将公共点误差作为随机信号处理,并增加两个尺度参数解决坐标轴缩放比例不均的问题;推导出基于最小二乘配置的九参数模型及其误差方程,通过实验对比分析表明,该方法可以有效地提高坐标转换精度。     

基于尺度转折点的尺度转换方法研究

如何用一种向上的尺度转换方法使得一幅高分辨率的遥感图像经向上尺度转换后可以生成一幅低分辨率的遥感图像,并且使这幅新生成的图像所描述的地物空间关系、空间格局及破碎程度等信息与实际情况下该尺度下的信息保持一致,损失的信息量最少。如何找到这样一种尺度转换的方法是尺度问题中的核心部分,也是遥感中最终要解决的问题。本文一方面结合景观生态学中有关空间分析和尺度转换的方法及最近提出的基于直方变差图的尺度转换方法,对这些方法加以对比并分析了它们各自的优缺点;另一方面在直方变差图的基础上结合分形理论引入了尺度转折点这一概念。通过各个尺度转折点可以确定各个尺度域。。如何找到不同尺度域之间的尺度转换方法将是本研究的重点。本文拟采用的数据为互联网上的IKONOS天安门地区图像。     

净初级生产力遥感估算模型空间尺度转换

采用基于混合像元的结构分析方法和支持向量机(SVM)算法,建立了高分辨率遥感数据(TM)向低分辨率遥感数据(MODIS)的尺度转换模型,实现了由高分辨率遥感数据获得的NPP向低分辨率遥感数据获得的NPP的空间尺度转换。对低分辨率遥感数据(MODIS)估算的NPP结果进行了尺度效应校正。结果表明:SVM回归模型模拟出的尺度效应校正因子Rj_corrected与1-F中覆盖度草地之间的相关性较高,R2达到0.81。尺度效应校正前的NPPMODIS与NPPTM的相关性较低,R2仅为0.69,RMSE为3.47;尺度效应校正后的NPPMODIS_corrected与NPPTM的相关性较高,R2达到0.84,RMSE为1.87。因此,经过尺度效应校正后的NPP无论是在相关性还是在误差方面有了很大程度的提高。     

On Definition of Geograghic Variable Scaling

IntroductionThe map is a basic form of geographic informationvisualization[1]. To provide space attributes or geo-graphic orders is the basic function of a map. Incartography, according to the different measure ofphenomenal quantitative attribute, four fo…