DEM及数字地形分析中尺度问题研究综述

基于DEM尺度的概念与类型、DEM地形分析的尺度效应、DEM地形分析尺度研究的关键问题、DEM地形分析尺度研究的方法等几个方面的论述，分析了当前国内外在该领域的研究进展，并指出了今后应重点研究的方向，包括自然地面与DEM模拟地面之间的尺度匹配、尺度冲突与尺度耦合的关系；空间尺度参数对DEM地形分析影响的过程与机理；DEM格网单元地形分析的异质性效应。在尺度层面上，提出不同地形复杂度条件下的DEM地形分析的确定性与不确定性规律，建立以尺度为自变量的多尺度地形分析模型，建立DEM地形分析的尺度转换模型。     

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。     

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。     

顾及斑块面积比的国产卫星土地覆盖产品尺度效应研究

尺度转换可获取不同应用需求下的土地覆盖产品最优表达尺度。但现有针对尺度转换伴随的尺度效应斑块级模型研究通常易受斑块分类的影响。因此，本文通过构建跨类型斑块面积比尺度效应模型，进一步探索斑块形态指标在尺度转换中的作用机制，实现对特定尺度土地覆盖产品中各地类面积的预测，为尺度转换方案提供合理性评价。首先利用信息度量技术定义斑块形态指标集，并通过数学变换将尺度纳入形态指标；然后联合斑块形态指标集和尺度转换前后的斑块面积比构建跨类型斑块面积比尺度效应模型。本文利用国家重点研发计划专项项目生产的国产卫星30 m土地覆盖产品对提出的斑块级尺度效应模型进行构建与验证。结果显示，该模型对林地、耕地、草地和不透水面四种地类在90—750 m共12个目标尺度（以60 m为间隔）上的平均预测误差分别为0.036、0.033、0.034和0.035，对目标尺度土地覆盖产品各地类面积具有较好的预测精度，可为国产土地覆盖产品尺度转换提供理论依据，为高精度产品生产提供技术支持。     

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.     

土地覆盖信息尺度转换的判别空间方法

提出了土地覆盖信息尺度转换的判别空间方法,选取判别向量并对其进行尺度转换,以不同尺度的判别向量构建多尺度判别空间模型,通过在判别空间中进行土地覆盖分类,实现不同分辨率土地覆盖信息的尺度转换。将此方法与常规的优势法和中心点法做尺度效应对比分析,并对各尺度上两种不同分类方法在判别空间中的土地覆盖分类结果进行比较。实验结果表明,该方法进行升尺度转换的结果比常规方法更加稳健,信息缺损更小,从而验证了其在土地覆盖信息尺度转换方面的有效性和适用性。     

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.     

城市规划空间数据的多尺度特征及其关键问题

分析城市规划空间数据的主要特点，指出城市规划空间数据多尺度可视化表达的关键在于建立一个多分辨率的空间以及相应的空间数据模型，其尺度效应及其尺度转换规律的研究必须考虑城市规划空间数据属性的语义层次，通过多尺度处理，新的空间数据集在一定条件下的产生应该是双向的。     

小波变换派生DEM尺度下推适宜性范围探讨

基于DEM进行地形分析时,DEM尺度的转换会引起地形属性的变化。基于小波变换派生多尺度DEM数据,利用选取的地形参数对其数字地形分析适用性进行研究。通过分析DEM尺度转换中的地形分析效应变化趋势,探讨小波变换派生DEM多尺度数据的适宜性范围。     

贵州喀斯特山区矢量数据栅格化最佳尺度选择

针对GIS空间数据尺度效应问题,通过对贵州喀斯特山区的矢量数据栅格化最佳尺度选择研究,提出研究对象的复杂性、空间分析与制图的精度要求和实际运算效率是影响尺度选择的最主要因素,进行多要素、综合性的空间分析时,25 m～30m的栅格数据是最合适的转换尺度。     

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。     

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。     

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。     

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。     

地理国情普查数据的空间尺度转换研究

为了实现地理国情普查中不同尺度地表覆盖分类数据的交叉验证,文章选择郑州、西安等10个地理国情普查试点作为试验区,分析了不同地类在精度损失、景观格局等方面存在的尺度效应,并以林地为例,在空间分辨率6~2 000m的范围内,构建了空间尺度转换模型,估测精度可达92.63%。结果表明:地表覆盖分类数据进行尺度转换时,各种地类都会存在相应的精度损失;基于分辨率、景观格局指数构建的尺度转换模型,可以有效校正粗分辨率地表覆盖数据的尺度误差,为地理国情普查与监测中的质量控制提供参考。     

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。     

叶面积指数遥感尺度效应与尺度纠正

由于地表空间异质性的普遍存在,遥感反演模型的非线性必然会导致不同分辨率观测的遥感结果不一致,从而产生遥感产品尺度效应。本文研究了遥感产品尺度效应概念、模拟方法和定量计算模型,并利用锡林浩特草原研究区的实测数据,对尺度效应模型和方法进行了定量计算与验证分析。首先,基于不同升尺度方法与多尺度遥感成像机理之间的机理联系,通过“先反演再平均”与“先平均再反演”之间的差异,可计算“高”分辨率与“低”分辨率之间的遥感产品尺度差异。其次,分别以红光、近红外两波段反射率和归一化植被指数(NDVI)为自变量,对叶面积指数(LAI)非线性遥感模型进行泰勒展开,研究了模型非线性、遥感数据空间异质性对LAI遥感产品尺度差异的影响,发现高阶项可忽略,利用二阶导数项和遥感数据方差项可定量计算遥感产品尺度差异,经过二阶导数项纠正后的尺度差异相对偏差从5.6%分别降低到0.78%和1.45%。最后,分析了LAI遥感产品尺度效应的特征规律,得出以下结论:随着植被覆盖的增大,同等遥感空间异质性的LAI遥感产品尺度差异越大,且红光波段比近红外波段的尺度差异敏感性高近2个数量级;对于绝大部分陆地植被区域,存在“低分辨率低估”尺度效应,且遥感产品尺度差异的主导要素为LAI模型非线性,NDVI变量自身非线性对尺度效应贡献占23.5%;对于湿地类植被与水体混合情形,NDVI变量非线性的贡献为主导贡献,出现“低分辨率高估”尺度效应,必须利用红光、近红外两波段的二阶导数项非线性尺度差异,才能解释这一类型的LAI遥感产品尺度效应。本文建立了具有一定普适意义的遥感产品尺度效应定量模拟与尺度纠正方法,对推动定量遥感的尺度问题研究有一定参考价值。     

空间尺度上推转换对影像信息的影响分析

针对尺度上推转换在不同空间分辨率遥感影像的应用结果中所产生的光谱扭曲和失真现象未受到普遍重视这一现象。以福建省河田盆地马尾松林样区为研究对象,采用同时相的1～16m卫星多尺度观测影像,基于最邻近法、双线性内插法、三次卷积内插法以及像元聚合法4种方法,将原始影像转换生成一系列低分辨率影像,并分别与同尺度真实卫星影像的光谱反射率、植被指数、光谱空间结构和影像产品数值进行对比分析,以定量评估升尺度转换对影像光谱信息的影响。结果表明:伴随升尺度倍数的增加,升尺度转换影像的光谱均值、NDVI以及变化趋势与真实观测尺度影像相比呈显著差异;经不同倍数尺度上推后的影像空间信息量和清晰度逐渐下降,其幅度明显低于真实影像的变化结果。建议通过构建经验统计方程对不同传感器数据进行光谱转换,以充分利用多尺度遥感观测优势并保证结果的准确性。     

基于1km格网的空间数据尺度效应研究

由全国1：10万比例尺资源环境遥感数据库生成的1km格网土 利用／土地覆盖成分数据，分析了依据面积最大原则生成1km单一性值栅格数据与原始成分类型数据之间的误差分布，研究了按照面积最大和中心属性值法从1km栅格数据粗化为4，8和10km栅格数据过程中的误差分布特征，并探讨了地貌特征对这种尺度效应的影响，结果显示，1km单一生栅格数据压缩的城镇及居民点的实际面积（减少多于60％），而增加了林地和旱地的面积，对于单元栅格而言，各类的面积误差（成分面积与尺度转换后保留的单一类型面积之间的差值）与相应尺度栅格范围内的土 地利用复杂程度是对应的，由最大面积法的数据尺度转换引起的误差是随着尺度的增大而增加，而中心属性值法转换过程的误差呈现近似随机分布，应用面积最大法转换空间数据尺度中的误差分布受地貌类型的影响是显著的，水田与旱地面积在数据粗化过程中产生的误差在山地和丘陵区明显高于在其地貌类型上的误差，中心属性值法数据化受地貌类型的影响并不显著。     

遥感尺度效应的数值模拟——以叶面积指数为例

遥感尺度效应问题的存在已经严重限制了定量遥感应用的发展,制约了定量遥感反演精度的提高,成为定量遥感研究中亟待解决的热点问题之一。总体而言,对尺度效应从数学上的泰勒级数展开规律分析的理论较多,然而从遥感数据直观模拟的角度较少。为此,本文从叶面积指数出发,利用机载航空WIDAS数据,引入洛仑兹曲线表达了地表变量的异质性。结合不同非线性程度的LAI反演模型及尺度上推聚合方法分析了尺度效应的成因,结果发现,尺度效应是空间异质性和反演函数非线性的综合体现,空间异质性和反演函数非线性程度的增加均会造成尺度效应的增大。