生态学中的尺度问题——尺度上推

尺度推绎是生态学理论和应用的核心。如何在一个异质景观中进行尺度推绎仍然是一个悬而未决的科学难题,是对当今生态学家在全球变化背景下研究环境问题的重大挑战。就目前的研究,一般可分为四大类尺度推绎途径:空间分析法(如分维分析法和小波分析法)、基于相似性的尺度上推方法、基于局域动态模型的尺度上推方法、随机(模型)法。基于相似性的尺度上推方法来源于生物学上的异量关联,可将其思想延伸至空间上,研究物种丰富度、自然河网、地形特征、生态学格局或过程变量和景观指数等。基于局域动态模型的尺度上推方法需要首先确定是否进行跨尺度推绎,以及是否考虑空间单元之间的水平相互作用和反馈,然后再应用具体的方法或途径,如简单聚合法、有效值外推法、直接外推法、期望值外推、显式积分法和空间相互作用模拟法等。随机(模型)法以其它尺度上推方法为基础,根据研究的是单个景观,还是多个景观,采用不同的途径。理解、定量和降低尺度推绎结果的不确定性已经变得越来越重要,但相关研究仍然极少。以上所有有关尺度推绎的方法、途径和结果分析共同构成了尺度推绎的概念框架。

基于植被和环境因子的亚高山森林土壤水源涵养功能空间尺度上推模型构建——以岷江上游杂谷脑流域为例

土壤层水源涵养功能是森林水源涵养功能的主体。目前关于森林土壤水源涵养功能的研究主要集中在林地或坡面尺度上。由于流域尺度,尤其是环境空间异质性强的西南亚高山区流域,如何将林地尺度实测结果上推至流域或更大空间尺度仍是生态水文领域面临的巨大挑战之一。以川西岷江上游杂谷脑流域为研究对象,融合多种森林类型样地实测与流域尺度多源遥感数据,构建了基于植被和环境因子的林地-流域森林土壤水源涵养功能尺度转换模型,实现了流域尺度土壤水源涵养功能快速评价及其空间分布预测。样地尺度研究结果表明各类型森林的土壤水文特性各异,总体表现为天然林优于人工林,混交林优于单纯林。林地土壤持水能力受到区域气候、植被、土壤及地形等因子的共同影响,其中风速、NDVI及林龄与土壤最大持水量、毛管持水量及非毛管持水量均呈极显著正相关(P<0.01)。基于关键植被和环境因子构建的林地-流域土壤水源涵养功能尺度上推模型精度较高,土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量模型拟合优度R2分别为0.700、0.720和0.908;土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量的模型预测值与野外实测值的相关系数介于0.69—0.79之间,平均误差均低于20%,表明模型预测结果可靠。利用构建的土壤水源涵养功能尺度上推模型,估算得出流域尺度森林土壤持水量的空间分布,其结果表明杂谷脑流域森林土壤持水量空间分异明显,海拔较高区域森林土壤持水量最高,其次为距道路和河流有一定距离的缓坡地带,下游干旱河谷地区土壤持水量最低。本研究为亚高山森林生态功能的恢复和提升提供了科学依据和评价工具。

华北落叶松树干液流的个体差异和林分蒸腾估计的尺度上推

2005年6—10月在宁夏六盘山南侧的西峡林场,选择比较均匀的坡面（坡度45°）,布设了20m×20m的华北落叶松固定标准地,应用热扩散茎流计连续测定13株树木的树干液流。结果表明：不同径级树木的树干日液流量存在较大差异,在6—7月,其值变化在11.27～24.46kg·d^-1,变异系数CV为0.298（n=5）;在8—10月,其值变化在5.01～22.25kg·d^-1,变异系数CV为0.454（n=13）。方差分析表明,胸径和液流密度是2个显著影响树干日液流量变异的因子,前者主要通过决定树干边材面积来控制树干液流量大小,它可以解释变异方差的56.9%;树干液流密度可以解释变异方差的34.7%。相关性分析表明,树干液流密度与与林木个体的生长指标（树高、胸径、冠幅和边材面积）无显著相关关系,但与林木的空间指标——树冠重叠度呈显著线性负相关（r=-0.668）,即树干液流密度随树冠重叠度增加而降低,说明树干液流密度主要受其林木所处的空间位置及周围树木遮荫影响而发生变化。最后,利用树干液流密度与树冠重叠度之间的关系,提出基于林木空间差异估计华北落叶松林分蒸腾量的方法,并与常用的基于边材面积的尺度转换方法进行对比。结果表明,2种方法估计的林分日蒸腾量的数值变化趋势基本相同,但基于林木空间差异的方法估计的华北落叶松林分平均日蒸腾量为1.15mm·d^-1,而基于边材面积的方法的估计值为1.32mm·d^-1,前者低于后者13.13%,说明不考虑林木空间特征可能会导致林分日蒸腾量估计值偏大。

遥感影像空间尺度上推方法的评价

首先分析了几种常用的影像质量评价指标在遥感数据空间尺度上推方法评价中的不足,同时提出了已有的关于空间尺度上推方法在评价思路上的不妥之处。引入了空间分辨率和SSIM(structural SIMilarity)2个遥感影像质量评价指标,给出了新的评价思路,并在此基础上对5种遥感数据空间尺度转换方法进行了评价。在本实验中,空间分辨率和SSIM2个遥感影像质量评价指标一致表明,Bilinear和Bicubic方法的结果影像能够更好地接近目标空间尺度下的影像特征。实验表明,依据新的评价思路,采用空间分辨率和SSIM2个评价指标进行空间尺度上推方法表现出较强的有效性和优越性。

多尺度关联规则挖掘的尺度上推算法

多尺度理论已被引入到数据挖掘领域中,但目前多尺度数据挖掘的研究并不深入,缺乏普适性理论与方法。针对上述问题,研究了普适的多尺度数据挖掘理论,提出了尺度上推关联规则挖掘算法。首先基于概念分层理论给出了数据尺度划分和数据尺度的定义;然后根据多尺度理论的研究重点阐明了多尺度数据挖掘的实质及研究核心;最后在多尺度数据理论研究的基础上提出了尺度上推关联规则挖掘算法SU-ARMA(scaling-up association rules mining algorithm)。该算法利用采样理论和Jaccard相似性系数对数据集挖掘结果中的频繁项集进行处理,实现了多尺度数据间知识的向上推导。利用人造数据集和H省全员人口真实数据集对算法进行了实验和分析,实验结果表明算法具有较高的覆盖率、精确度和较低的支持度估计误差,是可行且有效的。

基于VTCI空间尺度上推方法的干旱影响评估

基于关中平原Aqua MODIS条件植被温度指数(VTCI)的干旱监测结果,分别采用分布式和聚合式的主导类变异权重法(DCVW)、算术平均值变异权重法(AAVW)和中值变异权重法(MPVW)对市域单元内VTCI进行空间尺度上推,以获取冬小麦主要生育期聚合后的加权VTCI;以加权VTCI与冬小麦产量间的回归分析精度为参考,选择最为合适的空间尺度上推方法。结果表明:采用分布式获得的加权VTCI与冬小麦产量的回归分析结果整体优于聚合式获得的结果。在分布式的上推过程中,MPVW获得的加权VTCI与冬小麦产量间的回归分析精度较低,DCVW和AAVW的精度均较高,其中DCVW获得的加权VTCI与冬小麦产量间回归分析的决定系数R2达0.64,精度最高,说明采用分布式DCVW对市域单元内VTCI进行空间尺度上推得到的加权VTCI最为合理。

多尺度关联规则尺度上推算法

数据挖掘在多尺度研究方面取得了一些成果。然而,多尺度数据挖掘研究还不够深入和完善。目前针对空间和图像数据的研究较多,对于一般数据的多尺度数据挖掘的研究较少。随着大数据应用的不断发展,其研究显得尤为重要。针对上述问题,进行了普适的多尺度关联规则尺度转换方法的研究。首先,基于包含度的相似度理论提出频繁项集的处理方法;然后,以图像金字塔为理论基础,提出了多尺度关联规则尺度上推算法MSARSUA(Multi-Scale Association Rules Scaling Up Algorithm);最后,利用H省1)全员人口真实数据集、UCI公用数据集和IBM数据集对所提算法进行了实验验证与分析,结果表明MSARSUA具有较高的覆盖率、较高的F1-measure值和较低的平均支持度估计误差,在效率上比Apriori算法和FP-Growth算法有较大的提升,在性能上比SU-ARMA有更好的表现。

基于分形理论的多尺度分类尺度上推算法

目前,多尺度数据挖掘的研究多集中于空间图像数据,在一般数据集上的研究已经初见成果,主要包括多尺度聚类以及多尺度关联规则,但还没有研究涉及一般数据下的分类。结合分形理论思想,将多尺度数据挖掘相关理论、知识和方法应用于分类领域,提出基于豪斯多夫距离(HD)的相似性度量方法;相对于以往对权重的经验定义,文中明确通过广义分形维数的相似性定义权重来提高相似性度量方法的精度;提出多尺度分类尺度上推算法(MultiScale Classification Scaling-Up Algorithm,MSCSUA);实验采用4个UCI基准数据集和1个真实数据集(H省部分人口)进行仿真实验,实验结果表明多尺度分类思想可行有效,并且MSCSUA算法在不同数据集上的性能均优于SLAD,KNN,Decision Tree以及LIBSVM算法。

遥感数据的高斯金字塔尺度上推方法研究

尺度转换是遥感信息科学领域的研究热点,其传统研究方法大多局限于统计模型,对数据的空间结构信息考虑较少,很难满足遥感数据的多尺度表达要求。基于此,针对遥感数据的尺度不一致问题,本文提出了一种利用高斯金字塔的图像模糊特性进行遥感数据尺度上推的方法,在对金字塔每一层的数据高斯模糊的基础上,通过多次连续的降采样,得到一系列不同尺度的数据,从而满足实际应用的空间分辨率要求。为了验证本文所提方法的有效性,本文选择Landsat7 ETM影像和ASTER GDEM为研究数据进行尺度上推,并与传统的最邻近、双线性以及立方卷积等方法进行了实验对比,采用均值、方差、均方根误差、平均绝对误差等评价指标,以及相同分辨率的ASTER GDEM和SRTM DEM的等高线套合结果来衡量高斯金字塔方法的性能。实验结果表明,本文使用的高斯金字塔尺度上推方法能够有效地实现连续遥感数据的尺度转换,在保持遥感数据局部细节特征的基础上,较好地保持了原始遥感数据的信息量以及空间结构特征。

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Landsat数据的条件植被温度指数升尺度转换方法

以陕西省关中平原为研究区域,应用点扩散函数、混合像素面积权重法和中值像素变异权重法将基于Landsat卫星遥感数据反演的分辨率为30 m的条件植被温度指数(VTCI)干旱监测结果上推至930 m的干旱监测结果,并与Aqua MODIS数据反演的分辨率为930 m的VTCI干旱监测结果进行对比分析,以期为两种空间尺度的干旱监测结果的综合应用提供技术支持。以MODIS数据反演的VTCI为参考,应用相关系数、均方根误差、半变异函数的估计值和图像纹理特征等对尺度上推的VTCI进行评价。结果表明,点扩散函数和混合像素面积权重法的尺度上推效果均较好,而中值像素变异权重法的尺度上推效果较差,说明点扩散函数和混合像素面积权重法均适用于研究区域VTCI干旱监测结果的尺度转换,且点扩散函数的数据处理过程更为简单。典型样点VTCI的尺度上推结果表明,空间异质性越小,尺度上推的结果越好。

2种典型荒漠植物多尺度蒸腾日变化特征及其尺度转换研究

针对西北干旱荒漠区水分循环与生态平衡问题,利用热扩散(TDP)探针监测典型荒漠植物梭梭和柽柳的枝条和胸径的液流日变化,并分析不同尺度液流与环境因子的关系及其尺度间的转换方法。结果表明:梭梭和柽柳的枝条和胸径的液流开始时间基本与太阳辐射开始增强的时间一致,且都滞后于温度和水气压亏缺(VPD)的开始升高时间。太阳总辐射是植物液流的启动器,而VPD是植物液流的加速器。不同环境因子对梭梭和柽柳不同尺度液流的影响作用不同,整体相关性大小为:总辐射>光合有效辐射>温度>VPD。梭梭枝条间差异不明显,可以较好的上推出胸径的液流密度,即梭梭枝条尺度和冠层尺度间蒸腾作用可以较好的转换:y=1.925x+0.569,R2=0.956。柽柳枝条间差异较大,枝条液流与胸径液流间的相关性相对较小(y=2.418x+0.808,R2=0.697),把枝条液流上推到胸径尺度需分析不同位置的枝条间液流的差异性及其与微环境的关系,进一步修正尺度上推方程。

尺度政治视角下的曾灶财涂鸦

现代涂鸦发源于欧美国家,近些年来也在中国的城市街巷空间中大量出现,并带来了一定的社会问题。通过梳理国内外学界相关研究成果,阐明了涂鸦具有建构和改变地方意义的作用。在此基础上运用尺度政治理论分析香港著名涂鸦者"九龙皇帝"曾灶财的个案,探讨了3个时期中香港政府、文化精英和曾灶财本人对其涂鸦性质的不同界定,以及相互之间的博弈过程。分析认为:香港政府在曾灶财去世后对其涂鸦的保护并不意味着对这些涂鸦艺术品性质的承认,而是面对文化精英尺度上推策略的妥协。最后探讨了尺度政治理论在当前中国城市涂鸦问题中的应用前景。

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。

机载激光雷达在不同区域尺度森林叶面积指数反演中的应用

机载激光雷达可快速高效获取局部区域的森林叶面积指数,同时还可协同光学遥感数据进行大区域尺度的森林叶面积指数反演监测。为此,本文对比了3种不同区域尺度下森林叶面积指数测量方法的优势和局限性,突出了机载激光雷达在不同监测体系中的作用。结果表明:在条带尺度下的森林叶面积指数监测中,机载激光雷达可在一定程度上有效弥补人工调查的不足;其次,在大区域尺度的森林叶面积指数监测中机载激光雷达可起到承接作用,通过结合少量人工地面调查数据或者直接基于激光点云特征反演得到条带尺度下的森林叶面积指数,并以此为基础结合光学遥感数据可构建点-条带-面尺度上推的森林叶面积指数监测体系。

《人民的名义》中的尺度政治分析

本文运用马克思主义地理学尺度政治分析方法,对?人民的名义?中的大风厂事件进行深入分析,对其他公共事件的解读提供借鉴。根据影响的尺度特征,将该事件分为前期和后期两个阶段,前期为市级尺度,后期为省级尺度。得出的主要结论:1.中国老百姓作为弱势方,尺度上推行为缺乏支持和保护,法律意识淡薄;2.我国司法体系不够完善,对于社会纠纷的解决不够公正;3.我国地方政府的控制力太强,在尺度政治中的立场不坚定;4.网络和主流媒体作为第三方,具有优势和不足。提出的主要对策:1.成立更多的第三方NGO组织;2.引导群众合法、高效维权;3.加强网络媒体管理,健全群众利益表达机制;4.政府要与地方企业保持距离,畅通民意表达渠道,减少决策失误;5.建立健全独立司法体制。

面向生态系统评估的多源数据融合体系

基于生态系统服务功能的生态系统评估是识别生态环境问题、开展生态系统恢复和生物多样性保护、建立生态补偿机制的重要基础,也是保障国家生态安全、推进生态文明建设的重要环节。生态系统评估涉及生态系统多个方面,需要多要素、多类型、多尺度的生态系统观测数据作为支撑。地面观测数据和遥感数据是生态系统评估的两大数据源,但是其在使用时常存在观测标准不一、观测要素不全面、时间连续性不足、尺度不匹配等问题,给生态系统评估增加了极大的不确定性。如何融合不同尺度的观测数据量化生态系统服务功能是实现生态系统准确评估的关键。为此,从观测尺度出发,阐述了地面观测数据、近地面遥感数据、机载遥感数据和卫星遥感数据的特点及其在问题,并综述了这几类数据源进行融合的常用方法,并以生产力、固碳能力、生物多样性几个关键生态参数为例介绍了“基于多源数据融合的生态系统评估技术及其应用研究”项目的多源数据融合体系。最后,总结面向生态系统评估的多源数据融合体系,并指出了该研究的未来发展方向。

森林蒸腾研究发展概述

文章从小尺度蒸腾的尺度上推、蒸腾的影响因素、间伐对蒸腾的影响及林分蒸腾模型的建立4个方面概述了林分蒸腾的测定方法、响应机理、社会生产等问题,重现森林生态系统的蒸腾过程并给出解决方案,以尺度上推中单株林木蒸腾的测定为基础,利用热技术测定样木的液流速率或液流密度计算蒸腾量。机理/经验模型是估计不同立地条件和林分密度森林蒸腾最有效的方法之一,随着测量方法与实验的完善,蒸腾模型的精度将会越来越高。文章总结了蒸腾研究的一些前沿成果,以期为未来相关的水文研究提供理论依据和借鉴资料。

基于空间仿真的仙居县森林碳分布估算

以浙江省仙居县为研究区，基于2008年森林资源二类调查样地（清查样地）数据和LandsatTM影像，用序列高斯协同仿真方法模拟全县森林碳储量及其分布。在此基础上，用总体估计值一致性（OEC）、仿真变动系数均值（ACV）和相对均方根误差（RRMSE）指标分析仿真精度；用设置于清查样地周围的临时样地（验证样地）数据与LandsatTM数据进行森林碳序列高斯块协同仿真，分析清查样地的空间代表性和森林碳分布空间仿真的尺度上推方法。结果表明：仙居县2008年森林总碳储量仿真估计值为2667878Mg，大部分分布在南部和北部山区，中部东西向条带状低海拔区域分布较少；区域碳密度仿真估计值为0～65．66Mg·hm^-2，无论是全部样地还是减少一半样地，仿真结果总体均值均在抽样估计置信区间以内；基于清查样地与基于加密的验证样地森林碳仿真结果表明30m×30m水平样地位置碳密度相关系数达0．95，以清查样地为中心1km×1km块的碳密度相关系数为0．85，说明1km×1km样地仍具有较好的代表性，块仿真效果满意；以（1-RRMSE）／n定义成本效益，则使用一半样地得到的成本效益优于使用全部样地的结果，用此指标有望找到满足给定精度的最经济的样地数量。

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。