空间数据尺度转换问题研究

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第卷第期测绘与空间地理信息。年月。空间数据尺度转换问题研究程结海薛华柱胡圣武河南理工人学测绘与国土信息工程学院河南焦作00摘要空间尺度是领域研究的一个热点问题它几乎影响应用的每个方面。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。关键词尺度尺度转换精度中图分类号文献标识码文章编号一一引言空间尺度是地理数据处理分析的前提是空间分析与决策的基础它不仅是地理空间分析的一个基本工具还是空间数据的一个主要属性是空间分析和管理的主要因索之一。空间尺度几乎影响着应用的每个方面尺度认知问题、空间数据的优化表达、综合和信息交流…它是地理信息科学中最重要的问题之一。目前随着口然和人文综合研究的趋势日渐加强和地理信息技术的广泛应用解决“尺度鸿沟'，的地理数据空间尺度融合的要求越來越紧迫在年和年两度提出的优先研究领域屮都包括“尺度“问题的研究欧共体统计署资助了“基于的地理信息的空间转换”的专项研究中国空间数据基础设施建设中也强调要加强多尺度数字地理空间数据框架建设角尺度转换问题的提出在地理科学及许多相关研究领域屮数据來源的一个重要特点是其來自于观测数据而不是实验数据。这些观测数据一般由计数单元采样而得而计数单元的大小又是尺度的指标。因此从数据来源的角度讲其尺度特征往往是被预先决定的。可是在实际研究中观测问题、研究问题以及最终的应用层次之间往往存在尺度的不一致性从而导致了尺度转换在地学和相关学科领域屮的不可避免。另一方面由于空间数据库对尺度的依赖性也决定了尺度转换的必要性。空间数据庫的尺度依赖性表现在在不同尺度上观察空间形态的表示可能不同在特定的尺度上某些空间形态和过程可能会观察不到研究变量之间因果关系的方法会受观察尺度的影响从而使获取的规律或知识岀现偏差甚至错误。由于空间尺度的依赖性某一空间口标随数据模型的尺度不同其目标的特征空间形态、空间关系、属性'也会发生改变从而引起目标结构发生变化。对于几何形状甚至目标维数都会发生改变。在我们所熟悉的尺度范围内要素间的拓扑关系随尺度变化很人如在比例尺的城市地图上儿乎所有的建筑物和街道都被表示因此在这个尺度上建筑物与街道间的拓扑关系是很重要的在比例尺的对应地图上建筑物需要合并到街区单条的街道可能消失这时候街道和建筑物原来的要素类别也消失了取而代Z的是像街区这样的新的类别因而在这个尺度上街区间的拓扑关系收稿口 期—一作者简介程结海一男安徽太湖人讲师硕士主要从事地理信息系统应用研究工作。万方数据第期程结海等空间数据尺度转换问题研究是重点而要忽略建筑物与街道间的拓扑关系若地图比例尺变得更小城镇可能变为一点从而空间维数也发生了变化维面变为维点这就需要尺度维上的变形來处理'如图所示。口。图空间维数的尺度依赖性基本概念尺度尺度是指在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位。乂可指某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率。尺度包括空间尺度和时间尺度两个方面同时尺度往往以粒度和幅度来表达。空间粒度指最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或体积如像元时间粒度指某一现彖或事件发生的或取样的频率和时间间隔。幅度是指研究对象在空间或时间上的持续范I韦I或长度。具体地说所研究对象的范用决定该研究的空间幅度而研究项冃持续多久则确定其时间幅度。尺度是一个使用非常广泛的术语不同的学科领域中对尺度有不同的表述或含义在测绘学、地图制图学和地理学中通常把尺度表述为比例尺大比例尺提供的信息更详细在遥感科学技术屮尺度一般相应于分辨率分辨率的高低代表对同一研究对象可能获取信息量的多与少在地理学、生态学、水文水利学、区域环境分析等学科屮大尺度或粗尺是指大空间范I韦I或长时间幅度它往往对应于小比例尺、低分辨率而小尺度或细尺度一般指小空间范围或短时间幅度往往对应于大比例尺、高分辨率"O尺度转换尺度转换是利用某一尺度上所获得的信息和知识來推测其他尺度上的现象既可以是向上尺度转换也可以是向下尺度转换。根据王劲峰等对尺度转换的定义在对单词直译的基础上统一将较小尺度观测结果获得较大尺度信息的向上尺度转换过程称为尺度扩展而把大尺度上的信息分解到更小的尺度向下尺度转换的过程称为尺度收缩”如表所示。表常用关于空间尺度转换的表述尺度转换的方法向上尺度转换和向下尺度转换方法在基本原理上不一样现分别加以阐述。向上尺度转换方法向上尺度转换是将较小尺度的信息转换到较人的尺度范围这一过程与科学研究中常用的采样非常相似即通过对样本比较精确信息的分析获取更人范围整体的一般信息如均值、方差等。因此向上尺度转换总体来说是一个“集聚"的过程在地理信息分析中地统计分析是常常釆用的方法冲。地统计方法是一种优化估计的技术其基木假设是建立在空间和关的先验模型之上的。假定空间随机变量具有二阶平稳性或者是服从地统计的木征假设。因此它具有这样的性质距离较近的采样点比距离远的采样点更相似相似的程度或空间协方差的大小是通过点对的平均方差度量的。点对差异的方差只与采样点问的距离有关而与它们的绝对位置无关。由于可以通过比较被特定滞后距离分隔的同一随机变量的不同值和在多个尺度上对区域化随机变量的变界性进行量度因而地统计方法常常用來作为向上尺度转换的一种解决方案。区域化随机变量一般采用半变异函数来表示其形式为IV瓦三了S一式中IV为滞后距离等于时的点对数分别为区域化随机变量在位置和时的取值。通过公式可以获得半变界函数的估计值变界函数适合于对一定范围内空间尺度上的变界特征和规律进行研究。变界函数分析多用于尺度扩展但是这种扩。展有一 定限度即受制于变程。地统计算法的最人优点是以空间统计学作为其坚实的理论基础可以克服内插中误差难以分析的问题能够对误差做出逐点的理论估计。它也不会产生冋归分析的边界效应。缺点是复杂、计算量大尤其变异函数为几个标准变异函数模型的组合时计算量更大另一个缺点是万方数据测绘与空间地理信息年变异函数需要根据经验人为选定。向下尺度转换方法。面域加权法面域加权是一种统计变量值保持一致的方法它是基于多边形对多边形的分析即多边形叠加分析?O也有学者将其称为“比例分配”。它的计算步骤是先将目标区和源区叠加分别计算各交义区域的属性值再按冃标区进行计算。这种算法虽然能够保证源区与冃标区的属性值相等但是它假沱属性值在源区内均匀分布的假设是不符合实际的。最大化保留最大化保留是简单面域加权的扩展它假定一个光滑密度函数该密度函数在变量一致的前提下考虑了相邻区域的影响。平滑条件通过要求每个网格单元的数值接近它周I韦I个邻近网格单元的平均值达到最小化估计表露曲率的冃的其他的平滑条件根据应用的类型而定。基本步骤如下'对而状研究区域生成标准大小的单元格网对每个单元格利用前述面积比重法进行赋值对每个单元格利用其邻域单元计算结果进行平滑汇总整个源区单元格网得到源IX属性值前后两次源区的属性值若不相等则调整每个单元网格里的值以保证每个源区的属性值总数保持不变重复上述的平滑一计算总数一调整的迭代步骤直至对于每个单元來说平滑和凋整的数值之间无明显差别即每个单元值与上一次迭代值相比没有显著差别。该算法不仅保证了源区和目标区之间属性值保持一致而且不要求源区中属性值分布的均匀性。应用实例本文以比例尺的河南理工大学矢量数据为数据源如图所示该数据是通过近地超轻型小数码航空摄影测量技术获取的。选用平台软件的栅格网像处理功能模块将整个校区矢量图栅格化分别以、、、和等不同大小的栅格对其栅格化并统计不同栅格大小下各土地利用类型的面枳。同时对的矢量数据进行各地类的面积妻喧蠡和斑块数统计并将其面积作为基准面积计算各地类的平均斑块面积。将各尺度下各土地利用类型的面积与其基准面积进行比较从而得到不同尺度下各地类的损失面积具公式为。一。’式屮。表示用栅格求算的面积。表示用的矢量数据求出的而积表示而积损失取正值表示比实际的而积大取负表示比实际的小。地类的损失精度计算式是X式中工表示损失精度。图河南理工大学矢量图隐以矢量数据计算整个区域的面积为。对整个区域以不同的栅格大小进行栅格化其损失面积和精度如表和图所示。从图屮可以看出随着栅格由小变大损失面积、损失精度也由小变大。其趋势为在一之内其损失随尺度的变化相对较小在一相对较大当栅格大小为时面积损失达到损失精度为。表整个校区不同栅格大小的面积和精度损失表栅格大栅格大小图损失面积和损失精度下转第页懈叭耋叭㈣帅哪删母、讎罄水羁瞄姗咖啪咖姗万方数据测绘与空间地理信息年据需要后建立然后导入系统建立维城市景观这就需要用数码相机实际野外拍摄再在专业建模软件中建立模型然后导入系统具体技术流程如图所示。图数码相机技术维建模流程图 建筑纹理数据建设纹理采集建筑所需侧而数据通过数码相机实际野外采集。先拍整体再拍局部。建筑物的每个面都要求尽量正面拍摄各个面都要拍摄不要漏拍当不能进行正面拍摄时可在两个面的交接处进行拍摄。有些需要局部拍摄如门、建筑物上的特殊标志和图案等。建筑物顶部纹理通过卫星影像或者航片进行采集。纹理处理采用对数码照片进行矫正处理成正射图片单个纹理不能超过。纹理命名规范根据模型命名规范进行命名。纹理数据入库根据纹理数据库的设计标准进行数据入库。结束语地理信息技术的发展已经由维向维迈进。而维地理信息技术的应用基础是如何建设一个友好而开放的维空问信息库。对于维空间信息库建设我们既借鉴维空间库建设的经验又要取舍维空间库的内容并增加维所独有的数据内容。同时维空间信息库的建设是为维信息系统服务的因此需要和业务信息进行链接才能形成维空问信息服务平台以应用到电子政务和电子商务中。参考文献【】肖乐斌钟耳顺刘纪远等维的基本问题探讨中国图象图形学报—公司软件技术白皮书边馥苓地理信息系统原理和方法北京测绘岀版社】唐权姜永发张雷基于数码技术的大比例尺城市维景观虚拟现实技术江苏测绘上接第页结束语空间尺度儿乎影响着应用的每个方面尺度认知问题、宇间数据的优化表达、综合和信息交流它是地理信息科学屮最重要的问题之一。本文在指出了空问数据多尺度转换重要性的基础上初步探讨了尺度转换的方法并结合实例给出了不同尺度卜•的数据差异。目前有关空间数据尺度转换的理论与方法正处于一种发展的阶段有许多问题现在还没有得到很好地解决有待今后加以深入研究。参考文献李霖应申空间尺度基础性问题研究武汉大学学报信息科学版一】彭懿空间数据尺度转换和尺度效应研究】广州中山大学顾十学位论文胡绍永基于技术的空问数据多尺度表达武汉武汉人学硕士学位论文。孙庆先方涛郭达志空间数据挖掘山的尺度转换研究计算机工程与应用】。孟斌王劲峰地理数据尺度转换方法研究进展地理学报一］孟斌空间过程因子识别与地理数据尺度转换研究北京屮国科学院研究生院博士学位论文一编辑王明曦万方数据