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3.1 空间尺度效应

现代社会科学研究中,研究者不可回避以下两个问题:一是项目研究在多大空间范围或多大分辨率空间尺度上进行?二是在某一空间分辨率空间尺度上的研究成果是否能推广到其他空间尺度上?这两个问题的核心概念便是尺度问题,涉及尺度概念、尺度分析和尺度推绎(Cao and Lam,1997;覃文忠等,2007)。“在地理研究中,不能期望在某一尺度上的研究得出的结论能适用于其他尺度上,尺度的每一个变化都会引出新的问题,没有理由假设在某一尺度上的关联在其他尺度上仍然存在。”(McCarthy,Hook and Knos,1982)“空间尺度”是空间综合人文学与社会科学研究的基本范畴,“尺度”作为一个基本的地理概念(Fotheringham,2017),成为大量文献讨论的焦点,这些文献讨论了不同地理背景下由尺度产生的不同作用(Harvey,1968;Moellering and Tobler,1972;Brenner,2001;Tate and Atkinson,2001;Liverman,2004;Paasi,2004;Sheppard and Mc-Master,2004)。Goodchild(2004)表示,“尺度可能是地理信息系统领域最重要的话题”,McMaster等(2008)认为,“尺度是所有地理检索的本质”。在日益全球化的世界体系中,当我们试图去解释某种人文经济社会现象时通常离不开空间,所以“空间尺度”成了众多研究学科的重要话题(沈体雁、于瀚辰,2019)。通常认为,不同进程在不同空间尺度上运行,常常分为微观进程和宏观进程以及局部进程与全局进程。

3.1.1 尺度的概念

“尺度”是一个广阔而深邃的概念,其最基本的含义是“用以对事物属性进行衡量、对比和判断的规范和标准”。不同的学科和领域根据其不同的研究重点和角度,提出了诸多对尺度的理解(Cao and Lam,1997;覃文忠等,2007)。我国著名地理学家、中国科学院院士刘昌明提出:“研究尺度不一样,分析结果就不一样。地理现象在一定比例尺上表现的信息量是不一样的。”

从地理学的角度讲,可将尺度分为以下三类:空间尺度、时间尺度与时空尺度(Lam and Quattrochi,1992)。有学者在时空尺度的基础上将尺度进行了拓展分类,即地图比例尺、地理尺度(观测尺度)、运行尺度和测量尺度(空间分辨率)(Cao and Lam,1997)。其中,①地图比例尺是制图学中最基本的概念,指地图上的距离与实地相应距离的比值,是地图上的线段长度与实地相应线段经水平投影的长度之比。它表示地图图形的缩小程度,又称缩尺。②地理尺度(观测尺度)是指研究的区域大小或空间范围,根据研究对象的不同,可分为大尺度地理研究和小尺度地理研究。例如,分析国家范围内城市分布格局与变化可视为大尺度研究,而监测城市内土地利用变化趋势则为相对小尺度研究。③运行尺度(操作尺度),指的是地学现象发生的空间环境以及范围,通常作为观测现象的最佳尺度。例如,滑坡只有在特定范围内才会发生。再如,研究患者跨城市就医的模式,应在城市层面观察患者流动轨迹,这时城市为运行尺度;研究患者跨国就医的模式,此时国家为运行尺度。④测量尺度(空间分辨率),指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小,是用来表征影像分辨地面目标细节的指标,通常用像元大小、像解率或视场角来表示。空间分辨率是评价传感器性能和遥感信息的重要指标之一,也是识别地物形状大小的重要依据。

3.1.2 尺度效应

当观测、试验、分析或模拟的时空尺度发生变化时,系统特征也随之发生变化,这种尺度效应在自然和社会系统中普遍存在。可变面元理论是地理学中空间尺度效应分析的经典理论(Openshaw,1984)。不同的所选面积单元对分区结果的影响被称为可变面元问题。可变面元问题基于如下事实:存在许多不同的方式,将地理研究区域划分为互不重叠的面元,从而进行空间分析。

从数据的角度来看,尺度表达的是一种度量,描述了数据的不确定性。例如,比例尺就代表了一种空间尺度。比例尺通常指的是地球表面在一张纸上的比例,表达了地图上的距离与地面上相应距离之间的给定比例,并且该比例传统上用于定义地图的详细程度、内容及其位置精度。如果要对地球表面的现象进行分析和可视化,一般选择数据的尺度,包括个体尺度、城市尺度、区域尺度、国家尺度、全球尺度等。我们所关心的现象会随着尺度的变化而变化。然而地球表面是无限复杂的,尺度可以从原子到毫米,甚至到百万千米水平。一旦选择错误的空间尺度,就会导致复杂的分析过程和错误的研究结论。因此需要强烈关注“空间尺度效应”,选择一个恰当的尺度反映我们所关心的现象。

空间尺度效应可以分为两个方面。一方面是现象本身的尺度效应。不同类型的人文经济社会过程往往对应不同的空间尺度,例如,国家宏观经济政策的实施对应于全国尺度,而各地的招商引资政策的实施对应于本地尺度。另一方面是现象之间关系的尺度效应。某种人文经济社会现象往往可能是由多个不同尺度的空间过程共同决定的。例如,天气和潮汐就是由大量不同空间尺度的过程决定的;一国的工资水平以及商品和服务的价格往往受国际的、本国的和地方的各种经济社会因素的影响;海洋鱼类密度的下降可能是全球气候变化和当地过度捕捞的函数;传染病对社会的影响不仅取决于传染病扩散模式,还在很大程度上取决于当地的药物供应情况(Fotheringham,2017)。可见,“尺度”不仅是描述和检索人文经济社会现象的重要参考,也是解释人文经济社会发展规律和打开社会复杂性黑箱的一把“钥匙”。生态学、地理学、经济学、景观学等一系列人文社会科学都在尝试对同一现象的不同空间尺度进行探讨和描述。过小的尺度会导致干扰过多无法发现规律,而过大的尺度则会导致空间的平均化掩盖了规律,只有恰当的尺度才能够发现规律(沈体雁、于瀚辰,2019)。 mXSIAX7g051qp08aqE8HTbSMFP4r3eqnoGzgJYXBq9Zx+T23vW6zv7FGnFanqqdB

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