地理学：尺度、复杂性与非线性

尺度、复杂性与非线性——现代地理学关注的重要科学问题徐建华中国东西合作研究中心华东师范大学电话：[phone]E-mail:[e-mail]:地理学中的多尺度问题“尺度”，是自然科学和社会科学各个学科领域首先必须面对、必须解决的一个基本问题。不同的学科领域，对于“尺度”的定义和概念理解不同。地理学中的尺度问题最为重要，它最具复杂性和多样性。何为“尺度”？从广义上来讲，所谓尺度是指研究对象在空间或时间方面的基准尺寸。地理学中的尺度包括两个方面的含义：粒度(Grain):研究对象的最小可辩识单元空间粒度时间粒度幅度(Extent):研究对象的持续范围空间幅度时间幅度地理学中的尺度问题地理学家并不陌生空间尺度：地图（比例尺），遥感影像（分辨率），景观（尺度），......时间尺度：地理系统演化过程——考察的时间区间，仿真的时间步长，......地理学时空尺度的复杂性海岸线测度问题：英国海岸线究竟有多长？长程相关问题：干旱愈久，愈可能出现持续的干旱？.......多种空间尺度的地理问题全球尺度的问题地带性和非地带性规律全球变化问题厄尔尼诺现象生物多样性变化区域尺度的问题洲际、地区尺度的问题国家尺度的问题各种尺度的区域问题多种时间尺度的地理问题以地质（或地层）年代为时间尺度的古环境问题研究古生物问题研究………….现代环境和社会经济发展问题千年、百年的时间尺度10年、1年的时间尺度季度、月、天、小时的尺度…………地理问题尺度-结构（据：鲁学军等修改，《地理科学进展》，2004，第2期）尚待研究的地理学尺度问题发现多尺度特征的地理问题；发展尺度-结构分析模式，包括尺度联系的分析方法；探索空间尺度转换方法，包括尺度上推方法与尺度下推方法；在理论和方法上，需要解决空间尺度转换中统计单元的变更问题；时间尺度与系统演化的关系问题。............尽管地理学中尺度问题的存在，历来已久，但是引起地理学家的重视，还是近二十年的事情。无论在理论、方法和技术方面，目前仍处探索阶段，需要进一步深入研究：例1:中国区域经济差异问题研究国内外学者做了大量的很有价值的研究工作，既有理论研究，也有实证研究；既有现状考察，也有历史回顾，又有未来的预测；还有差异产生的原因分析。不同学者得出的结论存在较大的分歧：有人认为，改革开放以来，中国区域经济差异迅速扩大，有人则认为存在局部的或条件收敛；有人认为，中国区域经济差异的演化过程服从倒U型曲线，有人则认为不尽然；有人认为，三大地带（东中西部）差异是总体差异的主要构成，有人则认为更小空间尺度上的差异是总体差异的主要构成。不同学者采用的时空尺度不同！不同学者得出的结论为何存在较大的分歧？究其原因，除了分析方法、统计指标、考察问题的角度有所不同以外，还有一个更为重要的原因，即研究的时空尺度不同。不同的空间尺度①两分法，即划分为沿海和内陆地区；②三分法，即三大地带的划分，主要按照“七五”计划以来确定的东部、中部、西部三大地带进行区域划分；③六分法，即划分为六个区，包括华北区、东北区、华东区、中南区、西南区、西北区；④七分法，即划分为七个区域，即远西、北部腹地、南部腹地、中部核心、北部沿海、东部沿海和南部沿海（陆大道）；⑤省级区域的划分，即以省级行政区域（省、直辖市、自治区）为基本空间单元（空间粒度）；⑥县级区域的划分，即以县（市）级行政区域为空间粒度（李小建）。乡镇级区域的划分，即以乡镇级行政区域为空间粒度（李小建）不同的时间幅度尽管许多人采用了相同的时间粒度，即时间步长均为1年，但是采用的时间幅度不同：有人研究改革开放以来的差异变化；有人研究新中国成立以来的差异变化；有人采用了20年的数据，有人采用了30年的数据，有人采用了50年的数据；不同的研究者所选择的时间起始和截止年份不同。倒U型曲线是普遍性规律？收敛过程与时空尺度有无关系？1955、1963年，Kuznets在大量实证分析的基础上，提出了著名的Kuznets曲线。1965，Williamson再次强化了Kuznets曲线理论，他通过大样本的时间序列分析，全国发展水平和地区差异之间的倒U型曲线并非偶然的关系，而是一种规律，法则。从此以后，人们把描述区域差异过程的倒U型曲线称为Williamson法则。无独有偶，我国一些学者对于中国区域经济差异变化过程的实证分析，也验证了“Williamson法则”。杨开忠（1994）分析各省份人均GNP的加权变差系数的结论是：省际差异的变化以1978年为转折，大致服从威廉姆逊的倒U型曲线规律；宋德勇（1998）的研究结果表明，中国区域收入差异水平的变化过程呈一条倒U型曲线，但是转折点在1990年，即1990年以前差异减小，而1990年以后差异逐渐扩大。在什么时空尺度上符合倒U曲线规律规律？我们的初步研究运用GINI系数、THEIL系数，在空间尺度上对区域经济发展差异做了嵌套分解；运用空间统计分析方法，研究了区域经济发展水平的空间相关性；运用小波分析方法，在省级尺度上研究了时间尺度与区域差异的演化（收敛过程）的关系。Theil系数的一级嵌套分解1995年省内差异Theil系数1997年省内差异Theil系数1999年省内差异Theil系数2001年省内差异Theil系数地(市)级空间尺度的二级嵌套分解：省内差异省域经济发展水平的空间自相关空间统计：人均GDP的空间集聚类型不同时间尺度下的小波分析结果（I）：差异的演化过程8年和16年尺度下全国省际差异Theil系数8年和16年尺度下东部省际差异Theil系数差异的演化——不同时间尺度下的结果（II）4年尺度下中部省际差异的Theil系数195019551960196519701975198019851990199520002468101214x10-3[S2]Year几点初步认识（1）从三大地带尺度来看，改革开放以来东部及三大地带间差异逐渐拉大，但是中部、西部地带内的差异变化不大。地带间的差异对全国总体差异的贡献较地带内差异更为显著。从省（市、自治区）级空间尺度来看，东部的省际差异比较显著，比中西部表现得更为突出。从地（州、市）级空间尺度来看，三大地带的省间差异在全国总体差异中的基本格局保持不变，而省内差异对于全国整体差异的贡献比三大地带之间差异和省际差异的贡献显著得多。从县（市）级空间尺度来看，西部省内的县域差异比东部和中部更为突出，中部省内的县域差异最小；东中西部三大地带内的县域出现了地带内“群体趋同”现象。空间统计分析的结果表明：上世纪90年代以来，各地经济发展水平的空间相关性越来越明显；东部多为“高-高”，而西部多为“低-低”集聚类型。演化的时间尺度：选定省级空间尺度，从不同时间尺度看：在大时间尺度（16年）水平上，中国区域经济差异的变化过程，基本上服从“倒U型”曲线规律，但是小时间尺度(8年或4年)水平上来看，它就不再是“倒U型”曲线了，而呈现为一条由几个U型曲线首尾相接的“复合U型曲线”。几点初步认识（2）相关文献如下：徐建华,鲁凤,苏方林等.中国区域经济差异的时空尺度分析.地理研究,2005,24(1):57-67.XuJianhua,etal.R/SandwaveletanalysisontheevolutionaryprocessofregionaleconomicdisparityinChinaduringthepast50years.ChineseGeographicalScience,2004,14(3):193-201.XuJianhua,AiNanshan,LuYan,etal.QuantitativeAnalysisofRegionalEconomicDevelopmentDisparityinChinafrom1952to2000.RegionalDevelopmentStudies,2003,9:115-129.鲁凤,徐建华.基于二阶段嵌套锡尔系数分解方法的中国区域经济差异研究.地理科学,2005,25(4):401-407.鲁凤,徐建华(通讯作者).中国区域经济差异的空间统计分析.华东师范大学学报(自然科学版),2007,No.2:44-51.例2:城市景观格局的空间尺度效应景观是地理学研究的核心问题之一。景观格局（包括形态、结构、分布）随着时空尺度的变化而发生变化!已有的研究主要集中在空间尺度效应、尺度选择和尺度转换三个方面。目前，对于“尺度-景观格局-生态过程-演化规律”，并没有完全认识清楚。对于城市景观研究中的基本问题，譬如，时空尺度究竟应该怎样划分才算科学？尺度效应规律？.....，至今仍然没有统一的答案。我们综合运用传统的统计方法；分形理论；空间统计方法；地统计方法；等，对城市景观格局的空间尺度效应规律做了一些初步的研究：城市景观类型的空间自相关性与粒度的关系对应粒度变化，每一种景观类型的分维数：无规律性0.5km幅度下景观多样性的空间格局景观多样性的空间格局1km幅度下景观多样性的空间格局景观多样性的空间格局2km幅度下景观多样性的空间格局景观多样性的空间格局不同幅度下景观多样性半变异函数的理论模型及参数我们初步的认识(I)景观类型空间自相关：Moran指数I。各种城市景观，均具有明显的空间自相关性特征，而且这种自相关性具有显著的尺度依赖性：Moran指数I随着粒度的增大变小。景观形态的自相似性：分维数。对应粒度变化，每一种景观类型的分维数：无规律性。各类景观斑块之间，在粒度较小时，差异较大；但随着粒度的增大，其分维数之间的差异逐渐缩小。我们初步的认识(II)景观多样性具有尺度依赖性：随着幅度的增加，多样性指数逐渐增大，而且其空间格局也显著变化。在0.5km幅度下，最大值出现在市中心；随着幅度增加，多样性指数的高值区向景观类型变化最剧烈的城乡过渡地带转移。空间变异规律：在小幅度下，景观多样性的空间变异，主要来自空间自相关部分的贡献，随机因素（测量误差）贡献较小。随着幅度增加，空间自相关部分引起的空间变异对系统总的空间变异的贡献明显下降。相关文献如下：徐建华,岳文泽,谈文琦.城市景观格局尺度效应的空间统计规律.地理学报,2004,59(6):1058-1067岳文泽,徐建华,谈文琦等.城市景观多样性的空间尺度分析.生态学报,2005,25(1):130-137.WYUE,JXU,WTAN,LXU.TherelationshipbetweenlandsurfacetemperatureandNDVIwithremotesensing:applicationtoShanghaiLandsat7ETM+data.InternationalJournalofRemoteSensing,2007,28(15):3205–3226.谈文琦,徐建华,岳文泽.城市景观格局空间自相关与自相似的尺度研究.生态学杂志,2005,24(6):627～630.YueWen-ze,XUJianhua,WuJia-wei,etal.Remotesensingofspatialpatternsofurbanrenewalusinglinearspectralmixtureanalysis:AcaseofcentralurbanareaofShanghai(1997-2000).ChineseScienceBulletin,2006,51(8):977-986.II.地理系统的复杂性与非线性问题与尺度相关的另一问题是：地理系统的复杂性与非线性问题，1999年Science出版了一个讨论复杂性的专辑。一些地理学家专门就气候、地貌等复杂性发表了文章。Complexityi