来源：《武汉大学学报·信息科学版》2018年12期
作者：李志林，王继成 , 谭诗腾 , 徐柱
第一作者：李志林, 博士, 教授, 研究方向为地图学、地理信息理论及遥感信息提取等。
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摘 要：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。
关键词：地理信息科学 尺度问题 尺度驱动 多尺度
1 尺度：地理信息科学中的关键主题之一
尺度在地学领域中是一个比较古老的科学问题。在地理学中，可塑性面积单元问题(modifiable areal unit problem, MAUP)早在1934年就由Gehlke等[1]提出。自Openshaw[2]于1984年发表《The Modifiable Areal Unit Problem》后，这个问题受到越来越广泛的关注。在地图学中，地图综合是一个地图的尺度问题。从文献[3]中可知，早在1866年，Emil von Sydow就对地图综合作了定义[4]。自20世纪60年代中起，地图综合进入了数字化时代。如何从最近更新的大比例尺地图中通过地图综合来自动更新小比例尺地图是现阶段的一个热门课题。
事实上，在泛地学领域中，尺度无处不在。也就是说，所有地学科学中都存在着类似的尺度问题，如地形学[5]、海洋学[6]、土壤学[7]、生物学[8]、社会科学[9]、水文学[10]、环境科学[11]等等。
在地理信息科学领域，Abler 1987年发表的文章中[12]介绍道，早在1983年，美国国家航空和宇宙航行局(NASA)召集部分著名学者讨论关键科学问题，空间数据的多尺度表达是其中之一;而且多尺度表达已被列入该研究中心(80年代初成立)的首批12个课题中。在遥感领域，Woodcock等[13]也于1987年发表了该领域的第一篇关于尺度的文章，文中通过实验分析了尺度对影像信息表达的影响。
本文认为，文献[12]吹响了地理信息科学领域尺度问题研究的进军号，具有非常重要的历史意义。此后，多尺度表达便成为国际地理信息学界的研究热点[14]，欧盟自然科学基金会也将多尺度表达和地图综合列为主要研究课题[15];世界各国(加拿大、中国、英国、法国、德国、荷兰、瑞典、瑞士等)都对尺度问题极为重视。尺度问题也受到有关国际学术组织的特别关注，国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)于2000年设立空间数据多尺度表达工作组;国际地图制图学会(ICA)于2003年将地图综合自动化工作组升级为委员会。美国的大学地理信息科学联合会( UCGIS)一直将尺度列为重点研究课题之一[16]，其最新推荐的课题包括空间本体论(spatial ontologies)、地理表达(geographic representation)、空间数据获取与集成(spatial data acquisition and integration)、尺度(scale)、空间认知(spatial cognition)、空间及时空分析与建模(space and space/time analysis and modeling)、地理信息的不确定性(uncertainty in geographic information)、可视化(visualization)、地理信息与社会(GIS and society)以及地理信息工程，包括分布式计算、空间信息基础设施、空间数据挖掘等。
自1987年以来，关于尺度的文章不断涌现，而尺度至今仍然是地理信息领域的热点问题。图 1是对1987-2017年这30年在地理信息领域的主要国际期刊发表的文章题目中关键词做的统计。这些期刊包括《International Journal of Geographical Information Science》(IJGIS)《ISPRS International Journal of Geo-Information》《Transactions in GIS》《GeoInformatica》及《Cartography and Geographic Information Science》。这些关键词源于UCGIS的研究议程及ISPRS的地理信息有关委员会的研究内容。
图 1 1987-2017年主要期刊文献中尺度(scale)作为关键词出现的频率
自1996年以来，国际上关于尺度研究的专辑和专著也不断涌现。专辑如《Scaling up in Hydrology Using Remote Sensing》[17]《Scale in Remote Sensing and GIS》[18]《Scale Dependence and Scale Invariance in Hydrology》[19]《Modelling Scale in Geographical Information Science》[20]《Scale and Geographic Inquiry: Nature, Society, and Method》[21]《Generalization of Geogra-phic Information: Cartographic Modelling and Applications》[22]《Scale Issues in Remote Sen-sing》[23]《Integrating Scale in Remote Sensing and GIS》[24]，专著如《Algorithmic Foundation of Multi-scale Spatial Representation》[25]《Scale in Spatial Information and Analysis》[26]。
近年来，国内关于尺度的研究也十分活跃。如艾廷华等[27]提出了4种空间数据的多尺度表达的技术策略;刘学军等[28]、汤国安等[29]对数字高程模型中的尺度问题进行了综述;刘凯等[30]探讨了地理信息尺度的概念及转换; 李小文等[31]分别对尺度问题和遥感中的尺度问题进行了综述;邓敏等[32]提出了一种融合尺度特征的预测方法;李霖等[33]就空间尺度的基础性问题展开研究;李德仁等[34]认为在地理国情监测中，尺度是关键参数之一。也有地理信息尺度相关的论文集面世，如《数字地图综合进展》[35]。特别值得一提的是北京师范大学地理学与遥感科学学院于2014年2月21日召开的“遥感尺度效应与尺度转换”学术研讨会。会上，李小文、刘昌明、傅伯杰等十几位学者各自发表了对尺度问题的见解。如刘昌明提出“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”;傅伯杰指出“地理现象在时间、空间尺度的表征，随着观测时空分辨率的变化，获得的信息也在变化;不同的研究对象有其对应的时间空间尺度，需要研究与发现其时空尺度特征;观测尺度与地理现象的时空尺度要匹配”[36]。
综上所述，自Abler于1987年将尺度列为地理信息的几个重要科学问题之一到今天，已经过了30年。本文试图对地理信息科学中尺度问题研究之30年作一简单的回顾。
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