地学数据异质性度量及尺度转换行为特征的探索性研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张文彬 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 葛咏 |
| 关键词 | 地球科学数据 尺度转换 空间异质性 空间统计 信息论 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 地球科学数据是地理系统的重要表达方式之一，其中蕴涵了地表格局及其过程的特征与属性。然而受限于目前的观测技术与手段，地球科学数据往往依附于某一特定观测尺度。尺度效应作为地理系统的一个本质特征，会使得地球科学研究对象的结构、功能、状态等随尺度的变化而发生相应变化，从而具有不同的尺度转换行为特征。这使得地球科学数据仅仅能提供有关其观测尺度上的，相关地球科学研究对象的地表格局与过程信息。当地球科学数据的观测尺度与研究尺度或模型尺度不匹配时，相应的研究结果与结论可能会产生偏差。这是因为当前观测的地球科学数据无法提供有关研究对象在其他尺度上的真实信息。通过改变观测数据的支撑实现尺度转换是这一问题的有效解决途径。事实上，地学数据的尺度转换长期以来都是地球信息科学的研究课题之一，并在理解与预测地表格局与过程中扮演重要角色。尺度转换的本质在于利用某一尺度上所获得的信息和知识来推测其他尺度上的现象，或将某一尺度的信息转换为其它尺度下的信息。虽然已经发展出一系列的尺度转换方法，但大部分方法依赖于纳入额外的辅助变量信息，或研究对象本身的尺度转换信息。针对研究对象的空间变化特征，半变异函数的正则化是鲜有的对其尺度转换行为进行讨论的方法。然而，半变异函数的使用受限于连续型空间数据。随着类别型空间变量的重要性日益提升，如何描述和测量类别型空间变量的异质性特征及其尺度转换行为，并将其用来系统地指导相应地球科学数据的尺度转换是当前需要解决的问题。 本论文定位于发现类别型空间变量的观测数据在不同尺度下的关联性，从而辅助其实现尺度转换，并最终服务于与尺度效应相关的地理分析过程。在综述目前空间关联性测度及尺度转换方法的基础上，根据类别型空间变量的特征，以空间统计学和信息论为理论基础，首先对类别型空间数据所蕴含的地表格局异质性特征进行定量化表达，随后进一步对所提出的空间异质性格局指标的尺度转换行为特征进行分析，最终将其用来指导地球科学数据的尺度转换。本论文的核心研究内容包括： （1）类别空间数据的综合空间关联性刻画方法。针对类别数据状态间的差异性无法直接度量的特点，从频率域入手提出一种用于类别型空间变量的空间关联度量——空间熵图，其中空间关联性由互信息量化。互信息旨在通过观察到的不同位置的成对随机变量的联合频率分布与各自边际频率分布之和的差异来计算其所共享的信息。现有针对类别空间变量的测度主要关注状态间的关系，但空间熵图从整体上模拟了类别空间变量的空间相关性。这样，空间熵图带来了多重优势，例如，简化了类别变量的空间结构表示，从而方便了交流；此外，空间熵图还反映了状态之间空间相关性的变化，从而反应空间异质性特征。 （2）空间关联性测度随支撑尺度变化的尺度转换行为特征。类别空间数据在尺度转换过程中往往以观测尺度的空间格局特征为指导，而忽略了空间关联性的尺度转换行为特征。本文参考变异函数正则化的思路，建立了空间熵图的正则化理论，通过理论推导出空间熵图的尺度不变性特征。同时针对不同类型的下垫面进行多尺度情景的空间关联性测度的计算，一方面将空间熵图同现有空间关联测度在尺度转换行为上进行对比，另一方面对所推导的空间熵图尺度不变性特征进行验证。 （3）基于空间熵图的类别空间数据尺度转换方法。不论是对类别空间数据进行插值还是尺度转换，传统的方法都需要针对每种类别状态分别进行操作得到对应的分数图像，再通过分数图像的数据融合得到最终结果。本文在研究内容（1）和（2）的基础上，从类别空间变量的频率域入手，在复杂性视角下提出基于空间熵图的普通空间插值方法，实现了类别空间数据的综合性空间插值。同时结合空间熵图的尺度不变性特征，所提出的空间插值方法能够直接对不同支撑下的任意位置处的类别空间变量的实现进行估计。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 130 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199864]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张文彬. 地学数据异质性度量及尺度转换行为特征的探索性研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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