地理空间的尺度—结构分析模式探讨解读

地理空间的尺度—结构分析模式探讨

关键字：地理,空间,尺度,结构,分析模式

中图分类号：P901

地理空间在有关地理学研究中，是一个出现频率很高的词汇，例如，地理空间关系、地理空间尺度、地理空间分析等。但是，迄今为止，我们对于地理空间的结构、组成及其特点的研究还不够充分。另一方面，由于地理空间的“巨大性”、“复杂性”、“综合性”，也使得有关地理空间的概念理解具有很大的“差异性”和“争议性”。但是，在地理学中，地理空间既是一个基本概念，对它的明确定义将使地理学与其他诸多相邻学科发生区别；它又是一个核心概念，对它的清晰理解将有利于地理学自身理论与方法的发展。

尺度、空间和人的经验是有关地理空间概念建模的三个重要因素[1]，其中，尺度对于区分“对象”和“环境”尤为重要[2]。一般来说，尺度是研究客体或过程的空间维和时间维，可用分辨率和范围来描述，它标志着对所研究对象细节了解的水平[3]。

在地理学、景观生态学研究领域，“尺度”问题无疑是一个非常重要的问题，国内外有关学者都对其进行了大量、深入的研究，而其研究则主要集中在尺度效应、适宜性尺度选择、尺度转换三个方面[4]。在前两个方面，通过对于包括地貌系统、景观结构变化、生物多样性等大量实际应用的研究[5～7]，人们认识到，某种空间形式（包括形态、结构与过程）会随着（空间）尺度的不同而发生变化，因此，对于某种空间形式的研究应该选择其适宜的尺度。而尺度转换一直是地理学、景观生态学有关“尺度”问题研究的一个热点、难点，也是地理学有关时／空建模与时／空动态模拟分析的一个“瓶颈”。

有关尺度转换研究的一个重要理论就是层次理论(Hierarchy)[8]。应用层次理论来分析地理空间，其结果就是建立一种地理空间等级体系。从目前国内外有关地理空间等级体系的研究现状来看，已经确立或建立了一些相互之间具有可比性的等级体系[9]，但是，对于这些等级体系在不同尺度上的具体结构—“尺度－结构”以及它们之间的转换关系的研究尚显薄弱。

本文试图基于地理学、景观生态学有关研究，应用层次理论，对地理空间在大、中、基本三种尺度上的结构组成进行研究，并对不同尺度上结构组成的地理分析意义以及它们之间的尺度转换关系进行分析，以探讨地理空间的尺度—结构分析模式。

1 大尺度的地带性结构

在全球的大尺度水平上，能够清晰区分对象单元的要素就是气候。在这个尺度上，土壤和植被分类是以气候为指导原则的，所表现的单元就是“地带”。与之相对应，在地带内由地貌等其它因素所造成的对地带内一般特征的偏离就是“非地带性”。20世纪50年代末，由黄秉维主编完成的《中国综合自然区划（初稿）》的特点是：按照气候－土壤－植被等水平地带性因素的地域差异划分自然区；除青藏高原外，对全国其他区域首先划分热量带（后改称温度带），再按水分条件划分自然地区，然后按热量、水分综合条件及其在土壤、植被上的反映划分自然地带；在各自然地带之下，再按地形及其他内部地

域差异，划分自然区[10]。

由此可见，黄秉维的综合自然区划主要包括了从“要素类型划分与组合”直至“自然区”的属于大尺度的几个不同层次上的划分。其中，要素类型划分与组合主要是基于地球表层中的热量、水分、土壤、植被等几个具有水平地带性分布规律特征的自然要素之间的组合，对于地球表层的“温度带”、“自然地区”、“自然地带”的划分；而“自然区”的划分则主要是基于“自然地带”内的地形、地貌以及其他地域性差异，对于自然地带中“自然区（或自然省）”的划分，其中，中尺度地貌类型、顶级植物成分是自然区（或自然省）划分的主要指标[9]。

2 中尺度的区域地理系统结构

“区域地理为地理学之主体”[11]，地理学研究地球表面的地域分异特征，以区域为其研究核心[12]，而区域单位应作为环境和自然资源的整体来认识[3]。显然，相比于大尺度的地带性结构而言，区域地理研究应属于中尺度范畴，即从几十平方公里到几百平方公里、从几十年到几百年。目前，对于中观尺度（区域）的研究越来越受到重视[14]。

中尺度区域地理研究的一个重要方法就是应用系统论、控制论建立区域地理系统：通过对于地理类型单元（如地理景观类型单元）的划分与组合分析，来研究区域的组成与结构；通过对存在于不同地理类型单元之间的相互作用关系的研究，来发现区域不同地理现象的表现形式及其变化过程的动力学机制，以揭示地域分异规律。区域地理系统的研究目的，是要在物质能量守恒原理指导下，揭示区域地理物质、能量的运动规律，这必然涉及到对区域自然地理过程的研究[12]。

中尺度区域地理系统结构如图1所示。图1中，虚线圆表示地理区域，以三种粗细不同的实线圆表示区域三种不同划分级别的地理单元。其中，以最粗实线圆表示区域划分级别最高的地理单元一地理景观类型组合单元；以最细实线圆表示区域划分级别最低的地理单元—地理景观单元；粗细居中的实线圆则表示区域划分级别同样居中的地理单元一地理景观类型单元；以同样三种粗细不同的实线段分别表示存在于三种级别单元中相同级别单元之间的三种相互作用关系。

附图

图1 中尺度区域地理系统结构

Fig.1 Structure of regional geographic system of middle scale

由图1可见，中尺度区域地理系统本身就是一个由不同划分级别单元组成的等级结构体系。为进一步理解这一等级结构体系，我们可以从陈述彭早年对太湖东西洞庭山地区景观分区图的论述[15]得到启示。他指出：景观分区应以全国的景观地带为依据，按照从大区到小区的多级制体系进行划分，这样才能使景观的区域典型研究具有真正的对比性。他所作的“太湖东西洞庭山陆地景观分区系统”（图2）生动阐释了太湖东西洞庭山地区的景观分区多级制体系。

附图

图2 太湖东西洞庭山陆地景观分区系统（引自陈述彭1956）

Fig.2 Division system of terrene landscape region in

weasteast Tong Tingshan of Taihu(From Shupeng Chen,1956)

由图2可见，景观分区图充分依据区域地理现象的空间表现形式及其变化差异，从构造机制角度阐明了区域地理现象在不同级别层次上的景观组合特征。其中，东西洞庭山陆地景观的IYa级区、Y级区和VI级区分别是太湖东西洞庭山陆地景观分区系统的地理景观类型组合单元、地理景观类型单元和地理景观单元。

3 基本尺度的地理景观单元结构

3.1 基本尺度的地理景观单元

对于景观的研究，地理学与景观生态学有着天然的联系。早在20世纪初，帕萨格(S.Passarge)就提出了景观地理学，它的提出标志着用发生学观点和综合分析方法划分地表类型并研究其发展演变的近代地理学的诞生；在20世纪80年代，随着生态系统思想的深入以及新技术的广泛应用，逐渐形成了新一代景观学—景观生态学[3]。

景观生态学认为，景观是由景观要素有机联系组成（或由不同土地单元镶嵌组成）的复杂系统，含有等级结构，具有独立的功能特性和明显的视觉特征，是具有明确边界、可辨认的地理实体[3]。现代地理学则从“功能与结构”相统一的角度视地理景观单元为某种地理现象的完整体现，是对于某个地理实体上不同形态部分和其上所相应发生的不同功能过程的综合表达”[16]，是“一种事、空、时的动态系统”[17]。例如，黄土地貌侵蚀景观单元一般由塬／梁塬、阶地／古沟坡、河漫滩／河床、沟道四种基本地貌侵蚀形态组成，在这些基本形态上依次对应分别发生溅蚀／片蚀、细沟／浅层重力侵蚀、洞穴／重力侵蚀、沟道侵蚀四种基本地貌侵蚀过程，如图3所示。由图3可见，黄土地貌侵蚀景观单元是对分别发生在四种基本地貌侵蚀形态上的四种基本地貌侵蚀过程的综合表达，是对黄土地貌侵蚀景观单元形成过程的完整体现。由于四种基本侵蚀形态上分别发生着四种基本侵蚀过程，因此，四种基本侵蚀形态实质上就是有关黄土地貌侵蚀景观形成的四种“基本功能单元”。

附图

图3 黄土高原地貌侵蚀景观单元

Fig.3 Landscape unit of erosion relief in loess plateau 景观生态学视景观和区域都处于“人类尺度”，即在人类可辨识的尺度上来分析景观结构，把生态功能置于人类可感受的范围内进行表述[3]。从地理空间认知角度来分析，“人类尺度”即是人类的“认知尺度”，而位于“人类尺度”上的地理景观单元应与著名的Rosch认知分类“基本层”相对应。在人类有关现实世界的具有树状结构的认知分类体系中，“基本层”是一特殊分类层，它一方面具有丰富的信息，另一方面又具有最小分类级数[18]；与其它分类层相比，“基本层”具有更高的使用频率、更简单的形态和更易于进入语言的性质[19]。我们认为，作为地理区域的基本组成部分，地理景观单元是人类认识现实地理世界结构与功能的基本空间形式，正是基于地理景观单元，我们才能够实现对于地理区域的直接认识。有关地理景观单元的研究应在“基本尺度”上，基本尺度在空间上从几平方公里到几十平方公里，在时间上则与人类寿命相当，即几十年。

地理景观单元的一种典型表现形式就是“土地利用单元”。我们知道，“土地”是指地表某一地段包括地质、地貌、气候、水文、土壤、植被等各种自然因素在内的自然综合体[20]，由于不同类型的土地具有不同的自然条

件，适宜于生长不同的植被类型，并从根本上影响或限制着人类的一切与土地

利用有关的活动，如农作物的生长、大型基础设施的建设等，因此，“土地”本身是一个功能性系统，而不同类型的土地单元在与某种相适应的人类活动相结合后就形成了不同的土地景观—土地利用单元。因此，土地类型单元是土地利用单元产生的基础，是形成人类丰富多彩、绚丽世界的基础单元。由于土地

类型的空间结构揭示了地域分异与组合的规律，是按归纳途径进行自然地域系

统研究的基础[12]，因此，应用土地类型结构理论进行自下而上自然区划途径

的探讨和研究，对于丰富自然区划理论、深化区域单元的综合研究有重要的意

义[20]。

3.2 地理基本功能单元

事实上，地理景观单元本身就是一个完整的空间系统[16]。如图3所示，黄土侵蚀地貌景观单元一般由四种“侵蚀地貌基本功能单元”组成：(1)

塬、梁塬／溅蚀、片蚀；(2)阶地、古沟坡／细沟、浅层重力侵蚀；(3)

河漫滩、河床／洞穴、重力侵蚀；(4)沟道／沟道侵蚀。我们称为地理基本功能单元。

对于什么是地理基本功能单元，陈述彭选择了东西洞庭山陆地景观Ⅶ级区作为太湖东西洞庭山陆地景观分区系统的基层分区单位—基层景观微区（陈述彭1956），它的划分主要依据两个指标，一是物质迁移运动不可分割

的有机联系，二是景观结构的一致性；根据这两个指标，东西洞庭山的基层景

观微区主要分为两种，一是丘陵山谷型（负类型），二是低平原型（正类

型）。正是基于这样两种不同的基层景观微区，从小到大，依次组合，形成了

太湖东西洞庭山陆地景观分区系统。这两种基层景观微区实际上就是两种不同

的地理基本功能单元。

地理基本功能单元是功能与结构具有“恒定”对应关系的统一体，它最大限度地保证了空间内部的“同构性”，和其上所发生地理过程的“不可分性”，是区域地理系统功能与结构分析的“不变基元[21]”；它与前苏联地理学家伊萨钦科所称的地理“相”[22]相类似，它为现代地理科学实现“空间与过程”的统一研究奠定了根本基础[16]。

有关地理基本功能单元的研究方法及其意义，我们则可以从陈述彭在《大比例尺景观制图方法及其实验》[15]一文中对“地物类型”的论述中得到启示。对于地物类型，陈述彭明确指出：地物类型只能以“景区”和“相”的面目出现。我们知道，“景区”由“相”组成[22]，而“相”则与地理基本功能单元相类似。

文章在对景观综合制图要素图的讨论中，为我们展现了如何研究地物类型各组成要素间复杂的相互作用关系，并指出：地物类型各要素间相互制约

与作用关系分析的越全面，地物类型的分区界线就越易确定，不同地物类型间

也就越便于比较分析。由此，我们可以深刻领会陈述彭在针对“主要只是反映了客观事实与实际材料”的要素图的编制过程中，强调“必须全面分析每一个自然要素所受其他要素的制约关系和程度”的重要意义。由此可见，应从地理要素之间相互关系的角度来研究地理基本功能单元。对于不同的地理基本功能

单元，通过对它们各自的组成要素间相互关系进行分析，有利于从内在本质上

认识它们之间的性质差异，并从外在形式上把握它们之间的界线划分，以研究它们各自的形成机制，从根本上揭示地理现象的内在成因及其发生机理。对于

什么是“地理要素”，我们认为，地理要素可以在地理空间等级体系的各个层次上进行分析，是不同尺度地理单元的基本物质组成，其在性质与状态变化上具有相对一致性、在结构上具有相对单一性、并能够独立存在。地理要素依据其性质、状态与结构的变化情况，分为简单、一般、复杂和组合要素。其中，在基本尺度上地理要素主要表现为简单要素，例如，有关某种地貌单元物质组成的沉积岩、火山岩、变质岩等，有关某种植被单元组成成份的针叶林、阔叶林等。

4 讨论与结论

如前所述，基于地球表层中具有水平地带性分布规律特征的自然要素之间的组合，生成“温度带”、“自然地区”、“自然地带”，并进一步基于“自然地带”中地域性差异生成“自然区”，由此形成地理空间的大尺度地带性结构；基于区域内部不同等级层次上的不同地理类型单元（如地理景观类型单元）的划分，应用系统论、控制论方法对存在于不同地理类型单元之间的相互作用关系进行研究，可建立地理空间的中尺度区域地理系统结构；从“功能与结构”相统一的角度来分析地理景观单元，可建立地理空间的基本尺度地理景观结构。地理空间的尺度—结构分析模式见表1。

如表1所示，基本尺度的地理景观单元研究从根本上揭示了有关地理空间功能与结构表现的基本空间形式—景观单元的功能结构及其要素组成关系，其研究有利于发现不同地理现象的内在成因及其发生机理；中尺度的区域地理系统分析则以有关景观单元的功能结构分析为基础，进一步研究区域内部不同景观类型单元之间的相互作用关系，以发现区域不同地理现象的表现形式及其变化过程的动力学机制，从而揭示地域分异规律；而有关中尺度区域地理系统结构的建立就为大尺度的地理区划研究及其理论阐释建立了基础。因此，与传统综合自然区划对于地理空间的从“要素类型划分与组合”到“自然区划分”的研究方向相反，从基本尺度的景观单元功能结构，到中尺度的区域地理系统结构，再到大尺度的地带与非地带性结构，形成了有关地理空间研究的另一个重要途径。与传统地理学对于地理空间研究的宏观有余而微观不足的特点相比，该途径能够实现现代地理科学的“宏观机制”研究与“微观机理”研究的结合，它对于现代地理科学有关“定性与定量综合集成”的研究具有重要意义。

表1 地理空间的尺度－结构分析模式

Tab.1 Analytical scheme on scale-structure of geographical space

附图

我们知道，地理学在有关尺度效应的研究中产生了著名的“可变面元问题(Modifiable areal unit problem,MAUP)”[23]。在一般情况下，“面元”的划分标准主要是“可操作性”，而不具备本质的地理学意义，因此，这些“面元”的划分非常具有人为性，而以这些“面元”为计算单元进行地理数据的处理与分析，所获得的地学分析结果当然也就具有了可变性。表1中的“结构组成”实质上为有关地理空间结构与功能的表达提供了一种空间等级序列，如果以该序列为地理数据处理与分析的计算单元系列，那么所获得的地学分析结果在“纵向”上也就具有了不变性，而在“横向”上就具有了可比性，这就为有关地理科学计算的进一步研究奠定了基础。为明确界定一定地域空间和时间尺度上的科学问题，尤其搞清不同尺度问题之间的关系，是自然地理学

家可创新和可对全球变化作出独特贡献之处[17]。

如前所述，通过对地理空间进行尺度－结构分析得到的空间等级序列包括大、中、基本三种尺度，其中，从“景观单元”到“景观类型单元”以及从“景观类型组合单元”到“自然区”分别为从“基本尺度”向“中尺度”以及从“中尺度”向“大尺度”进行转换的两个重要“节点”。对这两个重要“节点”，就其转换机制、过程和方法进行深入研究，将会有力地促进地理学有关时／空建模与时／空动态模拟分析的“瓶颈”——尺度转换的研究，并将对现代地理科学的创新性研究及其重大应用产生积极的推动作用。

收稿日期：2003-12；修订日期：2004-03.

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