城市生态环境规划中的尺度效应与等级结构原理

2023-11-19 理论教育版权反馈

【摘要】：尺度分析与尺度效应研究对于景观生态学有特别重要的意义。等级系统可理解为一个由若干有秩序的层次所组成的系统，具有垂直与水平结构。总的说来，尺度的存在根源在于地球表层自然界的等级组织和复杂性。有人认为，尺度应该为研究空间范围的1/5～1/2，而在应用优势度、形状、聚集度等景观结构指标时，为避免偏差，取样面积必须比斑块大2～5倍。等级系统有垂直结构和水平结构。

尺度一般是指对某一研究对象或现象在空间上或时间上的量度，可用分辨率与范围来描述。在生态学中，空间尺度（spatial scale）是指所研究生态系统面积的大小或最小信息单元的空间分辨率水平，而时间尺度（temporal scale）是其动态变化的时间间隔，而表征生态学组织的最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或体积被称为组织尺度（organizational scale）。关于格局与过程的时空尺度变化是景观生态学的研究热点之一。尺度分析与尺度效应研究对于景观生态学有特别重要的意义。在应用中，尺度经常被理解为空间或时间分辨率，如遥感影像中的空间分辨率，以及基于不同栅格大小的景观模型等，都适用于一定尺度范围。当分辨率发生变化时，需要随着尺度转换而作出必要的调整或综合。

景观中的尺度是景观中生态过程时空特征的变化，景观中的生态过程存在一系列的特征尺度，其生态效应具有尺度依赖性；特征尺度可以通过分析景观的组成结构特征而得出。研究景观的特征尺度是研究景观生态过程的重要内容之一，把有关生态过程或现象放在特定的时空尺度进行研究，是景观生态学的又一重要特色。

等级系统也是尺度科学的概念。等级系统可理解为一个由若干有秩序的层次所组成的系统，具有垂直与水平结构。等级系统的核心之一就是系统的组织性来自各层次间的过程与速率的差异。应用这一理论合理地分解系统，对于景观生态研究有重要的方法论意义。

1.尺度效应

所谓尺度，广义上指在研究某一物质或现象时所采用的空间或时间单位，同时又可以指某一现象或过程在空间和时间上所涉及的范围和发生的频率。尽管通常意义上的尺度是研究对象或现象在空间或时间上的量度，即空间尺度和时间尺度，但尺度还可以指研究对象或过程的时间或空间维、用于信息收集的时间或空间单位、由时间或空间范围决定的一种格局变化等。总的说来，尺度的存在根源在于地球表层自然界的等级组织和复杂性。

尺度选择的不同，将导致对生态格局和过程及其相互作用规律的不同认识。理论上讲，应该选择能够将生物、非生物和人类过程关联起来的最佳尺度，但尺度选择经常受到认知能力和技术的、逻辑的限制。在研究景观格局时，尺度的选择对于减少误差是非常重要的。有人认为，尺度应该为研究空间范围的1/5～1/2，而在应用优势度、形状、聚集度等景观结构指标时，为避免偏差，取样面积必须比斑块大2～5倍。(www.chuimin.cn)

尺度推绎是指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。不同尺度上生态实体和过程的性质受制于相应的尺度，每一尺度都有其约束体系和临界值，在不同尺度的系统之间存在着物质、能量和信息的交换与联系，正是这种联系为尺度推绎提供了客观依据。尺度推绎有图示法、回归分析、半变异系数、自相关分析、谱分析、分形分析、小波分析等方法。

2.等级理论

等级理论（hierarchy theory）是20世纪60年代以来逐渐发展形成的，是关于复杂系统的结构、功能和动态的系统理论。它是基于一般系统论、信息论、非平衡态热力学、数学以及现代哲学等有关理论发展而来的。根据等级理论，复杂系统具有离散性等级层次（discrete hierarchical levels），据此，对这些系统的研究可以简化。一般而言，处于等级系统中高层次的行为或动态常表现出大尺度、低频率、慢速度特征；而低层次行为或动态则表现出小尺度、高频率、快速度特征。不同等级层次之间还具有一定的相互作用，即高层次对低层次有制约作用，低层次则为高层次提供机制和功能。由于低频率、慢速度的特点，高层次对低层次的制约在分析研究中往往可表达为常数。另一方面，由于其高频率、快速度特点，低层次的信息则常常只需要以平均值的形式来表达。

等级系统有垂直结构和水平结构。就其垂直结构而言，有巢式和非巢式等级系统。在巢式系统中，每一层次均由其下一层次组成，二者具有完全包含与被包含的对应关系，如生物分类系统中的界—门—纲—目—科—属—种。在巢式系统中，高层次的特征可以由低层次的特征来推测。在非巢式系统中，不同等级层次由不同实体单元组成，上下层次之间不具有包含与被包含的关系。就等级系统的水平结构而言，每一层次由不同的亚系统或整体元（holons）组成。整体元具有两面性或双向性，即对其低层次表现出相对自我包含的整体特性，对高层次则表现为从属组分的受约特性。

城市生态环境规划中的尺度效应与等级结构原理

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