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分形、分维、分数阶微积(1) 精选

已有 11841 次阅读 2013-11-19 21:50 |个人分类:生活点滴|系统分类:生活其它

博主 陈奂生 分形是个什么东西?迄今没有评论,老邪来凑个数吧。这只是老邪的理解,欢迎行家指教(记得好几位博主贴过有趣的分形曲线,肯定有内行的)。

 

陈奂生博主讲:“这里面的无尺度特征却有自相似性,那是否就是说,在一定尺度范围之内(比如A1~A2 ,可以不考虑空间尺度的变化;一种空间尺度(比如a)上所获取的特征,在其他尺度(比如b)上同样适用。这里定义abA1~A2范围之内。”

 

老邪觉得大体上是对的。但是太抽象,欠严谨。太抽象,指的是,如果读者初次接触“分形”这个词,看了这样的解释,恐怕还是不知道是什么东东。这不怪陈博主,例如,360百科的介绍(名片?):“分形,是以非整数维形式充填空间的形态特征。分形可以说是来自于一种思维上的理论存在”。这就不光是抽象、可以说是错的。百度百科则根本没有“名片”,可见要概括而清楚地讲清什么是分形、分维,不是那么容易的事。老邪试试吧。

 

分形(Fractal)最初来自于对自然边界的描述。人们较早就发现,自然边界长度的测量往往取决于测量工具的基本单位。曾经有两个欧洲国家,官方发布的边界长度严重不一致,争执差点引发了战争。后来发现两国测量的基本单位不一致,一个用米,一个用英尺。所以大家同意别打啦,可能只是测量误差。谁用的小,算谁的更精确。大家碰杯拉倒。到1970年代,曼德罗(Mandelbrot)在研究海岸线长度时,发现这不是误差的问题,而是自然边界本身固有的性质。比如海岸线,涨潮落潮,到一定的精度,只能用两条线来描述。如果精度更高,到沙粒的尺度,根本就没法定义海岸线。所以,需要一种新的东东来描述自然边界这种无规则、不光滑的边界线。这是一个跳出传统几何学的、新的概念,没有适当的词来冠名。所以曼德罗用英语和拉丁语杂交出一个新词:Fractal,意思是破碎的干活。进一步研究,才填充了更严谨的(图像)形态学、几何学、和数学上的描述、研究和定义。根据强调的重点,可以叫作分形、分形几何、分维、分数维。。。等等,但基本创新仍然就那么回事。

 

所以,分形并不是来自于一种思维上的理论存在,而是来自于自然地理定量化对数学的推动。

   

在我们国家,在传统的林业调查中,人们已经发现,自然形成的林班(斑)的边界周长和面积之间的关系很难用公式来换算。一般都只能用查表的方式,或比较粗略、非普适的近似公式。同样的,遥感的混合像元主要来自于不同类地物的交界。因此,从不同空间分辨率的遥感图像估算地物分类的面积的时候,会得出差别相当大的数字。问题的根子在分形,具体就是不同地物类别边界的尺度效应。

  

要注意“尺度”这个词本身的多义性。尺度可以用来讲分辨力的大小,也可以用来描述问题涉及的空间范围的大小。所以“A1~A2范围之内”这句话要费点劲,才能猜是什么意思。老邪猜陈奂生博主的意思是ab取值的范围,没有管问题涉及的空间范围。这种情况,老邪习惯于讲,“在地带A1~A2(某规律、公式。。。)尺度在(ab)之间尺不变”。是不是更清楚一些?请指正。

 

所以,跟“尺度效应是遥感科学的核心问题”类似,我们也许可以说“分形是地学尺度效应的核心问题之一”。但是,对真实地物的分形研究仍然严重不足,主要应用似乎局限于计算机模拟和产生一些有趣的图像。

 

1992年,李-StrahlerGeometric-Optical Bidirectional Reflectance Modeling of the Discrete Crown Vegetation Canopy - Effect of Crown Shape and Mutual Shadowing IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,迄今SCI他引247次。其实这篇文章是指出马瑟荣(G. Matheron)和赛拉(J. Serra)一个定理的普遍误用的。今天为了写这个博文查资料,才发现马瑟荣和赛拉原来居然是诞生于1964数学形态学”的鼻祖http://baike.baidu.com/view/76767.htm。所以,遥感科学研究里创新的机会实在是很多的。包括这个分形(分维)在遥感尺度效应研究中的应用。

 

就先写这些吧,读者有兴趣再接着聊。欢迎拍砖。

 



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