Page 169 - 《武汉大学学报（信息科学版）》2025年第6期

第 50 卷 第 6 期 武 汉 大 学 学 报（ 信 息 科 学 版 ） Vol.50 No.6
2025 年 6 月 Geomatics and Information Science of Wuhan University Jun. 2025

引文格式：薛丰昌,孙琳丽,李育慧，等 . 城市内涝空间模态识别及其尺度转换模型[J]. 武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(6):
1191-1199.DOI:10.13203/j.whugis20250018
Citation：XUE Fengchang,SUN Linli,LI Yuhui,et al.Spatial Modal Identification of Urban Waterlogging and Its Scale Conver‑
sion Model[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(6):1191-1199.DOI:10.13203/j.whugis20250018
城市内涝空间模态识别及其尺度转换模型

薛丰昌 1,2 孙琳丽 李育慧 佟雅慧 1
3
4
1 中国气象局武汉暴雨研究所，湖北 武汉，430205
2 南京信息工程大学气象灾害地理信息工程实验室，江苏 南京，210044
3 内蒙古通辽市气象局，内蒙古 通辽，028000
4 漳州市芗城区气象局,福建 漳州，363000
摘 要：尺度转换是地理信息科学中的一个重要研究领域，用以实现不同尺度空间数据的整合与客观规律认识。传统地
理信息理论中以地理分辨率大小所定义的尺度不具有更加泛化的适用性，面向机理模型生成的对自然现象内在规律、内
在机理表达的数据的尺度转换问题缺乏深入研究。以不同参数水平模拟的 12 场暴雨积涝数据为研究数据，利用矩阵分
解识别积涝空间模态，以 Frobenius 范数作为约束条件，利用相似变换实现积涝模态权重系数矩阵尺度转换，进而实现暴
雨积涝模拟数据尺度转换。采用平均绝对误差（mean absolute error，MAE）、均方误差（mean squared error，MSE)、决定系
数（R²）作为评估指标，计算 12 个内涝模拟场次的尺度转换精度，每个模拟场次的 MAE 为 0.04~0.11 m，MSE 为 0.001~
0.02 m²，R²为 0.86~0.97，表明其在多参数条件下具有一致性精度；12 个模拟场次整体转换精度 MAE 为 0.07 m，MSE 为
0.01 m²，R²为 0.95，表明模型整体具有良好可靠性。通过识别不同尺度内涝数据所蕴含的空间模态，基于空间模态实现
内涝模拟数据的尺度转换，丰富和发展地理信息尺度转换理论与实现技术。
关键词：城市内涝；空间模态；尺度转换；Frobenius 范数
中图分类号：TP18，P208 文献标识码：A 收稿日期：2025‑01‑28
DOI：10.13203/j.whugis20250018 文章编号：1671‑8860（2025）06‑1191‑09

Spatial Modal Identification of Urban Waterlogging and Its Scale
Conversion Model

3
XUE Fengchang SUN Linli LI Yuhui TONG Yahui 1
1，2
4
1 Wuhan Research Institute of Severe Rainstorms, China Meteorological Administration, Wuhan 430205, China
2 Laboratory of Geographic Information Engineering for Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and
Technology, Nanjing 210044, China
3 Tongliao Meteorological Bureau, Tongliao 028000, China
4 Zhangzhou Meteorological Bureau, Zhangzhou 363000, China

Abstract： Objectives: This paper aims to address the critical challenge of scale conversion in geographic in‑
formation science (GIS) by proposing a novel methodology for transforming multi-scale urban waterlogging
simulation data. Traditional GIS scale conversion theories primarily focus on spatial resolution adjustments
but lack applicability to data generated by mechanism-based models. Such models produce outputs reflecting
the intrinsic laws of natural phenomena, and scale is redefined as the degree of representation of internal
mechanisms. This paper aims to identify spatial modals inherent in urban waterlogging data across varying
parameter-driven scales, to develop a mathematical framework for converting simulation data between
these mechanism-defined scales, and to enrich GIS scale conversion theory by integrating spatial pattern
recognition and mechanism-driven transformations. Methods: 12 simulated urban waterlogging datasets are
generated under distinct parameter configurations of a hydrological model. These datasets represent diverse

基金项目：中国气象局流域强降水重点实验室开放基金（2023BHRY‑29）；漳州市自然基金（ZZ2024J34）。
第一作者：薛丰昌，博士，教授，主要研究方向为气象 GIS、气象灾害监测预警、城市内涝数值模拟、灾害遥感等。001968@nuist.edu.cn
通信作者：孙琳丽，硕士，高级工程师。sunlinli198362@163.com