王妍程，蔡列飛，侯繼虎，黃日娟

（1.武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2.地空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079；3.廣西壯族自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息中心，廣西 南寧 530023）

基于GeoSOT模型的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)

王妍程1,2，蔡列飛1,2，侯繼虎1,2，黃日娟3

（1.武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2.地空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079；3.廣西壯族自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息中心，廣西 南寧 530023）

地理國(guó)情信息統(tǒng)計(jì)是地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，地理統(tǒng)計(jì)單元的劃分直接決定著地理國(guó)情信息統(tǒng)計(jì)的精度。提出了采用基于GeoSOT網(wǎng)格模型生成的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格來(lái)統(tǒng)計(jì)地理國(guó)情信息的方法。以地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格為地理國(guó)情信息的統(tǒng)計(jì)單元，能彌補(bǔ)以行政區(qū)劃為統(tǒng)計(jì)單元的不足，更有效地表現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部地理國(guó)情信息的空間分布特征。

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)；統(tǒng)計(jì)單元；GeoSOT；多級(jí)網(wǎng)格；信息統(tǒng)計(jì)

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)地理國(guó)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)地測(cè)繪、統(tǒng)計(jì)，從地理的角度來(lái)綜合分析和研究國(guó)情，為政府、企業(yè)和社會(huì)各方面提供真實(shí)可靠和準(zhǔn)確權(quán)威的地理國(guó)情信息[1]。地理統(tǒng)計(jì)單元是地理國(guó)情信息統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)，其劃分直接決定統(tǒng)計(jì)分析的精度。

地理統(tǒng)計(jì)單元是在空間上連續(xù)且具有相同特征的區(qū)域，包括地理網(wǎng)格、行政區(qū)劃、自然地理區(qū)域、社會(huì)經(jīng)濟(jì)區(qū)域等。當(dāng)前地理國(guó)情普查是以行政區(qū)劃為地理統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行的[2]。以行政區(qū)劃作為地理統(tǒng)計(jì)單元，雖然在數(shù)據(jù)獲取方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是不能有效表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)部地理國(guó)情信息的空間分布特征，且無(wú)法與非空間地理國(guó)情信息集成分析，無(wú)法反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息與空間自然現(xiàn)象之間的關(guān)系。

地理網(wǎng)格是一種科學(xué)、簡(jiǎn)明的定位參照系統(tǒng)，是對(duì)現(xiàn)有測(cè)量參照系、行政區(qū)劃參照系和其他專用定位系統(tǒng)的補(bǔ)充[3]。將地理網(wǎng)格應(yīng)用到地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中，可有效解決以行政區(qū)劃為地理統(tǒng)計(jì)單元所出現(xiàn)的問(wèn)題。本文的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格是基于GeoSOT網(wǎng)格模型生成的地理網(wǎng)格。該模型是以北京大學(xué)程承旗教授為首的研究團(tuán)隊(duì)提出，用于解決跨部門(mén)之間、部門(mén)內(nèi)各業(yè)務(wù)階段中數(shù)據(jù)組織基準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題[4]。

本文以地理國(guó)情普查試點(diǎn)黑龍江省齊齊哈爾市部分地理國(guó)情普查成果為研究對(duì)象，采用基于GeoSOT網(wǎng)格模型生成的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格進(jìn)行地理國(guó)情信息統(tǒng)計(jì)，網(wǎng)格化后的地理國(guó)情統(tǒng)計(jì)信息不僅能更貼切地反映地理國(guó)情信息的空間分布特征，而且具有GeoSOT網(wǎng)格的多種優(yōu)良特性，為地理國(guó)情普查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 GeoSOT網(wǎng)格模型

1.1 GeoSOT網(wǎng)格剖分

GeoSOT網(wǎng)格剖分模型是一種等經(jīng)緯度的四叉樹(shù)全球剖分網(wǎng)格模型，基于經(jīng)緯度坐標(biāo)空間定義，原點(diǎn)為本初子午線與赤道的交點(diǎn)，剖分采用全四叉樹(shù)遞歸剖分，將地球表面空間從全球剖分至cm級(jí)，共計(jì)32 層級(jí)，網(wǎng)格上下層級(jí)之間的面積比大致都為4∶1（圖1a～圖1c）。將經(jīng)緯度坐標(biāo)空間進(jìn)行3次擴(kuò)展，即將180°×360°空間擴(kuò)展到512°×512°（圖1d），將每度的60'空間擴(kuò)展到64'（圖1e），將每分的60″空間擴(kuò)展到64″（圖1f）。在逐級(jí)遞歸劃分過(guò)程中，當(dāng)遇到?jīng)]有實(shí)際地理意義的區(qū)域，不再向下劃分。

圖1 GeoSOT網(wǎng)格多級(jí)剖分與3次擴(kuò)展示意圖[5]

1.2 GeoSOT網(wǎng)格編碼

GeoSOT網(wǎng)格剖分模型將赤道與本初子午線的交點(diǎn)作為0級(jí)網(wǎng)格中心點(diǎn)，并把全球劃分為4個(gè)區(qū)域，與4 個(gè)半球?qū)?yīng)，各區(qū)域的面片與0級(jí)網(wǎng)格中心點(diǎn)距離最近的角點(diǎn)為該面片的定位角點(diǎn)，面片的編碼與其定位角點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)。在任一層級(jí)的同一網(wǎng)格內(nèi)的任意一點(diǎn)處的網(wǎng)格編碼相同。每一次進(jìn)行四叉樹(shù)剖分時(shí)，GeoSOT網(wǎng)格模型在東北半球、西北半球、東南半球和西南半球等區(qū)域的網(wǎng)格面片的編碼順序（0～3）分別如圖2中的G0、G1、G2和G3處的箭頭方向所示[6]。

圖2 GeoSOT網(wǎng)格模型在各個(gè)半球的編碼順序[6]

GeoSOT網(wǎng)格編碼按照經(jīng)緯度坐標(biāo)空間的3次擴(kuò)展方法也相應(yīng)地分為3段：度級(jí)、分級(jí)、秒級(jí)及秒以下的網(wǎng)格編碼。編碼采用字母與數(shù)字的組合形式，0級(jí)網(wǎng)格代表全球，用大寫(xiě)字母G表示，其他層級(jí)的網(wǎng)格編碼都采用0、1、2、3的四進(jìn)制數(shù)字形式來(lái)表示。GeoSOT網(wǎng)格面片編碼保持整數(shù)“度、分、秒”量綱，并可采用四進(jìn)制1維編碼、64位的二進(jìn)制1維編碼、64位的二進(jìn)制2維編碼或十進(jìn)制2維編碼4種編碼形式。4種編碼形式之間具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以相互轉(zhuǎn)換。

2 基于GeoSOT模型的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格

本文根據(jù)GeoSOT網(wǎng)格剖分和編碼原理，結(jié)合地理國(guó)情信息，生成基于GeoSOT的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格。具體方法為：先將地理國(guó)情信息涉及的地球表面空間按照GeoSOT網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行劃分，生成地理監(jiān)測(cè)國(guó)情多級(jí)網(wǎng)格；再對(duì)剖分后得到的GeoSOT地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格面片賦予唯一編碼；最后，利用某些層級(jí)網(wǎng)格作為基礎(chǔ)元組，聚合形成任意指定的一種理網(wǎng)格，并自動(dòng)賦予聚合網(wǎng)格面片以唯一編碼。

根據(jù)GeoSOT剖分模型，地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格由32級(jí)網(wǎng)格構(gòu)成，其地理空間覆蓋大到全球小到cm級(jí)，網(wǎng)格上下級(jí)之間的面積比大致都為4∶1，因此是均勻變化的，如表1所示。

表1 基于GeoSOT的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格一覽[7]

本文中基于GeoSOT模型生成的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格編碼采用四進(jìn)制1維編碼方法，形式為：Gddddddddd-mmmmmm-ssssss．uuuuuuuuuuu（d、m、s、u取值均為0、1、2、3）。其中，第0級(jí)剖分面片標(biāo)識(shí)為0，第1級(jí)面片編碼分別為00、01、02和03（圖3a），并從第2級(jí)開(kāi)始，下一級(jí)剖分面片的編碼在上一級(jí)剖分面片編碼后追加0、1、2和3。具體編碼規(guī)則是距赤道和本初子午線的交點(diǎn)最近的剖分面片為3（最遠(yuǎn)的），然后按照先沿緯線方向再沿經(jīng)線方向?qū)?yīng)其他2 個(gè)剖分面片分別為1和2（圖3b）[6]。

圖3 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格編碼方法示例

3 基于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格的統(tǒng)計(jì)

在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中，各行政區(qū)域單元下的地理國(guó)情信息都是基于點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素進(jìn)行普查的[2]，因此本文采用基于GeoSOT模型的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格進(jìn)行地理國(guó)情信息基本統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)也按照點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素3類進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，以此來(lái)驗(yàn)證地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格對(duì)于不同類型的地理國(guó)情信息統(tǒng)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。

黑龍江省是全國(guó)第一批進(jìn)行地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的試點(diǎn)省份，齊齊哈爾市作為黑龍江省的第二大城市，其地理國(guó)情普查信息具有典型的代表性。本文選取齊齊哈爾市6個(gè)建成區(qū)的地理國(guó)情普查成果作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4。

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

首先，從齊齊哈爾市的部分地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)庫(kù)中選取實(shí)驗(yàn)所需的點(diǎn)、線、面3種專題要素，并提取出來(lái)生成點(diǎn)、線、面3個(gè)專題圖層；然后，針對(duì)不同專題要素在實(shí)驗(yàn)區(qū)的分布情況，確定合適的網(wǎng)格大小，對(duì)應(yīng)本文中相應(yīng)的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格等級(jí)，生成相應(yīng)的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格；再用生成的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格分別對(duì)相應(yīng)的專題要素進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)，具體操作為先判斷需統(tǒng)計(jì)的地理國(guó)情要素與相應(yīng)等級(jí)的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格之間的空間位置關(guān)系；再計(jì)算各地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格內(nèi)相應(yīng)的地理國(guó)情信息的基本統(tǒng)計(jì)指標(biāo)（根據(jù)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的相關(guān)規(guī)定選取部分作為示例）；最后，生成點(diǎn)、線、面3種要素基于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)的專題圖。實(shí)驗(yàn)的基本流程如圖5所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文以地理國(guó)情監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)規(guī)定為依據(jù)，分別對(duì)點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素選取不同的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行基于GeoSOT的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中GeoSOT地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格的生成、基于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格的地理國(guó)情信息統(tǒng)計(jì)及專題圖的生成均采用C#語(yǔ)言在ArcGIS環(huán)境下的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。本文中生成GeoSOT地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格的基本界面如圖6所示。以第12級(jí)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格為例，與研究區(qū)域邊界擬合后的網(wǎng)格見(jiàn)圖7，網(wǎng)格屬性表見(jiàn)圖8。

圖6 生成地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格界面

圖7 生成第12級(jí)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格

圖8 生成的第12級(jí)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)網(wǎng)格屬性表

1） 點(diǎn)狀要素。地理國(guó)情普查相關(guān)規(guī)定中，點(diǎn)要素的基本統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括個(gè)數(shù)、密度、聚集中心和交通距離等[8]。選取齊齊哈爾市地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)中的構(gòu)筑物要素作為研究所用的點(diǎn)狀要素?cái)?shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)選取點(diǎn)（構(gòu)筑物）密度，反映齊齊哈爾市的構(gòu)筑物空間聚集特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)構(gòu)筑物（點(diǎn)要素）的分布情況，確定適宜的網(wǎng)格等級(jí)為第14級(jí)（對(duì)應(yīng)網(wǎng)格大小為4 km×4 km）。齊齊哈爾市構(gòu)筑物圖層如圖9a所示，基于GeoSOT的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)構(gòu)筑物（點(diǎn)要素）密度的專題圖見(jiàn)圖9b，基于行政區(qū)劃統(tǒng)計(jì)構(gòu)筑物（點(diǎn)要素）密度的專題圖見(jiàn)圖9c。

圖9 點(diǎn)狀要素（構(gòu)筑物）分布圖層及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2） 線狀要素。地理國(guó)情普查相關(guān)規(guī)定中，線要素的基本統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括投影長(zhǎng)度和密度等[8]。選取齊齊哈爾市地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)中的公路要素作為研究所用的線狀要素?cái)?shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)選取線（公路）密度，反映齊齊哈爾市的公路網(wǎng)空間分布特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)公路（線要素）的分布情況，確定適宜的網(wǎng)格等級(jí)為第15級(jí)（對(duì)應(yīng)網(wǎng)格大小為2 km×2 km）。齊齊哈爾市公路圖層如圖10a所示，基于GeoSOT的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)公路（線要素）密度的專題圖見(jiàn)圖10b，基于行政區(qū)劃統(tǒng)計(jì)公路（線要素）密度的專題圖見(jiàn)圖10c。

圖10 線狀要素（公路）分布圖層及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3） 面狀要素。地理國(guó)情普查相關(guān)規(guī)定中，面要素的基本統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括的投影面積、周長(zhǎng)、個(gè)數(shù)和占比等[8]。選取齊齊哈爾市地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)中的林地要素作為研究所用的面狀要素?cái)?shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)選取占比，反映齊齊哈爾市的林地空間分布特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)林地（面要素）的分布情況，確定適宜的網(wǎng)格等級(jí)為第16級(jí)（對(duì)應(yīng)網(wǎng)格大小為1 km×1 km）。齊齊哈爾市林地圖層如圖11a所示，基于GeoSOT的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)林地（面要素）占比的專題圖見(jiàn)圖11b，基于行政區(qū)劃統(tǒng)計(jì)林地（面要素）占比的專題圖見(jiàn)圖11c。

圖11 面狀要素（林地）分布圖層及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與基于行政區(qū)劃的統(tǒng)計(jì)方式相比，基于GeoSOT的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格的統(tǒng)計(jì)方式能更貼切地反映各種類型地理要素的空間分布特征，同時(shí)由于GeoSOT網(wǎng)格具有的空間多尺度性、全球編碼唯一性、與傳統(tǒng)地圖圖幅兼容、與世界上重要的數(shù)據(jù)格網(wǎng)同構(gòu)等優(yōu)良特性[7]，基于GeoSOT模型的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格具有更多優(yōu)勢(shì)。首先，在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中可根據(jù)地理國(guó)情要素的實(shí)際分布情況選擇合適大小的網(wǎng)格，避免了多種比例尺的問(wèn)題和制圖綜合；其次，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)后的地理國(guó)情信息作為屬性信息存儲(chǔ)在網(wǎng)格中，基于GeoSOT模型的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格具有全球編碼唯一性，極大地方便了地理國(guó)情統(tǒng)計(jì)信息的查找；再次，此網(wǎng)格以經(jīng)緯度劃分為基礎(chǔ)，可以與行政區(qū)劃相關(guān)聯(lián)，便于地理國(guó)情統(tǒng)計(jì)信息與以行政區(qū)域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單元的社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息的轉(zhuǎn)換與集成；最后，基于GeoSOT模型的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格與世界上多種重要的數(shù)據(jù)網(wǎng)格同構(gòu)的優(yōu)良特性有利于多源異構(gòu)遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織，以地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展高效的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以地理國(guó)情普查試點(diǎn)區(qū)域黑龍江省齊齊哈爾市部分區(qū)域的地理國(guó)情普查成果為例，參照地理國(guó)情的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用基于GeoSOT模型的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格，分別對(duì)點(diǎn)、線、面3種不同類型的地理國(guó)情信息進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，地理國(guó)情監(jiān)測(cè)多級(jí)網(wǎng)格可彌補(bǔ)行政區(qū)劃單元在地理國(guó)情信息統(tǒng)計(jì)中的不足，是地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的一種不可或缺的技術(shù)手段。當(dāng)前，我國(guó)正處于全面推進(jìn)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作的重要?dú)v史轉(zhuǎn)折點(diǎn)。基于空間信息多級(jí)網(wǎng)格來(lái)建設(shè)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)，既是適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展和促進(jìn)地理國(guó)情資源共享的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)地理國(guó)情信息服務(wù)于社會(huì)發(fā)展的重要途徑。

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1672-4623（2016）01-0008-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.003

王妍程，碩士，主要從事地理信息和遙感技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。

2014-12-02。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家重大設(shè)備專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2012YQ16018505）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013BAH42F03）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助項(xiàng)目（NCET-12-0426）；湖北省自然科學(xué)基金杰青基金資助項(xiàng)目（2013CFA024）；武漢大學(xué)創(chuàng)新人才資助項(xiàng)目（2042014kf0212）。