地理國情信息的多級網格化表達

2014-09-29 02:36:34李德仁邵振峰

地理空間信息 2014年1期

李德仁，邵振峰，丁霖

（1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430079）

地理國情普查是獲取國情國力信息的重要手段，是掌握自然資源、生態環境以及人類活動基本情況的綜合性、基礎性工作。其目的是全面獲取各類地理國情信息，并進行綜合統計分析，揭示經濟社會發展和自然資源環境的空間分布及其內在關系，實現地理國情信息對政府、企業和公眾的服務。

當前，經濟全球化、貿易自由化不斷發展，為了應對氣候變化以及能源資源安全、糧食安全、公共安全等全球性問題，世界主要發達國家紛紛將地理國情監測工作列為國家可持續發展的重要舉措。美國地質調查局在2002年啟動了一個為期5 a的“地理信息分析和動態監測計劃”，促進對美國所面臨的環境、自然資源和生態方面挑戰的理解[1]；2013年7月，美國地質調查局發布了利用機載可見光成像光譜儀和星載熱輻射和反輻射儀的光譜遙感數據對科羅拉多州中部的科羅拉多礦帶東部的礦物填圖分析成果[2]。同時，日本、歐盟等國家和地區也開展了地理國情監測方面的工作。2001年，日本啟動了亞太地區環境創新戰略項目，其中環境綜合監測子項目旨在建立一個綜合性的環境監測系統，對亞太地區的環境破壞、環境退化和生態脆弱區進行長期有效的監測[3]。2003年，歐盟啟動了“全球環境與安全監測計劃”，主要目的是獲取影響地球和氣候變化的各類環境信息。其中，土地監測服務于2012年開始運作，提供地理信息系統與土地覆蓋相關的變量，如植物狀態或水的循環等[4]。英國的全球干旱監測網是一個免費的、實時監測全球旱情嚴重程度的網站，提供了當前全球范圍的水文旱災情況，通過選擇旱情評估的時間范圍，顯示定義區域內受旱災影響的人數，可以預警潛在的食物、水和健康問題[5]。

在我國，經過幾十年的努力，測繪部門已經積累了大量基礎地理信息數據，具有技術、裝備、人才等方面的優勢，為開展地理國情監測奠定了良好基礎。2011年5月，李克強副總理在視察中國測繪創新基地時指出，“未來20 a是我國工業化、城鎮化加快發展時期，也是地表自然、人文地理快速變化的時期，開展地理國情監測對于科學推進我國工業化、城鎮化進程至關重要”。為滿足國家重大需求，2011年筆者提出成立地理國情監測新專業，研究和培養地理國情監測專業型人才，并得到了教育部的批準，目前已在武漢大學率先招生。

2012年，筆者曾系統闡述了地理國情監測所需要的主要支撐技術[6]，地理國情監測的實施需要利用空天地一體化遙感技術和全球衛星導航定位技術等實現地理國情信息一體化的采集和快速更新，利用地理空間信息網格技術、多維時空數據挖掘技術、空間信息云計算技術等實現地理國情信息的自動化挖掘和定量化分析，利用網絡地理信息系統技術等進行地理國情的實時發布與交互式服務。

1 地理國情的涵義

地理國情來自國情。國情是指一個國家的社會性質、政治、經濟、文化等方面的基本情況和特點，主要包括自然環境和資源、科技教育狀況、經濟發展狀況、政治狀況、社會狀況、文化傳統、國際環境和國際關系等。地理國情是重要的基本國情，是從地理的角度分析、研究和描述國情，即以地球表層自然、生物和人文現象的空間變化和它們之間的相互關系、特征等為基本內容，對構成國家物質基礎的各種條件因素作出宏觀性、整體性、綜合性的描述，涵蓋了國土疆域面積、地理區域特征、地形地貌特征、道路交通網絡、江河湖海分布、土地利用與土地覆蓋、城市布局和城鎮化擴張、生產力空間布局、災害分布、環境與生態狀況等。

地理國情信息具有宏觀性、整體性和綜合性等特點，涵蓋了與地理空間位置相關的自然、人文、社會、經濟地理信息，以及在此基礎上進行統計分析所形成的相關信息。地理國情信息主要包括感知信息、統計信息和分析信息等。感知信息是直接或間接獲取并能直觀反映在遙感影像、地圖、地理信息系統等介質上的地理信息，如道路、水系、居民地等信息；統計信息是在感知信息的基礎上進行處理、統計所得到的信息，如國土面積、湖泊面積等；分析信息是以感知信息和統計信息為基礎，采用各種分析方法，對地理要素及相關社會、人文、經濟等信息進行綜合、動態的監測、評價和預測所得到的信息，揭示監測對象的變化規律，分析其內在特點，預測其發展趨勢和方向[7]。

地理國情不僅客觀、準確地反映各種地表的基本信息，還反映了地表變化情況及其相互關系，是制定國家和區域發展戰略與規劃、開展國民經濟統計、調整經濟結構布局、應對突發事件的重要數據基礎。以地理國情信息為數據基底，能夠整合、集成各類經濟社會信息，深入揭示經濟社會發展的內在關系，并能以量化的地理信息預判其發展趨勢，提升管理決策的科學化水平。

2 地理國情普查和監測

地理國情監測是綜合利用現代測繪、遙感、GIS、數據庫、云計算、通信等技術，對國土疆域面積、地理區域劃分、地形地貌特征、道路交通網絡、江河湖海分布、沙漠冰川變遷、土地利用與覆蓋、森林草場范圍、城市布局與城鎮化擴張、生產力空間布局等自然和人文地理要素在普查的基礎上進行動態、定量監測，反映資源、環境、生態、人口、經濟、社會等要素的空間分布、變化規律及發展趨勢。

地理國情普查是一項重大的國情國力調查，是全面獲取地理國情信息的重要手段，是掌握地表自然、生態以及人類活動基本情況的基礎性工作。通過地理國情普查，查清我國自然和人文地理要素的現狀和空間分布情況，為開展常態化地理國情監測奠定基礎，滿足經濟社會發展和生態文明建設的需要，提高地理國情信息對政府、企業和公眾的服務能力。地理國情監測綜合利用全球導航衛星系統、航空航天遙感技術、地理信息系統技術等現代測繪技術，綜合各時期測繪成果檔案，對自然、人文等地理要素進行動態和定量化、空間化的監測，并統計分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢等，形成反映各類資源、環境、生態、經濟要素的空間分布及其發展變化規律的監測數據、圖件和研究報告等，從地理空間的角度，客觀、綜合地展示國情國力。測繪是對地球和其他天體空間進行數據采集、分析、管理、分發和顯示的綜合過程，研究對實體（地球整體、表面以及外層空間各種自然和人造物體）中與地理空間分布有關的各種幾何、物理、人文及其隨時間變化的信息的采集、處理、管理、更新和利用。兩者成果實現的技術方法、所采用的技術手段大致相同，但成果形式和內容有著一定的區別，尤其是地理國情監測的成果形式更加靈活、內容更加豐富、范圍更加廣泛，是在地理信息的基礎上整合相關的經濟、社會、人文等信息進行空間化描述，是對地理信息從外在到內在的深度挖掘。

地理國情監測的目標是通過監測地理國情進行動態的測繪、統計和分析，評估地理國情時空特征與發展趨勢，及時發布權威、標準的地理國情監測產品，服務于自然資源開發利用與生態環境保護、城鄉統籌與區域協調發展、產業布局與空間優化、重大戰略與重大工程實施、突發事件與應急處置、地緣政治分析與重大國際問題應對、國民地理國情教育等，以提高科學決策、科學發展的水平和能力。其主要任務是自然與人文地理要素信息的動態獲取、綜合分析與評估、產品生產與發布[8-11]。

2010年12月20日，在2010年全國測繪局長會議開幕前夕，當時的李克強副總理對測繪工作作出的重要批示指出：“要加強基礎測繪和地理國情監測”。2011年5月23日，李克強副總理在視察中國測繪創新基地時指出：“地理國情是重要的基本國情，是搞好宏觀調控、促進可持續發展的重要的決策依據，也是建設責任政府、服務政府的重要支撐。我國正處在工業化、城鎮化快速發展時期，也是地表自然和人文地理信息快速變化的時期。如何科學布局工業化、城鎮化，如何統籌規劃、合理利用國土發展空間，如何有效推進重大工程建設，地理國情監測至關重要。要充分利用測繪的先進技術、數據資源和人才優勢，積極開展地理國情變化監測與統計分析，對重要地理要素進行動態監測，及時發布監測成果和分析報告，為科學發展提供依據。”2013年，國務院關于開展第一次全國地理國情普查的通知（國發[2013]9號）指出：“普查的目的是查清我國自然和人文地理要素的現狀和空間分布情況，為開展常態化地理國情監測奠定基礎，滿足經濟社會發展和生態文明建設的需要，提高地理國情信息對政府、企業和公眾的服務能力，完成普查信息的整理、匯總、統計分析，形成普查報告，發布普查結果。”

分管全國地理國情普查的張高麗副總理指出：“開展第一次全國地理國情普查，摸清地理國情家底，準確把握國情國力，科學揭示資源、生態、環境、人口、經濟、社會等要素在地理空間上相互作用、相互影響的內在關系，準確掌握、科學分析資源環境的承載能力和發展潛力，對于我們做到心中有數，立足底線思維進行宏觀思考，更好把握大局，有效應對各種風險和挑戰，推進解決各種深層次矛盾和問題意義十分重大。”

3 地理國情監測和基礎測繪的關系

1）基礎測繪是地理國情監測的基礎。基礎測繪是指建立全國統一的測繪基準和測繪系統，測繪和更新國家基本比例尺地圖、影像圖和數字化產品，建立、更新基礎地理信息系統。基礎測繪的對象是全疆域、全要素，成果形式主要為系列基本比例尺地形圖、影像圖和數字化產品，以及在此基礎上建立的數據庫。當前，信息化測繪體系是地理國情監測的重要支撐，所有基礎測繪的成果都是開展地理國情監測的控制性基礎資料。

2）地理國情監測成果是基礎測繪成果的有力補充。地理國情監測在經濟社會不同的發展時期，有不同的監測重點，成果形式主要是基于監測結果的統計分析信息以及相應的各類專題圖。地理國情監測更強調現勢性、動態性和變化性，成果形式偏重于統計分析結果。地理國情監測偏重于隨著經濟社會發展變化相對明顯的地理國情。地理國情普查和監測的成果要便于整理、匯總和統計分析，形成普查報告，發布普查結果。

4 地理國情普查內容和成果表現方法

我國的地理國情普查和監測正處于初步階段，其普查的成果內容和形式也在廣泛的探索之中。地理國情普查內容主要包括2個方面：自然地理要素，包括地形地貌、植被覆蓋、水域、荒漠與裸露地等的類別、位置、范圍、面積及其空間分布狀況；人文地理要素，包括與人類活動密切相關的交通網絡、居民地與設施、地理單元等的類別、位置、范圍及其空間分布現狀。

地理國情普查主要成果內容如表1所示。

例如，陜西省作為全國首個地理國情監測試點省份，結合陜西省自身特點和基礎測繪現狀，開展了地理國情普查與監測。陜西省基本地理省情的主要內容如表2所示。陜西省地市四至點分布如圖1所示，經過地理國情普查后得到的地理省情中的位置信息為：陜西省最東是榆林市府谷縣黃甫鎮，最西是漢中市寧強縣青木川鎮，最南是安康市鎮坪縣華坪鄉，最北是榆林市府谷縣古城鄉。

表1 地理國情普查主要成果內容一覽表

表2 陜西省基本地理省情的主要內容

同時，經過地理國情普查，可查清每個地市最高最低點的海拔情況，圖2為陜西省地市最高、最低點海拔統計圖。

利用全省5級以上河流的骨架線，疊加DEM數據，通過GIS的水文分析功能計算集水區域，可獲得全省5級以上河流流域信息，包括河流的高差、流域面積等，如圖3所示。

地理國情普查所涉及的數據不僅有地理空間數據，還有大量的非空間數據，如人文、社會、經濟統計數據等。傳統上，我國社會經濟信息是以行政區劃來統計的，并采用地圖的形式進行表達，如按照市-省-國家的方式進行人口數據的匯總，并編制人口分布地圖。而相同等級的行政區面積相差很大，按統一的分類和分級標準生成的統計調查數據，在傳統地圖上的渲染效果無法反映社會經濟信息與空間自然現象（山川、河流等）之間的關系。以行政區作為統計單元得到的人口分布，是一種按照行政區域統計的人口分布平均值或密度，很難反映自然村、鎮的發展狀況及其與自然、生態、環境、城市、交通的相互關聯，幾乎無地理意義[12]。城市的人口分布在白天和晚上是不同的，要分別統計調查，這對于智能交通和災害應急是十分重要的。

地理網格作為一種科學、統一的空間定位參照系統，是對現有測量參照系、行政區劃參照系和其他專用定位系統的補充，將地理國情信息的網格化表達應用到地理國情監測中，可有效解決上述問題。①網格作為宏觀信息（如特定空間位置范圍內的自然、社會、經濟信息）的載體，以地理網格的形式進行管理和分析宏觀信息，而非以傳統的行政區形式，將自然與人文數據轉換到統一的地理網格，從而為實現自然與人文數據綜合分析提供了新的統一基礎；②網格作為空間數據的載體，將空間數據進行一定的處理后以網格作為其存儲與管理的單元，各種數據通過記錄與網格中心的相對量來表達數據的空間位置，實現對空間信息資源的整合、共享與利用；③地理網格為多尺度地理空間數據融合提供了有效方法。不同空間分辨率地理網格之間具有嚴格的變換關系，從而為分布不均勻、尺度不等的地理數據融合提供了統一的方法基礎，進而為多要素的空間疊加分析提供了基礎[13-15]。

地理國情信息的網格化是指建立在數字技術基礎之上的，以單元網格管理為特征的一整套面向地理國情信息的管理思路、手段、組織和流程的總稱。它是在地理國情數字化建設迅速發展的背景下產生的新型多級網格管理模式。根據坐標和各級網格范圍，實現地理國情信息的網格化。地理空間多級網格包括規則網格和不規則網格。規則網格不考慮城市各種地物的狀況，直接采用一定的數學方法進行劃分，網格大小、形狀相同，易于和地理坐標之間進行轉換，網格大小可根據需要進行調整。規則網格的劃分是靜態的，不會因城市擴張、行政區劃合并、撤消、分割等情況而改變。不規則網格是采用城市道路、水系、山體、河流等自然地物，結合城市行政管理的需要進行劃分。我國目前城市行政管理、社會經濟數據采集和統計上報都是采用不規則網格。不規則網格具有動態性，根據不同的目的，網格的劃分方法比較靈活，網格大小、形狀不相同[16-21]。

基于規則網格的劃分方法可將社會經濟普查信息空間化，以規則網格對人口等社會經濟數據進行統計分析，能較好地反映人口分布與城市中道路、水系、城市內部各種用地之間的關系。同時，不同時間采集的統計數據在規則網格中具有空間可比性，可方便地進行時序分析，同時各種量化的統計指標都基于共同的地理基礎，也便于和其他行業的統計數據進行對比[22-24]。基于不規則網格的劃分方法符合我國城市行政管理和社會經濟信息統計的現狀，各種社會經濟信息的統計一般是以行政區為基本單位逐級統計匯總的。不規則網格劃分的局限在于隨著社會經濟的發展、城市擴張、行政區劃合并、撤消、分割等原因，不規則網格會經常發生變化，給統計數據之間進行時序比較帶來困難。為充分發揮利用規則網格進行社會經濟數據宏觀統計和分析的優勢，需要將目前以不規則網格為基礎統計的社會經濟數據轉換到規則網格中[25-28]。

例如，武漢市晝夜人口分布差異極大，掌握人口的時空分布，以滿足災害應急、交通規劃等需求。圖4是武漢市白天人口空間分布專題圖，圖5為夜晚人口空間分布專題圖。

武漢市人口信息從不規則網格轉換到規則網格的方法為，采用不同分辨率的規則網格與離散化之后的人口數據進行疊加，并轉換到規則網格中。圖6是將離散后的人口數據采用1 km×1 km網格進行轉換后顯示的結果。

基于地理空間多級網格開展地理國情監測，以地理網格作為空間基底，整合了多時期的多尺度、多種類的地理國情信息，形成地理國情監測的本底數據庫；多級網格涉及不同層次的網格劃分，從宏觀上將地理位置和各應用領域的分類、統計信息相關聯。

5 結語

本文探討了地理國情的涵義，分析了地理國情普查和監測的內容，討論了地理國情監測和基礎測繪的關系，并重點研究了地理國情信息的表現方法。當前，我國正處于全面推進地理國情監測工作的重要歷史轉折點。基于網格化開展地理國情多級表達，作為地理國情信息的載體，表達不同層次的與空間位置相關的自然、社會、經濟等宏觀信息，以適當大小的網格貼切反映地理國情的空間分布規律，有助于地理國情信息共享、統計分析，為決策支持提供服務，也可促進地理空間信息資源更廣、更新、更優地利用。

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