張會霞,張 錦,何宗宜

(1. 太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024； 2. 太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 太原 030012; 3. 武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430079)

一、引 言

地理國情監(jiān)測是我國測繪與地理信息行業(yè)未來很長一段時間內(nèi)的發(fā)展主題之一[1]。對地理國情進行監(jiān)測,并對監(jiān)測的結(jié)果進行統(tǒng)計分析,需要統(tǒng)計單元。 目前,地理國情監(jiān)測采用的統(tǒng)計單元有行政區(qū)劃單元、社會經(jīng)濟區(qū)域單元、自然地理單元、城鎮(zhèn)綜合功能單元、地形等。針對城市的統(tǒng)計單元目前有行政區(qū)劃單元和城鎮(zhèn)綜合功能單元(包括居住小區(qū)、工礦企業(yè)、單位院落、景區(qū)、體育活動場所、名勝古跡、宗教場所等)。

在城市中采用行政區(qū)劃界線(區(qū)界)作為統(tǒng)計單元，單元過大；采用社區(qū)界線作為統(tǒng)計單元，由于城市的改造，社區(qū)界線不是很明確,尤其在各類圖上并不表示。而城鎮(zhèn)綜合統(tǒng)計單元是對每一類地物進行統(tǒng)計。本文針對地理國情監(jiān)測，設(shè)計一個綜合性的統(tǒng)計單元，可以統(tǒng)計監(jiān)測結(jié)果及其他社會經(jīng)濟要素。

針對城市統(tǒng)計單元的研究，程建權(quán)等研究了城市空間統(tǒng)計單元，指出傳統(tǒng)的空間統(tǒng)計單元在不同的行業(yè)間存在著較大的區(qū)別[2]。李琦等基于不規(guī)則網(wǎng)格的城市管理網(wǎng)格體系與地理編碼，指出地籍是城市最小不規(guī)則空間單元網(wǎng)格，利用地籍可以組合成其他管理分區(qū)[3]。狄琳指出建立新國家地理網(wǎng)格服務(wù)地理國情監(jiān)測[4]。彭明軍等采用層次空間推理的方法對城市單元網(wǎng)格進行研究，提出了城市單元網(wǎng)格的概念，指出單元網(wǎng)格作為其他網(wǎng)格的基礎(chǔ)，處于社區(qū)與建筑物(宗地)之間[5-7]，該方法考慮的要素全面，但他對單元網(wǎng)格的閾值沒有進一步的研究。

本文針對地理國情監(jiān)測，提出一種網(wǎng)格劃分方法，采用不同的網(wǎng)格閾值，進行漸進式的綜合，實現(xiàn)網(wǎng)格的合并。該方法劃分的單元可以作為統(tǒng)計城鎮(zhèn)綜合功能單元如居住區(qū)、工礦業(yè)等的統(tǒng)計單元，又可歸并到行政區(qū)劃(區(qū)界)內(nèi)。

二、漸進式綜合原理

漸進式地圖綜合是地圖由大比例尺縮小到小比例尺時，用于圖形要素的一種綜合方法。漸進式地圖綜合的含義是用地圖圖形的漸變來實現(xiàn)地圖圖形的突變，隨著地圖比例尺的逐漸縮小，在約束條件和空間知識的控制下漸進式減少地圖圖形的細節(jié)，當(dāng)減少到一定程度時就可以滿足某一抽象程度的地圖綜合要求。在細節(jié)減少的過程中實時對每一步驟進行評價，使得每一步所得的結(jié)果在當(dāng)前的對象層次上是可用的，是進一步綜合的基礎(chǔ)[8]。

漸進式綜合的特點是：①地圖圖形的連續(xù)抽象，簡化程度由小到大逐漸變化；②把大跨度的地圖綜合問題簡化為最小跨度的圖形簡化問題；③每一次只刪除最小細節(jié)，抽象程度最小，容易控制；④在地圖目標(biāo)的選取過程中，可以實現(xiàn)目標(biāo)的逐個刪除或選取。

把漸進式綜合用于統(tǒng)計單元網(wǎng)格的聚合，統(tǒng)計單元的劃分轉(zhuǎn)化為道路網(wǎng)的制圖綜合。對城市中的道路網(wǎng)采用漸進式的綜合方法，每次刪除部分路網(wǎng)，抽象程度小，容易控制，對路網(wǎng)進行圖形化簡，最終實現(xiàn)統(tǒng)計單元的劃分。圖1為漸進式綜合的示意圖。與傳統(tǒng)地圖綜合不同的是，所有的綜合是在同一比例尺下完成的，而不是不同的比例尺。

圖1 漸進式綜合過程

三、城市統(tǒng)計單元網(wǎng)格的劃分原則

城市統(tǒng)計單元網(wǎng)格的劃分建立在行政區(qū)劃、道路網(wǎng)絡(luò)、河流、湖泊等構(gòu)成的網(wǎng)格基礎(chǔ)上，通過對這些網(wǎng)格進行漸進式制圖綜合，得到需要的統(tǒng)計單元網(wǎng)格。

1. 道路網(wǎng)層次劃分

將整個道路網(wǎng)分為兩個層次，即主要道路層和次要道路層[9]。主要道路層中的道路作為網(wǎng)格劃分的控制框架，一般不舍去；次要道路層中的道路在構(gòu)建網(wǎng)格中可以有取舍。參考太原市城市地圖，主要道路層包括高速公路、鐵路、一級街道、二級街道，主要由路面較寬、連通性好的道路組成；次要道路層包括三級街道、四級街道，主要由路面較窄道路及胡同組成。

2. 統(tǒng)計單元網(wǎng)格的劃分

統(tǒng)計單元網(wǎng)格劃分的基本思想是：采用行政區(qū)劃界線(區(qū)界)作為約束，在不同的區(qū)界內(nèi)以道路、河流等組成的網(wǎng)格把城市劃分為大小不同的不規(guī)則網(wǎng)格；再對這些網(wǎng)格進行制圖綜合，劃分出統(tǒng)計單元。

統(tǒng)計單元網(wǎng)格劃分時遵循的原則為：

1) 行政區(qū)劃界線(區(qū)界)作為約束，網(wǎng)格的合并不應(yīng)跨越行政區(qū)劃界線。

2) 城市的主要道路層作為主控制框架，在網(wǎng)格合并時，不應(yīng)跨越主要道路層，次要道路層中次要道路可進行取舍，支路優(yōu)先舍去。

因苗追施。對于長勢較弱的苗或地力差、早播徒長脫肥的苗應(yīng)早施、重施返青肥，可在地表開始化凍時搶墑施肥；對于生長較旺的麥苗則不施返青肥，推遲到起身時追肥。

3) 自然地物如河流、湖泊、山峰，在網(wǎng)格劃分時，保持這些地物的完整性。

4) 網(wǎng)格的形狀盡可能保持方形，避免長條形或多邊形出現(xiàn)。

5) 網(wǎng)格合并時，網(wǎng)格的面積大小盡可能均衡。

四、統(tǒng)計單元網(wǎng)格劃分方法與試驗

1. 城市數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

采用 Google Earth 上太原市城市的遙感影像，范圍為南北向迎澤大街和府西街之間，東西向濱河?xùn)|路和五一路之間。該影像坐標(biāo)系為WGS-84，采用 ArcGIS 軟件，把 WGS-84 地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為1980西安平面直角坐標(biāo)系，提取城市道路網(wǎng)、河流、湖泊等要素，并分層矢量化。城市行政區(qū)劃界線采用現(xiàn)有的太原市城市地圖，該地圖具有行政區(qū)劃界線，通過配準(zhǔn)，可疊置在一起。以上幾種要素矢量數(shù)據(jù)疊置在一起，組成不同的網(wǎng)格;建立拓撲關(guān)系，進行拓撲錯誤檢查，使得這些線不存在懸掛點、偽節(jié)點等；把組成網(wǎng)格的線轉(zhuǎn)換成面,可統(tǒng)計出每個網(wǎng)格的面積與周長。

2. 統(tǒng)計單元網(wǎng)格劃分方法

為了避免細長網(wǎng)格出現(xiàn)，采用緊湊度c來約束網(wǎng)格的形狀，其表示方法為

(1)

式中，c為緊湊度；A為網(wǎng)格面積；P為網(wǎng)格周長。比值越大，緊湊度越好。 城市單元網(wǎng)格劃分的步驟如下：

1) 設(shè)置面積合并的最小閾值，對所有網(wǎng)格按面積大小進行排序，選出面積小于該閾值的最小網(wǎng)格，選取在同一上級網(wǎng)格內(nèi)且與該網(wǎng)格相鄰的網(wǎng)格。

圖2 道路網(wǎng)格圖

3) 刪除這兩個網(wǎng)格之間的公共邊所對應(yīng)的道路。依次從小到大對小于該閾值的網(wǎng)格按照面積、緊湊度進行判斷、合并。

4) 對合并的網(wǎng)格重新計算面積、周長，并按面積大小進行排序，再設(shè)置一個閾值(該閾值大于上一個閾值)，選出面積小于該閾值的最小網(wǎng)格，采用與步驟 1)相同的方法進行鄰近網(wǎng)格多邊形的判斷、合并。刪除相鄰多邊形公共邊所對應(yīng)的道路，按照面積從小到大對小于該閾值的網(wǎng)格依次進行處理。

5) 依次類推，再設(shè)置合并的閾值，按照步驟 4)進行判斷合并，直到合并后的網(wǎng)格滿足要求為止。

本文中采用的網(wǎng)格的面積域值有10 000 m2、20 000 m2、30 000 m2、50 000 m2等，采用漸進式綜合方法，逐步達到目標(biāo)。

3. 試驗與分析

圖3是太原市迎澤區(qū)部分區(qū)域街道圖，粗線為主要道路，細線為次要道路、河流、湖泊等數(shù)據(jù)，網(wǎng)格的數(shù)量有180個，支路較多，有許多小格網(wǎng)。對圖3采用10 000 m2面積閾值進行網(wǎng)格的聚合，得到的結(jié)果如圖4所示，綜合前有43個網(wǎng)格面積小于10 000 m2，經(jīng)過綜合后，小面積網(wǎng)格減少。圖5是面積閾值為20 000 m2綜合后的圖形，綜合前有43個網(wǎng)格面積小于20 000 m2。圖6是在圖5的基礎(chǔ)上進行綜合，面積閾值為30 000 m2，綜合前面積小于30 000 m2的網(wǎng)格數(shù)有23個。 圖7是在圖6的基礎(chǔ)上進行綜合,面積閾值為50 000 m2，共有29個網(wǎng)格需要綜合。經(jīng)過以上綜合后，還剩下70個網(wǎng)格，小網(wǎng)格數(shù)量明顯減少。

圖3 原始的道路網(wǎng)格圖

圖4 閾值為10 000 m2的網(wǎng)格圖

圖5 閾值為20 000 m2的網(wǎng)格圖

圖6 閾值為30 000 m2的網(wǎng)格圖

圖7 閾值為50 000 m2的網(wǎng)格圖

經(jīng)過4次綜合,網(wǎng)格數(shù)量減少,小網(wǎng)格經(jīng)過幾次合并，逐漸消除，綜合后的網(wǎng)格大小比較均勻。綜合的閾值可根據(jù)需要來設(shè)定，通過漸進式綜合，可以看到每次綜合后的結(jié)果，避免一次運算，結(jié)果不容易控制。

本文主要對城區(qū)部分區(qū)域的道路、河流、湖泊構(gòu)成的網(wǎng)格進行了試驗，相比于完全采用手工的方法在屏幕上劃分，效率高很多；且針對不同大小的閾值進行了試驗，相比于單一的閾值，該方法能看到中間合并結(jié)果。

五、結(jié)束語

本文對城市的統(tǒng)計單元進行了研究，探討了適合城市地理國情監(jiān)測的統(tǒng)計單元劃分方法。根據(jù)不同的層次網(wǎng)格構(gòu)建出不規(guī)則網(wǎng)格，通過對網(wǎng)格的綜合，得到需要的城市統(tǒng)計單元網(wǎng)格。該方法可用于城市統(tǒng)計單元的劃分，具有一定的實用性。

參考文獻：

[1] 兀偉，鄧國慶，張靜，等. 地理國情監(jiān)測內(nèi)容與分類體系探討[J]. 測繪標(biāo)準(zhǔn)化，2012，28(4):10-12.

[2] 程建權(quán)，TURKSTRA J.關(guān)于城市空間統(tǒng)計單元的思考[J].武漢城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，1997，14(4)：13-18.

[3] 李琦，羅志清，郝力，等. 基于不規(guī)則網(wǎng)格的城市管理網(wǎng)格體系與地理編碼[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2005，30(5)：408-411.

[4] 彭明軍. 利用層次空間推理進行城市空間信息多級網(wǎng)格劃分[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2010，35(9)：1112-1115.

[5] EAGLESON S, ESCOBAR F, WILLIAMSON I. Hierarchical Spatial Reasoning Theory and GIS Technology Applied to the Automated Delineation of Administrative Boundaries[J].Computers, Environment and Urban Systems,2002(26):185-200.

[6] EAGLESON S, ESCOBAR F, WILLIAMSON I. Automating the Administration Boundary Design Process Using Hierarchical Spatial Reasoning Theory and Geographical Information Systems[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2003,17(2)：99-118.

[7] 狄琳.建立新國家地理網(wǎng)格服務(wù)地理國情監(jiān)測初探[J]. 測繪通報，2011(12)：1-2

[8] 郭慶勝，黃遠林，鄭春燕，等. 空間推理與漸進式地圖綜合[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[9] 付夢印，李杰，鄧志紅. 基于分層道路網(wǎng)絡(luò)的新型路徑規(guī)劃算法[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報， 2005，17(4)：719-722.