基于GeoSOT模型的地理国情监测多级网格信息统计

王妍程，蔡列飞，侯继虎，黄日娟

（1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079； 2.地空间信息技术协同创新中心，湖北 武汉 430079；3.广西壮族自治区基础地理信息中心，广西 南宁 530023）

基于GeoSOT模型的地理国情监测多级网格信息统计

王妍程1,2，蔡列飞1,2，侯继虎1,2，黄日娟3

（1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079； 2.地空间信息技术协同创新中心，湖北 武汉 430079；3.广西壮族自治区基础地理信息中心，广西 南宁 530023）

地理国情信息统计是地理国情监测的重要内容，地理统计单元的划分直接决定着地理国情信息统计的精度。提出了采用基于GeoSOT网格模型生成的地理国情监测多级网格来统计地理国情信息的方法。以地理国情监测多级网格为地理国情信息的统计单元，能弥补以行政区划为统计单元的不足，更有效地表现区域内部地理国情信息的空间分布特征。

地理国情监测；统计单元；GeoSOT；多级网格；信息统计

地理国情监测通过对地理国情进行动态地测绘、统计，从地理的角度来综合分析和研究国情，为政府、企业和社会各方面提供真实可靠和准确权威的地理国情信息[1]。地理统计单元是地理国情信息统计分析的基础，其划分直接决定统计分析的精度。

地理统计单元是在空间上连续且具有相同特征的区域，包括地理网格、行政区划、自然地理区域、社会经济区域等。当前地理国情普查是以行政区划为地理统计单元进行的[2]。以行政区划作为地理统计单元，虽然在数据获取方面具有一定的优势，但是不能有效表现统计单元内部地理国情信息的空间分布特征，且无法与非空间地理国情信息集成分析，无法反映社会经济信息与空间自然现象之间的关系。

地理网格是一种科学、简明的定位参照系统，是对现有测量参照系、行政区划参照系和其他专用定位系统的补充[3]。将地理网格应用到地理国情监测中，可有效解决以行政区划为地理统计单元所出现的问题。本文的地理国情监测多级网格是基于GeoSOT网格模型生成的地理网格。该模型是以北京大学程承旗教授为首的研究团队提出，用于解决跨部门之间、部门内各业务阶段中数据组织基准不统一的问题[4]。

本文以地理国情普查试点黑龙江省齐齐哈尔市部分地理国情普查成果为研究对象，采用基于GeoSOT网格模型生成的地理国情监测多级网格进行地理国情信息统计，网格化后的地理国情统计信息不仅能更贴切地反映地理国情信息的空间分布特征，而且具有GeoSOT网格的多种优良特性，为地理国情普查和监测数据的高效应用奠定了基础。

1 GeoSOT网格模型

1.1 GeoSOT网格剖分

GeoSOT网格剖分模型是一种等经纬度的四叉树全球剖分网格模型，基于经纬度坐标空间定义，原点为本初子午线与赤道的交点，剖分采用全四叉树递归剖分，将地球表面空间从全球剖分至cm级，共计32 层级，网格上下层级之间的面积比大致都为4∶1（图1a～图1c）。将经纬度坐标空间进行3次扩展，即将180°×360°空间扩展到512°×512°（图1d），将每度的60'空间扩展到64'（图1e），将每分的60″空间扩展到64″（图1f）。在逐级递归划分过程中，当遇到没有实际地理意义的区域，不再向下划分。

图1 GeoSOT网格多级剖分与3次扩展示意图[5]

1.2 GeoSOT网格编码

GeoSOT网格剖分模型将赤道与本初子午线的交点作为0级网格中心点，并把全球划分为4个区域，与4 个半球对应，各区域的面片与0级网格中心点距离最近的角点为该面片的定位角点，面片的编码与其定位角点的经纬度坐标相对应。在任一层级的同一网格内的任意一点处的网格编码相同。每一次进行四叉树剖分时，GeoSOT网格模型在东北半球、西北半球、东南半球和西南半球等区域的网格面片的编码顺序（0～3）分别如图2中的G0、G1、G2和G3处的箭头方向所示[6]。

图2 GeoSOT网格模型在各个半球的编码顺序[6]

GeoSOT网格编码按照经纬度坐标空间的3次扩展方法也相应地分为3段：度级、分级、秒级及秒以下的网格编码。编码采用字母与数字的组合形式，0级网格代表全球，用大写字母G表示，其他层级的网格编码都采用0、1、2、3的四进制数字形式来表示。GeoSOT网格面片编码保持整数“度、分、秒”量纲，并可采用四进制1维编码、64位的二进制1维编码、64位的二进制2维编码或十进制2维编码4种编码形式。4种编码形式之间具有严格的对应关系，可以相互转换。

2 基于GeoSOT模型的地理国情监测多级网格

本文根据GeoSOT网格剖分和编码原理，结合地理国情信息，生成基于GeoSOT的地理国情监测多级网格。具体方法为：先将地理国情信息涉及的地球表面空间按照GeoSOT网格划分方法进行划分，生成地理监测国情多级网格；再对剖分后得到的GeoSOT地理国情监测多级网格面片赋予唯一编码；最后，利用某些层级网格作为基础元组，聚合形成任意指定的一种理网格，并自动赋予聚合网格面片以唯一编码。

根据GeoSOT剖分模型，地理国情监测多级网格由32级网格构成，其地理空间覆盖大到全球小到cm级，网格上下级之间的面积比大致都为4∶1，因此是均匀变化的，如表1所示。

表1 基于GeoSOT的地理国情监测多级网格一览[7]

本文中基于GeoSOT模型生成的地理国情监测多级网格编码采用四进制1维编码方法，形式为：Gddddddddd-mmmmmm-ssssss．uuuuuuuuuuu（d、m、s、u取值均为0、1、2、3）。其中，第0级剖分面片标识为0，第1级面片编码分别为00、01、02和03（图3a），并从第2级开始，下一级剖分面片的编码在上一级剖分面片编码后追加0、1、2和3。具体编码规则是距赤道和本初子午线的交点最近的剖分面片为3（最远的），然后按照先沿纬线方向再沿经线方向对应其他2 个剖分面片分别为1和2（图3b）[6]。

图3 地理国情监测多级网格编码方法示例

3 基于地理国情监测多级网格的统计

在地理国情监测中，各行政区域单元下的地理国情信息都是基于点状要素、线状要素、面状要素进行普查的[2]，因此本文采用基于GeoSOT模型的地理国情监测多级网格进行地理国情信息基本统计的实验也按照点状要素、线状要素、面状要素3类进行相关指标的统计，以此来验证地理国情监测多级网格对于不同类型的地理国情信息统计的优势所在。

黑龙江省是全国第一批进行地理国情监测的试点省份，齐齐哈尔市作为黑龙江省的第二大城市，其地理国情普查信息具有典型的代表性。本文选取齐齐哈尔市6个建成区的地理国情普查成果作为实验数据，如图4。

3.1 实验流程

首先，从齐齐哈尔市的部分地理国情普查数据库中选取实验所需的点、线、面3种专题要素，并提取出来生成点、线、面3个专题图层；然后，针对不同专题要素在实验区的分布情况，确定合适的网格大小，对应本文中相应的地理国情监测多级网格等级，生成相应的地理国情监测网格；再用生成的地理国情监测网格分别对相应的专题要素进行基本统计，具体操作为先判断需统计的地理国情要素与相应等级的地理国情监测网格之间的空间位置关系；再计算各地理国情监测网格内相应的地理国情信息的基本统计指标（根据地理国情监测的相关规定选取部分作为示例）；最后，生成点、线、面3种要素基于地理国情监测网格统计的专题图。实验的基本流程如图5所示。

3.2 实验结果及分析

本文以地理国情监测相关技术规定为依据，分别对点状要素、线状要素、面状要素选取不同的统计指标，进行基于GeoSOT的地理国情监测多级网格信息统计实验。实验中GeoSOT地理国情监测多级网格的生成、基于地理国情监测网格的地理国情信息统计及专题图的生成均采用C#语言在ArcGIS环境下的二次开发实现。本文中生成GeoSOT地理国情监测多级网格的基本界面如图6所示。以第12级地理国情监测网格为例，与研究区域边界拟合后的网格见图7，网格属性表见图8。

图6 生成地理国情监测多级网格界面

图7 生成第12级地理国情监测网格

图8 生成的第12级地理国情监测网格属性表

1） 点状要素。地理国情普查相关规定中，点要素的基本统计指标包括个数、密度、聚集中心和交通距离等[8]。选取齐齐哈尔市地理国情普查数据中的构筑物要素作为研究所用的点状要素数据，其统计指标选取点（构筑物）密度，反映齐齐哈尔市的构筑物空间聚集特征。根据实验区内构筑物（点要素）的分布情况，确定适宜的网格等级为第14级（对应网格大小为4 km×4 km）。齐齐哈尔市构筑物图层如图9a所示，基于GeoSOT的地理国情监测多级网格统计构筑物（点要素）密度的专题图见图9b，基于行政区划统计构筑物（点要素）密度的专题图见图9c。

图9 点状要素（构筑物）分布图层及统计结果

2） 线状要素。地理国情普查相关规定中，线要素的基本统计指标包括投影长度和密度等[8]。选取齐齐哈尔市地理国情普查数据中的公路要素作为研究所用的线状要素数据，其统计指标选取线（公路）密度，反映齐齐哈尔市的公路网空间分布特征。根据实验区内公路（线要素）的分布情况，确定适宜的网格等级为第15级（对应网格大小为2 km×2 km）。齐齐哈尔市公路图层如图10a所示，基于GeoSOT的地理国情监测多级网格统计公路（线要素）密度的专题图见图10b，基于行政区划统计公路（线要素）密度的专题图见图10c。

图10 线状要素（公路）分布图层及统计结果

3） 面状要素。地理国情普查相关规定中，面要素的基本统计指标包括的投影面积、周长、个数和占比等[8]。选取齐齐哈尔市地理国情普查数据中的林地要素作为研究所用的面状要素数据，其统计指标选取占比，反映齐齐哈尔市的林地空间分布特征。根据实验区内林地（面要素）的分布情况，确定适宜的网格等级为第16级（对应网格大小为1 km×1 km）。齐齐哈尔市林地图层如图11a所示，基于GeoSOT的地理国情监测多级网格统计林地（面要素）占比的专题图见图11b，基于行政区划统计林地（面要素）占比的专题图见图11c。

图11 面状要素（林地）分布图层及统计结果

由上述实验结果可以看出，与基于行政区划的统计方式相比，基于GeoSOT的地理国情监测多级网格的统计方式能更贴切地反映各种类型地理要素的空间分布特征，同时由于GeoSOT网格具有的空间多尺度性、全球编码唯一性、与传统地图图幅兼容、与世界上重要的数据格网同构等优良特性[7]，基于GeoSOT模型的地理国情监测多级网格具有更多优势。首先，在统计过程中可根据地理国情要素的实际分布情况选择合适大小的网格，避免了多种比例尺的问题和制图综合；其次，经过统计后的地理国情信息作为属性信息存储在网格中，基于GeoSOT模型的地理国情监测多级网格具有全球编码唯一性，极大地方便了地理国情统计信息的查找；再次，此网格以经纬度划分为基础，可以与行政区划相关联，便于地理国情统计信息与以行政区域为统计单元的社会经济信息的转换与集成；最后，基于GeoSOT模型的地理国情监测多级网格与世界上多种重要的数据网格同构的优良特性有利于多源异构遥感数据的统一组织，以地理国情普查数据为基础，开展高效的地理国情监测工作。

4 结 语

本文以地理国情普查试点区域黑龙江省齐齐哈尔市部分区域的地理国情普查成果为例，参照地理国情的相关技术标准，采用基于GeoSOT模型的地理国情监测多级网格，分别对点、线、面3种不同类型的地理国情信息进行基本统计实验。由实验结果可知，地理国情监测多级网格可弥补行政区划单元在地理国情信息统计中的不足，是地理国情监测中的一种不可或缺的技术手段。当前，我国正处于全面推进地理国情监测工作的重要历史转折点。基于空间信息多级网格来建设地理国情监测，既是适应信息技术发展和促进地理国情资源共享的重要手段，也是实现地理国情信息服务于社会发展的重要途径。

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P208

B

1672-4623（2016）01-0008-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.003

王妍程，硕士，主要从事地理信息和遥感技术与应用方面的研究。

2014-12-02。

项目来源：国家重大设备专项资助项目（2012YQ16018505）；国家科技支撑计划资助项目（2013BAH42F03）；教育部新世纪优秀人才资助项目（NCET-12-0426）；湖北省自然科学基金杰青基金资助项目（2013CFA024）；武汉大学创新人才资助项目（2042014kf0212）。