城市地理国情监测统计单元网格划分方法研究

张会霞,张 锦,何宗宜

(1. 太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024； 2. 太原师范学院 地理科学学院, 山西 太原 030012; 3. 武汉大学 资源与环境科学学院, 湖北 武汉 430079)

一、引 言

地理国情监测是我国测绘与地理信息行业未来很长一段时间内的发展主题之一[1]。对地理国情进行监测,并对监测的结果进行统计分析,需要统计单元。 目前,地理国情监测采用的统计单元有行政区划单元、社会经济区域单元、自然地理单元、城镇综合功能单元、地形等。针对城市的统计单元目前有行政区划单元和城镇综合功能单元(包括居住小区、工矿企业、单位院落、景区、体育活动场所、名胜古迹、宗教场所等)。

在城市中采用行政区划界线(区界)作为统计单元，单元过大；采用社区界线作为统计单元，由于城市的改造，社区界线不是很明确,尤其在各类图上并不表示。而城镇综合统计单元是对每一类地物进行统计。本文针对地理国情监测，设计一个综合性的统计单元，可以统计监测结果及其他社会经济要素。

针对城市统计单元的研究，程建权等研究了城市空间统计单元，指出传统的空间统计单元在不同的行业间存在着较大的区别[2]。李琦等基于不规则网格的城市管理网格体系与地理编码，指出地籍是城市最小不规则空间单元网格，利用地籍可以组合成其他管理分区[3]。狄琳指出建立新国家地理网格服务地理国情监测[4]。彭明军等采用层次空间推理的方法对城市单元网格进行研究，提出了城市单元网格的概念，指出单元网格作为其他网格的基础，处于社区与建筑物(宗地)之间[5-7]，该方法考虑的要素全面，但他对单元网格的阈值没有进一步的研究。

本文针对地理国情监测，提出一种网格划分方法，采用不同的网格阈值，进行渐进式的综合，实现网格的合并。该方法划分的单元可以作为统计城镇综合功能单元如居住区、工矿业等的统计单元，又可归并到行政区划(区界)内。

二、渐进式综合原理

渐进式地图综合是地图由大比例尺缩小到小比例尺时，用于图形要素的一种综合方法。渐进式地图综合的含义是用地图图形的渐变来实现地图图形的突变，随着地图比例尺的逐渐缩小，在约束条件和空间知识的控制下渐进式减少地图图形的细节，当减少到一定程度时就可以满足某一抽象程度的地图综合要求。在细节减少的过程中实时对每一步骤进行评价，使得每一步所得的结果在当前的对象层次上是可用的，是进一步综合的基础[8]。

渐进式综合的特点是：①地图图形的连续抽象，简化程度由小到大逐渐变化；②把大跨度的地图综合问题简化为最小跨度的图形简化问题；③每一次只删除最小细节，抽象程度最小，容易控制；④在地图目标的选取过程中，可以实现目标的逐个删除或选取。

把渐进式综合用于统计单元网格的聚合，统计单元的划分转化为道路网的制图综合。对城市中的道路网采用渐进式的综合方法，每次删除部分路网，抽象程度小，容易控制，对路网进行图形化简，最终实现统计单元的划分。图1为渐进式综合的示意图。与传统地图综合不同的是，所有的综合是在同一比例尺下完成的，而不是不同的比例尺。

图1 渐进式综合过程

三、城市统计单元网格的划分原则

城市统计单元网格的划分建立在行政区划、道路网络、河流、湖泊等构成的网格基础上，通过对这些网格进行渐进式制图综合，得到需要的统计单元网格。

1. 道路网层次划分

将整个道路网分为两个层次，即主要道路层和次要道路层[9]。主要道路层中的道路作为网格划分的控制框架，一般不舍去；次要道路层中的道路在构建网格中可以有取舍。参考太原市城市地图，主要道路层包括高速公路、铁路、一级街道、二级街道，主要由路面较宽、连通性好的道路组成；次要道路层包括三级街道、四级街道，主要由路面较窄道路及胡同组成。

2. 统计单元网格的划分

统计单元网格划分的基本思想是：采用行政区划界线(区界)作为约束，在不同的区界内以道路、河流等组成的网格把城市划分为大小不同的不规则网格；再对这些网格进行制图综合，划分出统计单元。

统计单元网格划分时遵循的原则为：

1) 行政区划界线(区界)作为约束，网格的合并不应跨越行政区划界线。

2) 城市的主要道路层作为主控制框架，在网格合并时，不应跨越主要道路层，次要道路层中次要道路可进行取舍，支路优先舍去。

因苗追施。对于长势较弱的苗或地力差、早播徒长脱肥的苗应早施、重施返青肥，可在地表开始化冻时抢墒施肥；对于生长较旺的麦苗则不施返青肥，推迟到起身时追肥。

3) 自然地物如河流、湖泊、山峰，在网格划分时，保持这些地物的完整性。

4) 网格的形状尽可能保持方形，避免长条形或多边形出现。

5) 网格合并时，网格的面积大小尽可能均衡。

四、统计单元网格划分方法与试验

1. 城市数据的准备

采用 Google Earth 上太原市城市的遥感影像，范围为南北向迎泽大街和府西街之间，东西向滨河东路和五一路之间。该影像坐标系为WGS-84，采用 ArcGIS 软件，把 WGS-84 地理坐标系转换为1980西安平面直角坐标系，提取城市道路网、河流、湖泊等要素，并分层矢量化。城市行政区划界线采用现有的太原市城市地图，该地图具有行政区划界线，通过配准，可叠置在一起。以上几种要素矢量数据叠置在一起，组成不同的网格;建立拓扑关系，进行拓扑错误检查，使得这些线不存在悬挂点、伪节点等；把组成网格的线转换成面,可统计出每个网格的面积与周长。

2. 统计单元网格划分方法

为了避免细长网格出现，采用紧凑度c来约束网格的形状，其表示方法为

(1)

式中，c为紧凑度；A为网格面积；P为网格周长。比值越大，紧凑度越好。 城市单元网格划分的步骤如下：

1) 设置面积合并的最小阈值，对所有网格按面积大小进行排序，选出面积小于该阈值的最小网格，选取在同一上级网格内且与该网格相邻的网格。

图2 道路网格图

3) 删除这两个网格之间的公共边所对应的道路。依次从小到大对小于该阈值的网格按照面积、紧凑度进行判断、合并。

4) 对合并的网格重新计算面积、周长，并按面积大小进行排序，再设置一个阈值(该阈值大于上一个阈值)，选出面积小于该阈值的最小网格，采用与步骤 1)相同的方法进行邻近网格多边形的判断、合并。删除相邻多边形公共边所对应的道路，按照面积从小到大对小于该阈值的网格依次进行处理。

5) 依次类推，再设置合并的阈值，按照步骤 4)进行判断合并，直到合并后的网格满足要求为止。

本文中采用的网格的面积域值有10 000 m2、20 000 m2、30 000 m2、50 000 m2等，采用渐进式综合方法，逐步达到目标。

3. 试验与分析

图3是太原市迎泽区部分区域街道图，粗线为主要道路，细线为次要道路、河流、湖泊等数据，网格的数量有180个，支路较多，有许多小格网。对图3采用10 000 m2面积阈值进行网格的聚合，得到的结果如图4所示，综合前有43个网格面积小于10 000 m2，经过综合后，小面积网格减少。图5是面积阈值为20 000 m2综合后的图形，综合前有43个网格面积小于20 000 m2。图6是在图5的基础上进行综合，面积阈值为30 000 m2，综合前面积小于30 000 m2的网格数有23个。 图7是在图6的基础上进行综合,面积阈值为50 000 m2，共有29个网格需要综合。经过以上综合后，还剩下70个网格，小网格数量明显减少。

图3 原始的道路网格图

图4 阈值为10 000 m2的网格图

图5 阈值为20 000 m2的网格图

图6 阈值为30 000 m2的网格图

图7 阈值为50 000 m2的网格图

经过4次综合,网格数量减少,小网格经过几次合并，逐渐消除，综合后的网格大小比较均匀。综合的阈值可根据需要来设定，通过渐进式综合，可以看到每次综合后的结果，避免一次运算，结果不容易控制。

本文主要对城区部分区域的道路、河流、湖泊构成的网格进行了试验，相比于完全采用手工的方法在屏幕上划分，效率高很多；且针对不同大小的阈值进行了试验，相比于单一的阈值，该方法能看到中间合并结果。

五、结束语

本文对城市的统计单元进行了研究，探讨了适合城市地理国情监测的统计单元划分方法。根据不同的层次网格构建出不规则网格，通过对网格的综合，得到需要的城市统计单元网格。该方法可用于城市统计单元的划分，具有一定的实用性。

参考文献：

[1] 兀伟，邓国庆，张静，等. 地理国情监测内容与分类体系探讨[J]. 测绘标准化，2012，28(4):10-12.

[2] 程建权，TURKSTRA J.关于城市空间统计单元的思考[J].武汉城市建设学院学报，1997，14(4)：13-18.

[3] 李琦，罗志清，郝力，等. 基于不规则网格的城市管理网格体系与地理编码[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2005，30(5)：408-411.

[4] 彭明军. 利用层次空间推理进行城市空间信息多级网格划分[J]. 武汉大学学报：信息科学版，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.建立新国家地理网格服务地理国情监测初探[J]. 测绘通报，2011(12)：1-2

[8] 郭庆胜，黄远林，郑春燕，等. 空间推理与渐进式地图综合[M]. 武汉：武汉大学出版社，2007.

[9] 付梦印，李杰，邓志红. 基于分层道路网络的新型路径规划算法[J].计算机辅助设计与图形学学报， 2005，17(4)：719-722.