毕业论文基于遥感和gis的gdp数据空间化研究以东昌府区为例

本科生本科生毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 题题 目：目：基于遥感和基于遥感和 GIS 的的 GDP 数据空数据空间间化化 研究研究-以以东东昌府区昌府区为为例例 专业专业代代码码： ： 070703 作者姓名：作者姓名： 孙孙之之华华 学学 号：号： 2007202012 单单 位：位： 环环境与境与规规划学院划学院 指指导导教教师师： ： 肖肖 燕燕 2011 年年 5 月月 31 日日 2 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下， 独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论 文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人承担本声明的相应责任。 学位论文作者签名： 日期 指 导 教 师 签 名： 日期 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 目录目录 1 前前 言言-1 2 GDP 数据空间化数据空间化-2 2.1GDP 数据及定义 -2 2.2 遥感土地利用类型 -2 2.3GDP 数据空间化 -3 2.3.1 土地利用类型与 GDP 空间化 -3 2.3.2 GDP 空间距离衰减-4 2.3.3 GDP 空间化模型-4 3 东昌府区数据空间化试验东昌府区数据空间化试验-5 3.1 试验区域概况 -5 3.2 原始数据 -6 3.3 数据处理 -6 3.3 结果分析 -8 4 结束语结束语-9 参考文献：参考文献：-10 致谢致谢-11 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 摘摘 要要 本文以聊城市东昌府区为案例区，介绍了社会经济统计数据的空间化方法及 GDP 空间分布情况，并利用遥感和 GIS 结合的技术，以土地利用类型数据为基 础,结合面积权重内插法与反距离加权内插法的 GDP 数据空间化方法，实现了 GDP 空间化。 关键词：关键词：遥感，GIS，GDP，空间化 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） I Abstract Taking Dong Chang Fu County of Liao Cheng city as a case ,The article introduced the methods of the spacialization of socio-economic statistical data and the spatial distribution of GDP, used a method of the spacialization of GDP , applying remote sensing and GIS technologies, based on the type of land use, combined with Areal Weighting Interpolation and Inverse Distance Weighted, achieved the spacialization of GDP. Key words：Remote Sensing; GIS; GDP; The Spacialization of Statistical Data 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 1 基于遥感和基于遥感和 GIS 的的 GDP 数据空间化研数据空间化研 究究 以东昌府区为例以东昌府区为例 1 前言前言 目前，随着对全球化过程的深化研究，要求人们从综合集成的角度，提出人 类针对生态环境变化的适应性策略，但是人文因素的量化的难题导致一直无法提 供有效的信息支撑，严重阻碍了研究的进展1。只有获得定量、定位的人口、社 会经济信息，才能分析人文因素与生态环境的相应机理与互动模式。因此，在基 础研究领域，标准化的人口、社会经济空间数据库对于全球变化的区域模型建立 具有重要的科学价值。 要解决传统以行政单元为主的统计资料的空间定位不稳定、不精确、不统一 的矛盾，以及实际应用中空间分辨率、时间分辨率低的问题，迫切需要建立一个 高分辨率的基础地理单元，将社会经济数据与自然数据转化到一个可方便操作、 分析的数据平台。人文数据空间化就是最好的解决办法之一，即将以行政区划为 单元的统计数据展布到一定尺寸的地里格网上，构建人文要素空间数据库，便于 与土地利用、土地覆被数据、生态环境背景数据等自然要素数据联合应用，使之 成为可持续发展信息网络的有机组成部分，为可持续的研究和政府决策提供服务 2。 在遥感、GIS 技术的支持下，地理学家利用新的手段，定量、定位地研究人 口、社会经济数据的空间分布问题。我国的社会经济数据一般是以县为基础统计 单元，社会经济数据的空间化的核心是以空间统计单元代替行政单元3。即在地 理空间上划分互不重叠多边形（一般选用规则的正方形或矩形，如 1km*km）,每 个多边形就是一个空间单元，有唯一的代码。各种统计资料和规划指标均有所在 空间单元的代码，这样查询、分析、汇总时，空间定位就很方便。 统计数据空间化方法的一个重要特征是单元内的容量不变性，即空间分配过 程不影响原有属性值对整个单元总量或平均值的表达。空间化的方法可以归纳为 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 2 以下 4 种：（1）密度分配。通过分布函数、控制区或控制函数的方法将统计指 标的数量以密度分配的方式分配到空间上。 （2）领域关系。利用地理变量在空间 上的相互依赖关系，通过邻域的值来估计所在位置的值。可通过简单插值方法或 自相关方法来估值。 （3）地理变量之间的相互关系。通过一个变量的分布差异去 估计另一个变量的空间差异。 （4）分形方法。分型具有自相似和自仿射特征，其 局部通过变换与整体相等或相似。根据分形分析检验地理实体分布的分形特征并 提取参数，然后通过分形模拟的方法可能实现对密度分布的估计。 当前国际上对社会经济数据空间化的研究，主要集中在对人口的空间化上4-7 ,对 经济数据的空间化却很少。本文通过分析国内生产总值（GDP）空间分布特征， 借助遥感和 GIS 技术，以土地利用类型数据为基础，结合面积权重与反距离加权 的 GDP 数据空间化方法，进行了山东省聊城市东昌府区 GDP 数据的空间化。 2 GDP 数据空间化数据空间化 2.1 GDP 定义及分类定义及分类 国内生产总值（GDP）是一个国家或地区在一定时期内（常用一年）生产活 动的最终成果。从价值形态来看，就是所有常住单位在一定时期内所生产的全部 货物和服务价值超过同期投资的全部非固定资产货物和服务价值的差额，即所有 常住单位的增加值之和。国内生产总值能够全面反映全社会经济活动的总规模， 是衡量一个国家或地区经济实力，评价经济形势的重要综合指标，世界上大多数 国家都采用这一指标。根据社会生产活动历史发展的顺序对产业结构的划分，把 GDP 分为 3 个产业，直接取自自然界部门的增加值称为第一产业增加值（大农 业，包括种植业、林业、牧业、渔业） ；对初级产品进行再加工部门的增加值称 为第二产业增加值包括工业（采掘业，制造业，电力、煤气及水的生产和供应 业）和建筑业；为生产和消费提供各种服务部门的增加值成为第三产业增加值 （除第一、第二产业以外的其他各业） 。 2.2 遥感土地利用类型分类遥感土地利用类型分类 遥感图像是通过亮度值或像元值的高低差异也就是地物光谱信息，和地物的 空间变化信息来反映地物差异的。遥感图像分类的原理是：遥感图像中的同类地 物在相同条件下（地形、光照以及植被覆盖等）具有相同或相似的光谱信息特征 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 3 和空间信息特征，因此表现出某种内在的相似性，即同类地物将集群在同一特征 空间区域，而不同的地物则集群在不同的特征空间区域。遥感图像土地利用分类 就是利用计算机对遥感图像中各类地物的光谱信息和空间信息进行分析, 选择特 征, 并用一定的手段将特征空间划分为互不重叠的子空间, 然后将图像中的各个 像元划归到各个子空间去, 从而实现分类 。传统遥感图像的计算机自动分类分 为非监督分类和监督分类。监督分类和非监督分类的最大区别在于, 监督分类首 先给定类别, 而非监督分类则由图像数据本身的统计特征来确定。 监督分类的主要步骤包括：（1）选择特征波段；（2）选择训练区；（3） 选择或构造训练分类器；（4）对分类精度进行评价。 最大似然分类法是最常用的一种监督分类算法，几乎被所有的图像处理系统 和软件所采用。最大似然分类将卫星遥感多波段数据的分布当作多维正态分布来 构造判别分类函数。其基本思想是，各类已知像元的数据在平面或空间中构成一 定的点群，每一类的每一维数据都在自己的数轴上形成一个正态分布，该类的多 维数据就构成该类的一个多维正态分布，各类的多维正态分布模型各有其分布特 征，如所在位置、形状、密集或分散的程度等。根据已知各类的已知数据，通过 实地调查或其他方法确定地物类别及其训练区获得，可以构造出各类的多维正态 分布模型，实际为出现各种数据向量的概率即概率密度函数或概率分布函数。有 了各类的多维分布模型，对于任何一个未知类别的数据向量，都可以反过来求它 属于各类的概率。比较这些概率的大小，将该数据向量或像元归于概率大的类别。 2.3 GDP 数据空间化数据空间化 空间化方法研究的基本假设是“劳动是财富之父，土地是财富之母” （威 廉配第） ，正是人类对土地的开发利用，创造了物质财富（GDP） ，从而可以在 经济发展分区的基础上建立不同土地利用类型与 GDP 之间的关系模型，其中未 利用地，包括荒地、沙地、裸地等，假设没有 GDP 值，不参加计算 GDP。第一、 第二产业与土地利用类型关系比较密切，可以建立不同土地利用类型与第一、第 二产业 GDP 之间的关系模型库，根据每个地区的各类土地利用类型确定其第一、 第二产业 GDP 分布。第三产业与土地利用的关系不容易确定，可以根据社会经 济空间距离衰减规律，通过反距离加权法空间内插再将第三产业进行相加得出 GDP 空间化结果。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 4 2.3.1 土地利用类型与 GDP 空间化 根据分产业 GDP 数量与土地利用类型的空间相关，分第一、第二、第三产 业建立 GDP 空间分布模型。第一产业中农、林、牧、渔业产值分别与该地区土 地利用类型中耕地、林地、草地、水域相对应；第二产业与城乡工矿居民地相对 应；第三产业与各种土地利用的关系不容易确定。考虑到自然、经济和人文 3 个主要因素，遵循“无土地利用则无 GDP”的原则，通过人工干预,剔除裸地、沙 地等未利用土地，将耕地、林地、草地、水域、建设用地,选为 GDP 空间化的主 要土地利用类型。 2.3.2 GDP 空间距离衰减 根据区域经济空间相互作用理论8 ，区域之间的经济联系对区域经济的发展 具有巨大的推动作用。区域之间的经济联系可以分为不同的空间相关类型，其中 经济流在时间和空间中的扩散过程尤为重要。从空间上看,空间化遵循距离衰减 规律，即扩散的强度(空间相关程度) 随着空间距离的增加而衰减。其数学表达式 为： I= D (1) ij k ij 式中 I 是两个地方 i 与 j 之间的空间相互作用水平；D 是其间的空间距离；k ijij 是经验系数。 所以，经济统计数据可以采用距离衰减模型来进行空间化。对于大范围内的 经济统计数据的处理，如全国范围内的 GDP 的统计，其统计单位一般是一个省 或直辖市，而一般情况下，省会是该省的经济中心。可以将统计数据置于质心点 上，然后采用距离衰减模型向周围拓展，质心点可以选择为省会。但对于小范围 内的经济统计数据，质心点就不好确定。如果把数据置于某一质心点，得到的模 型就与实际有很大的偏差。也就是说,这种小范围内的统计数据在该区域内是分 散分布的。根据道路与经济发展的空间分布相关特性，可以选用道路的距离对 GDP 进行空间化。 2.3.3GDP 空间化模型 空间化的具体步骤如下：将一定分辨率的格网与源数据统计区域叠加，将区 域栅格化；根据遥感影像分类图，计算每个行政区域的各类土地利用面积9；计 算每个栅格点的第一、第二产业 GDP 值; 根据距离道路的远近，用反距离加权 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 5 法进行内插，计算出各栅格点的第三产业 GDP 值；将三产产业的 GDP 值求和； 再利用反距离加权法进行 GDP 值平滑。 面积权重内插法(Areal Weighting Interpolation)是一种简单且直观的社会统计 数据空间化的算法，它是根据目标区域( target zone)内各源区域(source zone)所占 面积的百分比来确定目标区域属性值的一种方法, 由于这种方法是根据目标区域 确定源区域的权重, 因此称为面积权重内插法。一般地, 面积权重内插法通常采 用 3 种假设: （1）源区域属性值分布均匀;（2）目标区域属性值分布均匀; （3）控制区域属性值分布均匀10 大多数 GIS 软件中都包含了面积权重内插这种功能，这种方法的主要步骤： （1）在源数据区域上叠加目标数据区域；（2）确定每个源数据区域落在目标区 域的比例；（3）根据面积比例分配属性值。 在运用面积权重插值法计算各栅格点的 GDP 值时，由于每个目标区域边界 内的栅格点，全部落在源区域内，可直接用栅格点的面积乘以相应区域的单位面 积的 GDP 值 Y 。 i P=SY (2) ki 式中， P 是第 i 个区域内的第 k 个栅格点的 GDP 值，S 是每个栅格点的面积， k Y是第 i 个区域的单位面积内的 GDP 值。 i 反距离加权法内插公式为： = (3) z n i k i n i k ii ddz 11 )/1 (/ )/( 式中，是待求的栅格点 P 的估计值，z 是点 P 周围第 i 个点 P 的值，n 是点 P z ii 周围点的个数，d 是点 P 与周围的第 i 个点 P 的距离，k 是平滑参数。k 的取值 ii 越大，随着距离的增加，周围的点对点 P 的影响就衰减的越快，反之就越慢。 3 东昌府区数据空间化试验东昌府区数据空间化试验 3.1 试验区域概况试验区域概况 聊城市东昌府区，是中共聊城市委、市政府驻地。位于山东省西部，东依东 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 6 阿县、茌平县，南接阳谷县，西连冠县、莘县，北靠临清。地处东经 11514 11606、北纬 36163642之间。全区辖 8 镇 2 乡和 8 个办事处，总面积 1245 平方公里，人口 101 万人，其中农业人口约 66 万人。东昌府区 2005 全年国内生 产总值 117.85 亿元，其中第一产业增加值 11.87 亿元，第二产业增加值 57.22 亿 元，第三产业增加值 48.41 亿元。 3.2 原始数据原始数据 东昌府区数据空间化准备的数据有：（1）社会经济统计数据，从山东省 2005 年年鉴中，获取东昌府区 GDP 统计值。 （2）东昌府区的遥感影像，从 “中 国科学院对地观测与数字地球科学中心”网站11下载包含东昌府区的 LANDSAT-5 的 TM 遥感影像，数据产品的处理级别为 L2( Level 2：经过辐射校正和几何校正 的产品数据，并具有投影坐标系)。 （3）聊城市地图扫描图。 3.3 数据处理数据处理 首先，遥感影像处理。使用 ENVI 软件将 2005 年东昌府区 TM 遥感影像采 用监督分类中的最大似然法对影像进行监督分类，得到影像土地利用分类图，土 地分类类别类别为耕地、林地和草地、水域、居民建设用地。对聊城市地图扫描 图进行配准，使其投影坐标系与遥感影像一样。使用 ARCGIS 创建东昌府区多边 形矢量文件，用该文件通过掩膜处理(Mask)裁剪影像土地利用分类图，得到东昌 府区土地利用类型分布图（如图 1） 。其次，对东昌府区道路进行数字化。最后对 东昌府区 2005 年 GDP 数据进行空间化，空间化结果图如图 2 所示。先根据土 地利用类型将第一产业和第二产业 GDP 数据空间化，其结果如图 2a;再利用东 昌府区道路数据将第三产业 GDP 数据进行空间化,其结果如图 2b；最后将三产 产业 GDP 数据求和；用反距离加权法进行 GDP 值平滑，得出东昌府区 2005 年 GDP 数据空间化，其结果如图 2c 。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 7 图 1 东昌府区土地利用类型分布图 Fig.1 The distribution of landuse types in Dong Chang Fu County 图 2a 东昌府区第一二产业空间化结果图 Fig.2a The spacialization of the first and second industry GDP in Dong Chang Fu County 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 8 图 2b 东昌府区第三产业空间化结果图 Fig.2b The spacialization of the third industry GDP in Dong Chang Fu County 图 2c 东昌府区 GDP 空间化结果图 Fig.2c The spacialization of GDP in Dong Chang Fu County 3.4 结果分析结果分析 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 9 从图 2 c 中可以明显看出，GDP 值高的地区基本分布在城市及周围，如区 中心和交通沿线。这些都与实际情况相符，如实地反映了地域经济规律。 从整个数据生产的过程看，误差来源有以下几个方面。一是原始数据精度的 影响。因模型构建、数据生产都来自 Landsat TM 卫星影像的土地利用类型数据， 其 TM 数据本身分辨率的限制和制图要求，使得土地利用数据结果存在一定的 误差，尤其是在某些农村土地利用图斑小而分散，很难从卫星影像中识别,误差 更大些。二是 GDP 空间分布的复杂性不是以一个数学模型可以表达的，GDP 空间分布的机理有待进一步研究。 尽管研究过程中考虑到一、二、三产业空间分布的差异性, 但是由于影响社 会经济空间分布因素的复杂性, 该研究方法还需要进一步地改善和提高。如第一 产业不仅与农用地的面积相关, 各农用地的质量、种植类型的差异也对产值的分 布有着重要的影响。 此外, 因为没有获得东昌府区辖内乡镇级 GDP 数据和相应的行政区划资料， 所以，这次 GDP 数据空间化的精度没有进一步提高。 4 结语结语 利用统计型社会经济数据分布到地理空间的方法，对东昌府区 2005 年 GDP 数据进行了空间化处理，实现了 1 km 格网水平上 GDP 数据的空间化，为实现 资源、环境、社会和经济的多源数据融合提供了新的思路。因没有下一级别的 GDP 统计数据，故没有找到验证空间化结果的方法。由于影响社会经济空间分 布因素的复杂性，尚没有统一的社会经济空间分布模型，故对其空间化还有待进 一步研究。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 10 参考文献参考文献 1 江东,杨小唤,王乃斌等.基于 RS 和 GIS 的人口空间分布研究J.地球科学进展,2002,17(