地理国情监测地理格网划分及统计.pdf

致 谢致 谢 在本论文的撰写过程中 首先要感谢我的导师徐爱功教授和董春副研究员的悉 心指导与严格的督促 同时也感谢他们的谅解与包容 没有他们的帮助也就没有今 天的这篇论文 求学历程是艰苦的 但又是快乐的 徐爱功教授和董春副研究员治 学严谨的作风 不仅在科研方面对我的帮助很大 更重要的是教会了我如何做人 虽仅仅历时不到三年 但带给我的影响却是终身的 感谢董春老师 徐爱功老师等 对我的教育培养 其次 感谢辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院的全体老师 可以说辽宁工 程技术大学测绘与地理信息科学学院的每一位老师对我的帮助都是非常巨大的 无 论是在科研方面还是在生活方面 甚至在做人方面 在科研方面 教会了我治学要 严谨 一定要实事求是 在生活方面对我的帮助也是无微不至的 在做人方面教会 了我如何做一个正直而且对国家有用的人 在此 非常感谢辽宁工程技术大学测绘 与地理科学学院 谢谢我的父母 没有他们辛勤的付出也就没有我的今天 在这一刻 将最崇高 的敬献给你们 感谢辽宁工程技术大学测绘研 09 1 班 09 2 班和 09 3 班的全体同 学 是他们在我撰写论文初稿的时候 给我提出了很多有建设性的意见 在此 对 全体同学表示最衷心的感谢 i 摘 要 摘 要 地理国情监测就是要对地理方面的国情进行动态的测绘 统计和分析研究 并及时发 布地理国情监测报告 地理国情监测通过对地理要素的统计分析 分析各种地理信息的变 化量 变化频率及地域差异 揭示其发展规律 并对其未来的发展演化方向进行分析预测 地理统计单元是地理要素统计分析的基础 地理统计单元的划分直接决定着统计分析 的精度 因此研究地理统计单元划分的意义是不言而喻的 本文在分析了美国国家格网和 英国国家格网及国内地理格网的应用的现状的基础上 结合 gb t12409 2009 地理格网国 家标准引出本文的地理格网分类 划分及编码 并以辽宁省人口为例 通过统计单元划分 试验说明如何进行统计单元划分 并利用 arcgis engine 实现了地理格网的生成 最终在生成格地理网的基础上 利用地理格网对四川省内的点状居民点和线状河流及 面状土地利用进行了统计 关键词 地理国情监测 地理格网 统计单元 arcgis engine abstract abstract geographical state monitoring is to monitor the conditions of geographic areas for dynamically mapping statistics and analysis and timely release of thegeographical situation monitoring report geographical state monitoring analysisanalysis of changes in the amount of geographic information change frequencyand geographical differences revealing the law of development and its future direction of development and evolution analysis and forecasting by statistical analysis of geographic features statistical unitis the basis of statistical analysis of geographic features geographic delineation of statistical units directly determines the accuracy of statistical analysis the significance of geographical statistical unit is self evident in the analysis of the u s and the uk national grid national grid and the application of domestic geographic grid status based on the geographical grid with gb t12409 2009 national standard geographical grid leads to this classification classification and coding and population in liaoning province for example through statistical unit test shows how the statistical unit divied arcgis engine development achieved with the geographic grid generation the final grid is generated on the basis of geographical network use of geographic grid of point like settlements in sichuan province and the planar linear rivers and land use for the statistics key words geographical state monitoring geo grid statistical units arcgis engine 目 录 目 录 摘 要 i abstract ii 1 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究现状 2 1 3 主要研究内容 11 1 4 研究的方法与技术路线 11 2 地理格网的基本理论 13 2 1 地理格网的概念 13 2 2 地理格网的功能 13 2 3 地理格网的设计原则 14 2 4 经纬度坐标格网 15 2 4 1 经纬度坐标格网分级 15 2 4 2 经纬度坐标格网编码 15 2 5 平面直角坐标格网 15 2 5 1 直角坐标格网分级 16 2 5 2 直角坐标格网编码 16 3 本文地理格网 18 3 1 本文地理格网的划分 18 3 2 本文地理格网编码 18 3 2 1 地理格网坐标原点 18 3 2 2 地理格网编码 19 3 3 地理格网划分试验 20 3 3 1 试验过程 20 3 3 2 相关性分析 20 3 3 3 最佳统计单元的确定 22 3 3 4 试验结论 24 3 4 利用 arcgis engine 实现地理格网划分 24 3 4 1geoprocessing 工具箱 25 3 4 2 添加图层 25 3 4 3 生成线状格网 26 3 4 4 对线状格网定义空间参考 27 3 4 5 地理格网生成演示 30 3 4 6 线状格网转换成面状格网 37 3 5 地理格网在人口空间化中的应用 38 4 基于地理格网对地理要素统计 41 4 1 点状要素的统计 41 4 2 线状要素的统计 43 4 3 面状要素的统计 45 5 结论与展望 47 5 1 结论 47 5 2 展望 47 参 考 文 献 48 作 者 简 历 51 学位论文原创性声明 52 1 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 研究背景 中国是从 1953 年开始制以五年一个时间段来做国家的中短期规划的 第一个 五年 计划 我们就简称为 一五 然后以此类推 十二五 规划的全称是 中华人民共 和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要 十二五 规划的起止时间 2011 2015 年 十二五 开局之年 测绘地理信息部门审时度势 精心筹划 创造性地提出了开展 地理国情监测的命题 1 在过去的十年中 美国测绘主管部门 美国地质调查局 usgs 发生了深刻的变 革 从机构设置 运行机制到工作重点 战略方向都焕然一新 时至今日 usgs 已成为 美国乃至世界地理监测分析和信息发布的权威机构 2 所以 对于人口众多 国土面积大 自然资源丰富的中国 更应该迫切地实施地理国情监测 以便更加全面 详细的了解中国 的地理国情 国情是一个国家具有自己特色的总体实际情况 地理国情则是通过地理位置 面积 高程 长度 趋势等空间量度表达的关于自然 人文地理要素的综合体现 其中既有相对 稳定的客观情况 也有不断变化的事实 3 地理国情监测 统计分析和发布是维护国家尊 严 让国民了解我国国情的重要举措 其中地理国情统计分析是在基础地理信息的基础上 利用地理信息系统 数理统计等技术方法进行统计分析获得数据和信息 通过统计分析揭 示监测对象的发展规律 并对监测对象未来的发展演化方向进行分析预测 最终获取趋势 信息 地理国情监测就是要对地理方面的国情进行动态地测绘 统计和分析研究 并及时发 布地理国情监测报告 地理国情监测通过对地理要素的统计分析 分析各种国情地理信息 的变化量 变化频率及地域差异 揭示其发展规律 并对其未来的发展演化方向进行分析 预测 最终获取趋势信息 为国家进行决策提供科学的依据 然而 地理统计单元是地理 要素统计分析的基础 地理统计单元的划分直接决定着统计分析的精度 所以研究地理统 计单元划分的意义是非常重大的 地理国情监测就是要对地理方面的国情进行动态地测绘 统计和分析研究 并及时发 布地理国情监测报告 地理国情监测通过对地理要素的统计分析 分析各种国情地理信息 的变化量 变化频率及地域差异 揭示其发展规律 并对其未来的发展演化方向进行分析 预测 最终获取趋势信息 为国家进行决策提供科学的依据 然而 地理统计单元是地理 2 要素统计分析的基础 地理统计单元的划分直接决定着统计分析的精度 如果地理统计单 元划分的比较合理 那么基于统计单元的统计分析的精度会比较高 相反如果选择了不合 理的统计单元 那么统计分析出来的数据的精度会难以满足精度的要求 所以 地理统计 单元划分的意义不言而喻 地理格网是一种科学 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 地理格网的应用 不但可以提高与空间分布信息集成效率 还可以减少数据精度损失和资源消耗 4 此外 诚如陈述彭院士所说 格网应用的优点 打破采用行政区划单元的约束 压缩信息存储的空间 提高检索与更新的效率 技术易于 普及和推广 适用于普查基本完成后的局部抽样统计 易与遥感图像像元匹配 应用便利 高效 5 基于地理格网的种种优点 本文通过地理格网为载体对地理统计单元进行划分 目前的统计数据都是以行政区划为统计单元进行统计的 虽然在数据获取具有一定的 优势 但是在与其他统计单元的统计数据进行定量分析时 效率比较低 而且在处理一些 实际问题的时候 这些基于行政区划的统计数据往往难以在精度上满足实际需要 除此之 外 由于统计数据的统计单元一直是以行政区为单元进行的 当在政府决策中经常会遇到 非行政区内的人口数量统计问题时 无法获得高精度的统计数据 或者得到的是错误的统 计数据 例如 广播电视发射台站选址时 必须考虑发射台设在不同地点时所覆盖的人口 数量 还有洪水淹没区内常住人口的数量统计以及一次地震灾害所波及的受灾人口数量统 计也寻在这样的问题 6 地理格网是各种数据融合的空间基底 空间数据集成是一个十分广泛的概念与技术 涉及到空间数据的方方面面 不同的数据依附在不同的空间范围上 缺乏共同的空间基底 无法整合集成 实现共享 难以满足社会各方面的应用需求 更缺少在集成基础上有专业 深度的数据挖掘 地理格网的提出和相关研究工作的开展 正是基于这样的需求而进行的 7 地理格网的研究为多源 多时空尺度数据的集成与融合提供了一种新的思路和模式 像元尺度的数据集成和融合在遥感数据处理中较为常见 近年来开始应用于社会经济数 据 将栅格技术应用于社会经济数据的处理 为资源环境等自然地理数据与社会经济数据 的集成与融合创造了条件 为自然与人文综合研究提供了一种新的思路和模式 基于地理 格网的种种优点 本文选择通过以地理格网作为载体对地理统计单元进行划分 1 2 研究现状 1 2 研究现状 一 国外研究现状 3 美国的军事参考系统是在 utm 格网参考的基础上进行修改并建立的 首先介绍下 utm 格网参考系统 一 美国军事格网参考系统 military grid reference system 美国军事格网参考系统是 utm 系统的发展 它采用 6 8 的区域划分 每个区域 由 100000 米的方形格网覆盖 并且用两个字母进行唯一标识 以 15swc8081751205 为例 进行说明 如图 1 1 图 1 1 美国军事格网参考系统 fig 1 1 military grid reference system utm 的垂直边界和水平纬度带边界的形式 一般 6 8 网格区域 因此 前三 个字母的 mgrs 值 例如 15s 被称为网格区的指定 grid zone designation 第四 个和第五个字符是一对指定网格内的区域 100 000 米方格的字母 参见图 1 2 4 图 1 2 100000 米格网 fig 1 2 100000 meter grid 在此示例区域 网格区指示符用棕色来表示 较小的灰色字母代表 100000 米方格编 码 例如点 15swc8081751205 是位于附近的图中心广场 wc 其余的字符包括 100 000 米方格范围内的北值和东值 图 1 3 mgrs 坐标可能被截断 以反映较低的精度水平 例如 15swc8081751205 是 1 米的精度 15swc80815120 是在 10 米的精度 15swc808512 是在 100 精度 15swc8051 是在 1000 精度 红 色 箭 头 显 示 mgrs 北 值 和 东 值 是 如 何 确 定 的 这 个 位 置 mgrs 值 15swc8081751205 5 图 1 3 格网字符 fig 1 3 the character of grid 二 美国国家格网 united states national grid usng 美国国家格网 united states national grid usng 是以美国军事格网参考系统为基础 建立的 而美国军事格网参考系统又是以 utm 格网参考系统为基础建立的 它它适应 gps 和 gis 集成 用于地图快速定位和指示目标 采用经纬线格网和平面直角坐标格网相结合 的方法 编码对地球上的任何目标是唯一的 8 美国国家地理格网具有兼容性 具体表现如下 1 ansi x3 61 1986 信息交换 规范计算机表示的 utm 坐标的代表表示地理点 位置 2 iso dis19116 定位服务 它提供了一个实时的 gps 接收机和其他定位技术的 输出接口 3 iso dis19111 地理坐标的空间参照 提供了一个坐标参考系统的描述的概念 架构 4 usng 标准是基于军事网格参考系统 除此之外 usng 和 mgrs 与 utm 在编码方案和坐标方案上保持一致性 具体体现 如下 1 usng 与 mgrs 编码方案保持一致 在美国的所有地区都适用 2 usng 与 utm 坐标和编码方案也保持一致 美国国家地理格网划分与编码 6 美国国家地理格网是按经 纬度进行格网划分的 按经差 6 和纬差 8 把地球表面进 行划分 使之划分为不同的格 对于不同的格在其经度方向用字表示 纬度方向用字母表 示 这样就能保证每个划分区域都有唯一的字母和数字组合与之对应 如图 1 4 图 1 4 美国国家地理格网编码 fig 1 4 the code of usng 每一个 grid zone designation gzd 都覆盖 100000 平方米的区域 每一个 gzd 都是由 1 个字母确定的区域 如图 1 5 和 1 6 图 1 5 美国国家格网 100000 平方米 gzd fig 1 5 the gzd of usng 100000m2 7 图 1 6 美国国家格网的组织形式 fig 1 6 forms of organization about usng 以 18s 为例 1 18s 确定一个 grid zone designation 格 18s 2 100000 米格网 10000 米格网用两位字母确定的方格网进行唯一标识 3 格网坐标的例子 18suj20 定位的精度是 10000 米 18suj2306 定位的精度是 1000 米 18suj234064 定位的精度是 100 米 18suj23480647 定位的精度是 10 米 18suj2348306479 定位的精度是 1 米 三 英国国家格网 在英国任意一点都能用英国国家格网参考描述 这些参考通常关联到英国大地测量局 制作的地图 并且用于给定英国大地测量局各种独立数据的名称 9 1 英国国家格网参考的组成 两个字母 偶数个数字 8 象限 nw ne sw 或 se 分别代表西北 东北 西南和东南 这些组成部分通常不包含空格 但是 在这里使用空格能增强可读性 2 前两个字母 前两个字母用来标定一个 100km2正方形 第一个字母标定一个 500km2的正方形 如图 1 7 所示 字母按照字母表顺序从左到右 从上到下分配 并且省略字母 i 英国 陆军测绘局的地图产品全部位于 4 个 500km2的正方形内 即 h n s 和 t 每个 50km2的正方形可划分为 25 个 100km2的正方形 这些正方形又使用同样的字 母方式来标定 100km2的正方形覆盖英国的情况如图 1 8 3 数字 偶数个数字用来确定一个 100km2正方形内的某一位置 前一半数字给出东距 即从 该 100km2正方形的边界向东的距离 后一半数字给出北距 即从该 100km2正方形的边 界向北的距离 4 象限 可以通过象限来确定某一格网参考区域内所处的四分之一位置 例如 在 100km2的格网 sk 内 其格网的象限名称为 sk27 sk54ne sk7213 等 如图 1 9 所示 图 1 7 前两个字母 fig 1 7 the first two letters 9 图 1 8 格网覆盖情况 fig 1 8 the coverage situation 图 1 9 100k m2格网 fig 1 9 100km2 grid 二 国内研究现状 网格化城市管理模式是在 数字城市 迅速建设与发展的背景下产生的新型城市管理 模式 是城市管理工作的新突破 10 2003 年底 北京市东城区成立了以区委书记为组长的创新城市管理模式课题组 针对 依托数字城市技术创建城市管理新模式 课题进行了深入调查研究 结合东城区城市管 理的实际 提出了网格化城市管理的构想 按照这一构想 推出全区域 全时段的网格化 10 城市管理 在此基础上 2005 年 建设部确定了深圳 成都 杭州等 10 个城市为网格化 城市管理的第一批试点城市 11 推进网格化技术在城市管理中的应用 新建 提升 改造 整合各类与城市管理市民 日常生活中投诉 求助及办理个人社会事务相关的信息系统和政府工作体制 推进城市管 理达到主动 精确 快速和统一的目标 真正整合优化政府信息资源和政府数据库群 建 立覆盖全时段 全方位的精确 敏捷 高效 可视化的城市管理系 提高管理效率 节省 管理费用 一 北京东城区万米格网 城市管理曾经一度是地方政府与百姓面临的一个难题 但是如今 在北京市东城区这 一难题已经被解决了 北京市东城区的 万米单元网格 是以一万平方米为基本单位 将 东城区 25 38 平方公里划分为 1593 个网格单元 这种 万米单元网格 城市管理模式运 行还不到一年 百姓在日常生活中遇到的各种问题 都可以在短时间内反馈给指挥中心 反馈给指挥中心后在一天内 反馈的问题基本都能解决 二 武汉市城市网格化城市管理 武汉市城市网格化管理与服务系统以数字武汉空间数据基础设施为基础 对全市进行 网格划分 对与城市管理有密切关系的事件和各种设施进行统一编号 并建立了全市统一 的城市网格化管理数据库 为城市网格化系统的高效运行提供重要的保障 以武汉市江汉区为例 将江汉区 33 43 平方公里得电子地图划分为 1003 个网格和 75 个管理区 网格化 管理平均每天处理 100 多个事件 三 上海市长宁网格化城市管理 上海较早开展 两 三 四 实践活动 其中两即两级政府 三即三级管理 四即四 级网格 通过这种实践 使上海长宁走在中国城市网格化管理的前列 上海长宁沿用了 万 米单元网格 城市管理模式 将区域划分为 1459 个网格 并安排监督员对个网进行监控 四 深圳市桃园网格化城市管理 深圳市桃源在进行网格化管理的时候 首先吸取了北京市东城区网格化城市管理和 上海市长宁网格化城市管理的经验然后又结合了本地区的实际情况 最后进行深圳市桃源 网格化城市管理 并取得了一定的突破和创新 首先将深圳市桃源街道管辖的 10 个社区划分为 113 个网格 然后在每个格网里安排 管理员 对网格内部的事物进行管理和监督 五 基于地理格网的地理因子库的建立 11 地理因子库定义为描述每个空间单元内各种地理要素 因子 的量化值的数据库 建 立了福建省基于网格的地理因子库 基于行政区域的地理因子库和基于行政区域的经济因 子库 12 六 地理空间信息的变化监测的应用 人口是区域经济可持续发展的一个重要因素 中国国作为世界第一人口大国 对于人 口分布的监测向来都是学术界研究的热点问题之一 目前人口普查数据大多数是按行政区 划统计的 而政府决策的时候往往需要更高精度的数据 例如 地震过后 政府想快速估 算出受灾人数 以便确定救灾物资的数量 地震的区域几乎不可能是完整的行政区域 此 时如果使用基于行政区划的人口普查数据 在精度上肯定难以满足要求 此时可以使用高 分辨率的地理格网 对受灾人数进行较高精度的估算 诚如陈述彭院士所言 按行政区 域统计的人口分布平均值或密度 几乎是毫无地理意义的 13 然而用地理格网统计单元 描述人口的空间分布 能够更加精确地反映居民地 水系 公路 铁路等要素与人口分布 的相互关系 提高人口空间分布的地理精度 将行政单元根据精度的需要用规则的地理格 网来分割 把它分解成为许多个格网单元 每一个格网单元的模拟人口度 spd 是根据此 格网单元地理位置上的自然因子和经济因子来模拟 而这个标的格网将作为所有这些自然 和经济因子进行空间离散化分布的基础 14 除此之外如 2011 年 04 月 17 四川省某化工厂 发生化学毒气泄漏事件 由于设立的警戒线范围没有完全考虑风向和扩散等因素的影响 导致在警戒线外的人员也轻微中毒 如果此时利用高分辨率的地理格网对其警戒线进行严 密划分 划分的警戒线不但在时间上比传统划分方式有优势 而且在精度方面也有着传统 方式所不具备的精度优势 1 3 主要研究内容 1 3 主要研究内容 本文首先对 十二五 地理国情监测的大背景进行了论证 并在此基础上对地理格网 划分的重要意义进行了阐述 在分析了国内外地理格网的研究现状的基础上 结合地理格 网国家标准中的地理格网的概念 功能 设计原则等规定 进行了地理格网划分试验 最 终确定了地理格网的划分分级 编码和原点坐标值 并利用 arcgis engine 实现了地理格 网的生成和基于地理格网的统计 分别对点 线 面状要素进行统计 1 4 研究的方法与技术路线 1 4 研究的方法与技术路线 本论文的地理格网划分试验 在数据预处理的阶段 主要使用 arcgis 9 3 对海拔高程 居民点 主要道路和土地利用等图层进行数据预处理 在统计出各市海拔高程 居民点个 12 数 主要道路长度和耕地面积的基础上 利用 r 软件 进行相关性分析并生成相关性图 最后利用 arcgis engine 二次开发实现地理格网的生成和基于地理格网的统计 数据收集 arcgis数据处理 主要道路图层居民点图层土地利用图层海拔高程图层 r软件相关性分析 频率最高确定统计单元 arcgis engine生成格网 基于格网进行统计 图 1 10 技术路线 fig 1 10 technology roadmap 13 2 地理格网的基本理论 2 地理格网的基本理论 2 1 地理格网的概念 2 1 地理格网的概念 广义的地理格网模型是用离散的多边形近似表达地球曲面的模型 以正方形为基本格 网单元的地理格网模型成为狭义地理格网模型 地理格网由一系列离散而规则的单元 按 一定规则组合而形成对地理实体的表达体系 是地理格网模型的具体应用的实例 组成格 网系统的面状单元成为格元 格元的边称为格边 格元的角点成为格点 另外 每一个格 网系统有一个预定的坐标系 以规定格元的相互关系和空间位置 有一组数值描述格网系 统的规模 格元空间分辨率等地理格网系统参数 15 当空间信息网格被广泛讨论和广为传 播的时候 地图学界自然联想到地图上的格网 因为中国古代地图就采用了 计算画方 制图法 而且在中国地图学史上影响深远 16 2 2 地理格网的功能 2 2 地理格网的功能 在传统的制图学中 地理格网多作为一种坐标参照系得到广泛的应用 例如我国 1 5 万地形图上的公里格网技术一种辅助的平面直角坐标系 在 gis 研究中 地理格网首先被 看作为一种与矢量空间数据模型相对应的另一种空间数据表达模型 国内 gis 学者对地理 信息系统的这两种基本空间数据模型及其相互转换开展了大量的研究 一致认为 矢量数 据模型在地理现象的精确表达 有限数据存储等方面 较栅格数据模型优越 然而 栅格 数据模型实现了数据的空间定位 属性表征 表达精度等融合 这是矢量数据模型所不具 备的特征 特别是在椭球体空间下 传统 gis 的矢量数据模型存在明显的缺点 因此 地 理格网数据模型是一种非常简捷而优越的空间数据模型 并可以充分利用现代矩阵理论和 场理论的分析方法 随着对地观测和地理信息系统技术的发展 地理格网系统的功能得到 进一步发扬和扩展 17 在对格网地图剖析的基础上 进一步提出地理格网系统的 4 大新功 能 一 地理格网为地理综合分析提供了理想平台 社会经济数据多是以行政单进行统计 的 而自然条件数据多以自然单位为基础 通过对地理数据的栅格化 可以将自然与人文 数据转换到统一的地理格网系统 从而为实现自然与人文数据综合分析提供了新的统一基 础 故可称地理格网为地理研究的第三单元体系 在理网格系统中运用四分树或三角网的 概念和数据处理的方法 就有可能具有多层的统一空间分析功能 另外 现代矩阵理论和 场论为地理格网的空间分析提供了为完备的理论基础 14 二 地理格网为多尺度地理空间数据融合提供了有效方法 不同空间分辨率地理格网 系统之间具有严格的变换关系 从而为分布不均匀 尺度不等的地理现的数据融合提供了 统一的方法基础 进而为多要素的空间叠加分析提供了基础 三 遥感像元为现代地理格网提供了科学数据基础 像元实质是空间分辨率高的网格 地图的基础 同时 卫星遥感像元能为现代网格地图提供全新的数据源 予格网地图以无 穷的生命力 使之具有很高的定位精度和丰富多样的可即时更新信息源 而遥感信息业需 要多层次的网格地图系列 来简化多源遥感数据的融和 据压缩于图像处理技术 四 数字栅格地图 dgr 既保留了现有模拟地形图的全部内容与视觉效果 又被计算 机处理为数字产品 经过图幅的定向和几何校正处理 不仅能保留原始模地图的精度 而 且能在定位及长度 面积测量中提高数字精度 因此格网地图可作为地理信息系统的空间 背景数据而广泛应用 2 3 地理格网的设计原则 2 3 地理格网的设计原则 gb12409 2009 地理格网 中对地理格网的设计原则做出了如下规定 一 科学性 地理格网分别建立在经纬坐标格网和直角坐标格网之上 两种格网具有较严密的数学 关系 可以相互转换 二 系统性 地理格网分级呈一定递归关系 形成完整的格网分级系列 三 继承性 经纬坐标格网采用国际上管用的经纬度定位坐标系统和我国大于或等于 1 500000 系 列比例尺地形图采用的高斯 克吕格投影系统 四 可扩展性 标准中给出分级和编码的扩展规则 应用需求分为面向全球或全国 小比例尺 省 区 中比例尺 和城乡 大比例尺 三种尺度 经纬坐标格网和直角坐标格网均可在给定 的分级系列基础上向两端延伸 也可根据需求 在各级格网间按照一定的规则扩展格网间 隔 五 实用性 格网系统的坐标系统 分级与编码规则的设定尽量可能简化 并辅以软件工具 既可 严格 快速 方便的实现格网间的转换 有可实现各级格网间的数据合并和细分处理 15 2 4 经纬度坐标格网 2 4 经纬度坐标格网 经纬坐标格网按经 纬差分级 以 1 经 纬差格网作为分级和赋予格网代码的基本 单元 代码由 5 类元素组成 象限代码 格网间隔代码 间隔单元代码 纬经度代码和格 网代码 前 4 类元素为必选元素 格网代码元素根据需求选用 2 4 1 经纬度坐标格网分级 2 4 1 经纬度坐标格网分级 分级规则 各层级的格网间隔为整倍数关系 同级格网单元的经差 纬差间隔相同 经纬坐标格网基本分为 5 级 见表 2 1 表 2 1 经纬坐标格网分级 tab 2 1 latitude and longitude coordinate grid classification 格网间隔 1 10 1 10 1 格网名称 一度 十分 分 十秒 秒 2 4 2 经纬度坐标格网编码 2 4 2 经纬度坐标格网编码 经纬坐标格网代码由 5 类元素组成 分别为象限代码 格网间隔代码 间隔单位代码 经纬度代码和格网代码 后 2 类元素根据经 纬度数值计算生成 象限代码由南北 东西 代码组成 分别用 1 位字母码组成 格网间隔代码用 2 位数字码表示 间隔单位代码用 1 位字母码表示 经纬度代码由经纬代码纬度代码和经度代码组成 分别取经 纬度的整度 数值计算生成 用 2 位数字码表示纬度和 3 位数字码表示经度 格网代码取经 纬度的非 整度数值计算生成 由于采用的格网间隔不同 格网代码长度为 0 位 4 位或 8 位 经纬坐标格网代码由 5 类元素组成 分别为象限代码 格网间隔代码 间隔单元代码 经纬度代码和格网代码 后 2 类元素根据经 纬度数值计算生成 2 5 平面直角坐标格网 2 5 平面直角坐标格网 直角坐标格网采用高斯 克吕格投影直角坐标系统 以百公里作为基本单元 逐级扩展 代码由 4 类元素组成 南北半球代码 高斯 克吕格投影带号代码 以下简称投影带号代码 百公里格网代码和坐标格网代码 其中前三类元素为必选元素 坐标格网代码根据需要选 用 16 2 5 1 直角坐标格网分级 2 5 1 直角坐标格网分级 分级规则 各级格网的间隔为整数倍数关系 同级格网单元在 x y 方向间距相等 直角坐标格网采用高斯 克吕格投影 采用 6 或 3 分带 见图 2 1 直角坐标格网系 统根据格网单元间隔分为 6 级 以百公里格网单元为基础 按 10 倍的关系细分 如表 2 2 所示 图 2 1 高斯 克吕格投影带 fig 2 1 gauss kruger projection 表 2 2 直角坐标格网分级 tab 2 2rectangular coordinates coordinate grid classification 格网间隔 1000000 10000100010010 1 格网名称 百公里 十公里 公里 百公里十米 米 2 5 2 直角坐标格网编码 2 5 2 直角坐标格网编码 直角坐标格网代码由 4 类元素组成 分别为 南北半球代码 投影带号代码 百公里 格网代码和坐标格网代码 南 北半球代码 采用 1 位字母码 南半球用 s 表示 北半球用 n 表示 投影带号代码 采用 3 位数字码表示 6 分带 全球共分 60 带 在投影带号前用 0 补足 3 位 投影带号代码分别位 001 至 060 3 分带 全球共分 120 带 投影带号加 100 投影代号代码分别位 101 至 220 百公里格网代码采用 1 位字符与两位数字混合编码 采用 6 分带时 自西向东 每 百公里用 1 位字符 a h 表示 采用 3 分带时 自西向东 每百公里用 1 位字符 c f 表示 由南向北 每百公里用两位数字 00 90 表示 17 坐标格网代码根据选用的层级格网 字位长度从 2 位至 10 位不等 横坐标在前 纵 坐标在后 结构如下 十公里格网代码为 2 位 由横坐标值和纵坐标的十公里字位数值取整构成 公里格网代码为 4 位 由横坐标值和纵坐标的公里字位数值取整构成 百米格网代码为 6 位 由横坐标值和纵坐标的百米字位数值取整构成 十米格网代码为 8 位 由横坐标值和纵坐标的十米字位数值取整构成 米格网代码为 10 位 由横坐标值和纵坐标的米字位数值取整构成 18 3 本文地理格网 3 本文地理格网 3 1 本文地理格网的划分 3 1 本文地理格网的划分 经纬坐标格网 经纬坐标格网按经 纬差分级 按一定经纬度间隔对地球表面进行划 分而形成的格网 经纬格网面向大范围 适于较概略表示信息的分布和粗略定位的应用 分级规则 各层级的格网间隔为整倍数关系 统计格网单元的经差 纬差间隔相同 结合 gb t12409 2009 地理格网国家标准和四川省地理要素在空间的分布特征 将经 纬坐标格网基本层级分为 3 级 见表 3 1 表 3 1 经纬坐标格网分级 tab 3 1 latitude and longitude coordinate grid classification 格网间隔 10 1 10 格网名称 十分 分 十秒 结合 gb t12409 2009 地理格网国家标准和四川省地理要素在空间的分布特征 将直 角坐标格网基本层级分为 3 级 见表 3 2 划分依据同经纬坐标格网 直角坐标格网 直角坐标格网均采用 albers 投影直角坐标系统 直角坐标格网面向较 小范围 适用于较详尽信息的分布和相对精度定位的应用 经纬坐标格网和直角坐标格网 具有较严密的数学关系 可以相互转换 表 3 2 直角坐标格网分级 tab 3 2rectangular coordinates coordinate grid classification 格网间隔10000001000001000 格网名称百公里十公里公里 3 2 本文地理格网编码 3 2 本文地理格网编码 3 2 1 地理格网坐标原点 3 2 1 地理格网坐标原点 由于生成 1km 及 100m 分辨率的格网需要的时间比较长 所以在生成全国 1km 及 100m 分辨率格网的时候 本文采用了 先拆后拼 的方法生成高分辨率的格网 即首先 生成分省或分市的格网 然后在生成各省的在生成各省 1km 或各市 100m 分辨率格网的 基础上 对其进行无缝拼接 为了满足无缝拼接 首先必须对全国格网原点和四川省格网 19 原点进行取整数操作 取整后全国格网原点选为 2639000 2362000 单位米 如图 3 1 四川省格网起点为 762000 2730000 单位米 如图 3 2 图 3 1 全国格网原点 fig 3 1 the origin of china grid 图 3 2 四川省格网原点 fig 3 2 the origin of sichuan grid 3 2 2 地理格网编码 3 2 2 地理格网编码 由于本人水平和时间有限 本文采用了 8 位数字编码 在 8 位数字编码中 前 4 位为 该格网在全国格网中所处的行号 不足 4 位的用 0 进行补足 后 4 位为该格网在全国格网 所处的列号 不足 4 位用 0 进行补足 如图 3 3 图 3 3 地理格网编码 fig 3 3 the code of geo grid 20 3 3 地理格网划分试验 3 3 地理格网划分试验 在上一节中 介绍了平面直角坐标格网的划分 但是对于具体统计指标应选取哪一种 分辨率格网没有做明确的说明 所以在本节通过一个地理格网划分试验 说明针对具体统 计指标应选取哪种分辨率的地理格网 以人口为例 目前统计单元的划分主要是围绕地震活动统计单元 18 地质统计单元 19 和起伏度统计 单元 20 几个方面展开的 其中在地震活动统计单元划分的研究中 闻学泽在考虑了与具体 相对独立的构造单元的联系和地震空间分布的基础上 对川滇地区地震活动统计单元进行 划分 并利用此统计单元对川滇地区的地震进行了较好的预测 在地质统计单元划分的研 究中 侯惠群以地质体单元法为准则 通过对 m 个变量的有序划分 找到地质体单元的划 分边界 并且给出了地质统计单元划分的定量数学模型 除此之外 在起伏度统计单元划分的研究中 涂汉明通过定义拐点 利用拐点来对地 势起伏统计单元进行划分 最佳地势起伏度统计单元 在任一地貌类型中 以任一山体上的任意一点为圆心 不 断增大半径 随着圆半径的不断增加 圆内的最高点和最低点的高差会不断增加 最开始 的时候 高差增加的速度很快 但是当圆的半径增加到一定程度时 即该圆已经包括整座 山的时候 高差增加的速度就会变小 定义高差增加的速度由大到小的点位拐点 拐点所 对应的面颊为统计单元 20 涂汉明的这篇文章是直接通过拐点 来划分地势起伏度统计单 元统 由于人口分布的复杂性 本文通过间接确定统计单元方法 3 3 1 试验过程3 3 1 试验过程 居民地 水系 公路 铁路等要素是最主要的地形要素 是描述地理表面特性和国计 民生的重要依赖条件 同时也是人口水平分布的密切相关因子 6 所以结合现有数据 选 择海拔高度 土地利用 主要公路和居民点作为影响辽宁人口分布的主要因素 并且分别 对各要素与人口进行相关性分析 试验是以 gb t12409 2009 地理格网国家标准为依据 在直接划分人口分布统计单元比较困难的情况下 通过研究人口分布和海拔高度 土地利 用 主要公路和居民点相关性的方法 确定辽宁省人口分布的最佳统计单元 最终作为辽 宁省地理国情监测人口统计分析的基础单元 3 3 2 相关性分析3 3 2 相关性分析 一 人口分布与海拔高度的关系 21 图 3 4 人口分布与海拔高度的关系 fig 3 4 the relationship of population and evelation 以 dem 逐点计算出各市平均高程与人口总数的相关系数为 0 3021 图 3 4 二 人口与土地利用之间的关系 根据土地利用图层 统计出各市的耕地面积 在此基础上对耕地面积和人口总数进行 相关性分析 得到二者的相关系数为 0 7595 图 3 5 图 3 5 人口与土地利用之间的关系 fig 3 5 the relationship of population and land use 三 人口与主要公路之间的关系 通过对各市人口总数与各市主要公路长度进行相关性分析 得到二者的相关系数为 0 7731 图 3 6 22 图 3 6 人口与主要公路之间的关系 fig 3 6 the relationship of population and major highways 四 人口与居民点之间的关系 通过对各市人口总数与各市居民点个数的相关性分析 得到二者的相关系数为 0 726 图 3 7 图 3 7 人口与居民点之间的关系 fig 3 7 the relationship of population and settlements 相关性分析结论 通过分析人口与海拔高度 土地利用 主要公路和居民点的相关性 可以看出人口与 主要公路的相关系数最大 相关性最强 即 人口分布受主要公路影响最大 以此为依据 以主要公路的最佳统计单元作为人口最佳统计单元 3 3 3 最佳统计单元的确定3 3 3 最佳统计单元的确定 道路密度是描述道路分布的定量指标 亦是划分道路统计单元的依据 故选用道路密 度作为划分主要公路的最佳统计单元的指标 辽宁省主要公路网密度 23 根据 1 15000000 主要公路数据和辽宁省边界数据 计算出辽宁省主要公路网密度为 0 1226 km km2 我们确定空间数据格网大小 从本质上说 就是确定一个阈值 在这个阈值上 既能 达到人类肉眼辨识效果的要求 又能较好地实现格网地理空间数据的数据精度与数据量之 间的平衡 本试验只考虑百公里 十公里和公里格网 首先 分别生成百公里 十公里和公里格 网 然后求算各格网内主要公路网密度 并汇总各格网的主要公路网密度 在此基础上选 择全省主要公路网密度 0 1226 出现频率最高的格网作为主要公路最佳统计单元 此统 计单元也作为辽宁省人口统计单元 图 3 8 100km 格网道路网密度 fig 3 8 the density of 100km grid road network 图 3 9 10km 格网道路网密度 fig 3 9 the density of 10km grid road network 24 图 3 10 1km 格网道路网密度频次 fig 3 10 the density of 1km grid road network 通过对比各种格网辽宁省主要公路网密度 0 1226 出现频率 明显发现十公里格网 的辽宁省主要公路网密度 0 1226 出现频率最高 见图 3 8 3 9 和 3 10 选择频率最高的那个面积组 作为最佳统计单元 所以选择 10km 作为辽宁省人口分 布最佳统计单元 3 3 4 试验结论 3 3 4 试验结论 本试验以海拔高度 土地利用 主要公路和居民点作为影响辽宁人口分布的主要因素 通过相关性分析 确定了主要公路与人口分布的相关性最大 结合地理格网国家标准和主 要公路网密度确定最佳公路统计单元 并以此统计单元作为辽宁省人口统计单元 像 1km 格网这种高分辨率格网未必是试验区的某一种统计指标的最佳统计单元 也可以得到推 论 最佳统计单元未必是分辨率最高的那一组格网 3 4 利用 arcgis engine 实现地理格网划分 3 4 利用 arcgis engine 实现地理格网划分 目前的地理信息系统的二次开发工具有很多 esri 公司的 mapobjects arcobjects arcims 和 arcgis engine intergraph 公司的 geomedia object 以及 mapinfo 公司的 mapx 和 mapxtreme 等 21 在 arcgis engine 产品出现之前 使用 arcgis 开发自定义 gis 功能有 3 种方法 在 arcgis desktop 软件的 vba 环境中编写代码 使用支持 com 技术的编程语言 通过实现 arcobjects 开放的特定接口编写能够嵌入 arcgis desktop 的 dll 文件 使用 arcobjects 包含的可视化控件 mapcontrol 和 pagelayoutcontrol 控件开发具有独立界面的 gis 应用程 序 25 arcgis engine 是一组跨