[科普中國]-地理格網

簡介

自然環(huán)境與人類社會和諧、協(xié)調發(fā)展是未來發(fā)展的趨勢，也是解決當前資源與環(huán)境問題的原則，而其目標的實現需要建立在科學的規(guī)劃和決策基礎上。由于“地球是一個復雜的、開放的巨系統(tǒng)”，科學規(guī)劃決策需要將資源、自然環(huán)境與社會經濟信息融合，并采用統(tǒng)計分析的方法從整體上客觀、準確地揭示其空間分布規(guī)律和發(fā)展演化趨勢。

統(tǒng)計是研究測定、收集、整理、歸納和分析反映客觀現象總體數量的數據，以便給出正確認識的方法論。對各類生態(tài)、環(huán)境、資源和社會經濟信息的統(tǒng)計分析都需要以一定的單元進行，當前，統(tǒng)計中所采用的單元有規(guī)則地理格網單元、行政區(qū)劃單元、自然地理單元、社會經濟區(qū)域單元4 大類。由于地理格網單元在建立地理空間關系方面有較大優(yōu)勢，因而，在各類自然和社會經濟統(tǒng)計分析中得到了廣泛應用1。

格網體系概念及發(fā)展概念地理格網是一種統(tǒng)一、簡單的地理空間劃分和定位參照系統(tǒng)，依據統(tǒng)一規(guī)則，將地面區(qū)域按照一定經緯度或地面距離進行連續(xù)分割，并將空間不確定性控制在一定范圍內，形成規(guī)則多邊形，每個多邊形均稱為格網單元，從而構成分級、分層次的多級格網體系，實現地面空間離散化，并賦予統(tǒng)一編碼。地理格網的組成包括格元、格邊和格點，格元代表了區(qū)域面狀特征，格點確定了格元的基本位置和點狀特征，格邊度量了格元間的關系。地理格網具有以下特點:

1) 按照一定規(guī)則劃分，形成邊界清晰的多邊形實地區(qū)域;

2) 相鄰格網單元彼此鄰接不交叉;

3) 可選擇不同的格網層級間隔;

4) 在二維空間上表達地表位置關系;

5) 表示呈面狀分布的地理信息;

6) 作為統(tǒng)計分析的共同基本單元，具有可比性，便于統(tǒng)籌協(xié)調。

發(fā)展地理格網的概念在我國最早應用于農耕文明的井田制度。后來，東漢科學家張衡利用“網絡天地而算之”，創(chuàng)建了矩形格網坐標系統(tǒng)，進而衍生出“計里畫方”的“制圖六體”，開始賦予格網二維坐標和方位的含義。由此可見，我國地理格網是起源于按一定地面距離劃分的規(guī)則格網，最早用于統(tǒng)計、規(guī)劃和管理，后來用于地圖制圖。

西方地理格網起源于埃拉托色尼創(chuàng)立的古老的經緯網系統(tǒng)，并在基礎經緯網上疊加了一套被稱為“普林特格”和“斯弗拉吉德斯格”的幾何圖形，構成補充的第二級網格系統(tǒng)。西方地理格網基于經緯度坐標系統(tǒng)，主要是將球面展開為平面，用于地圖制圖。

隨著中西方文化交流的深入，東西方2 種不同起源的格網體系相互交流與融合，取長補短，兼收并容。法國炮兵為了快速量測方位和距離，在地形圖上建立了方里網，從而派生出對相對地勢、坡度乃至森林樣方、溝谷道路密度等的計算制圖。這種方法后來逐步形成了計量地理學派，同時也把定位、定量的空間分析提高到了一個相當高的理論水平，但是由于當時的技術條件，制約了其推廣和應用。

隨著世界經濟和計算機技術及相關學科的迅猛發(fā)展，地理格網的應用進入了高速發(fā)展時期，統(tǒng)一劃分的多層次格網，實現了多源、多尺度海量空間信息和社會經濟信息的統(tǒng)一定位和融合，保證了各類數據采集、存儲、統(tǒng)計、分析和交換的一致性，實現了各類信息的可比性，地理格網開始成為空間統(tǒng)計分析的共同基本單元，并在信息統(tǒng)計分析中得到了廣泛應用。

地理格網系統(tǒng)的功能也從傳統(tǒng)的地圖定位框架與地理現象表達，進一步拓展了多源地理空間數據融合、地理綜合分析等新功能。

地理格網在統(tǒng)計中的應用與分析統(tǒng)計應用現狀地理格網作為統(tǒng)計單元用于統(tǒng)計分析始于芬蘭地理學家格蘭里奧，他在1929 年基于1 km 地理格網進行自然與社會現象分析。由于自然與社會經濟信息普遍具有空間屬性，地理格網可綜合、統(tǒng)一反映其空間屬性。因此，地理格網作為基本單元的統(tǒng)計分析在國民經濟各領域得到了廣泛應用。

1 人口統(tǒng)計

基于地理格網的人口統(tǒng)計解決了人口普查數據空間化問題，即建立格網化數據模型，把數據從人口普查區(qū)轉換到一定尺度的地理格網單元中，實現數據空間化。

以地理格網作為單元的人口數據可以更好地反映人口分布差異與密度，體現人口分布與自然環(huán)境的相互依存與制約關系、與商業(yè)中心的距離、與交通網絡系統(tǒng)的便捷度關系，反映區(qū)域人口的飽和度等，并有利于進行人口預測。

這方面的研究成果有: 1990 年美國1 km 地理格網人口數據庫，英國愛爾蘭東部郡1 km 格網人口分布模型網數據庫，法國斯特卡斯堡的城市人口密度格網，王培震關于反映區(qū)域人口密度空間分布特征的最佳地理格網研究，趙榮以1km 的格網為單位統(tǒng)計并建立貴州省1 ∶ 250 000 人口數據庫等。

2 社會經濟統(tǒng)計

當前，隨著國家和全球大范圍區(qū)域社會經濟數據格網化理論和方法的發(fā)展成熟，基于地理格網的社會經濟數據庫建設和統(tǒng)計分析得到了廣泛發(fā)展。

基于地理格網進行的社會經濟數據空間化和建立的空間分布模型，實現了統(tǒng)計信息在空間單元內的定量分布以及與空間信息的集成，解決了統(tǒng)計數據離散、定位精度不高的問題。例如，Goodchild 建立的全球經濟格網數據庫，日本在1 km 或500 m 基準格網上定期進行國勢調查( 如家庭、住宅等信息) 以及事業(yè)所、企業(yè)單位調查，李軍利用地理格網對GDP、人口、產業(yè)增加值等社會經濟數據進行空間化分析，研究人口、產業(yè)增加值等的空間均衡性。

3 生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計

地理格網有利于生態(tài)環(huán)境信息與影響因子的空間化，以反映其空間分布狀態(tài)、區(qū)域分異等空間差異，建立生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計分析模型，實現生態(tài)安全評價。

張有瑜以地理格網作為基本單元研究安徽省鳥類分布，分析其地理分布的區(qū)域分異以及與生態(tài)環(huán)境因子之間的聯系。

王耕以5 km 地理格網描述遼河流域生態(tài)安全影響因子的空間差異，并進行生態(tài)安全評價，用于流域的生態(tài)化發(fā)展規(guī)劃與決策。

薛亮將關中地區(qū)生態(tài)安全評價指標體系用l km地理格網進行表達，建立生態(tài)安全模型，并進行統(tǒng)計分析，獲取關中地區(qū)生態(tài)安全特點，揭示關中地區(qū)生態(tài)安全狀況。

4 地貌

地貌既是地球表層系統(tǒng)中最重要的要素，也是陸地表面各自然地理要素相互作用最為活躍的界面，與人類活動關系極其密切。地貌在很大程度上影響水文、氣候、植被等其他因子的空間分布與變化，是地理學研究的基礎與核心。地理格網用于以地形起伏度為代表的地貌要素統(tǒng)計，可按照綜合性原則和主導性原則，對區(qū)域地貌形態(tài)進行一定程度綜合，消除噪聲，實現定量統(tǒng)計，確定區(qū)域地形狀況，為定位、定性和定量化表示奠定基礎。這方面的應用實例有: 歐洲1∶ 2 500 000 國際地貌圖采用16 km2 地理格網作為區(qū)域地勢起伏度統(tǒng)計單元; 日本以1' × 1． 5'格網作為國土范圍內的地勢起伏度統(tǒng)計單元; 涂漢明研究在中國適用不同范圍的地形起伏度最佳統(tǒng)計單元，并指出21 km2 的格網具有全國普適性。

5 土地利用與地表覆蓋

地理格網在土地利用與地表覆蓋中的應用是從整體和綜合角度進行統(tǒng)計分析，反映區(qū)域土地利用狀況，并客觀準確地進行土地利用評價。蘇廣實在廣西都安縣建立涉及資源環(huán)境、經濟、社會等方面的土地可持續(xù)利用評價指標體系，按照一定原理提取以4 km 地理格網為統(tǒng)計單元的各評價指標數據，完成土地可持續(xù)利用評價。

劉明亮等基于全國1∶ 100 000 資源環(huán)境遙感數據庫生成1 km 地理格網的土地利用/土地覆蓋數據，用于分析評價。邱炳文從自然環(huán)境、社會經濟以及基礎設施條件等方面選取影響因子，研究福建省耕地狀況，以1 km 地理格網為基本研究單元，并在此基礎上生成2 ～ 10 km 共10 個尺度序列的地理格網單元數據，研究福建省耕地多尺度空間分布特征，構建不同農業(yè)區(qū)耕地空間分布模型。

6 林業(yè)

在林業(yè)方面，將其常用區(qū)劃單元轉換到規(guī)則的地理格網單元中，完成對林業(yè)資源的集成，方便多源、多尺度信息的整合，支持數據的共享與應用分析，為宏觀決策提供客觀的依據，用于資源的綜合利用和開發(fā)保護。

楊建平運用地理格網研究江河上游自然保護區(qū)植被變化。秦嶺霞利用1 km地理格網對林木蓄積量和蓄積密度進行空間化分析，并在此基礎上進行林業(yè)資源統(tǒng)計分析。李德仁利用地理格網實現林業(yè)統(tǒng)計數據與地圖一體化表示，將森林資源統(tǒng)計數據與其他決定區(qū)域發(fā)展的資源、社會、人口和經濟因素數據疊加起來，同時，采用地理格網進行森林資源統(tǒng)計，分析森林資源清查成果，研究其數據特征。

7 氣象與防災減災

氣象與防災、減災中應用地理格網，豐富了數據表現形式，為全球氣候、溫度變化研究提供豐富的數據資源，有利于建立模型，進行數據處理與信息評估分析。地理格網在氣象研究中的應用很多，例如，要獲得整個地區(qū)連續(xù)的降雨量極其困難，因此只能依據氣象站信息，進行空間插值，將用點描述的降雨量數據轉換為格網數據來反映區(qū)域降雨信息。美國利用氣象衛(wèi)星獲得大量的1 km 地理格網數據用于碳循環(huán)、葉綠素、初級生產力估算及厄爾尼諾現象、颶風預報等，成果顯著; 世界氣象組織采用1 km 地理格網進行全球氣象數據交換; 于貴瑞等基于1 km 地理格網建立了精度與分辨率均較高的中國氣象/氣候要素( 太陽輻射溫度、降水以及其他相關因子) 格網數據庫; 張超基于日本統(tǒng)計用標準格網建立了二維洪水演進水動力學模型，采用地理信息系統(tǒng)與水動力學模型結合的方法對新川破堤洪水泛濫進行模擬，評估洪泛區(qū)災害損失等。

地理格網統(tǒng)計的優(yōu)勢地理格網作為統(tǒng)計分析的基礎平臺和單元，將各類自然、人文要素信息集中到統(tǒng)一單元中，實現了多源、多尺度信息的融合，已成為一種常用的方法。地理格網單元有利于實現地理而不是行政角度的統(tǒng)計分析，彌補了在其他統(tǒng)計單元下不利于建立模型和進行空間分析的不足。分級地理格網可形成自適應的統(tǒng)計單元，滿足各類、不同區(qū)域范圍和粒度信息統(tǒng)計分析的需求，有利于信息的比較和分析。地理格網單元統(tǒng)計分析的優(yōu)越性還表現在以下方面。

1 統(tǒng)計單元緊密結合空間且連續(xù)

統(tǒng)計信息作為社會經濟現象的反映，普遍具有空間屬性，需要在科學、統(tǒng)一和實用的空間參照下描述。地理格網基于統(tǒng)一空間參照，且可直觀顯示空間屬性，適應于不同信息在統(tǒng)一空間下融合，直觀反映信息的空間分布，彌補知識發(fā)現、信息融合等方面的不足。同時，地理格網是對連續(xù)地面的規(guī)則、統(tǒng)一劃分。

用精致、連續(xù)且均勻的地理格網作統(tǒng)計單元保證了空間的連續(xù)，能更好地反映信息空間分布特征、地域差異、空間結構、空間關系、變化量、變化頻率，以及信息之間的依存與制約關系，有利于建立空間信息分布模型。

2 統(tǒng)計單元形狀規(guī)則且尺度靈活

地理格網體系將地面按層次遞歸剖分為形狀、面積規(guī)則統(tǒng)一的單元，解決了其他統(tǒng)計單元大小不確定、形狀不規(guī)則的問題，有利于統(tǒng)計結果的比較，滿足了統(tǒng)計分析中各方面的需求。

地理格網體系由不同等級格網構成，使統(tǒng)計單元的空間尺度跨越宏觀和微觀。因此，基于地理格網的統(tǒng)計單元構成一個尺度十分靈活的地理子系統(tǒng)，便于統(tǒng)計對象以適宜的單元進行描述、統(tǒng)計和分析，滿足了不同等級、不同尺度統(tǒng)計分析的要求。

3 信息描述準確且統(tǒng)計結果可靠

滿足自適應要求的地理格網單元能準確描述復雜、多樣的自然和社會經濟信息，反映區(qū)域各類信息分布與分異規(guī)律。同時，用地理格網作統(tǒng)計單元，有利于信息統(tǒng)計分析中根據數據情況和需要確定統(tǒng)計所用格網單元的大小，滿足統(tǒng)計分析中需要遵循的綜合性和主導性原則，克服數據中的噪聲缺陷，能更好地反映統(tǒng)計區(qū)域內信息的整體狀況，提高信息統(tǒng)計的精度和準確度，確保統(tǒng)計分析結果的可靠性。

4 信息集成和其他單元結合方便

地理格網具有匹配和集成融合多源數據的優(yōu)勢，特別適合空間模型的構建、表達和綜合統(tǒng)計。主要表現在: 不同自然和社會經濟數據的來源、尺度、單元參照系可能不同，數據區(qū)域范圍、界線、空間分布特點也可能不同，而地理格網有利于實現不同類信息的統(tǒng)一描述和表達。

地理格網用于基于其他單元進行統(tǒng)計時，可作為其他統(tǒng)計單元的內部細胞表達位置屬性，滿足其他單元下的統(tǒng)計要求。同時，在其他統(tǒng)計單元上添加地理格網，可實現數據格網化、空間化，描述統(tǒng)計信息在空間單元內的定量分布，反映信息分布差異與密度，以及信息分布與自然環(huán)境的相互依存與制約關系，解決統(tǒng)計數據離散、定位精度不高的問題。

5 單元拓撲簡單便于綜合分析

地理格網拓撲關系簡單，有利于反映地理格網體系內同級和不同級之間的關系，有利于表示統(tǒng)計區(qū)域內各類信息的分布特征，體現信息空間分布的均衡性、差異性、變化規(guī)律和趨勢等重要參數。另一方面，信息綜合分析是實現區(qū)域協(xié)同發(fā)展，解決人口、資源與環(huán)境問題的基本條件，也是信息分析技術發(fā)展的趨勢。

當前，社會經濟數據多以行政單元為單位進行統(tǒng)計，而自然數據多基于自然地理單元?；诘乩砀窬W的統(tǒng)計單元為信息綜合分析提供了理想平臺，可將各類信息轉換到統(tǒng)一的單元中，實現地理、資源環(huán)境和有關社會經濟信息的融合，有利于進行信息綜合分析。

地理格網統(tǒng)一劃分形成不同梯度、系列化格網，不僅便于和遙感數據結合，而且有利于對不同尺度下的信息進行空間分異規(guī)律研究2。

地理國情監(jiān)測統(tǒng)計應用展望地理國情描述地表自然和人文地理要素的空間分布、特征與相互關系，反映國家自然資源和生態(tài)環(huán)境狀況。地理國情監(jiān)測中需要以一定統(tǒng)計單元客觀、準確發(fā)布監(jiān)測結果，向社會公眾、專業(yè)和政府部門提供科學、宏觀、綜合和統(tǒng)一的信息，為政府部門科學決策與管理提供基礎數據，同時為各種專業(yè)普查或調查工作提供豐富的資料。因此監(jiān)測結果的客觀、準確與綜合性極其重要，而實現以上目標，需要對監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析，獲取各種信息的變化量、變化頻率及地域差異，揭示其發(fā)展規(guī)律，并分析預測未來的發(fā)展演化方向。

由于地理國情與地理空間結合緊密，具有空間屬性，用描述空間特征的地理格網作統(tǒng)計單元，優(yōu)越性是顯而易見的。地理格網用作統(tǒng)計單元進行地理國情統(tǒng)計分析，有利于以下目標的實現:

1 精準把握地理國情狀況

綜合性和主導性原則是地理統(tǒng)計分析中需要堅持的原則。地理格網用作統(tǒng)計單元，可利用格網具有匹配和融合多源數據的優(yōu)勢，集成各類地理國情數據和社會經濟各部門專題數據，有利于對區(qū)域地理國情狀況進行綜合統(tǒng)計分析，獲取信息的空間分布、空間結構、空間關系和地域差異狀況，準確把握總體地理國情，并揭示其空間分布規(guī)律和發(fā)展演化趨勢。

2 準確獲取地理國情指數

地理格網適合空間模型構建的特點為數據模擬打下了堅實的基礎。數據模擬獲取生態(tài)文明、城鎮(zhèn)發(fā)展、區(qū)域經濟、社會民生等方面的地理國情指數，能更好地服務于政府規(guī)劃、管理和決策。例如基于地理國情監(jiān)測數據模擬形成的生態(tài)協(xié)調、城鎮(zhèn)發(fā)展、公共服務均等化和區(qū)域經濟潛能等指數，更便于人們理解和使用。

3 完成各類地理國情評價

用地理格網作單元的地理國情統(tǒng)計集成了不同來源、范圍和比例尺的各類地理國情與社會經濟數據，有利于從資源、生態(tài)、區(qū)域和民生等角度，按自然、人文、社會、經濟等維度，用定量與定性分析相結合的方法分析評價地理國情; 可根據需要進行專題地理國情信息評價，形成分析評價報告，揭示經濟社會和自然資源環(huán)境的發(fā)展規(guī)律，反映國家重大戰(zhàn)略、重要工程的實施狀況和效果。

4 實現地理國情定量化描述

用按一定的數學規(guī)則對地球表面進行劃分的地理格網作為統(tǒng)計單元，統(tǒng)計呈面狀分布的地理國情普查數據，解決了統(tǒng)計數據離散、定位精度不高的問題，有利于對數據進行定量表達和統(tǒng)計，有利于地理數學模型的建立。

總結綜上所述，在空間統(tǒng)計分析中用規(guī)則劃分的多級地理格網作統(tǒng)計單元，便于統(tǒng)籌協(xié)調，而且具有可比性，同時還打破了傳統(tǒng)統(tǒng)計單元的局限，為進一步研究人地關系奠定了基礎。正如陳述彭所說:“格網應用的優(yōu)點: 打破采用行政區(qū)劃單元的約束;壓縮信息存儲空間; 提高檢索與更新效率; 技術易于普及和推廣; 適用于普查完成后的局部抽樣統(tǒng)計; 易與遙感圖像像元匹配，應用便利、高效”。

地理格網是地理研究的第三單元體系，在自然和社會經濟統(tǒng)計分析中得到了廣泛應用，在與空間結合緊密的地理國情監(jiān)測統(tǒng)計分析中也有良好的應用前景。但是，當前關于地理國情信息格網化統(tǒng)計的理論、方法還不成熟，適用不同區(qū)域、要素和內容的地理格網統(tǒng)計單元的確定方法也有待解決，這些都是需要進一步解決的問題3。