地理國情監(jiān)測框架的探索與實(shí)踐
——以城鎮(zhèn)建設(shè)進(jìn)程監(jiān)測系統(tǒng)為例

孫良俊

(北京三正科技有限公司，北京100081)

地理國情監(jiān)測框架的探索與實(shí)踐
——以城鎮(zhèn)建設(shè)進(jìn)程監(jiān)測系統(tǒng)為例

孫良俊

(北京三正科技有限公司，北京100081)

介紹地理國情監(jiān)測的科學(xué)含義，從框架結(jié)構(gòu)上探討地理國情監(jiān)測的工作內(nèi)容和工作流程。與傳統(tǒng)的測繪工作相比，地理國情監(jiān)測的研究工作更注重于綜合分析，成果直接服務(wù)于科學(xué)決策。以城鎮(zhèn)建設(shè)進(jìn)程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用平臺為例，利用城鎮(zhèn)人口數(shù)量和用地面積為主評價(jià)指標(biāo)分析城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，通過數(shù)據(jù)分析尋找出城鎮(zhèn)發(fā)展的規(guī)律，認(rèn)為地理國情監(jiān)測對于城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)管理有著重要意義。

地理國情監(jiān)測;框架;城鎮(zhèn)建設(shè);監(jiān)測系統(tǒng)

一、引 言

地理指的是地表的自然環(huán)境和與之有關(guān)的人文因素的總和。國情是一個國家在某個時期的基本情況和特點(diǎn)，包括它的地理、歷史、政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育等多方面內(nèi)容。其中，地理環(huán)境是國家民族賴以生存和發(fā)展的必要條件，對生產(chǎn)力的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要意義，因此地理國情是國情的有機(jī)組成部分。

地理國情從地理的角度對國情進(jìn)行全方位的分析和描述，既包括了自然環(huán)境等方面的物質(zhì)基礎(chǔ)，也包括與地理相關(guān)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會文化等方面的內(nèi)容，它能夠反映國家的自然資源狀況和人類生存環(huán)境的各種地理要素。

地理國情監(jiān)測已被確定為未來20年我國測繪工作的重點(diǎn)之一，其相關(guān)內(nèi)容在國外已有所開展［1］。地理國情監(jiān)測是綜合利用現(xiàn)代測繪地理信息技術(shù)，對地形地貌、地表覆蓋等要素進(jìn)行動態(tài)、定量的監(jiān)測，反映自然資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)要素的空間分布及變化規(guī)律，從地理空間的角度客觀、綜合展示國情國力。

國家地理信息公共服務(wù)平臺包括天地圖(公眾版)、數(shù)字城市(政務(wù)版)、地理國情監(jiān)測(涉密版)，三者相互緊密聯(lián)系，互通有無。如在某個已搭建地理空間框架，且“數(shù)字城市”建設(shè)較為完善的區(qū)域，地理國情監(jiān)測的實(shí)施工作就可以按照統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃和建設(shè)，充分利用信息和數(shù)據(jù)。

二、地理國情監(jiān)測體系的框架

地理國情監(jiān)測的研究對象可以歸納成兩類:自然要素和人文要素。自然要素包括了與自然有關(guān)的資源、生態(tài)、環(huán)境等內(nèi)容;人文要素描述的是經(jīng)濟(jì)和社會現(xiàn)象，以及人類活動對自然的影響。通過基礎(chǔ)測繪和對地觀測手段可以直接觀測到自然要素的信息，而人文要素信息的獲取手段并不十分直觀。然而，人文要素和自然要素之間有非常緊密的聯(lián)系，可以通過監(jiān)測自然要素，輔以其他參考數(shù)據(jù)，進(jìn)而估計(jì)人文要素信息。本文將地理國情監(jiān)測對象設(shè)計(jì)成以下幾個方面:地形地貌與土地資源、城鎮(zhèn)居民地與交通狀況、植被與生態(tài)環(huán)境、礦產(chǎn)資源調(diào)查與開發(fā)、水資源與水利設(shè)施，如圖1所示。

地理國情信息的獲取需要整合及分析現(xiàn)有基礎(chǔ)測繪資料、遙感數(shù)據(jù)和相關(guān)部門的數(shù)據(jù)，按照地理國情普查內(nèi)容與指標(biāo)，開展地理國情信息普查。

建設(shè)中的基礎(chǔ)地理信息本底庫是一個大型的數(shù)據(jù)倉庫，包含地理實(shí)體庫、地表覆蓋庫、遙感影像庫和地表形態(tài)庫，除此之外還有特征專題庫等其他數(shù)據(jù)源(如圖2所示)。依據(jù)統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將新中國成立以來積累的地理信息成果，航空和航天等遙感資料都整合進(jìn)本底庫中;按固定周期動態(tài)更新數(shù)據(jù)，關(guān)鍵區(qū)域的重要數(shù)據(jù)需要提高更新頻率;全國覆蓋數(shù)據(jù)源的分辨率一般要優(yōu)于2.5 m，城市和經(jīng)濟(jì)活動活躍地區(qū)應(yīng)不低于1 m［2］。

圖1 地理國情監(jiān)測體系的框架(流程)

圖2 地理國情數(shù)據(jù)本地?cái)?shù)據(jù)庫的構(gòu)成

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括坐標(biāo)投影系統(tǒng)統(tǒng)一、紙質(zhì)地圖矢量化、遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理等。由于歷史原因存在多套坐標(biāo)系統(tǒng)及大量的紙質(zhì)成果，需要作適當(dāng)?shù)奶幚?。對于地理國情監(jiān)測的工作而言，遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要有幾何校正、數(shù)據(jù)融合、圖像鑲嵌等。

數(shù)學(xué)分析的方法與GIS技術(shù)相結(jié)合，能夠拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，充分發(fā)揮它在現(xiàn)代地理學(xué)研究中的作用。地理國情監(jiān)測的分析系統(tǒng)需要運(yùn)用數(shù)學(xué)方法為其建立空間分析模型?？臻g數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，特別是空間數(shù)據(jù)理解、空間和非空間數(shù)據(jù)關(guān)系發(fā)現(xiàn)、空間知識庫構(gòu)造，在GIS和遙感等空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景［3］。云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計(jì)算模式，它提高了資源利用效率、空間數(shù)據(jù)的安全性，降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

空間數(shù)據(jù)挖掘是一種地理分析技術(shù)，而云計(jì)算屬于IT技術(shù)范疇。數(shù)學(xué)方法是空間數(shù)據(jù)挖掘的理論基礎(chǔ)，空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)會用到一種或多種數(shù)學(xué)方法，而云計(jì)算可以將空間數(shù)據(jù)挖掘的過程在大型服務(wù)上加以實(shí)現(xiàn)。地理國情監(jiān)測的系統(tǒng)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)決定了空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)將會成為有效的技術(shù)支撐。

現(xiàn)代地理信息技術(shù)飛速發(fā)展，單一地理信息應(yīng)用服務(wù)的思路會阻礙地理國情監(jiān)測的發(fā)展。深入剖析地理國情監(jiān)測的問題和需求，明確地理信息要素綜合集成與發(fā)布系統(tǒng)的特點(diǎn):大規(guī)模的集成服務(wù)平臺、組件化的信息處理方式、集成創(chuàng)新性的應(yīng)用模式、知識化的可視化系統(tǒng)。

三、以城鎮(zhèn)建設(shè)進(jìn)程監(jiān)測系統(tǒng)為例

城市化是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢，建制鎮(zhèn)的發(fā)展是中國城鎮(zhèn)化發(fā)展的前奏。本文以城鎮(zhèn)建設(shè)進(jìn)程監(jiān)測系統(tǒng)為例，介紹地理國情監(jiān)測的工作框架和內(nèi)容［4］。首先利用收集的數(shù)據(jù)建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集、開發(fā)數(shù)學(xué)分析模型，然后以城鎮(zhèn)人口數(shù)量和用地面積為主要評價(jià)指標(biāo)來分析城鎮(zhèn)化和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系。

使用的數(shù)據(jù)包括社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和測繪數(shù)據(jù)，具體介紹如下:

根據(jù)各地方2008年的統(tǒng)計(jì)年鑒(除海南、云南、臺灣和西藏自治區(qū))，得到了全國縣級經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)總值、人口數(shù)量和財(cái)政收入。由于部分地區(qū)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)不一致，需要進(jìn)行換算。

利用單期2008年的TM5影像數(shù)據(jù)識別城鎮(zhèn)居民地的范圍。遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理用到了ERDAS IMAGINE軟件的ACTOR模塊作大氣校正;用同態(tài)濾波算法去除薄云，增強(qiáng)地表信息。

在研究過程中，為了便于分析城鎮(zhèn)的空間分布，以及城鎮(zhèn)與空間要素的空間關(guān)系，專門收集了城鎮(zhèn)行政區(qū)劃范圍，公路、鐵路網(wǎng)、港口和機(jī)場等交通樞紐的坐標(biāo)等空間測繪數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)補(bǔ)錄、格式轉(zhuǎn)換、配準(zhǔn)后，使用三正地理空間數(shù)據(jù)管理平臺進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，完成空間數(shù)據(jù)建庫建設(shè)。

數(shù)據(jù)分析功能有4個模塊，分別是特征提取模塊、聚類分析模塊、空間分析模塊和分組統(tǒng)計(jì)模塊。

1)特征提取模塊:在遙感影像上，居民地具有光譜、形狀和紋理的特征?？紤]到TM影像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本文只考慮了光譜特征［5］，并基于測繪資料獲取城鎮(zhèn)空間的點(diǎn)位置，同時借助目視解譯的方法提取城鎮(zhèn)居民用地的邊界，制作成矢量文件。

2)聚類分析模塊:分析時將GIS系統(tǒng)和SPSS軟件集成起來，即把GIS數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)，計(jì)算完畢后，再把聚類結(jié)果返回到GIS數(shù)據(jù)庫中。

3)空間分析模塊:將人口數(shù)據(jù)與城鎮(zhèn)面積、交通網(wǎng)絡(luò)和交通設(shè)施等數(shù)據(jù)相疊加，作空間分析。發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)居民地主要集中在省界沿線、絲綢之路的東段和中段的北道沿線，以及隴海鐵路沿線。從地理上看，超過90%的人口居住在黑河-騰沖線的東南部。

4)分組統(tǒng)計(jì)模塊:主要包括了人口聚類區(qū)域空間要素距離的統(tǒng)計(jì)，對大型建制鎮(zhèn)和非大型建制鎮(zhèn)以及各個經(jīng)濟(jì)圈分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖3中，“含”表示含有暫住人口，“不含”表示不含有暫住人口?？梢钥闯?，大型建制鎮(zhèn)(大于10 000人)的人口密度比非大型建制鎮(zhèn)(不大于10 000人)的人口密度要普遍比較大，非大型建制鎮(zhèn)的人口密度由于暫住人口的加入明顯出現(xiàn)雙峰分布的特征。這種分布的變動態(tài)勢具有很強(qiáng)的社會含義，即市場經(jīng)濟(jì)在我國城鎮(zhèn)人口分布中的作用，并形成逐漸擴(kuò)大的“鴻溝”。

圖3 大型建制鎮(zhèn)與非大型建制鎮(zhèn)人口密度比較

通過數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)，建制鎮(zhèn)的面積和人口數(shù)量直接相關(guān)，其空間分布對人均財(cái)政收入的影響顯著、人口密度隨著人口的流動存在著明顯的差異性。大城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展快，對周邊城鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)、社會和公共事業(yè)的發(fā)展具有重要影響，但輻射力范圍和強(qiáng)度不均。因此，地理國情監(jiān)測對于城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)管理有著重要意義。

以上工作流程是在本文建議框架下完成的。以研究對象為基礎(chǔ)，有針對性地選擇數(shù)據(jù)、獲取數(shù)據(jù)，注重?cái)?shù)據(jù)分析，結(jié)果能夠?yàn)闆Q策服務(wù)。

四、結(jié)束語

測繪地理信息科技發(fā)展“十二五”提出了“構(gòu)建數(shù)字中國、監(jiān)測地理國情、發(fā)展壯大產(chǎn)業(yè)、建設(shè)測繪強(qiáng)國”的總體發(fā)展戰(zhàn)略，勾畫出了未來測繪行業(yè)發(fā)展的藍(lán)圖。地理國情監(jiān)測工作即將全面展開，本文對于其框架體系和組織工作總結(jié)出以下兩點(diǎn):

1)地理國情監(jiān)測與傳統(tǒng)測繪工作有相同點(diǎn)，也有不同之處。測繪和地理國情監(jiān)測的基本要素、技術(shù)手段、法律法規(guī)、職責(zé)定位、組織結(jié)構(gòu)等沒有太大的改變，但是地理國情監(jiān)測強(qiáng)調(diào)動態(tài)地發(fā)現(xiàn)變化、分析變化、報(bào)告變化，服務(wù)深入并細(xì)化，產(chǎn)品豐富多樣。必須認(rèn)識到這樣的不同，才能在工作中有的放矢。

2)地理國情監(jiān)測需要創(chuàng)新性的技術(shù)方法作支撐。地理國情監(jiān)測系統(tǒng)具有綜合性和復(fù)雜性等宏觀特點(diǎn)，需要綜合多學(xué)科的技術(shù)手段進(jìn)行知識的交叉，提出創(chuàng)新的、可行的數(shù)據(jù)挖掘算法，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，加快成果到?jīng)Q策的轉(zhuǎn)化過程。

［1］ 喬朝飛.國外地理國情監(jiān)測概況與啟示［J］.測繪通報(bào)，2011(11):81-83.

［2］ 劉若梅.地理國情監(jiān)測項(xiàng)目實(shí)施初步設(shè)計(jì)［R］.西安:地理國情監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)高級研修班，2012.

［3］ 鄔倫.地理信息系統(tǒng):原理、方法和應(yīng)用［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2005.

［4］ 孫良俊.基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的建制鎮(zhèn)區(qū)位研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2010.

［5］ 楊存建，周成虎.TM影像的居民地信息提取方法研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，2000，4(2):146-150.

An Exploration and Practice for the Framework of National Geographic Conditions Monitoring——Taking the Urbanization Monitoring System as an Example

SUN Liangjun

0494-0911(2012)08-0062-03

P20

B

2012-06-20

孫良俊(1973—)，男，安徽霍邱人，高級工程師，碩士，主要從事智慧城市方面的研究工作。