山東省地理國情信息綜合統(tǒng)計分析技術與實現(xiàn)

江娜

(山東省國土測繪院,山東 濟南 250102)

0 引言

地理國情從空間角度反映一個國家自然、經(jīng)濟、人文的信息[1]，涉及國土疆域、地理區(qū)劃、地形地貌特征、道路交通網(wǎng)絡、江河湖海分布、土地利用、城鎮(zhèn)布局、生產(chǎn)力空間布局等自然和人文地理信息在宏觀層面的綜合表達[2- 3]。地理國情監(jiān)測是綜合利用包括遙感技術在內的現(xiàn)代測繪技術，對我國地理國情要素進行動態(tài)和定量化、空間化的監(jiān)測[4]。地理國情普查統(tǒng)計分析是地理國情普查的重要組成部分，將國情普查數(shù)據(jù)與經(jīng)濟社會信息相融合，是反映經(jīng)濟、社會、資源、環(huán)境的空間分布規(guī)律的必要手段和階段，對于推廣普查成果應用、推動地理國情普查與監(jiān)測具有至關重要的作用[5]。

地理國情統(tǒng)計分析工作是地理國情數(shù)據(jù)向地理國情信息、地理國情知識乃至決策智慧轉化與提升的重要技術手段。鑒于地理國情統(tǒng)計分析的重要性，自開展地理國情普查與監(jiān)測工作以來，業(yè)界對于地理國情統(tǒng)計分析與評價指標體系[6]、基本統(tǒng)計[7- 9]、綜合統(tǒng)計[10- 13]等相關內容進行了多層次探討與研究。前述統(tǒng)計分析研究或者僅涉及一兩個方面，或者從局部區(qū)域展開，對于省級區(qū)域的全面綜合統(tǒng)計實踐尚未有涉及。該研究從山東省級尺度、地理空間的角度，基于地理國情普查成果并深度融合社會經(jīng)濟和人文數(shù)據(jù)，通過縱向分析、橫向分析、類比分析等方法，對自然、人文等地理國情要素進行空間化、綜合性統(tǒng)計分析評價，為政府部門、專業(yè)應用以及社會公眾提供準確可靠的地理國情信息，可為山東省經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設提供有力支撐。

該文的主要研究內容分為3個層次，首先以地理國情數(shù)據(jù)為基礎，結合基本統(tǒng)計成果、基礎測繪成果、經(jīng)濟人口等專題數(shù)據(jù)，建立對自然資源分布與利用、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、基本公共服務均等化、經(jīng)濟發(fā)展狀況、開發(fā)強度狀況等方面的指標體系，形成山東省綜合統(tǒng)計指標成果；其次以綜合統(tǒng)計指標成果為基礎，結合綜合統(tǒng)計模型、一致性哈希高容錯性算法和知識驅動的專題制圖技術開發(fā)山東省綜合統(tǒng)計分析系統(tǒng)，實現(xiàn)地理國情統(tǒng)計分析計算、專題制圖和成果展示的系統(tǒng)化流程處理；以綜合統(tǒng)計分析成果為依據(jù)，結合山東省的地理國情信息空間分布、空間結構、空間關系、地域差異等特征，針對山東重要的經(jīng)濟示范區(qū)進行分析評價，客觀反映研究區(qū)國土空間格局、生態(tài)協(xié)調程度、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展狀況和社會事業(yè)發(fā)展水平。

1 總體研究思路

1.1 技術路線

山東省綜合統(tǒng)計分析技術流程基于地理國情信息數(shù)據(jù)，建立反映山東省地理國情現(xiàn)狀及趨勢的綜合統(tǒng)計指標體系，開發(fā)山東省地理國情綜合統(tǒng)計分析系統(tǒng)，基于規(guī)則網(wǎng)格、行政區(qū)劃、自然地理區(qū)域、社會經(jīng)濟區(qū)域的統(tǒng)計分析單元進行綜合統(tǒng)計，并形成地理國情普查統(tǒng)計分析成果。具體流程如圖1所示：

圖1 山東省地理國情信息綜合統(tǒng)計分析技術流程

1.2 綜合統(tǒng)計數(shù)據(jù)源

山東省綜合統(tǒng)計分析涉及地理國情普查數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及基本統(tǒng)計成果。其中普查數(shù)據(jù)包括DEM、地表覆蓋、地理國情要素、地理單元數(shù)據(jù)等；社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括人口、經(jīng)濟以及部門專題等數(shù)據(jù)；基本統(tǒng)計成果包括地形地貌，植被覆蓋、水域、地表覆蓋、交通、居民地和地表單元等(圖2)。

圖2 山東省地理國情綜合統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)源

1.3 指標設計

地理國情統(tǒng)計指標需圍繞“科學性與可操作性相結合，層次分明、面向服務，普查數(shù)據(jù)為主、兼顧專題數(shù)據(jù)”的原則開展，結合國家指導意見，形成資源分布與利用、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、基本公共服務均等化、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展狀況、城鎮(zhèn)開發(fā)強度等5個方面、50多個地理國情指標。

圖3 指標體系構建示例- 區(qū)域經(jīng)濟潛能

區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展狀況，從經(jīng)濟密度、人均GDP增長率、單位面積各類型產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、擁有汽車站、火車站等資源數(shù)量等多個方面進行測度(圖3)。基本公共服務作為一種公共產(chǎn)品向全社會民眾提供，是經(jīng)濟社會發(fā)展到一定程度的必然要求[14]。該文從基礎教育、基本醫(yī)療、養(yǎng)老服務和交通在內的四種公共服務入手反映區(qū)域內教育、醫(yī)療、社會福利以及交通網(wǎng)絡等公共服務設施的空間覆蓋程度、資源配置合理性程度。城鎮(zhèn)開發(fā)強度涉及多個層面的問題，該研究從地理國情視角，設計了工礦企業(yè)空間密集度、人均建設用地面積、常住人口城鎮(zhèn)化率等多個指標。生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟關系復雜，表征的指標很多，依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》[15]選取人為干擾度、水網(wǎng)密度指標、植被覆蓋度、生物豐度、景觀破碎度等指標。資源分布與利用方面，從地理國情普查數(shù)據(jù)中提煉耕地面積占比、園地面積占比、林地面積占比、坡耕地面積占比等多個指標，側重反映自然資源分布情況、開發(fā)利用程度及開發(fā)利用潛力。山東省綜合統(tǒng)計指標模型設計詳見表1。

表1 統(tǒng)計分析指標模型設計

1.4 統(tǒng)計分析方法

綜合統(tǒng)計指標通過對數(shù)據(jù)重新分類、空間疊置分析、網(wǎng)絡分析、緩沖分析等方法計算得到。基于指標計算結果，通過資源配置模型、空間關系建模等相關模型和方法，采用標準處理法、極值處理法、歸一化處理法等方法進行指標歸一化處理后，自下而上逐級加權計算構建5個方面的指數(shù)從而進行分析評價。

2 關鍵技術

地理國情普查綜合統(tǒng)計分析屬于計算密集型、知識密集型、多學科交叉的復合型工作，研究過程中存在較多難點。該研究從統(tǒng)計分析過程中的技術瓶頸入手進行了相關的關鍵技術研究。

2.1 面向多主題指標的選取和定制

山東省綜合統(tǒng)計分析需結合選取主題，從不同地理空間視角對其分布、關聯(lián)、規(guī)律進行揭示。該研究從規(guī)則地理格網(wǎng)單元、行政區(qū)劃與管理單元和自然地理單元等空間單元開展統(tǒng)計分析，從不同尺度表達統(tǒng)計分析主題。綜合統(tǒng)計分析涉及5個主題多個指標，從地理國情角度，對表征指數(shù)進行多級細化，形成三級指標、二級指標、一級指標的模型樹。在模型樹中，自動判斷指標級別，動態(tài)提取相關參數(shù)，基于多級指數(shù)進行計算，實現(xiàn)了指標模型自由組合及統(tǒng)計范圍自由選擇的地理國情信息的統(tǒng)計分析計算。

2.2 地理大數(shù)據(jù)分布式高效計算

綜合統(tǒng)計分析的地理大數(shù)據(jù)包括基本統(tǒng)計數(shù)據(jù)、地理國情普查數(shù)據(jù)、經(jīng)濟普查數(shù)據(jù)、專題調查數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)類型復雜，以非結構化或者半結構化數(shù)據(jù)為主；參與綜合統(tǒng)計分析指標運算的數(shù)據(jù)量為TB級別，各子計算任務運行進程差異大，需要采用更靈活、高效的計算框架進行地理統(tǒng)計分析，縮短計算時間。山東省綜合統(tǒng)計分析基于一致性哈希高容錯性算法[16- 17]實現(xiàn)地理大數(shù)據(jù)分布式高效運算，大大提升計算性能，解決運算效率低、耗時長的問題。

2.3 知識驅動的快速精細化制圖模式

為實現(xiàn)更優(yōu)的綜合統(tǒng)計分析成果的可視化表達，山東省研究實現(xiàn)了基于知識驅動的快速精細化制圖模式。以統(tǒng)計知識庫為基礎，明確制圖表達，基于地理國情信息綜合統(tǒng)計分析成果，結合與統(tǒng)計專題地圖制作相關的數(shù)據(jù)進行梳理和分類，將其轉換為計算機可以正確識別的知識，結合統(tǒng)計分析技術形成流程化的制圖模式，配合制圖規(guī)則、制圖模板、制圖系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)計分析專題圖更加精細化、高效率的生產(chǎn)。

2.4 建立統(tǒng)計主題歸一化分級評估指標體系

綜合統(tǒng)計分析成果按統(tǒng)計單元面積劃為不同空間尺度，按指標細化為不同表征粒度，基于歸一化數(shù)據(jù)分析方法，消除指標之間的量綱影響和數(shù)據(jù)相對于趨勢值的偏差，建立統(tǒng)計分析主題指標分級評估體系，從不同角度和整體上分別對山東省的自然資源空間分布、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、基本公共服務、經(jīng)濟發(fā)展狀況和開發(fā)強度進行評估，更加簡便準確的展現(xiàn)區(qū)域統(tǒng)計分析的成果。

3 研究成果

3.1 系統(tǒng)成果

該研究建成了山東省綜合統(tǒng)計分析系統(tǒng)(圖4)、專題制圖系統(tǒng)(圖5)、統(tǒng)計分析成果展示系統(tǒng)(圖6)，實現(xiàn)了山東省綜合統(tǒng)計分析指標選取、計算、展示、制圖模塊化、一體化、流程化。

圖4 綜合統(tǒng)計分析系統(tǒng)

圖5 專題圖制圖系統(tǒng)

圖6 統(tǒng)計分析成果展示系統(tǒng)

3.2 指標模型成果

形成包括自然資源分布與利用、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、基本公共服務均等化、經(jīng)濟發(fā)展狀況、開發(fā)強度等5個方面50余個指標(表1)，在此基礎上對全省以及主要經(jīng)濟社會單元各指標、指數(shù)進行計算，對不同主題的地理空間狀況與分布進行了揭示(如生態(tài)環(huán)境狀況指標，見表2)。

表2 生態(tài)環(huán)境狀況指標統(tǒng)計

3.3 報告與專題圖成果

對全省及山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)、黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)、山東省會城市群經(jīng)濟圈、山東省西部經(jīng)濟隆起帶等“兩區(qū)一圈一帶”經(jīng)濟社會單元各有側重的進行綜合統(tǒng)計分析并形成專題報告與分級評價專題圖(圖7、圖8)，為政府部門管理決策提供客觀、翔實的依據(jù)。

圖7 山東省自然資源構成專題圖

通過該研究成果的應用，地理國情數(shù)據(jù)得到深入挖掘，數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式極大豐富，形成的成果權威、客觀、準確、直觀，并直接服務于山東省審計廳、山東省發(fā)展與改革委員會、山東省國土資源廳、山東大學、山東省遙感技術應用中心等政府及科研機構，為各部門、科研機構相關處室業(yè)務整合與統(tǒng)籌規(guī)劃，宏觀數(shù)據(jù)對比分析，量化決策向大數(shù)據(jù)決策轉變等提供了有力的技術支撐和可靠依據(jù)。

4 結語

地理國情普查屬于開創(chuàng)性工作，綜合統(tǒng)計分析也沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒。該文在實踐基礎上探討了面向省級區(qū)域的綜合統(tǒng)計分析完整技術流程與軟件實現(xiàn)。建立了目標驅動的多尺度、多主題統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)指標模型體系，解決了地理省情成果快速處理及轉化問題；基于一致性哈希高容錯性算法設計了計算任務調度框架，解決了山東省地理國情綜合統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)量大、指標多、統(tǒng)計單元廣、運算速度慢的問題，達到統(tǒng)計分析指標快速高效率的運算，指標模型高靈活度、高容錯性配置的效果；利用知識本體、知識庫結構等理論結合二次開發(fā)技術，首次提出了基于知識驅動的精細化制圖的方法，解決了山東省地理國情信息及綜合統(tǒng)計分析成果的專題圖制

圖中的不規(guī)范、效率低、一致性問題修改困難等問題，達到了快速制作精細的統(tǒng)計分析專題圖的效果。在后續(xù)的應用和實踐過程中，地理國情統(tǒng)計分析工作還會不斷深化和完善，最大程度體現(xiàn)地理國情普查、監(jiān)測工作的價值和意義。

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