湖泊網(wǎng)格自動劃分方法研究

廖磊，李亮斌，蔡先華，樊敬敬

(1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013； 2.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096；3.江蘇天地圖地理信息工程技術(shù)公司，江蘇 南京 210013)

1 引 言

網(wǎng)格化有利于湖泊的巡查和管理。目前采用的湖泊區(qū)域網(wǎng)格化劃分方法一般是針對小區(qū)域范圍的網(wǎng)格劃分，主要有規(guī)則網(wǎng)格、行政區(qū)和手動等劃分方法。規(guī)則網(wǎng)格法將湖泊區(qū)域劃分成規(guī)則排列的網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元的大小相同[1]。該方式的優(yōu)點是劃分方式簡單，容易進(jìn)行空間分析。但是，由于湖泊邊界線是不規(guī)則的曲線，很多湖泊的內(nèi)部存在島嶼，規(guī)則網(wǎng)格對于這些情況無法處理。加上不同的湖泊湖灣河汊復(fù)雜程度各異，敞水區(qū)、圩區(qū)分布情況不同，規(guī)則網(wǎng)格劃分不能夠合理的劃分。行政區(qū)劃分是按照行政區(qū)劃范圍劃分湖泊網(wǎng)格，根據(jù)省-市-縣-鄉(xiāng)(鎮(zhèn))-村逐級劃分，每個層級都負(fù)責(zé)對應(yīng)的網(wǎng)格，最低一級在村，安排相應(yīng)的巡查人員[2]。該方式的優(yōu)點在于網(wǎng)格層次清晰，有利于分級管理和網(wǎng)格編碼，缺點是網(wǎng)格的靈活性不高，劃分的湖泊區(qū)域不均勻。手動劃分[3]是目前采用的最廣的湖泊網(wǎng)格劃分方式。選定湖泊的劃分區(qū)域之后，根據(jù)湖泊形態(tài)、水域面積等情況，手動的將湖泊區(qū)域劃分為面積相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格。這種劃分方式的優(yōu)勢在于靈活性高，能夠針對每個湖泊的特點進(jìn)行網(wǎng)格劃分。不足之處在于網(wǎng)格的編碼麻煩，構(gòu)建網(wǎng)格的效率比較低。

本文提出一種網(wǎng)格分割-合并法，利用方形網(wǎng)格對分級后的湖泊水域分割，再根據(jù)規(guī)則對部分區(qū)域進(jìn)行合并調(diào)整，實現(xiàn)計算機自動劃分。

2 湖泊網(wǎng)格劃分基本原則

與陸地網(wǎng)格劃分相比水域網(wǎng)格劃分有其特殊性，需要遵循一定的劃分原則。陸地網(wǎng)格劃分有較多參考依據(jù)，例如：以行政區(qū)劃或路網(wǎng)對城市進(jìn)行網(wǎng)格劃分；以植被類型對陸地進(jìn)行網(wǎng)格劃分；以土地用途對陸地進(jìn)行網(wǎng)格劃分等。但是水域邊界線是不規(guī)則的曲線，很多湖泊的內(nèi)部存在島嶼，加上不同的湖泊湖灣河汊復(fù)雜程度各異，敞水區(qū)、圩區(qū)分布情況不同，劃分難度大，水域網(wǎng)格劃分有其特殊性。且湖泊網(wǎng)格劃分是為了方便湖泊的巡查和管理。網(wǎng)格劃分的影響因素主要是湖泊管理范圍內(nèi)的行政區(qū)劃、湖泊形態(tài)和面積等因素?？茖W(xué)的湖泊網(wǎng)格劃分一般需要遵循以下原則[4～6]：

(1)分級原則

對于大型湖泊(跨區(qū))，直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分會導(dǎo)致網(wǎng)格劃分不均勻，也不利于管理，需要對網(wǎng)格分級。根據(jù)河湖管理需要，網(wǎng)格流域范圍設(shè)立應(yīng)考慮由政府主導(dǎo)各相關(guān)部門為責(zé)任主體，所以本文提出根據(jù)行政區(qū)劃實行分級管理。

(2)屬地完整原則

湖泊網(wǎng)格化管理是為了方便湖泊的巡查和管理，故同一個網(wǎng)格不跨越兩個行政區(qū)，方便將湖長制、河長制工作納入年度目標(biāo)考核，明確巡查任務(wù)，落實工作職責(zé)，強化督查力度，嚴(yán)格責(zé)任追究。

(3)屬地內(nèi)規(guī)則原則

最后一級網(wǎng)格采用方形網(wǎng)格。被湖岸、湖心島分割產(chǎn)生的不規(guī)則網(wǎng)格面積應(yīng)與規(guī)則網(wǎng)格基本相當(dāng)。

(4)完整性原則

湖心島嶼劃分的網(wǎng)格不跨越湖心島、水利設(shè)施等。

3 網(wǎng)格自動劃分

網(wǎng)格分割-合并法分為兩步，分割是基礎(chǔ)，合并是關(guān)鍵。劃分流程如圖1所示。首先將湖泊區(qū)域按行政區(qū)劃進(jìn)行分級，再將分級后的子區(qū)域進(jìn)行分割，將湖泊水域劃分成等面積的規(guī)則單元，對湖泊邊界以及湖心島區(qū)域的單元合并調(diào)整。分級后的子區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格互相獨立，網(wǎng)格線按水平和垂直方向等距排列。

圖1 網(wǎng)格分割-合并法流程

3.1 行政區(qū)分級

對于面積廣闊，跨省、市、縣的湖泊，先按照省-市-縣(區(qū))進(jìn)行逐級劃分，在縣(區(qū))的基礎(chǔ)上，進(jìn)行最后一級網(wǎng)格的劃分。

如圖2所示，第一級網(wǎng)格為湖泊全部水域構(gòu)成的多邊形區(qū)域。二、三、四級網(wǎng)格分別是以省、市、縣(區(qū))的行政區(qū)劃邊界劃分的網(wǎng)格。五級網(wǎng)格在四級網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)格分割-合并法進(jìn)行劃分。

圖2 網(wǎng)格分級示意圖

3.2 湖泊網(wǎng)格大小確定

由于湖泊網(wǎng)格劃分參考的依據(jù)較少，目前，我國對于湖泊網(wǎng)格單元面積大小的確定主觀性較強，劃分規(guī)則多樣，沒有統(tǒng)一的劃分體系[7]。對于不同的湖泊，網(wǎng)格大小主要參考的是湖泊的水域面積。文獻(xiàn)[8]把洪澤湖水域劃分成187個敞水區(qū)網(wǎng)格，每個網(wǎng)格面積為 5 km2～8 km2。文獻(xiàn)[9]將東莞市的水庫水面劃分成面積為 0.23 km2的網(wǎng)格。文獻(xiàn)[10]將水環(huán)境控制單元尺度細(xì)化到 10 km2。對于不同類型的湖泊，網(wǎng)格大小不一，參照一般情況，在本文研究中，設(shè)置湖泊面積與網(wǎng)格邊長的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

湖泊面積與網(wǎng)格邊長關(guān)系 表1

3.3 網(wǎng)格分割

網(wǎng)格分割一般是對縣(區(qū))一級的湖泊區(qū)域進(jìn)行分割。湖泊管理的面積一般比水域面積大，所以將網(wǎng)格的左邊界和下邊界與湖泊的左邊界和下邊界相隔一定距離，如圖3所示。湖泊區(qū)域內(nèi)部被分割成規(guī)則方形網(wǎng)格，網(wǎng)格線按水平和垂直方向等距排列。邊界區(qū)域為不規(guī)則網(wǎng)格(陰影部分)，面積大小各異。

圖3 網(wǎng)格分割

3.4 邊界網(wǎng)格合并

為了滿足屬地內(nèi)規(guī)則原則，需要對不規(guī)則網(wǎng)格合并，確保所有的網(wǎng)格面積均衡。假設(shè)規(guī)則網(wǎng)格的面積為S，一般情況下，可規(guī)定不規(guī)則網(wǎng)格的面積S′滿足一定條件，本文約定為S′∈[0.5S，1.5S]。

本文主要采用四方向相鄰規(guī)則并結(jié)合深度優(yōu)先搜索的思想對不規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行合并，對于局部復(fù)雜拓?fù)淝闆r，采用八方向相鄰規(guī)則處理。假設(shè)任意網(wǎng)格與其上下左右四個方向的網(wǎng)格存在連接關(guān)系，這樣便可以把網(wǎng)格抽象成無向圖，無向圖的頂點代表網(wǎng)格，邊代表網(wǎng)格間的連接關(guān)系，抽象示意圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格抽象示意圖

深度優(yōu)先搜索算法能夠遍歷連通圖中的所有頂點。本文為了確保不規(guī)則網(wǎng)格全部合并，采用深度優(yōu)先搜索算法思想，在遍歷不規(guī)則網(wǎng)格的同時，對網(wǎng)格合并。合并的算法步驟如下：

(1)在不規(guī)則網(wǎng)格中任意選擇一個網(wǎng)格v作為起始網(wǎng)格，計算v的面積，訪問標(biāo)志設(shè)為true。

(2)在v的所有鄰接網(wǎng)格中找到尚未訪問的一個v′，計算v′的面積，如果v的面積在[0.5S，1.5S]范圍內(nèi)，則v與v′不合并，v′作為下一步探查的當(dāng)前網(wǎng)格，否則需要合并，合并后的網(wǎng)格作為下一步探查的當(dāng)前網(wǎng)格。

(3)如果當(dāng)前網(wǎng)格的所有鄰接網(wǎng)格都被訪問，則回退一步，將前一步的網(wǎng)格作為探查的當(dāng)前網(wǎng)格。

(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直到最開始被訪問網(wǎng)格的所有鄰接網(wǎng)格都被訪問。

圖3中的邊界不規(guī)則網(wǎng)格合并后的結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，不規(guī)則網(wǎng)格與規(guī)則網(wǎng)格的面積相差較小，滿足屬地內(nèi)規(guī)則原則。

圖5 不規(guī)則網(wǎng)格合并結(jié)果

3.5 湖心島網(wǎng)格合并

湖心島的大小不一，假設(shè)以面積nS為分界，把湖心島分成大島嶼和小島嶼兩類。湖心島通常會橫跨多個網(wǎng)格，為了滿足完整性原則，需要對網(wǎng)格進(jìn)行合并。湖心島周圍的不規(guī)則網(wǎng)格采用八方向相鄰規(guī)則，可以提高復(fù)雜拓?fù)淝闆r的處理能力。

如圖6所示的四個湖心島1、2、3、4，面積S″∈(0，nS]。湖心島1在單個網(wǎng)格內(nèi)，對網(wǎng)格無影響。湖心島2跨越兩個網(wǎng)格，四方向相鄰規(guī)則可以將兩個網(wǎng)格合并。湖心島3跨越四個網(wǎng)格，八方向相鄰規(guī)則可以將這四個網(wǎng)格合并。湖心島4的面積很小，其周圍的四個網(wǎng)格面積均滿足均衡要求，因此，這些網(wǎng)格不合并。

圖6 小島嶼

如果湖心島的面積S″>nS，實驗發(fā)現(xiàn)，這種島嶼沿岸的不規(guī)則網(wǎng)格數(shù)量很多，需要進(jìn)行合并處理。合并的方式參照湖泊邊界網(wǎng)格合并。唯一與湖泊邊界情況不同的是，湖心島產(chǎn)生的不規(guī)則網(wǎng)格在外部圍繞湖心島。例如圖7(a)所示的湖心島外圍不規(guī)則網(wǎng)格，經(jīng)過合并后得到圖7(b)所示的結(jié)果。

圖7 不規(guī)則網(wǎng)格合并示意圖

3.6 網(wǎng)格編碼

相比于手動劃分，計算機自動劃分能夠高效地對網(wǎng)格進(jìn)行編碼。每一個網(wǎng)格的編碼應(yīng)具有唯一性并且嚴(yán)密[11]。本文參考城市網(wǎng)格編碼原則，按照中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市市政綜合監(jiān)管信息系統(tǒng)單元網(wǎng)格劃分與編碼規(guī)則》進(jìn)行湖泊網(wǎng)格編碼。編碼總共9位，前6位為縣(區(qū))及其以上的行政區(qū)劃代碼，按照GB/T2260標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，后面三位為最后一級網(wǎng)格按從上到下，從左到右的順序代碼。編碼樣式如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格編碼

4 實驗與分析

本文對太湖水域采用網(wǎng)格分割-合并法進(jìn)行網(wǎng)格自動劃分，網(wǎng)格邊長分別選用 1.5 km、2 km和 2.5 km，分別對應(yīng)圖8(a)、(b)和8(c)。圖8(d)是江蘇省管湖泊網(wǎng)格化管理信息平臺[12]中的太湖水域手動劃分結(jié)果。圖中湖泊被縣(區(qū))級的行政區(qū)劃線劃分成了七個水域，所有網(wǎng)格覆蓋了湖泊的全部水域，滿足劃分的四大原則。

與手動劃分相比，自動劃分的網(wǎng)格更加規(guī)整，編碼速度快，提高了湖泊網(wǎng)格劃分的效率。并且自動劃分效率高，可以任意的調(diào)整網(wǎng)格邊長，進(jìn)行對比分析，找到最優(yōu)的劃分方案。從本文選取的三種方案可以看出，網(wǎng)格邊長太小，邊界區(qū)域的網(wǎng)格合并后形狀復(fù)雜，增加了巡查的難度。而網(wǎng)格邊長大太，會增大每個巡查人員的任務(wù)量。因此，太湖水域的網(wǎng)格，采用 2 km的網(wǎng)格邊長較為合適。

圖9

5 總結(jié)與展望

本文在確定湖泊網(wǎng)格劃分基本原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計了網(wǎng)格自動劃分的網(wǎng)格分割-合并法。在對湖泊進(jìn)行分級處理后進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格分割，湖泊邊界和湖心島區(qū)域存在的不規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行了合并處理。實驗表明，所設(shè)計的方法可以實現(xiàn)湖泊網(wǎng)格的自動劃分，具有好的效果。