楊 靜，程昌秀，李曉嵐

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源與工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

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數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的多尺度特性研究

楊 靜1，程昌秀2，李曉嵐3

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源與工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

由于數(shù)據(jù)網(wǎng)格化便于多源數(shù)據(jù)的比較分析、匹配和融合、適合空間模型構(gòu)建等，早年在氣象學(xué)領(lǐng)域就得到了廣泛的應(yīng)用。地理信息數(shù)據(jù)隨著全球信息化的發(fā)展得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，應(yīng)用方式也在多樣化，數(shù)據(jù)網(wǎng)格化在該領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。該研究提出了數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的多尺度特性，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以北京市房山區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)據(jù)為例，生成不同大小的網(wǎng)格的土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)格動(dòng)態(tài)度數(shù)據(jù)和原始動(dòng)態(tài)度數(shù)據(jù)的比較得出，基于原始數(shù)據(jù)的不同大小，網(wǎng)格化數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的接近程度會(huì)有所差別，所以不是所有格網(wǎng)數(shù)據(jù)都能代替原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，格網(wǎng)數(shù)據(jù)要擇優(yōu)選擇。

矢量數(shù)據(jù)；網(wǎng)格化；多尺度

1 理論綜述

隨著經(jīng)濟(jì)全球化、全球信息化的發(fā)展，以全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)技術(shù)為支撐的現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。地理信息數(shù)據(jù)作為整合各種社會(huì)資源的地理信息平臺(tái)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用日趨廣泛。數(shù)字中國(guó)、數(shù)字區(qū)域、數(shù)字城市、數(shù)字國(guó)土、電子政務(wù)等政府信息工程先后啟動(dòng)，帶動(dòng)著地理信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，大量的地理信息數(shù)據(jù)得到了生產(chǎn)和使用[1]。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，數(shù)據(jù)往往有著不同的統(tǒng)計(jì)單元。根據(jù)數(shù)據(jù)格式的劃分，數(shù)據(jù)可以分為矢量和柵格2種格式，如土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，以及地形地貌等專題數(shù)據(jù)屬于GIS 管理下的矢量數(shù)據(jù)，利用不同遙感平臺(tái)獲取的地表不同類型的專題信息是以像元作為統(tǒng)計(jì)單元的柵格數(shù)據(jù)。由于統(tǒng)計(jì)單元的不同不便于利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)比較和分析，不能充分發(fā)揮已有數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐證明，多源數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化是解決這一問(wèn)題的有效方法之一[2-3]。由于網(wǎng)格可以被認(rèn)為是其他任何統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)部的細(xì)胞，通過(guò)它可以表達(dá)任何統(tǒng)計(jì)單元的信息，因此在GIS技術(shù)的支持下，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格化處理的數(shù)據(jù)及其派生出的結(jié)果，在時(shí)間上可以形成以網(wǎng)格為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)序列，便于動(dòng)態(tài)規(guī)律分析，在空間上形成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，可以以不同單元為基礎(chǔ)進(jìn)行空間分異規(guī)律研究，同時(shí)也便于和遙感數(shù)據(jù)結(jié)合，尤其是統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，將行政區(qū)劃和網(wǎng)格數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，便于統(tǒng)計(jì)行政區(qū)劃范圍內(nèi)的有用信息?？梢?jiàn)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)具有匹配和融合多源數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，特別適合空間模型的構(gòu)建、實(shí)現(xiàn)和表達(dá)，同時(shí)數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化也是許多圖形繪制、科學(xué)計(jì)算和空間模型實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)工作[4]。鑒于數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的諸多優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的存儲(chǔ)方式將會(huì)受到越來(lái)越多的重視，然而在網(wǎng)格化過(guò)程中很容易忽略數(shù)據(jù)的多尺度特性。

尺度在各個(gè)學(xué)科都普遍存在并受到廣泛關(guān)注。生態(tài)學(xué)文獻(xiàn)中出現(xiàn)“尺度”一詞已有100年歷史，早期的植物生態(tài)學(xué)家已認(rèn)識(shí)到取樣尺度在描述物種分布上的重要性，對(duì)異量關(guān)聯(lián)、捕食者與獵物的大小關(guān)系等問(wèn)題也有研究[5]?！癎lobal Land Project(GLP)”全球土地計(jì)劃的目標(biāo)確定為“度量、模擬和理解人類與環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)”，由此“土地系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力、土地系統(tǒng)變化的結(jié)果、土地可持續(xù)性的綜合分析與模擬”被確定為未來(lái)研究的3大主題，“土地系統(tǒng)變化的關(guān)鍵途徑”必然會(huì)涉及到對(duì)不同時(shí)空尺度下土地系統(tǒng)變化過(guò)程的深切關(guān)注?！俺叨取币彩抢斫馀c開(kāi)展GLP 3大主題研究的核心關(guān)鍵詞[6]。在不同尺度或聚集水平上得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是不同的，在一個(gè)尺度上推演出的結(jié)論和過(guò)程往往只適用于那個(gè)尺度，不可能適用于另一尺度[7]。如果認(rèn)識(shí)不到過(guò)程對(duì)尺度的依賴性，往往就會(huì)用不恰當(dāng)?shù)纳踔潦清e(cuò)誤的尺度去觀察、說(shuō)明或解釋問(wèn)題，從而在一定程度上混淆事物現(xiàn)象與本質(zhì)關(guān)系的認(rèn)識(shí)，將根據(jù)一個(gè)尺度上得出的結(jié)論應(yīng)用到另一個(gè)尺度上去，或者是以點(diǎn)的特征來(lái)簡(jiǎn)單代替面或體的特征。不同尺度的數(shù)據(jù)往往推譯出不同的結(jié)果，“尺度”已成為人們認(rèn)識(shí)客觀世界格局、過(guò)程及其時(shí)空分布特征的一把關(guān)鍵“鑰匙”[8]。選擇合適的尺度來(lái)了解研究對(duì)象的信息已經(jīng)成為包括生態(tài)學(xué)、水文學(xué)在內(nèi)的地球科學(xué)的研究熱點(diǎn)，尺度問(wèn)題也在這些領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的重視。

尺度研究主要涉及3個(gè)方面：尺度概念、尺度分析、尺度推譯[5]。通常意義上的空間尺度和時(shí)間尺度是指觀察或研究某一過(guò)程所采用的空間或時(shí)間單位，尺度包括現(xiàn)象尺度、觀測(cè)尺度、分析或模擬尺度?，F(xiàn)象尺度是格局或影響格局的過(guò)程的尺度，它為自然現(xiàn)象所固有，獨(dú)立于人類的控制之外，分析和模擬尺度是空間統(tǒng)計(jì)分析或模擬模型中所用的尺度。景觀生態(tài)學(xué)中尺度以粒度和幅度來(lái)表達(dá)，空間粒度是景觀中最小可辨識(shí)單元所代表的特征長(zhǎng)度、面積或體積。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化逐漸成為人類認(rèn)識(shí)分析統(tǒng)計(jì)事物的必要手段，同時(shí)其網(wǎng)格化的方法也在不斷走向成熟，相關(guān)專家對(duì)網(wǎng)格化的方法進(jìn)行了大量的研究[9]。但在此過(guò)程中往往會(huì)忽略網(wǎng)格劃分大小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。筆者就土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的多尺度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在該實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)象尺度即為矢量數(shù)據(jù)本身固有的尺度特征，觀測(cè)或者是分析尺度即是矢量數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的網(wǎng)格大小。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理該研究采用的數(shù)據(jù)來(lái)自北京市房山區(qū)2001和2004年的土地利用分布矢量圖，原始數(shù)據(jù)是按斑塊為單元統(tǒng)計(jì)進(jìn)行的，記錄字段有圖斑號(hào)，土地利用類型，斑塊面積。網(wǎng)格數(shù)據(jù)是在ARCGIS支持下生成的，網(wǎng)格單元大小依次為180 m×180 m、225 m×225 m、270 m×270 m、315 m×315 m、360 m×360 m、405 m×405 m、450 m×450 m、540 m×540 m、720 m×720 m、900 m×900 m、1 100 m×1 100 m、1 300 m×1 300 m、1 500 m×1 500 m、2 100 m×2 100 m。投影方式(Projection)：Transverse_Mercator，假東(False_Easting)：500000.00000000，假北(False_Northing)：中央子午線(Central_Meridian)：116.35025200，原點(diǎn)緯度(Latitude_Of_Origin)：39.86576600，其中長(zhǎng)度單位為m，角度單位為°。生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)覆蓋房山區(qū)所有區(qū)域。在人類活動(dòng)和自然因素的共同作用下，土地利用類型和利用面積發(fā)生了一定成都的變化。

2.2 網(wǎng)格動(dòng)態(tài)度的計(jì)算方法及其分類該研究選用的土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算模型是土地利用變化分析中常用的基本模型之一，從數(shù)量變化的角度來(lái)分析某時(shí)間段內(nèi)土地利用的變化狀況。該研究的土地利用動(dòng)態(tài)度即綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，表征對(duì)應(yīng)區(qū)域的土地利用變化程度。綜合動(dòng)態(tài)度是指某一地區(qū)某一時(shí)段內(nèi)綜合的土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

(1)

式中，LUi為監(jiān)測(cè)起始時(shí)刻第i類土地利用類型的面積；ΔLUi-j為監(jiān)測(cè)時(shí)段第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為第j類土地利用類型面積的絕對(duì)值；T為監(jiān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度。

在ArcGIS和VisualStudio的支持下，完成了180m×180m、225m×225m、270m×270m、315m×315m、360m×360m、405m×405m、450m×450m、540m×540m、720m×720m、900m×900m、1 100m×1 100m、1 300m×1 300m、1 500m×1 500m、2 100m×2 100m網(wǎng)格動(dòng)態(tài)度的計(jì)算。為了直觀體現(xiàn)動(dòng)態(tài)度的格局分布，按表1將動(dòng)態(tài)度分成5個(gè)等級(jí)。

表1 動(dòng)態(tài)度等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)

2.3 網(wǎng)格數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的相似度為了評(píng)價(jià)網(wǎng)格數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)間的相近程度，該研究提出了比較對(duì)象間的相似性評(píng)價(jià)方法。該方法根據(jù)面積權(quán)重將數(shù)據(jù)變化程度進(jìn)行綜合，按照研究區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格屬性所占面積的百分比確定研究指標(biāo)大小，主要步驟如下：①確定研究指標(biāo)；②計(jì)算指數(shù)變化值并賦予相應(yīng)的屬性值；③確定各類屬性值所占網(wǎng)格區(qū)域的面積；④按照面積比例的多少來(lái)分配屬性值。該實(shí)驗(yàn)中研究指數(shù)是圖斑的動(dòng)態(tài)度變化，按照變化程度將該指數(shù)賦予不同的屬性值，具體賦值方法如下：

將網(wǎng)格數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)疊加分析，計(jì)算每個(gè)圖斑的動(dòng)態(tài)度變化值P：

P=|LCi-LCj|

(2)

式中，LCi、LCj分別為原始數(shù)據(jù)與網(wǎng)格數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)度值，P={0，1，2，3，4，5}，圖斑間的相似度隨著P的增大而減小，所以賦予相似度值屬性值依次為Q={1，0.8，0.6，0.4，0.2，0}，統(tǒng)計(jì)不同變化度值所對(duì)應(yīng)的面積總數(shù)Si，相似度M的計(jì)算公式為：

(3)

相似度值統(tǒng)計(jì)了不同動(dòng)態(tài)度變化值所占有的面積，該值由Si、Qi共同影響，是所研究范圍動(dòng)態(tài)度變化的綜合指數(shù)，從該指數(shù)可以得出，如果某研究區(qū)域變化很大但是所占面積很小則該區(qū)域?qū)φw動(dòng)變化影響相對(duì)較小，反之相似度值較大；當(dāng)某研究區(qū)域變化很小但所占面積很大則可能該區(qū)域?qū)φw變化值影響較大，反之相似度值較?。辉撝稻C合了各個(gè)區(qū)域的相似情況，得出整體的相似程度。指數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有一定的指引意義，以下實(shí)驗(yàn)部分依據(jù)該指數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述網(wǎng)格動(dòng)態(tài)度的計(jì)算方法及其分類標(biāo)準(zhǔn)，不同網(wǎng)格動(dòng)態(tài)度的分布格局見(jiàn)圖1。

圖1顯示，隨著網(wǎng)格大小的不同動(dòng)態(tài)度的分布格局也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，180 m×180 m網(wǎng)格動(dòng)態(tài)度級(jí)別為1和2的網(wǎng)格占據(jù)很大一部分；700 m×700 m網(wǎng)格時(shí)，動(dòng)態(tài)度級(jí)別為4的網(wǎng)格占據(jù)面積最多；1 100 m×1 100 m和1 300 m×1 300 m時(shí)，動(dòng)態(tài)度級(jí)別為3的網(wǎng)格逐漸增多?？梢?jiàn)動(dòng)態(tài)度的變化會(huì)隨著劃分網(wǎng)格大小的不同而有所差異。

圖1 動(dòng)態(tài)度格局分布

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)據(jù)的相似度曲線

圖2顯示，當(dāng)網(wǎng)格大小在360 m×360 m左右時(shí)相似度值最大，隨著網(wǎng)格的不斷增大相似度值逐漸減小，網(wǎng)格大小在180 m×180 m到360 m×360 m范圍內(nèi)相似度值在不斷增大。所以在實(shí)際應(yīng)用中，并非網(wǎng)格劃分越小結(jié)果越準(zhǔn)確，面對(duì)研究對(duì)象的不同通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最適宜尺度，所以對(duì)于不同的應(yīng)用應(yīng)選擇不同的網(wǎng)格大小。對(duì)現(xiàn)象的研究是在一定的觀測(cè)和分析尺度下進(jìn)行的，選取不同的觀測(cè)和分析尺度，將檢測(cè)到不同的現(xiàn)象，尺度研究的根本目的在于通過(guò)適宜的觀測(cè)分析和模擬尺度來(lái)揭示和把握現(xiàn)象尺度中的規(guī)律性[5]。觀測(cè)尺度和現(xiàn)象尺度之間的相近程度會(huì)隨著網(wǎng)格的變化而不斷變化，以行政區(qū)劃為例，如果研究對(duì)象是村級(jí)行政區(qū)的土地利用動(dòng)態(tài)度，應(yīng)選擇相應(yīng)的網(wǎng)格大小進(jìn)行研究；如果研究對(duì)象是以鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)劃為單位的土地利用動(dòng)態(tài)度，又需要用不同大小的網(wǎng)格進(jìn)行分析研究。

4 結(jié)論與討論

多尺度已經(jīng)在生態(tài)學(xué)、遙感、氣象等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的重視，該研究實(shí)驗(yàn)表明數(shù)據(jù)網(wǎng)格化分析的過(guò)程中也會(huì)存在多尺度特性，并非網(wǎng)格劃分越小結(jié)果越精確，研究結(jié)果的

準(zhǔn)確性與原始矢量數(shù)據(jù)的尺度有密切的關(guān)系。盲目地選擇網(wǎng)格大小會(huì)造成分析結(jié)果的易位，數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)，甚至是對(duì)讀者的誤導(dǎo)。在實(shí)際生活中，類似的數(shù)據(jù)還有人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、氣象數(shù)據(jù)等，比如統(tǒng)計(jì)以行政區(qū)劃為單位的人口數(shù)、收入、降水量等數(shù)據(jù)。以網(wǎng)格為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)序列給實(shí)際生產(chǎn)研究的統(tǒng)計(jì)分析帶來(lái)了很大的方便，但是要注意數(shù)據(jù)的多尺度特性，同樣的計(jì)算方法不同的研究對(duì)象所需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的大小就會(huì)有所差別，也就是尺度效應(yīng)的影響，尺度選擇的問(wèn)題直接來(lái)源于尺度效應(yīng)，所以針對(duì)不同的目標(biāo)來(lái)確定所適宜的分析尺度也即網(wǎng)格大小是非常有必要的。

多尺度特性在各個(gè)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注，相關(guān)的理論方法也在逐漸的完善，但是在數(shù)據(jù)網(wǎng)格化過(guò)程中多尺度方法的研究還非常欠缺，今后的研究過(guò)程中多尺度特性是值得考慮的問(wèn)題，但是面對(duì)具體研究如何選擇合適的網(wǎng)格大小依然是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，一些相關(guān)領(lǐng)域(如遙感影像處理、計(jì)算機(jī)可視化、景觀生態(tài)學(xué))中設(shè)計(jì)尺度方法的研究成果可能提供借鑒。

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Study on Mutil-scale Characteristics of the Vector into Grid Process

YANG Jing1, CHENG Chang-xiu2, LI Xiao-lan3

(1. Faulty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093; 2. Academy of Disaster Redution and Emergency Management,Beijing Normal University,Beijing 100875; 3.Institute of Geographic Science and Natural Resources Research of CAS, Beijing 100101)

For the grid data contributes to analyzing, matching and fusion for the mutidatasources.It’s conductive to buid space models. So the vector into grid process is widely used in the field of meteorology. The geographic information data is widely used by the development of global information, whose application mode is diversified. The used of vector into grid process is widely used. This paper presents the muti-scale characteristicsof vector into grid process and a example has verified this phenomenon. Taking the land use dynamic index data of Beijing fangshan as an example, different size of grid data are created based on the source data. By comparing the grid dynamic data and the original data of dynamic degree we know that the similatity between different size of grid data which based on the source data and source data is different. So not all grid data can be analyzed instead of original data and the grid data should be selected carefully.

Vector data; Griding; Mutil-scale

楊靜(1989- )，女，山西五臺(tái)人，碩士研究生，研究方向：土地利用多尺度變化。

2014-12-18

S 126

A

0517-6611(2015)04-353-03