[科普中国]-地理格网

简介

自然环境与人类社会和谐、协调发展是未来发展的趋势，也是解决当前资源与环境问题的原则，而其目标的实现需要建立在科学的规划和决策基础上。由于“地球是一个复杂的、开放的巨系统”，科学规划决策需要将资源、自然环境与社会经济信息融合，并采用统计分析的方法从整体上客观、准确地揭示其空间分布规律和发展演化趋势。

统计是研究测定、收集、整理、归纳和分析反映客观现象总体数量的数据，以便给出正确认识的方法论。对各类生态、环境、资源和社会经济信息的统计分析都需要以一定的单元进行，当前，统计中所采用的单元有规则地理格网单元、行政区划单元、自然地理单元、社会经济区域单元4 大类。由于地理格网单元在建立地理空间关系方面有较大优势，因而，在各类自然和社会经济统计分析中得到了广泛应用1。

格网体系概念及发展概念地理格网是一种统一、简单的地理空间划分和定位参照系统，依据统一规则，将地面区域按照一定经纬度或地面距离进行连续分割，并将空间不确定性控制在一定范围内，形成规则多边形，每个多边形均称为格网单元，从而构成分级、分层次的多级格网体系，实现地面空间离散化，并赋予统一编码。地理格网的组成包括格元、格边和格点，格元代表了区域面状特征，格点确定了格元的基本位置和点状特征，格边度量了格元间的关系。地理格网具有以下特点:

1) 按照一定规则划分，形成边界清晰的多边形实地区域;

2) 相邻格网单元彼此邻接不交叉;

3) 可选择不同的格网层级间隔;

4) 在二维空间上表达地表位置关系;

5) 表示呈面状分布的地理信息;

6) 作为统计分析的共同基本单元，具有可比性，便于统筹协调。

发展地理格网的概念在我国最早应用于农耕文明的井田制度。后来，东汉科学家张衡利用“网络天地而算之”，创建了矩形格网坐标系统，进而衍生出“计里画方”的“制图六体”，开始赋予格网二维坐标和方位的含义。由此可见，我国地理格网是起源于按一定地面距离划分的规则格网，最早用于统计、规划和管理，后来用于地图制图。

西方地理格网起源于埃拉托色尼创立的古老的经纬网系统，并在基础经纬网上叠加了一套被称为“普林特格”和“斯弗拉吉德斯格”的几何图形，构成补充的第二级网格系统。西方地理格网基于经纬度坐标系统，主要是将球面展开为平面，用于地图制图。

随着中西方文化交流的深入，东西方2 种不同起源的格网体系相互交流与融合，取长补短，兼收并容。法国炮兵为了快速量测方位和距离，在地形图上建立了方里网，从而派生出对相对地势、坡度乃至森林样方、沟谷道路密度等的计算制图。这种方法后来逐步形成了计量地理学派，同时也把定位、定量的空间分析提高到了一个相当高的理论水平，但是由于当时的技术条件，制约了其推广和应用。

随着世界经济和计算机技术及相关学科的迅猛发展，地理格网的应用进入了高速发展时期，统一划分的多层次格网，实现了多源、多尺度海量空间信息和社会经济信息的统一定位和融合，保证了各类数据采集、存储、统计、分析和交换的一致性，实现了各类信息的可比性，地理格网开始成为空间统计分析的共同基本单元，并在信息统计分析中得到了广泛应用。

地理格网系统的功能也从传统的地图定位框架与地理现象表达，进一步拓展了多源地理空间数据融合、地理综合分析等新功能。

地理格网在统计中的应用与分析统计应用现状地理格网作为统计单元用于统计分析始于芬兰地理学家格兰里奥，他在1929 年基于1 km 地理格网进行自然与社会现象分析。由于自然与社会经济信息普遍具有空间属性，地理格网可综合、统一反映其空间属性。因此，地理格网作为基本单元的统计分析在国民经济各领域得到了广泛应用。

1 人口统计

基于地理格网的人口统计解决了人口普查数据空间化问题，即建立格网化数据模型，把数据从人口普查区转换到一定尺度的地理格网单元中，实现数据空间化。

以地理格网作为单元的人口数据可以更好地反映人口分布差异与密度，体现人口分布与自然环境的相互依存与制约关系、与商业中心的距离、与交通网络系统的便捷度关系，反映区域人口的饱和度等，并有利于进行人口预测。

这方面的研究成果有: 1990 年美国1 km 地理格网人口数据库，英国爱尔兰东部郡1 km 格网人口分布模型网数据库，法国斯特卡斯堡的城市人口密度格网，王培震关于反映区域人口密度空间分布特征的最佳地理格网研究，赵荣以1km 的格网为单位统计并建立贵州省1 ∶ 250 000 人口数据库等。

2 社会经济统计

当前，随着国家和全球大范围区域社会经济数据格网化理论和方法的发展成熟，基于地理格网的社会经济数据库建设和统计分析得到了广泛发展。

基于地理格网进行的社会经济数据空间化和建立的空间分布模型，实现了统计信息在空间单元内的定量分布以及与空间信息的集成，解决了统计数据离散、定位精度不高的问题。例如，Goodchild 建立的全球经济格网数据库，日本在1 km 或500 m 基准格网上定期进行国势调查( 如家庭、住宅等信息) 以及事业所、企业单位调查，李军利用地理格网对GDP、人口、产业增加值等社会经济数据进行空间化分析，研究人口、产业增加值等的空间均衡性。

3 生态环境统计

地理格网有利于生态环境信息与影响因子的空间化，以反映其空间分布状态、区域分异等空间差异，建立生态环境统计分析模型，实现生态安全评价。

张有瑜以地理格网作为基本单元研究安徽省鸟类分布，分析其地理分布的区域分异以及与生态环境因子之间的联系。

王耕以5 km 地理格网描述辽河流域生态安全影响因子的空间差异，并进行生态安全评价，用于流域的生态化发展规划与决策。

薛亮将关中地区生态安全评价指标体系用l km地理格网进行表达，建立生态安全模型，并进行统计分析，获取关中地区生态安全特点，揭示关中地区生态安全状况。

4 地貌

地貌既是地球表层系统中最重要的要素，也是陆地表面各自然地理要素相互作用最为活跃的界面，与人类活动关系极其密切。地貌在很大程度上影响水文、气候、植被等其他因子的空间分布与变化，是地理学研究的基础与核心。地理格网用于以地形起伏度为代表的地貌要素统计，可按照综合性原则和主导性原则，对区域地貌形态进行一定程度综合，消除噪声，实现定量统计，确定区域地形状况，为定位、定性和定量化表示奠定基础。这方面的应用实例有: 欧洲1∶ 2 500 000 国际地貌图采用16 km2 地理格网作为区域地势起伏度统计单元; 日本以1' × 1． 5'格网作为国土范围内的地势起伏度统计单元; 涂汉明研究在中国适用不同范围的地形起伏度最佳统计单元，并指出21 km2 的格网具有全国普适性。

5 土地利用与地表覆盖

地理格网在土地利用与地表覆盖中的应用是从整体和综合角度进行统计分析，反映区域土地利用状况，并客观准确地进行土地利用评价。苏广实在广西都安县建立涉及资源环境、经济、社会等方面的土地可持续利用评价指标体系，按照一定原理提取以4 km 地理格网为统计单元的各评价指标数据，完成土地可持续利用评价。

刘明亮等基于全国1∶ 100 000 资源环境遥感数据库生成1 km 地理格网的土地利用/土地覆盖数据，用于分析评价。邱炳文从自然环境、社会经济以及基础设施条件等方面选取影响因子，研究福建省耕地状况，以1 km 地理格网为基本研究单元，并在此基础上生成2 ～ 10 km 共10 个尺度序列的地理格网单元数据，研究福建省耕地多尺度空间分布特征，构建不同农业区耕地空间分布模型。

6 林业

在林业方面，将其常用区划单元转换到规则的地理格网单元中，完成对林业资源的集成，方便多源、多尺度信息的整合，支持数据的共享与应用分析，为宏观决策提供客观的依据，用于资源的综合利用和开发保护。

杨建平运用地理格网研究江河上游自然保护区植被变化。秦岭霞利用1 km地理格网对林木蓄积量和蓄积密度进行空间化分析，并在此基础上进行林业资源统计分析。李德仁利用地理格网实现林业统计数据与地图一体化表示，将森林资源统计数据与其他决定区域发展的资源、社会、人口和经济因素数据叠加起来，同时，采用地理格网进行森林资源统计，分析森林资源清查成果，研究其数据特征。

7 气象与防灾减灾

气象与防灾、减灾中应用地理格网，丰富了数据表现形式，为全球气候、温度变化研究提供丰富的数据资源，有利于建立模型，进行数据处理与信息评估分析。地理格网在气象研究中的应用很多，例如，要获得整个地区连续的降雨量极其困难，因此只能依据气象站信息，进行空间插值，将用点描述的降雨量数据转换为格网数据来反映区域降雨信息。美国利用气象卫星获得大量的1 km 地理格网数据用于碳循环、叶绿素、初级生产力估算及厄尔尼诺现象、飓风预报等，成果显著; 世界气象组织采用1 km 地理格网进行全球气象数据交换; 于贵瑞等基于1 km 地理格网建立了精度与分辨率均较高的中国气象/气候要素( 太阳辐射温度、降水以及其他相关因子) 格网数据库; 张超基于日本统计用标准格网建立了二维洪水演进水动力学模型，采用地理信息系统与水动力学模型结合的方法对新川破堤洪水泛滥进行模拟，评估洪泛区灾害损失等。

地理格网统计的优势地理格网作为统计分析的基础平台和单元，将各类自然、人文要素信息集中到统一单元中，实现了多源、多尺度信息的融合，已成为一种常用的方法。地理格网单元有利于实现地理而不是行政角度的统计分析，弥补了在其他统计单元下不利于建立模型和进行空间分析的不足。分级地理格网可形成自适应的统计单元，满足各类、不同区域范围和粒度信息统计分析的需求，有利于信息的比较和分析。地理格网单元统计分析的优越性还表现在以下方面。

1 统计单元紧密结合空间且连续

统计信息作为社会经济现象的反映，普遍具有空间属性，需要在科学、统一和实用的空间参照下描述。地理格网基于统一空间参照，且可直观显示空间属性，适应于不同信息在统一空间下融合，直观反映信息的空间分布，弥补知识发现、信息融合等方面的不足。同时，地理格网是对连续地面的规则、统一划分。

用精致、连续且均匀的地理格网作统计单元保证了空间的连续，能更好地反映信息空间分布特征、地域差异、空间结构、空间关系、变化量、变化频率，以及信息之间的依存与制约关系，有利于建立空间信息分布模型。

2 统计单元形状规则且尺度灵活

地理格网体系将地面按层次递归剖分为形状、面积规则统一的单元，解决了其他统计单元大小不确定、形状不规则的问题，有利于统计结果的比较，满足了统计分析中各方面的需求。

地理格网体系由不同等级格网构成，使统计单元的空间尺度跨越宏观和微观。因此，基于地理格网的统计单元构成一个尺度十分灵活的地理子系统，便于统计对象以适宜的单元进行描述、统计和分析，满足了不同等级、不同尺度统计分析的要求。

3 信息描述准确且统计结果可靠

满足自适应要求的地理格网单元能准确描述复杂、多样的自然和社会经济信息，反映区域各类信息分布与分异规律。同时，用地理格网作统计单元，有利于信息统计分析中根据数据情况和需要确定统计所用格网单元的大小，满足统计分析中需要遵循的综合性和主导性原则，克服数据中的噪声缺陷，能更好地反映统计区域内信息的整体状况，提高信息统计的精度和准确度，确保统计分析结果的可靠性。

4 信息集成和其他单元结合方便

地理格网具有匹配和集成融合多源数据的优势，特别适合空间模型的构建、表达和综合统计。主要表现在: 不同自然和社会经济数据的来源、尺度、单元参照系可能不同，数据区域范围、界线、空间分布特点也可能不同，而地理格网有利于实现不同类信息的统一描述和表达。

地理格网用于基于其他单元进行统计时，可作为其他统计单元的内部细胞表达位置属性，满足其他单元下的统计要求。同时，在其他统计单元上添加地理格网，可实现数据格网化、空间化，描述统计信息在空间单元内的定量分布，反映信息分布差异与密度，以及信息分布与自然环境的相互依存与制约关系，解决统计数据离散、定位精度不高的问题。

5 单元拓扑简单便于综合分析

地理格网拓扑关系简单，有利于反映地理格网体系内同级和不同级之间的关系，有利于表示统计区域内各类信息的分布特征，体现信息空间分布的均衡性、差异性、变化规律和趋势等重要参数。另一方面，信息综合分析是实现区域协同发展，解决人口、资源与环境问题的基本条件，也是信息分析技术发展的趋势。

当前，社会经济数据多以行政单元为单位进行统计，而自然数据多基于自然地理单元。基于地理格网的统计单元为信息综合分析提供了理想平台，可将各类信息转换到统一的单元中，实现地理、资源环境和有关社会经济信息的融合，有利于进行信息综合分析。

地理格网统一划分形成不同梯度、系列化格网，不仅便于和遥感数据结合，而且有利于对不同尺度下的信息进行空间分异规律研究2。

地理国情监测统计应用展望地理国情描述地表自然和人文地理要素的空间分布、特征与相互关系，反映国家自然资源和生态环境状况。地理国情监测中需要以一定统计单元客观、准确发布监测结果，向社会公众、专业和政府部门提供科学、宏观、综合和统一的信息，为政府部门科学决策与管理提供基础数据，同时为各种专业普查或调查工作提供丰富的资料。因此监测结果的客观、准确与综合性极其重要，而实现以上目标，需要对监测数据进行统计分析，获取各种信息的变化量、变化频率及地域差异，揭示其发展规律，并分析预测未来的发展演化方向。

由于地理国情与地理空间结合紧密，具有空间属性，用描述空间特征的地理格网作统计单元，优越性是显而易见的。地理格网用作统计单元进行地理国情统计分析，有利于以下目标的实现:

1 精准把握地理国情状况

综合性和主导性原则是地理统计分析中需要坚持的原则。地理格网用作统计单元，可利用格网具有匹配和融合多源数据的优势，集成各类地理国情数据和社会经济各部门专题数据，有利于对区域地理国情状况进行综合统计分析，获取信息的空间分布、空间结构、空间关系和地域差异状况，准确把握总体地理国情，并揭示其空间分布规律和发展演化趋势。

2 准确获取地理国情指数

地理格网适合空间模型构建的特点为数据模拟打下了坚实的基础。数据模拟获取生态文明、城镇发展、区域经济、社会民生等方面的地理国情指数，能更好地服务于政府规划、管理和决策。例如基于地理国情监测数据模拟形成的生态协调、城镇发展、公共服务均等化和区域经济潜能等指数，更便于人们理解和使用。

3 完成各类地理国情评价

用地理格网作单元的地理国情统计集成了不同来源、范围和比例尺的各类地理国情与社会经济数据，有利于从资源、生态、区域和民生等角度，按自然、人文、社会、经济等维度，用定量与定性分析相结合的方法分析评价地理国情; 可根据需要进行专题地理国情信息评价，形成分析评价报告，揭示经济社会和自然资源环境的发展规律，反映国家重大战略、重要工程的实施状况和效果。

4 实现地理国情定量化描述

用按一定的数学规则对地球表面进行划分的地理格网作为统计单元，统计呈面状分布的地理国情普查数据，解决了统计数据离散、定位精度不高的问题，有利于对数据进行定量表达和统计，有利于地理数学模型的建立。

总结综上所述，在空间统计分析中用规则划分的多级地理格网作统计单元，便于统筹协调，而且具有可比性，同时还打破了传统统计单元的局限，为进一步研究人地关系奠定了基础。正如陈述彭所说:“格网应用的优点: 打破采用行政区划单元的约束;压缩信息存储空间; 提高检索与更新效率; 技术易于普及和推广; 适用于普查完成后的局部抽样统计; 易与遥感图像像元匹配，应用便利、高效”。

地理格网是地理研究的第三单元体系，在自然和社会经济统计分析中得到了广泛应用，在与空间结合紧密的地理国情监测统计分析中也有良好的应用前景。但是，当前关于地理国情信息格网化统计的理论、方法还不成熟，适用不同区域、要素和内容的地理格网统计单元的确定方法也有待解决，这些都是需要进一步解决的问题3。