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地球信息科学学报 >

2015 , Vol. 17 >Issue 7: 758 - 764

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2015.00758

格网化资源环境综合科学调查的若干问题思考

  • 王卷乐 , * ,
  • 孙九林
展开
  • 1. 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101;2. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京 210023

作者简介：王卷乐（1976- ）, 男, 博士, 副研究员, 研究方向为资源环境信息共享。E-mail:

收稿日期: 2015-06-05

  要求修回日期: 2015-06-10

  网络出版日期: 2015-07-08

基金资助

国家科技基础性工作重点项目“格网化资源环境综合科学调查规范”（2011FY110400）

收起

Some In-depth Thoughts on Resources and Environmental Comprehensive Scientific Expedition Using Gridding Approach in China

  • WANG Juanle , * ,
  • SUN Jiulin
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing, 210023, China
*Corresponding author: WANG Juanle, E-mail：

Received date: 2015-06-05

  Request revised date: 2015-06-10

  Online published: 2015-07-08

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

资源环境综合科学调查,是获取反映区域自然基础和社会发展情况的科学数据和资料的重要手段。中国幅员辽阔、地理国情复杂且数据资料积累薄弱,因此,我国重视并长期发展资源环境综合科学调查。然而,由于不同时期、不同区域开展的综合科学调查,在时空尺度、调查内容、技术规范等方面存在很大差异,尽管资料获取越来越多,但仍难以集成利用,缺少对我国总体资源环境的认识。能否以格网化的思路来获取和管理考察资料,能否有适宜于资源环境调查的标准规范,来集成历史资料并指导未来的动态监测,能否建成一个中观尺度的长期资源环境调查系统?针对这些问题,结合当前正在实施的格网化资源环境综合科学调查规范项目的实践,提出以下一些思考,包括：资源环境调查格网体系、格网的剖分与编码、资源环境调查标准规范、资源环境调查适宜尺度、属性数据格网化、格网化数据获取与管理、资源环境数据共享与应用。

关键词： 资源环境; 综合科学调查; 格网化; 多级格网; 标准规范

本文引用格式

王卷乐 , 孙九林 . 格网化资源环境综合科学调查的若干问题思考[J]. 地球信息科学学报, 2015 , 17(7) : 758 -764 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2015.00758

Abstract

Comprehensive scientific expedition is one of the important approaches to acquire regional resources and environment background data. China is a vast country with complex geographical conditions. However, the incompatibly weak capacity in data collection has raised great attention to Chinese government for the long-term development of integrated environmental and scientific investigation. Nonetheless, many setbacks exist in the integrated applications of acquired data due to the differences in spatio-temporal scales, survey contents and technical standards of historical scientific investigations. Thus, although we have acquired more and more data during long term investigations, it is still quite difficult to use these data correlatively, which also leads to the lack of understanding about the country’s natural resources and surrounding environment. Thereby, some questions arise, such as is it possible to get and further manage the investigated data by the methods of gridding; are there any existing norm standards, which are suitable for the investigation of natural resources and environment, to help aggregate the long-term accumulated data and guide the dynamic monitoring process in the near future; and is it truly feasible to build a long term medium scale system for natural resources and environment survey? Based on an ongoing integrated investigation on natural and environmental resources, this paper, brings up with some in-depth thoughts, such as the grid system for resources and environment surveys, the standards and subdivision of geographical grids, the norm standards of resources and environment investigation, the appropriate scale for resources and environment survey, the gridding process of attribute data, the acquisition and management of grid-based data, and the sharing and application of resources and environmental data.

Key words： resources and environment; comprehensive scientific expedition; gridding; multi-level grids; standard and specification

1 引言

中国地域辽阔,资源环境的空间分布格局复杂多样,且本底和持续积累的基础科学数据和资料薄弱。为了摸清、掌握全国及不同发展区域的资源环境本底及其变化状况,国家组织开展了一系列大规模的综合科学考察与调查。例如,原中国科学院自然资源综合考察委员会,曾组织了34个科考队、13个专题科考项目组、6个科学试验示范点[1];国土资源部在20世纪90年完成了全国土地资源普查,目前正在开展第二次详查[2];2006-2010年,国家环保部和国土资源部联手开展全国首次土壤环境质量大调查[3]。这些综合科学调查积累了大批一手的和综合的调查数据和资料,形成我国重要的家底信息。然而,由于每次科学调查在时空尺度、调查内容、技术规范等方面存在很大差异,尽管资料获取越来越多,但难以集成利用,仍然缺少对我国总体资源环境的认识,没有充分发挥这些科学考察和调查成果的综合优势与长期效应[4]。
如何将这些获取时期不同、测量精度不同、空间尺度不同、来源途径不同的资源、环境、人口、社会经济等综合科学调查数据,在统一的空间框架和可信的精度条件下整合集成,并通过数据的对比分析和应用,发挥我国长期科学考察和调查成果的优势;如何将那些正在开展和即将开展的综合科学考察和调查工作规范化,为长期的科学调查资料获取、整合和集成提供标准规范支持;如何建立一个中观尺度的资源环境综合科学调查体系,以促进对我国总体资源环境状态的认识?这些都是迫切需要回答的科学问题。
格网是能“容纳”自然和人文数据的“第三边界”[5]。资源环境数据的格网化管理和表达有很多优势,例如,可通过格网梯度方便地表达区域资源环境信息的空间分布与分异规律;可匹配、融合多源数据,实现资源环境数据空间模型的构建和表达;也可在时间上形成以网格为基础的数据序列,便于资源环境变化规律动态分析[5-6]。由此可见,格网既是多源信息融合与集成的容器,同时又是地理规律对比和集成分析的重要技术手段。将这一理念应用于综合科学考察,既有利于破解长期以来我国资源环境调查不系统的难题,又可提高调查技术方法,以及成果集成的科学性和规范性。
在这背景下,中国科技部于2011年启动了国家科技基础性工作专项重点项目“格网化资源环境综合科学调查规范”（2011FY110400）。本文结合近几年该项目的工作实践,对格网化资源环境综合科学调查中的若干问题进行思考。

2 资源环境综合科学调查格网化的 关键问题

2.1 资源环境综合科学调查格网体系

格网化思想最早起源于农耕社会的“井田制”土地划分方法,“井”表示四周没有边界的网格,“田”代表四周封闭的网格[7-8]。经过几千年的发展,现代社会中网格的含义已经超出了传统意义上空间位置划分的范畴。围绕着国民经济社会发展的需求,出现了多种信息管理的网格,如行政管理网格、邮政网格、流域网格、空间信息网格、环境监测管理网格、数字城市管理网格、人口普查网格、土壤调查网格等。
格网在本文所指的资源环境综合科学调查格网体系中的基本内涵,是收集特定空间位置范围内资源、环境、社会、经济等属性的信息载体和数据容器。该格网体系既可以是按照一定的数学规则,对地球表面进行划分而形成的地理格网,也可以是按照某种空间事物属性的统计分析单元的网格（Lattice）[9]。简单说,资源环境综合科学调查的格网体系包括规则格网和不规则格网2类。只要有利于区域资源环境数据的获取和集成,可灵活选用这2类格网。
资源环境综合科学调查格网体系的特点是全覆盖和多层次。这与其所要获取的各类调查资料和数据的系统性、完整性要求是一致的。全覆盖要求资源环境调查区域的格网划分能覆盖所有产出数据的区域。多层次强调格网设置可根据不同区域资源环境表达尺度的不同分成不同级别,即多级格网。随着格网划分层次的不断细化,格网单元的面积范围越小,格网单元中关联空间信息就越精 细[10]。采用多级格网的划分有以下几个优势：（1）能够节约成本。例如中国东部地区资源环境类型丰富多样、人口稠密,调查的格网单元宜细密些,而中国西部地区地广人稀、地表类型要素单一,则适宜于采用略粗的格网单元。（2）提高数据获取的可靠性。例如,在社会经济资料获取时多依赖于年鉴统计资料,全国、分省、分县甚至乡镇的统计指标是有显著差异的,分层收集和汇总能确保数据资料的可靠性。（3）增加数据精度指标。不同层次的格网单元,在记录位置信息的同时也携带了比例尺和精度信息[11],便于不同来源数据在同一精度水平下的集成和对比。

2.2 资源环境数据格网的剖分与编码

格网的剖分和编码是将地表剖分成规则或不规则、空间无缝无叠、尺度连续的多层次面片,通过对剖分面片进行有序的地理时空递归编码,使大到地球、小至厘米的面片都有唯一的地理编码。地理编码具有可标识、定位、索引、多尺度和自动空间关联等优良特性,为空间信息存储和管理提供统一的多尺度索引结构,为空间信息表达提供一致的编码基础及模型[12]。
格网剖分和编码是对资源环境综合科学调查成果存储、表达、索引和服务的基础。国内外已有相关的研究和应用实践。在规则格网的剖分方面进展迅速,例如,早在1992年,Goodchild和Yang提出了一种全球地理信息系统层次数据结构[13];1998年Sahr和White阐述了将地球看成多面体并逐级划分地球的全球网格方法[14];2000年Dutton提出全球多级网格（Global Multi-scale Mesh）[15-16];2002年赵学胜等提出了基于“O-QTM（Octahedral Quaternary Triangular Mesh）”八面体四元三角网剖分的球面Voronoi图格网[17];2004年李德仁等提出了适合该计算环境下的空间信息多级格网系统SIMG（Spatial Information Multi-Grid）[18];2006年周成虎等研究了纬平面的地理格网系统、矢量数据栅格化的保积算法等[19];程承旗团队提出的GeoSOT-3D地球剖分框架及其全球性、层次性、多尺度性等优良特性[12]。以上研究主要是针对全球格网剖分的。在国家尺度上,全国性的格网系统能打破行政界线和区域管理权限的约束,避免不同用户使用不同坐标系统导致的投影转换困难和制图混乱,如美国国家格网（United States National Grid,USNG）[20],英国国家格网（British National Grid Reference,BNGR）[21]。2009年中国发布了国家“地理格网”标准（GB/T 12409-2009）,规定了地理格网的划分与编码方法,为各类数据的整合提供了空间参照[22]。
资源环境综合科学调查以调查数据的获取和积累应用为目标,其在格网的剖分与编码设计上要以数据为中心,这既是其特色也是其难点。这些难点主要体现在：（1）格网的剖分要能与数据的尺度升降有所匹配。格网作为数据的容器,若只有某个型号的容器却根本没有同一型号的（数据）产品,则该型号的容器就没有存在的必要。因此,要根据数据资源能获取和处理的粒度,对应设计适宜的剖分粒度。（2）格网的编码要能体现相应格网中数据的标识信息。这一标识信息能够唯一揭示或关联数据的存储位置。可扩展的编码标识则能揭示更多的数据属性信息,例如,该数据的格式、精度、时空范围等,可为Web的数据调用和互操作提供基本 信息[23]。

2.3 资源环境调查标准规范

资源环境综合科学调查的数据内容众多,是多人参与完成的。为了提高和保障科学调查数据的质量,需在数据采集、整理、汇总、加工、发布等 各个环节,提高数据的标准化水平。当前国家各行各业不乏本部门或领域的专项调查技术标准、规 程和导则,然而这些规范主要是在本行业领域内 适用。如果将这些规范直接应用于跨领域中,则会出现规范相互交叉、冲突的情况。例如,人口数据就会有民政、计生、公安3套权威标准。这突出反映了资源环境综合科学调查所要面临的标准规范问题。
资源环境综合科学调查既要充分利用现有的国际、国家、行业乃至是企业和地方标准,又要避免标准之间的冲突并制定一些各方兼顾不到的标准规范。这就要求必须有一个通盘考虑的标准化系统设计。标准化领域的参考模型[24]或标准体系的研究思路给这一问题的解决提供了很好的方法。标准体系是一定范围内的标准按其内在联系形成的科学的有机整体[25],主要有标准体系结构图与标准明细表构成,此外,还包含标准统计表和编制说明。
标准体系可以按多种维度进行设计,如层次结构、功能归口型结构、生命周期序列结构等。资源环境综合科学考察,是围绕数据的获取、处理和利用展开的。因此,按调查数据的生命周期,可将该标准体系设计成数据采集类的系列标准、数据整合集成类的系列标准,以及数据加工和利用类的系列标准。不同数据管理阶段的标准侧重点是有差异的,主要体现在：（1）数据采集类标准强调数据获取的技术方法指标,如监测对象、监测方法、监测时间、监测空间、技术指标、监测人员、监测机制等。（2）整合集成类标准关注整合集成数据的要素指标体系。例如,全国陆域资源环境承载能力预警指标体系包括基础评价指标、专项评价指标、过程评价指标,其中,基础指标包括资源、环境 、生态3类指标,资源类指标主要由水资源、土地资源构成,环境类指标主要由大气和水环境质量构成,生态类指标表达为植被盖度变化[26]。再如,我国正在开展的地理国情普查重视数据获取的可靠性[27],其指标内容分为12个一级类,58个二级类,133个三级类。其中,一级类包括耕地、园地、林地、草地、房屋建筑（区）、道路、构筑物、人工堆掘地、荒漠与裸露地表、水域、地理单元、地形[28]。（3）数据加工处理的技术标准强调数据加工、处理、模拟、计算的方法和算法的准确性和可靠性。
资源环境综合科学调查的标准体系要兼容并蓄,具备与国际、国家、行业、地方等相关可用标准的衔接关系,能区分出哪些标准可直接采用已有标准、哪些标准需研制且定位在哪个标准级别上、哪些标准要现在或是将来制定等。该标准体系的研究和制定复杂,需要有一个循序渐进的研制过程,但是需求非常迫切,应尽快推进。

2.4 资源环境调查适宜尺度

资源环境综合科学调查有其特定的空间调查区域范围。由于调查区域内地物分布特征不同,如果采用统一大小的格网尺度来表征各种调查要素,势必会造成部分要素信息冗余或损失。如果能预先判断和了解该区域主要地物的适宜表达尺度,则能根据本区域资源环境信息获取的需求,精确选择合适分辨率的遥感影像,获取对应尺度的地物信息,这不仅有助于减少信息冗余,而且降低调查成本。
遥感是资源环境调查的主要方法,其依托丰富的影像资源,借助尺度分析的方法解析影像的空间结构,可获得适宜尺度的影像调查要素。半方差函数是一种常用的空间分析方法,用于研究空间过程的空间自相关性,确定空间过程的影响范围。在遥感分类领域,半方差函数常用于描述影像空间变异性、确定最优采样单元,以及在纹理分类中用于估算合适的窗口大小等[29]。许多学者利用半方差函数开展了遥感调查中的地物适宜尺度研究[30]。
本项目选用半方差函数,对中国东部南方丘陵山区、中部黄土高原地区、西部青藏高原地区的典型县,进行了调查要素的地表适宜尺度研究,实践中发现以下几个关键点：（1）采用面向对象遥感分类,将影像中的复杂场景分解、转化为单类型的简单场景,以满足半方差函数的分析前提。（2）在适宜尺度模拟中,解决半方差函数关键参数的确定和模拟效率问题。例如,如果模拟参数设置不合理或者模拟效率低下,则经常造成模拟运算中出现异常。（3）模拟所得尺度结果要与实际地物类型进行对照分析,从中判断、寻找尺度差异的规律和特征,并将对该区域适宜尺度的认识与实际开展的野外调查工作有机结合起来。

2.5 资源环境属性数据格网化

资源环境数据的属性信息常常源自统计资料而非在特定空间位置上的取值。这些信息往往需将其展布到一定尺寸的格网中,才能实现与其他要素的集成或同类要素的对比。为此,需要发展属性数据的格网化方法,其中最具代表性的就是人口数据空间化。
人口时空分布是表征人类活动最直接的指标。格网化人口分布比行政单元平均人口密度,具有更高的分辨率和更明显空间位置信息,克服了自然单元（流域、保护区、自然地理分区、生态环境分区等）和人文单元（行政区划、主体功能区、城市规划分区等）不相容的问题,广泛应用于全球变化、防灾与减灾科学、健康科学、区域规划与开发等跨学科研究中。
近40 a来,格网化人口分布研究取得了快速发展[31]。结合格网化资源环境综合科学调查中的人口数据空间化实践,认为有以下4个关键点：（1）多源数据的应用。早期的人口数据模拟缺少多源、辅助数据的支持,当前随着遥感对地观测等信息技术发展,例如,高分辨率影像数据、夜间灯光数据、人类活动轨迹数据、手机通讯数据、交通道路信息、精细且多时相的土地利用数据等,都能很好支撑于人口分布格网化建模。（2）建模方法研究。当前主要的人口数据格网化方法包括空间插值、土地利用类型法、多源信息融合法和遥感像元特征的建模方法等,在具体实现算法上,已从传统的面积权重插值、核密度插值、线性回归发展到遗传算法、分类回归决策树、随机森林、克里金插值等新方法。总体而言,人口数据格网化建模正朝着自适应、高可信、高精度的方向发展[32-34]。（3）高时空分辨率格网化人口分布数据集构建。在空间分辨率上,格网化人口数据正朝着百米甚至建筑物尺度的估算上发展。在时间尺度上,除了宏观的以5-10 a为间隔形成时间序列数据集以外,微观的以小时为间隔的人口时空分布研究[35-36]。（4）人口数据产品质量评价。全球主要的格网化人口分布制图项目或数据集主要有UNEP-GRID、GPW/GRUMP、LandScan、WorldPop等[37-40]。国家层面的人口格网化数据集生产工作 也有开展[41]。由于各数据集的输入数据、生产方法、生产结构、空间分辨率等不尽不同,开展多个数据集的精度评价、适用性比较、不确定性界定及数据融合等都是数据质量评价中的关键问题。

2.6 资源环境调查数据获取、共享与应用

资源环境调查数据的获取依靠大量的数据采集和集成野外实践[4]。表1为结合已有调查实践,列出的部分资源环境要素数据获取的技术途径。
Tab. 1 Data acquirement and processing technical approaches for resources and environmental comprehensive scientific expedition elements

表1 格网化资源环境要素获取技术途径表

类别 编号 要素 指标 主要方法 技术途径
地理背景 1 地形地貌 基本类型、海拔高度、起伏度、坡度、坡向等 A+D+F 以1：100万地貌分类系统为基础,结合遥感、野外调查,开展不同尺度的地形地貌格网化调查及集成
2 水文 水网密度、径流强度等 A+C+F 对流域内已有水文站网积累的资料进行格网化数据加工处理
3 土壤 土壤类型、污染、养分等 A+C+F 开展历史积累资料的格网化加工处理,及按照规范开展格网化调查
4 气候 气温、降水、辐射、气压、风速、湿度等 A+C+F 收集气象年鉴,气象站和观测站的数据,并开展格网化处理
5 交通 铁路分级、公路分级、路网密度、路网长度等 A+D+F 包括基础交通数据收集、道路信息提取、评价验证、指标 计算等
6 居民点 居民点分布、面积、密度等 A+D+F 包括数据收集、居民点范围提取、评价验证、指标计算等
自然资源与环境 7 水资源 水体分布、开发利用、用水量等 A+C+F 开展历史积累资料的格网化加工整理,并开展一些代表性的区域调查
8 土地资源 土地区、适宜类、土地质量、土地限制型等 A+D+F 收集和数字化已有土地类型和土地资源图,结合遥感和实地调查进行专题信息更新
9 气候资源 太阳辐射、积温、湿润系数、风能等 A+E+F 太阳辐射的模拟计算主要包括遥感估算、统计模拟、经典方法模拟3种方法。积温、湿润系数的计算,依赖台站的气候数据风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数
10 生物资源 植物、动物资源调查等 A+C+D+F 利用无人机手段,获得20 cm精度的小区域照片资料,提取植物、动物资源
11 矿产资源 能源矿产、金属矿产、非金属矿产、水气矿产等 A+B+F 收集矿产资源统计年鉴,典型县区实地考察,收集当地矿产资源现状调查资料
12 旅游资源 自然风景、人文景观等 A+B+F 对已有图件进行数字化和格网化处理,实现不同格网尺度上的旅游资源空间分布展示
13 土地覆盖 森林、草地、农田、聚落、湿地、水体、荒漠等 D+F 利用遥感解译和自动更新的方法获取土地覆盖图。利用全球影像库、建立分布均匀的规则格网样点库,开展精度验证和评价
14 生态系统 NPP等 C+D+F 收集MODIS、AVHRR等多源遥感影像,反演光合有效辐射分量,结合气象、土壤等数据输入,驱动CASA模型计算NPP
人口与社会经济 15 人口 人口数量、人口结构、人口素质等 A+B+F 依据相关指标项进行数据的收集和整理,主要收集的数据包括：年鉴、地方统计,以及专项普查资料
16 社会经济 基本情况、综合经济、农业、工业、能源消耗等 A+B+F 依据相关指标项进行数据的收集和整理,主要收集的数据包括：年鉴、地方统计局、县志办、规划局、建设局、环保局等的资料

注：主要获取方法用A、B、C、D、E表示。A：历史数据资源整编（包括地图数字化）;B：统计资料整编分析;C：站点数据监测;D：遥感信息提取;E：数据深加工与产品研制;F：野外科学调查

格网化资源环境综合科学调查产生的数据和信息,最终将在赋予格网编码的基础上管理和应用共享。当前,地理信息系统面临地理空间信息服务正朝着大信息量、高精度、可视化和量测方向发展,这对空间信息的组织、分发及服务等提出了自动化、实时化和智能化的更高要求。在网络共享环境下,用户可通过Web的方式检索、浏览和获取所需数据和信息。
国际上已有许多此类的格网化管理和服务系统。例如,国际农业研究咨询顾问集团空间信息协会所共享的航天飞机雷达地形测量数据,可提供用户按格网检索、浏览和下载的功能。美国马里兰州的休闲娱乐地图集（Recreation Atlas）,以格网为单元共享了整个马里兰州的各种娱乐活动[42]。全球信息栅格（Global Information Grid,GIG）是美国军方正在建设的重要战略基础设施。GIG被定义为“全球互联的、终端到终端的、能根据前线作战人员、决策者和支援队伍的特定要求,来收集、处理、存储、分发和管理的信息能力及相关过程和人员的集合”[43]。可见,格网化的资源环境信息管理在科技、生活、国防等各领域均有应用。
资源环境数据共享和服务中体现的格网价值主要有3点：（1）格网化数据管理服务。在格网编码系统的支持下,其可实现各类数据的格网化存储管理,便于数据的更新。（2）可视化立体检索服务。对格网编码体系,用户既可在平面上选择所需范围内的格网数据信息,也可选择特定格网中存储的各类资源、环境、社会、经济等数据,并以立体图层的方式展示出来。（3）格网化的数据处理服务。面向数据处理的需求,可开展格网裁剪、融合分析等,发挥栅格运算优势的各种数据处理。

3 结语

在国家精细化、集约化资源环境管理的背景下,格网化资源环境综合科学调查赋予“格网”这一概念的更大外延,一方面将其视为一种数据组织形式,强调数据获取的全覆盖、多级化和标准化;另一方面将其视为一种技术方法,强调数据获取的代表性、可视化和共享性。本文结合正在实施的国家资源环境综合科学调查工作,提出将“格网”理念应用于综合科学考察的若干问题思考,以期通过讨论,提高我国资源环境综合科学调查的数据获取能力、数据整合集成能力、数据管理与共享服务能力,为我国长期的中尺度资源环境综合科学调查体系构建提供借鉴。
致谢：感谢科技部科技基础性工作专项项目“格网化资源环境综合科学调查规范”专家组的指导。感谢李一凡、柏中强、祝俊祥和王末的帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

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