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地球信息科学学报 >

2015 , Vol. 17 >Issue 7: 783 - 788

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2015.00783

土地类型多级地理格网分类体系框架的建设构想

  • 朱华忠 , 1, 2, * ,
  • 王卷乐 1, 2 ,
  • 钟华平 3 ,
  • 周李磊 4 ,
  • 杨华 4 ,
  • 刘清 5
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
  • 3. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101
  • 4. 重庆师范大学 三峡库区地表过程与环境遥感实验室,重庆 401331
  • 5. 江西农业大学 国土资源与环境学院,南昌 330045

作者简介：朱华忠(1969-),男,江苏张家港人,副研究员,研究方向为地球系统科学数据共享。E-mail:

收稿日期: 2014-12-31

  要求修回日期: 2015-04-15

  网络出版日期: 2015-07-08

基金资助

科技部国家科技基础性工作专项(2011FY110400-3、2012FY111900-2)

国家科技基础条件平台-地球系统科学数据共享平台(2005DKA32300)

国家自然科学基金面上项目(41071279)

收起

Concept of Building Multi-level Classification System Framework for Land Type Based on Grid

  • ZHU Huazhong , 1, 2, * ,
  • WANG Juanle 1, 2 ,
  • ZHONG Huaping 3 ,
  • ZHOU Lilei 4 ,
  • YANG Hua 4 ,
  • LIU Qing 5
Expand
  • 1. State key Laboratory of Resources and Environment Information System, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Researches, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographic Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China
  • 3. Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Researches, CAS, Beijing 100101, China
  • 4. Key Laboratory of Land-surface processes and Environmental Remote Sensing in Three Gorges Reservoir Area, Chong Qing Normal University, Chongqing 401331, China
  • 5. College of Land Resource and Environment, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 33004, China
*Corresponding author: ZHU Huazhong, E-mail:

Received date: 2014-12-31

  Request revised date: 2015-04-15

  Online published: 2015-07-08

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
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摘要

土地类型研究在综合自然地理学中具有重要的地位和意义。该研究虽在国内外已取得很多成果以及制图实践,但仍然有3个问题有待解决：（1）如何对土地类型进行系统分级、分几级;（2）如何选择土地类型各级指标要素;（3）如何利用多源数据进行计算机自动跨尺度土地类型制图。针对上述问题,本文基于国家标准地理格网提出一种土地类型指标数据库建设方案,即构建4级标准地理格网模型,以各级格网单元作为指标表达载体,选择土地类型研究普遍采用的地带、地貌、土壤和植被4要素,进行多级标准地理格网指标库建设框架设计。通过设计与分析,指出多级地理格网分类体系有其物质基础,即地球科学各学科都具有多尺度研究特征,各学科所具有的分类体系层次性可用多级格网来表达,尤其是影响土地类型分类分级系统的地貌、土壤、植被3个要素间存在相互作用,决定了三者分类体系分级数目和各级格网单元尺度应一致或相近。因此,本文基于标准格网体系,给出了一个土地类型指标数据库建设框架,以期用于土地类型研究与制图格网数据库平台的构建,为进一步开展土地类型制图实践研究提供新思路。

关键词： 土地类型; 地理格网; 指标数据库; 分级分类; 多尺度

本文引用格式

朱华忠 , 王卷乐 , 钟华平 , 周李磊 , 杨华 , 刘清 . 土地类型多级地理格网分类体系框架的建设构想[J]. 地球信息科学学报, 2015 , 17(7) : 783 -788 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2015.00783

Abstract

Land type (in the former Soviet Union, it is known as "landscape", and in Europe and the United States it is known as "land system") research has an important role in the integrated physical geography. Although the study on land type has made many achievements in the domestic and foreign research and there were a lot of land type mapping practices, there are still three key academic problems to be solved: (1) how to perform the basic land type classification and hierarchy and how many levels of hierarchy are needed, while the proof of land type classification system is lacked in previous mapping practices; (2) how to choose the land type indicators at all levels; (3) how to realize computerized cross scaling graphics technology using multi-source data. In this paper, a building method of land type indicator database has been designed, which could solve these problems based on the national standard geographic grid. A four-level standard grid system model is built, and the land type classification indicators are expressed respectively by the grid cells at different grid levels. We choose area, landform, soil and vegetation, which are often used in land type research, to be the indicators in designing the building framework of the multi-level standard geographic grid indicator database. Through the design and analysis process, we point out that the multi-level geographical grid classification system has its physical basis: all earth sciences have multi-scale research features and the hierarchical classification system for each subject could be expressed by multi-level standard geographic grid system model. Especially, the three elements of landform, soil and vegetation that are often used in land type classification system research are typical, due to the interactions among them. These lead to a conclusion that the number of classification levels for the three land types’ classification systems and the scale of grid cells at each level should be identical or similar. Therefore, the building framework presented in this paper is feasible and will help to address the three issues mentioned above. This framework should be used to guide the establishment of database and further land type research.

Key words： land types; grid; indicator database; classification; multi-scale

1 引言

土地类型（前苏联称为“景观”、欧美称为“土地系统”）研究,在综合自然地理学中具有重要的地位和意义[1-2]。其作为综合自然地理研究的基本对象,主要研究特点是按地段分异规律,对地球表层进行类型系统划分。有学者把其看作综合自然地理学的核心。土地类型研究与制图是论证综合自然区划的基础和基本途径[3],是确立地域结构的基本依据,是进行生态研究和生态建设设计,以及进行农林牧合理用地与用地结构调整和专项土地利用设计的基础性学科;是陆地表层过程、自然灾害形成原因和灾害减防研究的基础性学科。土地类型图是全面反映土地资源生态特征的高度综合性专业地图,基于土地类型分级分类构建的土地空间信息和属性数据库,可为国家和地区不同区位层面开展环境保护与资源开发利用等战略性研究提供基本地理背景资料[4]。

2 土地类型研究现状分析

2.1 土地类型制图

土地类型研究自20世纪30年代始,分别形成了前苏联的“景观学派”和欧美的“土地系统学派”两大学派。前者强调地貌和植被在分类系统设计中的主导作用,后者则重视地貌和土壤是主导性分类指标。“景观学派”提出3级分类体系：地方-限区-相,其巅峰之作是原苏联于20世纪70年代以“地方”为基本制图单位完成的1:400万的土地景观图,但类型分级体系与制图比例尺匹配的科学问题没有很好解决,不同级别的指标体系也未建立。“土地系统学派”则在西方国家得到广泛发展,主要成果有1946年澳大利亚开展了全国以土地系统为制图单位的土地调查,至20世纪70年代,完成澳大利亚全国770多万km2的土地调查。以此为基础,1953年克里斯琴等在“凯瑟琳达尔文地区的调查报告”中开始使用土地系统和土地单元等术语,并提出了土地的3级分类体系：土地系统-土地单元-土地点的观点,但分级体系与制图比例尺的匹配科学问题依然存在;英国20世纪60年代,采用土地单元这一级,在中南美、非洲、亚洲等国家开展土地类型调查,至20世纪80年代初,完成了100多万km2的土地类型制图;荷兰开展了1:1万全国土地类型制图;加拿大于1976年开始在局部区域开展土地类型制图工作;欧洲完成了1:250万的土地类型图编制;日本、印度、巴西等国家也相继开展了土地类型制图工作[5]。
我国现代土地类型研究始于20世纪50年代末。（20世纪70-80年代,在局部区域开展了大、中比例尺土地类型制图实践,同时进行理论、方法的探索,明确了土地类型的地理学学科定位是综合自然地理学的基础学科,土地类型研究对象是地球陆地表层各自然地理要素（主要是地貌、土壤和植被）综合作用形成的自然类型综合体,土地类型的研究方法为综合分析法和制图综合法[6-7]。在20世纪70-80年代,国家制定的“1978-1985年全国自然科学发展规划和全国基础科学发展规划”中,提出编制全国1∶100万比例尺土地类型图。以中国科学院地理研究所为主持单位,组成由全国46个部门、300多位专家参加的研究队伍,成立了由赵松乔任主编的土地类型图编委会,按图幅开展了全国1:100万土地类型图研究编制工作[8]。至1986年,产出一批成果,包括制定了“中国1:100万土地类型图制图规范”、相继由测绘出版社出版了8幅（西宁、乌鲁木齐、西安、呼和浩特、太原、海南岛、南京、长沙）1:100万土地类型图[9]。但其存在的问题有：（1）只在1:100万尺度上进行了土地类型的分类与制图规范的研究与实践,其他尺度的制图规范与实践研究较少[10-13],高、中与低级类型的分类单位之间未建立起与比例尺相联关系。建立规范系统的土地类型分级与制图比例尺对应关系,在理论上回答土地类型应分多少基本级别,才能表现地段中地理分异规律,是土地类型研究迫切需要解决的首要问题。（2）在土地类型分级指标体系研究方面,各级指标应选择何种要素为主导要素,要素的定性与定量指标如何界定等是土地类型研究要解决的第2个问题;（3）利用计算机技术实现多源数据的土地类型综合和跨尺度制图转换,是土地类型研究要解决的第3个问题[4]。

2.2 格网在制图数据库建设中的应用

研究椭球空间下的地理格网系统构建模型、误差分布、地学计算等,是地理格网系统研究的前沿和基础性科学问题。当前全球离散地理格网系统主要是经纬网和球面剖分三角网。Dutton[14]研究了基于三角形分割的全球网格模型（QTM）,Kimerling[15]、Tobler和Chen[16]等提出了三角形（QTM）、菱形或多边型分割研究全球网格模型的思路。杨世仁等[17]提出了全球的三角形分割格网系统;赵学胜等[18]探讨了基于QTM的空间层次性推理;周成虎等[19]研究了基于纬平面的地理格网系统、矢量数据栅格化的保积算法等。在实际应用领域,美国联邦地理数据委员会于2001年颁布了美国国家格网（United States National Grid, USND）,它是建立在NAD83和WGS84基准上的以UTM投影为基础的多层次的二维平面网格模型。英国国家格网（British National Grid References,BNGR）采用的是以米制为基础的公里网格划分方式,直接在投影的二维地图上按照既定的公里网格长度进行网格的划分。我国颁布了全国统一的地理格网系统标准（GB12409-1990地理格网,现为GB12409-2009代替）,规定了地理格网系统划分的规则和编码方法,建立了我国地理格网系统和代码,地理格网可采用纬度和经度地理坐标系统和直角坐标格网系统,这2类网格系统间具有严格的数学关系,可相互转换,格网系统按比例关系分级,形成完整的体系。
目前,虽然有格网化数据管理与分析方法应用于地理国情普查的实践研究[20],但还需进一步深入探讨各地理要素格网化表达尺度之间的转换关系,并开展大量制图实验研究。

3 基于格网的土地类型多级分类体系建设框架设计

解决土地类型研究中的问题,需有理论和技术方法的创新。土地类型分级分类设计需要充分利用多学科最新的研究成果,土地类型综合自然地理的研究需实现多学科数据成果的综合。综合的第一步是多学科数据的组织管理,为此本文提出了标准格网的自然要素数据组织管理和表达模式,以及设计土地类型分级分类指标库的建设及研究框架。

3.1 地理格网的应用特点

地理格网用于地理制图的起源始自古希腊亚里士多德的大地球形说并据此提出的地球上可居住性同纬度有关的思想,埃拉托色尼（Eratosthenes of Cyrene,约公元前276-前194年）继承和发挥了这种思想,他创立了“地理学”一词,并第一个根据经纬地理格网绘制了世界地图（图1（a））。古罗马帝国后期的托勒密以经度和纬度区分方位绘制的世界地图（图1（b））至文艺复兴前一直被广泛采用[21]。
Fig. 1 Two world maps drawn during ancient Greek and Rome periods based on geographic grid

图1 古希腊古罗马时期绘制的基于地理格网的世界地图

地理格网已从简单的几条坐标线发展成为地理格网模型系统,基于该系统框架,地球系统各圈层从日地空间到地幔地核的研究数据、各区域从一个点到洲际尺度的研究数据、各时段从地质年代到百年尺度的研究数据、各地球科学学科的研究数据等,就有一个统一的定位标准和多尺度表达标准,从数据集成层面上为多尺度地理空间数据融合,提供了简便有效的方法及理想平台[22-23]。
标准地理格网的应用特点[24-28]：（1）统一的地理框架,可避免各自数据的空间位置不匹配;（2）数据采集过程可不考虑参考椭球和地图投影类型问题;（3）格网系统已建立了多级格网间严格转换关系,不同尺度格网之间是包含关系,没有交叉关系不用担心尺度不一致问题;（4）可在标准格网系统上建立长时间系列的数据集,不用担心经常出现的类似行政区划变迁导致数据时间轴上的数据内涵的不匹配;（5）多级格网体系理论上是天然的金字塔结构,在数据可视化方面只需简单的图像处理而无需考虑更复杂的压缩传输问题。

3.2 基于格网的土地类型分级分类指标数据库建设框架设计

土地类型分级分类体系的研究目前亟待解决的问题有：（1）土地类型系统分级及分几级,急需通过制图实践论证分级分类体系;（2）各级指标要素的选择;（3）利用多源数据实现计算机自动跨尺度土地类型制图。本文以国家标准地理格网,提出一种解决这一系列问题的数据库建设框架,以期进一步为土地类型制图研究,提供数据基础及统一的数据采集定位标准和分析平台。
本文数据库设计采用的格网标准为“地理格网（GB12409-2009）”,地理格网采用直角坐标格网系统,直角坐标地理格网系统划分的规则和编码方法遵循该标准。
本文以中国1:100万土地类型图编委会拟定的分类系统为代表,把土地类型分为土地纲-土地类-土地型-土地组4级,并依此把土地类型研究直角坐标地理格网设计为4级（表1）：第1级为10 km格网,相应比例尺为1:1000万;第2级为1 km格网,相应比例尺为1:100万;第3级为100 m格网,相应比例尺为1:25万;第4级为10 m格网,相应比例尺为1:5万（第2级、第3级和第4级对应关系参见GB12409-2009,第1级对应关系根据第2级对应关系反推得到）。高级与低级格网之间是父与子关系,这种父子关系十分关键,构建了解决土地类型跨尺度转换和计算机自动制图问题的基础。
Tab. 1 Database building framework supporting the research of land-type index selection based on multi-level geography grid

表1 基于多级地理格网土地类型分级分类指标选取研究数据库建设框架

格网级别及其名称 制图比例尺 各级分类指标
地带 地貌 土壤 植被
10 km格网
1 km格网
100 m格网
10 m格网		 1:1000万
1:100万
1:25万
1:5万		 自然地带
大中型地貌
中小型地貌
微地貌
土纲/土类
亚类
土属/土种或土族/土系
植被型组
植被群系（组）
植被群丛（组）
地理格网模型系统既可以是数据组织框架,也可以是数据表达格网单元。在用于建设土地类型研究数据库时,首先在直角坐标地理格网划分的基础上,利用其数据表达功能分级构建指标数据库。其首要工作是确定指标要素,然后以不同的指标要素构建体系。前苏联景观学派,采用复杂的中等地貌形态指标和土壤变种复域与植物群丛复域为指标,澳、英土地系统学派提出在“土地系统”级选择高级地貌形态,“土地单元”级选择土壤亚类为指标,国内学者从综合体观念出发,大多选择地貌、植被、土壤为划分依据[29]。（1）地貌要素是地球表层系统中最重要的组成要素之一,在一定程度上控制着其他生态与环境因子的分布与变化,地貌分类体系中的地貌分级类型与比例尺存在对应关系,例如,黄土地貌在周成虎等[30]1:100万比例尺地貌图表达到塬梁峁这一级,如“低海拔侵蚀堆积黄土峁梁（编码31411300）”,如果要进一步表达峁梁盖地的缓、陡和凹,以及阴坡或阳坡,就需要在更大比例尺来实现[31]。（2）植被是构成陆地生态系统和景观的重要成份,植被分类体系中的植被分级类型与比例尺存在对应关系,例如：侯学煜等[32]1:100万比例尺植被图表达到植被群系和亚群系,对植被群丛（组）这一级需要在更大的比例尺图上表达。（3）土壤分类体系一般包括高级单元和基层单元,亚类以上的高级单元主要反映土壤发生过程,即体现较长时间尺度和较大空间尺度上的成土因素的影响,而基层分类主要体现区域性因素和较短时间尺度成土因素的作用结果[33]。高级单元包括土纲/亚纲和土类/亚类,例如：“铁铝土A/湿热铁铝土A11”和“砖红壤A111/典型砖红壤A1111”（GB/T 17296-2009）,基层单元包括发生分类中的土属和土种（如“红泥质砖红壤A11111”土属）或系统分类中的土族和土系（如“砂质硅质混合型非酸性热性-铁聚潜育水耕人为土土族和柏林系土系”）[33]。全国土壤普查办公室1995年编制出版的“1∶100万中华人民共和国土壤图”[34]基本制图单位为亚类,表达基层单元需要大比例尺图件。
本文重点研究如何利用格网系统支持指标库的构建,所以,不对指标体系研究内容进行详细叙述,只是选取土地类型研究中4个学术界常用指标要素（即地带、地貌、土壤和植被）来叙述如何构建多级地理格网的指标数据库（表1）。第1级“10 km格网”单元拟用来表达综合自然地理学科中反映大尺度水热组合类型的自然区划地带类型,并构建多年平均气温、降水数据库和在此基础上形成的自然区划数据库;第2级“1 km格网”单元拟用来表达地貌分类学科中的大中型地貌、土壤分类学科中的土纲/土类和植被分类学科中的植被型组,并构建该层次的地貌、土壤和植被数据库;第3级“100 m格网”单元拟用来表达地貌分类学科中的中小型地貌、土壤分类学科中的土类/亚类和植被分类学科中的植被群系（组）,并构建该层次的中小型地貌、土壤土类/亚类和植被群系（组）数据库;第4级“10 m格网”单元拟用来表达地貌分类学科中的微地貌、土壤分类学科中的土族/土系[30]、土属/土种和植被分类学科中的植被群丛（组）,并构建该层级的微地貌、土壤土族/土系或土属/土种和植被群丛（组）数据库。气候要素中的温度降水仅在第1级以自然区划地带形式给予表达,其余各级是被包含关系,因而在其余各级不再重复。
多层次、多级体系是地球科学各学科的基本共性。针对土地类型研究,该体系是地带、地貌、土壤和植被综合反映特征。由于这4个要素之间相互作用、相互影响,因而在各层次格网尺度和格网层次分级上应一致。这种特性给人们一个启示：基于多级地理格网构建地球系统科学数据共享平台,能解决多学科数据组织和综合研究问题,且构建的数据平台和综合分析平台有助于地球系统模拟研究。

3.3 多级地理格网指标数据库的土地类型分级分类技术途径

对土地类型进行分级分类,并对指标进行层位关系分析是构成土地类型分级系统的关键。以多级地理格网构建的土地类型分类指标库为土地分级系统研究提供了理想的综合分析和制图平台。
利用地理格网多层次关系能进行土地类型基本分级研究,例如,根据表1的4级格网体系,可把土地类型系统分为4级：土地纲-土地类-土地型-土地组。其中,土地纲反映100 km2范围区域地带性;土地类表达1 km2范围内景观特征;土地型反映10 000 m2范围内小地貌、土壤类/亚类和植物群系（组）在土地类中的差异;土地组反映100 m2范围内微地貌、土壤土族/土系和植物群丛（组）在土地型中的差异。这个4级体系可用于研究土地类型分级问题。以北京市土地类型分类为例：第1级土地纲如“湿润半湿润中温带”控制10 km×10 km格网、第2级土地类如“针阔叶混交林棕壤中山地”控制第2级1 km×1 km格网、第3级土地型如“油松林典型棕壤缓坡中山地”控制100 m×100 m格网、第4级土地组如“杜鹃油松林沙壤质棕壤阴坡中山地[35]”控制第4级10 m×10 m格网。利用表1所示4级体系,选择典型地区（如南方丘陵山区、黄土高原区、南方喀斯特区）进行跨尺度计算机制图实践,检验分类系统可行性,在实践的基础上进一步深入研究土地类型分级指标体系,研究各级指标应突出选择何种要素,研究要素的定性与定量指标的界定等。通过制图实践研究各级指标问题。如果上述2个问题得到有效解决,则在这样一个多级格网指标数据库体系下,计算机自动跨尺度制图问题将只是编程问题。
总之,多级格网体系是解决土地类型分级分类问题的有效途径。

4 结论与展望

本文提出了以多级地理格网构建土地类型指标数据库的建设框架。并以该框架构建多级地理格网数据库,将为多学科综合研究,提供理想的分析平台。
土地类型研究及地理格网在地理科学研究中的应用前景,黄秉维先生早在20世纪60年代就指出[36]“综合研究是发展自然地理学最主要的方向,同时也是带动部门自然地理学最有效的途径。地理环境中现代过程综合研究的3个主要方向：（1）地表热量水分的分布、转化及其在地理环境中的作用的研究;（2）化学元素在地理环境中迁移过程的研究（地球化学景观或化学地理）;（3）生物群落与其环境间物质能量交换的研究（生物地理群落学）。如果一开始就注意协调3个方向的工作,将必然可更快而且更正确地解决许多认识和实践问题”。3个方向的研究统一以每一土地类型（景观类型）为单位来观察地理环境中各个成分的属性和相互联系,观察不同土地类型之间的差异和关系;地理格网则可在一定程度上解决3个研究方向的工作尺度协调性问题,提供统一的地理基准框架。二者结合可为综合自然地理领域的陆地表层过程研究,提供多学科数据统一的管理和分析平台。

The authors have declared that no competing interests exist.

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