城市地理國情統計分析研究與應用初探

羅名海

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

地理國情是空間化、可視化的國情信息[1]。地理國情普查就是綜合利用現代測繪技術和各時期已有測繪成果檔案，對地形、水系、交通、地表覆蓋等要素進行全面普查，并統計分析其變化量、變化頻率、分布特征和差異、變化趨勢等，形成反映各類資源、環境、生態、經濟要素的空間分布及其發展變化規律的普查和監測數據、地圖圖形和研究報告。地理國情普查是一項重大的國情國力調查，對于摸清資源環境家底、立足底線思維、科學謀劃發展具有重要意義[2]。

統計分析是地理國情普查的重要內容，是對普查數據的深度挖掘，是普查成果應用的重要方面。通過對自然、人文地理要素的統計分析研究，形成反映區域地形地貌、地表覆蓋、地理國情要素等基本狀況的地理國情信息統計分析報表，以及各類資源、環境、生態、社會、經濟的空間分布、空間結構、空間關系、地域差異的地理國情統計分析報告[3,4]。

1 統計分析方法

地理國情統計分析包括基本統計、綜合統計和分析評價3個方面。

1.1 基本統計

基本統計指標包括總量指標、相對指標、平均指標、變異指標等，常用方法包括空間量算、算數平均法、位置代表法、比值分析法、極值法、極差法等。

1）空間量算。主要包括長度和面積2部分，分投影長度、投影面積和考慮地表起伏的實際長度、實際面積。

2）算術平均法。算數平均數是表征數據集中趨勢的一個統計指標，一般以“算術平均數±標準差”的形式出現,如平均高程、點狀要素平均中心等。

3）位置代表法。根據數據所處位置或特定位置的相關數據，計算確定代表值，如高程眾數、中位數等。

4）比值分析法。計算2個有聯系指標的比率，如點/線要素密度、面要素占比及構成比等。

5）極值。主要包括極大值和極小值，是指在一個域上函數取得最大（最小）值的點的函數值，如最低高程、最高高程等。

6）極差。一般指總體標志值中最大標志值和最小標志值的差，是標志值變動的最大范圍，如高差、起伏度、東南西北程度等。

地理國情普查要素一般包括點、線、面3種幾何類型，除統計其總數、分類/級總數、總數構成比外，還應分別統計點要素的點密度，線要素的線密度、長度極值、長度達標率、平均線寬，面要素的面積覆蓋率(占比)、人均面積、面積極值、跨度極值等。

1.2 綜合統計

1）空間分布格局。空間分布格局用于描述統計單元內某一類地理要素在空間上的聚集、離散程度，反映其空間分布的差異性特征，通常通過生成某些特征點或特征面來表征。

基本分布指標反映地理要素的分布及范圍，包括質心、中心要素、最小邊界、四至點。集中分布指標反映要素的集中分布特征，包括平均中心和歐幾里得中心。離散分布指標反映要素的離散分布特征，包括標準距離圓和標準誤差橢圓。

2）空間相關性。空間相關性用于描述地理要素間的外部或自身空間相關程度。空間自相關是根據位置相似性和屬性相似性的匹配情況來測度的，位置的相似性可以通過空間接近性矩陣（或權重矩陣）來描述，屬性的相似性一般通過交叉乘積或平方差異或絕對差異來描述。

3）空間通達性。通達性用于描述區域范圍內交通網絡的通行能力、輻射和便利程度，反映區域內交通網絡的輻射和覆蓋、運輸和便捷能力。一般選擇交通網絡密度、便捷度等作為評價指標。

交通網絡密度采用公路（鐵路、通航河道）密度等綜合度量，即公路（鐵路、通航河道）長度與所在區域土地面積的比值。交通網絡便捷度計算居民點、公共服務設施等節點與公路、鐵路、地鐵、機場及港口等交通樞紐的出行距離或時間。

4）景觀格局特征。利用景觀生態學方法，研究城市化過程中城市及其外圍區域景觀結構的空間分布，反映城市化過程中人類活動及政策對環境的影響。景觀格局指標是景觀格局不同側面特征的概括提煉和定量反映，分為景觀基本指標和景觀異質性指標。

景觀基本指標用于描述景觀的總體特征，包括面積、周長、密度、形狀指數等。景觀異質性指標是在基本指標基礎上進一步描述景觀的空間格局、空間構型及空間關系等，包括景觀破碎度指數、景觀優勢度指數、香農多樣性指數、香農均勻度指數等。

1.3 分析研究

1）空間分析。基于GIS的空間分析一般包括疊加分析、緩沖區分析和網絡分析。

疊加分析是在統一的坐標系統下，對同一區域的幾個不同主題的數據圖層進行邏輯交、差、并的運算，并對該區域內的屬性進行分析評定。

緩沖區分析是指以點、線、面實體為基礎，自動建立其周圍一定寬度范圍內的緩沖區多邊形圖層，然后利用該圖層與目標圖層進行疊加分析。

網絡分析是對地理網絡進行模型化和地理分析，其用途主要有2方面：一是路徑分析，選擇最佳路徑，如A點到B點最短距離或最低耗費路線；二是最佳中心點的選擇，使得某一網絡區域中任一點到該中心的平均路徑最短或耗費最小。

2）回歸分析。回歸分析是確定2種或2種以上變量間相互依賴關系的一種統計方法,通過擬合地理要素之間的數量關系，建立地理要素之間的空間回歸模型，預測發展趨勢，主要有logistic回歸和線性回歸法。

logistic回歸是建立logistic回歸模型，預測在不同的自變量情況下發生某種情況的概率大小。線性回歸法通過擬合地理要素的趨勢面，展示其空間分布規律，包括一元線性回歸分析、多元線性回歸分析等。

3）時間序列分析。時間序列分析是基于隨機過程理論和數理統計學原理，研究隨機數據序列所遵從的統計規律，側重于研究具有相互依賴關系的數據序列。例如，記錄某地區第一個月、第二個月、……、第N個月的降雨量，利用時間序列分析方法，可以對未來各月的雨量進行預報。

4）過程模擬與預測。任何地理事物、地理現象都隨時間在不斷地運動和變化著，即經歷著特定的地理過程。地理過程模擬與擬合，旨在定量揭示地理事物、地理現象隨時間變化的規律，對未來發展趨勢作出預測。

在地球表層系統中，主要的地理過程包括氣候過程、水文過程、生物過程、地貌過程、生態-環境過程、經濟過程、社會過程、文化過程等。對于這些過程的模擬與預測研究，經常采用的方法有平均增長率法、回歸分析法、馬爾科夫鏈方法、灰色建模方法、系統動力學方法、元胞自動機(CA模型)等。

2 統計分析研究

以武漢東湖新技術開發區地理國情普查數據為基礎，結合社會經濟等專題數據，綜合運用基本統計、綜合統計和分析評價方法，開展了10個方面的統計分析研究。

普查成果數據包括地形地貌（DEM精化數據，包括數字高程、坡度、坡向）、地表覆蓋（耕地、園地、林地、草地、房屋建筑區、道路、構筑物、人工堆掘地、裸露地表、水域）、地理國情要素(道路、水系、構筑物、城鎮功能單元、地下空間利用、地理統計單元)。其中城鎮功能單元包括居住小區、工礦企業、單位院落（行政辦公、文化設施、教育科研、醫療衛生、社會福利、商業服務設施等）、休閑娛樂景區、體育活動場所、名勝古跡、宗教場所以及商業服務設施，地下空間利用包括地下交通（軌道交通、過街地道、隧道）、地下管線和地下車庫，地理統計單元包括8大街道（社區）、8大產業園區和規則格網單元[5-7]。

行業專題資料包括社區人口、工商注冊企業、主要納稅企業、公共服務設施（大學、中小學、幼兒園、培訓機構、醫院、衛生服務站、綜合門診、專科門診、藥店）。

2.1 地形地貌統計分析

以數字高程模型為基礎，將高程分為7級，坡度分為10級，分別統計7個高程帶、10個坡度帶在8個街道、8個產業園區的面積及其占比情況。

在此基礎上，從地形位指數、地形復雜度指數2個方面進行地形因子分析。前者將高程和坡度組合成一個地形位指數，對地形特征進行重新描述和梯度分類，后者以坡向變化程度為指標衡量地面形態的變化，二者綜合起來反映不同地區的用地條件和適應性。

2.2 植被覆蓋統計分析

按照8個街道、8個產業園區分別統計耕地、園地、林地和草地的面積和構成比。

構建300 m×300 m格網，根據植被覆蓋面積比將覆蓋度劃分為非植被覆蓋區（<10%）、植被劣覆蓋區（10%～30%）、植被低覆蓋區（30%～45%）、植被中覆蓋區（45%～60%）、植被高覆蓋區（>60%）5個覆蓋度等級，統計得到每個格網的綜合植被覆蓋度。

同時，利用2013-08-16 Landsat-8的30 m分辨率多光譜遙感影像，按照上述標準確定分級閾值，得到植被覆蓋度結果，與規則格網單元統計結果基本一致。

2.3 地表景觀格局分析

利用景觀生態學方法，從景觀優勢度、破碎度和分離度3個方面研究城市化過程中人類活動及政策對環境的影響。

景觀優勢度指數代表一個或少數幾個占主導地位的景觀，反映景觀組分中某種或某些景觀類型的支配程度，與多樣性指數成反比。景觀破碎度指數用景觀密度來描述，反映景觀空間結構的復雜性。景觀分離度指某一景觀類型中不同斑塊的個體分布，分離度小說明其聚集分布、連通性好。

2.4 建成區擴張演變分析

通過對1988年、2001年、2008年、2010年 和2013年5個代表性年份的遙感影像進行解譯，得到5個年份建成區的邊界圖，研究開發區自創建初期到東擴、南擴幾個主要階段的擴張方式，并比較其擴張頻率、擴張強度。

以城鎮功能單元數據為基礎，分別計算得到1988～2001年、2001～2013年開發區城鎮功能單元用地類型的轉移矩陣。分析得知，前一階段城鎮擴張主要是工礦企事業單位的增多，即基本建設投入增加所帶來的城鎮擴張；后一時期人口遷移成為城鎮擴張的主要成因，工業與居住及配套設施融合發展，向“產城一體化”方向發展。

2.5 城市空間布局分析

從房屋建筑（區）、城鎮功能單元、道路交通、地下空間利用等方面進行開發區城市空間布局的分析研究。

1）房屋建筑（區）。從獨立房屋建筑及高度（低層、多層、中高層、超高層）、連片房屋建筑區及高度（低矮、多層及以上）、建筑密度（低密度、高密度）等方面分析開發區房屋建設的基本特點和空間差異。

2）城鎮功能單元。城鎮功能單元是城鎮內封閉管理的最小組成單元，包括單位院落、居住小區、休閑娛樂、景區、工礦企業、體育活動場所、宗教場所和名勝古跡等，反映了開發區各種用地類型的比例和空間分布。

3）道路交通。道路類型包括公路、城市道路、鄉村道路，統計各類道路的總長度和占比，比較各街道的道路面積密度、路網密度。

4）地下空間利用。統計分析地下交通（軌道交通線、軌道站點、過街地道、隧道）、人防和地下車庫、地下管線（給水、排水、電力、燃氣、熱力、工業和通訊）的分布情況。

2.6 人口與產業布局分析

依據第6次人口普查數據，統計分析各街道、社區常住人口的數量、分布密度、年齡構成和學歷構成，反映出開發區人口分布集中在光谷、佛祖嶺等地區，且呈現出明顯的年輕化、高知化趨勢。

根據由地址匹配上圖的2.3萬家工商注冊企業和納稅額前100的重點稅源企業，分析開發區的生產力布局，并比較從2005年到2012年企業人均產值、地均產值的變化，反映出開發區經濟增長以新興產業為主，主要由光電子信息產業、生物產業、環保節能產業、高端裝備制造業等組成，其中占比最大的為光電子信息產業。

2.7 土地開發強度分析

根據地表覆蓋普查的房屋建筑區等數據，結合基本地形圖詳細的房屋建筑數據，統計分析各街區、園區的建筑高度、建筑密度、容積率和綠地率，綜合反映開發區土地開發強度和空間分布，評價其土地開發使用效率。

2.8 城市建設熱點分析

從人工堆掘地、房地產市場、審批管線3個方面進行開發區建設熱點的分析。

1）人工堆掘地。開發區的人工堆掘地主要指建筑工地，包括在建工地和待建工地，在整個地表覆蓋中占有相當比例。比較房屋建筑區與建筑工地兩類數據可以看出開發區的發展趨勢，前者是建設現狀，后者是未來3～5 a即將變成的“現狀”。

2）房地產市場。根據統計資料和市場調查數據，分析開發區部分樓盤均價、成交金額、樓面地價、土地單價的分布情況，反映開發區房地產市場的集中區域和發展趨勢。

3）審批管線。以開發區2010～2013年的審批管線數據為基礎，分別統計這4 a里每個街區單位面積內的管線長度，得到8個街區每年新增的管線密度圖，不僅反映出2010～2013年新增審批管線的空間分布，也從某個側面反映出開發區各年度的建設重點。

2.9 熱島效應分析

利用2013-08-16 拍攝的Landsat-8衛星影像（共11個波段，分辨率30 m，包括一個15 m的全色波段和兩個100 m的熱紅外波段），對原始影像進行輻射定標、大氣校正等預處理，用紅波段和近紅外波段反演出植被覆蓋度，再結合10和11兩個熱紅外波段，反演出地表溫度。經實測氣象數據校正后，得到地表溫度分級圖，并進行了地表溫度與建筑密度、植被覆蓋度的相關性分析。

從溫度反演的結果來看，關東街和佛祖嶺街以建成區為主，建筑密度與人口密度相對較高，植被覆蓋相對較少，部分地區地表溫度明顯高于周邊5～6℃，出現了熱島效應。

2.10 人居環境評價

從生態環境、交通通達性、基本公共服務3個方面進行人居環境評價.

1）生態環境。綜合考慮各街區植被覆蓋率和到湖泊水域的接近程度，評價生態環境指數。

2）交通通達性。以各街區公交站點密度、公交線網密度和居民點到航空客運港、火車客運站以及最近公交站點的距離，來衡量交通網絡密度和交通網絡便捷度。

3）基本公共服務。以各類教育設施的合理服務半徑為緩沖區（幼兒園300 m、小學500 m、中學800～1 000 m），統計緩沖區范圍內社區青少年人口的覆蓋比例，評估基本公共服務設施的布局合理性和服務水平。

在以上基礎上，構建了由生態環境、交通通達性、基本公共服務3大系統、8個指標組成的人居環境評價指標體系，進行了分街區的綜合分析評價。

3 結 語

統計分析是本次地理國情普查的重點和亮點，在武漢東湖新技術開發區普查試點中，開展了較為深入的統計分析研究，構建了地理國情統計分析的技術方法與工藝流程。基本統計參照全國地理國情普查有關規定，對主要地表覆蓋和地理國情要素分別按行政區劃單元、社會經濟單元及規則地理格網進行了統計。綜合統計和分析評價結合開發區發展熱點，綜合運用對比分析、空間分析、景觀分析、關聯分析、回歸分析、自相關分析、因子分析、時間序列分析等方法和模型，開展了10個方面的統計分析研究。

通過對地理國情普查成果的統計分析，獲取和掌握了開發區地表自然、生態環境以及人類活動等基本情況和變化規律，對于制定和實施開發區發展戰略與規劃、優化國土空間開發格局和各類資源配置、推進生態環境保護、立足底線思維、加快資源節約型和環境友好型社會建設、做好防災減災工作和應急保障服務等具有重要意義[2,7]。

[1]陳俊勇.地理國情監測[A].中國測繪宣傳中心.地理國情監測研究與探索[C].北京：測繪出版社，2012:19-25

[2]徐德明.監測地理國情服務科學發展[N].人民日報，2011-04-01(2)

[3]李德仁.論地理國情監測的技術支撐[A].中國測繪宣傳中心.地理國情監測研究與探索[C].北京：測繪出版社，2012:26-38

[4]國務院關于開展第一次全國地理國情普查的通知[N].中國測繪報，2013-03-05(3)

[5]李建松.對地理國情監測若干問題的認識[J].地理空間信息，2013,11(5):1-3

[6]洪亮.淺析湖北省第一次全國地理國情普查實施方案[J].地理空間信息, 2013,11(5):10-13

[7]羅名海.地理市情監測研究[J].地理空間信息，2012，10(5):1-4