山東省地理國情信息綜合統計分析技術與實現

江娜

(山東省國土測繪院,山東 濟南 250102)

0 引言

地理國情從空間角度反映一個國家自然、經濟、人文的信息[1]，涉及國土疆域、地理區劃、地形地貌特征、道路交通網絡、江河湖海分布、土地利用、城鎮布局、生產力空間布局等自然和人文地理信息在宏觀層面的綜合表達[2- 3]。地理國情監測是綜合利用包括遙感技術在內的現代測繪技術，對我國地理國情要素進行動態和定量化、空間化的監測[4]。地理國情普查統計分析是地理國情普查的重要組成部分，將國情普查數據與經濟社會信息相融合，是反映經濟、社會、資源、環境的空間分布規律的必要手段和階段，對于推廣普查成果應用、推動地理國情普查與監測具有至關重要的作用[5]。

地理國情統計分析工作是地理國情數據向地理國情信息、地理國情知識乃至決策智慧轉化與提升的重要技術手段。鑒于地理國情統計分析的重要性，自開展地理國情普查與監測工作以來，業界對于地理國情統計分析與評價指標體系[6]、基本統計[7- 9]、綜合統計[10- 13]等相關內容進行了多層次探討與研究。前述統計分析研究或者僅涉及一兩個方面，或者從局部區域展開，對于省級區域的全面綜合統計實踐尚未有涉及。該研究從山東省級尺度、地理空間的角度，基于地理國情普查成果并深度融合社會經濟和人文數據，通過縱向分析、橫向分析、類比分析等方法，對自然、人文等地理國情要素進行空間化、綜合性統計分析評價，為政府部門、專業應用以及社會公眾提供準確可靠的地理國情信息，可為山東省經濟社會發展和生態文明建設提供有力支撐。

該文的主要研究內容分為3個層次，首先以地理國情數據為基礎，結合基本統計成果、基礎測繪成果、經濟人口等專題數據，建立對自然資源分布與利用、生態環境現狀、基本公共服務均等化、經濟發展狀況、開發強度狀況等方面的指標體系，形成山東省綜合統計指標成果；其次以綜合統計指標成果為基礎，結合綜合統計模型、一致性哈希高容錯性算法和知識驅動的專題制圖技術開發山東省綜合統計分析系統，實現地理國情統計分析計算、專題制圖和成果展示的系統化流程處理；以綜合統計分析成果為依據，結合山東省的地理國情信息空間分布、空間結構、空間關系、地域差異等特征，針對山東重要的經濟示范區進行分析評價，客觀反映研究區國土空間格局、生態協調程度、區域經濟發展狀況和社會事業發展水平。

1 總體研究思路

1.1 技術路線

山東省綜合統計分析技術流程基于地理國情信息數據，建立反映山東省地理國情現狀及趨勢的綜合統計指標體系，開發山東省地理國情綜合統計分析系統，基于規則網格、行政區劃、自然地理區域、社會經濟區域的統計分析單元進行綜合統計，并形成地理國情普查統計分析成果。具體流程如圖1所示：

圖1 山東省地理國情信息綜合統計分析技術流程

1.2 綜合統計數據源

山東省綜合統計分析涉及地理國情普查數據、社會經濟統計數據以及基本統計成果。其中普查數據包括DEM、地表覆蓋、地理國情要素、地理單元數據等；社會經濟統計數據包括人口、經濟以及部門專題等數據；基本統計成果包括地形地貌，植被覆蓋、水域、地表覆蓋、交通、居民地和地表單元等(圖2)。

圖2 山東省地理國情綜合統計分析數據源

1.3 指標設計

地理國情統計指標需圍繞“科學性與可操作性相結合，層次分明、面向服務，普查數據為主、兼顧專題數據”的原則開展，結合國家指導意見，形成資源分布與利用、生態環境現狀、基本公共服務均等化、區域經濟發展狀況、城鎮開發強度等5個方面、50多個地理國情指標。

圖3 指標體系構建示例- 區域經濟潛能

區域經濟發展狀況，從經濟密度、人均GDP增長率、單位面積各類型產業產值、擁有汽車站、火車站等資源數量等多個方面進行測度(圖3)。基本公共服務作為一種公共產品向全社會民眾提供，是經濟社會發展到一定程度的必然要求[14]。該文從基礎教育、基本醫療、養老服務和交通在內的四種公共服務入手反映區域內教育、醫療、社會福利以及交通網絡等公共服務設施的空間覆蓋程度、資源配置合理性程度。城鎮開發強度涉及多個層面的問題，該研究從地理國情視角，設計了工礦企業空間密集度、人均建設用地面積、常住人口城鎮化率等多個指標。生態環境與社會經濟關系復雜，表征的指標很多，依據《生態環境狀況評價技術規范》[15]選取人為干擾度、水網密度指標、植被覆蓋度、生物豐度、景觀破碎度等指標。資源分布與利用方面，從地理國情普查數據中提煉耕地面積占比、園地面積占比、林地面積占比、坡耕地面積占比等多個指標，側重反映自然資源分布情況、開發利用程度及開發利用潛力。山東省綜合統計指標模型設計詳見表1。

表1 統計分析指標模型設計

1.4 統計分析方法

綜合統計指標通過對數據重新分類、空間疊置分析、網絡分析、緩沖分析等方法計算得到。基于指標計算結果，通過資源配置模型、空間關系建模等相關模型和方法，采用標準處理法、極值處理法、歸一化處理法等方法進行指標歸一化處理后，自下而上逐級加權計算構建5個方面的指數從而進行分析評價。

2 關鍵技術

地理國情普查綜合統計分析屬于計算密集型、知識密集型、多學科交叉的復合型工作，研究過程中存在較多難點。該研究從統計分析過程中的技術瓶頸入手進行了相關的關鍵技術研究。

2.1 面向多主題指標的選取和定制

山東省綜合統計分析需結合選取主題，從不同地理空間視角對其分布、關聯、規律進行揭示。該研究從規則地理格網單元、行政區劃與管理單元和自然地理單元等空間單元開展統計分析，從不同尺度表達統計分析主題。綜合統計分析涉及5個主題多個指標，從地理國情角度，對表征指數進行多級細化，形成三級指標、二級指標、一級指標的模型樹。在模型樹中，自動判斷指標級別，動態提取相關參數，基于多級指數進行計算，實現了指標模型自由組合及統計范圍自由選擇的地理國情信息的統計分析計算。

2.2 地理大數據分布式高效計算

綜合統計分析的地理大數據包括基本統計數據、地理國情普查數據、經濟普查數據、專題調查數據等，數據類型復雜，以非結構化或者半結構化數據為主；參與綜合統計分析指標運算的數據量為TB級別，各子計算任務運行進程差異大，需要采用更靈活、高效的計算框架進行地理統計分析，縮短計算時間。山東省綜合統計分析基于一致性哈希高容錯性算法[16- 17]實現地理大數據分布式高效運算，大大提升計算性能，解決運算效率低、耗時長的問題。

2.3 知識驅動的快速精細化制圖模式

為實現更優的綜合統計分析成果的可視化表達，山東省研究實現了基于知識驅動的快速精細化制圖模式。以統計知識庫為基礎，明確制圖表達，基于地理國情信息綜合統計分析成果，結合與統計專題地圖制作相關的數據進行梳理和分類，將其轉換為計算機可以正確識別的知識，結合統計分析技術形成流程化的制圖模式，配合制圖規則、制圖模板、制圖系統實現統計分析專題圖更加精細化、高效率的生產。

2.4 建立統計主題歸一化分級評估指標體系

綜合統計分析成果按統計單元面積劃為不同空間尺度，按指標細化為不同表征粒度，基于歸一化數據分析方法，消除指標之間的量綱影響和數據相對于趨勢值的偏差，建立統計分析主題指標分級評估體系，從不同角度和整體上分別對山東省的自然資源空間分布、生態環境現狀、基本公共服務、經濟發展狀況和開發強度進行評估，更加簡便準確的展現區域統計分析的成果。

3 研究成果

3.1 系統成果

該研究建成了山東省綜合統計分析系統(圖4)、專題制圖系統(圖5)、統計分析成果展示系統(圖6)，實現了山東省綜合統計分析指標選取、計算、展示、制圖模塊化、一體化、流程化。

圖4 綜合統計分析系統

圖5 專題圖制圖系統

圖6 統計分析成果展示系統

3.2 指標模型成果

形成包括自然資源分布與利用、生態環境現狀、基本公共服務均等化、經濟發展狀況、開發強度等5個方面50余個指標(表1)，在此基礎上對全省以及主要經濟社會單元各指標、指數進行計算，對不同主題的地理空間狀況與分布進行了揭示(如生態環境狀況指標，見表2)。

表2 生態環境狀況指標統計

3.3 報告與專題圖成果

對全省及山東半島藍色經濟區、黃河三角洲高效生態經濟區、山東省會城市群經濟圈、山東省西部經濟隆起帶等“兩區一圈一帶”經濟社會單元各有側重的進行綜合統計分析并形成專題報告與分級評價專題圖(圖7、圖8)，為政府部門管理決策提供客觀、翔實的依據。

圖7 山東省自然資源構成專題圖

通過該研究成果的應用，地理國情數據得到深入挖掘，數據表現形式極大豐富，形成的成果權威、客觀、準確、直觀，并直接服務于山東省審計廳、山東省發展與改革委員會、山東省國土資源廳、山東大學、山東省遙感技術應用中心等政府及科研機構，為各部門、科研機構相關處室業務整合與統籌規劃，宏觀數據對比分析，量化決策向大數據決策轉變等提供了有力的技術支撐和可靠依據。

4 結語

地理國情普查屬于開創性工作，綜合統計分析也沒有成熟的經驗可以借鑒。該文在實踐基礎上探討了面向省級區域的綜合統計分析完整技術流程與軟件實現。建立了目標驅動的多尺度、多主題統計分析數據指標模型體系，解決了地理省情成果快速處理及轉化問題；基于一致性哈希高容錯性算法設計了計算任務調度框架，解決了山東省地理國情綜合統計分析數據量大、指標多、統計單元廣、運算速度慢的問題，達到統計分析指標快速高效率的運算，指標模型高靈活度、高容錯性配置的效果；利用知識本體、知識庫結構等理論結合二次開發技術，首次提出了基于知識驅動的精細化制圖的方法，解決了山東省地理國情信息及綜合統計分析成果的專題圖制

圖中的不規范、效率低、一致性問題修改困難等問題，達到了快速制作精細的統計分析專題圖的效果。在后續的應用和實踐過程中，地理國情統計分析工作還會不斷深化和完善，最大程度體現地理國情普查、監測工作的價值和意義。

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