湖泊網格自動劃分方法研究

廖磊，李亮斌，蔡先華，樊敬敬

(1.江蘇省基礎地理信息中心，江蘇 南京 210013； 2.東南大學，江蘇 南京 210096；3.江蘇天地圖地理信息工程技術公司，江蘇 南京 210013)

1 引 言

網格化有利于湖泊的巡查和管理。目前采用的湖泊區域網格化劃分方法一般是針對小區域范圍的網格劃分，主要有規則網格、行政區和手動等劃分方法。規則網格法將湖泊區域劃分成規則排列的網格單元，網格單元的大小相同[1]。該方式的優點是劃分方式簡單，容易進行空間分析。但是，由于湖泊邊界線是不規則的曲線，很多湖泊的內部存在島嶼，規則網格對于這些情況無法處理。加上不同的湖泊湖灣河汊復雜程度各異，敞水區、圩區分布情況不同，規則網格劃分不能夠合理的劃分。行政區劃分是按照行政區劃范圍劃分湖泊網格，根據省-市-縣-鄉(鎮)-村逐級劃分，每個層級都負責對應的網格，最低一級在村，安排相應的巡查人員[2]。該方式的優點在于網格層次清晰，有利于分級管理和網格編碼，缺點是網格的靈活性不高，劃分的湖泊區域不均勻。手動劃分[3]是目前采用的最廣的湖泊網格劃分方式。選定湖泊的劃分區域之后，根據湖泊形態、水域面積等情況，手動的將湖泊區域劃分為面積相當的網格。這種劃分方式的優勢在于靈活性高，能夠針對每個湖泊的特點進行網格劃分。不足之處在于網格的編碼麻煩，構建網格的效率比較低。

本文提出一種網格分割-合并法，利用方形網格對分級后的湖泊水域分割，再根據規則對部分區域進行合并調整，實現計算機自動劃分。

2 湖泊網格劃分基本原則

與陸地網格劃分相比水域網格劃分有其特殊性，需要遵循一定的劃分原則。陸地網格劃分有較多參考依據，例如：以行政區劃或路網對城市進行網格劃分；以植被類型對陸地進行網格劃分；以土地用途對陸地進行網格劃分等。但是水域邊界線是不規則的曲線，很多湖泊的內部存在島嶼，加上不同的湖泊湖灣河汊復雜程度各異，敞水區、圩區分布情況不同，劃分難度大，水域網格劃分有其特殊性。且湖泊網格劃分是為了方便湖泊的巡查和管理。網格劃分的影響因素主要是湖泊管理范圍內的行政區劃、湖泊形態和面積等因素。科學的湖泊網格劃分一般需要遵循以下原則[4～6]：

(1)分級原則

對于大型湖泊(跨區)，直接進行網格劃分會導致網格劃分不均勻，也不利于管理，需要對網格分級。根據河湖管理需要，網格流域范圍設立應考慮由政府主導各相關部門為責任主體，所以本文提出根據行政區劃實行分級管理。

(2)屬地完整原則

湖泊網格化管理是為了方便湖泊的巡查和管理，故同一個網格不跨越兩個行政區，方便將湖長制、河長制工作納入年度目標考核，明確巡查任務，落實工作職責，強化督查力度，嚴格責任追究。

(3)屬地內規則原則

最后一級網格采用方形網格。被湖岸、湖心島分割產生的不規則網格面積應與規則網格基本相當。

(4)完整性原則

湖心島嶼劃分的網格不跨越湖心島、水利設施等。

3 網格自動劃分

網格分割-合并法分為兩步，分割是基礎，合并是關鍵。劃分流程如圖1所示。首先將湖泊區域按行政區劃進行分級，再將分級后的子區域進行分割，將湖泊水域劃分成等面積的規則單元，對湖泊邊界以及湖心島區域的單元合并調整。分級后的子區域內的網格互相獨立，網格線按水平和垂直方向等距排列。

圖1 網格分割-合并法流程

3.1 行政區分級

對于面積廣闊，跨省、市、縣的湖泊，先按照省-市-縣(區)進行逐級劃分，在縣(區)的基礎上，進行最后一級網格的劃分。

如圖2所示，第一級網格為湖泊全部水域構成的多邊形區域。二、三、四級網格分別是以省、市、縣(區)的行政區劃邊界劃分的網格。五級網格在四級網格的基礎上，利用網格分割-合并法進行劃分。

圖2 網格分級示意圖

3.2 湖泊網格大小確定

由于湖泊網格劃分參考的依據較少，目前，我國對于湖泊網格單元面積大小的確定主觀性較強，劃分規則多樣，沒有統一的劃分體系[7]。對于不同的湖泊，網格大小主要參考的是湖泊的水域面積。文獻[8]把洪澤湖水域劃分成187個敞水區網格，每個網格面積為 5 km2～8 km2。文獻[9]將東莞市的水庫水面劃分成面積為 0.23 km2的網格。文獻[10]將水環境控制單元尺度細化到 10 km2。對于不同類型的湖泊，網格大小不一，參照一般情況，在本文研究中，設置湖泊面積與網格邊長的對應關系如表1所示。

湖泊面積與網格邊長關系 表1

3.3 網格分割

網格分割一般是對縣(區)一級的湖泊區域進行分割。湖泊管理的面積一般比水域面積大，所以將網格的左邊界和下邊界與湖泊的左邊界和下邊界相隔一定距離，如圖3所示。湖泊區域內部被分割成規則方形網格，網格線按水平和垂直方向等距排列。邊界區域為不規則網格(陰影部分)，面積大小各異。

圖3 網格分割

3.4 邊界網格合并

為了滿足屬地內規則原則，需要對不規則網格合并，確保所有的網格面積均衡。假設規則網格的面積為S，一般情況下，可規定不規則網格的面積S′滿足一定條件，本文約定為S′∈[0.5S，1.5S]。

本文主要采用四方向相鄰規則并結合深度優先搜索的思想對不規則網格進行合并，對于局部復雜拓撲情況，采用八方向相鄰規則處理。假設任意網格與其上下左右四個方向的網格存在連接關系，這樣便可以把網格抽象成無向圖，無向圖的頂點代表網格，邊代表網格間的連接關系，抽象示意圖如圖4所示。

圖4 網格抽象示意圖

深度優先搜索算法能夠遍歷連通圖中的所有頂點。本文為了確保不規則網格全部合并，采用深度優先搜索算法思想，在遍歷不規則網格的同時，對網格合并。合并的算法步驟如下：

(1)在不規則網格中任意選擇一個網格v作為起始網格，計算v的面積，訪問標志設為true。

(2)在v的所有鄰接網格中找到尚未訪問的一個v′，計算v′的面積，如果v的面積在[0.5S，1.5S]范圍內，則v與v′不合并，v′作為下一步探查的當前網格，否則需要合并，合并后的網格作為下一步探查的當前網格。

(3)如果當前網格的所有鄰接網格都被訪問，則回退一步，將前一步的網格作為探查的當前網格。

(4)重復步驟(2)、(3)，直到最開始被訪問網格的所有鄰接網格都被訪問。

圖3中的邊界不規則網格合并后的結果如圖5所示。從圖中可以看出，不規則網格與規則網格的面積相差較小，滿足屬地內規則原則。

圖5 不規則網格合并結果

3.5 湖心島網格合并

湖心島的大小不一，假設以面積nS為分界，把湖心島分成大島嶼和小島嶼兩類。湖心島通常會橫跨多個網格，為了滿足完整性原則，需要對網格進行合并。湖心島周圍的不規則網格采用八方向相鄰規則，可以提高復雜拓撲情況的處理能力。

如圖6所示的四個湖心島1、2、3、4，面積S″∈(0，nS]。湖心島1在單個網格內，對網格無影響。湖心島2跨越兩個網格，四方向相鄰規則可以將兩個網格合并。湖心島3跨越四個網格，八方向相鄰規則可以將這四個網格合并。湖心島4的面積很小，其周圍的四個網格面積均滿足均衡要求，因此，這些網格不合并。

圖6 小島嶼

如果湖心島的面積S″>nS，實驗發現，這種島嶼沿岸的不規則網格數量很多，需要進行合并處理。合并的方式參照湖泊邊界網格合并。唯一與湖泊邊界情況不同的是，湖心島產生的不規則網格在外部圍繞湖心島。例如圖7(a)所示的湖心島外圍不規則網格，經過合并后得到圖7(b)所示的結果。

圖7 不規則網格合并示意圖

3.6 網格編碼

相比于手動劃分，計算機自動劃分能夠高效地對網格進行編碼。每一個網格的編碼應具有唯一性并且嚴密[11]。本文參考城市網格編碼原則，按照中華人民共和國城鎮建設行業標準《城市市政綜合監管信息系統單元網格劃分與編碼規則》進行湖泊網格編碼。編碼總共9位，前6位為縣(區)及其以上的行政區劃代碼，按照GB/T2260標準執行，后面三位為最后一級網格按從上到下，從左到右的順序代碼。編碼樣式如圖8所示。

圖8 網格編碼

4 實驗與分析

本文對太湖水域采用網格分割-合并法進行網格自動劃分，網格邊長分別選用 1.5 km、2 km和 2.5 km，分別對應圖8(a)、(b)和8(c)。圖8(d)是江蘇省管湖泊網格化管理信息平臺[12]中的太湖水域手動劃分結果。圖中湖泊被縣(區)級的行政區劃線劃分成了七個水域，所有網格覆蓋了湖泊的全部水域，滿足劃分的四大原則。

與手動劃分相比，自動劃分的網格更加規整，編碼速度快，提高了湖泊網格劃分的效率。并且自動劃分效率高，可以任意的調整網格邊長，進行對比分析，找到最優的劃分方案。從本文選取的三種方案可以看出，網格邊長太小，邊界區域的網格合并后形狀復雜，增加了巡查的難度。而網格邊長大太，會增大每個巡查人員的任務量。因此，太湖水域的網格，采用 2 km的網格邊長較為合適。

圖9

5 總結與展望

本文在確定湖泊網格劃分基本原則的基礎上，設計了網格自動劃分的網格分割-合并法。在對湖泊進行分級處理后進行規則網格分割，湖泊邊界和湖心島區域存在的不規則網格進行了合并處理。實驗表明，所設計的方法可以實現湖泊網格的自動劃分，具有好的效果。