CN110781267A - 一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统 - Google Patents

一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及国土空间评价技术领域，且公开了一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，所述分析评价方法包括以下步骤：S1、按照地理国情数据采集标准进行数据采集；S2、根据不同的评价要求选择评价格网单元大小；S3、根据评价要求确定评价尺度，构建评价指标体系，并进行数据预处理；S4、通过模型计算得到单指标评价结果，再得到最终评价结果。该基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，通过采用地理国情数据驱动的空间分析评价技术，将地理国情数据引入空间分析评价领域，结合其他基础地理数据、人文数据和规划数据，构建长时序评价数据库，形成全面、长时序的评价结果，且内容划分精细，保证了评价结果的精准性。

Description

一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统
技术领域
本发明涉及国土空间评价技术领域，具体为一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统。
背景技术
现有的空间分析评价，以空间叠置分析为基础，通过发展不同的指标拟合算法而演绎出不同的具体评价方法，其中存在着一些不足：空间评价涉及众多要素，数据收集难度大，在实践中受制于数据可获性和覆盖全面性的限制，往往不得不被动舍弃部分指标或者选择次优指标替代；现有的空间分析评价依托的数据多为临时收集的，数据来源不同。因此评价的完整性、语义一致性和时序性较差，且评价粒度的精细化存在不足。
现有的空间分析评价，评价尺度单一，通常单方面侧重于反应国家总体格局、城乡发展水平或者地方具体项目空间选址等，难以同时适用于多尺度应用场景；评价维度单一，不同评价维度间存在交叉与重叠，未对不同评价维度模型进行有效的梳理与集成；现有的空间分析评价，缺少业务化的、评价情境自主可调的空间评价系统。
为此我们提出了一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，具备以地理国情普查数据与地理国情监测数据为基础，根据不同尺度空间特征，构建多维度评价指标体系、集成多类型空间评价方法并系统实现等优点，解决了上述背景技术中所提出的问题。
(二)技术方案
本发明提供如下技术方案：一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，所述分析评价方法包括以下步骤：
S1、按照地理国情数据采集标准进行数据采集；
S2、根据不同的评价要求选择评价格网单元大小；
S3、根据评价要求确定评价尺度，构建评价指标体系，并进行数据预处理；
S4、通过模型计算出单指标评价结果和综合评价值，再确定出最终评价结果。
所述空间分析评价系统包括如下组件：地理国情数据管理与更新组件、空间评价指标体系自动化构建组件、空间评价单元格网尺度选择组件、空间评价数据预处理组件、空间评价模型与算子组件和评价结果可视化组件。
优选的，所述步骤S1中对数据采集之后的数据进行入库，并进行分层存储。
优选的，所述步骤S2中是对不同尺度大小的评价单元格网进行空间自相关分析并比较，选择出最佳的评价单元格网尺度。
优选的，所述空间分析评价基于栅格数据，选择合适的栅格格网尺度大小的依据是格网化后的数据空间自相关系数较原始数据空间自相关系数差值的大小。
优选的，所述步骤S3中数据预处理主要包括地理国情数据的分类提取, 数据格网化和单评价因子对评价单元的影响作用分计算。
优选的，所述空间分析评价系统包括如下组件：地理国情数据管理与更新组件、空间评价指标体系自动化构建组件、空间评价单元格网尺度选择组件、空间评价数据预处理组件、空间评价模型与算子组件和评价结果可视化组件。
优选的，所述各空间尺度评价所涉及的评价维度包括有大尺度空间评价指标、中尺度空间评价指标和小尺度空间评价指标。
优选的，所述空间自相关系数即是莫兰指数，莫兰指数可表示为：
Figure BDA0002251374670000031
其中zi是要素i的属性与其平均值的偏差，wi,j是要素i和j之间的空间权重，n表示要素的数量，S0表示所有空间权重的聚合：
Figure BDA0002251374670000032
优选的，计算在不同尺度下格网化后数据莫兰指数与原始数据莫兰指数的差值，选择差值最小的格网尺度作为本次评价数据格网化的标准尺度。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，具备以下有益效果：
1、该基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，通过采用地理国情数据驱动的空间分析评价技术，将地理国情数据引入空间分析评价领域，结合其他基础地理数据、人文数据和规划数据，构建长时序评价数据库，该技术充分利用了地理国情数据的优势：国情数据覆盖全面，能整体性的分析自然、生物、人文等各因素的相互关系，形成全面、长时序的评价结果，其次，国情数据拥有精细的图斑，且内容划分精细，保证了评价结果的精准性。
2、该基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，在选择评价单元的格网尺度时，通过将莫兰指数引入评价单元格网尺度的划分，减少了因评价格网尺度的选择而造成的评价精度的损失。利用地理国情数据的特点，对空间评价的维度和层次进行了梳理、集合与调整，结合专家经验，构建了相对比较全面且灵活的多尺度空间分析评价指标体系，可对不同区域空间态势进行综合评价。
3、该基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，通过系统对县域空间的微观尺度分析评价方法进行了集成，并利用“数据-指标-评价-结果”的全流程支撑体系，搭建了业务化、体系化运行的县域空间分析评价系统，实现了地理国情监测成果数据的快速入库更新、实时分析与评价，促进了地理国情监测数据的有效利用，其中，评价情景自主可调，可实现对多尺度空间的准确、全面、长时序的评价。
附图说明
图1为本发明系统流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，分析评价方法包括以下步骤：
S1、按照地理国情数据采集标准进行数据采集；
S2、根据不同的评价要求选择评价格网单元大小；
S3、根据评价要求确定评价尺度，构建评价指标体系，并进行数据预处理；
S4、接收用户自定义的因子分级区间和权重,通过模型计算得到单指标评价结果，进而得到综合评价值，将评价值归一化处理，并几何间隔分级，得到最终评价结果。
空间分析评价系统包括如下组件：地理国情数据管理与更新组件、空间评价指标体系自动化构建组件、空间评价单元格网尺度选择组件、空间评价数据预处理组件、空间评价模型与算子组件和评价结果可视化组件，系统采用“数据-指标-评价-结果”的全流程支撑体系，系统的流程图如图1所示，支持用户自定义评价因子分级区间、赋值和权重，评价情景自主可调。地理国情数据管理与更新组件，提供地理国情历史数据管理与数据更新的功能，保证评价的长时序性，空间评价指标体系自动化构建组件,用于根据不同评价要求选择评价尺度，构建多指标综合评价体系，空间评价单元格网尺度选择组件，用于对依据经验选择的格网尺度进行分析计算，选择出最优评价格网尺度，空间评价数据预处理组件，用于地理国情数据的分类提取、格网化，生成评价所需的格网数据，空间评价模型与算子组件，用于计算空间评价结果，评价结果可视化组件，用于对空间开发评价结果的一体化集成管理和可视化展示。
步骤S1中对数据采集之后的数据进行入库，并进行分层存储，步骤S2 中是对不同尺度大小的评价单元格网进行空间自相关分析并比较，选择出最佳的评价单元格网尺度，空间分析评价基于栅格数据，选择合适的栅格格网尺度大小的依据是格网化后的数据空间自相关系数较原始数据空间自相关系数差值的大小。空间自相关系数即是莫兰指数，莫兰指数可表示为：
Figure BDA0002251374670000051
其中zi是要素i的属性与其平均值的偏差，wi,j是要素i和j之间的空间权重，n表示要素的数量，S0表示所有空间权重的聚合：
Figure BDA0002251374670000052
计算在不同尺度下格网化后数据莫兰指数与原始数据莫兰指数的差值，选择差值最小的格网尺度作为本次评价数据格网化的标准尺度，计算在不同尺度下格网数据的莫兰指数，得到格网化后数据莫兰指数与原始数据莫兰指数的差值，差值越小表明格网化后的数据空间结构越接近实际情况，因此选择差值最小的格网尺度作为本次评价数据格网化的标准尺度，步骤S3中数据预处理主要包括地理国情数据的分类提取,数据格网化和单评价因子对评价单元的影响作用分计算。
地理国情数据分为地表覆盖与地理要素两类。地表覆盖采集了地物的空间位置与类别属性，实现了全域覆盖，存储在面状矢量图层LCA中；地理要素主要分为道路、水域、构筑物、和地理单元等几类，包含空间位置与类别属性，分别以点、线、面的形式存储在矢量图层中。地理国情数据具有多维性和空间层次性，要素分属不同维度，而各种维度的组合又体现了不同的空间层次。各空间尺度评价所涉及的评价维度划分如下：大尺度空间评价指标主要包括资源开发维度和经济发展维度，通过土地资源开发和经济发展情况识别区域地理国情的基本特征。中尺度空间评价指标是在大尺度空间评价的基础上增加城乡建设维度的评价指标，通过交通设施和公共服务设施建设体现城市建设程度。小尺度空间评价指标是在中尺度空间评价的基础上增加了生态保护维评价指标，在发展生产力的基础上通过生态环境指数反应开发对生态的影响程度。各维度评价因子如下表所示：
Figure BDA0002251374670000061
实施例1
下面对生态环境指标评价方法进行阐述：
该维度评价利用地理国情地表覆盖数据。生态环境指数分指标与权重如下表所示：
Figure BDA0002251374670000062
生态环境指数＝生境质量指数×0.25+生态保护指数×0.20+生态结构指数×0.30+(100-土地胁迫指数)×0.25。生态环境指数取值范围为0-100。
区域生境质量指数，用于描述区域生境质量的适宜性。区域生境质量指数＝100×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积。生境质量指数中各生态用地类型的分权重如下表所示：
Figure BDA0002251374670000071
生态保护指数、生态结构指数、土地胁迫指数的指标与权重设置见下表：
表中各指标的计算方法如下：受保护区面积比＝受保护区面积/总面积；
林草地覆盖率＝林草地面积/总面积；林地覆盖率＝林地面积/总面积草地覆盖率＝草地面积/总面积；水域湿地覆盖率＝水域湿地面积/总面积；耕地覆盖率＝耕地面积/总面积；建设用地覆盖率＝建设用地面积/总面积；建设用地聚集度＝(建设用地斑块数×(建设用地面积/总面积)/(格网面积/格网内建设用地最小斑块面积))，其中，格网是自定义的评价单元；林草地破碎度＝林草地斑块数/林草地面积。
生态环境指数求出后，进行归一化处理，公式为：
Figure BDA0002251374670000081
然后根据归一化的结果对生态保护指数进行几何间隔分级，得到最终评价结果。
实施例2
下面对城市建设指标评价方法进行阐述：
(1)交通网络密度计算公式如下：
Figure BDA0002251374670000082
ρi＝Li/S
T表示交通网络密度，M表示公路的技术等级(分为：高速、一级、二级、三级、四级、等外)，δi表示区域内各等级公路的权重，如下表所示，ρi表示区域内某等级公路的密度，Li表示区域内某等级道路长度，S表示区域面积。
公路技术等级 权重
高速 0.125*车道数
一级 0.092*车道数
二级 0.15
三级 0.06
四级 0.01
等外 0.01
在求出交通网络密度后，进行归一化处理，并几何间隔分级，得到最终评价结果。
(2)交通干线影响评价值计算公式如下：
P＝X1+X2+X3+X4+X5
P代表区域的交通干线影响值，其中X1、X2、X3、X4、X5分别表示普通公路影响值、高速出入口影响值、铁路站点影响值、机场影响值、港口影响值。铁路站点、高速出入口、普通公路道以3km和6km为缓冲半径，机场、港口以30km和60km为缓冲半径，即只对缓冲半径内的区域有影响。具体影响分值如下表所示：
在求出交通干线影响值后，进行归一化处理，并几何间隔分级，得到最终评价结果。
(3)公共服务空间格局评价
利用地理国情的道路数据，基于栅格数据累计成本的最短路径计算来得到通达时间。首先要建立栅格化的评价区域通行时间成本图，这是计算区域内部两点之间通行时间的基础。
确定格网单元大小后，根据相关标准规范设置各等级公路的通行速度，将高速公路通行速度设置为100km/h，普通国省道通行速度设置为60km/h，轮渡线路速度设置为10km/h，其他区域(除无法通行区域外)统一设置为 30km/h。因高速公路为封闭公路，只有在枢纽处才与其他高速公路连通，在出入口处与其他区域相连，因此高速公路沿线区域的格网赋予极小的通行速度，只在出入口处才赋予100km/h的通行速度。另外，全省外围区域中的非路网空间和省内的湖泊、河流等设置为无效通行区域，赋予区域格网极小的通行速度。评价区域内每个格网的通行时间成本为格网大小除以格网通行速度。
城市交通时间圈层即城市等时圈，可用来描述城市与邻近区域空间联系的紧密程度和区域的交通可达性格局。基于通行时间成本格网构建医院、体育场和商场的10min、30min等时圈，即只能辐射到等时圈范围内的区域，具体辐射分值如下表所示：
Figure BDA0002251374670000101
Figure BDA0002251374670000102
Figure BDA0002251374670000111
公共服务空间格局评价值计算公式如下：
N＝T1+T2+T3+T4+T体+T商
N代表公共服务空间格局评价值，T1,T2,T3,T4,T体,T商分别表示该区域到达各级医院、体育场和商场的时间。
在求出公共服务空间格局评价值后，进行归一化处理，并几何间隔分级，得到最终评价结果。
本申请将地理国情数据引入空间分析评价领域，利用地理国情数据多维度以及颗粒精细度高的特点，梳理空间评价维度与层次，开展针对不同尺度要求的空间分析评价，利用空间数据的自相关性，选择最优的评价格网尺度大小，保证了评价结果的精度，系统采用“数据-指标-评价-结果”的全流程支撑体系，支持用户自定义评价因子分级区间、赋值和权重，评价情景自主可调。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：所述分析评价方法包括以下步骤：
S1、按照地理国情数据采集标准进行数据采集；
S2、根据不同的评价要求选择评价格网单元大小；
S3、根据评价要求确定评价尺度，构建评价指标体系，并进行数据预处理；
S4、通过模型计算出单指标评价结果和综合评价值，再确定出最终评价结果。
所述空间分析评价系统包括如下组件：地理国情数据管理与更新组件、空间评价指标体系自动化构建组件、空间评价单元格网尺度选择组件、空间评价数据预处理组件、空间评价模型与算子组件和评价结果可视化组件。
2.根据权利要求1所述的一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：所述步骤S1中对数据采集之后的数据进行入库，并进行分层存储。
3.根据权利要求1所述的一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：所述步骤S2中是对不同尺度大小的评价单元格网进行空间自相关分析并比较，选择出最佳的评价单元格网尺度。
4.根据权利要求1所述的一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：所述空间分析评价基于栅格数据，选择合适的栅格格网尺度大小的依据是格网化后的数据空间自相关系数较原始数据空间自相关系数差值的大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：所述步骤S3中数据预处理主要包括地理国情数据的分类提取,数据格网化和单评价因子对评价单元的影响作用分计算。
6.根据权利要求1所述的一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：所述空间分析评价系统包括如下组件：地理国情数据管理与更新组件、空间评价指标体系自动化构建组件、空间评价单元格网尺度选择组件、空间评价数据预处理组件、空间评价模型与算子组件和评价结果可视化组件。
7.根据权利要求1所述的一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：所述各空间尺度评价所涉及的评价维度包括有大尺度空间评价指标、中尺度空间评价指标和小尺度空间评价指标。
8.根据权利要求4所述的一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：所述空间自相关系数即是莫兰指数，莫兰指数可表示为：
Figure FDA0002251374660000021
其中zi是要素i的属性与其平均值的偏差，wi,j是要素i和j之间的空间权重，n表示要素的数量，S0表示所有空间权重的聚合：
9.根据权利要求1所述的一种基于地理国情的多尺度空间分析评价方法及系统，其特征在于：计算在不同尺度下格网化后数据莫兰指数与原始数据莫兰指数的差值，选择差值最小的格网尺度作为本次评价数据格网化的标准尺度。
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