城市地理国情统计分析研究与应用初探

罗名海

（1.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022）

地理国情是空间化、可视化的国情信息[1]。地理国情普查就是综合利用现代测绘技术和各时期已有测绘成果档案，对地形、水系、交通、地表覆盖等要素进行全面普查，并统计分析其变化量、变化频率、分布特征和差异、变化趋势等，形成反映各类资源、环境、生态、经济要素的空间分布及其发展变化规律的普查和监测数据、地图图形和研究报告。地理国情普查是一项重大的国情国力调查，对于摸清资源环境家底、立足底线思维、科学谋划发展具有重要意义[2]。

统计分析是地理国情普查的重要内容，是对普查数据的深度挖掘，是普查成果应用的重要方面。通过对自然、人文地理要素的统计分析研究，形成反映区域地形地貌、地表覆盖、地理国情要素等基本状况的地理国情信息统计分析报表，以及各类资源、环境、生态、社会、经济的空间分布、空间结构、空间关系、地域差异的地理国情统计分析报告[3,4]。

1 统计分析方法

地理国情统计分析包括基本统计、综合统计和分析评价3个方面。

1.1 基本统计

基本统计指标包括总量指标、相对指标、平均指标、变异指标等，常用方法包括空间量算、算数平均法、位置代表法、比值分析法、极值法、极差法等。

1）空间量算。主要包括长度和面积2部分，分投影长度、投影面积和考虑地表起伏的实际长度、实际面积。

2）算术平均法。算数平均数是表征数据集中趋势的一个统计指标，一般以“算术平均数±标准差”的形式出现,如平均高程、点状要素平均中心等。

3）位置代表法。根据数据所处位置或特定位置的相关数据，计算确定代表值，如高程众数、中位数等。

4）比值分析法。计算2个有联系指标的比率，如点/线要素密度、面要素占比及构成比等。

5）极值。主要包括极大值和极小值，是指在一个域上函数取得最大（最小）值的点的函数值，如最低高程、最高高程等。

6）极差。一般指总体标志值中最大标志值和最小标志值的差，是标志值变动的最大范围，如高差、起伏度、东南西北程度等。

地理国情普查要素一般包括点、线、面3种几何类型，除统计其总数、分类/级总数、总数构成比外，还应分别统计点要素的点密度，线要素的线密度、长度极值、长度达标率、平均线宽，面要素的面积覆盖率(占比)、人均面积、面积极值、跨度极值等。

1.2 综合统计

1）空间分布格局。空间分布格局用于描述统计单元内某一类地理要素在空间上的聚集、离散程度，反映其空间分布的差异性特征，通常通过生成某些特征点或特征面来表征。

基本分布指标反映地理要素的分布及范围，包括质心、中心要素、最小边界、四至点。集中分布指标反映要素的集中分布特征，包括平均中心和欧几里得中心。离散分布指标反映要素的离散分布特征，包括标准距离圆和标准误差椭圆。

2）空间相关性。空间相关性用于描述地理要素间的外部或自身空间相关程度。空间自相关是根据位置相似性和属性相似性的匹配情况来测度的，位置的相似性可以通过空间接近性矩阵（或权重矩阵）来描述，属性的相似性一般通过交叉乘积或平方差异或绝对差异来描述。

3）空间通达性。通达性用于描述区域范围内交通网络的通行能力、辐射和便利程度，反映区域内交通网络的辐射和覆盖、运输和便捷能力。一般选择交通网络密度、便捷度等作为评价指标。

交通网络密度采用公路（铁路、通航河道）密度等综合度量，即公路（铁路、通航河道）长度与所在区域土地面积的比值。交通网络便捷度计算居民点、公共服务设施等节点与公路、铁路、地铁、机场及港口等交通枢纽的出行距离或时间。

4）景观格局特征。利用景观生态学方法，研究城市化过程中城市及其外围区域景观结构的空间分布，反映城市化过程中人类活动及政策对环境的影响。景观格局指标是景观格局不同侧面特征的概括提炼和定量反映，分为景观基本指标和景观异质性指标。

景观基本指标用于描述景观的总体特征，包括面积、周长、密度、形状指数等。景观异质性指标是在基本指标基础上进一步描述景观的空间格局、空间构型及空间关系等，包括景观破碎度指数、景观优势度指数、香农多样性指数、香农均匀度指数等。

1.3 分析研究

1）空间分析。基于GIS的空间分析一般包括叠加分析、缓冲区分析和网络分析。

叠加分析是在统一的坐标系统下，对同一区域的几个不同主题的数据图层进行逻辑交、差、并的运算，并对该区域内的属性进行分析评定。

缓冲区分析是指以点、线、面实体为基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形图层，然后利用该图层与目标图层进行叠加分析。

网络分析是对地理网络进行模型化和地理分析，其用途主要有2方面：一是路径分析，选择最佳路径，如A点到B点最短距离或最低耗费路线；二是最佳中心点的选择，使得某一网络区域中任一点到该中心的平均路径最短或耗费最小。

2）回归分析。回归分析是确定2种或2种以上变量间相互依赖关系的一种统计方法,通过拟合地理要素之间的数量关系，建立地理要素之间的空间回归模型，预测发展趋势，主要有logistic回归和线性回归法。

logistic回归是建立logistic回归模型，预测在不同的自变量情况下发生某种情况的概率大小。线性回归法通过拟合地理要素的趋势面，展示其空间分布规律，包括一元线性回归分析、多元线性回归分析等。

3）时间序列分析。时间序列分析是基于随机过程理论和数理统计学原理，研究随机数据序列所遵从的统计规律，侧重于研究具有相互依赖关系的数据序列。例如，记录某地区第一个月、第二个月、……、第N个月的降雨量，利用时间序列分析方法，可以对未来各月的雨量进行预报。

4）过程模拟与预测。任何地理事物、地理现象都随时间在不断地运动和变化着，即经历着特定的地理过程。地理过程模拟与拟合，旨在定量揭示地理事物、地理现象随时间变化的规律，对未来发展趋势作出预测。

在地球表层系统中，主要的地理过程包括气候过程、水文过程、生物过程、地貌过程、生态-环境过程、经济过程、社会过程、文化过程等。对于这些过程的模拟与预测研究，经常采用的方法有平均增长率法、回归分析法、马尔科夫链方法、灰色建模方法、系统动力学方法、元胞自动机(CA模型)等。

2 统计分析研究

以武汉东湖新技术开发区地理国情普查数据为基础，结合社会经济等专题数据，综合运用基本统计、综合统计和分析评价方法，开展了10个方面的统计分析研究。

普查成果数据包括地形地貌（DEM精化数据，包括数字高程、坡度、坡向）、地表覆盖（耕地、园地、林地、草地、房屋建筑区、道路、构筑物、人工堆掘地、裸露地表、水域）、地理国情要素(道路、水系、构筑物、城镇功能单元、地下空间利用、地理统计单元)。其中城镇功能单元包括居住小区、工矿企业、单位院落（行政办公、文化设施、教育科研、医疗卫生、社会福利、商业服务设施等）、休闲娱乐景区、体育活动场所、名胜古迹、宗教场所以及商业服务设施，地下空间利用包括地下交通（轨道交通、过街地道、隧道）、地下管线和地下车库，地理统计单元包括8大街道（社区）、8大产业园区和规则格网单元[5-7]。

行业专题资料包括社区人口、工商注册企业、主要纳税企业、公共服务设施（大学、中小学、幼儿园、培训机构、医院、卫生服务站、综合门诊、专科门诊、药店）。

2.1 地形地貌统计分析

以数字高程模型为基础，将高程分为7级，坡度分为10级，分别统计7个高程带、10个坡度带在8个街道、8个产业园区的面积及其占比情况。

在此基础上，从地形位指数、地形复杂度指数2个方面进行地形因子分析。前者将高程和坡度组合成一个地形位指数，对地形特征进行重新描述和梯度分类，后者以坡向变化程度为指标衡量地面形态的变化，二者综合起来反映不同地区的用地条件和适应性。

2.2 植被覆盖统计分析

按照8个街道、8个产业园区分别统计耕地、园地、林地和草地的面积和构成比。

构建300 m×300 m格网，根据植被覆盖面积比将覆盖度划分为非植被覆盖区（<10%）、植被劣覆盖区（10%～30%）、植被低覆盖区（30%～45%）、植被中覆盖区（45%～60%）、植被高覆盖区（>60%）5个覆盖度等级，统计得到每个格网的综合植被覆盖度。

同时，利用2013-08-16 Landsat-8的30 m分辨率多光谱遥感影像，按照上述标准确定分级阈值，得到植被覆盖度结果，与规则格网单元统计结果基本一致。

2.3 地表景观格局分析

利用景观生态学方法，从景观优势度、破碎度和分离度3个方面研究城市化过程中人类活动及政策对环境的影响。

景观优势度指数代表一个或少数几个占主导地位的景观，反映景观组分中某种或某些景观类型的支配程度，与多样性指数成反比。景观破碎度指数用景观密度来描述，反映景观空间结构的复杂性。景观分离度指某一景观类型中不同斑块的个体分布，分离度小说明其聚集分布、连通性好。

2.4 建成区扩张演变分析

通过对1988年、2001年、2008年、2010年 和2013年5个代表性年份的遥感影像进行解译，得到5个年份建成区的边界图，研究开发区自创建初期到东扩、南扩几个主要阶段的扩张方式，并比较其扩张频率、扩张强度。

以城镇功能单元数据为基础，分别计算得到1988～2001年、2001～2013年开发区城镇功能单元用地类型的转移矩阵。分析得知，前一阶段城镇扩张主要是工矿企事业单位的增多，即基本建设投入增加所带来的城镇扩张；后一时期人口迁移成为城镇扩张的主要成因，工业与居住及配套设施融合发展，向“产城一体化”方向发展。

2.5 城市空间布局分析

从房屋建筑（区）、城镇功能单元、道路交通、地下空间利用等方面进行开发区城市空间布局的分析研究。

1）房屋建筑（区）。从独立房屋建筑及高度（低层、多层、中高层、超高层）、连片房屋建筑区及高度（低矮、多层及以上）、建筑密度（低密度、高密度）等方面分析开发区房屋建设的基本特点和空间差异。

2）城镇功能单元。城镇功能单元是城镇内封闭管理的最小组成单元，包括单位院落、居住小区、休闲娱乐、景区、工矿企业、体育活动场所、宗教场所和名胜古迹等，反映了开发区各种用地类型的比例和空间分布。

3）道路交通。道路类型包括公路、城市道路、乡村道路，统计各类道路的总长度和占比，比较各街道的道路面积密度、路网密度。

4）地下空间利用。统计分析地下交通（轨道交通线、轨道站点、过街地道、隧道）、人防和地下车库、地下管线（给水、排水、电力、燃气、热力、工业和通讯）的分布情况。

2.6 人口与产业布局分析

依据第6次人口普查数据，统计分析各街道、社区常住人口的数量、分布密度、年龄构成和学历构成，反映出开发区人口分布集中在光谷、佛祖岭等地区，且呈现出明显的年轻化、高知化趋势。

根据由地址匹配上图的2.3万家工商注册企业和纳税额前100的重点税源企业，分析开发区的生产力布局，并比较从2005年到2012年企业人均产值、地均产值的变化，反映出开发区经济增长以新兴产业为主，主要由光电子信息产业、生物产业、环保节能产业、高端装备制造业等组成，其中占比最大的为光电子信息产业。

2.7 土地开发强度分析

根据地表覆盖普查的房屋建筑区等数据，结合基本地形图详细的房屋建筑数据，统计分析各街区、园区的建筑高度、建筑密度、容积率和绿地率，综合反映开发区土地开发强度和空间分布，评价其土地开发使用效率。

2.8 城市建设热点分析

从人工堆掘地、房地产市场、审批管线3个方面进行开发区建设热点的分析。

1）人工堆掘地。开发区的人工堆掘地主要指建筑工地，包括在建工地和待建工地，在整个地表覆盖中占有相当比例。比较房屋建筑区与建筑工地两类数据可以看出开发区的发展趋势，前者是建设现状，后者是未来3～5 a即将变成的“现状”。

2）房地产市场。根据统计资料和市场调查数据，分析开发区部分楼盘均价、成交金额、楼面地价、土地单价的分布情况，反映开发区房地产市场的集中区域和发展趋势。

3）审批管线。以开发区2010～2013年的审批管线数据为基础，分别统计这4 a里每个街区单位面积内的管线长度，得到8个街区每年新增的管线密度图，不仅反映出2010～2013年新增审批管线的空间分布，也从某个侧面反映出开发区各年度的建设重点。

2.9 热岛效应分析

利用2013-08-16 拍摄的Landsat-8卫星影像（共11个波段，分辨率30 m，包括一个15 m的全色波段和两个100 m的热红外波段），对原始影像进行辐射定标、大气校正等预处理，用红波段和近红外波段反演出植被覆盖度，再结合10和11两个热红外波段，反演出地表温度。经实测气象数据校正后，得到地表温度分级图，并进行了地表温度与建筑密度、植被覆盖度的相关性分析。

从温度反演的结果来看，关东街和佛祖岭街以建成区为主，建筑密度与人口密度相对较高，植被覆盖相对较少，部分地区地表温度明显高于周边5～6℃，出现了热岛效应。

2.10 人居环境评价

从生态环境、交通通达性、基本公共服务3个方面进行人居环境评价.

1）生态环境。综合考虑各街区植被覆盖率和到湖泊水域的接近程度，评价生态环境指数。

2）交通通达性。以各街区公交站点密度、公交线网密度和居民点到航空客运港、火车客运站以及最近公交站点的距离，来衡量交通网络密度和交通网络便捷度。

3）基本公共服务。以各类教育设施的合理服务半径为缓冲区（幼儿园300 m、小学500 m、中学800～1 000 m），统计缓冲区范围内社区青少年人口的覆盖比例，评估基本公共服务设施的布局合理性和服务水平。

在以上基础上，构建了由生态环境、交通通达性、基本公共服务3大系统、8个指标组成的人居环境评价指标体系，进行了分街区的综合分析评价。

3 结 语

统计分析是本次地理国情普查的重点和亮点，在武汉东湖新技术开发区普查试点中，开展了较为深入的统计分析研究，构建了地理国情统计分析的技术方法与工艺流程。基本统计参照全国地理国情普查有关规定，对主要地表覆盖和地理国情要素分别按行政区划单元、社会经济单元及规则地理格网进行了统计。综合统计和分析评价结合开发区发展热点，综合运用对比分析、空间分析、景观分析、关联分析、回归分析、自相关分析、因子分析、时间序列分析等方法和模型，开展了10个方面的统计分析研究。

通过对地理国情普查成果的统计分析，获取和掌握了开发区地表自然、生态环境以及人类活动等基本情况和变化规律，对于制定和实施开发区发展战略与规划、优化国土空间开发格局和各类资源配置、推进生态环境保护、立足底线思维、加快资源节约型和环境友好型社会建设、做好防灾减灾工作和应急保障服务等具有重要意义[2,7]。

[1]陈俊勇.地理国情监测[A].中国测绘宣传中心.地理国情监测研究与探索[C].北京：测绘出版社，2012:19-25

[2]徐德明.监测地理国情服务科学发展[N].人民日报，2011-04-01(2)

[3]李德仁.论地理国情监测的技术支撑[A].中国测绘宣传中心.地理国情监测研究与探索[C].北京：测绘出版社，2012:26-38

[4]国务院关于开展第一次全国地理国情普查的通知[N].中国测绘报，2013-03-05(3)

[5]李建松.对地理国情监测若干问题的认识[J].地理空间信息，2013,11(5):1-3

[6]洪亮.浅析湖北省第一次全国地理国情普查实施方案[J].地理空间信息, 2013,11(5):10-13

[7]罗名海.地理市情监测研究[J].地理空间信息，2012，10(5):1-4