湖泊网格自动划分方法研究

廖磊，李亮斌，蔡先华，樊敬敬

(1.江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013； 2.东南大学，江苏 南京 210096；3.江苏天地图地理信息工程技术公司，江苏 南京 210013)

1 引 言

网格化有利于湖泊的巡查和管理。目前采用的湖泊区域网格化划分方法一般是针对小区域范围的网格划分，主要有规则网格、行政区和手动等划分方法。规则网格法将湖泊区域划分成规则排列的网格单元，网格单元的大小相同[1]。该方式的优点是划分方式简单，容易进行空间分析。但是，由于湖泊边界线是不规则的曲线，很多湖泊的内部存在岛屿，规则网格对于这些情况无法处理。加上不同的湖泊湖湾河汊复杂程度各异，敞水区、圩区分布情况不同，规则网格划分不能够合理的划分。行政区划分是按照行政区划范围划分湖泊网格，根据省-市-县-乡(镇)-村逐级划分，每个层级都负责对应的网格，最低一级在村，安排相应的巡查人员[2]。该方式的优点在于网格层次清晰，有利于分级管理和网格编码，缺点是网格的灵活性不高，划分的湖泊区域不均匀。手动划分[3]是目前采用的最广的湖泊网格划分方式。选定湖泊的划分区域之后，根据湖泊形态、水域面积等情况，手动的将湖泊区域划分为面积相当的网格。这种划分方式的优势在于灵活性高，能够针对每个湖泊的特点进行网格划分。不足之处在于网格的编码麻烦，构建网格的效率比较低。

本文提出一种网格分割-合并法，利用方形网格对分级后的湖泊水域分割，再根据规则对部分区域进行合并调整，实现计算机自动划分。

2 湖泊网格划分基本原则

与陆地网格划分相比水域网格划分有其特殊性，需要遵循一定的划分原则。陆地网格划分有较多参考依据，例如：以行政区划或路网对城市进行网格划分；以植被类型对陆地进行网格划分；以土地用途对陆地进行网格划分等。但是水域边界线是不规则的曲线，很多湖泊的内部存在岛屿，加上不同的湖泊湖湾河汊复杂程度各异，敞水区、圩区分布情况不同，划分难度大，水域网格划分有其特殊性。且湖泊网格划分是为了方便湖泊的巡查和管理。网格划分的影响因素主要是湖泊管理范围内的行政区划、湖泊形态和面积等因素。科学的湖泊网格划分一般需要遵循以下原则[4～6]：

(1)分级原则

对于大型湖泊(跨区)，直接进行网格划分会导致网格划分不均匀，也不利于管理，需要对网格分级。根据河湖管理需要，网格流域范围设立应考虑由政府主导各相关部门为责任主体，所以本文提出根据行政区划实行分级管理。

(2)属地完整原则

湖泊网格化管理是为了方便湖泊的巡查和管理，故同一个网格不跨越两个行政区，方便将湖长制、河长制工作纳入年度目标考核，明确巡查任务，落实工作职责，强化督查力度，严格责任追究。

(3)属地内规则原则

最后一级网格采用方形网格。被湖岸、湖心岛分割产生的不规则网格面积应与规则网格基本相当。

(4)完整性原则

湖心岛屿划分的网格不跨越湖心岛、水利设施等。

3 网格自动划分

网格分割-合并法分为两步，分割是基础，合并是关键。划分流程如图1所示。首先将湖泊区域按行政区划进行分级，再将分级后的子区域进行分割，将湖泊水域划分成等面积的规则单元，对湖泊边界以及湖心岛区域的单元合并调整。分级后的子区域内的网格互相独立，网格线按水平和垂直方向等距排列。

图1 网格分割-合并法流程

3.1 行政区分级

对于面积广阔，跨省、市、县的湖泊，先按照省-市-县(区)进行逐级划分，在县(区)的基础上，进行最后一级网格的划分。

如图2所示，第一级网格为湖泊全部水域构成的多边形区域。二、三、四级网格分别是以省、市、县(区)的行政区划边界划分的网格。五级网格在四级网格的基础上，利用网格分割-合并法进行划分。

图2 网格分级示意图

3.2 湖泊网格大小确定

由于湖泊网格划分参考的依据较少，目前，我国对于湖泊网格单元面积大小的确定主观性较强，划分规则多样，没有统一的划分体系[7]。对于不同的湖泊，网格大小主要参考的是湖泊的水域面积。文献[8]把洪泽湖水域划分成187个敞水区网格，每个网格面积为 5 km2～8 km2。文献[9]将东莞市的水库水面划分成面积为 0.23 km2的网格。文献[10]将水环境控制单元尺度细化到 10 km2。对于不同类型的湖泊，网格大小不一，参照一般情况，在本文研究中，设置湖泊面积与网格边长的对应关系如表1所示。

湖泊面积与网格边长关系 表1

3.3 网格分割

网格分割一般是对县(区)一级的湖泊区域进行分割。湖泊管理的面积一般比水域面积大，所以将网格的左边界和下边界与湖泊的左边界和下边界相隔一定距离，如图3所示。湖泊区域内部被分割成规则方形网格，网格线按水平和垂直方向等距排列。边界区域为不规则网格(阴影部分)，面积大小各异。

图3 网格分割

3.4 边界网格合并

为了满足属地内规则原则，需要对不规则网格合并，确保所有的网格面积均衡。假设规则网格的面积为S，一般情况下，可规定不规则网格的面积S′满足一定条件，本文约定为S′∈[0.5S，1.5S]。

本文主要采用四方向相邻规则并结合深度优先搜索的思想对不规则网格进行合并，对于局部复杂拓扑情况，采用八方向相邻规则处理。假设任意网格与其上下左右四个方向的网格存在连接关系，这样便可以把网格抽象成无向图，无向图的顶点代表网格，边代表网格间的连接关系，抽象示意图如图4所示。

图4 网格抽象示意图

深度优先搜索算法能够遍历连通图中的所有顶点。本文为了确保不规则网格全部合并，采用深度优先搜索算法思想，在遍历不规则网格的同时，对网格合并。合并的算法步骤如下：

(1)在不规则网格中任意选择一个网格v作为起始网格，计算v的面积，访问标志设为true。

(2)在v的所有邻接网格中找到尚未访问的一个v′，计算v′的面积，如果v的面积在[0.5S，1.5S]范围内，则v与v′不合并，v′作为下一步探查的当前网格，否则需要合并，合并后的网格作为下一步探查的当前网格。

(3)如果当前网格的所有邻接网格都被访问，则回退一步，将前一步的网格作为探查的当前网格。

(4)重复步骤(2)、(3)，直到最开始被访问网格的所有邻接网格都被访问。

图3中的边界不规则网格合并后的结果如图5所示。从图中可以看出，不规则网格与规则网格的面积相差较小，满足属地内规则原则。

图5 不规则网格合并结果

3.5 湖心岛网格合并

湖心岛的大小不一，假设以面积nS为分界，把湖心岛分成大岛屿和小岛屿两类。湖心岛通常会横跨多个网格，为了满足完整性原则，需要对网格进行合并。湖心岛周围的不规则网格采用八方向相邻规则，可以提高复杂拓扑情况的处理能力。

如图6所示的四个湖心岛1、2、3、4，面积S″∈(0，nS]。湖心岛1在单个网格内，对网格无影响。湖心岛2跨越两个网格，四方向相邻规则可以将两个网格合并。湖心岛3跨越四个网格，八方向相邻规则可以将这四个网格合并。湖心岛4的面积很小，其周围的四个网格面积均满足均衡要求，因此，这些网格不合并。

图6 小岛屿

如果湖心岛的面积S″>nS，实验发现，这种岛屿沿岸的不规则网格数量很多，需要进行合并处理。合并的方式参照湖泊边界网格合并。唯一与湖泊边界情况不同的是，湖心岛产生的不规则网格在外部围绕湖心岛。例如图7(a)所示的湖心岛外围不规则网格，经过合并后得到图7(b)所示的结果。

图7 不规则网格合并示意图

3.6 网格编码

相比于手动划分，计算机自动划分能够高效地对网格进行编码。每一个网格的编码应具有唯一性并且严密[11]。本文参考城市网格编码原则，按照中华人民共和国城镇建设行业标准《城市市政综合监管信息系统单元网格划分与编码规则》进行湖泊网格编码。编码总共9位，前6位为县(区)及其以上的行政区划代码，按照GB/T2260标准执行，后面三位为最后一级网格按从上到下，从左到右的顺序代码。编码样式如图8所示。

图8 网格编码

4 实验与分析

本文对太湖水域采用网格分割-合并法进行网格自动划分，网格边长分别选用 1.5 km、2 km和 2.5 km，分别对应图8(a)、(b)和8(c)。图8(d)是江苏省管湖泊网格化管理信息平台[12]中的太湖水域手动划分结果。图中湖泊被县(区)级的行政区划线划分成了七个水域，所有网格覆盖了湖泊的全部水域，满足划分的四大原则。

与手动划分相比，自动划分的网格更加规整，编码速度快，提高了湖泊网格划分的效率。并且自动划分效率高，可以任意的调整网格边长，进行对比分析，找到最优的划分方案。从本文选取的三种方案可以看出，网格边长太小，边界区域的网格合并后形状复杂，增加了巡查的难度。而网格边长大太，会增大每个巡查人员的任务量。因此，太湖水域的网格，采用 2 km的网格边长较为合适。

图9

5 总结与展望

本文在确定湖泊网格划分基本原则的基础上，设计了网格自动划分的网格分割-合并法。在对湖泊进行分级处理后进行规则网格分割，湖泊边界和湖心岛区域存在的不规则网格进行了合并处理。实验表明，所设计的方法可以实现湖泊网格的自动划分，具有好的效果。