基于GIS的村級(jí)尺度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化方法與時(shí)序分析初探

張海珍+馬澤忠

摘要：選擇重慶市巴南區(qū)石龍鎮(zhèn)大連村、大興村、白馬村、金星村、合路村、柏樹(shù)村、大橋村、大園村和中倫村9個(gè)行政村作為研究區(qū)，將研究區(qū)的遙感影像、數(shù)字高程模型、行政界線等數(shù)據(jù)的空間參考坐標(biāo)系統(tǒng)一為1980西安坐標(biāo)系，選擇2006-2012年研究區(qū)的農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)作為村級(jí)尺度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化方法研究的研究數(shù)據(jù)，利用專家打分法對(duì)不同土地利用類型與農(nóng)用肥施用之間的相關(guān)性進(jìn)行打分，分值范圍是0～1分。結(jié)合村級(jí)行政界線、行政村面積、農(nóng)用肥施用量、土地利用數(shù)據(jù)和專家打分結(jié)果，構(gòu)建農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)空間化模型，分別生成2006-2012年村級(jí)農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)空間化分布柵格數(shù)據(jù)，柵格尺度選擇1、10、100和200 m這4種，并對(duì)柵格化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)，對(duì)2006-2012年的農(nóng)用肥施用空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序分析，獲取農(nóng)用肥施用量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。通過(guò)研究得到以下結(jié)論：①村級(jí)農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)空間化尺度與土地利用數(shù)據(jù)的類型及空間分辨率有關(guān)；②研究區(qū)各行政村農(nóng)用肥施用量在2006-2012年期間總體變化趨于平穩(wěn)。本研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化方法具有一定的參考意義，而空間化后的村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)于進(jìn)行村鎮(zhèn)區(qū)域規(guī)劃、土地整改、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化；農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)；專家打分法；尺度；時(shí)序分析

中圖分類號(hào)：X87；P208；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）20-5241-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.019

Abstract： Dalian village， Daxing village， Baima village， Jingxing village， Helu village， Baishu village， Daqiao village， Dayuan village and Zhonglun village were chosen as research areas. The spatial reference system of the remote sensing images， the digital elevation model and administrative boundaries data were unified to 1980 Xi′an coordinate system. Score range was 0～1 point. The agricultural fertilizer data space model was constructed through combining with village-level administrative boundaries， area of administrative village， the amount of agricultural fertilizer， land use data and expert scoring results data. As a result， the village agricultural fertilizer distribution data from 2006 to 2012 were generated. Spatial resolutions of 1， 10， 100 and 200 m were selected as raster scales， and the results of grid data were analyzed. The spatial distribution of agricultural fertilizer data from 2006 to 2012 was taken timing analysis， and the changing trends of agricultural fertilizer amount were got. The results showed that：①Scales of agricultural fertilizer data had relationship with types and spatial resolutions of the land use data. ②The trend of agricultural fertilizer amount in the study area from 2006 to 2012 was smooth. The results of statistical data space of the village had important guiding significance for the village area planning， land rectification， ecological and environmental protection.

Key words： statistical data space； application data of agricultural fertilizer； expert scoring method； scale； timing analysis

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是表示某一地理區(qū)域自然經(jīng)濟(jì)要素特征、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、水平等指標(biāo)的數(shù)據(jù)，是定性、定位和定量統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)往往以各級(jí)行政單元作為統(tǒng)計(jì)單位，各級(jí)行政單元包括全國(guó)、省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村等，以往以統(tǒng)計(jì)數(shù)字表示自然經(jīng)濟(jì)要素的方式過(guò)于簡(jiǎn)單，如何將各級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)相結(jié)合，學(xué)者們利用數(shù)學(xué)模型、3S技術(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的空間化，并圍繞統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化這一問(wèn)題展開(kāi)了研究。廖一蘭等[1]針對(duì)人口空間分布信息在環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)診斷、自然災(zāi)害損失評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)抽樣調(diào)查比較等地理學(xué)和相關(guān)學(xué)科研究中占有重要的地位，設(shè)計(jì)了遺傳規(guī)劃（Genetic programming，GP）、遺傳算法（Geneticalgorithms，GA）和GIS相結(jié)合的方法。李雅箐[2]以北京市房山區(qū)為例對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化進(jìn)行了研究，文章根據(jù)“提出問(wèn)題-分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間特征-構(gòu)建地理要素指標(biāo)體系-分析地理要素作用-建立空間化模型-檢驗(yàn)修正模型-確定模擬表面”的系統(tǒng)研究思路，最終構(gòu)建了研究區(qū)農(nóng)村純收入空間數(shù)據(jù)庫(kù)。楊妮等[3]基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，利用GIS與SPSS相結(jié)合的方法，構(gòu)建了廣西省GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的空間化模型。葉靖等[4]以義烏市為例對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化的格網(wǎng)尺度效應(yīng)進(jìn)行了分析。

以往基于GIS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化研究多以人口數(shù)據(jù)和GDP數(shù)據(jù)為主[5-8]，研究尺度也多以省級(jí)和市級(jí)為主[9-12]，鮮有針對(duì)村級(jí)尺度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化方法的研究。實(shí)際生產(chǎn)中，村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)涉及人口數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)等多種類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)作為農(nóng)村統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面有著重要作用。實(shí)現(xiàn)村級(jí)尺度的農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)空間化對(duì)自然環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展具有重要意義。針對(duì)這一問(wèn)題，本研究以村級(jí)為研究尺度，利用格網(wǎng)法對(duì)研究區(qū)的農(nóng)用肥施用量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化處理，基于多期數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)的時(shí)序分析，對(duì)于村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化方法的研究具有一定參考意義。

1 研究區(qū)概況

石龍鎮(zhèn)位于重慶市巴南區(qū)東南部，轄區(qū)東鄰南川市的大觀鎮(zhèn)和興隆鎮(zhèn)，南與石灘鎮(zhèn)和神童鎮(zhèn)接壤，西連接龍鎮(zhèn)，北與東泉鎮(zhèn)、姜家鎮(zhèn)毗鄰。石龍鎮(zhèn)屬丘陵中低山區(qū)，丘陵深谷較多，中部地勢(shì)較為平坦，平均海拔550 m，氣候?qū)僦衼啛釒駶?rùn)氣候，溫和多雨，四季分明，平均氣溫18.5 ℃，平均日照時(shí)數(shù)1 158 h，年內(nèi)風(fēng)向多偏南。鎮(zhèn)域內(nèi)有石英砂、重金石等礦產(chǎn)資源，生態(tài)資源、水資源較為豐富，森林覆蓋率達(dá)68%。

全鎮(zhèn)土地總面積10 483.52 hm2，占全區(qū)總面積的5.75%，下轄9個(gè)行政村，2個(gè)社區(qū)居委會(huì)（圖1）。石龍鎮(zhèn)是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)鎮(zhèn)，以種植業(yè)為主，生產(chǎn)水稻、小麥、油菜、玉米、紅薯等，副業(yè)以蠶桑、養(yǎng)豬為主，全鎮(zhèn)總?cè)丝?0 157人，其中非農(nóng)業(yè)人口1 697人，農(nóng)業(yè)人口28 460人。2009年全鎮(zhèn)地區(qū)生產(chǎn)總值完成32 363萬(wàn)元，固定資產(chǎn)投資額17 143萬(wàn)元，農(nóng)民人均收入5 420元。

2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

采用的數(shù)據(jù)源主要有4類，遙感數(shù)據(jù)、土地利用矢量數(shù)據(jù)、村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和矢量行政境界數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)包括2010、2011、2012年的遙感影像，30 m空間分辨率；2012年土地利用矢量數(shù)據(jù)，精度為1 m。村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括巴南區(qū)石龍鎮(zhèn)2006-2012年農(nóng)經(jīng)年報(bào)、巴南區(qū)統(tǒng)計(jì)公報(bào)、村級(jí)規(guī)劃等數(shù)據(jù)。矢量邊界數(shù)據(jù)包括研究區(qū)村界線圖。

對(duì)于空間數(shù)據(jù)的處理包括遙感影像的配準(zhǔn)、矢量數(shù)據(jù)的空間校正、統(tǒng)一坐標(biāo)系、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)電子化等操作。表1為2006-2012年的農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 專家打分法

結(jié)合全國(guó)第二次國(guó)土調(diào)查土地利用類型分類規(guī)范和研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，在本次研究中將土地利用類型分為24類，主要包括交通、農(nóng)業(yè)用地、建筑用地、林地、草地、園地等。根據(jù)不同土地利用類型的定義，結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，經(jīng)過(guò)組織專家討論，水澆地、果園、旱地和茶園被確定為農(nóng)用肥的具體施用對(duì)象。各土地利用類型對(duì)農(nóng)用肥施用的影響力進(jìn)行了打分，分值域?yàn)?～1，見(jiàn)表2。

由表2可以看出，對(duì)農(nóng)用化肥施用分布影響最直接的是旱地、果園、水澆地、水田和茶園，專家打分分別為0.40、0.15、0.20、0.15和0.10，其余為0。

3.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化模型的構(gòu)建

基于土地利用數(shù)據(jù)、行政村界線、專家打分結(jié)果和研究區(qū)農(nóng)用肥施用量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以行政村為樣本，構(gòu)建農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)空間化模型。

其中，Aj為j土地利用類型的農(nóng)用肥施用分布初始系數(shù)，單位為t/km2；Sij為i村j類土地利用的面積，單位為km2；Qi為i村統(tǒng)計(jì)農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)，單位為t；tij為i村j類土地利用類型專家打分的結(jié)果。

根據(jù)模型，對(duì)每個(gè)村的農(nóng)用肥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及對(duì)農(nóng)用肥施用分布有影響的土地利用類型的面積及專家打分結(jié)果按照公式進(jìn)行線性回歸計(jì)算，求得各土地利用農(nóng)用肥施用分布初始系數(shù)Aj。將求得的土地利用農(nóng)用肥施用分布系數(shù)柵格化。

4 尺度分析和時(shí)序分析

本研究中的農(nóng)用肥施用量空間化模型基于土地利用數(shù)據(jù)和村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中行政界線和土地利用數(shù)據(jù)均為矢量數(shù)據(jù)，空間化后的數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)（圖2）。由于矢量數(shù)據(jù)的界線不存在寬度，柵格化后的數(shù)據(jù)空間邊緣會(huì)發(fā)生變化，造成柵格化后的數(shù)據(jù)與村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生變化，而不同的柵格化尺度之間也會(huì)使結(jié)果數(shù)據(jù)之間存在誤差[12]。本研究選擇生成200、100、10和1 m這4種尺度的格網(wǎng)農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)，并對(duì)不同尺度之間的誤差進(jìn)行了分析。

以2012年白馬村農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)為例，圖3為白馬村農(nóng)用肥數(shù)據(jù)不同尺度空間化分布。表3為格網(wǎng)農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)與村統(tǒng)計(jì)農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)的誤差。

由圖3可以看出，空間采樣尺度為1～200 m，采樣值越小，農(nóng)用肥施用空間分布的表現(xiàn)上越細(xì)膩，采樣值越大，農(nóng)用肥施用空間分布的表現(xiàn)上越粗糙。

由表3可以得知，2006-2012年間，柵格化尺度值從200、100、10、1 m，尺度數(shù)值越大，農(nóng)用肥施用量統(tǒng)計(jì)值與空間化后的農(nóng)用肥施用量之間的誤差值越大；反之，尺度數(shù)值越小，統(tǒng)計(jì)值與空間化數(shù)據(jù)之間的誤差越小。其中，柵格化尺度為200 m時(shí)，誤差的絕對(duì)值最高達(dá)19.21%。柵格化尺度為100 m時(shí)，誤差值略有降低，但誤差最大值的絕對(duì)值仍然高達(dá)11.47%。當(dāng)柵格化尺度為10 m時(shí)，誤差值的絕對(duì)值已經(jīng)降低到3.25%以下，柵格化尺度為1 m時(shí)，誤差值的絕對(duì)值降低到2.08%以下。柵格化尺度為1和10 m時(shí)，誤差值比較接近。

由圖4可知，2006-2012年期間，金星村、中倫村、柏樹(shù)村、大園村和大橋村各年間農(nóng)用肥施用量變化小，2012年較2006年農(nóng)用肥施用量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，大連村、白馬村農(nóng)用肥施用量變化明顯，曲線呈S型，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。大興村農(nóng)用肥施用量先增加后減少；合路村農(nóng)用肥施用量變化曲線平緩，2012年比2006年農(nóng)用肥施用量增加超過(guò)30%。

由圖5可知，2006-2012年間，金星村農(nóng)用肥施用量最高，大興村農(nóng)用肥施用量最少，大連村和白馬村農(nóng)用肥施用量變化明顯。

5 小結(jié)與討論

本研究選擇重慶市巴南區(qū)石龍鎮(zhèn)的各行政村的農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化研究，選擇2006-2012年研究區(qū)的農(nóng)用肥施用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，通過(guò)專家打分法對(duì)土地利用數(shù)據(jù)和農(nóng)用肥施用量之間的相關(guān)性進(jìn)行打分，參考人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化模型，對(duì)村級(jí)農(nóng)用肥施用量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化建模，空間化尺度分別選擇200、100、10和1 m這4種尺度。并對(duì)2006-2012年間各行政村的農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)序分析。得到以下結(jié)論。

1）對(duì)于農(nóng)用肥施用量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化的格網(wǎng)尺度，其適宜尺度為1 m，同時(shí)，尺度為10 m時(shí)誤差值略大于1 m尺度。當(dāng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化范圍和數(shù)據(jù)量較大時(shí)，1 m的空間化尺度勢(shì)必會(huì)影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化速度，以及空間化后的數(shù)據(jù)所占存儲(chǔ)空間也較大。所以，研究精度容許情況下，可以選10 m位柵格化尺度。

2）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，村級(jí)農(nóng)用肥施用量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化的尺度受到土地利用類型和分辨率的影響，農(nóng)用肥往往在水田、旱地、果園、茶園和其他園林，空間化尺度與土地利用數(shù)據(jù)分辨率越接近，則統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與空間化數(shù)據(jù)之間的誤差越小。

本研究結(jié)合GIS技術(shù)、空間建模方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，針對(duì)以往統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化研究往往為全國(guó)、地區(qū)級(jí)及省級(jí)等大范圍的研究尺度，選擇行政村這一尺度，對(duì)農(nóng)村農(nóng)用肥施用量數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間化研究。通過(guò)此次研究，對(duì)于根據(jù)農(nóng)用肥施用空間分布情況進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃、土地整改、生態(tài)環(huán)境具有重要指導(dǎo)意義。下一步將繼續(xù)對(duì)村級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化技術(shù)進(jìn)行深層次的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖一蘭，王勁峰，孟 斌，等.人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化的一種方法[J].地理學(xué)報(bào)，2007，62（10）：1110-1119.

[2] 李雅箐.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化研究[D].北京：首都師范大學(xué)，2011.

[3] 楊 妮，吳良林，鄭士科.基于GIS的縣域人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化方法[J].地理空間信息，2013，11（5）：74-77.

[4] 葉 靖，楊小喚，江 東.鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化的格網(wǎng)尺度效應(yīng)分析——以義烏市為例[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2010， 12（1）：40-47.

[5] 王雪梅，李 新，馬明國(guó).干旱區(qū)內(nèi)陸河流人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的空間化——以黑河流域?yàn)槔齕J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21（6）：39-49.

[6] 閆慶武，卞正富.基于GIS的社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化處理方法[J].云南地理環(huán)境研究，2007，19（2）：92-97.

[7] 李月臣，何志明，劉春霞.基于站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的氣溫空間化方法評(píng)述[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2014，33（8）：1019-1028.

[8] 康敏捷，曹 可，王 輝，等.基于作息空間思想的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化方法[J].地理與地理信息科學(xué)，2012，28（4）：60-68.

[9] 王春菊，湯小華.基于GIS的福建省人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化[J].地理與地理信息科學(xué)，2004，20（4）：71-74.

[10] 朱翠霞，陳阿林，劉 琳.基于GIS的區(qū)域人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化——以重慶都市區(qū)為例[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，30（5）：50-55.

[11] 楊續(xù)超，高大偉，丁明軍，等.基于多源遙感數(shù)據(jù)及DEM的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化——以浙江省為例[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2013，22（6）：729-734.

[12] 吳健生，許 多，謝舞丹，等.基于遙感影像的中尺度人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化——以京津冀地區(qū)為例[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，51（4）：707-717.