基于统计单元自适应的生态空间分析方法和系统与流程

1.本发明涉及地理信息空间分析技术领域，具体涉及一种基于统计单元自适应的生态空间分析方法和系统。


背景技术：

2.在生态环境保护业务中，空间分析和统计工作具有如下特点：
3.(1)分析范围多样化、面积差异大
4.分析范围的划分包括标准行政区划范围和特殊区域范围：使用标准行政区划范围分析统计，其中又区分省、市、县不同级别；使用特殊区域范围分析统计，例如生态保护红线区、自然保护地、重点区域、重点流域等；使用自定义范围分析统计。
5.不同类型分析范围之间，或者同一类型范围的不同区域之间，面积差异大甚至悬殊，导致不同范围的分析场景计算工作量相差大。
6.(2)分析场景多样、复杂度各异
7.分析目标数据方面，包括生态保护红线、人类活动、生态用地分类等生态相关要素数据，以及植被状况、水源涵养、水土保持、防风固沙、生多维护等各类红线专题监测评估数据。
8.分析统计类型方面，既有某类数据单个时相的统计，也有两个专题数据横向的叠加分析统计，以及某类数据两个时相纵向的叠加分析统计。
9.因分析目标数据本身数据量的差异，以及分析统计类型差异，不同分析场景的复杂度和计算工作量也相差较大。例如，在选取某国家级自然保护区为分析范围的情况下，以下三个分析场景计算工作量差异较大：
10.国家级自然保护区内人类活动类型统计：为一类数据单个时相的统计，目标数据非全覆盖、数据量偏小，整体空间分析计算量小；
11.生态保护红线的国家级自然保护区内人类活动分析：为两个专题数据横向叠加分析统计，两个数据均非全覆盖，数据量上其中一个数据量较大，整体空间分析计算量中等；
12.国家级自然保护区内某一时间区间内生态系统分类变化分析：为同一数据两个/多个时相叠加分析统计，两个数据均为全覆盖、数据量大，整体空间分析计算量大。
13.随着大数据、云计算技术的发展，越来越多行业领域开始使用并行计算的空间分析统计方法。而在生态环境保护业务中，常见做法是：
14.在应用系统前端指定范围和分析指标的实时分析场景中，不论分析范围、目标数据和统计指标、统计要求是何情况，大多都是作为一个整体任务执行。这种方法下，除非同时满足分析范围小、目标数据量小、分析类型简单三个条件，否则大多数的分析均耗时较长、效率较低。
15.在生态空间常用数据和指标的预先分析统计工作中，通常是依靠技术人员将常用区域以及各区域内相关数据手动拆分开，再逐个创建单独分析计算任务。在这个过程中，牵扯繁琐的数据预处理和整理工序，加上技术员通常只能以分析区域本身范围进行子任务拆
分，当出现某个子任务分析面积与其它子任务相差悬殊，则会因该子任务耗时远超其它子任务，最终导致该类指标的整体执行周期很长。
16.因此，如何提供一种针对不同分析范围、分析数据和指标、分析结果统计表达要求，自动拆分成适宜的多个子任务并进行生态空间分析是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

17.有鉴于此，本发明提供了一种基于统计单元自适应的生态空间分析方法和系统，主要涉及解析输入的分析场景参数、分析单元的自动划分、分析目标数据的分割、分析子任务的分配、各子任务的并行执行及结果合并汇总。通过该方法，可最大限度的利用并行计算环境中的计算资源，获得更优的分析统计效率。
18.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
19.本发明首先提供了一种基于统计单元自适应的生态空间分析方法，包括如下步骤：
20.s1、确定并接收分析范围和分析目标数据及指标的输入；
21.s2、根据分析范围和分析目标数据及指标，判断子任务单元划分方式，并进行分析单元的拆分，得到各分析单元范围；
22.s3、使用所述各分析单元范围，对分析目标数据进行空间叠加，提取各分析单元范围内的目标数据要素，落入同一个分析单元范围内的目标数据要素添加相同的分析单元标识，从而得到各分析单元的分析目标数据子集，即子任务单元；
23.s4、结合子任务单元数量和计算节点数量，将各子任务单元分配到不同计算节点上，各节点执行各自的子任务。
24.优选的，所述s1中，所述分析范围包括行政区划、生态保护红线、自然保护地、指定区域、指定流域或自定义范围；所述分析目标数据及指标包括人类活动类型、人类活动面积、人类活动数量、生态系统分类变化类型、生态系统分类面积、生态系统分类数量或生态系统服务功能；所述s1还输入叠加范围图层，包括行政区、生态保护红线或人类活动范围等。
25.优选的，所述s2之前还包括：解析所述分析目标数据和指标，判断是否可以进行子任务拆分，若是则进入s3；其中解析所述分析目标数据和指标包括：
26.判断分析范围内各位置的分析目标数据及指标的分析计算是否需要利用邻近位置的所述分析目标数据和指标，若是则该分析范围作为一个整体任务执行空间分析和统计，不进行子任务拆分；若否，进行子任务拆分。
27.优选的，所述s2中判断子任务单元划分方式包括：
28.当所述分析范围内包含指定分析区域时，采用规则地理格网单元划分子任务，包括如下步骤：
29.s211、按照分析范围的坐标跨度，自动生成正方形的地理格网，划分后的地理格网数量均衡的分配到各分析计算节点上；
30.s212、将分析范围与地理格网叠加，且将落在分析范围边界上的地理格网按照分析范围边界进行分割，落入同一个分析范围中的各个地理格网图形纳入同一分析单元，将
落入的格网id添加为该图形的单元标识；
31.s213、依据单元标识拆分分析范围中的各个地理格网图形，得到用于拆分子任务的各分析单元范围数据；
32.当所述分析范围内不包含指定分析区域时，采用指定分析区划单元划分子任务，指定分析区域按照划分优先权等级包括n级区划，n≥1，包括如下步骤：
33.s221、基于分析范围，按照其一级区划进行分析单元拆分，添加一级区划作为单元标识；
34.s223、依据单元标识拆分分析范围图形，得到用于子任务拆分的各分析单元范围数据。
35.优选的，所述s221中，若一级区划拆分后的分析单元面积大于预设阈值，则继续往下一级区划拆分，直到各分析单元面积不超过预设阈值。按下一级区划拆分后，添加下一级区划作为单元标识。
36.优选的，若二级区划的分析单元面积超过预设阈值，采用指定分析区划单元与规则地理格网单元相结合的方式划分子任务包括如下步骤：
37.s231、采用s221的步骤，得到带有以一级区划作为单元标识的各分析单元范围数据；
38.s232、筛选与二级区划分析单元面积的差异在给定范围内的其它分析范围的分析单元，按照所述其它分析范围的规则地理格网单元划分方法进一步拆分，并添加地理格网id作为单元标识；
39.s233、依据单元标识拆分分析范围图形，得到指定区划单元标识和地理格网id单元标识组合的用于子任务拆分的各分析单元范围数据。
40.优选的，还包括：确定并接收统计结果展示形式的输入步骤；根据统计结果展示形式，对各子任务添加返回方式标识：
41.针对返回方式标识一的子任务，执行完成后返回子任务结果；
42.针对返回方式标识二的子任务，执行完成后，等待与其同一个任务的其它子任务全部执行完成后，合并计算得到汇总结果并返回。
43.优选的，基于返回的结果，进行可视化展示，具体步骤包括：
44.返回标识一的分析任务结果，展示分析范围内统计指标的总体数据，和/或选择子任务单元，展示该子任务单元内统计指标数据；
45.返回标识二的分析任务结果，展示分析范围内统计指标的总体数据。
46.本发明还提供了一种基于统计单元自适应的生态空间分析系统，包括：
47.输入模块，用于确定并接收分析范围和分析目标数据及指标的输入；
48.分析单元范围划分模块，用于根据分析范围和分析目标数据及指标，判断子任务单元划分方式，并进行分析单元的拆分，得到各分析单元范围；
49.子任务单元生成模块，用于使用所述各分析单元范围，对分析目标数据进行空间叠加，提取各分析单元范围内的目标数据要素，落入同一个分析单元范围内的目标数据要素添加相同的分析单元标识，从而得到各分析单元的分析目标数据子集，即子任务单元；
50.分配计算模块：用于结合子任务单元数量和计算节点数量，将各子任务单元分配到不同计算节点上，各节点执行各自的子任务。
51.优选的，还包括分析结果展示单元，用于根据分析结果返回标识展示不同统计指标数据，包括：
52.针对返回标识一的分析任务结果，展示分析范围内统计指标的总体数据，和/或选择子任务单元，展示该子任务单元内统计指标数据；
53.针对返回标识二的分析任务结果，展示分析范围内统计指标的总体数据。
54.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
55.在生态环境保护领域中，以往针对应用端输入条件的实时分析统计或常用区域常用指标的预先分析统计工作，不论分析范围是标准行政区还是生态保护红线、自然保护地、重点区域、重点流域等特殊单元或自定义范围，不论分析目标数据和统计指标是何种类型，大多是作为一个整体任务执行或者部分依靠人工拆分但拆分的单元不适宜，导致多数分析场景未充分利用计算资源、分析效率不高。本发明方法充分考虑生态环境保护各类分析范围、分析目标数据及指标的类型和特点，对各类分析场景通过参数解析，结合计算资源条件自动给出最合适的统计单元划分及分析子任务拆分策略，同时结合结果统计需求确定子任务计算结果返回方式。在该方法下，生态保护红线相关的实时统计场景，都可以最大程度利用现有计算资源，获得较高的统计效率和较优的统计效果。
附图说明
56.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；
57.图1为本发明实施例提供的基于统计单元自适应的生态空间分析方法逻辑示意图；
58.图2为本发明实施例提供的对河流缓冲区分析范围采用规则地理格网进行单元拆分示意图；
59.图3为本发明实施例提供的使用拆分后的河流缓冲区分析范围图形对两个分析目标数据进行分割提取分析目标数据子集示意图；
60.图4为本发明实施例提供的对分析范围采用行政区划进行单元拆分示意图；
61.图5为本发明实施例提供的使用拆分后的行政区划分析范围图形对两个分析目标数据进行分割提取分析目标数据子集示意图。
具体实施方式
62.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。
63.本实施例公开的一种基于统计单元自适应的生态空间分析方法和系统，考虑到生态环境保护业务中分析场景多样化，同时兼顾后期扩展需求，不论是面向实时分析统计还是常用区域常用指标的预先分析统计，如何针对不同分析范围、分析数据和指标、分析结果
统计表达要求，自动划分适宜的分析统计单元、拆分计算量适宜的多个子任务，对于最大化地利用计算资源、释放人工工作量、提升生态保护红线等各类分析应用效率，有着重要意义。
64.本实施例主要涉及解析输入的分析场景参数、分析单元的自动划分、分析目标数据的分割、分析子任务的分配、各子任务的并行执行及结果合并汇总。通过该方法，可最大限度的利用并行计算环境中的计算资源，获得更优的分析统计效率。
65.本实施例第一方面公开了一种基于统计单元自适应的生态空间分析方法，图1示出了分析场景解析及统计单元自适应方法逻辑示意图，具体执行步骤如下：
66.s1、确定并接收分析范围和分析目标数据及指标的输入。
67.在一个实施例中，分析范围包括行政区划、自然保护地、重点区域、重点流域或自定义范围；分析目标数据及指标包括人类活动类型、人类活动面积、人类活动数量、生态系统分类变化类型、生态系统分类面积或生态系统分类数量。
68.本实施例中，人类活动数据和生态系统分类数据可以根据年度进行划分计算。
69.在一个实施例中，还可以输入叠加范围图层，包括生态保护红线或人类活动范围等。本步骤可跳过，若跳过，则默认无叠加图层。
70.在一个实施例中，还可以输入选择统计结果展示形式，包括选择“仅全局汇总展示”或“全局汇总展示及二级区域钻取展示”。
71.s2、根据分析范围和分析目标数据及指标，判断子任务单元划分方式，并进行分析单元的拆分，得到各分析单元范围。
72.在一个实施例中，是否需要进行子任务拆分经过如下方式进行判断：
73.解析分析目标数据和指标，判断是否可以进行子任务拆分，若是则进入s3；其中解析分析目标数据和指标包括：
74.判断分析范围内各位置的分析目标数据及指标的分析计算是否受邻近位置数据的影响、分析结果需要做全局平差，则该分析场景必须作为一个整体任务执行空间分析和统计，不可进行子任务拆分；若否，进行子任务拆分。
75.在一个实施例中，判断子任务单元划分方式包括：采用规则地理格网单元划分子任务、采用指定分析区划单元划分子任务和采用指定分析区划单元与规则地理格网单元相结合的方式划分子任务。下面对于不同划分方式的选择步骤进行详细说明：
76.方式一：当分析范围内包含指定分析区域时，采用规则地理格网单元划分子任务，包括如下步骤：
77.s211、按照分析范围的坐标跨度，自动生成正方形的地理格网，划分后的地理格网数量均衡的分配到各分析计算节点上；
78.s212、将分析范围与地理格网叠加，且将落在分析范围边界上的地理格网按照分析范围边界进行分割，落入同一个分析范围中的各个地理格网图形纳入同一分析单元，将落入的格网id添加为该图形的单元标识；
79.s213、依据单元标识拆分分析范围中的各个地理格网图形，得到用于拆分子任务的各分析单元范围数据。
80.本方式中，单个地理格网的跨度可依据分析目标数据和分析指标的情况来动态调整，目标位保证划分后的总体格网数量能均衡的分配到各计算节点上。具体跨度调解标准
可以采用下面两种方法：
81.若分析目标数据为全覆盖、数据量较大，分析类型为一类数据两个时相的比对叠加或者两类数据的横向叠加，则单个格网跨度控制20km
×
20km以内；
82.若分析目标数据非全覆盖、数据量较小，分析类型为一类数据单个时相的统计，则单个格网跨度不超过100km
×
100km即可。
83.方式二：当分析范围内不包含指定分析区域时，采用指定分析区划单元划分子任务，指定分析区域按照划分优先权等级包括n级区划，n≥1，包括如下步骤：
84.s221、基于分析范围，按照其一级区划进行分析单元拆分，添加一级区划作为单元标识；若一级区划拆分后的分析单元面积大于预设阈值，则继续往下一级区划拆分，直到各分析单元面积不超过预设阈值。按下一级区划拆分后，添加下一级区划作为单元标识；
85.s223、依据单元标识拆分分析范围图形，得到用于子任务拆分的各分析单元范围数据。
86.本方式中的指定分析区域可以为带有行政区划属性的分析区域。预设阈值结合分析目标数据特点和分析类型而定，参考“方式1规则地理格网单元划分子任务”中的两种情况。
87.方式三：采用行政区划单元 地理格网单元组合方式划分子任务。此方式适用于方式2中输入的分析区域带有行政区划属性、但其二级政区划分的单元仍存在面积超过阈值的情况，包括如下步骤：
88.s231、采用s221的步骤，得到带有以一级区划作为单元标识的各分析单元范围数据；
89.s232、筛选与二级区划分析单元面积的差异在给定范围内的其它分析范围的分析单元，按照其它分析范围的规则地理格网单元划分方法进一步拆分，并添加地理格网id作为单元标识；
90.s233、依据单元标识拆分分析范围图形，得到指定区划单元标识和地理格网id单元标识组合的用于子任务拆分的各分析单元范围数据。
91.s3、使用各分析单元范围，对分析目标数据进行空间叠加，提取各分析单元范围内的目标数据要素，落入同一个分析单元范围内的目标数据要素添加相同的分析单元标识，从而得到各分析单元的分析目标数据子集，即子任务单元。
92.在一个实施例中，根据统计结果展示形式的选择要求，对各子任务添加返回方式标识：
93.针对返回方式标识一的子任务，执行完成后返回子任务结果；
94.针对返回方式标识二的子任务，执行完成后，等待与其同一个任务的其它子任务全部执行完成后，合并计算得到汇总结果并返回。
95.返回方式标识包括：“1”，表示各子任务结果均返回；“0”，表示各子任务结果不返回。
96.s4、结合子任务单元数量和计算节点数量，将各子任务单元分配到不同计算节点上，各节点执行各自的子任务。
97.在一个实施例中，基于返回的结果，进行可视化展示，具体步骤包括：
98.返回标识为“1”的分析任务结果，展示分析范围内统计指标的总体数据，和/或选
择子任务单元名称(如行政区划名称)，展示该子任务单元内统计指标数据，可快速钻取展示该单元内统计指标情况；
99.返回标识为“0”的分析任务结果，仅展示分析范围内统计指标的总体数据。
100.本实施例第二方面还公开了一种基于统计单元自适应的生态空间分析系统，该系统用于执行本实施例第一方面公开的方法，包括：
101.输入模块，用于确定并接收分析范围和分析目标数据及指标的输入；
102.分析单元范围划分模块，用于根据分析范围和分析目标数据及指标，判断子任务单元划分方式，并进行分析单元的拆分，得到各分析单元范围；
103.子任务单元生成模块，用于使用各分析单元范围，对分析目标数据进行空间叠加，提取各分析单元范围内的目标数据要素，落入同一个分析单元范围内的目标数据要素添加相同的分析单元标识，从而得到各分析单元的分析目标数据子集，即子任务单元；
104.分配计算模块：用于结合子任务单元数量和计算节点数量，将各子任务单元分配到不同计算节点上，各节点执行各自的子任务。
105.在一个实施例中，还包括分析结果展示单元，用于根据分析结果返回标识展示不同统计指标数据，包括：
106.针对返回标识一的分析任务结果，展示分析范围内统计指标的总体数据，和/或选择子任务单元，展示该子任务单元内统计指标数据；
107.针对返回标识二的分析任务结果，展示分析范围内统计指标的总体数据。
108.下面结合具体分析场景对本实施例的执行过程加以说明。
109.实施例一
110.某流域10公里内2015
‑
2019生态系统分类变化分析：
111.首先，统计分析参数解析：
112.分析范围：面状分布范围，不带标准行政区划属性。
113.分析场景：分析目标数据生态系统分类，特点为全覆盖、数据量大、数据精度高；分析类型为两个时相纵向的叠加分析，分析计算复杂性相对较高。
114.分析结果统计需求：仅需统计某流域10公里内的汇总结果。
115.其次，采用规则地理格网单元，进行子任务划分。关键步骤如下：
116.s1：依据该流域10公里范围面积，生成尺寸合适的规则地理格网。参见附图2所示对河流10公里缓冲区分析范围采用规则地理格网进行单元拆分，生成多个分析单元。
117.s2：按地理格网对流域10公里范围数据做分割，提取得到各格网的流域范围要素，添加所在格网id作为单元标识。参见附图3所示使用拆分后的分析单元图形，对两个分析目标数据进行分割，分单元提取要素子集。图中右侧为分析目标数据集1，左侧为分析目标数据集2。
118.s3：将带格网id的分格网流域分析范围作为单元，对2015年生态系统分类数据、2019年生态系统分类数据分别做统计目标数据分割，并添加分析单元标识，得到分单元的2015年、2019年统计目标数据子集。参见附图3所示同一个单元内的两个分析目标数据要素集，作为一个子任务进行叠加分析和统计。
119.s4：将各分析单元的子任务分配到计算环境的各个节点上，同一分析单元标识的2015年、2019年分析目标数据子集为同一任务分配在同一节点上，按照要求执行分析计算
得到统计指标结果；
120.s5：各节点子任务计算执行完成后，将结果进行合并，返回一个“某流域10公里内”统计指标汇总结果。
121.s6：基于“某流域10公里内”统计指标汇总结果，进行可视化展示。
122.实施例二
123.某山地区域2020年生态保护红线内人类活动情况分析：
124.首先，统计分析参数解析：
125.分析范围：某山地区域内的39个县(区)范围，各县面积均超过100平方公里，39个县(区)下辖353个乡镇。
126.分析场景：为生态保护红线图层与人类活动图斑两个专题数据横向叠加分析统计，两个数据均非全覆盖，但生态保护红线图斑数量多、数据量较大；
127.分析结果统计需求：既统计展示某山地区域生态红线内人类活动情况汇总，也要钻取展示39县区各自范围内的情况。
128.其次，采用行政区划单元，进行子任务划分。关键步骤如下：
129.s1：将某山地区域范围图层，按照39个区县拆分；对39个区县的任务，按其各自乡镇行政区划范围进一步拆分，添加乡镇行政区划名称作为分析单元标识。具体参见表一按行政区划提取各单元分析范围表。
[0130][0131][0132]
s2：使用带有分析单元标识的353个区县范围，对2020年生态保护红线数据、2020年人类活动图斑数据进行分割，并添加分析单元标识，得到353个带有各自单元标识的叠加分析数据集。
[0133]
s3：将分割后、带有同一乡单元标识的生态红线图斑、人类活动图斑作为同一分析子任务，对各子任务添加返回方式标识“1”后，将各单元的子任务分配到计算环境中的各节点上，按照要求执行分析计算得到统计指标。
[0134]
s4：各节点的子任务计算执行完成后，立即返回各自分析单元的指标结果，用于钻取展示39县区分析情况。待各节点上的子任务执行完成后，所有子任务结果整体合并得到汇总结果，用于展示某山地区域总体分析情况。
[0135]
实施实例三：某指定区域2020年人类活动占用生态用地分析
[0136]
统计分析参数解析：
[0137]
分析范围：由三个省级行政区划构成的重点区域，三个行政区下二级行政区面积大多超过100平方公里，且相互之间面积差异较大。
[0138]
分析场景：为人类活动图斑与生态系统分类两个专题数据横向叠加分析统计，两个数据一个全覆盖，一个非全覆盖，生态系统分类数据数据量较大；
[0139]
分析结果统计要求：既统计展示某指定区域人类活动占用生态用地情况汇总，也要钻取展示三个省级行政区划各自情况。
[0140]
本实例采用行政区划单元 地理格网单元组合方式，进行子任务划分。关键步骤如下：
[0141]
s1：将该指定区域范围按照3个省级行政区拆分；
[0142]
s2：参见图4，对3个省级行政区单元范围，按照各自范围生成规则地理格网，进一步拆分子任务单元，并添加政区名称 格网id作为子任务单元标识；
[0143]
s3：参见图5，使用带有行政区划、规则地理格网id组合标识的分析单元范围，对人类活动图斑、生态用地分类两个叠加分析数据进行分割，得到带分析单元标识的各子任务分析目标数据。图中右侧为分析目标数据集1，左侧为分析目标数据集2。
[0144]
s4：同一分析单元标识的目标数据子集作为一个任务，对各任务添加返回方式标识“1”，将各分析单元的子任务分配到计算环境中的各节点上，按照要求执行分析计算。
[0145]
s6：各并行计算子任务中，分析单元标识中“行政区划”相同的各个子任务执行结果合并，汇总为该行政区划单元分析结果返回。采用此方法，依次返回三个行政区分析结果，用于钻取展示三个行政区各自分析情况；待所有子任务全部执行完成后，将三个行政区结果合并，得到该指定区域汇总结果，用于展示该指定区域总体分析情况。
[0146]
以上对本发明所提供的基于统计单元自适应的生态空间分析方法和系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0147]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。