城市空間信息變化檢測(cè)方法研究

吳張峰，劉一寧

（上海市測(cè)繪院，上海 200063）

城市空間信息變化檢測(cè)方法研究

吳張峰，劉一寧

（上海市測(cè)繪院，上海 200063）

空間信息是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施資源，大數(shù)據(jù)時(shí)代更是加快了城市空間信息的積累進(jìn)程。面對(duì)海量的空間信息，如何快速發(fā)現(xiàn)、挖掘和分析多源地理信息帶給我們的內(nèi)在價(jià)值，是空間信息有效利用上的重要課題。本文提出一種針對(duì)地理要素的變化檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)相的同源、多源地理信息的變化分析，并應(yīng)用于門牌號(hào)、道路和地表覆蓋等方面的變化檢測(cè)，進(jìn)而分析城市空間信息的變化趨勢(shì)。

城市空間信息；變化檢測(cè)；相似度；多源數(shù)據(jù)

上海與世界上諸多超大城市一樣，經(jīng)歷了人口劇增、快速擴(kuò)張的階段，特別是改革開(kāi)放30多年的快速發(fā)展，上海不斷長(zhǎng)高、長(zhǎng)大。然而，高速發(fā)展的同時(shí)上海也漸漸開(kāi)始進(jìn)入土地資源約束、環(huán)境資源約束帶來(lái)的發(fā)展瓶頸。為此上海啟動(dòng)了城市更新計(jì)劃，對(duì)本市建成區(qū)城市空間形態(tài)和功能進(jìn)行可持續(xù)改善[1]，推進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合整治，解決舊城老化、中心城區(qū)趨于飽和的發(fā)展空間和土地資源、空間環(huán)境資源利用不合理等問(wèn)題。

從空間范疇看，城市更新是在現(xiàn)有空間內(nèi)進(jìn)行有效更新和重構(gòu)，這種更新和重構(gòu)呈現(xiàn)出顆粒度小、變化周期短、相關(guān)地理要素多等特點(diǎn)。因此，面對(duì)新的城市建設(shè)模式，如何快速發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域、級(jí)聯(lián)更新，研究一套適合城市空間信息變化檢測(cè)的方法，對(duì)于城市地理信息的及時(shí)更新、數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效控制以及公共服務(wù)的快速發(fā)布都尤為重要。本文將重點(diǎn)針對(duì)不同空間實(shí)體類型，分析同源和多源的數(shù)據(jù)特征，尋找適合城市空間變化的檢測(cè)分析方法，通過(guò)對(duì)舊區(qū)改造、工業(yè)用地轉(zhuǎn)型、城中村改造等重點(diǎn)空間變更區(qū)域的快速發(fā)現(xiàn)，為變化空間內(nèi)相關(guān)地理信息更新提供依據(jù)。

1 地理信息相似關(guān)系分析

1.1 相似關(guān)系的評(píng)價(jià)因素

地理信息相似關(guān)系是用來(lái)描述比對(duì)要素之間在屬性和空間兩方面的相似程度。其中屬性相似是指比對(duì)要素在屬性信息上存在相似，可以是要素的所有屬性信息，也可特指具有代表性的重要屬性信息；而空間圖形相似則涉及要素的空間位置、維數(shù)、長(zhǎng)度、面積、形狀、拓?fù)潢P(guān)系、距離關(guān)系、方向關(guān)系以及相對(duì)關(guān)系等[2]，要素的空間相似度受到多個(gè)因素的制約，需要根據(jù)不同要素實(shí)體類型，綜合考慮多因素的評(píng)價(jià)方法來(lái)確認(rèn)比對(duì)要素的相似關(guān)系。

1.2 要素標(biāo)準(zhǔn)化處理要求

由于比對(duì)要素的數(shù)據(jù)來(lái)源不同，存在平面坐標(biāo)參考系、高程系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面的差異，因此，在進(jìn)行要素變化檢測(cè)前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一到一個(gè)體系下。

（1）統(tǒng)一空間基準(zhǔn)：比對(duì)要素需要保持一致性的空間基準(zhǔn)，包括平面坐標(biāo)基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)，涉及參考橢球、原點(diǎn)以及地圖投影等因素，這是變化檢測(cè)的前提。本文將數(shù)據(jù)統(tǒng)一為上海城市坐標(biāo)系和吳淞高程系統(tǒng)。

（2）統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：由于不同存儲(chǔ)格式在字段定義、儲(chǔ)存精度等方面存在差異，因此，比對(duì)要素需要保持統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，避免不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式帶來(lái)的影響因素。

（3）統(tǒng)一信息表達(dá)：包括統(tǒng)一屬性信息的描述和地理圖層的描述。對(duì)于比對(duì)要素的屬性信息存在一個(gè)或多個(gè)字段描述，需要采用統(tǒng)一的屬性描述或者建立對(duì)照關(guān)系，為屬性變化檢測(cè)提供統(tǒng)一屬性信息標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于圖層方面，則需要建立地理圖層之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，或者是要素編碼之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確認(rèn)變化檢測(cè)的比對(duì)要素圖層。

2 空間信息變化檢測(cè)方法研究

在地理信息相似關(guān)系的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步研究空間信息的變化關(guān)系，要素變化的種類可分為要素屬性圖形均無(wú)變化、屬性變化圖形不變、圖形變化屬性不變以及圖形和屬性均變化。其中，圖形的變化檢測(cè)比較復(fù)雜，需要考慮實(shí)體類型和各種因素制約。本文的檢測(cè)方法更注重考慮同一空間位置的形狀、大小的變化，忽略要素的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等因素。

2.1 屬性變化檢測(cè)

地理信息的屬性變化檢測(cè)是通過(guò)比對(duì)要素的對(duì)應(yīng)屬性進(jìn)行描述一致性檢測(cè)。嚴(yán)格意義上說(shuō)，如果比對(duì)要素對(duì)應(yīng)的屬性字段值存在字符不完全匹配的情況，就認(rèn)定為不一致。當(dāng)然，對(duì)于代表性專題屬性信息變化可替代所有屬性信息變化的情況，則研究采用新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將分詞詞庫(kù)引入屬性變化檢測(cè)方法中。提取屬性描述中的主關(guān)鍵詞，通過(guò)比對(duì)要素中關(guān)鍵詞的相似度判斷，確認(rèn)比對(duì)要素的屬性相似度。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)關(guān)鍵詞比對(duì)的相似度達(dá)到70%以上，則判斷為屬性相似，沒(méi)有變化；低于70%，則判定為屬性變化。

2.2 幾何要素變化檢測(cè)

（1）點(diǎn)要素幾何變化檢測(cè)

點(diǎn)要素的幾何變化主要有新增、刪除、移動(dòng)等。點(diǎn)要素的檢測(cè)主要采用距離匹配的方法，通過(guò)歐式距離計(jì)算公式，計(jì)算比對(duì)要素間的距離是否在判定相似的緩沖半徑內(nèi)。如果計(jì)算結(jié)果在緩沖半徑內(nèi)，則判定為點(diǎn)要素幾何實(shí)體無(wú)變化。兩維點(diǎn)和三維點(diǎn)的變換檢測(cè)均可采用同樣的方法：

其中，緩沖半徑R的閾值在先驗(yàn)值的基礎(chǔ)上，增加k因子，用于調(diào)節(jié)不同數(shù)據(jù)尺度和不同區(qū)域等因素的影響。比如：在制圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，不同比例尺的緩沖半徑受點(diǎn)位相對(duì)精度的影響；同樣在要素分布密集和分散的地區(qū)，可根據(jù)所在區(qū)域的平均間距確定k因子的大小，以提高檢測(cè)的效果。

（2）線要素幾何變化檢測(cè)

線要素的幾何變化主要有新增、刪除、線節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、線方向變化等。線要素的數(shù)據(jù)來(lái)源比較復(fù)雜，存在同源和多源等情況，數(shù)據(jù)表達(dá)各不相同。因此，線要素的相似性采用多因子綜合評(píng)價(jià)的方式計(jì)算，針對(duì)線的長(zhǎng)度、平均距離、始末方向、局部形態(tài)等因素、賦予不同權(quán)重，最終根據(jù)綜合評(píng)價(jià)數(shù)值來(lái)確定線要素的相似度。

線要素?zé)o論來(lái)源的差異多大，需要在同一位置表達(dá)的線總體走勢(shì)不變，即同一位置上不同線要素都會(huì)圍繞著同一條線要素來(lái)描述的，故此，我們采用了平行度作為線要素走勢(shì)的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，不同數(shù)據(jù)的兩條線要素平行度保持的越好，則這兩條線的匹配度越高。

首先求出待匹配線要素A各個(gè)節(jié)點(diǎn)到匹配線要素B的平均距離作為均值。計(jì)算各節(jié)點(diǎn)相對(duì)于該均值的抖動(dòng)情況，多節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)值累加的平均值即為A相對(duì)于B的平行度，具體計(jì)算公式如下：

其中，Db為道路A相對(duì)于B的平行度，dis為線要素A單個(gè)節(jié)點(diǎn)到線要素B的距離；n為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

在道路導(dǎo)航數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)的變化檢測(cè)中，需要增加線要素的矢量方向因素，即線的起點(diǎn)到終點(diǎn)的斜率相似度。

（3）面要素幾何變化檢測(cè)

面要素的幾何變化主要有新增、刪除、面節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、面摳除等。面積重疊度是面要素幾何變化的優(yōu)先檢驗(yàn)方法。面積疊置率的定義為兩個(gè)面要素重疊部分的面積與各自總面積的比率：

其中，面要素A1、A2的面積分別為Area(A1)、Area (A2)，Area (A1A2) 為A1和A2的完全重疊面積。當(dāng)D(A1, A2)和D(A2, A1)都接近1時(shí)，則表示A1，A2兩個(gè)面要素極為相似。當(dāng)然，對(duì)于面要素的檢測(cè)，還需增加質(zhì)心點(diǎn)距離、面邊線要素匹配等多種檢測(cè)方法，采用多因子綜合評(píng)價(jià)的方式，對(duì)各種相似度加權(quán)平均來(lái)獲得總相似度值。

3 變化檢測(cè)方法在城市空間信息監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 多時(shí)相的門牌號(hào)變遷

目前，上海已建立門牌號(hào)數(shù)據(jù)周期采集機(jī)制，實(shí)現(xiàn)每年全市范圍內(nèi)的一次更新，每次總數(shù)據(jù)量達(dá)到200萬(wàn)條，門牌號(hào)數(shù)據(jù)分為城鎮(zhèn)道路，城市老區(qū)，城鎮(zhèn)新村、農(nóng)村村落和農(nóng)場(chǎng)大隊(duì)五大類型。針對(duì)2014年和2015年的兩個(gè)時(shí)相門牌號(hào)數(shù)據(jù)，采用點(diǎn)幾何要素變化檢測(cè)方法，將空間分析結(jié)果與門牌號(hào)類型相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)有些區(qū)域出現(xiàn)門牌號(hào)由密集雜亂型轉(zhuǎn)為整齊分散型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)（圖1），門牌號(hào)屬性由城市老區(qū)的命名方法向城鎮(zhèn)新村的命名方法改變，從空間信息變化檢測(cè)上尋找上海舊區(qū)改造的痕跡，為進(jìn)一步城市演變分析做出初步探索。

3.2 多源道路線的變化檢測(cè)

道路數(shù)據(jù)的來(lái)源豐富，包括道路導(dǎo)航數(shù)據(jù)，公開(kāi)版地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的道路數(shù)據(jù)、消防道路數(shù)據(jù)以及國(guó)情普查中的道路數(shù)據(jù)等多種來(lái)源。通過(guò)線要素幾何檢測(cè)的方法，分析多種道路數(shù)據(jù)源，比對(duì)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的道路中心線，發(fā)現(xiàn)存在新增、刪除、移動(dòng)等變更的道路線（圖2），為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新區(qū)域、更新種類提供依據(jù)，也是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量檢查的有效輔助手段。

3.3 地表覆蓋的監(jiān)測(cè)分析

圖1 多時(shí)相門牌號(hào)的變化分析Fig.1 Analysis on the change of multi-time address number

圖2 多源道路的變化檢測(cè)分析Fig.2 Detection and analysis of the change of multi-source road data

由于上海已積累了2014年地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)和2015年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并正在逐步完成2016年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)。周期性地理國(guó)情數(shù)據(jù)采集機(jī)制的建立，為上海城市空間信息變化檢測(cè)分析提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。地表覆蓋類數(shù)據(jù)作為地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)的重要組成部分，客觀反映城市土地利用的各種方式，分為耕地、園地、林地、草地、房屋建筑（區(qū)）、道路、構(gòu)筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、水域十大類別。采用面要素重疊度分析的方法，計(jì)算各年份地表覆蓋的重疊部分和差異部分，并根據(jù)差異部分的大小和形狀，并結(jié)合地表覆蓋類型，可快速獲取城市地表變化的分布情況（圖3）。

圖3 地表覆蓋監(jiān)測(cè)成果變化檢測(cè)分析Fig.3 Detection and analysis of the change of ground cover data

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，本文研究的城市空間信息變化檢測(cè)方法，在地理信息變化發(fā)現(xiàn)、增量更新、多源地理信息匹配等方面做了初步嘗試，驗(yàn)證了變化檢測(cè)方法應(yīng)用于門牌號(hào)、道路線、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等變化分析的可行性。今后，變化檢測(cè)技術(shù)也將著重從數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)分析、時(shí)空地理信息積累、地理變遷、空間信息質(zhì)量控制等方面，提高技術(shù)的有效性，發(fā)揮其在災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、城市演變以及城市規(guī)劃等方面的前瞻性作用。

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Research on methods for detecting change in urban spatial information

WU Zhang-Feng, LIU Yi-Ning
(Shanghai Surveying and Mapping Institute, Shanghai 200063, China)

Spatial information is an important urban infrastructure resource and arrival of the big data era has accelerated the process of its accumulation. With massive amounts of spatial information, how to discover, mine, and analyze the intrinsic value of multi-source geographic information quickly is an important issue for its effective use. Therefore, in this paper, we present a method to detect changes in multi-source, multi-temporal geographical features. The method can be used to analyze changes of doorplate roads, land cover, etc.; and to analyze trends in the use of urban spatial information.

urban spatial information; change detection; similarity; multiple source data

P208

A

2095-1329(2016)04-0089-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.04.023

2016-10-14

2016-11-18

吳張峰(1978-),男,高級(jí)工程師,主要從事地理信息系統(tǒng)研發(fā)及公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)等研究.

電子郵箱: zfwu@shsmi.cn

聯(lián)系電話: 021-62549550×8142

地理空間信息工程國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目