地籍宗地時(shí)空數(shù)據(jù)庫中的變化檢測

萬 遠(yuǎn)，李 霖，應(yīng) 申

（1.天津市測繪院，天津 300381；2.武漢大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430079）

1 引言

自Langran和Chrisman于1988年提出時(shí)間地理信息系統(tǒng)的概念以來,利用GIS技術(shù)完整記錄和查詢地籍信息的動(dòng)態(tài)變化,以及時(shí)空數(shù)據(jù)組織和時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型成了研究地籍變化的主要方法,目前的研究主要包括時(shí)空數(shù)據(jù)組織、時(shí)空變化過程分析、時(shí)空數(shù)據(jù)模型、宗地歷史回溯等[1-4]。在之前運(yùn)用時(shí)空數(shù)據(jù)庫的宗地變更研究中,雖然可以通過歷史回溯查看某一或某些宗地的現(xiàn)狀或者歷史的狀態(tài),也記錄了兩個(gè)鄰近變化時(shí)間點(diǎn)之間的變化,例如：從時(shí)間T1至T2,宗地由界址點(diǎn)調(diào)整發(fā)生了縮小,從時(shí)間T2至T3宗地又因界址點(diǎn)調(diào)整發(fā)生了擴(kuò)大,從時(shí)間T3至T4,宗地發(fā)生了混合分并，但是從T1至T4,宗地發(fā)生的變化類型到底是什么？再者,由于在以往的研究中,都是在數(shù)據(jù)庫模型下,用宗地編號(hào)標(biāo)識(shí)宗地要素,形成一條記錄鏈,隨著宗地的新生和消亡,宗地編號(hào)也同時(shí)新生與消亡,經(jīng)過多次變更后,同一地理地物所處的宗地的編號(hào)早已經(jīng)變化了多次了,無法再對應(yīng)上,所以原有的研究只能片面地反映土地變更的變化情況。

于是采用變化檢測的方法來研究地籍宗地的變化情況,對兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的地籍宗地要素集進(jìn)行變化檢測,自動(dòng)提取出空間的變化信息以及屬性的變化信息。變化檢測是在不同時(shí)間對同一物體或現(xiàn)象觀察、識(shí)別其差異的過程[5]。變化檢測方法常被用于遙感,但是大多數(shù)遙感的變化檢測方法只利用光譜信息來進(jìn)行[6],本文使用地籍宗地圖來進(jìn)行變化檢測,在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確精度和信息量上有明顯的提高,并且是對兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)地籍變更變化的全面反映。得到的變化檢測結(jié)果也更加準(zhǔn)確,信息也更完備。宗地?cái)?shù)據(jù)作為地理國情中最為重要的信息數(shù)據(jù)之一,得到準(zhǔn)確的宗地變化數(shù)據(jù)對地理國情檢測有著重要意義[7-8]。

2 地籍變更相關(guān)概念

宗地是指由權(quán)屬界線封閉的獨(dú)立權(quán)屬地段,它具有固定的位置和明確的權(quán)利邊界,并可同時(shí)辨認(rèn)出確定的利用類型、質(zhì)量和時(shí)態(tài)等土地基本要素。宗地在空間上表現(xiàn)為一個(gè)具有封閉邊界的多邊形,其封閉邊界的拐點(diǎn)就是界址點(diǎn),界址點(diǎn)間的連線就是界址線。宗地在其生命期內(nèi)有一個(gè)惟一的標(biāo)識(shí)號(hào)——宗地號(hào)。宗地是地籍管理的基本單元,它經(jīng)常隨著時(shí)間的變化而變化,這就構(gòu)成了地籍變更。地籍基本空間實(shí)體的變更都是以宗地變更為中心進(jìn)行的,地籍變更的主要形式包括宗地的空間信息變化、屬性信息變化、空間與屬性同時(shí)變化。

2.1 宗地的屬性信息變化

包括宗地的用地性質(zhì)、權(quán)利人、和用途等改變。

2.2 宗地的空間信息變化

簡單的宗地變化：（1）新生：新宗地生成。（2）消亡：舊宗地的消亡。（3）宗地的擴(kuò)大：由于界址點(diǎn)的變化,宗地比原有面積擴(kuò)大。可能同時(shí)導(dǎo)致其他宗地的變化。（4）宗地的縮?。河捎诮缰伏c(diǎn)的變化,宗地比原有面積縮小?？赡芡瑫r(shí)導(dǎo)致其他宗地變化。（5）宗地變形：由于界址點(diǎn)的變化,宗地形狀發(fā)生非擴(kuò)大也非縮小的變化?？赡芡瑫r(shí)也導(dǎo)致其他宗地變化。

復(fù)雜的宗地變化（圖1）：（1）宗地的分裂：一塊宗地在空間上分成兩塊或以上塊宗地。（2）宗地的合并：兩塊或以上塊宗地合并成為一塊宗地。（3）宗地混合分并：多塊宗地參與變更,部分宗地分割出一部分與其他宗地進(jìn)行組合生成一塊或者多塊宗地。

3 地籍宗地變化檢測

3.1 要素匹配與宗地空間變化分類

圖1 宗地復(fù)雜變化Fig.1 Complex changes of parcel

圖2 誤匹配情形Fig.2 The matching error

要進(jìn)行變化檢測的地籍宗地?cái)?shù)據(jù)集必須要符合版本匹配（即待匹配的地籍宗地圖必須有相同的空間參考和空間范圍）考慮地籍宗地圖的特征,就是宗地圖一般為形狀比較規(guī)則的多邊形,在新舊圖層疊加時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜情況,所以使用疊加的方法就可以解決宗地要素的匹配,基本思路如下：對新宗地圖層上的檢測宗地M的范圍對舊宗地圖層上的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測,判斷舊宗地圖層上的宗地與新宗地圖層上的宗地的關(guān)系,然后確定新圖層上的宗地與舊圖層上宗地的匹配關(guān)系。

變化檢測和要素匹配是緊密聯(lián)系的,可以根據(jù)宗地要素匹配的結(jié)果及宗地屬性的改變來確定變化檢測的結(jié)果。根據(jù)新圖層上宗地與舊圖層上與之相匹配的宗地個(gè)數(shù)比值的不同可以分為以下幾種情況：

（1）1∶0 ——當(dāng)新圖層上的宗地要素在舊圖層上沒有與之相匹配的宗地要素時(shí),則可以判斷該宗地為新生宗地；反之當(dāng)舊圖層上宗地要素在新圖層上沒有與之相匹配的宗地要素時(shí)則可以判斷該宗地為消亡宗地。

（2）1∶1 ——當(dāng)新圖層和舊圖層上宗地要素一對一相匹配時(shí),這時(shí)宗地的變化類型可能為以下幾種：宗地不變,宗地變化（宗地?cái)U(kuò)大、縮小、變形、屬性變化等）。

（3）1∶n（n＞1）——當(dāng)新圖層和舊圖層上宗地要素為一對多匹配時(shí),這時(shí)宗地的變化類型可能為以下幾種：合并（新圖層匹配舊圖層）,分裂（舊圖層匹配新圖層）,宗地重組。

需要對宗地變化制定分類標(biāo)準(zhǔn)。宗地的變化分類是以兩宗地要素的重疊面積與各自的面積的比率這一空間屬性為分類依據(jù)的。記新圖層上宗地要素的面積為An,記舊圖層上宗地要素的面積為Ao,新舊要素的重疊面積為A,記重疊面積A與新要素面積An的比為Rn, Rn = A/ An,記重疊面積A與舊要素面積Ao的比為Ro,Ro = A / Ao。還需要設(shè)定變化的閾值,Rn和Ro與其比較,來確定變化的類型。記兩要素匹配的閾值為Tp（當(dāng)Rn或Ro其中有一個(gè)大于Tp時(shí),就認(rèn)為這兩個(gè)要素相匹配）,收縮的閾值為Ts,擴(kuò)張的閾值為Te,沒有變化的閾值為Tn,這里的閾值范圍為：0 ＜Tp ＜Ts =Te ＜ Tn≤1。（這些閾值需要根據(jù)圖層的點(diǎn)位精度和試驗(yàn)來確定,保證變化檢測的準(zhǔn)確性）。

簡單宗地變化分為2種情況：（1）一個(gè)宗地要素在另一個(gè)圖層中沒有宗地與之相匹配,則該要素為新生宗地或消亡宗地。（2） 新舊圖層上有一一對應(yīng)的宗地要素,則該要素可能為變化宗地或沒有發(fā)生任何變化。

復(fù)雜宗地變化分3種情況：（1）宗地合并為新圖層上一宗地要素匹配上多個(gè)舊圖層上宗地要素,Ro（i）為第i個(gè)舊要素與新要素的重疊面積占該舊要素的面積的比率,即 Ro（i）=A（i）/Ao（i）,Ao（i）為第 i個(gè)舊宗地要素的面積,A（i）為該舊要素與新要素的重疊面積。（2）同樣分裂宗地與合并類似,多個(gè)新宗地圖層上的要素對應(yīng)一個(gè)舊宗地圖層上的要素。Rn（i）=A（i）/An（i）,Rn（i）為第i個(gè)新要素與舊要素的重疊面積與該舊要素面積比。（3）混合分并的情況可以由合并與分裂組合而來,記復(fù)雜變化的閾值為Tc。分類量度如表1。

表1 宗地空間信息變化分類量度表Tab.1 Classification of measuring the spatial information change of land parcels

新生宗地：當(dāng)新圖層上宗地在舊圖層上沒有與之相匹配的宗地時(shí),即在舊圖層沒有要素與之重疊或者有宗地與之重疊,但是Ro、Rn均小于Tp（表示兩要素沒有匹配上）。這樣可以判斷該宗地要素的變化類型為新生宗地。

消亡宗地：當(dāng)舊圖層上宗地在新圖層上沒有與之相匹配的宗地時(shí),即在新圖層沒有要素與之重疊或者有宗地與之重疊,但是Ro、Rn均小于Tp（表示兩要素沒有匹配上）。這樣可以判斷該宗地要素的變化類型為消亡宗地。

宗地不變：新舊圖層上宗地要素一對一相匹配,Ro與Rn都接近或等于1,且要素的屬性字段上的值也沒有發(fā)生變化,這樣可以判斷該宗地要素沒有發(fā)生任何變化。

宗地?cái)U(kuò)大：新舊圖層上宗地要素一對一相匹配,宗地?cái)U(kuò)大表示宗地在舊圖上的面積上進(jìn)行了擴(kuò)大,既重疊面積A應(yīng)該等于舊圖層上宗地面積,所以此時(shí)Ro應(yīng)接近或等于1,判斷出Ro≥Te時(shí)（不變,屬性變化類型在此之前完成）,此時(shí)可以判斷該宗地要素的變化類型為宗地?cái)U(kuò)大。

宗地縮?。盒屡f圖層上宗地要素一對一相匹配,宗地縮小表示宗地在新圖上的面積比起舊圖層上縮小,既重疊面積A應(yīng)該等于新圖層上宗地面積,所以此時(shí)Rn應(yīng)接近或等于1,判斷出Rn≥Ts時(shí)（不變,屬性變化類型在此之前完成）,此時(shí)可以判斷該宗地要素的變化類型為宗地縮小。

宗地變形：新舊圖層上宗地要素一對一相匹配,變形的情形為除宗地?cái)U(kuò)大和縮小外的其余情形,此時(shí)Ro≥Tp或Rn≥Tp,可以判斷該宗地要素的變化類型為宗地變形。

宗地合并：新圖層上一塊宗地與舊圖層上多塊宗地相匹配,Ro（i）為舊圖層上第i個(gè)要素重疊面積與其面積的比例,Ro（i）＞ Tc時(shí)表示該舊圖層要素與新圖層要素匹配上,可以判斷該宗地的變化類型為宗地合并。

宗地分裂：舊圖層上一塊宗地與新圖層上多塊宗地相匹配,Rn（i）為新圖層上第i個(gè)要素重疊面積與其面積的比例,Rn（i） ＞ Tc時(shí)表示該新圖層要素與舊圖層要素匹配上,可以判斷該宗地的變化類型為宗地分裂。

宗地混合分并：由宗地合并與分裂組合而成,當(dāng)新圖層上一塊宗地與舊圖層上多塊宗地相匹配時(shí),舊圖層上被匹配的某塊或某幾塊宗地同時(shí)匹配新圖層上幾塊宗地時(shí),判斷新圖層上的該宗地要素為宗地混合分并。

3.2 要素匹配方法研究

考慮宗地的特殊性,每塊宗地都有惟一的宗地號(hào)。于是在進(jìn)行要素匹配和變化提取的過程中,可以利用該宗地號(hào)進(jìn)行快速匹配。由于宗地發(fā)生一系列變化后,還可能延用原宗地號(hào),所以在利用宗地號(hào)變化檢測的過程中,同時(shí)判斷同一宗地號(hào)的兩個(gè)要素是否符合1∶1對應(yīng)關(guān)系,以及是否發(fā)生空間信息或?qū)傩苑矫娴淖兓推浒l(fā)生的變化類型。使用宗地號(hào)沒有成功進(jìn)行匹配的要素,運(yùn)用緩沖區(qū)圖形匹配方法進(jìn)行要素匹配。這樣可以快速地檢測出沒有變化的宗地和只發(fā)生屬性變化的宗地,因?yàn)閮煞鶗r(shí)間間隔不是很久的地籍圖中,絕大部分宗地都是沒有發(fā)生變化或只發(fā)生屬性變化的,這樣無疑加快了變化檢測的速度。

新版本中與舊版本宗地號(hào)相同的宗地要素可能發(fā)生的變化有：無變化、屬性變化、圖形變化、屬性與圖形都發(fā)生了變化；其中圖形變化包括：擴(kuò)大、縮小、變形、分裂、合并、混合分并。新版本中那些與舊版本對應(yīng)不上的宗地號(hào)的宗地要素產(chǎn)生的原因可能為：新生宗地、擴(kuò)張的宗地、縮小的宗地、變形的宗地、分裂的宗地、合并的宗地、混合分并成的宗地。舊版本中那些與新版本對應(yīng)不上的宗地號(hào)的宗地要素消亡的原因可能為：消亡宗地、因擴(kuò)張而消亡的宗地、因縮小而消亡的宗地、因變形而消亡的宗地、因分裂而消亡的宗地、因合并而消亡的宗地、因混合分并而消亡的宗地。

如果緩沖區(qū)圖形匹配中只采用兩次要素匹配（新圖層匹配舊圖層與舊圖層匹配新圖層）,則很可能產(chǎn)生誤匹配的情形。如圖2,新圖層的宗地1在第一次匹配中會(huì)匹配到舊圖層的宗地3,這樣會(huì)把變化類型劃分為宗地?cái)U(kuò)大,但是實(shí)際情況是舊圖層的宗地3分裂成宗地1和宗地2。所以在緩沖區(qū)圖形匹配中采用4次匹配來解決這種誤匹配的情形,在第一次和第二次要素匹配中,解決所有宗地合并、分裂和宗地混合分并的情形。這樣在第三次和第四次匹配中就只剩下一對一匹配的情形了,不會(huì)再出現(xiàn)誤匹配了。

第一次匹配,用新宗地圖層要素集匹配舊宗地圖層要素集,先根據(jù)宗地號(hào)進(jìn)行匹配,檢測出所有屬性變化的宗地要素集以及沒有發(fā)生任何變化的宗地要素集,再檢測出宗地合并和宗地混合分并的情形。

第二次匹配,用舊宗地圖層要素集匹配新宗地圖層要素集,檢測出所有分裂的宗地要素集。

第三次匹配,用新宗地圖層要素集匹配舊宗地圖層要素集,檢測出新生宗地要素集,變化的宗地要素集（擴(kuò)大的宗地,縮小的宗地,變形的宗地）。

第四次匹配,用舊宗地圖層要素集匹配新宗地圖層要素集,檢測出消亡宗地要素集,變化的宗地要素集（擴(kuò)大的宗地,縮小的宗地,變形的宗地）。

3.3 變化檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的開發(fā)使用ESRI的ArcGis Engine 9.2和ArcSDE 9.2,由VB.NET 2005編寫完成。通過ArcGis Engine的IFeatureclass接口,分別加載處于由ArcSDE管理的數(shù)據(jù)庫中不同時(shí)間版本的新舊宗地圖層。在匹配過程中,主要使用接口IFeatureCursor來對圖層中的要素進(jìn)行遍歷,選取每個(gè)宗地要素在另一圖層中進(jìn)行要素匹配,使用IQueryFilter接口來過濾所選擇的宗地要素（例如：已經(jīng)匹配過的宗地要素）。對選定的宗地要素使用ITopologicalOperator接口來建立緩沖區(qū),通過ISpatialFilter接口來進(jìn)行要素過濾,得到另一個(gè)圖層中落在該緩沖區(qū)內(nèi)而且并沒有被匹配過的宗地要素。于是開始計(jì)算得到宗地要素的Ro和Rn,求兩宗地的重疊面積需要使用ITopologicalOperator接口下的Intersect函數(shù)。通過比較Ro、Rn與Tp來確定兩宗地要素是否匹配上。然后就可以根據(jù)所得到Ro和Rn以及與之匹配宗地要素的個(gè)數(shù)來確定變化的類型,記錄下該宗地要素的變化類型,并且將該宗地標(biāo)記為已經(jīng)匹配過的宗地,這樣在下一次匹配過程中就不會(huì)再次匹配該宗地,以免發(fā)生誤匹配情形。在判斷無變化和屬性變化這兩種情形時(shí),只需要比較一下兩宗地要素的屬性字段的值是否發(fā)生了變化即可。

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證變化檢測的準(zhǔn)確性,對現(xiàn)有的宗地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別進(jìn)行新增、刪除、合并、分裂、重組、屬性修改、擴(kuò)大、縮小操作。原圖層和經(jīng)過修改后的圖層如圖3—4。

具體修改為：修改后的圖層上宗地1為宗地混合分并而成,宗地2為新生宗地,宗地3、9為擴(kuò)大宗地,宗地5、6、7、8為縮小宗地,宗地4為合并宗地,宗地10、11為分裂宗地,宗地12、13為屬性變化宗地。同時(shí),修改后的圖層上刪除了舊圖層上a、b兩個(gè)宗地要素。

運(yùn)行變化檢測系統(tǒng),檢測宗地圖的變化,將結(jié)果按變化類型分層顯示（圖5）。

圖3 原圖Fig.3 Original

圖4 修改后的圖層Fig.4 The modified layer

將變化檢測系統(tǒng)得到結(jié)果與新、舊圖層對比,變化信息準(zhǔn)確無誤,驗(yàn)證了變化檢測的準(zhǔn)確性。對于取得的結(jié)果,可以進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和挖掘,例如統(tǒng)計(jì)每層的宗地?cái)?shù)目、總面積、最大面積、最小面積、平均面積等；還可以設(shè)定不同條件建立新圖層,如用地類型為住宅用地的新生宗地、用地類型為商業(yè)用地的合并宗地等。

圖5 變化結(jié)果顯示圖Fig.5 Exhibited of change result

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用變化檢測方法對不同版本的宗地圖進(jìn)行變化信息提取,制定了宗地變化分類度量方法,從而可以自動(dòng)檢測出宗地?cái)?shù)據(jù)的變化以及其變化類型,并通過原型系統(tǒng)對不同宗地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測,所得的變化結(jié)果準(zhǔn)確無誤,進(jìn)一步驗(yàn)證了該變化檢測方法以及分類的準(zhǔn)確性。

宗地?cái)?shù)據(jù)作為地理國情中最為重要的信息數(shù)據(jù)之一,對其進(jìn)行監(jiān)測是地理國情監(jiān)測的重要工作。對宗地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測,能夠快速地發(fā)現(xiàn)宗地的變化狀況,對變化趨勢的預(yù)測有著數(shù)據(jù)支持作用。準(zhǔn)確的變化信息對地理國情監(jiān)測以及輔助決策有著重要的意義。

（References）:

［1］ 喬彥友.用時(shí)間GIS建立地籍信息系統(tǒng)的研究［J］.地理學(xué)報(bào),1996,（5）：463-470.

［2］ 尹任祥,張橋平.地籍信息系統(tǒng)的時(shí)空數(shù)據(jù)組織［J］.測繪通報(bào),1998,（6）：28-29.

［3］ 王康弘,鐘耳順.地籍實(shí)體的時(shí)間變化過程分析［J］.地理研究,2001,（7）：372-379.

［4］ 任愛珠,王洪深,潘國帥.地籍管理系統(tǒng)中的宗地歷史回溯［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2003,46（10）：1376-1379.

［5］ 李德仁,夏松,江萬壽,等.一種地形變化檢測與DEM更新的方法研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）,2006,（7）：565-567.

［6］ 李德仁.利用遙感影像進(jìn)行變化檢測［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）,2003,28（特刊）：7-12.

［7］ 萬遠(yuǎn),李霖,應(yīng)申.土地利用變化分析與決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,27（6）：313-318.

［8］ 萬遠(yuǎn).差分式多比例尺地圖數(shù)據(jù)更新關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.湖北：武漢大學(xué),2012.