空間數(shù)據(jù)融合技術(shù)在編制數(shù)字現(xiàn)狀圖中的應(yīng)用

唐忠成，何元禹，張 允

（1.廣州市規(guī)劃和自然資源自動化中心，廣東 廣州 510030）

摸清城市用地現(xiàn)狀，全面調(diào)查區(qū)域內(nèi)用地和公共設(shè)施現(xiàn)狀情況，并按統(tǒng)一的技術(shù)標準，編制數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖，建立現(xiàn)狀用地數(shù)據(jù)庫是進行城市生態(tài)環(huán)境、人口承載、歷史文化和社會經(jīng)濟發(fā)展水平等現(xiàn)狀評價的基礎(chǔ)。數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖既是城鄉(xiāng)現(xiàn)狀評價的基礎(chǔ)資料，也是城市空間規(guī)劃編制的重要現(xiàn)狀資料。

數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖內(nèi)容包括域內(nèi)各類土地利用現(xiàn)狀、公共設(shè)施和交通設(shè)施，其中土地利用現(xiàn)狀包括耕地、園地、林地、牧草地以及其他的農(nóng)用地，自然水域和保留地等不同用地類型的分布和空間界線等[1]。按照地理空間特征和GIS數(shù)據(jù)表達要求，這些內(nèi)容以面狀和點狀要素表達。本文在深入研究國土、規(guī)劃各類數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)和內(nèi)在邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，探討了如何利用空間數(shù)據(jù)融合技術(shù)，編制數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖，其難點是面狀要素的矢量數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

1 數(shù)據(jù)源分析

國土、規(guī)劃管理部門積累的數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、各專項調(diào)查數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自于不同的應(yīng)用平臺，工作任務(wù)、獲取手段、技術(shù)標準、來源等均不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)標準、空間基準、制圖規(guī)范存在差異[2]。

1.1 數(shù)學基準差異

數(shù)據(jù)源的數(shù)學基準因業(yè)務(wù)、應(yīng)用要求等不同，導(dǎo)致如坐標系統(tǒng)、空間尺度、比例尺等存在差異。國土部門的數(shù)據(jù)按國土資源管理的要求，采用西安坐標系，地方規(guī)劃管理部門的數(shù)據(jù)采用的是地方坐標系統(tǒng)。二者之間必須通過坐標轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一到數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖目標坐標系統(tǒng)中。

1.2 數(shù)據(jù)異構(gòu)

數(shù)據(jù)異構(gòu)主要指數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的差異。國土業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按土地分類國家標準對非建設(shè)用地分類描述，規(guī)劃數(shù)據(jù)按城市建設(shè)用地分類標準對建設(shè)用地分級分類描述。因數(shù)據(jù)內(nèi)容、系統(tǒng)要求、數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式等影響，國土和規(guī)劃的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在較大差異。

1.3 時態(tài)差異

數(shù)據(jù)的時態(tài)是數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性的最重要指標。數(shù)據(jù)來源廣泛，生產(chǎn)前期未統(tǒng)籌規(guī)劃，各部門的數(shù)據(jù)生產(chǎn)時間、周期以及更新頻率無法統(tǒng)一。理清各數(shù)據(jù)源的時序，按時序確定數(shù)據(jù)的采信優(yōu)先順序可提高目標數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

2 數(shù)據(jù)之間的關(guān)系

分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，目的是為了評估數(shù)據(jù)源對目標數(shù)據(jù)的使用價值或貢獻度，從而制定各類數(shù)據(jù)源采信規(guī)則。數(shù)據(jù)之間的關(guān)系包括數(shù)據(jù)源之間的關(guān)系，以及數(shù)據(jù)源與目標數(shù)據(jù)的關(guān)系，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)源的時態(tài)關(guān)系，表達內(nèi)容以及內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系、表達方式、屬性結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)等方面[3]。

國土規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)之間存在著錯綜復(fù)雜的邏輯關(guān)系，如國情普查數(shù)據(jù)表達的內(nèi)容包含著非建設(shè)用地和建設(shè)用地數(shù)據(jù)內(nèi)容；非建設(shè)用地和建設(shè)用地數(shù)據(jù)空間關(guān)系上成互補關(guān)系；設(shè)施點和建設(shè)用地面的用地性質(zhì)必須匹配，而且在數(shù)據(jù)表述，屬性字段值之間也相互關(guān)聯(lián)。分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)源對目標數(shù)據(jù)的貢獻度確定數(shù)據(jù)采信規(guī)則；分析屬性結(jié)構(gòu)的異同，屬性字段值的表達和語義，確定目標數(shù)據(jù)的屬性值的獲取方式，在數(shù)據(jù)融合的過程中以軟件工具的方式貫徹這些規(guī)則，可以實現(xiàn)快速編制數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖。數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)之間的關(guān)系圖

3 空間數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù)

空間矢量數(shù)據(jù)的融合主要包括兩方面：幾何特征融合和屬性融合，其中幾何特征融合主要解決的是面狀實體在不同數(shù)據(jù)源中地理位置和形狀不一致問題。不同數(shù)據(jù)源的面狀實體要素匹配是數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵。

面狀實體要素匹配是基于面要素的空間相似性的[4]。存在于不同的數(shù)據(jù)源同一目標地塊面要素的幾何圖形、拓撲關(guān)系和語義具有相似性，比如地塊的位置、面積、形狀等相似性指標，分別以M、N、W表示。

3.1 面實體位置相似性指標算法

以面實體的幾何中心點位置作為唯一標識[5]，A、B兩個面實體的位置相似性采用兩實體幾何中心點歐幾里得距離計算，計算公示為：

式中，O為面實體的幾何中心點；Dmax(PA,PB)為A、B兩實體邊界上任意兩點間的最大距離；M值越小，面實體位置越相似。

3.2 面實體面積相似性指標算法

式中，S為A、B實體的面積；Max(SA,SB)為待匹配面實體中面積最大值；N值越小，面實體面積越相似。

3.3 面實體形狀相似性指標算法

首先將待匹配的數(shù)據(jù)源比例尺變換一致，由面實體的質(zhì)心按固定的角度向面邊線做n個向量，計算待匹配的A、B兩面實體相同角度的向量模V，求出兩個面實體模差的絕對值之和W，n取值越大，計算量越大，面實體匹配結(jié)果的可信度越高。W越小，A、B兩個面實體的形狀越相似。

3.4 識別多源數(shù)據(jù)中的同一目標面狀

以面實體的3個相似性指標作為依據(jù)，根據(jù)不同數(shù)據(jù)源的特征，確定其指標權(quán)重，最后求出位置、面積、形狀的加權(quán)平均值，值越大，待匹配的兩個面實體相似性越高，被匹配融合的概率也高。

4 數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖編制

由圖1可以看出，用地現(xiàn)狀圖的過程數(shù)據(jù)由非建設(shè)用地和建設(shè)用地構(gòu)成，它們之間為包含與被包含的關(guān)系。因此利用各數(shù)據(jù)源，先進行空間矢量數(shù)據(jù)融合，再調(diào)整屬性數(shù)，得到非建設(shè)用地和建設(shè)用地數(shù)據(jù)，二者合并接邊處理后生成用地現(xiàn)狀圖。根據(jù)目標數(shù)據(jù)對設(shè)施點的類別和規(guī)模要求，按采信規(guī)則，從相關(guān)數(shù)據(jù)源中提取符合要求的設(shè)施點，然后與建設(shè)用地相匹配，檢校設(shè)施性質(zhì)與用地性質(zhì)的一致性，進行屬性數(shù)據(jù)融合后得到設(shè)施現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。圖2為現(xiàn)狀圖編制的技術(shù)路線。

圖2 編制用地現(xiàn)狀圖技術(shù)線路

4.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)基準

1）數(shù)學基準。通過坐標轉(zhuǎn)換，將數(shù)源據(jù)坐標系統(tǒng)統(tǒng)一到規(guī)劃編制要求的地方城建坐標系統(tǒng)上，統(tǒng)一計量尺度和單位。

2）現(xiàn)狀圖精度。圖形精度依賴于數(shù)據(jù)源的數(shù)學精度和圖斑大小。圖斑大小是各類不同屬性的地塊最小用地面積的統(tǒng)計規(guī)模，即小于最小用地面積統(tǒng)計規(guī)模時，應(yīng)對地塊進行合并處理。用地現(xiàn)狀的主導(dǎo)地類設(shè)定為建設(shè)用地中的城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地、交通設(shè)施用地、非建設(shè)用地中的水域和農(nóng)林用地[6]。用地現(xiàn)狀圖圖斑大小確定的原則是能準確統(tǒng)計區(qū)內(nèi)主導(dǎo)地類的規(guī)模和空間分布，其確定的具體方法是：檢索數(shù)據(jù)源中主導(dǎo)地類的最小圖斑面積，將主導(dǎo)地類的最小圖斑面積確定為面狀實體合并的閥值[7]。在本文的實踐中，根據(jù)主導(dǎo)地類面積檢索結(jié)果，城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地中的綠地類圖斑面積最小，僅為10 m2，取10 m2為圖斑合并閥值，即地類面積最小10 m2是將會被合并。

4.2 數(shù)據(jù)源采信規(guī)則設(shè)計

建立數(shù)據(jù)采信規(guī)則主要從數(shù)據(jù)源對目標數(shù)據(jù)的貢獻度、數(shù)據(jù)源的現(xiàn)勢性和精度3個維度考慮。對不同類別數(shù)據(jù)源的貢獻度、現(xiàn)勢性和精度進行評分和賦予不同權(quán)重，計算加權(quán)平均值求和，由大到小采信前三的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合。以建設(shè)用地數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源的采信規(guī)則設(shè)計為例，如表1所示。

表1 采信規(guī)則設(shè)計

4.3 空間矢量數(shù)據(jù)融合

以數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖的建設(shè)用地層為例，應(yīng)用空間矢量數(shù)據(jù)融合技術(shù)，人工檢視輔助進行矢量數(shù)據(jù)融合。按照采信規(guī)則，分別遍歷圖1中所示的與建設(shè)用地相關(guān)的7個數(shù)據(jù)源，計算各數(shù)據(jù)源的綜合得分，從用地審批數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)和地籍數(shù)據(jù)中識別到具有高空間相似性得面狀實體要素（如圖3）。采信優(yōu)先順序由高到低是：圖3a用地審批數(shù)據(jù)、圖3b土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、圖3c地籍數(shù)據(jù)。通過圖形關(guān)系協(xié)調(diào)、合并、更新等操作，得到了面狀要素空間矢量數(shù)據(jù)融合結(jié)果，如圖3d所示。

圖3 面狀要素空間矢量數(shù)據(jù)融合示例

4.4 屬性數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)匹配解決目標數(shù)據(jù)各圖層之間屬性匹配問題。數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖各圖層是高度相關(guān)的，圖層之間、同一圖層的屬性與空間位置之間有著嚴密的邏輯關(guān)系，如公共和交通設(shè)施的設(shè)施類別與土地利用現(xiàn)狀用地性質(zhì)的一致性，設(shè)施圖層的行政區(qū)劃字段值與設(shè)施實際的空間位置的一致性。首先根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查的總體目標和數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，確定數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖各圖層的屬性結(jié)構(gòu)，梳理各數(shù)據(jù)字段之間的關(guān)系，然后制定屬性字段值的獲取規(guī)則。

采用基于規(guī)則的屬性映射方法生成屬性數(shù)據(jù)。分兩步進行：建立源數(shù)據(jù)屬性和目標數(shù)據(jù)屬性之間的映射和轉(zhuǎn)換規(guī)則，如字段值復(fù)制、分解提取、字段值轉(zhuǎn)換及合成等；對源數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進行計算，獲得目標數(shù)據(jù)所需的字段值并將字段值寫入對應(yīng)圖層屬性表中。

5 結(jié) 語

在廣州市的全域數(shù)字化地現(xiàn)狀圖編制過程中，綜合評估數(shù)據(jù)源的質(zhì)量、業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)性等因素，應(yīng)用計算機技術(shù)開發(fā)軟件工具，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)自動融合，快速編繪數(shù)字用地現(xiàn)狀圖初步成果，再以人機交互方式，對初步成果進行檢查，最終獲得高精度數(shù)字化用地現(xiàn)狀圖成果數(shù)據(jù)。該成果為廣州市國土空間規(guī)劃編制提供詳實準確的用地和設(shè)施的現(xiàn)狀信息，有力的支撐了國土空間規(guī)劃編制。