基于語義模型的國土調(diào)查數(shù)據(jù)與森林小班數(shù)據(jù)漸進(jìn)精化的融合策略研究

馮永玉，楊仕勇，王芳，王學(xué)，劉偉，王燕

（1.山東省國土空間數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東元鴻勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

第三次國土調(diào)查（以下簡稱“三調(diào)”）為國情國力調(diào)查，其調(diào)查數(shù)據(jù)是核定各地實際耕地保有量、新增建設(shè)用地數(shù)量以及建設(shè)用地審批、國土空間規(guī)劃編制、國土空間生態(tài)修復(fù)等各項自然資源管理工作的依據(jù)［1］。森林資源是國家重要的自然和戰(zhàn)略資源，在木材保障、林產(chǎn)品供給以及維護(hù)國土生態(tài)安全中居于核心地位［2］，小班是森林保護(hù)、規(guī)劃、統(tǒng)計、經(jīng)營和管理的基本單元［3］。

自然資源部和林業(yè)部對林地界定存在差異，既存在自然資源部認(rèn)定為林地而林業(yè)部未認(rèn)定的現(xiàn)象，又存在自然資源部未認(rèn)定為林地而林業(yè)部認(rèn)定的現(xiàn)象［4-5］。出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因錯綜復(fù)雜，主要包括地類認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)不同、調(diào)查方法不同、調(diào)查時點(diǎn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同等［6-8］。

當(dāng)前，針對國土調(diào)查數(shù)據(jù)與林業(yè)數(shù)據(jù)融合工作研究已取得一定成果。如陳信旺等［9］對國土部與林業(yè)部的林地界定進(jìn)行了差異性分析，得出經(jīng)濟(jì)林（園地）是造成林業(yè)部與國土部林地界定差異的主要原因；許雪玲［10］利用ArcGIS建模工具對福建省森林資源與國土資源數(shù)據(jù)的銜接進(jìn)行了研究，分析了林業(yè)與國土數(shù)據(jù)的差異情況，在技術(shù)層面形成了標(biāo)準(zhǔn)的“內(nèi)業(yè)操作流程”，規(guī)范了工作方式；張敏中等［2］通過對新疆林業(yè)與國土數(shù)據(jù)銜接方法的研究，提出了林業(yè)與國土數(shù)據(jù)更好銜接的原則和建議。

現(xiàn)有對國土調(diào)查數(shù)據(jù)與林業(yè)數(shù)據(jù)融合工作的研究只是提出相關(guān)原則與建議，并未提出切實可行的融合關(guān)聯(lián)方法，更未在第三次國土調(diào)查工作中應(yīng)用。園地是造成兩者差異的原因，但灌木林或其他地類是否存在影響未進(jìn)行說明；國土調(diào)查與林業(yè)調(diào)查的界線存在差異，國土調(diào)查為國家下發(fā)，林業(yè)邊界為實際測量，當(dāng)邊界不一致時如何處理未進(jìn)行說明；國土調(diào)查的地類與林業(yè)調(diào)查的地類存在對應(yīng)關(guān)系，但對應(yīng)關(guān)系并不明確。因此，本文通過分析兩類數(shù)據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)內(nèi)容和屬性結(jié)構(gòu)等，利用試點(diǎn)實驗數(shù)據(jù)，提出了三調(diào)數(shù)據(jù)與森林資源小班數(shù)據(jù)的融合關(guān)聯(lián)方法，并在三調(diào)中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，研究結(jié)果以期為其他地區(qū)兩類數(shù)據(jù)的融合提供科學(xué)依據(jù)。

1 試點(diǎn)數(shù)據(jù)概況

淄川區(qū)位于山東省淄博市中部，東經(jīng)117°41′～118°14′，北緯36°22′～36°45′。南與淄博市博山區(qū)相鄰，西與濟(jì)南市章丘區(qū)相接，北與周村、張店、臨淄三區(qū)接壤，東傍青州市，屬溫帶季風(fēng)氣候。在第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量核查工作中，發(fā)現(xiàn)淄川區(qū)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，因此選取淄川區(qū)第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)和森林資源小班數(shù)據(jù)為試點(diǎn)數(shù)據(jù)。

山東省機(jī)構(gòu)改革以后，原山東省林業(yè)廳與山東省國土資源廳合并為山東省自然資源廳，因此山東省具備了以第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展森林資源專業(yè)調(diào)查的優(yōu)勢。山東省自2019年開始探索森林資源“一張圖”與三調(diào)成果的初步銜接，經(jīng)過一年探索，在2020年林業(yè)變更調(diào)查工作部署中實施。2020年森林資源“一張圖”工作以三調(diào)統(tǒng)一時點(diǎn)的更新數(shù)據(jù)庫為底圖，對林業(yè)小班進(jìn)行重新區(qū)劃。對于三調(diào)成果數(shù)據(jù)中的林地圖斑與原來森林資源“一張圖”中的林業(yè)小班地類定義相同的部分，根據(jù)三調(diào)的圖斑邊界，重新區(qū)劃林業(yè)小班，保持邊界一致。對于三調(diào)數(shù)據(jù)中的非林地圖斑，由于三調(diào)分類標(biāo)準(zhǔn)與林業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn)不一致，制定兩者間地類對應(yīng)關(guān)系表；三調(diào)數(shù)據(jù)中的非林地圖斑若符合森林資源地類分類系統(tǒng)，則保留在森林資源“一張圖”中，反之則舍棄。

建立第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)與森林小班數(shù)據(jù)的融合關(guān)系，可為圖斑要素級直觀展現(xiàn)三調(diào)圖斑的森林調(diào)查細(xì)化因子，以及因地類分類劃定含義不同造成森林面積、林木綠化率等統(tǒng)計表差異的分析提供數(shù)據(jù)支撐［12］。

2 漸進(jìn)精化的數(shù)據(jù)融合策略

2.1 基于分類標(biāo)準(zhǔn)的地類初步對應(yīng)

由于自然資源部和林業(yè)部對林地的界定存在一定差異，造成同一地類被三調(diào)與森林調(diào)查劃定為不同類別。如三調(diào)中的其他林地，其劃分含義與森林中的喬木林存在重合，造成匯總統(tǒng)計不一致［13-14］。

為便于三調(diào)數(shù)據(jù)與森林小班數(shù)據(jù)的融合工作，解決差異帶來的混亂，按照“數(shù)據(jù)可分析，差異可處理”原則，對第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)分類表和森林資源地類分類系統(tǒng)［15］進(jìn)行仔細(xì)研讀，并與林業(yè)部相關(guān)專家共同制定出“第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)分類與森林資源地類分類對應(yīng)關(guān)系表”，簡稱“地類對應(yīng)關(guān)系表”（表1）。

表1 第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)分類與森林資源地類分類對應(yīng)關(guān)系表Tab.1 Correspondence table between the work classification of the third land survey and the classification of forest resource and land

2.2 基于空間分析與人工判讀的地類對應(yīng)優(yōu)化

本研究基于第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)分類與森林資源地類分類對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合淄川區(qū)試點(diǎn)數(shù)據(jù)，首先開展分類劃定、影像判讀、人工分析和結(jié)果統(tǒng)計等工作，然后結(jié)合其他屬性判斷條件，分析統(tǒng)計三調(diào)圖斑地類與森林小班地類不同對應(yīng)關(guān)系的發(fā)生概率，為優(yōu)化地類對應(yīng)關(guān)系提供數(shù)據(jù)支持。

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

在建立地類對應(yīng)關(guān)系表的基礎(chǔ)上，首先從淄川區(qū)第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)和森林小班數(shù)據(jù)中提取需要進(jìn)行融合操作的要素圖層，包括三調(diào)數(shù)據(jù)中的地類圖斑圖層和森林“一張圖”數(shù)據(jù)中的小班圖層；其次對提取出的三調(diào)地類圖斑圖層和森林“一張圖”小班圖層進(jìn)行空間疊加分析，得到兩個圖層的交集部分，并且原圖層的所有屬性同時在新圖層上顯示［16-18］，此新圖層為待融合數(shù)據(jù)；最后在新圖層中新增“判讀結(jié)果”屬性字段，形成“試點(diǎn)數(shù)據(jù)分析庫”。通過人機(jī)交互方式，對“試點(diǎn)數(shù)據(jù)分析庫”進(jìn)行判讀：當(dāng)判讀圖斑所屬的三調(diào)圖斑地類與影像一致時，判讀結(jié)果標(biāo)注為“符合”；反之，標(biāo)注為“不符合”。判讀標(biāo)注完成后的數(shù)據(jù)庫稱為“試點(diǎn)數(shù)據(jù)分析成果庫”。

2.2.2 地類對應(yīng)關(guān)系分析

待融合數(shù)據(jù)共有177480個圖斑，選取其中124236個圖斑（占總圖斑數(shù)的70%）進(jìn)行試驗，用剩余的53244個圖斑進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證，如果地類對應(yīng)關(guān)系占比達(dá)到90%以上，可將其對應(yīng)關(guān)系增加到第三次國土調(diào)查工作分類與森林資源地類分類對應(yīng)關(guān)系表中。對試點(diǎn)數(shù)據(jù)分析成果庫進(jìn)行地類對應(yīng)關(guān)系分析，結(jié)果如下：

（1）通過對三調(diào)果園對應(yīng)情況分析（圖1），發(fā)現(xiàn)森林地類中喬木林占比78%，比重較大，符合地類對應(yīng)關(guān)系表；其他灌木林占比也較大，建議增加到對應(yīng)關(guān)系表中；未成林造林地、宜林荒山荒地占比也較大，原因可能是調(diào)查時點(diǎn)不同［19］。

圖1 三調(diào)果園對應(yīng)情況分析圖Fig.1 Corresponding situation analysis diagram of three-tone orchard

（2）通過對三調(diào)其他園地對應(yīng)情況分析（圖2），發(fā)現(xiàn)森林地類中國家特別規(guī)定灌木林占比最大，符合地類對應(yīng)關(guān)系表；喬木林占比也較大，為22.79%，建議增加到地類對應(yīng)關(guān)系表中；未成林造林地、宜林荒山荒地占比也較大，可能與調(diào)查時點(diǎn)不同有關(guān)。

圖2 三調(diào)其他園地對應(yīng)情況分析圖Fig.2 Corresponding situation analysis of other gardens in the third-survey

（3）通過對三調(diào)喬木林地對應(yīng)情況分析（圖3），發(fā)現(xiàn)森林地類中喬木林所占比例最大，為68%，符合地類對應(yīng)關(guān)系表；其他灌木林也占較大比例，建議將其增加到地類對應(yīng)關(guān)系表中；未成林造林地、宜林荒山荒地兩類占比較大，可能與調(diào)查時點(diǎn)不同有關(guān)。

圖3 三調(diào)喬木林地對應(yīng)情況分析圖Fig.3 Corresponding situation analysis diagran of third-survey trees

（4）通過對三調(diào)灌木林地對應(yīng)情況分析（圖4），發(fā)現(xiàn)森林地類中喬木林所占比例為53.16%，比例最大，可能與兩者的劃分含義不同有關(guān)，建議增加到地類對應(yīng)關(guān)系表中；未成林造林地、宜林荒山荒地兩類占比較大，可能與調(diào)查時點(diǎn)不同有關(guān)；其他灌木林占比13.75%，所占比例也較大，符合地類對應(yīng)關(guān)系表。

圖4 三調(diào)灌木林地對應(yīng)情況分析圖Fig.4 Corresponding situation analysis diagran of third-survey shrub forest

（5）通過對三調(diào)其他林地對應(yīng)情況分析（圖5），發(fā)現(xiàn)森林地類中喬木林占比72%，比例最大，可能與兩者的劃分含義不同有關(guān)，建議增加到地類對應(yīng)關(guān)系表中；灌木林地占比3%，是否可以增加到地類對應(yīng)關(guān)系表，需進(jìn)一步討論；未成林造林地、苗圃地等綜合占比也較大，符合地類對應(yīng)關(guān)系表。

圖5 三調(diào)其他林地對應(yīng)情況分析圖Fig.5 corresponding situation analysis diagram of third-survey other forest

（6）三 調(diào) 公 園 與 綠 地（0810）、鐵 路 用 地（1001）、軌道交通用地（1002）、公路用地（1003）、城鎮(zhèn)村道路用地（1004）、交通服務(wù)場站用地（1005）、農(nóng)村道路（1006）、機(jī)場用地（1007）、港口碼頭用地（1008）、管道運(yùn)輸用地（1009）、河流水面（1101）、湖泊水面（1102）、水庫水面（1103）、坑塘水面（1104）、溝渠（1107）和水工建筑用地（1109）符合地類對應(yīng)關(guān)系，森林地類均是對它們用地所含綠化部分的細(xì)化。

本次選取的淄川區(qū)試點(diǎn)數(shù)據(jù)不存在竹林地（0302）、紅樹林地（0303）、森林沼澤（0304）、灌叢沼澤（0306）、茶園（0202）、橡膠園（0203）、竹林地（0302）、特殊用地（09）和田坎（1203）地類，因此無法對其對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。

通過對試點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行影像判讀、人工分析和結(jié)果統(tǒng)計，并向林業(yè)專家多次咨詢后，形成了優(yōu)化的第三次國土調(diào)查工作分類與森林資源地類分類對應(yīng)關(guān)系表。具體內(nèi)容見表2。

表2 優(yōu)化后的第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)分類與森林資源地類分類對應(yīng)關(guān)系表Tab.2 Correspondence table between the classification of the third land survey and the classification of forest resources and land

續(xù)表2

2.3 融合關(guān)聯(lián)庫構(gòu)建

2.3.1 融合關(guān)聯(lián)模型建立

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模式中，三調(diào)數(shù)據(jù)與森林資源“一張圖”數(shù)據(jù)只是簡單的圖層疊加，彼此孤立管理。通過融合關(guān)聯(lián)模型，建立了同一空間位置不同圖層要素間融合關(guān)聯(lián)的紐帶，打破了原孤立管理的模式。

語義模型是語義元素間關(guān)系緊密程度的空間度量，在關(guān)系模型基礎(chǔ)上增加全新的數(shù)據(jù)構(gòu)造器和數(shù)據(jù)處理原語，用于表達(dá)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和豐富語義的一類新數(shù)據(jù)模型。本研究提出的數(shù)據(jù)融合關(guān)聯(lián)模型就是在語義模型架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過漸進(jìn)精化的技術(shù)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)融合關(guān)聯(lián)工作，從而在兩類數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)紐帶，不改變原有數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)更新，模型同步變化。首先通過地類對應(yīng)關(guān)系，使兩類數(shù)據(jù)在同一空間位置下進(jìn)行邏輯匹配與篩選；其次將篩選后的數(shù)據(jù)以關(guān)聯(lián)字段為橋梁，通過細(xì)化因子模型（表3）在省級第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中以圖斑要素級直觀展現(xiàn)三調(diào)圖斑的森林調(diào)查細(xì)化因子；最后通過差異分析模型（表4），找到森林調(diào)查面積和三調(diào)林地面積存在差異的原因。

表3 細(xì)化因子模型屬性結(jié)構(gòu)描述表Tab.3 Refinement factor model attribute structure description table

續(xù)表3

表4 差異分析模型屬性結(jié)構(gòu)表Tab.4 Attribute structure table of difference analysis model

2.3.2 融合關(guān)聯(lián)模型應(yīng)用

通過前面建立的兩類數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型對淄川區(qū)試點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了反向試驗，以驗證三調(diào)數(shù)據(jù)與森林小班數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確度，經(jīng)過統(tǒng)計分析，準(zhǔn)確度達(dá)91%以上，符合實驗預(yù)期，證明該方法切實可行。具體統(tǒng)計情況見表5。

表5 準(zhǔn)確度分析表Tab.5 Accuracy analysis table

對前期經(jīng)過圖層提取并進(jìn)行空間疊加分析的新圖層（待融合數(shù)據(jù)），進(jìn)行數(shù)據(jù)融合工作。通過融合關(guān)聯(lián)模型（圖6）和優(yōu)化后的地類對應(yīng)關(guān)系表，對融合數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取，形成第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)與森林小班數(shù)據(jù)融合關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫（圖7），該融合關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫直觀地展示了第三次國土調(diào)查與森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息。

圖6 融合關(guān)聯(lián)模型Fig.6 Fusion association model

圖7 第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)與森林資源小班數(shù)據(jù)融合關(guān)聯(lián)庫內(nèi)容展示Fig.7 Content display of the data of the third land survey and the small class data fusion of forest resources

3 結(jié)論

（1）通過對淄川區(qū)試點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，提出了一種關(guān)于第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)與森林資源數(shù)據(jù)的漸進(jìn)精化融合方法。利用融合關(guān)聯(lián)模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)與森林小班數(shù)據(jù)融合關(guān)聯(lián)庫。該融合關(guān)聯(lián)庫一方面為圖斑要素級直觀展現(xiàn)三調(diào)圖斑的森林調(diào)查細(xì)化因子提供了技術(shù)支撐；另一方面為因地類分類劃定含義不同造成的森林面積、林木綠化率等統(tǒng)計表的差異分析提供了數(shù)據(jù)支撐。

（2）通過對國土調(diào)查數(shù)據(jù)與森林小班數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)地類劃分規(guī)程和統(tǒng)計口徑的不同是造成森林調(diào)查面積和三調(diào)林地面積存在差異的原因；統(tǒng)計口徑不一是造成統(tǒng)計差異的主要原因。通過差異分析模型，找到了差異問題的解決辦法。

（3）本文方法具有一定普適性。該方法以第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)為底圖，研究自全國第二次林地調(diào)查以來林地的變化情況，進(jìn)行林地數(shù)據(jù)與三調(diào)數(shù)據(jù)融合關(guān)聯(lián)工作，為其提供了技術(shù)支撐。

（4）本文提出的融合關(guān)聯(lián)模型還存在一定不足，由于試點(diǎn)數(shù)據(jù)的局限性，存在某些地類關(guān)系無法細(xì)化，一定程度上影響了數(shù)據(jù)融合工作的指導(dǎo)性，因此，進(jìn)一步細(xì)化地類對應(yīng)關(guān)系應(yīng)作為本研究后續(xù)的重點(diǎn)。