基于ArcGIS ModelBuilder的LUCC轉(zhuǎn)移矩陣自動(dòng)計(jì)算模型研究

王育紅

(江蘇師范大學(xué) 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

自1995年，“國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)”和“全球環(huán)境變化人文計(jì)劃(HDP)”兩大國際科學(xué)計(jì)劃組織共同擬定發(fā)表《土地利用/覆被變化科學(xué)研究計(jì)劃》以來，土地利用覆被/變化(Land Use/Cover Change，LUCC)一直是世界各國學(xué)術(shù)界持續(xù)關(guān)注和廣泛研究的熱點(diǎn)。人們從不同目的出發(fā)構(gòu)造多種LUCC分析與評價(jià)模型[1]，如空間統(tǒng)計(jì)模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型、智能體模型以及綜合模型等[2]。

轉(zhuǎn)移矩陣作為其中最為核心的基礎(chǔ)性模型，更是被眾多專家學(xué)者所使用。例如，史培軍等利用轉(zhuǎn)移矩陣分析了深圳市1980—1994年間的土地利用變化空間過程[3]；段增強(qiáng)等基于轉(zhuǎn)移矩陣分析挖掘了北京市海淀區(qū)1991—2001年間的土地利用變化信息[4]；謝金開等通過轉(zhuǎn)移矩陣研究了烏魯木齊河下游地區(qū)1989— 2007年間的土地利用/覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[5]；廖諶婳等憑借轉(zhuǎn)移矩陣對中老緬泰交界地區(qū)1990—2010年間的土地利用變化特征進(jìn)行了分析[6]；任東風(fēng)等運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣對于彰武縣2008—2018年間的土地沙漠化問題進(jìn)行了研究[7]。

從文獻(xiàn)資料上看，現(xiàn)有的大多數(shù)研究都是直接給出研究區(qū)的轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果，對其計(jì)算方法與過程往往缺乏深入詳細(xì)的闡述。針對這一情況，文中在界定總結(jié)轉(zhuǎn)移矩陣概念及其計(jì)算原理的基礎(chǔ)上，描述ArcGIS平臺下人工手動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣的過程及工具，并采用ModelBuilder技術(shù)通過集成現(xiàn)有工具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣自動(dòng)批量計(jì)算工具模型。

1 轉(zhuǎn)移矩陣及其計(jì)算原理

LUCC轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的定量描述，可以從數(shù)量和結(jié)構(gòu)上，綜合描述某一地區(qū)在期初和期末限定的研究時(shí)期內(nèi)，各種土地利用/覆被類型之間的總體變化轉(zhuǎn)移情況。在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)移矩陣有兩種形式：即以變化轉(zhuǎn)移面積絕對數(shù)量為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的轉(zhuǎn)移面積矩陣(通常稱為轉(zhuǎn)移矩陣)和以變化轉(zhuǎn)移面積相對數(shù)量為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的轉(zhuǎn)移概率矩陣。

1.1 定義與性質(zhì)

假設(shè)某一研究區(qū)的土地利用/覆蓋類型(簡稱地類)在研究期初(T0)為m種，其編碼值分別為1，2，3，…，m；在研究期末(T1)為n種，其編碼值分別為1，2，…，n。如果n=m，表示研究時(shí)期內(nèi)地類種類沒有變化；如果n>m，表示研究期末地類種類增加；如果n

表1 地類轉(zhuǎn)移面積矩陣

表2 地類轉(zhuǎn)移概率矩陣

1.1.1 地類轉(zhuǎn)移面積矩陣及其基本性質(zhì)

1)aii(i≤min(m,n))表示研究期間地類i沒有發(fā)生變化轉(zhuǎn)移的土地面積。

2)aij(i≠j,1≤i≤m,1≤j≤n)表示研究期初地類i在研究期末向地類j變化轉(zhuǎn)移的土地面積。

3)每一行的面積值之和(記作Ai)表示研究期初地類i對應(yīng)的土地總面積，即：

(1)

4)每一列的面積值之和(記作Ai)表示研究期末地類j對應(yīng)的土地總面積，即：

(2)

5)由于在期初和期末研究區(qū)的土地總面積保持不變，即式(3)恒成立。

(3)

1.1.2 地類轉(zhuǎn)移概率矩陣及其基本性質(zhì)

2)每一行的轉(zhuǎn)移面積比例值之和為1，即式(4)恒成立。

(4)

為全面反映地類變化轉(zhuǎn)移數(shù)量和程度，建議將兩種轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)合起來使用，避免誤判或低估某些地類的變化轉(zhuǎn)移情況。例如，地類變化轉(zhuǎn)移絕對面積值相對較小而相對變化轉(zhuǎn)移比例(概率)值卻很大的情況。但在土地利用/覆蓋空間數(shù)據(jù)集采用經(jīng)緯度地理坐標(biāo)系，不便于計(jì)算真實(shí)面積值的情況下，應(yīng)使用轉(zhuǎn)移概率矩陣。通過轉(zhuǎn)移矩陣可以進(jìn)一步挖掘獲取地類轉(zhuǎn)移變化的凈變化量、交換變化量、總變化量及其持續(xù)性、隨機(jī)性、系統(tǒng)性等特征[8-9]，轉(zhuǎn)移概率矩陣還可用于地類未來構(gòu)成及數(shù)量的估算與預(yù)測[10]。有關(guān)這方面的具體模型與方法，這里不再詳述，請參考相應(yīng)文獻(xiàn)資料。

1.2 基本計(jì)算原理

由于根據(jù)轉(zhuǎn)移面積矩陣可計(jì)算派生出轉(zhuǎn)移概率矩陣，因此本節(jié)及以后內(nèi)容將圍繞轉(zhuǎn)移面積矩陣(簡稱轉(zhuǎn)移矩陣)討論相關(guān)問題。目前，轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算主要利用遙感影像解譯分類后所獲得的土地利用/覆被柵格數(shù)據(jù)集，其核心思想是地類代碼融合。為便于敘述與理解，文中采用具體的示意性數(shù)據(jù)對其進(jìn)行解釋。

假設(shè)研究區(qū)由8×8個(gè)像元組成，反映研究期初與期末土地利用/覆被狀況的柵格數(shù)據(jù)集分別為R0和R1，兩期都有5種地類，分別用代碼1～5表示，前后兩期的具體像元地類代碼值分別如圖1所示，那么根據(jù)R0和R1計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣將由如下兩大步驟組成：

1)采用地圖代數(shù)按照式(5)對R0地類代碼進(jìn)行放大，并將放大處理結(jié)果與R1相加，形成反映地類變化轉(zhuǎn)移情況的柵格數(shù)據(jù)，即:

R01=R0×s+R1.

(5)

其中，s為初地類代碼放大倍數(shù)，其值取決于期末地類代碼最大值的位數(shù)(b)，兩者之間的關(guān)系為s=10b。圖1中R1數(shù)據(jù)集相應(yīng)的b為1，故放大倍數(shù)s為10，因此可得如圖1所示的R01。

如果土地分類柵格數(shù)據(jù)集的像元地類代碼信息以文本名稱、標(biāo)準(zhǔn)編碼等形式表示，計(jì)算前應(yīng)按相應(yīng)的映射規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成連續(xù)的整數(shù)型代碼。

圖1 基于柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移面積矩陣計(jì)算核心思想示意圖

2)對R01中不同編碼值的像元個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)空間分辨率(柵格像元所代表的實(shí)地面積)計(jì)算不同編碼對應(yīng)的土地總面積，并對統(tǒng)計(jì)表格進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換處理以生成轉(zhuǎn)移矩陣。假設(shè)圖1中像元的空間分辨率為10 m×10 m，則對R01進(jìn)行統(tǒng)計(jì),所得表格和最終生成的轉(zhuǎn)移矩陣可分別為表3和表4的形式。

表3 柵格數(shù)據(jù)R01統(tǒng)計(jì)表

表4 轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算結(jié)果

2 基于ArcGIS的計(jì)算方法與模型

ArcGIS是全球著名GIS技術(shù)與軟件提供商—美國ESRI公司發(fā)布的全系列GIS軟件平臺的統(tǒng)稱，主要包括桌面GIS、嵌入GIS、移動(dòng)GIS以及服務(wù)端GIS等多種子系統(tǒng)。據(jù)ARC咨詢公司2019年調(diào)查研究報(bào)告的數(shù)據(jù)顯示，ArcGIS產(chǎn)品占全球GIS市場的45%以上[11]。初步估計(jì)，目前ArcGIS產(chǎn)品也至少占國內(nèi)GIS市場的25%以上?；贏rcGIS在國內(nèi)的應(yīng)用廣泛性，本節(jié)進(jìn)一步討論基于ArcGIS桌面系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣具體計(jì)算方法、步驟及工具。

2.1 手動(dòng)計(jì)算方法

根據(jù)上述原理，使用ArcGIS桌面系統(tǒng)中的ArcMap模塊即可通過人工手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算，具體計(jì)算過程主要包括如下步驟。

2.1.1 生成柵格數(shù)據(jù)集R01

打開位于“空間分析工具箱地圖代數(shù)工具集”下的“柵格計(jì)算器”工具，在該工具中的計(jì)算表達(dá)式窗口中輸入形如“R0”*s+“R1”的表達(dá)式，并指定輸出柵格數(shù)據(jù)集(即R01)存儲格式和位置，確認(rèn)無誤后單擊“確定”生成R01。其中，s為代碼放大系數(shù)。

2.1.2 添加和計(jì)算字段值

打開R01的屬性表，在“ObjectID”、“Value”與“Count”現(xiàn)有字段的基礎(chǔ)上，添加“期初代碼”(整型)、“期末代碼”(整型)和“面積”(浮點(diǎn)型)，并在相應(yīng)字段依次選擇右鍵菜單中的“字段計(jì)算器”，分別使用形如:Left([Value], Len([Value]) -b)、Right([Value],b)、[Count]*r的VB腳本語言計(jì)算表達(dá)式計(jì)算表中記錄3個(gè)字段的相應(yīng)值。其中，b為期末地類代碼最大值位數(shù)；r為R01的空間分辨率(面積值)。

2.1.3 復(fù)制和透視屬性表

打開位于“數(shù)據(jù)管理工具箱表工具集”下的“復(fù)制行”工具，通過該工具將處理后的R01屬性表，復(fù)制備份到指定存儲位置。打開位于“數(shù)據(jù)管理工具箱表工具集”下的“數(shù)據(jù)集透視表”工具，在該工具中選擇剛復(fù)制的表作為輸入表，并分別將輸入字段、透視表字段和值字段三參數(shù)選擇設(shè)置為“期初代碼”“期末代碼”和“面積”字段，最后指定輸出表位置單擊“確定”即完成轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算。

由于ArcGIS表格不支持?jǐn)?shù)值型字段名及單元格的合并，所生成的轉(zhuǎn)移矩陣還難以做到與上述的定義形式完全一致。如果需要可通過修改字段別名，做到除“期初(T0)地類”“期初(T1)地類”字樣之外的非常一致。

通過上述描述可以看出，利用ArcMap手動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣仍是一項(xiàng)比較繁瑣的工作，人機(jī)交互頻繁，所需工具及參數(shù)設(shè)置多，稍有不慎將出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而影響計(jì)算效率及結(jié)果的準(zhǔn)確性。為解決這一問題，作者進(jìn)一步采用Modelbuilder技術(shù)對上述計(jì)算步驟與工具進(jìn)行組合與封裝，構(gòu)建形成一個(gè)通用型自動(dòng)批量計(jì)算工具模型。

2.2 自動(dòng)計(jì)算模型

ModelBuilder是ArcGIS桌面系統(tǒng)中一個(gè)用來創(chuàng)建、編輯和管理模型的子程序，也可將其看作一種可視化編程語言。ModelBuilder可直接利用ArcGIS系統(tǒng)已有的各類工具，按一定的規(guī)則將其有機(jī)組合串聯(lián)起來，最終形成一個(gè)流程化的模型程序，從而實(shí)現(xiàn)高效的分析計(jì)算[12-14]。

根據(jù)上述手動(dòng)計(jì)算流程，可通過如下主要步驟在ModelBuilder模型編輯窗口中創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換矩陣自動(dòng)計(jì)算模型工具。

2.2.1 添加輸入變量

為提高所建模型工具的通用性，添加兩個(gè)柵格圖層類型和一個(gè)整數(shù)類型的變量，其名稱分別為“期初柵格數(shù)據(jù)集”“期末柵格數(shù)據(jù)集”和“期末地類代碼最大值位數(shù)”。

2.2.2 添加、設(shè)置、連接現(xiàn)有處理工具

通過拖拽方式依次從ArcMap系統(tǒng)工具箱里將“計(jì)算值”(位于數(shù)據(jù)管理工具箱常規(guī)工具集下，用于計(jì)算放大倍數(shù))、“柵格計(jì)算器”“添加字段”“計(jì)算字段”(與前一個(gè)工具一樣都位于數(shù)據(jù)管理工具箱字段工具集下，都需要添加3個(gè))，“獲取柵格屬性”(位于數(shù)據(jù)管理工具箱柵格工具集下，需要添加兩個(gè)分別用于獲取單個(gè)像元的寬度值和高度值)、“復(fù)制行”“數(shù)據(jù)透視表”等工具添加到模型編輯窗口中。

在添加工具之后，依次打開相應(yīng)處理工具通過選擇已有變量及相關(guān)工具輸出結(jié)果或手動(dòng)輸入的方式設(shè)置處理工具所需參數(shù)，并將工具連接起來形成工作流。為提高模型易于閱讀和理解的程度，還需進(jìn)一步修改工具及其輸出結(jié)果的名稱。

2.2.3 設(shè)置輸出變量及模型屬性

為方便處理結(jié)果的管理、查看與對比，除“數(shù)據(jù)透視表”工具輸出的最終處理結(jié)果(即轉(zhuǎn)移矩陣)外，還將“柵格計(jì)算器”工具輸出的中間處理結(jié)果(即研究期內(nèi)地類變化轉(zhuǎn)移柵格數(shù)據(jù)集)設(shè)置為輸出變量。

在驗(yàn)證模型能無誤運(yùn)行后，在模型屬性對話框的“參數(shù)”選項(xiàng)卡中調(diào)整變量參數(shù)顯示順序，將“期末地類代碼最大值位數(shù)”的過濾器參數(shù)設(shè)置為“值列表”，并添加1、2、3等3個(gè)可選值。另外，在“常規(guī)”選項(xiàng)卡中，為名稱、標(biāo)簽、描述等參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確的信息，以方便工具的查找和使用。

最后所得到的模型工具內(nèi)部工作流程及外部運(yùn)行界面效果分別如圖2與圖3所示。

圖2 模型內(nèi)部工作流程

3 初步實(shí)驗(yàn)與效率對比

為了對比分析上述計(jì)算方法與工具的效率性能，筆者以前期相關(guān)研究積累的南京、鄭州、徐州3地在不同時(shí)期的6幅土地利用分類柵格數(shù)據(jù)集為例進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)。其中，南京市包括城市用地、非城市用地以及未定義用地3種地類，鄭州、徐州兩地包括水體、林地、農(nóng)田、菜地、旱地、建設(shè)用地6種地類。筆者邀請3位本科生使用這些數(shù)據(jù)在各自的筆記本電腦上，分別采用手動(dòng)和自動(dòng)方式對相應(yīng)時(shí)期內(nèi)的轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行10次計(jì)算。

圖3 模型外部運(yùn)行界面效果圖

表5給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本特征及每人的平均計(jì)算用時(shí)。從表中可以看出，通過模型自動(dòng)計(jì)算用時(shí)平均可比人工手動(dòng)計(jì)算縮短10倍以上。另外，該工具只需要選擇輸入5個(gè)參數(shù)，避免常規(guī)手動(dòng)計(jì)算方法用戶全程參與、工具及參數(shù)設(shè)置多、人機(jī)交互頻繁、易出錯(cuò)的不足。

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集基本特征及計(jì)算用時(shí)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

文中在界定總結(jié)轉(zhuǎn)移矩陣概念、性質(zhì)及其計(jì)算原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述ArcGIS桌面系統(tǒng)下的人工手動(dòng)計(jì)算方法與自動(dòng)計(jì)算模型創(chuàng)建過程，為土地資源管理、規(guī)劃、科研以及相關(guān)開發(fā)人員提供有益的理論參考與技術(shù)支持。隨著全國土地利用調(diào)查及地理國情監(jiān)測等國家重大戰(zhàn)略工程的常態(tài)化實(shí)施，我國土地利用/覆被矢量正以前所未有的速度快速增長，亟需開展深層次的挖掘分析。針對這一需要，研究創(chuàng)建基于矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移矩陣自動(dòng)計(jì)算方法和模型工具將是下一步研究工作的重點(diǎn)。