·環(huán)境科學(xué)·

土地利用圖斑自動(dòng)綜合智能方法應(yīng)用研究

張?zhí)K1，陳正江1，高潔2，謝元禮1，段漢明1

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安710127；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710018)

摘要：提出適用于土地利用現(xiàn)狀圖的地圖自動(dòng)綜合方案,提高土地利用現(xiàn)狀圖制圖綜合的自動(dòng)化程度。采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中變化的閉運(yùn)算及基于Majority Filter的元胞自動(dòng)機(jī)模型。闡述了實(shí)現(xiàn)該方法的詳細(xì)過(guò)程,綜合結(jié)果分析表明,在大幅減少圖斑數(shù)量的同時(shí)土地利用結(jié)構(gòu)保持基本不變。結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法與元胞自動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行土地利用制圖綜合,能有效提高綜合的自動(dòng)化程度,并取得較好的綜合效果。

關(guān)鍵詞：土地利用;自動(dòng)綜合;數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué);元胞自動(dòng)機(jī)

收稿日期：2014-04-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178163)

作者簡(jiǎn)介：張?zhí)K,男,貴州貴陽(yáng)人,西北大學(xué)博士生,從事遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：P285.23

Applied research of intelligent method for automatic

generalization of land use patch

ZHANG Su1， CHEN Zheng-jiang1， GAO Jie2, XIE Yuan-li1， DUAN Han-ming1

(1.College of Urban and Environment, Northwest University, Xi′an 710127, China;

2.Shaanxi College of Communication Technology, Xi′an 710018, China)

Abstract:A plan is proposed for automatic generalization which is suitable for the present land use map, improveing the degree of automation of cartographic generalization for the present land use map. The methods are based on expansion and corrosion operators of mathematical morphology and majority filter rule in cellular automata. Details of the study is presented, and the analysis of generalization results shows that the number of patch reduced drastically while land use structure remain unchanged. The intelligent method for land use map generalization which is combined with mathematical morphology and cellular automata, is able to improve the generalization process of automation and achieve good generalization effect.

Key words: land use; cartographic generalization; mathematical morphology; cellular automata

土地利用現(xiàn)狀圖是對(duì)一個(gè)地區(qū)一定時(shí)期內(nèi)的土地利用情況全面、系統(tǒng)的記錄,記錄了豐富的自然與社會(huì)屬性信息,在宏觀(guān)決策、規(guī)劃管理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)、科研等方面發(fā)揮著重要作用[1]。在開(kāi)展第二次全國(guó)土地調(diào)查(以下簡(jiǎn)稱(chēng)二調(diào))后,我國(guó)現(xiàn)已建立了覆蓋全國(guó)范圍的土地利用數(shù)據(jù)庫(kù),這一成果對(duì)土地管理部門(mén)或科研機(jī)構(gòu)來(lái)講無(wú)疑都是重要的參考數(shù)據(jù)。但是，第二次全國(guó)土地調(diào)查是基于1∶10 000開(kāi)展的,在很多情況下我們需要印制更小比例尺土地利用圖,就必須進(jìn)行綜合縮編。

1智能化綜合方法原理

對(duì)于土地利用圖斑而言,制圖綜合即為在保持土地利用結(jié)構(gòu)以及空間布局形態(tài)不變的前提下,進(jìn)行土地利用圖斑的化簡(jiǎn)及土地利用分類(lèi)體系的歸并,達(dá)到對(duì)土地利用現(xiàn)狀圖的綜合化簡(jiǎn)。土地利用圖一般是矢量格式,本文基于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,須將土地利用圖轉(zhuǎn)換為柵格格式。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)用于土地利用圖斑綜合,可以對(duì)圖斑進(jìn)行概括、化簡(jiǎn)、移位等,但問(wèn)題是該方法僅針對(duì)單一屬性的對(duì)象,若同時(shí)運(yùn)算則會(huì)產(chǎn)生大量的破碎圖斑,因此僅使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)一幅完整地圖的綜合。利用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行土地利用制圖綜合,可簡(jiǎn)化圖斑邊界、實(shí)現(xiàn)圖斑概括及小圖斑的融合,但問(wèn)題是對(duì)圖斑概括的效果不佳。因此,本文利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在處理大數(shù)據(jù)量圖斑融合上的優(yōu)勢(shì)及元胞自動(dòng)機(jī)善于化簡(jiǎn)圖斑邊界和融合細(xì)小圖斑的特點(diǎn),提出土地利用圖斑的自動(dòng)綜合方法。具體方法如圖1所示。

圖1　智能化土地利用圖斑綜合方法 Fig.1　Intelligent generalization method of land use patch

1.1利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行圖斑聚合,問(wèn)題的關(guān)鍵是確定最小圖斑距離參數(shù)。根據(jù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法原理,以3×3柵格為基本結(jié)構(gòu)元,經(jīng)過(guò)膨脹和腐蝕運(yùn)算的反復(fù)迭代,以達(dá)到圖斑融合的效果。其中,將3×3柵格選作基本結(jié)構(gòu)元的原因在于能夠在膨脹運(yùn)算的迭代次數(shù)與實(shí)現(xiàn)融合的圖斑最小距離間建立明確的數(shù)量關(guān)系,因而可以通過(guò)控制膨脹運(yùn)算迭代次數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)圖斑不同程度的融合效果。具體公式如下:

D=cellsize×2×i

(1)

其中,D代表圖斑融合距離下限,cellsize代表柵格大小,i代表膨脹運(yùn)算次數(shù)。在經(jīng)過(guò)i次膨脹運(yùn)算后,結(jié)果是小于距離下限D(zhuǎn)的圖斑進(jìn)行融合(見(jiàn)圖2)。

圖2　膨脹與腐蝕綜合效果 Fig.2　Generalization effect of expansion and corrosion

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算針對(duì)單一屬性圖斑,在運(yùn)算完成后需對(duì)圖斑進(jìn)行疊加處理,但在疊加時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同地類(lèi)圖斑沖突,因此需要建立沖突處理原則,將其按級(jí)別順序進(jìn)行地類(lèi)合并。優(yōu)先級(jí)越高,地類(lèi)疊加面積變化率越小。

課程內(nèi)容是課程目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的載體，課程目標(biāo)的完成僅僅依靠單個(gè)教育活動(dòng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為了增強(qiáng)經(jīng)歷活動(dòng)教育的有效性，教師可圍繞經(jīng)歷活動(dòng)的總目標(biāo)，結(jié)合家長(zhǎng)資源、社區(qū)資源、幼兒園資源，將原來(lái)不成體系的、零散的經(jīng)歷活動(dòng)根據(jù)幼兒的年齡特點(diǎn)進(jìn)行重新梳理、整體規(guī)劃，并將每個(gè)年齡段的經(jīng)歷教育活動(dòng)設(shè)置為五個(gè)模塊，即日常生活活動(dòng)、主題探索活動(dòng)、社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)、親子互動(dòng)活動(dòng)和自我表現(xiàn)活動(dòng)，每一個(gè)經(jīng)歷活動(dòng)隸屬于某一模塊。隨著研究的進(jìn)一步深入，新的經(jīng)歷活動(dòng)內(nèi)容不斷涌現(xiàn)，使經(jīng)歷活動(dòng)具有延續(xù)性，使幼兒的興趣得到滿(mǎn)足，使幼兒的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)得到提升。

1.2基于元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行圖斑綜合

元胞自動(dòng)機(jī)是定義在一個(gè)由具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空間上,按照一定局部規(guī)則,在離散的時(shí)間維上演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),采用一定的元胞演化規(guī)則,驅(qū)動(dòng)單個(gè)元胞狀態(tài)發(fā)生變化,從而在大范圍內(nèi)呈現(xiàn)出宏觀(guān)的變化規(guī)律與結(jié)果。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)圖斑融合運(yùn)算后,將“眾數(shù)濾波(Majority Filter)”作為元胞運(yùn)算規(guī)則，對(duì)土地利用圖斑進(jìn)行綜合處理,該算法具體如下:

For 循環(huán)遍歷圖像

{For 遍歷圖像中每一個(gè)柵格

{If 鄰域內(nèi)存在與中心柵格同屬一類(lèi)的柵格中心柵格屬性值保持不變Else 改變中心柵格屬性值為鄰域內(nèi)出現(xiàn)最多的值}}

眾數(shù)濾波算法的核心思想是用鄰域內(nèi)柵格數(shù)值的眾數(shù)替換中心柵格作為下一時(shí)刻該中心柵格的數(shù)值,如此進(jìn)行迭代運(yùn)算,最后運(yùn)算的結(jié)果在對(duì)小圖斑進(jìn)行融合的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了圖斑邊界的化簡(jiǎn),具體算法如圖3所示。

圖3　眾數(shù)濾波算法示意圖(以3×3鄰域?yàn)槔? Fig.3　Algorithm diagram of majority filter(3×3 neighborhood)

1.3利用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行小圖斑融合

利用元胞自動(dòng)機(jī)眾數(shù)濾波規(guī)則進(jìn)行綜合后,地圖中仍存在部分小于最小上圖面積的圖斑,需要將該部分小圖斑融合到周邊的大圖斑中。這一步驟也采用眾數(shù)濾波規(guī)則,具體運(yùn)算時(shí)僅選取小于面積的圖斑,具體融合效果如圖4所示。

圖4　小圖斑融合 Fig.4　Amalgamation of little patch

2實(shí)驗(yàn)與分析

本文將秦嶺腹地某地區(qū)二調(diào)1∶1萬(wàn)土地利用現(xiàn)狀圖作為研究對(duì)象,采用本文的智能化方法,以綜合至1∶5萬(wàn)比例尺為目標(biāo)進(jìn)行土地利用圖斑的綜合實(shí)驗(yàn)。二調(diào)中規(guī)定的最小上圖面積為400㎡,按照等比縮小的原則,限定綜合后最小上圖面積為10 000㎡,為對(duì)比綜合效果,選擇最小上圖面積4 000㎡進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。表1是對(duì)制圖綜合前后幾個(gè)主要變化指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,“4 000”,“10 000”分別代表該綜合結(jié)果中圖斑面積的下限。

表1　制圖綜合前后土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)用地(耕、園、林、草等)和建設(shè)用地為主要地類(lèi),制圖綜合后這些圖斑數(shù)量大幅削減,但面積變化率仍維持在10%左右,取得了較好的效果。其中,建設(shè)用地中的村莊用地在經(jīng)過(guò)綜合后面積變化率相對(duì)較高,近30%。這與樣區(qū)位于秦嶺腹地,地勢(shì)起伏較大,村莊建設(shè)普遍分散的空間分布特點(diǎn)有很大關(guān)系。此外,在本地區(qū)所占比例極少的土地類(lèi)型,如面狀公路、水工建筑等,綜合后圖斑或被全部取舍或被部分取舍。由此看出,圖斑綜合后并未對(duì)當(dāng)?shù)氐耐恋乩媒Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯改變。

3結(jié)論

1)本文基于柵格數(shù)據(jù)模型提出了一種智能化土地利用制圖綜合方法。只需在綜合初期設(shè)置一定的參數(shù)即可完成整個(gè)綜合過(guò)程,過(guò)程中無(wú)需人為干預(yù)。最后的綜合結(jié)果對(duì)于組成研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)占主體的耕、園、林、建制鎮(zhèn)、采礦用地等地類(lèi)的面積變化率控制在10%左右,綜合前后土地利用結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化,取得了較好的綜合效果。相比采用矢量數(shù)據(jù)模型的綜合方法,本文提出方法能避免圖斑重疊與空洞問(wèn)題,簡(jiǎn)化了模型的實(shí)現(xiàn)難度;數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)模型與元胞自動(dòng)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)技術(shù)較為成熟,算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔,因此能將主要精力集中于對(duì)模型的優(yōu)化與參數(shù)的研究。

2)結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)與元胞自動(dòng)機(jī)的方法能夠彌補(bǔ)使用單一方法的不足。以往研究較為詳細(xì)的闡述了分別利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)與元胞自動(dòng)機(jī)方法進(jìn)行制圖綜合的作用與不足,而本文研究將兩種方法結(jié)合起來(lái),彌補(bǔ)使用單一方法的不足,實(shí)現(xiàn)了完整的土地利用綜合過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明,利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的膨脹與腐蝕運(yùn)算對(duì)于土地利用圖斑的融合與聚合作用明顯,之后的元胞自動(dòng)機(jī)運(yùn)算能有效地去除因數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算產(chǎn)生的毛刺與破碎圖斑,同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖斑的化簡(jiǎn)、刪除與聚合。

3)制圖綜合的程度及綜合結(jié)果的好壞與運(yùn)算初始選擇的參數(shù)密切相關(guān),其中數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)膨脹腐蝕的重復(fù)次數(shù)、圖層疊置順序、元胞自動(dòng)機(jī)的鄰域類(lèi)型與半徑、演化次數(shù)、柵格大小等參數(shù)是影響綜合結(jié)果的重要因素,因此針對(duì)綜合時(shí)不同參數(shù)設(shè)置對(duì)綜合效果的影響以及制圖綜合的適宜參數(shù)組的選擇需要進(jìn)一步的討論。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝書(shū)明.淺談土地利用現(xiàn)狀圖的地位和作用[J].測(cè)繪科技通訊,1995(1):37-38.

[2]武芳,錢(qián)海忠.面向地圖自動(dòng)綜合的空間信息智能處理[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[3]CYNTHIA A, BUTTENFIELD B B P. Mastering map scale: balancing workloads using display and geometry change in multi-scale mapping[J]. GeoInformatica, 2010, 14(2): 221-239.

[4]閆浩文,王家耀,地圖群(組)目標(biāo)描述與自動(dòng)綜合[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[5]何宗宜.地圖數(shù)據(jù)處理模型的原理與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004.

[6]趙仁亮,陳軍,王東華,等.數(shù)字環(huán)境下的數(shù)據(jù)縮編更新方法[J].地理信息世界,2008(3):17-20,47.

[7]SU B,LI Z.An algebraic basis for digital generalization of area-patches based on morphological techniques[J].The Cartorgraphic Journal,1995,32(2):148-153.

[8]LI Z,SU B.Algebraic models for feature displacement in the generalization of digital map data using morphological techniques[J].Cartographica,1996,32(3):39-56.

[9]LI Z,SU B,LODWICK G,et al.Morphological transformation for the elimination of area features in digital map generalization[J].Cartography,1997,26(2):23-30.

[10]艾廷華,劉耀林.土地利用數(shù)據(jù)綜合中的聚合與融合[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版,2002,27(5):486-492.

(編輯徐象平)