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    第二次全國土地調(diào)查成果現(xiàn)勢性評估方法

    2016-05-14 09:12:26郭綠奕戴韞卓杜震洪李榮亞浙江大學(xué)浙江省資源與環(huán)境信息系統(tǒng)重點實驗室浙江杭州10028浙江大學(xué)地理信息科學(xué)研究所浙江杭州10027浙江省土地勘測規(guī)劃院浙江杭州10027
    關(guān)鍵詞:現(xiàn)勢正確性耕地

    郭綠奕,戴韞卓,杜震洪,張 豐*,李榮亞(1.浙江大學(xué)浙江省資源與環(huán)境信息系統(tǒng)重點實驗室,浙江杭州10028;2.浙江大學(xué)地理信息科學(xué)研究所,浙江杭州10027;.浙江省土地勘測規(guī)劃院,浙江杭州10027)

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    第二次全國土地調(diào)查成果現(xiàn)勢性評估方法

    郭綠奕1,2,戴韞卓3,杜震洪1,2,張 豐1,2*,李榮亞1,2
    (1.浙江大學(xué)浙江省資源與環(huán)境信息系統(tǒng)重點實驗室,浙江杭州310028;2.浙江大學(xué)地理信息科學(xué)研究所,浙江杭州310027;3.浙江省土地勘測規(guī)劃院,浙江杭州310027)

    摘 要:第二次全國土地調(diào)查(以下簡稱二次調(diào)查)成果的現(xiàn)勢性是評價二次調(diào)查成果質(zhì)量的重要指標(biāo)之一.針對現(xiàn)勢性評估理論模型缺乏的現(xiàn)狀,提出了利用建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)和建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)來評估二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性.并對杭州市9區(qū)(縣)的二次調(diào)查成果進行了現(xiàn)勢性評估,結(jié)果表明,該方法科學(xué)可靠,適用于評估二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性.

    關(guān) 鍵 詞:二次調(diào)查;土地變更調(diào)查;現(xiàn)勢性;建設(shè)用地

    第二次全國土地調(diào)查(以下簡稱二次調(diào)查)全面查清了全國土地利用現(xiàn)狀,建成了全國土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了調(diào)查成果管理的數(shù)字化[1].二次調(diào)查成果數(shù)據(jù)量大、覆蓋面廣、精確度高,已被廣泛應(yīng)用到國土資源管理、城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)、國家宏觀調(diào)控等方面[2].二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性是指二次調(diào)查成果反映當(dāng)前真實土地利用情況的能力,數(shù)據(jù)更新周期越短,現(xiàn)勢性就越強.為保持二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性,從2010年開始,全國每年展開土地變更調(diào)查工作,建立年度土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫[3],對二次調(diào)查數(shù)據(jù)進行更新.只有二次調(diào)查成果具有較高的現(xiàn)勢性,才能為各行業(yè)提供準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)信息,因此,對二次調(diào)查數(shù)據(jù)進行現(xiàn)勢性評估有利于提高二次調(diào)查數(shù)據(jù)的利用率.近年來,國內(nèi)學(xué)者圍繞確保二次調(diào)查成果的準(zhǔn)確性和提高二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性展開了大量研究:吳明輝等[4]基于質(zhì)檢規(guī)則,集成地理信息系統(tǒng)中的多項技術(shù),開發(fā)了第二次全國土地調(diào)查成果質(zhì)量檢查系統(tǒng),對二次調(diào)查成果的正確性進行自動化檢查;于金羽[5]在傳統(tǒng)地籍變更辦法的基礎(chǔ)上提出城鄉(xiāng)一體化的地籍?dāng)?shù)據(jù)更新機制來保證地籍?dāng)?shù)據(jù)的現(xiàn)勢性;吳學(xué)瑜等[6]提出以土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測來快速、客觀地反映土地利用的變化情況,從而確保二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性;何喬等[7]提出了一種基于像素數(shù)變化比率的柵格地圖數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性半自動檢查方法.目前為止,仍鮮見關(guān)于二次調(diào)查成果現(xiàn)勢性評估的研究,其根本原因在于缺乏完善的現(xiàn)勢性評估理論模型和詳細的評估方法.

    基于此,本文提出了一種利用建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)和建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)來綜合評估二次調(diào)查成果現(xiàn)勢性的方法.考慮到人工目視解譯效率低且消耗大,該方法先利用規(guī)則集自動提取建設(shè)用地,然后通過空間疊加分析獲得未變更建設(shè)用地矢量層和未變更建設(shè)用地占用耕地矢量層,最后計算建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)值和建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)值.這2個指數(shù)分別從建設(shè)用地和耕地的角度反映二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性,為評估二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性提供了理論模型.

    1 研究方法

    1.1 現(xiàn)勢性評估指數(shù)

    在土地變更調(diào)查中,建設(shè)用地包括城鄉(xiāng)住宅、商服用地、工礦倉儲用地、公共設(shè)施用地、部分交通運輸用地和水利設(shè)施用地等地類.隨著城市化的全面推進,農(nóng)村居民逐漸向城鎮(zhèn)及城鄉(xiāng)接合部轉(zhuǎn)移,建設(shè)用地大量增加,耕地不斷減少[8].在土地變更調(diào)查中,建設(shè)用地逐年增加,變化速度最快,且建設(shè)用地占用耕地的變更占絕大部分;其他地類的變化量很小,變化過程較慢.因此,建設(shè)用地和耕地是對二次調(diào)查成果現(xiàn)勢性影響最大的2種地類,建設(shè)用地和建設(shè)用地占用耕地的現(xiàn)勢性能基本反映二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性.

    1.1.1 建設(shè)用地現(xiàn)勢性評估指數(shù)

    地圖學(xué)中,現(xiàn)勢地圖符號所占全圖符號的百分比,是地圖傳輸信息可信度的表征,可作為對該圖現(xiàn)勢性的度量[9].因此,建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)可以用數(shù)據(jù)庫中已變更的建設(shè)用地面積和建設(shè)用地實際變化面積的比值來表示.已變更建設(shè)用地面積和未變更建設(shè)用地面積互為補集,只要算出未變更建設(shè)用地面積,便可求得已變更建設(shè)用地面積.

    定義1 設(shè)從t0到t這段時間內(nèi)(t>t0),建設(shè)用地實際變化面積為SA,其中已變更的建設(shè)用地面積為SB,未變更的建設(shè)用地面積為SC.令

    則稱P為t時刻的建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù).其中t代表最近一次土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)更新的時刻,本文特指2013年年末(2013-12-31);t0代表基準(zhǔn)時刻,本文特指二次調(diào)查統(tǒng)一時點(2009-12-31).

    P值越大,說明土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫中的建設(shè)用地與當(dāng)前地面實際建設(shè)用地的吻合度越好,因而可以用來度量二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性.

    1.1.2 建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)

    建設(shè)用地變更中最常見的情況是由耕地變更為建設(shè)用地.某地塊已變化為建設(shè)用地但數(shù)據(jù)庫未及時變更的情況時有發(fā)生.建設(shè)用地占用耕地的變更正確性可以用已變更的建設(shè)用地占用耕地面積與同一時段內(nèi)實際建設(shè)用地占用耕地面積的比值來表示.

    定義2 設(shè)從t0到t這段時間內(nèi)(t>t0),累計建設(shè)用地占用耕地總面積為SL,其中已完成變更的建設(shè)用地占用耕地面積為SM,未完成變更部分的面積為SN.令

    則稱Q為t時刻的建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù).

    Q值越大,說明建設(shè)用地占用耕地的變更完成情況越好,成果數(shù)據(jù)越符合地表最新實際情況.故可以將其作為另一個衡量二次調(diào)查成果現(xiàn)勢性的指標(biāo).

    以上2個指數(shù)反映了土地利用中主要變化地類的現(xiàn)勢性情況,利用建設(shè)用地的現(xiàn)勢性和建設(shè)用地占用耕地的變更正確性能夠充分體現(xiàn)二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性.

    1.2 現(xiàn)勢性指數(shù)的計算方法

    1.2.1 建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)的計算方法

    分析式(1)中的各項參數(shù),發(fā)現(xiàn)式中的已變更建設(shè)用地面積可用土地變更調(diào)查中新增建設(shè)用地面積值表示,故求得建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)的關(guān)鍵在于獲得未變更建設(shè)用地面積.為此,本文設(shè)計了一套建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)的計算方法(見圖1),具體步驟如下:

    1)利用最近一年土地利用遙感正射影像數(shù)據(jù),自動提取建設(shè)用地圖斑,并對提取結(jié)果的正確性進行人工核查,將核查后的結(jié)果保存成Shapefile矢量數(shù)據(jù)格式;

    2)將步驟1)中提取的建設(shè)用地矢量層與同年度土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫中的建設(shè)用地矢量層、臨時用地矢量層、設(shè)施農(nóng)用地矢量層以及線狀地物矢量層進行疊加分析,提取出未被以上任一矢量圖層覆蓋的建設(shè)用地圖斑,并剔除其中面積在400m2以下的碎圖斑;

    3)將步驟2)中提取的未變更建設(shè)用地圖斑層分別與二次調(diào)查航空影像和2009年末衛(wèi)星遙感影像套合,若某圖斑對應(yīng)位置在影像上已顯示為建設(shè)用地,則將其屬性分別賦值為“二次調(diào)查未上圖”或“統(tǒng)一時點未更新”,即二次調(diào)查建設(shè)用地成果錯誤,不屬于未變更建設(shè)用地范疇;其余圖斑賦值為“未完全變更”,構(gòu)成二次調(diào)查后未變更建設(shè)用地圖斑層;

    4)統(tǒng)計二次調(diào)查后未變更建設(shè)用地圖斑面積,計算建設(shè)用地圖斑現(xiàn)勢性指數(shù).

    圖1 建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)計算方法Fig.1 Calculation method of construction land currency index

    1.2.2 建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)的計算方法

    建設(shè)用地占用耕地的圖斑只在影像上顯示為建設(shè)用地,在土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫中仍為耕地,即二次調(diào)查后未變更建設(shè)用地和數(shù)據(jù)庫中耕地圖層的交集.本文設(shè)計的建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)計算方法如圖2所示,具體步驟如下:

    1)將建設(shè)用地現(xiàn)勢性評估中提取的未變更建設(shè)用地圖斑層與同年度土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫中的耕地矢量層套合,提取重疊部分,作為未變更建設(shè)用地占用耕地矢量層;

    2)統(tǒng)計未變更建設(shè)用地占用耕地圖斑面積,計算建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù).

    圖2 建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)的計算方法Fig.2 Calculation method of the change correctness index of arable land occupied by construction

    2 實驗數(shù)據(jù)處理

    2.1 實驗區(qū)和實驗數(shù)據(jù)概況

    本研究實驗區(qū)為杭州市9區(qū)(縣),包括上城區(qū)、下城區(qū)、江干區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)、濱江區(qū)、蕭山區(qū)、余杭區(qū)和淳安縣.杭州市是浙江省省會,經(jīng)濟發(fā)展迅速,城鎮(zhèn)化水平達到70%以上.近年來,隨著浙江省城市化進程的穩(wěn)步推進,杭州市的建設(shè)用地和耕地變化較為顯著,因此將其選為二次調(diào)查成果現(xiàn)勢性評估的實驗區(qū)域.實驗區(qū)總面積776 650hm2,其中建設(shè)用地面積169 851hm2.實驗所用數(shù)據(jù)如下:

    1)杭州市9區(qū)(縣)2013年土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫;

    2)國土資源部制作下發(fā)的杭州市9區(qū)(縣)2013年遙感監(jiān)測正射影像:其原始影像來源主要為Pleiades-1衛(wèi)星影像,空間分辨率為0.5m,部分ZY-1、YG8衛(wèi)星影像,空間分辨率為2.5m;

    3)杭州市9區(qū)(縣)二次調(diào)查時期航空影像;4)杭州市9區(qū)(縣)2009年土地利用遙感正射影像.

    2.2 基于規(guī)則集的建設(shè)用地提取

    建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)計算方法的第1步是提取影像上的建設(shè)用地.基于規(guī)則集的建設(shè)用地提取方法是面向?qū)ο蠓诸惙椒ǖ囊环N.面向?qū)ο笥跋穹诸惙椒ㄔ诙喑叨确指顦?gòu)建的多層次對象結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,依據(jù)地物的不同形態(tài),選擇適當(dāng)?shù)奶卣骷砸?guī)則集對對象進行分類[10].建立合適的規(guī)則集是從影像中提取出建設(shè)用地的關(guān)鍵.本文將建設(shè)用地分為建筑物、硬化地表和道路3個小類,并從建設(shè)用地光譜特征、紋理特征和形狀特征的角度來建立規(guī)則集.

    圖3(a)為杭州市余杭區(qū)正射影像中大小為4 000像素×4 000像素的區(qū)域,影像有R、G、B 3個波段,空間分辨率為0.5m.該區(qū)域建設(shè)用地集中,涵蓋建筑物、硬化地表和道路3種類型,故以此為示例區(qū)域,采用基于規(guī)則集的方法提取該區(qū)域的建設(shè)用地:

    1)利用ENVI遙感影像處理軟件對影像進行分割,分割后的矢量結(jié)果如圖3(b)所示,圖3中每個地物都沿其邊緣分割成了獨立的對象;

    2)建立如式(3)的適用于該區(qū)域的規(guī)則集算式;

    式(3)中,F(xiàn)代表該區(qū)域建設(shè)用地規(guī)則集,F(xiàn)1、F2、F3分別代表建筑物、硬化地表和道路這3個小類的規(guī)則集,其表達式如下:

    式中,SMi、TMi、TEi、TRi分別為i波段的光譜均值、紋理均值、紋理灰度信息熵和平均灰度范圍,i=1,2,3;A為分割后對象的面積;L為對象的長度.

    3)利用規(guī)則集F提取該區(qū)域的建設(shè)用地,結(jié)果如圖3(c)所示.圖中白色部分為建設(shè)用地,從圖3中可以看到提取的建設(shè)用地清晰規(guī)整,能較完整地反映其分布情況,且無明顯遺漏.

    4)采用混淆矩陣法對建設(shè)用地提取結(jié)果進行精度評價,精度統(tǒng)計參數(shù)計算結(jié)果如下:

    以上結(jié)果可以看出,建設(shè)用地提取結(jié)果的總體精度為90.44%,Kappa系數(shù)為0.79,說明采用基于規(guī)則集的面向?qū)ο筇崛》椒ǖ奶崛〗Y(jié)果較好,準(zhǔn)確度較高,將其作為真實的建設(shè)用地覆蓋情況正確可靠.

    圖3 基于規(guī)則集的建設(shè)用地提取實驗Fig.3 Experiment of rule based construction land extraction

    3 實驗結(jié)果與分析

    3.1 建設(shè)用地現(xiàn)勢性評估

    按照本文提出的建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)計算方法,在ArcGIS軟件中將提取的建設(shè)用地矢量圖層和2013年土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫中建設(shè)用地相關(guān)圖層做疊加分析,并排除二次調(diào)查建設(shè)用地成果錯誤的干擾,提取二次調(diào)查后未變更的建設(shè)用地.統(tǒng)計未變更建設(shè)用地圖斑面積,利用式(1)計算建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù).其中,已變更建設(shè)用地面積值用從二次調(diào)查統(tǒng)一時點(2009-12-31)到2013年末(2013-12-31)這段時間內(nèi)新增的建設(shè)用地面積值來表示.

    分別對實驗區(qū)每個區(qū)(縣)進行建設(shè)用地現(xiàn)勢性評估,各區(qū)(縣)的建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)值和實驗區(qū)建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)平均值如圖4所示.圖中顯示,實驗區(qū)建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)為90.16%,其中低于平均值的是西湖區(qū)、蕭山區(qū)和淳安縣.這幾個區(qū)(縣)近幾年經(jīng)濟發(fā)展較快,新開工建設(shè)的地塊較多,二次調(diào)查成果與實際地面情況相差較大,這與實驗結(jié)果相符合.總體來說,實驗區(qū)建設(shè)用地變更結(jié)果與實際建設(shè)用地變化情況吻合度較高,建設(shè)用地現(xiàn)勢性較高.

    圖4 建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)計算結(jié)果Fig.4 Results of construction land currency evaluation--為實驗區(qū)建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)計算結(jié)果

    3.2建設(shè)用地占用耕地變更正確性分析

    利用ArcGIS軟件求得二次調(diào)查后未變更建設(shè)用地矢量層和2013年土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫中耕地矢量層的交集,作為未變更建設(shè)用地占用耕地圖斑層.統(tǒng)計面積,利用式(2)計算建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù).具體計算時,式(2)中的SM為二次調(diào)查統(tǒng)一時點(2009-12-31)到2013年末(2013-12-31)這一時間段累計的建設(shè)用地占用耕地的面積值.

    分別對除上城區(qū)(數(shù)據(jù)庫中無耕地)以外的每個區(qū)(縣)進行建設(shè)用地占用耕地變更正確性分析,得到如圖5所示的結(jié)果.從圖5中可看出,實驗區(qū)建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)平均值為90.76%.低于平均值的有蕭山區(qū)和下城區(qū),其中,蕭山區(qū)原有耕地面積較大,由于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的加快,導(dǎo)致占用耕地進行建設(shè)的面積較大,降低了變更的正確性,這與實驗結(jié)果相吻合;下城區(qū)為老城區(qū),正確性指數(shù)較低的原因考慮為變更調(diào)查中的人為疏漏.

    以上結(jié)果說明,實驗區(qū)建設(shè)用地占用耕地的變更完成情況較好,變更調(diào)查準(zhǔn)確性較高.

    實驗分析中將現(xiàn)勢性評估結(jié)果和各地區(qū)實際的建設(shè)用地宏觀變化情況進行比對,發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果較吻合,證明結(jié)果科學(xué)可靠.綜合以上實驗結(jié)果,實驗區(qū)建設(shè)用地和耕地的變更結(jié)果與地面實際變化情況總體一致,即杭州市9區(qū)(縣)的二次調(diào)查成果現(xiàn)勢性較高.

    圖5 建設(shè)用地占用耕地變更正確性分析結(jié)果Fig.5 Results of change correctness analysis of arable land occupied by construction

    4 結(jié) 論

    提出了一套基于建設(shè)用地現(xiàn)勢性指數(shù)和建設(shè)用地占用耕地變更正確性指數(shù)的二次調(diào)查成果現(xiàn)勢性評估方法,并對這2個指數(shù)的計算方法進行了詳細闡述,豐富了二次調(diào)查成果現(xiàn)勢性理論模型.實驗完成了對杭州市9區(qū)(縣)二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性評估,證明該方法能準(zhǔn)確評估二次調(diào)查成果的現(xiàn)勢性.

    本文僅從建設(shè)用地和建設(shè)用地占用耕地兩方面來評估二次土地調(diào)查成果的現(xiàn)勢性,仍不盡完善.下一步將豐富現(xiàn)勢性評估指標(biāo),使之形成體系,從而更全面地評估二次土地調(diào)查的現(xiàn)勢性.總之,本方法是對二次調(diào)查現(xiàn)勢性評估的一次成功探索.

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    Data currency evaluation method of the second national land survey

    GUO Lyuyi1,2,DAI Yunzhuo3,DU Zhenhong1,2,ZHANG Feng1,2,LI Rongya1,2(1.Zhejiang Provincial Key Lab of GIS,Zhejiang University,Hangzhou310028,China;2.Department of Geographic Information Science,Zhejiang University,Hangzhou310027,China;3.Institute of Land Surveying and Planning of Zhejiang Province,Hangzhou310027,China)

    Journal of Zhejiang University(Science Edition),2016,43(1):035-039

    Abstract:The data currency of the second national land survey(hereinafter referred as the second survey)is one of the most important index to evaluate the quality of the second survey results.Considering the present situation of the lack of theoretical model in currency evaluation,a new method using the construction land currency index and the change correctness index of the arable land occupied by construction is figured out to evaluate the currency of the second survey results.The experiments have evaluated the second survey data currency of the nine districts or counties of Hangzhou.Results show that the method is scientific and feasible,and can be used to evaluate the currency of the second survey results.

    Key Words:the second national land survey;land change survey;currency;construction land

    通信作者*,E-mail:zfcarnation@zju.edu.cn.

    作者簡介:郭綠奕(1989-),女,碩士,主要從事遙感技術(shù)在土地領(lǐng)域中的應(yīng)用研究.

    基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(41471313,41101356);浙江省科技攻關(guān)計劃項目(2013C33051);國家海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(2015418003,201305012);國家科技基礎(chǔ)性工作專項(2012FY112300);中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費專項(2013QNA3023).

    收稿日期:2015-05-06.

    DOI:10.3785/j.issn.1008-9497.2016.01.006

    中圖分類號:P 208

    文獻標(biāo)志碼:A

    文章編號:1008-9497(2016)01-035-05

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