第三次全國土地調(diào)查中線狀地物面化方法研究

高權(quán)忠，趙境境，汪學(xué)琴

（南京國圖信息產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210036）

0 引 言

土地調(diào)查是一項重大的國情、國力調(diào)查，掌握真實的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是社會經(jīng)濟發(fā)展和國土資源管理的需要。2017年10月16日，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于開展第三次全國土地調(diào)查的通知》，決定自2017年起開展第三次全國土地調(diào)查。第三次全國土地調(diào)查明確要求取消線狀地物，所有需要上圖的道路、溝渠、河流、田坎等線性地物，以圖斑的形式表示。受土地利用數(shù)據(jù)庫模型制約，線狀地物最多只能歸屬于兩個相鄰圖斑，穿越多個圖斑的必須在圖斑邊界處斷開，這就造成第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫中線狀地物數(shù)量龐大，又經(jīng)過近幾年土地調(diào)查成果的更新，線狀地物被切割得越來越碎，數(shù)量更加龐大[1]。第三次全國土地調(diào)查以最新年度土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)開展，是對“已有內(nèi)容的細化、變化內(nèi)容的更新、新增內(nèi)容的補充”。相比上一年度土地變更調(diào)查成果，絕大多數(shù)需要上圖的道路、溝渠、河流、田坎等線性地物未發(fā)生變化，如何充分利用現(xiàn)有土地變更調(diào)查成果，快速實現(xiàn)線狀地物面化，輔助提高數(shù)據(jù)采集效率變得非常重要[2]。

本文基于第三次全國土地調(diào)查工作實際，提出了一種將線狀地物自動面化的方法?；舅枷胧牵阂跃€狀地物的軸線為參考線，線狀地物寬度的一半為緩沖半徑，通過建立緩沖區(qū)的方法，實現(xiàn)線狀地物的面化，最終以圖斑形式表示和存儲[3]（下文將線狀地物面化后圖形簡稱為線物面），同時，利用土地調(diào)查數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)規(guī)則和圖形拓撲分析算法，進行線物面接邊處理，解決線狀地物面化過程中重疊、縫隙等問題，實現(xiàn)線物面與線物面、線物面與地類圖斑的無縫銜接。

1 線狀地物面化方法

線狀地物面化方法包括線狀地物預(yù)處理、線狀地物緩沖、線物面處理、線物面與地類圖斑融合、屬性處理5個部分，如圖1所示。方法以地類編碼規(guī)則、權(quán)屬單位代碼、線狀地物寬度、圖形節(jié)點容差等作為拓撲建立的參考指標(biāo)，對線狀地物面化后圖形重疊、縫隙進行自動化處理，保證結(jié)果符合要求。

圖1 線狀地物面化算法處理流程Fig.1 Processing fl ow of linear features faceted algorithm

1.1 線狀地物與地類圖斑關(guān)系

依據(jù)《土地利用數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)》（TD/T 1016-2007）的規(guī)定，土地調(diào)查數(shù)據(jù)由點（零星地物）、線（線狀地物）、面（地類圖斑）三要素組成。在第二次全國土地調(diào)查中，線狀地物包括河流、鐵路、公路、管道用地、農(nóng)村道路、林帶、溝渠和田坎等。線狀地物寬度大于等于圖上2 mm的，按圖斑調(diào)查。線狀地物寬度小于圖上2 mm的，調(diào)繪中心線，用單線符號表示，稱為單線線狀地物。單線線狀地物除調(diào)查其地類外，還須實地量測寬度，以屬性數(shù)據(jù)的形式存儲，用于線狀地物面積計算[4]。第二次全國土地調(diào)查中，線狀地物跨越地類圖斑邊界時，在地類圖斑邊界的交點處斷開，因此線狀地物只存在于地類圖斑內(nèi)部或者地類圖斑邊界，通過線狀地物的扣除屬性記錄與地類圖斑的拓撲關(guān)系。

1）當(dāng)線狀地物位于地類圖斑內(nèi)部時，如圖2a所示，扣除比例為1；

2）當(dāng)線狀地物穿越多個地類圖斑時，如圖2b所示，線狀地物在地類圖斑邊界處斷開，斷開后的線狀地物各自歸屬不同的地類圖斑，扣除比例均為1；

3）當(dāng)線狀地物位于地類圖斑邊界時，通常扣除比例為0.5，如圖2c所示；特殊情況下線狀地物只歸屬于一個地類圖斑，扣除比例也可為1，如圖2d所示；

4）當(dāng)線狀地物的一部分在地類圖斑內(nèi)部，一部分在地類圖斑邊界時，線狀地物也要在地類圖斑邊界處斷開，在地類圖斑內(nèi)部的部分按照情況1）處理，在地類圖斑邊界的部分按照情況3）處理。

圖2 線狀地物與地類圖斑關(guān)系Fig.2 Relationship between linear features and delineation of land classif i cation

1.2 線狀地物預(yù)處理

首先將相同權(quán)屬、相同地類及相同寬度的線狀地物進行圖形合并；然后為線狀地物增加緩沖寬度屬性，扣除比例為0.5或在地類圖斑內(nèi)部扣除比例為1的線狀地物，其緩沖寬度值記錄為線狀地物寬度的一半，地類圖斑邊界上扣除比例為1的線狀地物緩沖寬度值記錄為線狀地物寬度，在線狀地物緩沖時統(tǒng)一按照緩沖寬度值處理。

1.3 線狀地物緩沖

緩沖區(qū)是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍，具體指在點、線、面實體的周圍，自動建立的一定寬度的多邊形[5]?？臻g實體對象Oi的緩沖區(qū)為：

Bi為所有距空間實體對象Oi的最小歐式距離小于或等于R點的集合。這種標(biāo)準(zhǔn)緩沖區(qū)即通常所說的圓角緩沖區(qū)，如圖3a所示。由于實際工作需要，按照緩沖區(qū)變形類型不同，還派生出平角緩沖區(qū)和斜角緩沖區(qū)，如圖3b、圖3c所示。由于現(xiàn)狀地物實地以方正為主，故本文以平角緩沖作為線狀地物面化的基本方法。對于多個線狀地物緩沖區(qū)的生成，可看作是單個基礎(chǔ)目標(biāo)緩沖區(qū)的生成和多個基礎(chǔ)目標(biāo)緩沖區(qū)多邊形求幾何并的過程，先生成線目標(biāo)的線段基元緩沖區(qū)，計算有效邊界交點，重建緩沖邊界線，刪除多余邊界輪廓線并驗證邊界線，最終生成連通的結(jié)果緩沖區(qū)多邊形[6]。在拓撲關(guān)系的建立過程中，可采用弧段刪除規(guī)則對緩沖邊界弧段進行刪除操作[7]。

圖3 緩沖區(qū)類型Fig.3 Buffer types

根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理中的緩沖寬度對線狀地物進行平角緩沖，獲得初始線物面圖形如圖4所示。

圖4 線狀地物緩沖區(qū)創(chuàng)建Fig.4 Buffer creation of linear features

1.4 線物面處理

根據(jù)調(diào)查要求，交叉線狀地物的調(diào)查采取俯視法，上部的線狀地物連續(xù)表示，下壓的線狀地物斷在交叉處。由此可知，土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫中不存在一條線狀地物壓蓋通過另一條線狀地物，軸線相交時要在相交點處斷開。斷開的線狀地物面化后依然存在交叉重疊，需要進行處理。線物面銜接存在可合并線狀地物連接和不可合并線狀地物連接兩種情況，分別如圖5、圖6所示。可合并線狀地物包括具有相同權(quán)屬、相同地類及相同寬度的相鄰線狀地物，此類線狀地物在數(shù)據(jù)預(yù)處理時已進行合并，下面主要對不可合并線狀地物緩沖產(chǎn)生的線物面壓覆處理進行闡述。

圖5 可合并線狀地物連接處理Fig.5 Connection of mergeable linear features

圖6 不可合并線狀地物連接處理Fig.6 Connection of unmergeable linear features

對于線狀地物圖斑化交叉處的連貫性問題，在工作中若導(dǎo)致一些本應(yīng)該貫通的權(quán)屬被打斷，則不合理，可采用低等級服從高等級的方式，基本保證高等級公路、權(quán)屬界線、水系的連貫性[8]。同時，根據(jù)經(jīng)驗與統(tǒng)計值，形成線狀地物地類融合規(guī)則見表1，級別越高的地類始終壓蓋級別低的地類。

表1 線狀地物地類融合優(yōu)先級別表Tab.1 The priority of integrating the linear features

具有共同端點的線狀地物面化后，在端點處會出現(xiàn)重疊以及缺口[9]，對于兩條及多條線狀地物端點重合的面化重疊問題采用疊加分析算法進行處理：

1）通過拓撲分析識別緩沖重疊區(qū)域，記錄重疊區(qū)域圖形和地類信息，同時建立其與線物面的關(guān)聯(lián)關(guān)系；

2）根據(jù)線狀地物地類融合規(guī)則、線狀地物寬度等判斷重疊區(qū)域圖形歸屬情況；

3）利用與線物面的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將重疊區(qū)域圖形融入線狀地物優(yōu)先級高的線物面中，并從線狀地物優(yōu)先級低的線物面中擦除，得到端點重合的線狀地物最終的緩沖面化邊緣；

4）通過對比影像，對線物面進行微調(diào)，確保線物面和實際地物的一致性。

通過疊加分析算法處理線狀地物面化重疊問題的核心偽代碼：

輸入：原始線物面數(shù)組a

輸出：結(jié)果線物面數(shù)組b

1{

// 求取線物面重疊部分圖形

2 OverArea ← 重疊區(qū)域數(shù)組

3 for i← 0 to 數(shù)組a長度 - 1

4 {

5 j ← i + 1

6 for j to 數(shù)組a長度 - 1

7 {

8 tmpOverArea ← a[i]與a[j]求交

// 保留圖形和屬性

9 tmpOverArea加入數(shù)組OverArea

10 }

11 }

// 判斷重疊區(qū)域歸屬

12 for i ← 0 to 數(shù)組OverArea長度 - 1

// 遍歷打斷后線物面圖形

13 {

14 XWMOverArea ← OverArea[i]

15 priorityArea ← XWMOverArea與數(shù)組a

空間求取地類優(yōu)先級最高的重疊區(qū)域

16 priorityDLBM ← priorityArea對應(yīng)的

地類編碼

17 priorityKD ← priorityArea重疊圖形

中與priorityDLBM地類相同的最大寬度

// 從原始線物面扣除重疊區(qū)域圖形

18 for j← 0 to 數(shù)組a長度 - 1

// 遍歷原始線物面

19 {

20 YXWM ← a[j]

21 if XWMOverArea與YXWM空間相交

22 {

23 YDLBM ← YXWM的地類編碼

24 YKD ← YXWM的寬度

25 if YDLBM != priorityDLBM

// 不同地類優(yōu)先級

26 b[i] ← 原始線物面a[j]扣除

重疊區(qū)域XWMOverArea

27 else if YDLBM = priorityDLBM

并且 YKD < priorityKD

//同地類不同寬度

28 b[i] ← 原始線物面a[j]扣除

重疊區(qū)域XWMOverArea

29 else

30 b[i] ← a[j]

31 }

32 }

33 }

34}

1.5 線物面與地類圖斑融合

用線物面切割地類圖斑并協(xié)調(diào)線物面和地類圖斑的關(guān)系，包括切割、填充和節(jié)點調(diào)整等，保障圖面的整潔性。

1）針對超出地類圖斑范圍的線物面進行切割，去掉超出部分，如圖7a所示；

2）針對線物面與地類圖斑間的縫隙，將線物面按照緩沖邊線進行延伸，如圖7b所示；

3）針對延伸處理不能達到填充縫隙效果的，采用節(jié)點微調(diào)的方式，計算面化圖形節(jié)點與原有地類圖斑圖形節(jié)點的距離，將小于設(shè)定容差閾值的面化圖形節(jié)點調(diào)整到原始地類圖斑圖形節(jié)點上，減少狹長或碎小面狀圖形，實現(xiàn)與地類圖斑融合，如圖7c所示。

圖7 線物面與地類圖斑融合Fig.7 Integrating the polygon- linear features with the delineation of land classif i cation

線物面與地類圖斑融合主要采用多邊形融合算法實現(xiàn)，其核心偽代碼如下：

輸入：地類圖斑DLTB，臨時線物面TMPXZDWM

輸出：結(jié)果線物面XZDWM

1{

// 去除超出地類圖斑的碎面

2 if TMPXZDWM圖形與DLTB圖形相交

3 {

4 數(shù)組a ← TMPXZDWM與DLTB空間相交，

求取相交部分圖形

5 for i← 0 to 數(shù)組a長度 - 1

6 {

7 if a[i]的圖形面積 < 閾值

8 TMPXZDWM ← TMPXZDWM扣除a[i]圖形

部分

9 }

10 }

// 處理線物面和地類圖斑縫隙

11 數(shù)組b ← TMPXZDWM圖形節(jié)點集合

12 for j ← 0 to 數(shù)組b長度 - 1

13 {

14 length ← 線物面節(jié)點b[j]到DLTB圖形邊界距離

15 if length < 閾值

16 節(jié)點b[j]移動到DLTB圖形邊界

17 }

18 XZDWM ← TMPXZDWM

// 和圖斑處理后的線物面

19}

1.6 線物面屬性處理

線狀地物面化處理過程中均記錄線狀地物權(quán)屬單位代碼、地類編碼等屬性信息，線狀地物面化要素與原始地類圖斑融合時，對發(fā)生切割的原始地類圖斑保留其基本屬性，新生成的地類圖斑填寫權(quán)屬單位代碼、地類編碼和地類名稱等信息。

2 實驗分析

以揚州廣陵區(qū)和牡丹江東寧市的第三次全國土地調(diào)查試點為例：廣陵區(qū)2016年土地利用變更數(shù)據(jù)庫中線狀地物有20 525條，東寧市2016年土地利用變更數(shù)據(jù)庫中線狀地物有70 506條，按照試點技術(shù)方案，所有線狀地物矢量化的工作量巨大。因此，以線狀地物面化方法為理論基礎(chǔ)，開發(fā)自動化批量處理工具，輔助內(nèi)業(yè)線狀地物面化工作。工具采用C#和ArcEngine10.2組件開發(fā)，使用平角緩沖、基于規(guī)則的多邊形疊加分析、多邊形融合和節(jié)點吸附等多種算法對面化圖形進行優(yōu)化處理，采用ArcGIS的File Geodatabase文件地理數(shù)據(jù)庫提高數(shù)據(jù)處理效率，在保證效果的同時縮短線狀地物處理時間。

通過程序的自動化處理，絕大部分的線狀地物面化后能夠達到內(nèi)業(yè)勾繪的效果，采用線狀地物面化方法處理后的溝渠、農(nóng)村道路等線狀地物能以圖斑形式表達，如圖8所示。在線物面處理時，無論是相同地類還是不同地類，在端點連接處都實現(xiàn)了無壓蓋、無縫隙融合，并且線性地物的連貫性得以保持，如圖9a、圖9b所示。在線物面與地類圖斑融合時，剔除了超出地類圖斑的多余碎面，圖形節(jié)點與地類圖斑之間縫隙自動填補，保證了面化圖形與地類圖斑交接處平滑，減少了碎面和縫隙，如圖9c所示。

圖8 線狀地物面化前后整體對比圖Fig.8 Overall comparison diagrams before and after the linear features faceting

圖9 線狀地物面化后優(yōu)化處理對比圖Fig.9 Comparisons diagram before and after the linear features faceting

本文以揚州廣陵區(qū)和牡丹江東寧市試點為例，通過定量方式評估線狀地物面化后的準(zhǔn)確性和效率。準(zhǔn)確性方面，在廣陵區(qū)和東寧市分別選擇100條和200條空間均勻分布且各地類均有一定比例的線狀地物作為檢測樣本，采用目視解譯判讀結(jié)果作為真值進行第一次檢驗，準(zhǔn)確率分別達到72%和70.5%，準(zhǔn)確率統(tǒng)計見表2。

表2 線狀地物面化結(jié)果準(zhǔn)確率統(tǒng)計表Tab.2 The accuracy statistical table of linear faceting

通過分析發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)問題和算法缺陷是造成線物面和實際不符的主要原因：

1）原始線狀地物采集過程中沒有嚴格按照中心線勾繪，造成面化后的圖斑與實際有所偏移，原始線狀地物扣除比例填寫錯誤，造成線物面化方向與實際不符；

2）算法存在缺陷，在經(jīng)驗規(guī)則失效、實際數(shù)據(jù)處理過程中的容差超出閾值范圍等都可能造成線物面與實際不符，如：在農(nóng)村道路、溝渠交會處，按照規(guī)則農(nóng)村道路穿過溝渠，溝渠在農(nóng)村道路處斷開，但該農(nóng)村道路實際可能就是一條斷頭路，溝渠貫通，農(nóng)村道路斷在溝渠邊。

針對問題1）可以通過修正原始線狀地物空間位置和屬性填寫的正確性來解決，針對問題2），可以增加遙感影像RBG值判別算法來提升線狀地物面化方法的準(zhǔn)確性，這也將作為本方法后續(xù)研究的內(nèi)容。本文通過修正樣本數(shù)據(jù)空間位置和屬性填寫的正確性后，對線物面化成果進行第二次檢驗，準(zhǔn)確率分別提升到81%和84%。

效率方面，如果將廣陵區(qū)和東寧市試點數(shù)據(jù)全部通過人工數(shù)字化，按照測繪生產(chǎn)成本費用定額估算并結(jié)合實際線狀地物數(shù)字化經(jīng)驗統(tǒng)計，每個人每天預(yù)計能完成0.1 km2的線狀地物數(shù)字化工作，全部完成揚州廣陵區(qū)和牡丹江東寧市的數(shù)字化工作需要28 d和157 d。利用程序自動化輔助處理，耗時分別為4 d和21 d，內(nèi)業(yè)采集效率分別提升了600%和650%，見表3。

表3 線狀地物內(nèi)業(yè)采集時間對照表Tab.3 Time comparison table of linear features collection

3 結(jié)束語

為提升第三次全國土地調(diào)查中未變化線狀地物快速圖斑化采集的問題，本文提出了線狀地物自動面化方法。方法首先在建立線狀地物緩沖區(qū)的基礎(chǔ)上，利用線狀地物地類編碼、寬度等屬性信息，結(jié)合權(quán)屬單位代碼和地類連通性，解決了線狀地物面化過程中圖形交叉重疊問題。然后，通過多邊形融合和節(jié)點吸附等拓撲分析算法，對線物面進行接邊處理，解決了線物面與線物面、線物面與地類圖斑無縫銜接的難題。最后通過計算機編程，實現(xiàn)對線狀地物面化批量處理。經(jīng)試點驗證，線物面化成果準(zhǔn)確率平均達到82.5%，采用自動化處理與人工輔助結(jié)合的方式，線狀地物圖斑化采集效率平均提升了625%以上。因此，本文所提出的線狀地物面化方法可行且具有實用價值。然而，在線狀地物面化過程中，目前還需要一些人工干預(yù)，且未結(jié)合影像進行分析，后續(xù)將把影像作為一個參考因素，使用機器學(xué)習(xí)相關(guān)算法，讓線狀地物面化方法更加智能化。