時(shí)空過程對象的LULC時(shí)空演變分析算法

李石華，汪祎勤，周峻松，金寶軒

(1. 云南省基礎(chǔ)地理信息中心，云南 昆明 650034； 2. 云南省自然資源廳信息中心，云南 昆明 650224)

地理時(shí)空變化是地理學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，如何用計(jì)算機(jī)技術(shù)來表達(dá)空間數(shù)據(jù)的時(shí)空變化獨(dú)具前瞻性。LULC時(shí)空變化過程表達(dá)常采用時(shí)間系列的遙感數(shù)據(jù)來表達(dá)其位置和形狀的變化[1]，如林地、耕地、城市擴(kuò)張范圍的變化[2-4]；并融合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析其變化量與趨勢，從而揭示其變化過程[5-7]。然而，由于在利用柵格數(shù)據(jù)分析地表覆蓋變化時(shí)，完整的圖斑將被分割成柵格尺寸大小的像素，難以真正反映圖斑斑塊的變化過程與模式，再加之其不同的時(shí)空動態(tài)組合，導(dǎo)致LULC變化的時(shí)空復(fù)雜性。為此，需要考慮構(gòu)建面向地理矢量圖斑的時(shí)空過程表達(dá)抽象模型，以反映地表覆蓋圖斑的時(shí)空動態(tài)變化，克服柵格模型在圖斑時(shí)空表達(dá)方面的缺陷。

當(dāng)前對于LULC時(shí)空變化過程表達(dá)方法研究較多，如信息圖譜分析、趨勢面分析，并取得了相應(yīng)的成果?；谑录臅r(shí)空數(shù)據(jù)變化表達(dá)模型由文獻(xiàn)[8]首次提出。文獻(xiàn)[9]利用該模型有效記錄土地劃撥或宗地變更事件。文獻(xiàn)[2]在該模型基礎(chǔ)上分析了江寧區(qū)的土地利用變化。文獻(xiàn)[10]基于該模型定義了6種面狀地理實(shí)體變化類型和判斷方法。隨后，文獻(xiàn)[11]為滿足地籍變更表達(dá)應(yīng)用的需求，對事件-過程模型進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[12]利用抽象的過程對象隱式表達(dá)地理實(shí)體動態(tài)變化機(jī)制，解決了移動對象的連續(xù)表達(dá)問題。文獻(xiàn)[13]通過提取柵格斑塊中心點(diǎn)與圖論相關(guān)聯(lián)構(gòu)建斑塊的時(shí)空事件序列。文獻(xiàn)[14]通過柵格矢量雙重表達(dá)降雨時(shí)空分布現(xiàn)象。在參考和借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，為反映圖斑斑塊的時(shí)空動態(tài)變化過程，定量分析其變化的數(shù)量特征，結(jié)合文獻(xiàn)[12]提出的面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，從地表覆蓋斑塊自身變化和相互轉(zhuǎn)化方面摸索面狀地理實(shí)體間時(shí)空變化過程表達(dá)方法。

1 基于過程對象的LULC時(shí)空過程表達(dá)模型

1.1 地表覆蓋斑塊對象時(shí)空變化過程類型

將地表覆蓋斑塊作為研究的最小空間單元，其屬性異于相鄰圖斑且內(nèi)部具有均質(zhì)性，其變化過程表現(xiàn)為斑塊在時(shí)間上的斑塊格局演變。從當(dāng)前的研究現(xiàn)狀來看，文獻(xiàn)[10]提出了一種基于事件的時(shí)空變化過程表達(dá)模型，并系統(tǒng)總結(jié)了面狀地理實(shí)體的6種變化類型和判斷方法，有效解決了面狀地理對象自身變化表達(dá)的問題；文獻(xiàn)[15]將LULC變化時(shí)空演變過程抽象為出現(xiàn)、消亡、收縮、擴(kuò)張、穿孔、破碎、穩(wěn)定7類，并闡述了其判定方法。在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，開展基于地表覆蓋斑塊時(shí)空演變分析時(shí)，可將地表覆蓋斑塊的時(shí)空演變過程理解為地表覆蓋分類斑塊間的相互增減的轉(zhuǎn)變過程，如圖1所示，其變化過程類型綜合為新增、變化、消亡。

1.2 模型對象關(guān)系定義

依據(jù)上述理解的地表覆蓋圖斑的時(shí)空演變過程，基于地表覆蓋圖斑的時(shí)空變化分析需要解決的問題為初始時(shí)刻T0圖斑類型A，經(jīng)過變化發(fā)展轉(zhuǎn)為T時(shí)刻的圖斑A、B、C、…。通過構(gòu)造時(shí)空變化算法，利用計(jì)算機(jī)自動識別分析初始時(shí)刻T0的圖斑類型與T時(shí)刻的圖斑變化類型和面積等。因此，其變化過程可以抽象為

L(Rand(T),Cx)=Intersect(iL(Rand(T),C1),(i+1)L(Rand(T),C2),(i+2)L(Rand(T),

C3),…,(i+n)L(Rand(T),Cn))

(1)

式中，L為圖斑；i為年份；Rand(T)為第i年圖斑L的隨機(jī)地表覆蓋類型，可以為10種地表覆蓋類型的任意一種或多種；C1、C2、…、Cn為該圖斑L在第i年的圖斑編碼，是唯一值。通過相交運(yùn)算(Intersect)生成一個(gè)或多個(gè)不同地表覆蓋類型的數(shù)據(jù)結(jié)果集，再通過篩選圖斑編碼Cx與之前C1、C2、…、Cn的相等關(guān)系得出變化結(jié)果。

1.3 模型實(shí)現(xiàn)

時(shí)空數(shù)據(jù)模型支持二維面狀矢量數(shù)據(jù)，將地表覆蓋的每個(gè)地類斑塊作為一個(gè)地類實(shí)體。地類實(shí)體的時(shí)空演變過程由地理實(shí)體、屬性實(shí)體、事件實(shí)體和時(shí)間實(shí)體來記錄。

地類實(shí)體的時(shí)間記錄在實(shí)體每個(gè)版本對象對應(yīng)的時(shí)間屬性上。模型支持有效時(shí)間(valid time)，將地理實(shí)體第一次被采集到的時(shí)間設(shè)為產(chǎn)生時(shí)間，最后一次被采集到的時(shí)間為消亡時(shí)間。模型支持時(shí)間拓?fù)洳樵儭?/p>

模型支持對指定監(jiān)測實(shí)體拓?fù)潢P(guān)系、形狀、位置隨時(shí)間變化的存儲與查詢，支持地類實(shí)體非空間屬性信息隨時(shí)間變化的存儲與查詢。

依據(jù)上述構(gòu)建的抽象模型，結(jié)合二維面狀矢量數(shù)據(jù)時(shí)空過程表達(dá)，地表覆蓋圖斑的時(shí)空數(shù)據(jù)模型UML(unified modeling language)邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在地表覆蓋圖斑的時(shí)空數(shù)據(jù)模型UML結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，地類圖斑實(shí)體記錄了每個(gè)實(shí)體的幾何信息，標(biāo)識了地表覆蓋要素中的一個(gè)具體圖斑，每個(gè)圖斑具有唯一的圖斑標(biāo)識碼，其屬性信息通過唯一標(biāo)識碼與屬性實(shí)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)。地表覆蓋類別存儲了地表覆蓋類別信息，在不同的分類體系中，其類別信息不同。地類圖斑實(shí)體通過類別唯一標(biāo)識與地表覆蓋類別進(jìn)行關(guān)聯(lián)。時(shí)間實(shí)體是一個(gè)連續(xù)的時(shí)間變量，存儲了地類圖斑實(shí)體新建、變化、消亡的時(shí)間信息。

根據(jù)上述邏輯結(jié)構(gòu)，對地類圖斑的時(shí)空數(shù)據(jù)庫主要物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3中，“LULC_XZ”為多個(gè)年份地表覆蓋的現(xiàn)狀表，記錄了各年份地表覆蓋的現(xiàn)狀情況，包括編碼、地類、名稱、年份等信息，其地類屬性信息與地類表“DL_TAB”關(guān)聯(lián)。地表覆蓋現(xiàn)狀經(jīng)過地類變化表“LULC_CHANGE”關(guān)聯(lián)，形成了最終的地表覆蓋變化表“LULC”，地類變化表“LULC變化_CHANGE”記錄了幾何、屬性變化規(guī)則。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用撫仙湖流域1974、1977、1987、1990、1996、2000、2005、2008、2011、2014、2015、2017年的LULC作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于云南省基礎(chǔ)地理信息中心承擔(dān)的撫仙湖流域生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目成果。LULC類型分為水域、荒漠與裸露地表、人工堆掘地、耕地、園地、林地、構(gòu)筑物、草地、道路、房屋建筑(區(qū))等10個(gè)類型。數(shù)據(jù)格式為SHP，坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000,高斯-克里格投影，3°分帶。中央經(jīng)線為102。

2.2 時(shí)空數(shù)據(jù)庫存儲

(1) 存儲方式設(shè)計(jì):LULC變化空間數(shù)據(jù)庫采用Oracle+Arcsde空間數(shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一體化存儲管理。

(2) 時(shí)空數(shù)據(jù)庫存儲:LULC變化時(shí)空過程數(shù)據(jù)庫存儲過程中使用統(tǒng)一的文件命名方式和存儲格式，詳細(xì)見表1、表2。

表1 LULC現(xiàn)狀表結(jié)構(gòu)

表2 LULC變化表結(jié)構(gòu)

2.3 LULC時(shí)空過程判定

為判定LULC時(shí)空過程變化類型，需要對圖斑的變化類型進(jìn)行判定。采用對多期數(shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測，并對變化檢測后數(shù)據(jù)按新增、變化、消亡的判別規(guī)則進(jìn)行篩選，將篩選后的數(shù)據(jù)重新編碼，標(biāo)識其變化過程類型并入庫保存。其判定流程如圖4所示。

LULC時(shí)空過程分析旨在揭示LULC隨時(shí)空的變化而其屬性隨之發(fā)生變化的規(guī)律?；跇?gòu)造的時(shí)空變化算法(式(1))，LULC時(shí)空過程分析的步驟主要包括以下幾步：

(1) 對多時(shí)期的LULC矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢查，保證LULC在空間結(jié)構(gòu)上的拓?fù)湔_性，即確?？臻g要素不能重疊、不能有空隙及不能與其他要素重疊等。

(2) 對各時(shí)期的LULC數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，賦予每一個(gè)圖斑唯一編碼；對字段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，對每個(gè)圖斑賦唯一編碼DKID，用地類型編碼LUCODE，用地類型名稱LUTYPE，年份YEAR。

(3) 通過編寫相交分析代碼(代碼如下所示)對各時(shí)期的圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行相交分析，得出相交之后的圖斑數(shù)據(jù)，根據(jù)相交分析規(guī)則，相交分析之后的數(shù)據(jù)保留了分析之前的唯一圖斑編碼屬性值。

function intersectionAnalysis(featureSet:FeatureSet):void

{

var params:Object={"XB":featureSet};//

gp.execute(params,new AsyncResponder(onResult,onFault));

…

function onResult(gpResult:ExecuteResult,token:Object=null):void{

var pv:ParameterValue=gpResult.results[0];}

function onFault(info:Object, token:Object=null):void{

Alert.show(info.toString());}

(4) 對相交之后的帶有唯一圖斑編碼的圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選組合，得到不同時(shí)期的變化圖斑，形成變化分析結(jié)果數(shù)據(jù)集。

(5) 對變化分析結(jié)果數(shù)據(jù)集進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，按照唯一標(biāo)識圖斑編碼找出與分析之前有關(guān)聯(lián)的圖斑數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)果，如圖5所示。

(6) 從LULC變化時(shí)空過程及可視化的表達(dá)目的與要求來看，需要準(zhǔn)確、直觀地反映LULC變化的對象、位置、范圍、時(shí)間和演化的過程，既要描述對象的現(xiàn)狀，還需表達(dá)對象的時(shí)空對比與變化分析。因此，需要建立流域地表覆蓋時(shí)空過程可視化系統(tǒng)，并集成時(shí)間軸動畫、多時(shí)態(tài)對比、實(shí)體歷史回溯這3種表達(dá)方法全面揭示地表覆蓋圖斑時(shí)空演變過程，如圖6所示。

3 結(jié) 語

本文討論了基于地類圖斑的時(shí)空演變過程類型與判定方法，提出了LULC變化時(shí)空分析算法，并設(shè)計(jì)了時(shí)空數(shù)據(jù)模型UML結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了時(shí)空數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了基于地類圖斑的時(shí)空演變過程表達(dá)，以時(shí)間軸動畫、多視窗和實(shí)體回溯這3種方法展示地類圖斑的演變過程，以圖表的形式反映圖斑的數(shù)量變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，所構(gòu)建的方法可滿足LULC時(shí)空變化過程表達(dá)與分析應(yīng)用的要求?？捎糜诘乇砀采w等地理要素的時(shí)空變化過程分析，能較好地揭示地理要素及其屬性在時(shí)間軸上的改變過程，包括要素隨時(shí)間的幾何變化、位置變化、屬性變化。若與氣候、生態(tài)、社會經(jīng)濟(jì)等關(guān)聯(lián)分析后，可為LULC的時(shí)空演變規(guī)律、時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘等奠定基礎(chǔ)，同時(shí)，對于地理學(xué)中面狀空間對象的時(shí)空演變過程研究也具有參考價(jià)值。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，LULC時(shí)空過程類型判定耗時(shí)較多。如何解決省級、國家級或全球尺度、多時(shí)相海量的LULC時(shí)空過程演變分析實(shí)時(shí)運(yùn)算的效率問題，則需構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化分布式處理的超算環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)對其并行處理。后續(xù)將繼續(xù)圍繞在超算環(huán)境中開展LULC不同時(shí)空尺度變化過程判定的多節(jié)點(diǎn)并行分塊算法等方面的研究。