多時態不同差異的土地利用現狀數據一致化處理方法

王育紅，張合兵，郭增長

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

多時態不同差異的土地利用現狀數據一致化處理方法

王育紅，張合兵，郭增長

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

研究目的：減少消除多時態土地利用現狀數據之間的差異，派生形成彼此兼容協調一致的多時態土地利用現狀數據序列，支持促進基于多時態數據的綜合分析與評價預測。研究方法：對不同地區多時態土地利用現狀樣品數據進行調查分析，結合文獻資料對數據差異進行梳理界定，實驗對比利用不同軟件進行一致化處理的技術特點，在此基礎上提出較為高效的處理方法。研究結果：較為系統地總結描述了多時態土地利用現狀數據之間的差異類型及其表現形式，提出了基于FME的數據差異一致化處理方法，闡述了該方法的基本步驟及相關原理。研究結論：該方法能夠快速高效地消除多時態土地利用現狀數據在數據格式、坐標系統、模式結構、數據實例等方面的差異，大大提高數據之間的協調兼容一致性，為多時態土地利用現狀數據綜合分析與評價提供了前提基礎。

土地信息；數據格式差異；坐標系統差異；模式差異；實例差異

1 引言

改革開放以來，中國先后開展了兩次全國范圍內的土地利用現狀調查，即1984—1996年開展的全國第一次土地詳查（簡稱“一調”）與2007—2009年開展的全國第二次土地調查（簡稱“二調”），在兩次調查之間與“二調”之后又開展了相應的變更調查。隨著土地利用現狀調查及變更調查的開展與實施，目前中國各級土地管理部門已積累擁有了大量不同時期的土地利用現狀數據。但是，由于兩次調查及變更調查在時代背景、法律依據、分類體系、技術標準、作業規范等方面的不同[1]，所獲得的多時態土地利用現狀數據之間存在多種差異，進而限制了對多時態土地利用現狀數據的綜合分析、評價、預測及應用。

為了降低、消除多時態土地利用現狀數據之間的差異，派生形成彼此兼容、協調一致的多時態土地利用現狀數據序列，本文在調研分析湖北省武漢市、海南省瓊海市、湖南省長沙市等不同區域多時態土地利用現狀樣品數據的基礎上，首先較為系統地總結描述了多時態土地利用現狀數據之間的差異類型及其表現形式，然后提出了基于FME的數據差異一致化處理方法，闡述了該方法的基本步驟及相關原理。

2 多時態土地利用數據差異類型分析

所謂差異是指系統整體內部諸要素、諸層次、諸功能在結構和在時空中的差別[2]。作為一種特定專題類型的地理空間數據，多時態土地利用現狀數據之間的差異可以依據地理空間數據差異理論加以分析與描述。目前還沒有形成統一的理解和認識，不同學者從不同研究角度出發分別提出了不同詳細程度的分類體系[3-4]。為便于理解，本文在調研分析的基礎上將多時態土地利用現狀數據之間的差異總結概況為4個方面。

2.1 數據格式差異

由于業務變更、平臺升級、技術創新等原因，中國許多單位在土地利用現狀調查及其變更調查的不同時期往往使用多種不同的軟件系統來管理和處理土地利用現狀數據，如湖北省武漢市使用了MapGIS、ArcGIS、蒼穹等系統，海南省瓊海市使用了MapInfo、SuperMap、ArcGIS等系統。這些系統出于各自的底層算法要求及商業利益需要，往往依據不同的地理空間數據模型和數據結構設計了各自的空間數據存儲格式，如MapGIS的點（*.wt）、線（*.wl）、區（*.wp）等格式，ArcGIS的Shape格式、Coverage格式、Geodatabase格式，這些數據格式對空間數據的基本組織法則有較大的差異。另外，即使是同一種數據格式有時也存在版本的差異。

2.2 坐標系統差異

在土地利用調查領域，中國先后規定使用的是北京54和西安80兩種坐標系，二者是采用不同參考橢球和定位定向參數，具體應用時兩種坐標系又可進一步分別劃分為三種不同形式的坐標系統：（1）大地（或地理）坐標系，其坐標值由緯度（B）、經度（L）、大地高（H）組成；（2）空間直角坐標系，其坐標值由X、Y、Z組成；（3）高斯投影平面直角坐標系，其坐標值由x、y組成。同一參考橢球下的不同坐標一般可以通過比較精確嚴密的數學模型加以轉換，而不同參考橢球下的不同坐標一般只能通過近似擬合的數學模型加以轉換[5-6]。目前，中國土地利用現狀數據主要采用北京54高斯投影平面坐標系和西安80高斯投影平面坐標系。對于這兩種坐標差異，最常用的一致化轉換處理模型是仿射變換模型。

2.3 模式結構差異

模式是對數據基本種類和特征的概括性描述，反映的是各類數據的結構、屬性、聯系和約束。如果說數據格式是一種有著嚴格語法定義及約束要求的語言，模式則是設計者利用這種語言對現實世界進行描述的結果。由于規范要求及理解認識上的不同，即使采樣相同的數據格式，多時態土地利用現狀數據也往往采用不同的模式結構來描述同類的土地利用現狀信息。如圖1，多時態土地利用現狀數據之間的模式結構差異可以劃分為如下幾種類型：

圖1 多時態土地利用現狀數據模式差異示例圖Fig.1 The example diagram of schema differences among multi-temporal land use status data

（1）描述差異。描述差異是指不同時期土地利用現狀數據集之間采用不同數目或含義的屬性字段來描述和刻畫同類現象不同特征的情況。

（2）命名差異。命名差異是指不同時期同類土地利用現狀數據集之間對同義屬性字段賦予不同名稱標簽或者異義屬性字段項賦予相同名稱標簽的情況，即“同姓異名”與“同名異姓”的情況。

（3）派生差異。派生差異是指某一時期土地利用現狀數據集中的某一屬性字段在其他時期同類數據集中沒有含義相同的直接對應屬性字段，但隱含著一個能夠通過其他屬性字段派生出來的間接對應屬性字段。如圖1右側的“扣除地類面積”屬性字段，在早期的地類圖斑數據集中也不存在與之直接對應的屬性字段，但根據早期數據集中的“毛面積”、“線狀地物面積”、“零星地類面積”、“凈面積”屬性字段，可以派生出與之間接對應的隱含“扣除地類面積”屬性字段，即：扣除地類面積=毛面積－線狀地物面積－零星地類面積－凈面積。

（4）約束差異。約束差異是指不同時期同類土地利用現狀數據集之間對于同義屬性字段在數據類型、取值范圍、數據長度、小數點位數等方面定義賦予不同的約束限制。約束差異可能進一步造成屬性值層次上的實例差異。

2.4 數據實例差異

數據模式是對數據在“型”方面的刻畫，而數據實例則是對數據在“值”方面的描述。只有在設計定義好數據模式之后，才能依據該模式通過相關技術采集輸入描述具體事物現象的相應數據實例。由于在技術規范、作業方式、分類標準、采集時間等方面的不同，不同時期土地利用現狀數據之間同一地類要素的同義數據實例之間也會存在差異，這些差異主要表現在以下幾個方面：

（1）幾何圖形精度差異。由于受原圖變形、采集手段、儀器精度、處理誤差等因素的影響和制約，不同時期土地利用現狀數據中的同一地類要素幾何圖形精度往往存在差異，直觀表現為彼此間在位置、形狀上常常存在間距與縫隙，難以完全重合一致。如果在誤差容限范圍內，此類差異可予以保留。

（2）數據分幅圖元差異。由于受原始圖紙資料分幅以及矢量化采集與處理方式的影響，早期的土地利用現狀數據常常將一個地類要素表達為多個圖元記錄，而隨著數字化無縫空間數據采集技術的成熟普及以及深層次統計分析的需要，近期的土地利用現狀數據則采用面向對象思想將一個地類要素表達為一個單獨的圖元記錄，進而在不同時期土地利用現狀數據之間產生同一地類要素對應不同圖元的實例差異。

（3）地類名稱編碼差異。在中國土地利用現狀調查與研究中，先后制定頒發了多個不同的土地分類編碼方案，其中應用最為廣泛的主要有三個[7-8]：1984年頒發的《土地利用現狀調查技術規程》中制定的分類編碼方案；2002年頒發的《全國土地分類（過渡期間適用）》及編碼方案；2007年頒發的《土地利用現狀分類》國家標準方案。三個分類編碼方案在分類層次、地類數量、地類名稱、代碼組成等方面存在較大差異，表1概括對比了三種分類編碼方案的基本情況并給出了部分分類編碼差異示例。

表1 主要土地分類編碼方案對比及部分差異示例Tab.1 Comparisons among main land classification and coding programs and some difference examples

（4）耕地坡度表達差異。第一次土地利用現狀調查中，耕地地塊的坡度采用地面傾角（θ）或坡度值（i）（i = tanθ）的形式記錄；第二次土地利用調查中，坡度則表示為按地面傾角或坡度值大小范圍劃分5個等級（1—5）。

（5）數據時態變化差異。由于受氣候、災害、經濟建設、社會發展等多種自然與人為因素的影響，現實世界中的土地利用時刻都在發生著新增、消失、擴張、縮小等多種形式的變化。作為這些變化的真實描述與客觀反映，不同時期土地利用現狀數據中的同一土地利用要素在位置、形狀、面積、地類、權屬等方面也會存在差異。與上述差異不同，為追溯分析土地利用變化情況，這類差異應該予以保留。

3 基于FME的土地利用數據一致化方法

針對上述差異，目前常用的方法是依據傳統GIS軟件的數據格式轉換（或數據導入導出）、坐標系統轉換、模式重構與調整、數據編輯與修改等功能對其進行一致化處理。但這種方法普遍存在數據格式支持少、處理流程不清晰、知識經驗難共享、人機交互頻繁、效率低、易出錯等不足。為克服這些不足，本文設計提出了基于FME（Feature Manipulate Engine）的多時態土地利用現狀數據一致化處理方法。

3.1 FME技術原理簡介

FME擁有完整的空間數據ETL（Extraction-Transformation-Loading）解決方案。該系統由加拿大公司基于OpenGIS協會提出的“語義轉換”理念進行空間數據讀寫及格式與語義轉換。截至目前，FME系統共設計提供了250多種格式讀寫器，400多個轉換器，為數據轉換應用提供了高效、可靠的手段[9]。根據實際需要，用戶可靈活選擇利用相應的轉換器對轉換處理過程進行個性化定制與設置，以實現數據的無損轉換。

FME所做的數據轉換，包括結構轉換和內容轉換兩個方面。所謂結構轉換就是將源數據格式進行拆分、合并、重構，轉化為FME的內部標準數據結構，然后再發送到目標數據格式，而內容轉換則是改變一個數據集中相關要素的具體信息內容，包括要素的幾何特征或屬性值。這兩種轉換通過建立源數據到目標數據間的對應映射關系（即一系列轉換規則）進行控制，這些規則明確聲明了數據轉換處理的基本原則與具體操作，并按照相應語法記錄在“映射文件”中。映射文件是FME的語言，可以通過系統提供的圖形化界面進行可視化定義，也可以使用記事本等程序進行編輯。

FME本身目前還不能很好支持國產軟件數據格式。對此，國內已有一些專家采用插件技術開發了支持國產GIS數據格式的FME擴展模塊，筆者選擇了能夠有效支持MapGIS、SuperMap等格式的免費擴展模塊——MyFME。

3.2 土地利用數據一致化處理流程

為便于理解，本文以武漢市漢南區2003年土地利用現狀數據集中的面狀圖斑數據為例，參照圖2的一致化處理流程，介紹利用FME及其擴展模塊MyFME對其進行一致化處理的基本步驟及相關原理。

（1）啟動FME Workbench模塊，新建一個默認的一致化處理項目。

（2）根據現有數據的具體存儲格式，選擇相應格式的讀取器，向項目中添加待處理的土地利用現狀數據FME將自動顯示所加數據的屬性字段信息，如圖2中的①所示。

（3）根據需要選擇添加相應格式的目標數據集，并設計建立相應的模式結構，以用來存儲和管理處理結果。為了提高處理結果的可共享性及其規范化程度，選擇開源的、能夠被多種GIS軟件平臺讀取的Shape文件格式作為處理結果的存儲格式，并依據國土資源部2007年發布的《土地利用數據庫標準》[10]設計相應的模式結構?？紤]Shape格式最多只能采用10個英文字符或5個漢字命名屬性字段的限制，采用標準中規定的字段代碼作為屬性字段名，具體形式如圖2中的②。

（4）添加仿射轉換器（Affiner）（如圖2中的③），建立該轉換器與面狀圖斑數據集之間級聯關系，依據三對以上同一點不同坐標系下的已知坐標值，根據最小二乘原理解算并輸入仿射轉換器中的6個轉換參數，以利用仿射轉換器將面狀圖斑數據所參考的北京54高斯投影平面坐標系轉換為西安80高斯投影平面坐標系。仿射變換及其參數求解的數學模型分別如式1和2。

其中，

（5）添加融合轉換器（Dissolver）（如圖2中的④），建立該轉換器與仿射轉換器之間的級聯關系，并設置該轉換器的“Group by”參數為“地類碼”及“所屬部門”字段、“Attribute to sum”參數為“毛面積”、“線狀地物面積”、“零星地物面積”、“凈面積”等字段，以將輸入數據集中“地類”與“所屬部門”相同的相鄰圖斑融合為一個圖斑，并重新計算新圖斑的相關屬性，來消除數據分幅圖元差異。

圖2 基于FME的一致化處理基本流程配置圖Fig.2 Basic fl ow and conf i guration diagram of consistency handing based on FME

（6）添加屬性值映射轉換器（Attribute Value Mapper）（如圖2中的⑤），建立該轉換器與融合轉換器之間的級聯關系，設置該轉換器的“Source Attribute”參數為“地類碼”，“New Attribute Name”參數為“07國際地類碼”，并在“Value Mapping”列表中輸入源數據集所采用的“02地類碼”及其對應的“07國標碼”（如圖3），以“07國標碼”作為統一標準來消除地類編碼差異。對于地類名稱差異，亦可通過類似設置后加以處理消除。

（7）添加屬性范圍映射轉換器（Attribute Range Mapper）（如圖2中的⑥），建立該轉換器與屬性值映射轉換器之間的級聯關系，設置該轉換器的“Input Attribute”參數為“坡度”屬性，“Output Attribute”參數為“坡度等級”，并在“Range Lookup Tabel”中輸入坡度范圍及其所對應的坡度等級（如圖4），將源數據集中地面傾角記錄的坡度信息轉換為坡度等級信息，以消除坡度信息表達差異。

（8）對于扣除地類面積派生差異、變更時間數據類型差異等差異，可以通過添加Expression Evaluator、Date Formatter等轉換器進行一致化處理，轉換器參數設置過程與上述轉換器類似。

（9）針對不同差異，添加所需轉換器并正確設置相關參數之后，依據含義相同原則建立最后一個轉換器輸出屬性字段與目標數據集屬性字段之間的對應關系，進一步檢查核對各轉換器參數設置，確認無誤后開始執行一致化轉換處理，以生成符合新模式結構及實例表達要求的目標數據集。

4 結束語

土地利用是復雜多樣的，人們的理解認識也是合而不同、同中存異的，因此描述與反映不同時期土地利用現狀的多時態數據理應也是多樣、差異的。在當今科技飛速發展、崇尚特色個性的時代，標準規范也只能保證數據在一定區域、一定應用、一定時期內的相對一致，從長遠來看，差異及其處理將是土地利用現狀數據獲取管理與應用面臨的一個長期持續問題。

圖3 屬性值映射轉換器參數設置Fig.3 Parameter setting of attributevaluemapper

圖4 屬性范圍映射轉換器參數設置Fig.4 Parameter setting of attributerangemapper

由于用于實證與實驗分析的樣品數據有限，文中所提差異類型及相應一致化處理策略可能還有所遺漏。針對這一情況，下一階段將進一步收集分析不同區域的多時態土地利用現狀數據，建立更加完備的差異分類體系，通過實驗驗證從FME轉換器中篩選提出更加優化完善、切合實際的一致化處理策略。

（References）：

［1］張雅瓊，楊子生.中國兩次土地資源調查的對比分析［J］.國土資源科技管理，2013，30（2）：100-104.

［2］烏杰.系統辯證論［M］.北京：人民出版社，1991.

［3］崔鐵軍，郭黎.多源地理空間矢量數據集成與融合方法探討［J］.測繪科學技術學報，2007，24（1）：1-4.

［4］王育紅.空間數據集成及沖突消解方法綜述［J］.測繪科學，2011，36（2）：81-83.

［5］張菊清，楊元喜，曾安敏.多種地圖坐標系統的轉換方法及比較［J］.測繪通報，2008，（8）：32-35.

［6］雷浩川.基于MapGIS和ArcGIS的坐標系統轉換［J］.青海大學學報（自然科學版），2011，29（1）：29-31.

［7］陳百明，周小萍.《土地利用現狀分類》國家標準的解讀［J］.自然資源學報，2007，22（6）：994-1003.

［8］曲雪光，林愛文，李建武.關于《土地利用現狀分類》國家標準的探討［J］.湖南農業科學，2008，（4）： 89-90.

［9］楊帆，薄成.基于FME 的DWG數據到ArcGIS轉換的應用研究［J］.測繪科學，2012，37（2）：143-145.

［10］中華人民共和國國土資源部.中華人民共和國土地管理行業標準——土地利用數據庫標準（TD/T1016—2007）［S］. 2007.

（本文責編：郎海鷗）

Consistency Handling Approach on Multi-temporal Land Use Status Data with Various Differences

WANG Yu-hong , ZHANG He-bing , GUO Zeng-zhang
（School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China）

The purpose of this paper is to reduce or banish the differences among multi-temporal land use status data to derive and yield compatible and consistent data series, and to support and promote the comprehensive analysis, evaluation and prediction on multi-temporal data. The research methods are sample analysis, document analysis, comparative analysis and experiment verification. The study results mainly include a comprehensive classification of differences among land use data, a FME-based approach to handing the various differences, its basic steps and related principles. It is concluded that the proposed approach can efficiently banish data format difference, coordinate system difference, schema structure difference and data instance difference among land use status data, and greatly increase the harmony and agreement of data. This study provides the presupposition and basis for comprehensive utilization and analysis on land use status data at various times.

land information; data format difference; coordinate system difference; schema structure difference; data instance difference

F301.2

A

1001-8158（2014）12-0079-07

2014-03-28

2014-07-24

國家“十二五”科技支撐項目子課題（2012BAJ23B04-2）。

王育紅（1976-），男，河南柘城人，博士，副教授。主要研究方向為空間數據處理與分析。E-mail: wangyh@hpu.edu.cn

張合兵（1975-），男，河南滑縣人，碩士，副教授。主要研究方向為土地信息化。E-mail: jzitzhb@hpu.edu.cn