基于語義優先的土地利用圖斑綜合的空間信息評價研究

楊 俊，李 闖

基于語義優先的土地利用圖斑綜合的空間信息評價研究

楊 俊1，2，李 闖1

( 1．遼寧師范大學自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室，遼寧大連116029; 2．中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101)

一、引言

地圖是對現實世界的一種抽象表達，即根據一定的數學法則，利用制圖綜合技術，將地球上的自然與人文現象投影到平面上，科學地反映客觀實際的符號模型。隨著科技的發展，傳統的紙質地圖逐漸被數字地圖所代替，而作為地圖學的前沿和熱點問題，制圖綜合也發生了前所未有的變化［1］。制圖綜合就是在保持空間實體結構和特征的前提下，根據地圖的比例尺、用途及制圖區域的地理特征等因素，通過適當地選取和概括等操作對制圖區域的地圖數據進行抽取和加工，最終達到在有限的表示介質上傳遞更多更重要的空間信息的目的［2-4］。

土地利用數據具有全覆蓋、無重疊、無縫隙的空間分布特點，其多層次化的語義特征使綜合準則的決策變得更為復雜。艾廷華等提出語義鄰近圖斑聚合、拓撲鄰近圖斑融合兩種算法，并對兩種綜合結果進行了詳細的對比分析，為土地利用數據的綜合方法提供了新思路［5］。楊俊等提出了基于語義優先的土地利用綜合算法，并對綜合前后的語義一致性、完整性進行了對比分析［6-8］。孔凡強等將數學形態學與元胞自動機模型相結合，對土地利用柵格數據進行了綜合。范強等針對該種綜合算法作了語義分析和評價［9-10］。董文雪等利用元胞自動機技術實現了多尺度下的土地利用數據綜合［11］。近年來，隨著制圖綜合研究的不斷深入，綜合方法層出不窮，綜合結果的質量評價也逐漸引起相關學者的高度重視。石志寬等借助GIS空間分析、空間統計等技術，對土地利用現狀圖的縮編結果進行了質量評價，并驗證了各項評價指標的可行性［12］。鄧敏等對地圖綜合中語義質量的度量方法進行了研究［13］。除語義信息外，拓撲結構也是讀取地圖信息的又一重要方面，本文以土地利用數據為基礎，采用語義優先的圖斑綜合方法對其進行綜合，利用拓撲信息熵對綜合結果的空間信息進行評價分析。

二、語義優先的圖斑綜合方法

語義優先的綜合方法不但要考慮圖斑類別，還要考慮圖斑間的拓撲關系，因此，首要任務就是定義圖斑的拓撲關系。本文將有共享邊界的圖斑定義為拓撲鄰接，將無共享邊界但邊界距離小于最小圖上距離的圖斑關系定義為拓撲鄰近。拓撲關系定義完成后，選取小于最小上圖面積的圖斑集合來對其進行語義分析并綜合。

對于拓撲鄰接的同類圖斑直接進行合并處理，而針對拓撲鄰接的非同類圖斑:首先，采用提取Delaunay三角網骨架線的方法對其進行剖分處理;然后，將剖分后的碎小圖斑根據語義信息分別合并于其鄰近的主要圖斑，并改變其原有的土地利用類型名稱，從而實現圖斑融合。

對于拓撲鄰近的同類圖斑，以圖斑間的最小距離為半徑做緩沖區，提取緩沖區交集內的節點重新創建多邊形，進而將該多邊形與原同類圖斑進行合并處理，刪除重疊區域，實現圖斑聚合。

三、空間信息評價理論

地圖綜合過程中合并、夸張、刪除等操作除了會改變要素間幾何關系、語義關系外，一定程度上也會改變其空間拓撲關系。研究采用拓撲信息熵對綜合前后的地圖空間信息進行對比評價。

1．拓撲信息熵

若地圖上圖斑總數為N，且有Ni個圖斑與第i個圖斑拓撲鄰接，所有圖斑拓撲鄰接的圖斑總數為N0，則該幅地圖的拓撲信息熵可表達為

式中，i=1，2，…，N。拓撲信息熵越大，說明信息內容越豐富。其中，綜合過程中由于融合、聚合等操作而遺失的圖斑，其拓撲信息熵計為0。

2．專題拓撲信息熵

若地圖上圖斑總數為N，且第i個圖斑有Ni個圖斑與其拓撲鄰接，其中Sij( 1≤j≤Ni)是第i個圖斑的第j個拓撲鄰接圖斑的面積，S0為地圖上所有圖斑的拓撲鄰接圖斑的面積總和，那么該幅地圖的專題拓撲信息熵為

同樣，專題拓撲信息熵越大，說明信息內容越豐富。其中，綜合過程中由于融合、聚合等操作而遺失的圖斑，其專題拓撲信息熵計為0。

四、實例分析

本文選取大連市旅順口區經濟開發區第二次全國土地利用調查數據作為試驗數據，該數據比例尺為1∶10 000，圖上最小圖斑面積為400 m2，按照2006—2020年土地利用總體規劃1∶50 000比例尺土地利用數據的要求，采用10 000 m2為最小上圖面積，以30 m為圖斑聚合的最大距離，利用VS2010編程環境下的ArcGIS Engine二次組件開發實現上述的圖斑聚合、融合等綜合算法，綜合前后對比如圖1所示，計算綜合前后拓撲信息熵及專題拓撲信息熵的結果見表1。

圖1 經濟開發區數據綜合前后對比

由表1可以看出，耕地、園地、其他農用地、農村居民點用地、自然保留地拓撲信息熵增大，其他5種地類的拓撲信息熵減小。其中，綜合前其他農用地拓普信息熵為0．45，綜合后降低至0．27，變化率最大，達40．35%;而變化率最小的為城鎮用地，綜合前后的拓撲信息熵均為0．05。由式( 1)可以看出，拓撲信息熵與圖斑個數息息相關，其他農用地的圖斑個數由綜合前的28個減少至綜合后的10個，圖斑個數變化率最大，高達64．29%。因為圖斑個數減少，其他農用地拓撲鄰接個數必然減少，進而導致其拓撲信息熵降低，而城鎮用地圖斑個數在綜合前后并未發生改變，由圖1也可以看出其拓撲鄰接圖斑個數變化不大，因此，其拓撲信息熵基本沒有改變，從整幅地圖看，拓撲信息熵由綜合前的8．59減小至綜合后的7．74，可見，地圖綜合操作導致原有的部分信息丟失。

由式( 2)分析，圖斑的專題拓撲信息熵與其拓撲鄰接的斑塊面積息息相關。結合表1可以看出，其他農用地的專題拓撲信息熵由綜合前的0．57減小至綜合后的0．35，變化率依舊最大，達38．60%;而農村居民點用地的專題拓撲信息熵由綜合前3．16減小至綜合后的2．98，變化率最小，僅為5．70%。綜合前后圖斑個數的改變，必然導致每個圖斑的拓撲鄰接斑塊個數、斑塊面積的改變，進而造成各個地類專題拓撲信息熵不同程度的增大、減小等變化，其計算結果的大小說明了空間信息的豐富程度，而變化率說明了在綜合前后空間信息的保持程度。整幅地圖綜合前專題拓撲信息熵9．66，綜合后減小至9．22，可見綜合過程中，圖斑融合等操作同樣會導致部分專題拓撲信息丟失。

表1 經濟開發區數據綜合前后對比

五、結論與討論

本文采用緩沖區重疊、Delaunay三角形剖分等分析算法實現了基于語義優先的土地利用數據的圖斑綜合，并選取拓撲信息熵、專題拓撲信息熵兩種指標對綜合前后數據進行了對比分析。

從土地利用類型角度分析，綜合后各個地類拓撲信息熵、專題拓撲信息熵均有不同程度的增大、減小等變化。其中，除耕地、園地、其他農用地、農村居民點用地及自然保留地5種地類拓撲信息熵、專題拓撲信息熵減小外，其他5種地類的計算結果均為增大;而所有地類中，拓撲信息熵、專題拓撲信息熵綜合前后變化率最大的均為其他農用地，分別為40．35%、38．60%，主要由于其他農用地圖斑個數變化率較大，且分布相對零散，導致綜合后其拓撲鄰接圖斑的斑塊個數及面積相對較大，進而導致其空間信息變化較大。

從整幅地圖角度分析，綜合前，地圖層次的拓撲信息熵、專題拓撲信息熵分別為8．59、9．66，而綜合后分別減小至7．74、9．22，地圖綜合過程中的聚合、融合等操作會導致原有的部分空間信息丟失，因此綜合后地圖的拓撲信息熵、專題拓撲信息熵均小于綜合前地圖的兩類信息熵的值。

［1］ 張利君．土地利用總體規劃制圖綜合方法研究［D］．上海:華東師范大學，2011．

［2］ 張偉．基于ArcGIS的土地利用制圖綜合方法研究［D］．杭州:浙江大學，2006．

［3］ 楊志華．基于拓撲關系的制圖綜合研究［D］．北京:中國地質大學(北京)，2010．

［4］ 朱光．基于多Agent系統的自動制圖綜合研究［D］．杭州:浙江大學，2011．

［5］ 艾廷華，劉耀林．土地利用數據綜合中的聚合與融合［J］．武漢大學學報:信息科學版，2002，27( 5) :486-492．

［6］ YANG J，KONG F，XI J，et al．Land Use Patch Generalization Based on Semantic Priority［J］．Abstract and Applied Analysis，2013( 1) : 91-121．

［7］ 楊俊，席建超，孔凡強，等．基于語義優先的土地利用圖斑綜合的研究——以大連旅順口區北海街道為例［J］．地理科學，2013，33( 08) : 949-956．

［8］ YANG J，LI Y，XI J，et al．Study on Semantic Contrast Evaluation Based on Vector and Raster Data Patch Generalization［J］．Abstract and Applied Analysis，2014( 1) : 189-221．

［9］ 孔凡強，楊俊，王詩陽．語義支持下的土地利用柵格數據制圖綜合研究［J］．測繪通報，2014( 4) : 61-64．

［10］范強，李闖，李永化，等．基于元胞自動機的土地利用圖斑綜合語義評價研究［J］．測繪通報，2014( 6) : 39-42．

［11］董文雪，楊俊，李闖，等．基于元胞自動機的多尺度下制圖綜合效應研究［J］．測繪通報，2014( 9) : 63-65．

［12］石志寬，湯國安．土地利用現狀數據縮編的質量評價方法［J］．地理研究，2011，30( 2) : 233-242．

［13］鄧敏，劉楊，程濤，等．地圖綜合中語義質量的度量方法研究［J］．地理與地理信息科學，2008，24( 5) : 11-15．

［14］李晶，趙曉霞，任俊濤，等．土地利用現狀圖斑選取方法［J］．測繪通報，2014( 7) : 105-108．

［15］翁杰，王志鵬，唐皓，等．顧及鄰域變化的圖斑群合并方法研究［J］．測繪通報，2015( 2) : 113-116．

Study on Spatial Information Evaluation of Land Use Patch Generalization Based on Semantic Priority

YANG Jun，LI Chuang

研究了運用緩沖區疊加、Delaunay三角網骨架線等算法建立基于語義優先的制圖綜合模型，對土地利用圖斑進行了聚合、融合等操作，從空間信息的角度選取了拓撲信息熵、專題拓撲信息熵兩種評價指標，對綜合前后的地類、地圖兩個層次的空間信息進行了對比研究。結果表明:從地類角度分析，綜合前后，由于其他農用地分布零散，其拓撲信息熵、專題拓撲信息熵的變化率最大，分別為40．35%、38．60%;從地圖角度分析，綜合過程導致地圖原有的部分空間信息消失，綜合后地圖的拓撲信息熵、專題拓撲信息熵均減小。

圖斑綜合; Delaunay三角網;空間信息;拓撲信息熵

李 闖。E-mail: lichuang_gis@ 163．com

P208

B

0494-0911( 2015) 11-0044-03

楊俊，李闖．基于語義優先的土地利用圖斑綜合的空間信息評價研究［J］．測繪通報，2015( 11) : 44-46．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0343

2015-07-02

國家自然科學基金( 41471140) ;大連市科學技術基金( 2013J21DW027) ; 2014年遼寧省大學生創新創業訓練計劃( 201410165000011)

楊 俊( 1978—)，男，博士，副教授，研究方向為區域地表過程、城市人居環境與地理信息系統應用。E-mail: yangjun@ lnnu．edu．cn