國土三調數據與地理國情數據融合可行性分析

龔國輝，董春，亢曉琛

(1.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000；2.中國測繪科學研究院，北京 100036)

0 引言

2015年我國完成了第一次全國地理國情普查后，又開展了基礎性地理國情監測等工作，經過基本統計分析、綜合統計分析、專題統計分析3個階段，得到了反映我國自然資源時序與空間上的變化、分布、利用狀況以及生態格局等各類數據指標[1-2]，形成揭示社會與經濟發展、自然資源與生態環境之間的聯系及發展潛力等專題的數據[3]。其成果已在“多規合一”[4]、自然資源負債表編制、三生協調的綜合統計分析、生態文明建設等多個領域中發揮了不可或缺的作用[5]。同時第三次全國國土調查(國土三調)也為了掌握真實精確的國土資源利用及變化情況，以及分布、種類、數量等信息。不斷完善國土調查、監測及統計分析的方法和制度，滿足自然資源調查和監測制度改革、生態治理與修復、國土空間用途監管、空間治理能力現代化以及國土空間資源規劃體系構建等工作的各種需求[6]。

1 兩類數據特點及存在的問題

全國地理國情普查與監測和國土三調都是對我國全部陸地范圍(除港、澳、臺地區)的全覆蓋、無縫隙地表監測與調查[7]，目的都是為了掌握真實準確的全國土地利用和變化情況。由于二者內容指標、技術手段、組織方式等不一致，兩類數據各有側重和特點。其中，地理國情數據側重于土地覆蓋的自然地理要素與人文地理要素的自然屬性和分布狀況的調查與監測[8]，對地表覆被具有更加精細的分類體系(地理國情：二級類+最細三級類=123個>國土三調：二級類+細化類=67個)。但它的部分內容指標缺少相應的一些管理屬性信息，如地理國情中的一級類房屋建筑(區)只從建筑區房屋的高度和密度上做了分類，并沒有對建筑區的具體用途進行描述。而國土三調中與建筑設施相關的分類有商業服務業用地、工礦用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地，所以可以參考國土三調數據屬性來補充地理國情數據。

國土三調則側重對土地利用狀況和各種屬性信息的調查[9]。立足于社會經濟發展和土地資源管理與規劃、自然資源的保護等工作需求[10]。但其數據指標與自然資源調查工作中自然資源的部分種類也沒有明確的對應分類，在分類精度上整體上存在一定的缺陷。比如荒地資源中的荒野地與廢棄地在國土三調中沒有對應類別；海域在國土三調中沒有相關分類，而地理國情中有二級類海面與之對應[11]。所以可以參考地理國情數據來細化豐富國土三調數據分類體系。如果實現數據之間的結合使用必然能帶來“1+1>2”的效用。更有利于掌握各類土地資源使用情況，明確城市、非城市建設用地的實際用途，加強國土空間規劃與用途管制[12]。而且有助于以依法行使“兩統一”職責為總目標建立完善的自然資源統一調查、評價、監測制度方案。

2 數據關聯性分析

本文基于國土三調先行縣數據及《基礎性地理國情監測內容與指標》[13]和《第三次全國國土調查技術規程》[6]等相關資料中對地理國情和國土三調地類的定義與劃分規則，依據“口徑可比較”原則[14]對地理國情監測數據和國土三調數據獲取和制作方法以及內容指標的對應關系進行定性分析，明確兩類數據各自的優勢、特點以及差異性、獨立性、相關性以及互補性[15]。初步確立兩類數據指標的對應關系為地理國情監測分類體系中的一級類種植土地、林草覆蓋與國土三調一級類耕地、種植園用地、林地、草地及其他部分類別的匹配關系(表1)。

結合表1和基礎性地理國情監測內容與指標[13]及第三次全國國土調查技術規程[6]，得出國土三調的二級類：果園在地理國情三級類中可以細分為喬灌果園、藤本果園、草本果園；其他園地在地理國情三級類中可細分為其他喬灌經濟苗木、其他藤本經濟苗木、其他草本經濟苗木；公園與綠地可以細分出二級類花圃和三級類綠化草地；其他林地可以細分出苗圃；喬木林地在地理國情三級類中可細分為闊葉林、針葉林、針闊混交林；灌木林地在地理國情三級類中可細分為闊葉灌木林、針葉灌木林、針闊混交林；其他林地在地理國情二級類中可細分為喬灌混合林、疏林、綠化林地、人工幼林、稀疏灌草叢；其他草地在地理國情三級類中可細分為固沙灌草、護坡灌草、其他人工草地。地理國情二級類花圃可以添加公園與綠地的屬性；苗圃可以添加其他林地的屬性；天然草地可以添加國土三調天然牧草地的屬性；三級類綠化草地可以添加國土三調公園與綠地的屬性。

表1 種植土地和林草覆蓋與國土三調分類匹配關系

表2為地理國情監測分類體系中一級類鐵路與道路和構筑物與國土三調一級類交通運輸用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地以及其他部分類別的匹配關系。

結合表2和基礎性地理國情監測內容與指標[13]及第三次全國國土調查技術規程[6]，得國土三調的二級類鐵路用地、軌道交通用地、公路用地、城鎮村道路用地都可以細分為地理國情二級類鐵路、公路以及三級類中的隧道、橋梁、高速公路出入口；港口碼頭用地可細分出三級類車渡、碼頭；交通服務場站用地可細分出三級類加油(氣)、充電站，露天停車場；機場用地可細分出停機坪與跑道；一級類公共管理與公共服務用地中的細化類高教用地可以細分出露天體育場；設施農用地可細分出三級類場院，二級類溫室、大棚；特殊用地可細分出二級類城墻；水工建筑用地可細分出三級類堤壩、閘、排灌泵站，其他水工構筑物。相反，可以將各細化類對應的國土三調類別的屬性信息補充到地理國情數據中。

表3為地理國情分類體系中一級類人工堆掘地、荒漠與裸露地及水域與國土三調一級類工礦用地、其他土地、水域及水利設施用地的匹配關系。

結合表3和基礎性地理國情監測內容與指標[13]及第三次全國國土調查技術規程[6]，可得國土三調二級類采礦用地與地理國情二級類露天采掘場和堆放物對應，可細分為2個二級類對應的9個三級類；裸巖石礫地可細分為二級類礫石地表和巖石地表；冰川及永久積雪可細分為三級類冰川和常年積雪。相反，可以將各細化類對應的國土三調類別的屬性信息補充到地理國情數據中。

表2 鐵路與道路和構筑物與國土三調分類匹配關系

綜上分析地理國情中有一級類房屋建筑(區)，構筑物中二級類固化池、沙障、其他構筑物，人工堆掘地中二級類堆放物、建筑工地、其他人工堆掘地與國土三調分類沒有明確對應關系；國土三調中一級類濕地、商業服務業用地、住宅用地以及公共管理與公共服務用地和特殊用地與地理國情分類也沒有明確對應關系。該分析結果具有一定的主觀性，兩類數據中有部分指標沒有明確的對應關系，也體現了兩類數據的差異性。后續還需結合矢量數據圖層進行空間分析來進一步確定各類數據指標的最佳匹配關系。

表3 人工堆掘地、荒漠與裸露地及水域與國土三調分類匹配關系

3 實驗與分析

3.1 實驗總體框架

由于地理國情數據和國土三調數據在內容指標、技術手段、組織方式等方面的差異性，首先通過定性分析兩類數據指標相互補充豐富的可行性。依據兩類數據地類的定義與劃分規則，建立各個地類間的匹配關系表；然后通過實驗對兩類數據進行相互補充實驗，選取同時期、相同區域的兩類數據的矢量數據做空間疊加分析，編寫Python腳本計算兩圖層各圖斑疊加情況(重疊面積、重疊度)，同時結合地類匹配關系表和高分辨率遙感影像明確各地類之間的準確對應關系，完成兩類數據的補充豐富。最終獲得分類豐富和屬性完整的地表覆被數據，在自然資源調查、監測和國土空間規劃等工作中提供助力(圖1)。

圖1 地理國情數據與國土三調數據補充豐富的整體框架

3.2 建立匹配關系

通過表1到表3的對比分析，依據“內涵一致(兩類數據各地類定義的一致性)”“地類細分(從最細地類開始匹配，保證無遺漏)”“逐級歸并(以最細類匹配開始逐級向上歸并)”3個匹配原則初步確立了地理國情和國土三調數據指標中可以相互補充豐富的類別[15]。可總結為“一對一”“一對多”“多對一”和“無對應”4類匹配關系，如表4、表5分別為地理國情中可以補充國土三調數據屬性的對應類別和國土三調中可以用地理國情分類進行細化豐富的類別。其中，地理國情的一級類房屋建筑(區)及對應的5個二級類，8個三級類和國土三調的一級類商業服務業用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地及對應二級類和細化類都是建筑設施相關的用地類別，可以很好地相互補充豐富。

表4 地理國情數據屬性補充的地類

表5 國土三調數據細化豐富的地類

3.3 實驗數據概況

本文研究區域為廣西壯族自治區2018年6月進行第三次全國國土調查工作的試點先行縣之一的貴港市港北區。位于廣西壯族自治區潯郁平原中部，總面積1 020 km2，其中包括各類種植土地、林地、草地、建筑區、道路、山地、裸地、水域等各種地類圖斑，有助于兩類數據的對比分析。矢量數據有第三次全國國土調查的地類圖斑圖層(DLTB)和地理國情監測的地表覆蓋圖層(LCA)以及自然資源部辦公廳關于印發《2018年全國基礎性地理國情監測實施方案》及有關技術規定的通知和《第三次全國國土調查技術規程》等資料。

3.4 實驗過程

因為2套面狀矢量數據坐標投影一致，通過GIS軟件的空間疊加分析功能，結合Python腳本，利用國土三調數據補充地理國情數據一級類房屋建筑(區)管理屬性。

1)運用ArcGIS軟件將地理國情監測LCA矢量圖層和國土三調DLTB矢量圖層做相交疊加處理，得到兩類數據圖斑的疊加圖層。

2)基于圖斑疊加結果按地理國情監測數據地類名稱或地類編碼等屬性選擇，提取出相應的地理國情一級類房屋建筑(區)圖斑與國土三調圖斑的疊加圖層。

3)通過編寫Python腳本計算地理國情房屋建筑(區)各圖斑與各類國土三調圖斑的重疊面積和重疊率，其中與各房屋建筑(區)圖斑重疊率最大的國土三調圖斑對應屬性作為該房屋建筑(區)圖斑的最佳補充屬性。

4)結合兩類數據匹配關系表與各房屋建筑(區)圖斑對應的重疊面積最大、重疊率最大的國土三調圖斑對應的地類，確定最佳匹配類別。再編寫Python腳本提取其地類名稱、地類編碼等屬性信息并添加到地理國情房屋建筑(區)屬性表中。達到豐富地理國情監測數據的相應管理屬性的目的。

3.5 結果分析

圖2 地理國情與國土三調圖斑疊加結果

由于兩類數據的各類指標的定義和圖斑的提取存在差別，使得兩類數據對于同一個地物會賦予不同的屬性，提取出不同的邊界范圍。基于兩類矢量數據疊加結果，提取同時包含地理國情和國土三調屬性的房屋建筑(區)圖斑。圖2展示了一個地理國情的房屋建筑(區)圖斑與多個國土三調圖斑重疊的情況，其中該圖斑與國土三調的二級類農村宅基地重疊的最多，重疊率90.16%；與城鎮村道路用地重疊5.04%；科教文衛用地重疊1.44%；其他林地重疊1.34%；灌木林地重疊1.05%；喬木林地重疊0.92%；水田重疊0.06%。可見對于該圖斑可以補充農村宅基地的管理屬性。

結合Python腳本計算，得到地理國情全部房屋建筑(區)圖斑與各類國土三調圖斑的重疊情況，然后以地理國情圖層圖斑的圖斑序號為唯一標識，計算并提取出各個房屋建筑(區)圖斑與國土三調(DLTB)各類圖斑重疊率最大的相關屬性信息。如表6所示，選取地理國情監測房屋建筑(區)與國土三調圖斑重疊結果的部分圖斑數據。

表6 房屋建筑(區)圖斑最大重疊度結果

因為每一個地理國情數據圖斑都與多個國土三調數據圖斑有重疊，提取其中一個重疊面積最大、重疊率最高的圖斑及其屬性作為該地理國情圖斑的最佳匹配對象。根據表6的結果，利用Python腳本將最佳匹配屬性寫入地理國情數據屬性表，達到對地理國情數據管理屬性補充豐富的目的(圖3)。

圖3 圖斑屬性補充

由圖3可以看出，利用國土三調數據對地理國情監測數據缺少的管理屬性進行了補充和豐富。對于地理國情房屋建筑(區)的部分圖斑的屬性信息，增加了設施農用地、采礦用地、工業用地、城鎮住宅用地、空閑地等管理屬性信息。驗證了兩類數據融合的可行性。同樣，對于國土三調數據也可以用地理國情監測數據進行豐富和補充，充分地結合兩類數據各自的數據優勢，不斷地提高數據的應用效果。

4 數據差異分析

4.1 影像數據精度差異

地理國情監測要求收集滿足地理國情監測設計要求的高分系列、資源系列、天繪系列、北京二號等一系列國產高精度衛星遙感影像數據，同時采購國內外商業衛星遙感影像，確保有覆蓋全國優于2.5 m分辨率影像數據以及特殊地區優于1 m分辨率的影像數據。國土三調中農村地區的土地調查數據采集要求采用優于1 m分辨率覆蓋全國的遙感影像資料；城鎮區域地物復雜，要求數據采集精細程度更高，需采用優于0.2 m分辨率的高精度遙感影像資料[17]。

4.2 數學基礎差異

地理國情監測按任務區組織數據不分帶，使用地理坐標系，經緯度值以“°”為單位；采用分幅方式組織數據時，按6°分帶，采用高斯-克呂格投影。國土三調投影方式均采用高斯-克呂格投影，數據有1∶2 000、1∶5 000、1∶10 000比例尺標準分幅圖或數據按3°分帶。

4.3 數據采集差異

數據采集精度，就是獲取各地類邊界線和方位與影像上各地類要素界線和位置的匹配度。地理國情監測數據采集要求影像上分界明顯的各地理要素的邊界和定位點的精度要確保在5個像素之內。對于特殊地物，如高層建筑物遮擋、高大樹木遮擋、陰影等，數據采集時，理論上要求誤差不超過10個像素[10]。因為衛星拍攝遙感影像時有側視角問題，達到一定高度的地物在影像上會產生形變、移位，需要經過相應處理以符合采集精度的規定。國土三調的土地利用現狀數據、權屬調查數據、專項用地調查數據圖形邊界不銜接的，應結合影像、外業調查、權屬協議書等手段進行核實，并按照核實結果調整相關圖形邊界[10]。各要素采集的界線與調查界線的偏差不能超過0.2 mm[6]。

4.4 分類體系差異

由于兩類數據的工作方式和數據采集指標有一些差異，在地理國情監測中，耕地、園地合并為種植土地，林地、草地合并為林草覆蓋。地理單元新增飲用水水源保護區、生態保護紅線區、永久基本農田保護區、城鎮發展邊界；社會經濟區域單元新增保障性住房建設區、收費停車場(庫)。10個一級類、59個二級類和107個三級類[10]。國土三調在土地管理行業標準《第三次全國國土調查技術規程》中，明確了13個一級類，55個二級類，并對部分二級地類進行了三級細化[6]。

5 結束語

本文對全國地理國情監測數據和第三次全國國土調查數據指標進行對比分析，建立兩類數據指標匹配關系，并結合國土三調數據的管理屬性對地理國情數據一級類房屋建筑(區)進行管理屬性補充實驗，驗證兩類數據融合的可行性。由于兩類數據在影像數據精度、數學基礎、數據采集及分類體系上存在一定差異，都有各自的數據優勢和特點。所以將兩類數據優勢結合起來，進行相互補充豐富，充分發揮其成果在我國從國家到地方的自然資源管理、國土空間管制與規劃、生態保護修復等重要工作中的應用價值。

由于本文選取國土三調的先行縣港北區作為研究區域，研究區域較單一，地物分類不具普遍性。考慮到數據時相及采集差異，在對圖斑進行疊加時會出現一個圖斑與多個圖斑重疊度相當的情況。針對這類圖斑的屬性補充的合理性問題，需進一步結合當地地貌特征以及影像數據判讀，必要時進行實地考察，以獲取最準確的研究數據。準確地對地理國情數據和國土三調數據指標進行匹配融合。