一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法

摘要

本发明涉及一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法，包括：建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据库，历史土地利用数据库包括一调、过渡期的土地利用数据库和二调的土地利用数据库；对一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数据重建；根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状数据以及二调后年度变更调查数据库提取土地利用变更增量；根据土地利用变更增量生成变更事件表，并记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型，对要素实体的产生时间和要素实体的消亡时间赋值，完成土地利用数据时态拓扑自动构建，该方法大大的降低了土地利用时态数据库建库的工作量，提高了时空数据检索和趋势分析的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及基于地理事件时态数据建库技术领域，尤其涉及一种 土地利用数据时态拓扑自动构建方法。此方法对于加强土地用地管 理、监测用地变化趋势有重要现实意义。

背景技术

自1984年以来，我国完成了第一次、第二次全国性土地调查， 开展了年度土地变更调查工作，积累了海量的土地利用数据。当前 土地管理业务迫切需要利用长时间序列的时态数据进行历史回溯、 变化监测和趋势分析，为城镇化发展、耕地保护、土地市场提供技 术服务。时态数据库是时空数据挖掘分析的基础。土地利用调查数 据量庞大，通过技术人员人工构建要素实体时态拓扑，建立时态数 据库不具现实性。如何利用现有的土地调查数据，实现土地利用数 据时态拓扑的自动构建是目前建立时态数据库的核心技术问题。

土地利用数据多为序列快照数据，记录各年度土地利用的状态。 当前土地部门在数据管理时，常采用结构简单、易于实现的序列快 照模型。此种时空数据管理模型对于要素变化的描述不直观，缺少 土地利用变化时态拓扑关系，时态数据检索和时空分析困难，难以 满足现实需求。为了实现时间信息和空间信息的一致化处理，先后 提出多种数据模型，如时空立方体模型、时空组合模型、基态修正 模型等。在已有的时空数据模型中，采用基于事件的基态修正模型 比较适合时空数据库设计实现，并有人针对具体应用和科学问题提 出了对模型的改进。但土地利用要素实体变化多样（点面、线线、 线面、面面等多种变化）、时空关系复杂性（变更前后父子关系多对 多关系），既有历年的现状数据又有变更调查数据，现有改进模型并 不能满足时态管理的要求。

土地利用数据时态拓扑构建就是基于合适的土地利用时空数据 模型，对“一调”（第一次全国土地调查，1984年-1996年，下同）、 “过渡期”（土地调查中间过渡时期，一调结束至二调开始之间，下 同）和“二调”（第二次全国土地调查，2007年-2009年，下同）等 不同时期的数据进行再组织的过程，也即以土地利用现状数据、变 更调查数据等原始数据为基础，提取变更增量数据，甄别要素实体 变化类型，关联要素实体历史继承关系以及赋值要素生存消亡时间 的过程。现有技术常根据地理实体的属性及几何状态之间的关系确 定地理实体的变化类型及关联类型，构建要素实体的时态拓扑关系。 但是现有技术中针对的地理实体与土地利用实体不同，实体变化类 型并不一致。因此，实体变化类型的关联规则和方法也不适用土地 利用要素实体关联。现有技术中也常通过事件语义提取土地利用变 更业务中相应的地理事件，建立土地利用数据状态发生变化的原因、 事件以及数据间的联动关系，实现级联数据的时态拓扑关系构建。 但该时态拓扑构建方法仅适用于土地利用实体的时态拓扑局部更 新，对以土地利用现状数据、变更调查数据为基础进行时态数据提 取和时态拓扑关系构建的情境并不适用。

综上所述，时空数据模型并没有考虑不同时期土地利用数据的 数据内容不一致、数据结构异化等问题，多时态土地利用时空分析 检索效率较低，空间计算复杂度高；时态数据关联方法不适用于基 于一调、过渡期、二调土地利用现状数据的变更增量提取、父子继 承关系识别以及拓扑关系构建，不利于时空数据检索和趋势分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何针对一调、过渡期、二调以及 变更调查等不同时期土地利用现状数据，实现时态数据的一致性存储 和管理，基于序列快照数据和变更增量包提取土地利用变更增量，实 现土地利用数据时态拓扑的自动构建。

为此目的，本发明提出了一种土地利用数据时态拓扑自动构建方 法，包括以下步骤：

建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据库，所述历史土地 利用数据库包括一调、过渡期的土地利用数据库和二调的土地利用数 据库；

对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进 行数据重建；

根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现 状数据以及二调后年度变更调查数据库提取土地利用变更增量；

根据所述土地利用变更增量生成变更事件表，并记录变更前后要 素实体父子继承关系、变更类型，对要素实体的产生时间和要素实体 的消亡时间赋值，完成土地利用数据时态拓扑自动构建，形成时态拓 扑完整的数据库。

优选地，对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现 状数据进行数据重建，具体为：将一调、过渡期的土地利用数据中同 名实体数据进行一致化重建。

优选地，所述根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二 调土地利用现状数据以及二调后年度变更调查数据库提取土地利用 变更增量，具体包括：

对一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状 数据，采用基于序列快照数据提取增量方式获取土地利用变更增量；

基于年度变更调查数据库中的年度变更调查数据提取土地利用 变更增量。

优选地，所述基于序列快照数据提取增量方式获取土地利用变更 增量具体包括：

通过对相邻两年的土地利用现状数据进行空间叠置分析，生成要 素变更文件；将所述要素变更文件和所述相邻两年的土地利用现状数 据进行关系运算，进行土地利用变更增量数据的提取。

优选地，所述基于年度变更调查数据库中的年度变更调查数据提 取土地利用变更增量具体包括：

获取所述年度变更调查数据的更新过程文件；

根据所述更新过程文件进行过渡期之后的土地利用变更增量数 据的提取；

优选地，所述土地利用变更增量数据的提取具体包括：

提取未变更要素实体，生成未变更要素集；提取属性变更要素实 体和几何变更要素实体，生成变更前要素集和变更后要素集。

优选地，所述根据所述土地利用变更增量生成变更事件表具体包 括:

根据所述土地利用变更增量数据提取变更前要素集、变更后要素 集和未变更要素集；

为所述变更前要素集中要素实体的消亡时间和所述变更后要素 集中要素实体的产生时间进行记录；

根据所述土地利用变更增量数据提取变更前后要素实体父子继 承关系；

根据所述变更前要素集、变更后要素集以及变更前后要素实体父 子继承关系生成变更事件表。

通过采用本发明所公开的一种土地利用数据时态拓扑自动构建 方法，在构建土地利用时空数据模型基础上，提取时态数据、建立实 体历史继承关系、时态拓扑关系，构建土地利用数据时态链，实现不 同时期异构数据的一致化存储，为土地利用历史追溯、趋势分析提供 可靠的时态数据库。实现一调、过渡期、二调等不同时期现状数据的 历史继承关系识别和时拓扑自动构建，基于变更调查数据实现对已有 时态链的的时态数据库进行动态更新和维护，大大的降低了土地利用 时态数据库建库的工作量，提高了时空数据检索和趋势分析的效率。 该方法为土地管理领域长时间序列大数据挖掘提供多时态、数量和质 量一体化的时态数据分析基础，为城镇化发展、耕地保护、土地市场 服务等应用领域需要土地变化规律的分析和挖掘提供技术支撑。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示 意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法的流 程图；

图2示出了本发明实施例中土地利用时态数据库的组织结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

本发明实施例提供了一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法， 针对一调、过渡期、二调土地利用数据特点，提取重建前后数据，提 取变更前后增量数据，构建时态数据拓扑关系，如图1所示，包括以 下步骤：

S101，建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据库，所述历 史土地利用数据库包括一调、过渡期的土地利用数据库和二调的土地 利用数据库。

S102，对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状 数据进行数据重建，具体为：将一调、过渡期的土地利用数据中同名 实体数据进行一致化重建。

S103，根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地 利用数据库中的土地利用现状数据以及年度变更调查数据库提取土 地利用变更增量，具体包括：对一调、过渡期重建后的土地利用现状 数据和二调土地利用数据库中的土地利用现状数据，采用基于序列快 照数据提取增量方式获取土地利用变更增量；基于年度变更调查数据 库中的年度变更调查数据提取土地利用变更增量；其中，基于序列快 照数据提取增量方式获取土地利用变更增量具体为通过对相邻两年 的土地利用现状数据进行空间叠置分析，生成要素变更文件，将要素 变更文件和所述相邻两年的土地利用现状数据进行关系运算，进行土 地利用变更增量数据的提取；所述基于年度变更调查数据库中的年度 变更调查数据提取土地利用变更增量具体为获取所述年度变更调查 数据的更新过程文件，根据所述更新过程文件进行过渡期之后的土地 利用变更增量数据的提取；将提取的未变更要素实体，生成未变更要 素集；并将提取的属性变更要素实体和几何变更要素实体合并存储生 成变更前要素集和变更后要素集。

S104，根据所述土地利用变更增量生成变更事件表，并记录变更 前后要素实体父子继承关系、变更类型，对要素实体的产生时间和要 素实体的消亡时间赋值，完成土地利用数据时态拓扑自动构建，形成 时态拓扑完整的数据库。

所述变更事件表用于记录变更前后要素实体父子继承关系、变更 类型、要素实体的产生时间和要素实体的消亡时间。根据所述土地利 用变更增量生成变更事件表，具体包括:根据所述土地利用变更增量 数据提取变更前要素集、变更后要素集和未变更要素集；为所述变更 前要素集中要素实体的消亡时间和所述变更后要素集中要素实体的 产生时间进行记录；根据所述土地利用变更增量数据提取变更前后要 素实体父子继承关系；根据所述变更前要素集、变更后要素集以及变 更前后要素实体父子继承关系生成变更事件表。

本发明实施例中，建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据 库，其中历史土地利用数据库包括一调、过渡时期、二调土地利用现 状数据，支持shp文件、geodatabase地理数据模型等格式土地利用数 据入库。年度变更调查数据库是二调以后年度变更调查增量包数据。

根据所述土地利用变更增量生成变更事件表和时态拓扑关系构 建，实现时态拓扑关系的自动构建。所述生成变更事件表是创建变更 事件表，并记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型、变更后 要素实体的产生时间和变更前要素实体的消亡时间；时态拓扑关系构 建是补全变更前要素实体的产生时间和变更后要素实体的消亡时间 以及不变要素实体的生命周期。

本发明实施例根据变更事件表，对时态数据库中变更前后要素、 基态要素的生命周期赋值，形成时态拓扑完整的土地利用时空数据 库，如图2所示，将一调、过渡期进行的数据重建，建立重建数据子 库，根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用数 据库中的土地利用现状数据以及年度变更调查数据库提取土地利用 变更增量数据，生成变更事件表，并将土地利用要素对象的变化视为 “旧对象消亡和新对象产生”的过程，对于每一次实体对象的变化， 其新旧对象的交替变化可基于事件逐一记入“历史要素数据集”中， 而“现状要素数据集”则永远保存最新的空间状态，变更前后实体的 父子关系、变更事件类型、时空拓扑关系保存在“变更事件表”中。 其中，现状要素数据集记录某年度存在的要素实体，其中一部分为变 更后的要素实体，另一部分为未发生变更的要素实体；历史要素数据 集记录某年度变更前的要素实体。

由于一调、过渡期等历史土地利用数据库因数据获取、入库的标 准与二调不同（属性字段、土地分类标准、最小上图面积），造成未 变更的同名实体（零星地物、线状地物、地类图斑）在数据内容（属 性字段、土地分类标准）、空间位置和几何形状（数据采集获取技术 方法、数据制图，如平滑、接边）、实体类型（入库标准不同造成， 如点到面、线到面、面到面）等方面不一致。针对这种不一致，需要 对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数 据重建，建立重建前和重建后的要素实体关联关系，生成重建事件表。

本发明实施例根据T1年、T2年（T1<T2）相邻两年的土地利用 现状数据进行同名实体匹配，在判别同名实体不一致类型基础上对要 素实体的几何形态进行重建，将重建前后的要素实体保存到对应年重 建前要素集、重建后要素集，生成要素重建记录号，保存重建记录号、 重建前后要素标示码、重建类型、重建时间到重建事件表。将实体重 建作为一次重建事件，在“重建事件表”中记录重建前后实体关联信 息、重建时间、重建类型、重建记录号等相关信息，实现重建前一调、 过渡期数据查询、存档，实现不同时期异构数据的一致化存储，为土 地利用历史追溯、趋势分析提供可靠的数据基础。

如下表所示，表1为重建前后要素表、表2为重建事件表：

表1重建前后要素

表2重建事件表（BGSJ）

备注：1、表示几何图形重建；2、表示几何类型重建；3、表示几何位置重建。

目前基于海量土地利用现状数据提取增量工作量大，本发明实施 例通过建立基于序列快照和变更调查数据的增量提取方法，实现了变 更前后要素的自动提取，时态拓扑关系的自动构建，提高时态数据库 建库的效率。

下面对上述提取土地利用变更增量数据的两种方法进行详细的 说明，如下：

1）基于序列快照数据提取变更增量

通过T1年、T2年（T1<T2）相邻两年的现状数据空间叠置分析 （空间求交、空间求并、空间求反），生成变更过程文件，根据变更 过程文件和T1年、T2年的现状数据进行关系运算，提取未变更要素、 变更要素。变更过程文件是参与变更要素基本单元的集合，反映了两 个时点之间对比要素对象的变化及其相关对象的集合。变更过程文件 记录了变更基本单元变更前的属性信息和变更后的属性信息。变零星 地物过程文件、线状地物过程文件是T1年、T2年空间求交（Intersect） 运算结果与T1年、T2年空间求反（Symmetrical Difference）运算结 果的空间地理要素求和。地类图斑过程文件是T1年、T2年空间求并 （Union）运算结果。按零星地物图层、线状地物图层、地类图斑图 层分别进行提取变更增量。提取时按不变要素提取，属性变化要素提 取、几何变化要素三个步骤进行。

要素提取规则：不变要素提取，则根据T1年、T2年要素几何图 形不变，地类、权属等属性信息不变和要素地类面积差小于控制面积 （控制面积为4m²）进行；属性变化要素提取，则根据T1年、T2年 要素几何图形不变，提取地类码、权属变化或者两期地类面积差大于 控制面积（控制面积为4m²）的要素；几何变化要素提取时，变化前 要素为T1现状要素扣除不变要素和属性变化前要素的所有要素，变 化后要素为T2年现状要素中扣除不变要素和属性变化后要素的所有 要素。变更后要素存入现状要素数据集、变更前要素存入历史要素数 据集。

变更前后要素集命名规则：<变更前或变更后>+“_”+<要素 类型>+“_”+<T1>TO<T2>。变更前标记为BGQ，变更后标记为 BGH；要素类型为地类图斑、线状地物、零星地物，分别用DLTB、 XZDW、LXDW标记；T1、T2标示现状要素时间。

2）基于年度变更调查数据提取变更增量

根据更新过程文件中要素实体变更前后要素标识码、变更行为识 别要素实体变化。要素提取时按零星地物图层、线状地物图层、地类 图斑图层依次提取。遍历T2年更新过程文件中的要素，取其任一要 素对比变更前后标示码和变更行为，若要素变更前后标识码相同、变 更行为为“4”则为未变化；若要素变更前后标识码相同、变更行为 为“1”则为属性变化；若要素变更前后标识码不同、变更行为为“0”、 “2”、“3”则为几何变化。从T2-1年现状数据中提取变更前要素存 入历史要素数据集，从更新文件中提取变更后要素存入现状要素数据 集。要素集命名规则同基于序列快照数据提取变更增量部分。

要素变更行为：分为灭失、属性变更、图形变更、新增、无变化 五种。其中：灭失表示为“0”；属性变更表示为“1”；图形变更表 示为“2”；新增表示为“3”；无变化表示为“4”。

将提取的未变更要素实体，生成未变更要素集；并将提取的属性 变更要素实体和几何变更要素实体合并存储生成变更前要素集和变 更后要素集，并根据所述土地利用变更增量数据生成变更事件表，所 述变更事件表用于记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型、 要素实体的产生时间和要素实体的消亡时间，具体步骤如下：

1）在变更前后要素集、未变化要素集新建“变更记录号”、“变 更日期”、“产生时间”、“消亡时间”等字段。根据T1年、T2年现状 数据时态拓扑关系，提取T2年现状数据中要素变更记录号、变更日 期保存到变更前、变更后的要素新建字段“变更记录号”、“变更日期”。 历史要素数据集中的变更前要素“消亡时间”赋值T2年，现状要素 数据集中的变更后要素“产生时间”赋值T2年。

2）根据变更前、变更后的要素生成变更事件表（BGSJ），记录 变更前后要素标示码、变更类型、变更时间以及变更记录号。变更事 件表中仅记录图斑的变更前后的继承关系，零星地物、线状地物仅记 录变更前后的状态。其中，变更时间、变更记录号为T2年要素字段 中变更时间、变更记录号。根据变更前后要素标示码、要素空间叠置 分析是，提取变更类型。变更前后标识码不变则为属性变化，否则为 几何变化。

如下表所示，表3为变更前后要素表、表4为变更事件表：

表3变更前后要素

表4变更事件表（CJSJ）

备注：变更类型：1表示属性变化；2表示几何变化，包括分割合并变化以及图形属性 的混合变化。

3）重复1）、2）步骤依一调、过渡期、二调时间顺序提取时态 数据，并按时态数据库结构建立数据库，如图2所示。对上述步骤1）、 2）中变更前要素实体的产生时间、变更后要素的消亡时间进行赋值。

4）假定已提取1996年-2013年变更增量数据（时间间隔为1年）， 并建立了从1996年-2013年的时态数据库。要素生命周期构建如下：

首先对1996所有要素产生时间赋值为1996年（时间赋值仅作为 时态拓扑构建的示例，并非严格意义上要素变更实际时间）；

1996年变更前要素集BGQ_DLTB_1996TO1997中的消亡时间赋 值为1997年，同时变更后要素集BGH_DLTB_1996TO1997产生时间 赋值为1997年；

取变更后要素集BGH_DLTB_1996TO1997要素集中任一要素 （FEATURE1997）标示码（BSM1997）按变更时间时序在其他变更 前要素集中遍历。若BSM1997=某A年变更前标示码，则要素 FEATURE1997的消亡时间赋值A年，若遍历结果为空，则赋值消亡 时间为10000年（用10000年表示要素至今仍存在）。

重复上述步骤，按时态库时序逐个遍历变更后要素集，给要素对 象消亡时间赋值，完成时态库的要素时态拓扑构建。

本发明实施例针对土地利用多要素级联变更的复杂性，以图斑变 更为核心组织土地利用时态数据，提高要素实体历史继承关系识别 率，降低时态拓扑关系构建的复杂性。针对一调、过渡期、二调以及 变更调查等不同时期、数据结构异化等问题，建立重建事件表、变更 事件表，对重建要素类型、变更数据类型进行分类，实现了时态数据 的一致性存储和管理。支持变更调查数据的有效接入和时态拓扑的构 建，延长了土地利用时态库的时态链，扩展时态库中有效数据源，增 强了时态数据库的生命力。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范 围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变 换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明 的专利保护范围内。