基于语义优先的土地利用图斑综合的空间信息评价研究

杨 俊，李 闯

基于语义优先的土地利用图斑综合的空间信息评价研究

杨 俊1，2，李 闯1

( 1．辽宁师范大学自然地理与空间信息科学辽宁省重点实验室，辽宁大连116029; 2．中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101)

一、引言

地图是对现实世界的一种抽象表达，即根据一定的数学法则，利用制图综合技术，将地球上的自然与人文现象投影到平面上，科学地反映客观实际的符号模型。随着科技的发展，传统的纸质地图逐渐被数字地图所代替，而作为地图学的前沿和热点问题，制图综合也发生了前所未有的变化［1］。制图综合就是在保持空间实体结构和特征的前提下，根据地图的比例尺、用途及制图区域的地理特征等因素，通过适当地选取和概括等操作对制图区域的地图数据进行抽取和加工，最终达到在有限的表示介质上传递更多更重要的空间信息的目的［2-4］。

土地利用数据具有全覆盖、无重叠、无缝隙的空间分布特点，其多层次化的语义特征使综合准则的决策变得更为复杂。艾廷华等提出语义邻近图斑聚合、拓扑邻近图斑融合两种算法，并对两种综合结果进行了详细的对比分析，为土地利用数据的综合方法提供了新思路［5］。杨俊等提出了基于语义优先的土地利用综合算法，并对综合前后的语义一致性、完整性进行了对比分析［6-8］。孔凡强等将数学形态学与元胞自动机模型相结合，对土地利用栅格数据进行了综合。范强等针对该种综合算法作了语义分析和评价［9-10］。董文雪等利用元胞自动机技术实现了多尺度下的土地利用数据综合［11］。近年来，随着制图综合研究的不断深入，综合方法层出不穷，综合结果的质量评价也逐渐引起相关学者的高度重视。石志宽等借助GIS空间分析、空间统计等技术，对土地利用现状图的缩编结果进行了质量评价，并验证了各项评价指标的可行性［12］。邓敏等对地图综合中语义质量的度量方法进行了研究［13］。除语义信息外，拓扑结构也是读取地图信息的又一重要方面，本文以土地利用数据为基础，采用语义优先的图斑综合方法对其进行综合，利用拓扑信息熵对综合结果的空间信息进行评价分析。

二、语义优先的图斑综合方法

语义优先的综合方法不但要考虑图斑类别，还要考虑图斑间的拓扑关系，因此，首要任务就是定义图斑的拓扑关系。本文将有共享边界的图斑定义为拓扑邻接，将无共享边界但边界距离小于最小图上距离的图斑关系定义为拓扑邻近。拓扑关系定义完成后，选取小于最小上图面积的图斑集合来对其进行语义分析并综合。

对于拓扑邻接的同类图斑直接进行合并处理，而针对拓扑邻接的非同类图斑:首先，采用提取Delaunay三角网骨架线的方法对其进行剖分处理;然后，将剖分后的碎小图斑根据语义信息分别合并于其邻近的主要图斑，并改变其原有的土地利用类型名称，从而实现图斑融合。

对于拓扑邻近的同类图斑，以图斑间的最小距离为半径做缓冲区，提取缓冲区交集内的节点重新创建多边形，进而将该多边形与原同类图斑进行合并处理，删除重叠区域，实现图斑聚合。

三、空间信息评价理论

地图综合过程中合并、夸张、删除等操作除了会改变要素间几何关系、语义关系外，一定程度上也会改变其空间拓扑关系。研究采用拓扑信息熵对综合前后的地图空间信息进行对比评价。

1．拓扑信息熵

若地图上图斑总数为N，且有Ni个图斑与第i个图斑拓扑邻接，所有图斑拓扑邻接的图斑总数为N0，则该幅地图的拓扑信息熵可表达为

式中，i=1，2，…，N。拓扑信息熵越大，说明信息内容越丰富。其中，综合过程中由于融合、聚合等操作而遗失的图斑，其拓扑信息熵计为0。

2．专题拓扑信息熵

若地图上图斑总数为N，且第i个图斑有Ni个图斑与其拓扑邻接，其中Sij( 1≤j≤Ni)是第i个图斑的第j个拓扑邻接图斑的面积，S0为地图上所有图斑的拓扑邻接图斑的面积总和，那么该幅地图的专题拓扑信息熵为

同样，专题拓扑信息熵越大，说明信息内容越丰富。其中，综合过程中由于融合、聚合等操作而遗失的图斑，其专题拓扑信息熵计为0。

四、实例分析

本文选取大连市旅顺口区经济开发区第二次全国土地利用调查数据作为试验数据，该数据比例尺为1∶10 000，图上最小图斑面积为400 m2，按照2006—2020年土地利用总体规划1∶50 000比例尺土地利用数据的要求，采用10 000 m2为最小上图面积，以30 m为图斑聚合的最大距离，利用VS2010编程环境下的ArcGIS Engine二次组件开发实现上述的图斑聚合、融合等综合算法，综合前后对比如图1所示，计算综合前后拓扑信息熵及专题拓扑信息熵的结果见表1。

图1 经济开发区数据综合前后对比

由表1可以看出，耕地、园地、其他农用地、农村居民点用地、自然保留地拓扑信息熵增大，其他5种地类的拓扑信息熵减小。其中，综合前其他农用地拓普信息熵为0．45，综合后降低至0．27，变化率最大，达40．35%;而变化率最小的为城镇用地，综合前后的拓扑信息熵均为0．05。由式( 1)可以看出，拓扑信息熵与图斑个数息息相关，其他农用地的图斑个数由综合前的28个减少至综合后的10个，图斑个数变化率最大，高达64．29%。因为图斑个数减少，其他农用地拓扑邻接个数必然减少，进而导致其拓扑信息熵降低，而城镇用地图斑个数在综合前后并未发生改变，由图1也可以看出其拓扑邻接图斑个数变化不大，因此，其拓扑信息熵基本没有改变，从整幅地图看，拓扑信息熵由综合前的8．59减小至综合后的7．74，可见，地图综合操作导致原有的部分信息丢失。

由式( 2)分析，图斑的专题拓扑信息熵与其拓扑邻接的斑块面积息息相关。结合表1可以看出，其他农用地的专题拓扑信息熵由综合前的0．57减小至综合后的0．35，变化率依旧最大，达38．60%;而农村居民点用地的专题拓扑信息熵由综合前3．16减小至综合后的2．98，变化率最小，仅为5．70%。综合前后图斑个数的改变，必然导致每个图斑的拓扑邻接斑块个数、斑块面积的改变，进而造成各个地类专题拓扑信息熵不同程度的增大、减小等变化，其计算结果的大小说明了空间信息的丰富程度，而变化率说明了在综合前后空间信息的保持程度。整幅地图综合前专题拓扑信息熵9．66，综合后减小至9．22，可见综合过程中，图斑融合等操作同样会导致部分专题拓扑信息丢失。

表1 经济开发区数据综合前后对比

五、结论与讨论

本文采用缓冲区重叠、Delaunay三角形剖分等分析算法实现了基于语义优先的土地利用数据的图斑综合，并选取拓扑信息熵、专题拓扑信息熵两种指标对综合前后数据进行了对比分析。

从土地利用类型角度分析，综合后各个地类拓扑信息熵、专题拓扑信息熵均有不同程度的增大、减小等变化。其中，除耕地、园地、其他农用地、农村居民点用地及自然保留地5种地类拓扑信息熵、专题拓扑信息熵减小外，其他5种地类的计算结果均为增大;而所有地类中，拓扑信息熵、专题拓扑信息熵综合前后变化率最大的均为其他农用地，分别为40．35%、38．60%，主要由于其他农用地图斑个数变化率较大，且分布相对零散，导致综合后其拓扑邻接图斑的斑块个数及面积相对较大，进而导致其空间信息变化较大。

从整幅地图角度分析，综合前，地图层次的拓扑信息熵、专题拓扑信息熵分别为8．59、9．66，而综合后分别减小至7．74、9．22，地图综合过程中的聚合、融合等操作会导致原有的部分空间信息丢失，因此综合后地图的拓扑信息熵、专题拓扑信息熵均小于综合前地图的两类信息熵的值。

［1］ 张利君．土地利用总体规划制图综合方法研究［D］．上海:华东师范大学，2011．

［2］ 张伟．基于ArcGIS的土地利用制图综合方法研究［D］．杭州:浙江大学，2006．

［3］ 杨志华．基于拓扑关系的制图综合研究［D］．北京:中国地质大学(北京)，2010．

［4］ 朱光．基于多Agent系统的自动制图综合研究［D］．杭州:浙江大学，2011．

［5］ 艾廷华，刘耀林．土地利用数据综合中的聚合与融合［J］．武汉大学学报:信息科学版，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］ 杨俊，席建超，孔凡强，等．基于语义优先的土地利用图斑综合的研究——以大连旅顺口区北海街道为例［J］．地理科学，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］ 孔凡强，杨俊，王诗阳．语义支持下的土地利用栅格数据制图综合研究［J］．测绘通报，2014( 4) : 61-64．

［10］范强，李闯，李永化，等．基于元胞自动机的土地利用图斑综合语义评价研究［J］．测绘通报，2014( 6) : 39-42．

［11］董文雪，杨俊，李闯，等．基于元胞自动机的多尺度下制图综合效应研究［J］．测绘通报，2014( 9) : 63-65．

［12］石志宽，汤国安．土地利用现状数据缩编的质量评价方法［J］．地理研究，2011，30( 2) : 233-242．

［13］邓敏，刘杨，程涛，等．地图综合中语义质量的度量方法研究［J］．地理与地理信息科学，2008，24( 5) : 11-15．

［14］李晶，赵晓霞，任俊涛，等．土地利用现状图斑选取方法［J］．测绘通报，2014( 7) : 105-108．

［15］翁杰，王志鹏，唐皓，等．顾及邻域变化的图斑群合并方法研究［J］．测绘通报，2015( 2) : 113-116．

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

YANG Jun，LI Chuang

研究了运用缓冲区叠加、Delaunay三角网骨架线等算法建立基于语义优先的制图综合模型，对土地利用图斑进行了聚合、融合等操作，从空间信息的角度选取了拓扑信息熵、专题拓扑信息熵两种评价指标，对综合前后的地类、地图两个层次的空间信息进行了对比研究。结果表明:从地类角度分析，综合前后，由于其他农用地分布零散，其拓扑信息熵、专题拓扑信息熵的变化率最大，分别为40．35%、38．60%;从地图角度分析，综合过程导致地图原有的部分空间信息消失，综合后地图的拓扑信息熵、专题拓扑信息熵均减小。

图斑综合; Delaunay三角网;空间信息;拓扑信息熵

李 闯。E-mail: lichuang_gis@ 163．com

P208

B

0494-0911( 2015) 11-0044-03

杨俊，李闯．基于语义优先的土地利用图斑综合的空间信息评价研究［J］．测绘通报，2015( 11) : 44-46．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0343

2015-07-02

国家自然科学基金( 41471140) ;大连市科学技术基金( 2013J21DW027) ; 2014年辽宁省大学生创新创业训练计划( 201410165000011)

杨 俊( 1978—)，男，博士，副教授，研究方向为区域地表过程、城市人居环境与地理信息系统应用。E-mail: yangjun@ lnnu．edu．cn