地籍宗地时空数据库中的变化检测

万 远，李 霖，应 申

（1.天津市测绘院，天津 300381；2.武汉大学资源环境学院，湖北 武汉 430079）

1 引言

自Langran和Chrisman于1988年提出时间地理信息系统的概念以来,利用GIS技术完整记录和查询地籍信息的动态变化,以及时空数据组织和时空数据库模型成了研究地籍变化的主要方法,目前的研究主要包括时空数据组织、时空变化过程分析、时空数据模型、宗地历史回溯等[1-4]。在之前运用时空数据库的宗地变更研究中,虽然可以通过历史回溯查看某一或某些宗地的现状或者历史的状态,也记录了两个邻近变化时间点之间的变化,例如：从时间T1至T2,宗地由界址点调整发生了缩小,从时间T2至T3宗地又因界址点调整发生了扩大,从时间T3至T4,宗地发生了混合分并，但是从T1至T4,宗地发生的变化类型到底是什么？再者,由于在以往的研究中,都是在数据库模型下,用宗地编号标识宗地要素,形成一条记录链,随着宗地的新生和消亡,宗地编号也同时新生与消亡,经过多次变更后,同一地理地物所处的宗地的编号早已经变化了多次了,无法再对应上,所以原有的研究只能片面地反映土地变更的变化情况。

于是采用变化检测的方法来研究地籍宗地的变化情况,对两个时间点的地籍宗地要素集进行变化检测,自动提取出空间的变化信息以及属性的变化信息。变化检测是在不同时间对同一物体或现象观察、识别其差异的过程[5]。变化检测方法常被用于遥感,但是大多数遥感的变化检测方法只利用光谱信息来进行[6],本文使用地籍宗地图来进行变化检测,在数据的准确精度和信息量上有明显的提高,并且是对两个时间点地籍变更变化的全面反映。得到的变化检测结果也更加准确,信息也更完备。宗地数据作为地理国情中最为重要的信息数据之一,得到准确的宗地变化数据对地理国情检测有着重要意义[7-8]。

2 地籍变更相关概念

宗地是指由权属界线封闭的独立权属地段,它具有固定的位置和明确的权利边界,并可同时辨认出确定的利用类型、质量和时态等土地基本要素。宗地在空间上表现为一个具有封闭边界的多边形,其封闭边界的拐点就是界址点,界址点间的连线就是界址线。宗地在其生命期内有一个惟一的标识号——宗地号。宗地是地籍管理的基本单元,它经常随着时间的变化而变化,这就构成了地籍变更。地籍基本空间实体的变更都是以宗地变更为中心进行的,地籍变更的主要形式包括宗地的空间信息变化、属性信息变化、空间与属性同时变化。

2.1 宗地的属性信息变化

包括宗地的用地性质、权利人、和用途等改变。

2.2 宗地的空间信息变化

简单的宗地变化：（1）新生：新宗地生成。（2）消亡：旧宗地的消亡。（3）宗地的扩大：由于界址点的变化,宗地比原有面积扩大。可能同时导致其他宗地的变化。（4）宗地的缩小：由于界址点的变化,宗地比原有面积缩小。可能同时导致其他宗地变化。（5）宗地变形：由于界址点的变化,宗地形状发生非扩大也非缩小的变化。可能同时也导致其他宗地变化。

复杂的宗地变化（图1）：（1）宗地的分裂：一块宗地在空间上分成两块或以上块宗地。（2）宗地的合并：两块或以上块宗地合并成为一块宗地。（3）宗地混合分并：多块宗地参与变更,部分宗地分割出一部分与其他宗地进行组合生成一块或者多块宗地。

3 地籍宗地变化检测

3.1 要素匹配与宗地空间变化分类

图1 宗地复杂变化Fig.1 Complex changes of parcel

图2 误匹配情形Fig.2 The matching error

要进行变化检测的地籍宗地数据集必须要符合版本匹配（即待匹配的地籍宗地图必须有相同的空间参考和空间范围）考虑地籍宗地图的特征,就是宗地图一般为形状比较规则的多边形,在新旧图层叠加时也不会产生复杂情况,所以使用叠加的方法就可以解决宗地要素的匹配,基本思路如下：对新宗地图层上的检测宗地M的范围对旧宗地图层上的数据进行检测,判断旧宗地图层上的宗地与新宗地图层上的宗地的关系,然后确定新图层上的宗地与旧图层上宗地的匹配关系。

变化检测和要素匹配是紧密联系的,可以根据宗地要素匹配的结果及宗地属性的改变来确定变化检测的结果。根据新图层上宗地与旧图层上与之相匹配的宗地个数比值的不同可以分为以下几种情况：

（1）1∶0 ——当新图层上的宗地要素在旧图层上没有与之相匹配的宗地要素时,则可以判断该宗地为新生宗地；反之当旧图层上宗地要素在新图层上没有与之相匹配的宗地要素时则可以判断该宗地为消亡宗地。

（2）1∶1 ——当新图层和旧图层上宗地要素一对一相匹配时,这时宗地的变化类型可能为以下几种：宗地不变,宗地变化（宗地扩大、缩小、变形、属性变化等）。

（3）1∶n（n＞1）——当新图层和旧图层上宗地要素为一对多匹配时,这时宗地的变化类型可能为以下几种：合并（新图层匹配旧图层）,分裂（旧图层匹配新图层）,宗地重组。

需要对宗地变化制定分类标准。宗地的变化分类是以两宗地要素的重叠面积与各自的面积的比率这一空间属性为分类依据的。记新图层上宗地要素的面积为An,记旧图层上宗地要素的面积为Ao,新旧要素的重叠面积为A,记重叠面积A与新要素面积An的比为Rn, Rn = A/ An,记重叠面积A与旧要素面积Ao的比为Ro,Ro = A / Ao。还需要设定变化的阈值,Rn和Ro与其比较,来确定变化的类型。记两要素匹配的阈值为Tp（当Rn或Ro其中有一个大于Tp时,就认为这两个要素相匹配）,收缩的阈值为Ts,扩张的阈值为Te,没有变化的阈值为Tn,这里的阈值范围为：0 ＜Tp ＜Ts =Te ＜ Tn≤1。（这些阈值需要根据图层的点位精度和试验来确定,保证变化检测的准确性）。

简单宗地变化分为2种情况：（1）一个宗地要素在另一个图层中没有宗地与之相匹配,则该要素为新生宗地或消亡宗地。（2） 新旧图层上有一一对应的宗地要素,则该要素可能为变化宗地或没有发生任何变化。

复杂宗地变化分3种情况：（1）宗地合并为新图层上一宗地要素匹配上多个旧图层上宗地要素,Ro（i）为第i个旧要素与新要素的重叠面积占该旧要素的面积的比率,即 Ro（i）=A（i）/Ao（i）,Ao（i）为第 i个旧宗地要素的面积,A（i）为该旧要素与新要素的重叠面积。（2）同样分裂宗地与合并类似,多个新宗地图层上的要素对应一个旧宗地图层上的要素。Rn（i）=A（i）/An（i）,Rn（i）为第i个新要素与旧要素的重叠面积与该旧要素面积比。（3）混合分并的情况可以由合并与分裂组合而来,记复杂变化的阈值为Tc。分类量度如表1。

表1 宗地空间信息变化分类量度表Tab.1 Classification of measuring the spatial information change of land parcels

新生宗地：当新图层上宗地在旧图层上没有与之相匹配的宗地时,即在旧图层没有要素与之重叠或者有宗地与之重叠,但是Ro、Rn均小于Tp（表示两要素没有匹配上）。这样可以判断该宗地要素的变化类型为新生宗地。

消亡宗地：当旧图层上宗地在新图层上没有与之相匹配的宗地时,即在新图层没有要素与之重叠或者有宗地与之重叠,但是Ro、Rn均小于Tp（表示两要素没有匹配上）。这样可以判断该宗地要素的变化类型为消亡宗地。

宗地不变：新旧图层上宗地要素一对一相匹配,Ro与Rn都接近或等于1,且要素的属性字段上的值也没有发生变化,这样可以判断该宗地要素没有发生任何变化。

宗地扩大：新旧图层上宗地要素一对一相匹配,宗地扩大表示宗地在旧图上的面积上进行了扩大,既重叠面积A应该等于旧图层上宗地面积,所以此时Ro应接近或等于1,判断出Ro≥Te时（不变,属性变化类型在此之前完成）,此时可以判断该宗地要素的变化类型为宗地扩大。

宗地缩小：新旧图层上宗地要素一对一相匹配,宗地缩小表示宗地在新图上的面积比起旧图层上缩小,既重叠面积A应该等于新图层上宗地面积,所以此时Rn应接近或等于1,判断出Rn≥Ts时（不变,属性变化类型在此之前完成）,此时可以判断该宗地要素的变化类型为宗地缩小。

宗地变形：新旧图层上宗地要素一对一相匹配,变形的情形为除宗地扩大和缩小外的其余情形,此时Ro≥Tp或Rn≥Tp,可以判断该宗地要素的变化类型为宗地变形。

宗地合并：新图层上一块宗地与旧图层上多块宗地相匹配,Ro（i）为旧图层上第i个要素重叠面积与其面积的比例,Ro（i）＞ Tc时表示该旧图层要素与新图层要素匹配上,可以判断该宗地的变化类型为宗地合并。

宗地分裂：旧图层上一块宗地与新图层上多块宗地相匹配,Rn（i）为新图层上第i个要素重叠面积与其面积的比例,Rn（i） ＞ Tc时表示该新图层要素与旧图层要素匹配上,可以判断该宗地的变化类型为宗地分裂。

宗地混合分并：由宗地合并与分裂组合而成,当新图层上一块宗地与旧图层上多块宗地相匹配时,旧图层上被匹配的某块或某几块宗地同时匹配新图层上几块宗地时,判断新图层上的该宗地要素为宗地混合分并。

3.2 要素匹配方法研究

考虑宗地的特殊性,每块宗地都有惟一的宗地号。于是在进行要素匹配和变化提取的过程中,可以利用该宗地号进行快速匹配。由于宗地发生一系列变化后,还可能延用原宗地号,所以在利用宗地号变化检测的过程中,同时判断同一宗地号的两个要素是否符合1∶1对应关系,以及是否发生空间信息或属性方面的变化和其发生的变化类型。使用宗地号没有成功进行匹配的要素,运用缓冲区图形匹配方法进行要素匹配。这样可以快速地检测出没有变化的宗地和只发生属性变化的宗地,因为两幅时间间隔不是很久的地籍图中,绝大部分宗地都是没有发生变化或只发生属性变化的,这样无疑加快了变化检测的速度。

新版本中与旧版本宗地号相同的宗地要素可能发生的变化有：无变化、属性变化、图形变化、属性与图形都发生了变化；其中图形变化包括：扩大、缩小、变形、分裂、合并、混合分并。新版本中那些与旧版本对应不上的宗地号的宗地要素产生的原因可能为：新生宗地、扩张的宗地、缩小的宗地、变形的宗地、分裂的宗地、合并的宗地、混合分并成的宗地。旧版本中那些与新版本对应不上的宗地号的宗地要素消亡的原因可能为：消亡宗地、因扩张而消亡的宗地、因缩小而消亡的宗地、因变形而消亡的宗地、因分裂而消亡的宗地、因合并而消亡的宗地、因混合分并而消亡的宗地。

如果缓冲区图形匹配中只采用两次要素匹配（新图层匹配旧图层与旧图层匹配新图层）,则很可能产生误匹配的情形。如图2,新图层的宗地1在第一次匹配中会匹配到旧图层的宗地3,这样会把变化类型划分为宗地扩大,但是实际情况是旧图层的宗地3分裂成宗地1和宗地2。所以在缓冲区图形匹配中采用4次匹配来解决这种误匹配的情形,在第一次和第二次要素匹配中,解决所有宗地合并、分裂和宗地混合分并的情形。这样在第三次和第四次匹配中就只剩下一对一匹配的情形了,不会再出现误匹配了。

第一次匹配,用新宗地图层要素集匹配旧宗地图层要素集,先根据宗地号进行匹配,检测出所有属性变化的宗地要素集以及没有发生任何变化的宗地要素集,再检测出宗地合并和宗地混合分并的情形。

第二次匹配,用旧宗地图层要素集匹配新宗地图层要素集,检测出所有分裂的宗地要素集。

第三次匹配,用新宗地图层要素集匹配旧宗地图层要素集,检测出新生宗地要素集,变化的宗地要素集（扩大的宗地,缩小的宗地,变形的宗地）。

第四次匹配,用旧宗地图层要素集匹配新宗地图层要素集,检测出消亡宗地要素集,变化的宗地要素集（扩大的宗地,缩小的宗地,变形的宗地）。

3.3 变化检测系统实现

系统的开发使用ESRI的ArcGis Engine 9.2和ArcSDE 9.2,由VB.NET 2005编写完成。通过ArcGis Engine的IFeatureclass接口,分别加载处于由ArcSDE管理的数据库中不同时间版本的新旧宗地图层。在匹配过程中,主要使用接口IFeatureCursor来对图层中的要素进行遍历,选取每个宗地要素在另一图层中进行要素匹配,使用IQueryFilter接口来过滤所选择的宗地要素（例如：已经匹配过的宗地要素）。对选定的宗地要素使用ITopologicalOperator接口来建立缓冲区,通过ISpatialFilter接口来进行要素过滤,得到另一个图层中落在该缓冲区内而且并没有被匹配过的宗地要素。于是开始计算得到宗地要素的Ro和Rn,求两宗地的重叠面积需要使用ITopologicalOperator接口下的Intersect函数。通过比较Ro、Rn与Tp来确定两宗地要素是否匹配上。然后就可以根据所得到Ro和Rn以及与之匹配宗地要素的个数来确定变化的类型,记录下该宗地要素的变化类型,并且将该宗地标记为已经匹配过的宗地,这样在下一次匹配过程中就不会再次匹配该宗地,以免发生误匹配情形。在判断无变化和属性变化这两种情形时,只需要比较一下两宗地要素的属性字段的值是否发生了变化即可。

4 实例分析

为了验证变化检测的准确性,对现有的宗地数据进行处理,分别进行新增、删除、合并、分裂、重组、属性修改、扩大、缩小操作。原图层和经过修改后的图层如图3—4。

具体修改为：修改后的图层上宗地1为宗地混合分并而成,宗地2为新生宗地,宗地3、9为扩大宗地,宗地5、6、7、8为缩小宗地,宗地4为合并宗地,宗地10、11为分裂宗地,宗地12、13为属性变化宗地。同时,修改后的图层上删除了旧图层上a、b两个宗地要素。

运行变化检测系统,检测宗地图的变化,将结果按变化类型分层显示（图5）。

图3 原图Fig.3 Original

图4 修改后的图层Fig.4 The modified layer

将变化检测系统得到结果与新、旧图层对比,变化信息准确无误,验证了变化检测的准确性。对于取得的结果,可以进一步进行数据的统计和挖掘,例如统计每层的宗地数目、总面积、最大面积、最小面积、平均面积等；还可以设定不同条件建立新图层,如用地类型为住宅用地的新生宗地、用地类型为商业用地的合并宗地等。

图5 变化结果显示图Fig.5 Exhibited of change result

5 结束语

本文运用变化检测方法对不同版本的宗地图进行变化信息提取,制定了宗地变化分类度量方法,从而可以自动检测出宗地数据的变化以及其变化类型,并通过原型系统对不同宗地数据进行变化检测,所得的变化结果准确无误,进一步验证了该变化检测方法以及分类的准确性。

宗地数据作为地理国情中最为重要的信息数据之一,对其进行监测是地理国情监测的重要工作。对宗地数据进行变化检测,能够快速地发现宗地的变化状况,对变化趋势的预测有着数据支持作用。准确的变化信息对地理国情监测以及辅助决策有着重要的意义。

（References）:

［1］ 乔彦友.用时间GIS建立地籍信息系统的研究［J］.地理学报,1996,（5）：463-470.

［2］ 尹任祥,张桥平.地籍信息系统的时空数据组织［J］.测绘通报,1998,（6）：28-29.

［3］ 王康弘,钟耳顺.地籍实体的时间变化过程分析［J］.地理研究,2001,（7）：372-379.

［4］ 任爱珠,王洪深,潘国帅.地籍管理系统中的宗地历史回溯［J］.清华大学学报（自然科学版）,2003,46（10）：1376-1379.

［5］ 李德仁,夏松,江万寿,等.一种地形变化检测与DEM更新的方法研究［J］.武汉大学学报（信息科学版）,2006,（7）：565-567.

［6］ 李德仁.利用遥感影像进行变化检测［J］.武汉大学学报（信息科学版）,2003,28（特刊）：7-12.

［7］ 万远,李霖,应申.土地利用变化分析与决策系统的设计与实现［J］.农业工程学报,2007,27（6）：313-318.

［8］ 万远.差分式多比例尺地图数据更新关键技术研究［D］.湖北：武汉大学,2012.