周曉光，汪紅松，吳志強

引入二維交細(xì)分類型的地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新

周曉光，汪紅松，吳志強

中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083

通過遙感影像與基準(zhǔn)年數(shù)據(jù)對比獲得變化信息是目前地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新的主要變化數(shù)據(jù)來源,但現(xiàn)有方法不能直接更新地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)。本文設(shè)計了一種包含變化對象的空間位置和類型信息的地表覆蓋增量數(shù)據(jù)模型，發(fā)展了一種引入面/面二維交細(xì)分類型的地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新方法。該方法首先采用基于目標(biāo)整體交、差結(jié)果的歐拉數(shù)的E-WID層次拓?fù)潢P(guān)系模型區(qū)，分析了地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)更新中的14種二維交細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系類型；然后根據(jù)這些二維交細(xì)分類型，設(shè)計了9條自動更新處理規(guī)則。最后開發(fā)了一套基于根據(jù)二維交細(xì)分類型處理規(guī)則的地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新原型系統(tǒng)，并用實際數(shù)據(jù)驗證了其正確性。

地表覆蓋;增量更新;拓?fù)潢P(guān)系;二維交;更新規(guī)則

20世紀(jì)90年代以來，全球地表覆蓋數(shù)據(jù)一直是國際科技界高度關(guān)注的熱點[1]。2014年9月22日，由我國自主研制的全球2000年度和2010年度兩個基準(zhǔn)年的30 m分辨率地表覆蓋(GlobeLand30)分類數(shù)據(jù)產(chǎn)品在聯(lián)合國正式發(fā)布。GlobeLand30的更新能力將影響其深入應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展。由于全球范圍廣，目前的批量更新模式費用非常高，難以滿足全球變化與地球系統(tǒng)研究的應(yīng)用需求。因此通過多種途徑獲取地表覆蓋變化信息，采用增量更新方式來更新地表覆蓋分類數(shù)據(jù)將是全球地表覆蓋數(shù)據(jù)更新的發(fā)展趨勢。

近年來國內(nèi)外多位學(xué)者在增量信息發(fā)現(xiàn)與提取、空間數(shù)據(jù)更新方面進(jìn)行了積極探索，取得了豐富的研究成果。在變化信息發(fā)現(xiàn)與提取方面，許多學(xué)者研究了基于遙感影像的變化信息提取方法[2-3]；文獻(xiàn)[4]提出了從版本數(shù)據(jù)庫中通過目標(biāo)匹配來提取變化信息的方法；文獻(xiàn)[5]提出了根據(jù)全站儀、GPS或遙感影像進(jìn)行增量采編直接獲得變化信息的方法；文獻(xiàn)[6]提出了一種VGI矢量道路數(shù)據(jù)與專業(yè)數(shù)據(jù)疊加提取變化信息的多層次蔓延匹配算法等。在空間數(shù)據(jù)庫增量更新方面，文獻(xiàn)[7—9]提出了一種基于事件的時空數(shù)據(jù)庫增量更新方法；文獻(xiàn)[10]結(jié)合面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)與時空演變過程表達(dá)思想，提出了一種地籍時空過程表達(dá)與數(shù)據(jù)更新模型；文獻(xiàn)[11]提出了一種基于拓?fù)渎?lián)動事件的地籍?dāng)?shù)據(jù)增量更新方法;文獻(xiàn)[12]介紹了國家1∶50 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫更新工程總體設(shè)計與實施方法；文獻(xiàn)[13—14]提出了一種影像增量動態(tài)更新與融合方法和一種根據(jù)同名對象匹配檢測變化對象的矢量快照數(shù)據(jù)增量更新與自適應(yīng)對象接邊方法；文獻(xiàn)[15]針對時空目標(biāo)邊界不一致性問題，提出了一種新的增量識別計算方法等。在變化信息發(fā)布與客戶數(shù)據(jù)庫更新方面，文獻(xiàn)[16]設(shè)計了一種基于增量計算的客戶導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)更新方法；文獻(xiàn)[17]提出了一種基于空間實例的模式匹配的客戶數(shù)據(jù)庫更新方法。由于地表覆蓋變化信息往往通過遙感影像與遙感影像(或地圖)間對比獲得，該變化信息獲取途徑難以得到變化事件、拓?fù)渎?lián)動類型、地塊變化過程、同名對象及系統(tǒng)更新處理過程記錄等信息，且一般直接得到變化目標(biāo)(可能為變化前后一個或多個目標(biāo)快照的一部分)的柵格或矢量數(shù)據(jù)，變化后的快照數(shù)據(jù)需要通過更新處理獲得，因此上述現(xiàn)有方法都不能直接用來實現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新處理的自動化或半自動化。

由于地表覆蓋地塊間彼此關(guān)聯(lián)，具有鋪蓋特征，一個增量目標(biāo)可能與多個已有地塊存在二維交，一個已有地塊也可能與多個增量目標(biāo)存在二維交，一個增量目標(biāo)還可能與一個已有地塊存在多個二維交。如圖1(a)為變化前已有地表覆蓋地圖，包括A、B、C、D、E5個地塊；圖1(b)為一個增量地塊P；圖1(c)為圖1(a)與圖1(b)疊加的結(jié)果，I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7和I8為P與A、B、C、D、E間的8個二維交；圖1(d)為更新后的狀態(tài)；圖1(e)—(i)為P與A、B、C、D、E間二維交的詳細(xì)情況。

圖1 增量地塊與已有地圖目標(biāo)間的細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系及在更新中的作用舉例Fig.1 The example of 2-dimensional intersection relations between land parcels in the updating process

從圖1可看出不同的二維交對已有地塊的剖分效果不一樣，二維交對已有地塊的剖分效果直接影響到所涉及地塊的重構(gòu)與更新處理操作。因此如果能夠計算出每個增量地塊與已有地圖目標(biāo)間的所有二維交及其剖分情況，則有可能實現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新處理的自動化或半自動化。從拓?fù)潢P(guān)系的角度，增量地塊與已有地圖目標(biāo)間的二維交及其剖分情況屬于面目標(biāo)間的細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系范疇，因此研究基于面/面二維交細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系類型的地表覆蓋數(shù)據(jù)更新處理是實現(xiàn)其自動化或半自動化的一條可行途徑。

1 地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新策略

如圖1所示，增量多邊形與已有地表覆蓋矢量地圖疊加后產(chǎn)生復(fù)雜的疊加關(guān)系。由于地表覆蓋增量信息主要通過如下兩種途徑獲得：①基于兩期遙感影像間像元光譜對比來獲取以像元為單位的柵格增量信息；②通過基準(zhǔn)年地表覆蓋數(shù)據(jù)和現(xiàn)勢遙感影像對比提取方法獲取的以對象為單位的矢量增量信息。這兩種途徑一般都難以獲得變化事件(變化類型)信息，但可通過對變化像元(或?qū)ο?分類得到變化后目標(biāo)的類型信息，然后將柵格增量信息矢量化得到變化對象的空間位置和類型的增量信息。因此，地表覆蓋增量信息可通過式(1)表達(dá)

(1)

式中,ΔOi,i∈{1,2,…，m},表示變化目標(biāo)(圖斑)，即矢量模型中的多邊形；Ai,i∈{1,2,…，m},表示變化目標(biāo)的類型屬性，如“1”表示水澆地、“2”表示有林地、“3”表示草地、“4”表示河流、“5”表示裸地、“6”表示城市用地、“7”表示灌木林地等。

為了實現(xiàn)增量更新處理的自動化(半自動化)宜采用如下策略：首先讀入增量信息文件中的目標(biāo)，定義增量目標(biāo)與已有地塊間拓?fù)潢P(guān)系計算的容差，檢查讀入操作及目標(biāo)的正確性；以增量目標(biāo)為序，用最小外接矩形初步過濾掉與增量地塊無交的已有地塊目標(biāo)，過濾出與該增量目標(biāo)存在二維交的已有地塊；精確計算與增量地塊有二維交的已有地塊及各交的細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系；根據(jù)面/面二維交細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系類型發(fā)展土地利用(地表覆蓋)增量更新處理規(guī)則；根據(jù)二維交細(xì)分類型調(diào)用相應(yīng)更新處理規(guī)則自動化構(gòu)建出更新后的地塊目標(biāo)，賦予相應(yīng)的特征屬性類型，并記錄目標(biāo)處理狀態(tài)，如Appearance(新增)、GeometryAft(空間修改)、AttributeAft(屬性修改)圖斑；當(dāng)所有增量目標(biāo)都更新處理完成后，檢查處理過的所有圖斑本身的質(zhì)量問題(包括碎屑多邊形處理)及其與周邊目標(biāo)間的拓?fù)湟恢滦?，糾正相應(yīng)問題或沖突；最后生成新的土地利用(地表覆蓋)數(shù)據(jù)，并更新數(shù)據(jù)庫,如圖2所示。

圖2 地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新策略Fig.2 The strategy for land cover database incremental updating

因此,實現(xiàn)地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新的核心為確定增量目標(biāo)與已有地塊間二維交的細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系類型，及根據(jù)細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系發(fā)展出相應(yīng)的更新規(guī)則。故本文首先研究了面/面二維交的細(xì)分方法，然后根據(jù)二維交細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系類型發(fā)展了一套地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新規(guī)則。

2 E-WID面/面二維交細(xì)分類型

為了計算空間目標(biāo)間的拓?fù)潢P(guān)系，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果。目前空間拓?fù)潢P(guān)系的描述方法主要有:文獻(xiàn)[18—24]根據(jù)點集拓?fù)淅碚摻⒌?I模型、9I模型、基于維數(shù)擴(kuò)展的E9I模型以及基于邊界-邊界交的細(xì)分方法BBIS；文獻(xiàn)[25]提出的基于Voronoi圖的V9I模型等改進(jìn)方法；文獻(xiàn)[26]提出的使用空間目標(biāo)的整體及其Voronoi區(qū)域的VW空間代數(shù)方法；文獻(xiàn)[27—28]提出的基于目標(biāo)整體交/差結(jié)果的歐拉數(shù)的E-WID層次模型等。但是上述方法中，只有E-WID層次模型不僅能區(qū)分二維簡單目標(biāo)的基本拓?fù)潢P(guān)系類型，還能回答兩個面目標(biāo)間存在幾個交、每個交具有什么特點等細(xì)分層次的拓?fù)潢P(guān)系問題，能滿足地表覆蓋數(shù)據(jù)更新等處理的應(yīng)用需求。

E-WID層次模型如式(2)、式(3)所示，能夠計算基礎(chǔ)拓?fù)潢P(guān)系和部分細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系。在粗分層次采用式(2)所示目標(biāo)整體交、差結(jié)果的維數(shù)和歐拉數(shù)來描述兩目標(biāo)是否有交、交的個數(shù)、維數(shù)及交對兩目標(biāo)的分割效果；在細(xì)分層次上，則通過式(3)所示每個交的維數(shù)、類型及順序來表達(dá)目標(biāo)間拓?fù)潢P(guān)系的細(xì)分情況。

(2)

R2(A,B)=〈N1(D1,T1),N2(D2,T2),…,Nm(Dm,Tm)〉

(3)

式中，A、B分別表示參與拓?fù)潢P(guān)系計算的兩個地塊，符號∩、分別表示交、差運算；fDi表示目標(biāo)A和B交、差結(jié)果的維數(shù)，其取值范圍為{-1、0、1、2、3、4、5、6}，分別表示結(jié)果為空(?)和0維(點)、1維(線)和2維(面)以及4種組合情況，即0維點和1維線，0維點和二維面，1維線和二維面，0維點、1維線和二維面等；fE表示結(jié)果的歐拉數(shù)；N表示每個交的編號；D表示維數(shù)；T表示類型。由于該模型中A∩B、AB、BA是互相獨立、彼此排斥的，它們的并等于兩個集合的并，即A∪B。因此該模型具有堅實的理論基礎(chǔ)，而通過在差中引入目標(biāo)形狀算子—歐拉數(shù)彌補了基于目標(biāo)整體交、差在內(nèi)容、維數(shù)、連通數(shù)等取值中尚不能區(qū)分目標(biāo)間的包含/覆蓋與被包含/被覆蓋等拓?fù)潢P(guān)系的不足，并且由于歐拉數(shù)具有很強的反映目標(biāo)形狀、分割狀況等拓?fù)湫再|(zhì)的能力，因此本文選用該模型來區(qū)分地表覆蓋數(shù)據(jù)更新中面/面目標(biāo)間的二維交細(xì)分類型。

E-WID層次模型中，將每個面/面二維交定義為IR，通過fE(AIR)和fE(BIR)來區(qū)分二維交的細(xì)分類型。fE表示操作結(jié)果的歐拉數(shù)，對于兩個簡單地塊而言，fE的取值為大于等于“-1”的整數(shù)，理論上fE(AIR)和fE(BIR)的取值可以無窮大，因此其細(xì)分類型的數(shù)量亦可認(rèn)為是無窮的。但同時滿足fE(AIR)∈{-1,0,1,2}和fE(BIR)∈{-1,0,1,2}的情況可定義為簡單基本類型，共得出4×4=16種基本類型可能取值，剔除其中無意義的情況，得到圖3(a)—(k)所示的11種面/面二維交基本細(xì)分類型。設(shè)fE(AIR)=m，fE(BIR)=n，由于m=-1或n=-1，且m≥3或n≥3，即變化前后一個地塊完全覆蓋另一地塊的情況在更新處理時的特殊性，本文特將其作為基本類型表達(dá)(圖3(l)和(m))，其他滿足m≥1和n≥1，且m≥3或n≥3的情況都可由“fE(AIR)=m，fE(BIR)=n”(圖3(n))表達(dá)，這樣本文得到了地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新中兩地塊間的14種二維交面細(xì)分類型(圖3)。

圖3 地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新中兩簡單地塊間的14種二維交細(xì)分類型Fig.3 Fourteen types of 2-dimensional intersection components for a pair of simple regions in land cover database incremental updating

3 基于面/面細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系的地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新規(guī)則

為了實現(xiàn)地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新的自動化，本文以面/面二維交的細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系類型為基礎(chǔ)，研究了增量目標(biāo)和已存在目標(biāo)間的細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系及其更新操作特點，發(fā)展了一套地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新規(guī)則。

設(shè)A為已存在目標(biāo)，B為增量目標(biāo)，A、B均為不包含空洞的簡單多邊形。當(dāng)A交B于一個或多個二維面目標(biāo)時，設(shè)Cut(X,Y)表示從X中減去Y的函數(shù)，ADiffB{Reg1,Reg2,…,Regm}表示AB的結(jié)果集，Create(X)表示新建X，Delete(X)表示刪除X，GeoModify(X,X′)表示將X幾何修改為X′，SemModify(X,X′)表示X的屬性修改為X′。在更新過程中，如果增量目標(biāo)與已存在目標(biāo)有二維交且不相等，那么已存在目標(biāo)必定需要重建和更新，通過分析圖3所示的二維交面細(xì)分類型及對應(yīng)的人工處理操作，得到以下規(guī)則。

3.1 單個二維交更新處理規(guī)則

(1) 如果“AequalB”，如圖3(a)所示,則僅需對A進(jìn)行屬性修改；

Rule 1:IfAequalB, then SemModify (A,A′).

(2) 如果“AcontainB”或“AcoverB”，即變化前目標(biāo)完全包含或覆蓋增量目標(biāo)(如圖3(b),(d))，需從變化前目標(biāo)A中挖走增量目標(biāo)B形成A′(A幾何修改為A′)，并新建目標(biāo)B。

Rule 2:If(fDi(A∩B)=2 ANDfE(A∩B)=1 ANDfDi(AB)=2 AND(fE(AB)=0 ORfE(AB)=1)ANDfDi(BA)=-1),thenA′=cut(A,B).GeoModify(A,A′)and create(B).

(3) 如果“AcoverB”，但B將A分割為m塊(m≥2)，即fE(AB)=m(m≥2)(如圖3(f)、(l))；則需要構(gòu)建m個小地塊{Reg1,Reg2,…,Regm}，小地塊在空間上被A覆蓋，類型與A相同；刪除A，新建B。

Rule 3:If(fDi(A∩B)=2 ANDfE(A∩B)=1 ANDfDi(AB)=2 ANDfE(AB)=m(m≥2)ANDfDi(BA)=-1),then ADiffB=cut(A,B).Delete(A), fori=1 tom, create (ADiffB.Regi).Create(B)。

(4) 如果“BcontainA”或“BcoverA”，即增量目標(biāo)完全包含或覆蓋變化前目標(biāo)(如圖3(c)、(e)、(g)、(m))，則只需要刪除A，處理與B存在二維交的其他已有目標(biāo)，即：

Rule 4:If(fDi(A∩B)=2 ANDfE(A∩B)=1 ANDfDi(AB)=-1 ANDfE(AB)=-1) ANDfDi(BA)=2,ANDfE(BA)≥0,then delete(A)。

(5) 如果A、B重疊于A的一端，即“BoverlapA”“fE(AB)=1” (如圖3(h)、(j)),則只需要從A中分割出相交部分得到A′，將A幾何修改為A′，處理與B存在二維交的其他已有目標(biāo)，即：

Rule 5: If(fDi(A∩B)=2 ANDfE(A∩B)=1 ANDfE(AB)=1 ANDfE(BA)≥1,thenA′=cut (A,IR).Geomodify(A,A′)。

(6) 如果A、B重疊于A的中間部分，即“BoverlapA”“fE(AB)=m(m≥2)”(如圖3(i)、(k)、(n)),則需要構(gòu)建m個小地塊{Reg1,Reg2,…,Regm}，小地塊在空間上被A覆蓋，類型與A相同；然后處理與B存在二維交的其他已有目標(biāo)，即：

Rule 6: If(fDi(A∩B)=2 ANDfE(A∩B)=1 ANDfE(AB)=m), then ADiffB=cut(A,IR).Delete(A)and fori=1 tom,create (Regi)。

3.2 多個二維交更新處理規(guī)則

增量目標(biāo)與已有目標(biāo)存在多個二維交的情況，從總體上來說可將包含多個二維交的面/面二維交細(xì)分類型(即圖3中的(h)—(k)和(n)5種情況)分為如下兩大類：①fE(AIR)=1，如圖3(h)、(j)類二維交，實際情況如圖1(i)所示，這類二維交不改變原目標(biāo)A更新后的地塊數(shù)量；②fE(AIR)==m(m≥2)，如圖3(i)、(k)和(n)類二維交，這類二維交將A分割為m(m≥2)個小地塊。在更新處理時，對于第一種二維交，只需從A中分割出IR，并將A存為變?yōu)锳′，然后轉(zhuǎn)入下一個交的處理即可；對于第二類二維交，則需要將原目標(biāo)A分割為m個小地塊后，再處理下一個二維交。在實際更新處理中可能出現(xiàn)這兩類二維交分別出現(xiàn)和同時出現(xiàn)3種情況，所以可得到如下3條規(guī)則：

(7) 對于僅包含多個“fE(AIR)=1”二維交的情況，即“fE(A∩B)≥2 ANDfE(AB)=1”，如圖1(i)所示，只需要逐個從A中刪除各個交IRi，得到A′，即將A幾何修改為A′即可。

Rule 7: IffDi(A∩B)≥2 ANDfE(A∩B)≥2 ANDfE(AB)=1, thenA′=A, and fori=1 tot,A′=cut (A′, IRi). GeoModify(A,A′)。

(8) 對于僅包含d個“fE(AIRi)==m(m≥2)”二維交的情況，即“fE(A∩B)=d(d≥2)ANDfE(AB)=m(m≥2)”，如圖1(e)所示。更新處理時,設(shè)InterPg{IR1,IR2,…,IRd}為“fE(AIR)=e(e≥2)”的二維交集合，通過d(d≥2)個“fE(AIR)=e(e≥2)的二維交將A分割為m個小多邊形ADiffB{Plg1,Plg2,…,Plgm}，然后逐個新建m個小多邊形，最后刪除A。設(shè)PckCvrPlg (RegTemp, InterPg)表示從RegTemp中提取覆蓋InterPg的多邊形的函數(shù)，則：

Rule 8: IffDi(A∩B)=2 ANDfE(A∩B)d(d≥2)AND fori=1 todfE(AIRi)≥2,thenA′=A,ADiffB=Ф,RegTemp=Ф.fori=1 tod,RegTemp=cut(A′,IRi),InterPg=InterPg-IRi,A′=PckCvrPlg (RegTemp,InterPg), RegTemp=eliminate (RegTemp,A′),ADiffB=ADiffB∪RegTemp, RegTemp=Ф. Fork=1 tom, Create (ADiffB.Regk).Delete(A)。

(9) 對于“fE(AIR)=1”和“fE(AIR)=m(m≥2)”這兩類二維交同時出現(xiàn)的情況，即“fE(A∩B)=t(t≥2)ANDfE(AB)=m(m≥2)”，Num(fE(AIR)≥2)=d,t≥d。更新時，首先從交面集合InterPg中提取出d(d≥1)個“fE(AIR)=e(e≥2)的二維交形成集合InterPgLC{IR1,IR2,…,IRd}，其他二維交(即“fE(AIR)=1”)形成集合InterPg1{IR1,IR2…IRt-d}。然后通過d(d≥1)個“fE(AIR)=e(e≥2)的二維交將A分割為m個小多邊形RegTemp{Plg1,Plg2,…,Plgm}；再從RegTemp{Plg1,Plg2,…,Plgm}中逐個分割出InterPg1{IR1,IR2…IRt-d}二維交，形成變化后的m個小多邊形ADiffB{Reg1,Reg2,…,Regm}。最后刪除A，逐個新建m個小多邊形。

Rule 9: IffDi(A∩B)=2 ANDfE(A∩B)≥2 AND Num(fE(AIR)≥2)≥2,d=Num(fE(AIR)≥2),thenA′=A,ADiffB=Ф,RegTemp=Ф,fori=1 tod,RegTemp=cut(A′, IRi),InterPgLC=InterPgLC-IRi,A′=PckCvrPlg (RegTemp, InterPgLC), RegTemp=eliminate (RegTemp,A′),ADiffB=ADiffB∪RegTemp,RegTemp=Ф.Forj=1 tot-d,ADiffB=Cut (ADiffB,InterPg1.IRj).Fork=1 tom,Create (ADiffB.Regk).Delete(A)。

在Rule 9中，如果t=d，則為Rule 8的情況。

4 增量更新處理流程

在實際更新應(yīng)用中，首先求出每個與增量目標(biāo)(B)有交的原目標(biāo)(A)，再依據(jù)面/面二維交的細(xì)分方法，判斷A與B的拓?fù)潢P(guān)系，然后依據(jù)增量更新規(guī)則，判斷上述拓?fù)潢P(guān)系適用哪條更新規(guī)則，并根據(jù)相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行處理。增量更新處理流程如圖4所示。

圖4 地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新處理流程Fig.4 Incremental updating process of the vector land cover database

5 增量更新試驗

本文研究在筆者所在課題組已開發(fā)出的增量采編原型系統(tǒng)上，用Visual Studio 2010編程實現(xiàn)了引入二維交細(xì)分類型的地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新功能。用陜西省2000年和2009年兩景軌道號為127034的Landsat ETM+/TM 30 m分辨率遙感影像數(shù)據(jù)。試驗區(qū)面積為6.4 km2，影像覆蓋范圍為36.541 2°N—38.398 7°N、108.324 1°E—110.830 1°E。用比值法、NDVI差值法、PCA差異法求并的結(jié)果影像作為初始變化信息并對其分類，采用項目組自行開發(fā)的分類后遙感影像自動矢量化與偽變化剔除組件進(jìn)行自動矢量化并剔除偽變化，然后按照式(1)生成增量數(shù)據(jù)文件。為驗證本文規(guī)則，根據(jù)試驗需要，將復(fù)雜多邊形進(jìn)行分塊處理為簡單多邊形，得到的更新試驗數(shù)據(jù)前共863個多邊形，增量多邊形240個，共分8種地類，如圖5所示，圖5中的框內(nèi)的細(xì)節(jié)部分分別為圖1(a)和(b)所示的區(qū)域。

圖5 更新前的地表覆蓋數(shù)據(jù)Fig.5 The vector land cover database before updating

本次增量更新試驗在聯(lián)想T430筆記本電腦Windows10環(huán)境下進(jìn)行。增量更新后得到1128個多邊形，如圖6所示。自動化增量更新處理耗時3.25 s,更新后合并及碎多邊形處理耗時1.03 s。增量更新后，作者對更新后快照數(shù)據(jù)進(jìn)行了拓?fù)湟恢滦院蛯傩詻_突等邏輯一致性檢查，未發(fā)現(xiàn)上述問題。試驗結(jié)果表明本文提出的9條規(guī)則能很好地完成地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新處理自動化，且在更新過程中不會產(chǎn)生拓?fù)湟恢滦院蛯傩詻_突等數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。

需要說明的是，本文的研究對象是具有鋪蓋特征的地表覆蓋矢量多邊形數(shù)據(jù)，其變化信息源為通過最新遙感影像與基準(zhǔn)年數(shù)據(jù)(包括影像或地圖)對比獲得的變化信息，其不同于通過地形圖修補測量、竣工測量、市政測量或增量采編系統(tǒng)獲得的矢量快照(或增量)數(shù)據(jù)，后者往往包含了變化后目標(biāo)快照、變化類型(事件)等信息，因此不能通過同名實體匹配或事件推理獲得變化前后目標(biāo)間的M→N(M≥0，N≥0)的對應(yīng)關(guān)系，并據(jù)此更新數(shù)據(jù)庫相應(yīng)記錄。本文的變化數(shù)據(jù)如圖5(b)所示，往往不包含變化后的完整快照(包括目標(biāo)快照)，為變化部分?jǐn)?shù)據(jù)，增量目標(biāo)可能是變化前后一個或多個目標(biāo)快照的一部分。本文研究目的為通過將變化數(shù)據(jù)與變化前快照疊加，根據(jù)細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系來構(gòu)建變化后的目標(biāo)快照，并更新相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄。本文方法是對現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)更新方法的有益補充，與現(xiàn)有方法不重疊。從更新策略來看，本文與文獻(xiàn)[12]提出數(shù)字化縮編更新及影像一體化更新方法和文獻(xiàn)[14]提出的自適應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)增量更新方法相比具有明顯的差異。文獻(xiàn)[12]提出的數(shù)據(jù)更新工程的總體策略，在技術(shù)細(xì)節(jié)方面仍需要人機交互操作，不能完全實現(xiàn)自動化；文獻(xiàn)[14]提出的變化信息檢測與增量更新方法，利用外業(yè)測量獲得的快照矢量數(shù)據(jù)作為更新數(shù)據(jù)源，先通過快照/快照疊加匹配來提取變化目標(biāo)，然后再進(jìn)行更新操作。由于本文方法直接采用通過遙感影像與基準(zhǔn)年數(shù)據(jù)對比獲得的變化信息成果，不需要生成變化后的快照數(shù)據(jù)、不需要通過快照/快照疊加匹配來提取變化目標(biāo)，對于此類變化信息源，省去多個數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，因而具有更高的更新效率。

圖6 更新后的地表覆蓋數(shù)據(jù)(框為圖1(d)區(qū)域)Fig.6 The vector land cover database after updating(box is shown in Fig.1(d))

6 結(jié) 論

增量更新是維護(hù)空間數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性的重要方式，空間數(shù)據(jù)更新方式受時空數(shù)據(jù)模型、增量數(shù)據(jù)特點、增量獲取方式等因素的影響，因此更新處理流程及效率也存在較大差異。本文針對地表覆蓋變化信息往往通過最新遙感影像與基準(zhǔn)年數(shù)據(jù)對比獲得，難以直接獲得現(xiàn)有增量更新方法要求的變化事件、拓?fù)渎?lián)動類型、同名對象或更新處理記錄等信息，不能直接使用現(xiàn)有方法來實現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新處理的自動化或半自動化等問題，通過將地表覆蓋增量對象與已有地表覆蓋矢量地圖疊加,分析其拓?fù)潢P(guān)系，發(fā)展了一種以面/面二維交細(xì)分類型處理規(guī)則為基礎(chǔ)的地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新方法。該方法首先分析兩種獲取地表覆蓋增量信息途徑特點，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種包含變化對象的空間位置和類型的地表覆蓋增量信息表達(dá)模型。采用基于目標(biāo)整體交/差結(jié)果的歐拉數(shù)的E-WID層次模型，推導(dǎo)出了14種地表覆蓋增量更新二維交細(xì)分類型。根據(jù)這14種二維交細(xì)分類型，設(shè)計了一套自動化增量更新處理規(guī)則。最后開發(fā)了采用二維交細(xì)分拓?fù)潢P(guān)系類型處理規(guī)則的地表覆蓋數(shù)據(jù)增量更新原型系統(tǒng)，用實際數(shù)據(jù)驗證了其正確性。

由于本文方法直接采用通過最新遙感影像與基準(zhǔn)年數(shù)據(jù)對比獲得的變化信息成果，不需要生成變化后的快照數(shù)據(jù)、不需要通過快照/快照疊加比較來檢測變化對象，省去多個數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，具有更高的更新效率，因而有望成為通過遙感影像獲取變化數(shù)據(jù)的地表覆蓋(土地利用)數(shù)據(jù)增量更新的發(fā)展方向。

應(yīng)該說明的是，本文方法主要用于對已有地塊和增量地塊均為簡單地塊的情況，由于地表覆蓋數(shù)據(jù)范圍廣，分類矢量數(shù)據(jù)產(chǎn)品中往往存在大量包含數(shù)以萬計空洞的復(fù)雜多邊形情況，采用本文方法對復(fù)雜地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新時需要先將基準(zhǔn)年矢量數(shù)據(jù)和增量信息做自適應(yīng)分塊處理使之不包含復(fù)雜地塊，然后再對更新后的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，影響增量更新效率。因此后續(xù)研究工作為發(fā)展地表覆蓋復(fù)雜多邊形數(shù)據(jù)的增量更新處理方法。

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(責(zé)任編輯：宋啟凡)

An Incremental Updating Method for Land Cover Database Using Refined 2-dimensional Intersection Type

ZHOU Xiaoguang,WANG Hongsong,WU Zhiqiang

School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083，China

In order to incremental updating the land cover database using the change-only information from imagery change detection methods, an vector change-only information model is designed to represent the spatial and attribute information after change, and an automatic incremental updating method for land cover database based on refined 2-dimensional intersection type is presented. As the differentiation and identification of 2-dimensional intersection type between new updates and existing objects is one of the first steps in the automatic incremental updating process for a land cover database, the 14 refined 2-dimensional intersection types are distinguished by the E-WID topological hierarchical model. Then according to the 14 refined 2-dimensional intersection types, 9 automatic updating rules for land cover database are presented. An automatic incremental updating for land cover database prototype system is developed. The effectiveness of the models and rules was verified using real data. The results of this study represent a new avenue for automatic spatial data handling in incremental updating processes.

land cover; incremental updating; topological relations; 2-dimensional intersection; updating rules

The National Natural Science Foundation of China (No.41371366);The 13th Five-Year State Key Development Program (No.2016YFB0501403)

ZHOU Xiaoguang(1969—),female,professor，majors in spatial data updating and crowdsourcing processing data.

周曉光，汪紅松，吳志強.引入二維交細(xì)分類型的地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)增量更新[J].測繪學(xué)報，2017,46(1)：114-122.

10.11947/j.AGCS.2017.20150114. ZHOU Xiaoguang, WANG Hongsong, WU Zhiqiang.An Incremental Updating Method for Land Cover Database Using Refined 2-dimensional Intersection Type[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(1):114-122. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20150114.

P208

A

1001-1595(2017)01-0114-09

國家自然科學(xué)基金(41371366);十三五國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0501403)

2015-03-03

周曉光(1969—)，女，教授，研究方向為空間數(shù)據(jù)更新與眾源數(shù)據(jù)處理。

E-mail： zxgcsu@foxmail.com

修回日期： 2016-10-04