龔國輝，董春，亢曉琛

(1.遼寧工程技術(shù)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(chǔ)性地理國情監(jiān)測等工作，經(jīng)過基本統(tǒng)計分析、綜合統(tǒng)計分析、專題統(tǒng)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(tài)格局等各類數(shù)據(jù)指標[1-2]，形成揭示社會與經(jīng)濟發(fā)展、自然資源與生態(tài)環(huán)境之間的聯(lián)系及發(fā)展?jié)摿Φ葘ｎ}的數(shù)據(jù)[3]。其成果已在“多規(guī)合一”[4]、自然資源負債表編制、三生協(xié)調(diào)的綜合統(tǒng)計分析、生態(tài)文明建設(shè)等多個領(lǐng)域中發(fā)揮了不可或缺的作用[5]。同時第三次全國國土調(diào)查(國土三調(diào))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(shù)量等信息。不斷完善國土調(diào)查、監(jiān)測及統(tǒng)計分析的方法和制度，滿足自然資源調(diào)查和監(jiān)測制度改革、生態(tài)治理與修復、國土空間用途監(jiān)管、空間治理能力現(xiàn)代化以及國土空間資源規(guī)劃體系構(gòu)建等工作的各種需求[6]。

1 兩類數(shù)據(jù)特點及存在的問題

全國地理國情普查與監(jiān)測和國土三調(diào)都是對我國全部陸地范圍(除港、澳、臺地區(qū))的全覆蓋、無縫隙地表監(jiān)測與調(diào)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(nèi)容指標、技術(shù)手段、組織方式等不一致，兩類數(shù)據(jù)各有側(cè)重和特點。其中，地理國情數(shù)據(jù)側(cè)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(diào)查與監(jiān)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(diào)：二級類+細化類=67個)。但它的部分內(nèi)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(qū))只從建筑區(qū)房屋的高度和密度上做了分類，并沒有對建筑區(qū)的具體用途進行描述。而國土三調(diào)中與建筑設(shè)施相關(guān)的分類有商業(yè)服務業(yè)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(shè)施用地，所以可以參考國土三調(diào)數(shù)據(jù)屬性來補充地理國情數(shù)據(jù)。

國土三調(diào)則側(cè)重對土地利用狀況和各種屬性信息的調(diào)查[9]。立足于社會經(jīng)濟發(fā)展和土地資源管理與規(guī)劃、自然資源的保護等工作需求[10]。但其數(shù)據(jù)指標與自然資源調(diào)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(diào)中沒有對應類別；海域在國土三調(diào)中沒有相關(guān)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(shù)據(jù)來細化豐富國土三調(diào)數(shù)據(jù)分類體系。如果實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的結(jié)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(shè)用地的實際用途，加強國土空間規(guī)劃與用途管制[12]。而且有助于以依法行使“兩統(tǒng)一”職責為總目標建立完善的自然資源統(tǒng)一調(diào)查、評價、監(jiān)測制度方案。

2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析

本文基于國土三調(diào)先行縣數(shù)據(jù)及《基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測內(nèi)容與指標》[13]和《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[6]等相關(guān)資料中對地理國情和國土三調(diào)地類的定義與劃分規(guī)則，依據(jù)“口徑可比較”原則[14]對地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)和國土三調(diào)數(shù)據(jù)獲取和制作方法以及內(nèi)容指標的對應關(guān)系進行定性分析，明確兩類數(shù)據(jù)各自的優(yōu)勢、特點以及差異性、獨立性、相關(guān)性以及互補性[15]。初步確立兩類數(shù)據(jù)指標的對應關(guān)系為地理國情監(jiān)測分類體系中的一級類種植土地、林草覆蓋與國土三調(diào)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(guān)系(表1)。

結(jié)合表1和基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測內(nèi)容與指標[13]及第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程[6]，得出國土三調(diào)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(jīng)濟苗木、其他藤本經(jīng)濟苗木、其他草本經(jīng)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(diào)天然牧草地的屬性；三級類綠化草地可以添加國土三調(diào)公園與綠地的屬性。

表1 種植土地和林草覆蓋與國土三調(diào)分類匹配關(guān)系

表2為地理國情監(jiān)測分類體系中一級類鐵路與道路和構(gòu)筑物與國土三調(diào)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(guān)系。

結(jié)合表2和基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測內(nèi)容與指標[13]及第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程[6]，得國土三調(diào)的二級類鐵路用地、軌道交通用地、公路用地、城鎮(zhèn)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(shè)施農(nóng)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(gòu)筑物。相反，可以將各細化類對應的國土三調(diào)類別的屬性信息補充到地理國情數(shù)據(jù)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(diào)一級類工礦用地、其他土地、水域及水利設(shè)施用地的匹配關(guān)系。

結(jié)合表3和基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測內(nèi)容與指標[13]及第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程[6]，可得國土三調(diào)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(diào)類別的屬性信息補充到地理國情數(shù)據(jù)中。

表2 鐵路與道路和構(gòu)筑物與國土三調(diào)分類匹配關(guān)系

綜上分析地理國情中有一級類房屋建筑(區(qū))，構(gòu)筑物中二級類固化池、沙障、其他構(gòu)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(diào)分類沒有明確對應關(guān)系；國土三調(diào)中一級類濕地、商業(yè)服務業(yè)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(guān)系。該分析結(jié)果具有一定的主觀性，兩類數(shù)據(jù)中有部分指標沒有明確的對應關(guān)系，也體現(xiàn)了兩類數(shù)據(jù)的差異性。后續(xù)還需結(jié)合矢量數(shù)據(jù)圖層進行空間分析來進一步確定各類數(shù)據(jù)指標的最佳匹配關(guān)系。

表3 人工堆掘地、荒漠與裸露地及水域與國土三調(diào)分類匹配關(guān)系

3 實驗與分析

3.1 實驗總體框架

由于地理國情數(shù)據(jù)和國土三調(diào)數(shù)據(jù)在內(nèi)容指標、技術(shù)手段、組織方式等方面的差異性，首先通過定性分析兩類數(shù)據(jù)指標相互補充豐富的可行性。依據(jù)兩類數(shù)據(jù)地類的定義與劃分規(guī)則，建立各個地類間的匹配關(guān)系表；然后通過實驗對兩類數(shù)據(jù)進行相互補充實驗，選取同時期、相同區(qū)域的兩類數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)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(jié)合地類匹配關(guān)系表和高分辨率遙感影像明確各地類之間的準確對應關(guān)系，完成兩類數(shù)據(jù)的補充豐富。最終獲得分類豐富和屬性完整的地表覆被數(shù)據(jù)，在自然資源調(diào)查、監(jiān)測和國土空間規(guī)劃等工作中提供助力(圖1)。

圖1 地理國情數(shù)據(jù)與國土三調(diào)數(shù)據(jù)補充豐富的整體框架

3.2 建立匹配關(guān)系

通過表1到表3的對比分析，依據(jù)“內(nèi)涵一致(兩類數(shù)據(jù)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(diào)數(shù)據(jù)指標中可以相互補充豐富的類別[15]?？煽偨Y(jié)為“一對一”“一對多”“多對一”和“無對應”4類匹配關(guān)系，如表4、表5分別為地理國情中可以補充國土三調(diào)數(shù)據(jù)屬性的對應類別和國土三調(diào)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(qū))及對應的5個二級類，8個三級類和國土三調(diào)的一級類商業(yè)服務業(yè)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(shè)施用地及對應二級類和細化類都是建筑設(shè)施相關(guān)的用地類別，可以很好地相互補充豐富。

表4 地理國情數(shù)據(jù)屬性補充的地類

表5 國土三調(diào)數(shù)據(jù)細化豐富的地類

3.3 實驗數(shù)據(jù)概況

本文研究區(qū)域為廣西壯族自治區(qū)2018年6月進行第三次全國國土調(diào)查工作的試點先行縣之一的貴港市港北區(qū)。位于廣西壯族自治區(qū)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(qū)、道路、山地、裸地、水域等各種地類圖斑，有助于兩類數(shù)據(jù)的對比分析。矢量數(shù)據(jù)有第三次全國國土調(diào)查的地類圖斑圖層(DLTB)和地理國情監(jiān)測的地表覆蓋圖層(LCA)以及自然資源部辦公廳關(guān)于印發(fā)《2018年全國基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測實施方案》及有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知和《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》等資料。

3.4 實驗過程

因為2套面狀矢量數(shù)據(jù)坐標投影一致，通過GIS軟件的空間疊加分析功能，結(jié)合Python腳本，利用國土三調(diào)數(shù)據(jù)補充地理國情數(shù)據(jù)一級類房屋建筑(區(qū))管理屬性。

1)運用ArcGIS軟件將地理國情監(jiān)測LCA矢量圖層和國土三調(diào)DLTB矢量圖層做相交疊加處理，得到兩類數(shù)據(jù)圖斑的疊加圖層。

2)基于圖斑疊加結(jié)果按地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)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(qū))圖斑與國土三調(diào)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(qū))各圖斑與各類國土三調(diào)圖斑的重疊面積和重疊率，其中與各房屋建筑(區(qū))圖斑重疊率最大的國土三調(diào)圖斑對應屬性作為該房屋建筑(區(qū))圖斑的最佳補充屬性。

4)結(jié)合兩類數(shù)據(jù)匹配關(guān)系表與各房屋建筑(區(qū))圖斑對應的重疊面積最大、重疊率最大的國土三調(diào)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(qū))屬性表中。達到豐富地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的相應管理屬性的目的。

3.5 結(jié)果分析

圖2 地理國情與國土三調(diào)圖斑疊加結(jié)果

由于兩類數(shù)據(jù)的各類指標的定義和圖斑的提取存在差別，使得兩類數(shù)據(jù)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?；趦深愂噶繑?shù)據(jù)疊加結(jié)果，提取同時包含地理國情和國土三調(diào)屬性的房屋建筑(區(qū))圖斑。圖2展示了一個地理國情的房屋建筑(區(qū))圖斑與多個國土三調(diào)圖斑重疊的情況，其中該圖斑與國土三調(diào)的二級類農(nóng)村宅基地重疊的最多，重疊率90.16%；與城鎮(zhèn)村道路用地重疊5.04%；科教文衛(wèi)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(nóng)村宅基地的管理屬性。

結(jié)合Python腳本計算，得到地理國情全部房屋建筑(區(qū))圖斑與各類國土三調(diào)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(qū))圖斑與國土三調(diào)(DLTB)各類圖斑重疊率最大的相關(guān)屬性信息。如表6所示，選取地理國情監(jiān)測房屋建筑(區(qū))與國土三調(diào)圖斑重疊結(jié)果的部分圖斑數(shù)據(jù)。

表6 房屋建筑(區(qū))圖斑最大重疊度結(jié)果

因為每一個地理國情數(shù)據(jù)圖斑都與多個國土三調(diào)數(shù)據(jù)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(jù)表6的結(jié)果，利用Python腳本將最佳匹配屬性寫入地理國情數(shù)據(jù)屬性表，達到對地理國情數(shù)據(jù)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(diào)數(shù)據(jù)對地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)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(qū))的部分圖斑的屬性信息，增加了設(shè)施農(nóng)用地、采礦用地、工業(yè)用地、城鎮(zhèn)住宅用地、空閑地等管理屬性信息。驗證了兩類數(shù)據(jù)融合的可行性。同樣，對于國土三調(diào)數(shù)據(jù)也可以用地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)進行豐富和補充，充分地結(jié)合兩類數(shù)據(jù)各自的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，不斷地提高數(shù)據(jù)的應用效果。

4 數(shù)據(jù)差異分析

4.1 影像數(shù)據(jù)精度差異

地理國情監(jiān)測要求收集滿足地理國情監(jiān)測設(shè)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(chǎn)高精度衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，同時采購國內(nèi)外商業(yè)衛(wèi)星遙感影像，確保有覆蓋全國優(yōu)于2.5 m分辨率影像數(shù)據(jù)以及特殊地區(qū)優(yōu)于1 m分辨率的影像數(shù)據(jù)。國土三調(diào)中農(nóng)村地區(qū)的土地調(diào)查數(shù)據(jù)采集要求采用優(yōu)于1 m分辨率覆蓋全國的遙感影像資料；城鎮(zhèn)區(qū)域地物復雜，要求數(shù)據(jù)采集精細程度更高，需采用優(yōu)于0.2 m分辨率的高精度遙感影像資料[17]。

4.2 數(shù)學基礎(chǔ)差異

地理國情監(jiān)測按任務區(qū)組織數(shù)據(jù)不分帶，使用地理坐標系，經(jīng)緯度值以“°”為單位；采用分幅方式組織數(shù)據(jù)時，按6°分帶，采用高斯-克呂格投影。國土三調(diào)投影方式均采用高斯-克呂格投影，數(shù)據(jù)有1∶2 000、1∶5 000、1∶10 000比例尺標準分幅圖或數(shù)據(jù)按3°分帶。

4.3 數(shù)據(jù)采集差異

數(shù)據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(nèi)。對于特殊地物，如高層建筑物遮擋、高大樹木遮擋、陰影等，數(shù)據(jù)采集時，理論上要求誤差不超過10個像素[10]。因為衛(wèi)星拍攝遙感影像時有側(cè)視角問題，達到一定高度的地物在影像上會產(chǎn)生形變、移位，需要經(jīng)過相應處理以符合采集精度的規(guī)定。國土三調(diào)的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、權(quán)屬調(diào)查數(shù)據(jù)、專項用地調(diào)查數(shù)據(jù)圖形邊界不銜接的，應結(jié)合影像、外業(yè)調(diào)查、權(quán)屬協(xié)議書等手段進行核實，并按照核實結(jié)果調(diào)整相關(guān)圖形邊界[10]。各要素采集的界線與調(diào)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(shù)據(jù)的工作方式和數(shù)據(jù)采集指標有一些差異，在地理國情監(jiān)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(qū)、生態(tài)保護紅線區(qū)、永久基本農(nóng)田保護區(qū)、城鎮(zhèn)發(fā)展邊界；社會經(jīng)濟區(qū)域單元新增保障性住房建設(shè)區(qū)、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(diào)在土地管理行業(yè)標準《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)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(jié)束語

本文對全國地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)和第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)指標進行對比分析，建立兩類數(shù)據(jù)指標匹配關(guān)系，并結(jié)合國土三調(diào)數(shù)據(jù)的管理屬性對地理國情數(shù)據(jù)一級類房屋建筑(區(qū))進行管理屬性補充實驗，驗證兩類數(shù)據(jù)融合的可行性。由于兩類數(shù)據(jù)在影像數(shù)據(jù)精度、數(shù)學基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)采集及分類體系上存在一定差異，都有各自的數(shù)據(jù)優(yōu)勢和特點。所以將兩類數(shù)據(jù)優(yōu)勢結(jié)合起來，進行相互補充豐富，充分發(fā)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(guī)劃、生態(tài)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(diào)的先行縣港北區(qū)作為研究區(qū)域，研究區(qū)域較單一，地物分類不具普遍性。考慮到數(shù)據(jù)時相及采集差異，在對圖斑進行疊加時會出現(xiàn)一個圖斑與多個圖斑重疊度相當?shù)那闆r。針對這類圖斑的屬性補充的合理性問題，需進一步結(jié)合當?shù)氐孛蔡卣饕约坝跋駭?shù)據(jù)判讀，必要時進行實地考察，以獲取最準確的研究數(shù)據(jù)。準確地對地理國情數(shù)據(jù)和國土三調(diào)數(shù)據(jù)指標進行匹配融合。