第二次全國土地調查成果現勢性評估方法

郭綠奕，戴韞卓，杜震洪，張 豐＊，李榮亞（1．浙江大學浙江省資源與環境信息系統重點實驗室，浙江杭州10028；2．浙江大學地理信息科學研究所，浙江杭州10027；．浙江省土地勘測規劃院，浙江杭州10027）

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第二次全國土地調查成果現勢性評估方法

郭綠奕1，2，戴韞卓3，杜震洪1，2，張 豐1，2＊，李榮亞1，2
（1．浙江大學浙江省資源與環境信息系統重點實驗室，浙江杭州310028；2．浙江大學地理信息科學研究所，浙江杭州310027；3．浙江省土地勘測規劃院，浙江杭州310027）

摘 要：第二次全國土地調查（以下簡稱二次調查）成果的現勢性是評價二次調查成果質量的重要指標之一．針對現勢性評估理論模型缺乏的現狀，提出了利用建設用地現勢性指數和建設用地占用耕地變更正確性指數來評估二次調查成果的現勢性．并對杭州市9區（縣）的二次調查成果進行了現勢性評估，結果表明，該方法科學可靠，適用于評估二次調查成果的現勢性．

關 鍵 詞：二次調查；土地變更調查；現勢性；建設用地

第二次全國土地調查（以下簡稱二次調查）全面查清了全國土地利用現狀，建成了全國土地利用基礎數據庫，實現了調查成果管理的數字化［1］．二次調查成果數據量大、覆蓋面廣、精確度高，已被廣泛應用到國土資源管理、城鎮規劃建設、國家宏觀調控等方面［2］．二次調查成果的現勢性是指二次調查成果反映當前真實土地利用情況的能力，數據更新周期越短，現勢性就越強．為保持二次調查成果的現勢性，從2010年開始，全國每年展開土地變更調查工作，建立年度土地變更調查成果數據庫［3］，對二次調查數據進行更新．只有二次調查成果具有較高的現勢性，才能為各行業提供準確可靠的基礎信息，因此，對二次調查數據進行現勢性評估有利于提高二次調查數據的利用率．近年來，國內學者圍繞確保二次調查成果的準確性和提高二次調查成果的現勢性展開了大量研究：吳明輝等［4］基于質檢規則，集成地理信息系統中的多項技術，開發了第二次全國土地調查成果質量檢查系統，對二次調查成果的正確性進行自動化檢查；于金羽［5］在傳統地籍變更辦法的基礎上提出城鄉一體化的地籍數據更新機制來保證地籍數據的現勢性；吳學瑜等［6］提出以土地利用動態遙感監測來快速、客觀地反映土地利用的變化情況，從而確保二次調查成果的現勢性；何喬等［7］提出了一種基于像素數變化比率的柵格地圖數據現勢性半自動檢查方法．目前為止，仍鮮見關于二次調查成果現勢性評估的研究，其根本原因在于缺乏完善的現勢性評估理論模型和詳細的評估方法．

基于此，本文提出了一種利用建設用地現勢性指數和建設用地占用耕地變更正確性指數來綜合評估二次調查成果現勢性的方法．考慮到人工目視解譯效率低且消耗大，該方法先利用規則集自動提取建設用地，然后通過空間疊加分析獲得未變更建設用地矢量層和未變更建設用地占用耕地矢量層，最后計算建設用地現勢性指數值和建設用地占用耕地變更正確性指數值．這2個指數分別從建設用地和耕地的角度反映二次調查成果的現勢性，為評估二次調查成果的現勢性提供了理論模型．

1 研究方法

1．1 現勢性評估指數

在土地變更調查中，建設用地包括城鄉住宅、商服用地、工礦倉儲用地、公共設施用地、部分交通運輸用地和水利設施用地等地類．隨著城市化的全面推進，農村居民逐漸向城鎮及城鄉接合部轉移，建設用地大量增加，耕地不斷減少［8］．在土地變更調查中，建設用地逐年增加，變化速度最快，且建設用地占用耕地的變更占絕大部分；其他地類的變化量很小，變化過程較慢．因此，建設用地和耕地是對二次調查成果現勢性影響最大的2種地類，建設用地和建設用地占用耕地的現勢性能基本反映二次調查成果的現勢性．

1．1．1 建設用地現勢性評估指數

地圖學中，現勢地圖符號所占全圖符號的百分比，是地圖傳輸信息可信度的表征，可作為對該圖現勢性的度量［9］．因此，建設用地現勢性指數可以用數據庫中已變更的建設用地面積和建設用地實際變化面積的比值來表示．已變更建設用地面積和未變更建設用地面積互為補集，只要算出未變更建設用地面積，便可求得已變更建設用地面積．

定義1 設從t0到t這段時間內（t＞t0），建設用地實際變化面積為SA，其中已變更的建設用地面積為SB，未變更的建設用地面積為SC．令

則稱P為t時刻的建設用地現勢性指數．其中t代表最近一次土地變更調查數據更新的時刻，本文特指2013年年末（2013－12－31）；t0代表基準時刻，本文特指二次調查統一時點（2009－12－31）．

P值越大，說明土地變更調查成果數據庫中的建設用地與當前地面實際建設用地的吻合度越好，因而可以用來度量二次調查成果的現勢性．

1．1．2 建設用地占用耕地變更正確性指數

建設用地變更中最常見的情況是由耕地變更為建設用地．某地塊已變化為建設用地但數據庫未及時變更的情況時有發生．建設用地占用耕地的變更正確性可以用已變更的建設用地占用耕地面積與同一時段內實際建設用地占用耕地面積的比值來表示．

定義2 設從t0到t這段時間內（t＞t0），累計建設用地占用耕地總面積為SL，其中已完成變更的建設用地占用耕地面積為SM，未完成變更部分的面積為SN．令

則稱Q為t時刻的建設用地占用耕地變更正確性指數．

Q值越大，說明建設用地占用耕地的變更完成情況越好，成果數據越符合地表最新實際情況．故可以將其作為另一個衡量二次調查成果現勢性的指標．

以上2個指數反映了土地利用中主要變化地類的現勢性情況，利用建設用地的現勢性和建設用地占用耕地的變更正確性能夠充分體現二次調查成果的現勢性．

1．2 現勢性指數的計算方法

1．2．1 建設用地現勢性指數的計算方法

分析式（1）中的各項參數，發現式中的已變更建設用地面積可用土地變更調查中新增建設用地面積值表示，故求得建設用地現勢性指數的關鍵在于獲得未變更建設用地面積．為此，本文設計了一套建設用地現勢性指數的計算方法（見圖1），具體步驟如下：

1）利用最近一年土地利用遙感正射影像數據，自動提取建設用地圖斑，并對提取結果的正確性進行人工核查，將核查后的結果保存成Shapefile矢量數據格式；

2）將步驟1）中提取的建設用地矢量層與同年度土地變更調查成果數據庫中的建設用地矢量層、臨時用地矢量層、設施農用地矢量層以及線狀地物矢量層進行疊加分析，提取出未被以上任一矢量圖層覆蓋的建設用地圖斑，并剔除其中面積在400m2以下的碎圖斑；

3）將步驟2）中提取的未變更建設用地圖斑層分別與二次調查航空影像和2009年末衛星遙感影像套合，若某圖斑對應位置在影像上已顯示為建設用地，則將其屬性分別賦值為“二次調查未上圖”或“統一時點未更新”，即二次調查建設用地成果錯誤，不屬于未變更建設用地范疇；其余圖斑賦值為“未完全變更”，構成二次調查后未變更建設用地圖斑層；

4）統計二次調查后未變更建設用地圖斑面積，計算建設用地圖斑現勢性指數．

圖1　建設用地現勢性指數計算方法Fig．1 Calculation method of construction land currency index

1．2．2 建設用地占用耕地變更正確性指數的計算方法

建設用地占用耕地的圖斑只在影像上顯示為建設用地，在土地變更調查成果數據庫中仍為耕地，即二次調查后未變更建設用地和數據庫中耕地圖層的交集．本文設計的建設用地占用耕地變更正確性指數計算方法如圖2所示，具體步驟如下：

1）將建設用地現勢性評估中提取的未變更建設用地圖斑層與同年度土地變更調查成果數據庫中的耕地矢量層套合，提取重疊部分，作為未變更建設用地占用耕地矢量層；

2）統計未變更建設用地占用耕地圖斑面積，計算建設用地占用耕地變更正確性指數．

圖2　建設用地占用耕地變更正確性指數的計算方法Fig．2 Calculation method of the change correctness index of arable land occupied by construction

2 實驗數據處理

2．1 實驗區和實驗數據概況

本研究實驗區為杭州市9區（縣），包括上城區、下城區、江干區、拱墅區、西湖區、濱江區、蕭山區、余杭區和淳安縣．杭州市是浙江省省會，經濟發展迅速，城鎮化水平達到70%以上．近年來，隨著浙江省城市化進程的穩步推進，杭州市的建設用地和耕地變化較為顯著，因此將其選為二次調查成果現勢性評估的實驗區域．實驗區總面積776 650hm2，其中建設用地面積169 851hm2．實驗所用數據如下：

1）杭州市9區（縣）2013年土地變更調查成果數據庫；

2）國土資源部制作下發的杭州市9區（縣）2013年遙感監測正射影像：其原始影像來源主要為Pleiades－1衛星影像，空間分辨率為0．5m，部分ZY－1、YG8衛星影像，空間分辨率為2．5m；

3）杭州市9區（縣）二次調查時期航空影像；4）杭州市9區（縣）2009年土地利用遙感正射影像．

2．2 基于規則集的建設用地提取

建設用地現勢性指數計算方法的第1步是提取影像上的建設用地．基于規則集的建設用地提取方法是面向對象分類方法的一種．面向對象影像分類方法在多尺度分割構建的多層次對象結構基礎上，依據地物的不同形態，選擇適當的特征集以規則集對對象進行分類［10］．建立合適的規則集是從影像中提取出建設用地的關鍵．本文將建設用地分為建筑物、硬化地表和道路3個小類，并從建設用地光譜特征、紋理特征和形狀特征的角度來建立規則集．

圖3（a）為杭州市余杭區正射影像中大小為4 000像素×4 000像素的區域，影像有R、G、B 3個波段，空間分辨率為0．5m．該區域建設用地集中，涵蓋建筑物、硬化地表和道路3種類型，故以此為示例區域，采用基于規則集的方法提取該區域的建設用地：

1）利用ENVI遙感影像處理軟件對影像進行分割，分割后的矢量結果如圖3（b）所示，圖3中每個地物都沿其邊緣分割成了獨立的對象；

2）建立如式（3）的適用于該區域的規則集算式；

式（3）中，F代表該區域建設用地規則集，F1、F2、F3分別代表建筑物、硬化地表和道路這3個小類的規則集，其表達式如下：

式中，SMi、TMi、TEi、TRi分別為i波段的光譜均值、紋理均值、紋理灰度信息熵和平均灰度范圍，i＝1，2，3；A為分割后對象的面積；L為對象的長度．

3）利用規則集F提取該區域的建設用地，結果如圖3（c）所示．圖中白色部分為建設用地，從圖3中可以看到提取的建設用地清晰規整，能較完整地反映其分布情況，且無明顯遺漏．

4）采用混淆矩陣法對建設用地提取結果進行精度評價，精度統計參數計算結果如下：

以上結果可以看出，建設用地提取結果的總體精度為90．44%，Kappa系數為0．79，說明采用基于規則集的面向對象提取方法的提取結果較好，準確度較高，將其作為真實的建設用地覆蓋情況正確可靠．

圖3　基于規則集的建設用地提取實驗Fig．3 Experiment of rule based construction land extraction

3 實驗結果與分析

3．1 建設用地現勢性評估

按照本文提出的建設用地現勢性指數計算方法，在ArcGIS軟件中將提取的建設用地矢量圖層和2013年土地變更調查成果數據庫中建設用地相關圖層做疊加分析，并排除二次調查建設用地成果錯誤的干擾，提取二次調查后未變更的建設用地．統計未變更建設用地圖斑面積，利用式（1）計算建設用地現勢性指數．其中，已變更建設用地面積值用從二次調查統一時點（2009－12－31）到2013年末（2013－12－31）這段時間內新增的建設用地面積值來表示．

分別對實驗區每個區（縣）進行建設用地現勢性評估，各區（縣）的建設用地現勢性指數值和實驗區建設用地現勢性指數平均值如圖4所示．圖中顯示，實驗區建設用地現勢性指數為90．16%，其中低于平均值的是西湖區、蕭山區和淳安縣．這幾個區（縣）近幾年經濟發展較快，新開工建設的地塊較多，二次調查成果與實際地面情況相差較大，這與實驗結果相符合．總體來說，實驗區建設用地變更結果與實際建設用地變化情況吻合度較高，建設用地現勢性較高．

圖4　建設用地現勢性指數計算結果Fig．4 Results of construction land currency evaluation－－為實驗區建設用地現勢性指數計算結果

3．2建設用地占用耕地變更正確性分析

利用ArcGIS軟件求得二次調查后未變更建設用地矢量層和2013年土地變更調查成果數據庫中耕地矢量層的交集，作為未變更建設用地占用耕地圖斑層．統計面積，利用式（2）計算建設用地占用耕地變更正確性指數．具體計算時，式（2）中的SM為二次調查統一時點（2009－12－31）到2013年末（2013－12－31）這一時間段累計的建設用地占用耕地的面積值．

分別對除上城區（數據庫中無耕地）以外的每個區（縣）進行建設用地占用耕地變更正確性分析，得到如圖5所示的結果．從圖5中可看出，實驗區建設用地占用耕地變更正確性指數平均值為90．76%．低于平均值的有蕭山區和下城區，其中，蕭山區原有耕地面積較大，由于工業化、城鎮化建設速度的加快，導致占用耕地進行建設的面積較大，降低了變更的正確性，這與實驗結果相吻合；下城區為老城區，正確性指數較低的原因考慮為變更調查中的人為疏漏．

以上結果說明，實驗區建設用地占用耕地的變更完成情況較好，變更調查準確性較高．

實驗分析中將現勢性評估結果和各地區實際的建設用地宏觀變化情況進行比對，發現兩者的結果較吻合，證明結果科學可靠．綜合以上實驗結果，實驗區建設用地和耕地的變更結果與地面實際變化情況總體一致，即杭州市9區（縣）的二次調查成果現勢性較高．

圖5　建設用地占用耕地變更正確性分析結果Fig．5 Results of change correctness analysis of arable land occupied by construction

4 結 論

提出了一套基于建設用地現勢性指數和建設用地占用耕地變更正確性指數的二次調查成果現勢性評估方法，并對這2個指數的計算方法進行了詳細闡述，豐富了二次調查成果現勢性理論模型．實驗完成了對杭州市9區（縣）二次調查成果的現勢性評估，證明該方法能準確評估二次調查成果的現勢性．

本文僅從建設用地和建設用地占用耕地兩方面來評估二次土地調查成果的現勢性，仍不盡完善．下一步將豐富現勢性評估指標，使之形成體系，從而更全面地評估二次土地調查的現勢性．總之，本方法是對二次調查現勢性評估的一次成功探索．

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Data currency evaluation method of the second national land survey

GUO Lyuyi1，2，DAI Yunzhuo3，DU Zhenhong1，2，ZHANG Feng1，2，LI Rongya1，2（1．Zhejiang Provincial Key Lab of GIS，Zhejiang University，Hangzhou310028，China；2．Department of Geographic Information Science，Zhejiang University，Hangzhou310027，China；3．Institute of Land Surveying and Planning of Zhejiang Province，Hangzhou310027，China）

Journal of Zhejiang University（Science Edition），2016，43（1）：035－039

Abstract：The data currency of the second national land survey（hereinafter referred as the second survey）is one of the most important index to evaluate the quality of the second survey results．Considering the present situation of the lack of theoretical model in currency evaluation，a new method using the construction land currency index and the change correctness index of the arable land occupied by construction is figured out to evaluate the currency of the second survey results．The experiments have evaluated the second survey data currency of the nine districts or counties of Hangzhou．Results show that the method is scientific and feasible，and can be used to evaluate the currency of the second survey results．

Key Words：the second national land survey；land change survey；currency；construction land

通信作者＊，E－mail：zfcarnation＠zju．edu．cn．

作者簡介：郭綠奕（1989－），女，碩士，主要從事遙感技術在土地領域中的應用研究．

基金項目：國家自然科學基金資助項目（41471313，41101356）；浙江省科技攻關計劃項目（2013C33051）；國家海洋公益性行業科研專項經費資助項目（2015418003，201305012）；國家科技基礎性工作專項（2012FY112300）；中央高?；A科研業務費專項（2013QNA3023）．

收稿日期：2015－05－06．

DOI：10．3785／j．issn．1008－9497．2016．01．006

中圖分類號：P 208

文獻標志碼：A

文章編號：1008－9497（2016）01－035－05