一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法
【专利摘要】本发明涉及一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法，包括：建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据库，历史土地利用数据库包括一调、过渡期的土地利用数据库和二调的土地利用数据库；对一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数据重建；根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状数据以及二调后年度变更调查数据库提取土地利用变更增量；根据土地利用变更增量生成变更事件表，并记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型，对要素实体的产生时间和要素实体的消亡时间赋值，完成土地利用数据时态拓扑自动构建，该方法大大的降低了土地利用时态数据库建库的工作量，提高了时空数据检索和趋势分析的效率。
【专利说明】一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于地理事件时态数据建库【技术领域】，尤其涉及一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法。此方法对于加强土地用地管理、监测用地变化趋势有重要现实意义。
【背景技术】
[0002]自1984年以来，我国完成了第一次、第二次全国性土地调查，开展了年度土地变更调查工作，积累了海量的土地利用数据。当前土地管理业务迫切需要利用长时间序列的时态数据进行历史回溯、变化监测和趋势分析，为城镇化发展、耕地保护、土地市场提供技术服务。时态数据库是时空数据挖掘分析的基础。土地利用调查数据量庞大，通过技术人员人工构建要素实体时态拓扑，建立时态数据库不具现实性。如何利用现有的土地调查数据，实现土地利用数据时态拓扑的自动构建是目前建立时态数据库的核心技术问题。
[0003]土地利用数据多为序列快照数据，记录各年度土地利用的状态。当前土地部门在数据管理时，常采用结构简单、易于实现的序列快照模型。此种时空数据管理模型对于要素变化的描述不直观，缺少土地利用变化时态拓扑关系，时态数据检索和时空分析困难，难以满足现实需求。为了实现时间信息和空间信息的一致化处理，先后提出多种数据模型，如时空立方体模型、时空组合模型、基态修正模型等。在已有的时空数据模型中，采用基于事件的基态修正模型比较适合时空数据库设计实现，并有人针对具体应用和科学问题提出了对模型的改进。但土地利用要素实体变化多样(点面、线线、线面、面面等多种变化)、时空关系复杂性(变更前后父子关系多对多关系)，既有历年的现状数据又有变更调查数据，现有改进模型并不能满足时态管理的要求。
[0004]土地利用数据时态拓扑构建就是基于合适的土地利用时空数据模型，对“一调”(第一次全国土地调查，1984年-1996年，下同)、“过渡期”(土地调查中间过渡时期，一调结束至二调开始之间，下同)和“二调”(第二次全国土地调查，2007年-2009年，下同)等不同时期的数据进行再组织的过程，也即以土地利用现状数据、变更调查数据等原始数据为基础，提取变更增量数据，甄别要素实体变化类型，关联要素实体历史继承关系以及赋值要素生存消亡时间的过程。现有技术常根据地理实体的属性及几何状态之间的关系确定地理实体的变化类型及关联类型，构建要素实体的时态拓扑关系。但是现有技术中针对的地理实体与土地利用实体不同，实体变化类型并不一致。因此，实体变化类型的关联规则和方法也不适用土地利用要素实体关联。现有技术中也常通过事件语义提取土地利用变更业务中相应的地理事件，建立土地利用数据状态发生变化的原因、事件以及数据间的联动关系，实现级联数据的时态拓扑关系构建。但该时态拓扑构建方法仅适用于土地利用实体的时态拓扑局部更新，对以土地利用现状数据、变更调查数据为基础进行时态数据提取和时态拓扑关系构建的情境并不适用。
[0005]综上所述，时空数据模型并没有考虑不同时期土地利用数据的数据内容不一致、数据结构异化等问题，多时态土地利用时空分析检索效率较低，空间计算复杂度高；时态数据关联方法不适用于基于一调、过渡期、二调土地利用现状数据的变更增量提取、父子继承关系识别以及拓扑关系构建，不利于时空数据检索和趋势分析。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是如何针对一调、过渡期、二调以及变更调查等不同时期土地利用现状数据，实现时态数据的一致性存储和管理，基于序列快照数据和变更增量包提取土地利用变更增量，实现土地利用数据时态拓扑的自动构建。
[0007]为此目的，本发明提出了一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法，包括以下步骤:
[0008]建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据库，所述历史土地利用数据库包括一调、过渡期的土地利用数据库和二调的土地利用数据库；
[0009]对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数据重建；
[0010]根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状数据以及二调后年度变更调查数据库提取土地利用变更增量；
[0011]根据所述土地利用变更增量生成变更事件表，并记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型，对要素实体的产生时间和要素实体的消亡时间赋值，完成土地利用数据时态拓扑自动构建，形成时态拓扑完整的数据库。
[0012]优选地，对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数据重建，具体为:将一调、过渡期的土地利用数据中同名实体数据进行一致化重建。
[0013]优选地，所述根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状数据以及二调后年度变更调查数据库提取土地利用变更增量，具体包括:
[0014]对一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状数据，采用基于序列快照数据提取增量方式获取土地利用变更增量；
[0015]基于年度变更调查数据库中的年度变更调查数据提取土地利用变更增量。
[0016]优选地，所述基于序列快照数据提取增量方式获取土地利用变更增量具体包括:
[0017]通过对相邻两年的土地利用现状数据进行空间叠置分析，生成要素变更文件；将所述要素变更文件和所述相邻两年的土地利用现状数据进行关系运算，进行土地利用变更增量数据的提取。
[0018]优选地，所述基于年度变更调查数据库中的年度变更调查数据提取土地利用变更增量具体包括:
[0019]获取所述年度变更调查数据的更新过程文件；
[0020]根据所述更新过程文件进行过渡期之后的土地利用变更增量数据的提取；
[0021]优选地，所述土地利用变更增量数据的提取具体包括:
[0022]提取未变更要素实体，生成未变更要素集；提取属性变更要素实体和几何变更要素实体，生成变更前要素集和变更后要素集。
[0023]优选地，所述根据所述土地利用变更增量生成变更事件表具体包括:
[0024]根据所述土地利用变更增量数据提取变更前要素集、变更后要素集和未变更要素集;
[0025]为所述变更前要素集中要素实体的消亡时间和所述变更后要素集中要素实体的产生时间进行记录；[0026]根据所述土地利用变更增量数据提取变更前后要素实体父子继承关系；
[0027]根据所述变更前要素集、变更后要素集以及变更前后要素实体父子继承关系生成变更事件表。
[0028]通过采用本发明所公开的一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法，在构建土地利用时空数据模型基础上，提取时态数据、建立实体历史继承关系、时态拓扑关系，构建土地利用数据时态链，实现不同时期异构数据的一致化存储，为土地利用历史追溯、趋势分析提供可靠的时态数据库。实现一调、过渡期、二调等不同时期现状数据的历史继承关系识别和时拓扑自动构建，基于变更调查数据实现对已有时态链的的时态数据库进行动态更新和维护，大大的降低了土地利用时态数据库建库的工作量，提高了时空数据检索和趋势分析的效率。该方法为土地管理领域长时间序列大数据挖掘提供多时态、数量和质量一体化的时态数据分析基础，为城镇化发展、耕地保护、土地市场服务等应用领域需要土地变化规律的分析和挖掘提供技术支撑。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中:
[0030]图1示出了本发明一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法的流程图；
[0031]图2示出了本发明实施例中土地利用时态数据库的组织结构图。
【具体实施方式】
[0032]下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
[0033]本发明实施例提供了一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法，针对一调、过渡期、二调土地利用数据特点，提取重建前后数据，提取变更前后增量数据，构建时态数据拓扑关系，如图1所示，包括以下步骤:
[0034]S101，建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据库，所述历史土地利用数据库包括一调、过渡期的土地利用数据库和二调的土地利用数据库。
[0035]S102，对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数据重建，具体为:将一调、过渡期的土地利用数据中同名实体数据进行一致化重建。
[0036]S103，根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用数据库中的土地利用现状数据以及年度变更调查数据库提取土地利用变更增量，具体包括:对一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用数据库中的土地利用现状数据，采用基于序列快照数据提取增量方式获取土地利用变更增量；基于年度变更调查数据库中的年度变更调查数据提取土地利用变更增量；其中，基于序列快照数据提取增量方式获取土地利用变更增量具体为通过对相邻两年的土地利用现状数据进行空间叠置分析，生成要素变更文件，将要素变更文件和所述相邻两年的土地利用现状数据进行关系运算，进行土地利用变更增量数据的提取；所述基于年度变更调查数据库中的年度变更调查数据提取土地利用变更增量具体为获取所述年度变更调查数据的更新过程文件，根据所述更新过程文件进行过渡期之后的土地利用变更增量数据的提取；将提取的未变更要素实体，生成未变更要素集；并将提取的属性变更要素实体和几何变更要素实体合并存储生成变更前要素集和变更后要素集。
[0037]S104,根据所述土地利用变更增量生成变更事件表，并记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型，对要素实体的产生时间和要素实体的消亡时间赋值，完成土地利用数据时态拓扑自动构建，形成时态拓扑完整的数据库。
[0038]所述变更事件表用于记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型、要素实体的产生时间和要素实体的消亡时间。根据所述土地利用变更增量生成变更事件表，具体包括:根据所述土地利用变更增量数据提取变更前要素集、变更后要素集和未变更要素集；为所述变更前要素集中要素实体的消亡时间和所述变更后要素集中要素实体的产生时间进行记录；根据所述土地利用变更增量数据提取变更前后要素实体父子继承关系；根据所述变更前要素集、变更后要素集以及变更前后要素实体父子继承关系生成变更事件表。
[0039]本发明实施例中，建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据库，其中历史土地利用数据库包括一调、过渡时期、二调土地利用现状数据，支持shp文件、geodatabase地理数据模型等格式土地利用数据入库。年度变更调查数据库是二调以后年度变更调查增量包数据。
[0040]根据所述土地利用变更增量生成变更事件表和时态拓扑关系构建，实现时态拓扑关系的自动构建。所述生成变更事件表是创建变更事件表，并记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型、变更后要素实体的产生时间和变更前要素实体的消亡时间；时态拓扑关系构建是补全变更前要素实体的产生时间和变更后要素实体的消亡时间以及不变要素实体的生命周期。
[0041]本发明实施例根据变更事件表，对时态数据库中变更前后要素、基态要素的生命周期赋值，形成时态拓扑完整的土地利用时空数据库，如图2所示，将一调、过渡期进行的数据重建，建立重建数据子库，根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用数据库中的土地利用现状数据以及年度变更调查数据库提取土地利用变更增量数据，生成变更事件表，并将土地利用要素对象的变化视为“旧对象消亡和新对象产生”的过程，对于每一次实体对象的变化，其新旧对象的交替变化可基于事件逐一记入“历史要素数据集”中，而“现状要素数据集”则永远保存最新的空间状态，变更前后实体的父子关系、变更事件类型、时空拓扑关系保存在“变更事件表”中。其中，现状要素数据集记录某年度存在的要素实体，其中一部分为变更后的要素实体，另一部分为未发生变更的要素实体；历史要素数据集记录某年度变更前的要素实体。
[0042]由于一调、过渡期等历史土地利用数据库因数据获取、入库的标准与二调不同(属性字段、土地分类标准、最小上图面积)，造成未变更的同名实体(零星地物、线状地物、地类图斑)在数据内容(属性字段、土地分类标准)、空间位置和几何形状(数据采集获取技术方法、数据制图，如平滑、接边)、实体类型(入库标准不同造成，如点到面、线到面、面到面)等方面不一致。针对这种不一致，需要对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数据重建，建立重建前和重建后的要素实体关联关系，生成重建事件表。
[0043]本发明实施例根据Tl年、T2年(T1〈T2)相邻两年的土地利用现状数据进行同名实体匹配，在判别同名实体不一致类型基础上对要素实体的几何形态进行重建，将重建前后的要素实体保存到对应年重建前要素集、重建后要素集，生成要素重建记录号，保存重建记录号、重建前后要素标示码、重建类型、重建时间到重建事件表。将实体重建作为一次重建事件，在“重建事件表”中记录重建前后实体关联信息、重建时间、重建类型、重建记录号等相关信息，实现重建前一调、过渡期数据查询、存档，实现不同时期异构数据的一致化存储，为土地利用历史追溯、趋势分析提供可靠的数据基础。
[0044]如下表所示，表1为重建前后要素表、表2为重建事件表:
[0045]表1重建前后要素
【权利要求】
1.一种土地利用数据时态拓扑自动构建方法，其特征在于，包括以下步骤: 建立历史土地利用数据库和年度变更调查数据库，所述历史土地利用数据库包括一调、过渡期的土地利用数据库和二调的土地利用数据库； 对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数据重建； 根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状数据以及二调后年度变更调查数据库提取土地利用变更增量； 根据所述土地利用变更增量生成变更事件表，并记录变更前后要素实体父子继承关系、变更类型，对要素实体的产生时间和要素实体的消亡时间赋值，完成土地利用数据时态拓扑自动构建，形成时态拓扑完整的数据库。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述一调、过渡期的土地利用数据库中的土地利用现状数据进行数据重建，具体为:将一调、过渡期的土地利用数据中同名实体数据进行一致化重建。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状数据以及二调后年度变更调查数据库提取土地利用变更增量，具体包括: 对一调、过渡期重建后的土地利用现状数据和二调土地利用现状数据，采用基于序列快照数据提取增量方式获取土地利用变更增量； 基于年度变更调查数据库中的年度变更调查数据提取土地利用变更增量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于序列快照数据提取增量方式获取土地利用变更增量具体包括: 通过对相邻两年的土地利用现状数据进行空间叠置分析，生成要素变更文件；将所述要素变更文件和所述相邻两年的土地利用现状数据进行关系运算，进行土地利用变更增量数据的提取。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于年度变更调查数据库中的年度变更调查数据提取土地利用变更增量具体包括: 获取所述年度变更调查数据的更新过程文件；根据所述更新过程文件进行过渡期之后的土地利用变更增量数据的提取。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述土地利用变更增量数据的提取具体包括: 提取未变更要素实体，生成未变更要素集；提取属性变更要素实体和几何变更要素实体，生成变更前要素集和变更后要素集。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述土地利用变更增量生成变更事件表具体包括: 根据所述土地利用变更增量数据提取变更前要素集、变更后要素集和未变更要素集； 为所述变更前要素集中要素实体的消亡时间和所述变更后要素集中要素实体的产生时间进行记录； 根据所述土地利用变更增量数据提取变更前后要素实体父子继承关系； 根据所述变更前要素集、变更后要素集以及变更前后要素实体父子继承关系生成变更事件表。
【文档编号】G06Q50/02GK103914524SQ201410114566
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】郜允兵, 刘玉, 周艳兵, 唐秀美, 郝星耀, 潘瑜春, 高秉博, 张翼鹏, 李淑华, 任艳敏 申请人:北京农业信息技术研究中心