专利名称：一种土地利用空间规划预测与模拟空间尺度转换方法
技术领域：
本发明属于土地利用决策相关的地理信息技术领域，主要针对土地利用空间规划预测与模拟中的尺度问题，建立了高精度空间尺度转换方法，主要应用于国土资源管理规划、城市规划相关的土地利用决策以及全球气候变化国际间谈判土地利用变化影响评估领域。
背景技术：
土地是人类生产与生活的场所，十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地是我国的基本国策。土地利用变化一定程度上也是影响全球气候、生态系统、经济利益和人类健康的一个重要因素。土地利用规划是指导土地合理开发利用，促进土地节约集约利用的重要手段。土地利用空间规划预测与模拟在指导土地利用科学规划以及评估带来的区域气候、生态环境影响具有决定性意义；当前发展了一系列代表性的模型包括系统动力学模型(System Dynamics，SD 模型)、CA (Cellular Automata)模型和 Agent-based 模型。随着多时相、多分辨率的遥感数据和模型在土地利用监测、评价与预测中的不断应用，土地利用空间预测与模拟的空间尺度问题解决越来越受到重视。土地利用空间预测与模拟在2个方面具有广泛的应用，一方面是在土地利用、城市规划与优化决策中，一般以小尺度范围为主；另一方面是在全球气候变化国际决策谈判中土地利用变化对其影响的评估，主要以大尺度或国家范围为主。在国土资源管理部门土地利用规划以及城市规划部门城市优化布局中经常开展土地利用空间预测与模拟作为决策依据。中国科学院基于Landsat TM遥感影像开展了每隔5年中国土地利用/覆盖空间规划数据的数字化解译工作，并开展未来情景模拟，指导土地利用宏观决策。为了支持全球气候变化国际谈判与外交，国家科技部设立“973”项目，开展大尺度土地利用变化对区域气候影响评估，现有的区域气候模型以30-60km分辨率为主，而土地利用模型主要以更小的分辨率为主，在上述应用各种应用中均存在一个重要的问题-空间尺度转换问题。土地利用空间信息一般来源于矢量数据与栅格数据2种类型，在土地利用空间预测与模拟中通过存在矢量到栅格数据的转化，或栅格不同空间分辨率之间的转换。土地利用空间预测与模拟模型空间尺度的选择通常是任意的、主观的，或是基于学科惯例的，一般直接进行转换，不论在面积精度上还是空间格局上存在很大的差别。而在当前的土地利用空间预测与模拟中经常使用规则的栅格表征所有的数据和过程，其分辨率是由测量或观测技术决定，受观测方法、数据分析能力和成本的限制，观测的范围和分辨率在大多数情况下是联系在一起的。而目前土地利用空间预测与模拟模型主要应用栅格数据结构，栅格的大小的选择一般由区域范围以及应用需求决定，栅格单元越小，相对模拟的精度越高。但是， 模拟所需要机器的效率越低、花费时间越多，而且从矢量到栅格数据转换造成精度损失。本发明的目的解决土地利用空间预测与模拟中的空间尺度转换问题，减少尺度转换中的精度损失，从而使土地利用空间预测与模拟更逼近于真实分布情况。
发明内容
一种土地利用空间规划预测与模拟空间尺度转换方法，包括以下步骤(1) 土地利用类型现状数据或动态变化数据进行矢量到栅格成份比例数据的自动化转换；(1. a)制作区域范围内的可变像元地理空间网格；(1. b)将基于遥感数据获取的土地利用现状或变化信息逐类别进行空间叠置分析；(1. C)统计每个地理网格单元内各土地利用类型的面积，并进行汇总求和；(l.d)将各网格单元内各土地利用类型的面积，赋予该网格单元，并将土地利用空间数据对每一种土地利用类型在ArcGIS Workstation软件进行矢量到栅格数据的转换 (2)各亚区(网格或行政单元)内不同土地利用现状或动态变化面积统计分析；(2)各亚区内不同土地利用现状或动态变化面积统计分析；(a)根据实际应用需求以及要求满足的精度，设定亚区网格单元或行政单元(如 IOOmX IOOm栅格中的100X100窗口，或全国范围内的省域)的范围大小；(b)统计各亚区内不同土地利用类型所占的面积，并折算成相应的栅格单元个数；(3) 土地利用现状或动态空间数据的空间尺度转换与空间配置；(a)在GIS软件支持下，进行各类土地利用类型的尺度转换将(如可以将 IOOmX IOOm升尺度到IkmX Ikm)，获取空间网格上面积最大值；(b)根据步骤2(a)亚区范围控制，计算各亚区各类土地利用面积的阈值范围，取其大于阈值范围进行各类土地利用类型的空间配置。本项发明与现有技术相比具有先进性，解决在国土资源管理规划、城市规划方面的应用实践问题，极大地优化了模型的模拟结果、从而提供其模拟结果的应用价值。
图1为土地利用空间规划预测与模拟空间尺度转换流程图；图2为土地利用空间预测与模拟的尺度特征示意图，图2(a)为基于此方法转换成的250米面积成分栅格数据；图2(b)为基于此方法转换成的Ikm面积成分栅格数据；图 2(c)为基于此方法转换成的IOkm面积成分栅格数据；图2(d)为基于此方法转换成的30km 面积成分栅格数据)；图3为不同空间尺度转换方式产生的土地利用模拟结果差异比较图。
具体实施例方式土地利用空间规划预测与模拟空间尺度转换方法是以服务国土资源管理、城市规划、地理信息工程以及土地利用决策、全球气候谈判中气候变化影响评估方面为目标，全面整合矢量与栅格的转换及栅格与栅格尺度转换成果，提高数据使用精度，实用性与科学性紧密结合，同时节省大量数据操作过程时间，为数据转换精度与效率提供保障。精准的地理数据是定量化描述和研究问题的基础，数据的可靠性与获取数据质量直接影响表征与分析事物结果。土地利用矢量数据结构复杂，数据交换困难，表达空间变化性能较差，为了满足实际需求，针对栅格数据结构简单、易数据交换、能有效表达空间叠置分析与模型模拟应用等特性，结合图1，采用本发明内容的3项指标，在得到土地利用空间矢量数据的同时，获取数据制作范围左下角、左上角和右上角、右下角坐标信息，并生成范围内地理网格，采用ArcGIS Workstation AML语言，实现过程主要通过在建立网格文件的同时，以左下角、左上角和右上角坐标信息为控制范围，设定网格大小，进而生成在特定范围内的地理网格。生成地理网格后，土地利用空间矢量数据每一种地类与范围内的地理网格通过空间叠值分析(Overlay)处理，土地利用空间矢量数据单一地类继承与之叠加的地理网格ID码，并重新计算面积(Calculate Geometry)，以网格-ID为统计单元，导出面积报表 (*. dbf)，将导出的面积报表(*. dbf)与地理网格基于ARCGIS平台以属性连接(Jion)功能挂接方式实现面积报表(*. dbf)中ID码的面积赋给地理网格数据，通过矢量转栅格功能以赋值后的面积属性为选择字段转成栅格面积成分数据。不同尺度栅格面积成分数据满足不同的模式，为了减少工作量和避免多次数据处理精度削减，数据空间尺度转换方法能填补许多空白。土地利用空间规划预测与模拟空间尺度转换方法是基于数据加权平均原理。在尺度转换前，首先统计各亚区内不同土地利用类型所占的面积，并折算成相应的栅格单元个数，进而统计各亚区各类土地利用面积的阈值范围，取其大于阈值范围进行各类土地利用类型的空间配置。基于多年对土地利用空间规划预测与模拟空间尺度转换的研究，以京津唐为例 (图幻，采用2008年矢量数据生成250米栅格面积成分数据，利用此方法衍生1km、IOkm及 30km数据，快速实现不同尺度下的京津唐建设用地分布的可视化，为不同模式的研究提供保障。为了证实此方法的创新性与不同尺度数据获取的精度可靠性，以京津唐2008年建设用地矢量数据为数据依托，在生成不同尺度的栅格面积成分数据的同时(图2)，采用较为常用的矢量转栅格“零一值”转换方法，直接将矢量数据转换在不同尺度下。结合图3， (al)、(a2)分别是依据此方法转换的250米栅格面积成分数据和矢量数据直接转换的250 米栅格数据；(bl)和( )分别是依据此方法转换的Ikm栅格面积成分数据和矢量数据直接转换的Ikm米栅格数据；(cl)和(W)分别是依据此方法转换的IOkm栅格面积成分数据和矢量数据直接转换的IOkm米栅格数据；(dl)和(业)分别是依据此方法转换的30km栅格面积成分数据和矢量数据直接转换的30km米栅格数据。对两种方法获取的数据进行面积统计，如表1所示。表1 土地利用空间数据转换以及面积精度
权利要求
1.一种土地利用空间规划预测与模拟空间尺度转换方法，其特征在于包括以下步骤(1)土地利用类型现状数据或动态变化数据进行矢量到栅格成份比例数据的自动化转换；(l.a)制作区域范围内的可变像元地理空间网格；(l.b)将基于遥感数据获取的土地利用现状或变化信息逐类别进行空间叠置分析； (l.c)统计每个地理网格单元内各土地利用类型的面积，并进行汇总求和； (1. d)将各网格单元内各土地利用类型的面积，赋予该网格单元，并将土地利用空间数据对每一种土地利用类型在ArcGIS Workstation软件进行矢量到栅格数据的；(2)各亚区内不同土地利用现状或动态变化面积统计分析；(2. a)根据实际应用需求以及要求满足的精度，设定亚区网格单元或行政单元的范围大小；(2.b)统计各亚区内不同土地利用类型所占的面积，并折算成相应的栅格单元个数；(3)土地利用现状或动态空间数据的空间尺度转换与空间配置；(3. a)进行各类土地利用类型的尺度转换，获取空间网格上面积最大值； (3.b)根据步骤(2. a)设定的亚区网格单元或行政单元的范围大小，计算各亚区各类土地利用面积的阈值范围，取其大于阈值范围进行各类土地利用类型的空间配置。
2.根据权利要求1所述的一种土地利用空间规划预测与模拟空间尺度转换方法，所述步骤(1) 土地利用类型现状或动态变化数据进行矢量到栅格成份比例数据的自动化转换， 其过程以ArcGIS Workstation为操作平台，利用AML宏语言形式统计每一种土地利用类型的面积。
全文摘要
本发明以土地利用矢量或栅格空间数据为基础，针对土地利用数据矢量到栅格或不同分辨率栅格之间尺度转换的面积精度损失以及空间布局不守恒问题，实现了一种面向亚区面积守恒的土地利用空间尺度转换方法，具体包括将土地利用类型现状或动态变化数据进行矢量到栅格成份比例数据的自动化转换；各亚区内不同土地利用现状或动态变化面积统计分析；土地利用现状或动态空间数据的多尺度网格转换；土地利用空间预测与模拟亚区面积守恒控制与空间配置方法。本发明在国土资源管理、城市规划、地理信息工程以及土地利用决策、全球气候谈判中气候变化影响评估方面具有广泛的应用价值。本发明对消减土地利用空间预测与模拟的不确定性具有重要作用。
文档编号G06Q50/00GK102402728SQ20111037673
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者刘纪远, 匡文慧, 迟文峰 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所