（精密仪器及机械专业论文）基于拓扑信息的矢量图形叠置方法研究及在土地调查中的应用.pdf

摘要 摘要 土地是人类生存、发展的基础，也是立国安邦的基本要素，查清土地资源状况，并做出科学评价， 具有十分重要的意义。准确的土地调查数据资料，是正确认识国情、国力的前提，也是制定科学的土地 政策，确保国民经济持续，协调发展和社会安定团结的重要基础。土地变更调查是国土资源管理工作的一 个重要方面，其数据为国土资源管理工作提供了重要基础和保障，也为中央制定有关重大政策和宏观调控 决策提供了科学依据，所以其真实性、准确性关系重大。g p s p d a 技术的出现，为土地变更调查工作提供 了一种全新的模式，但是g p 刚p d a 外业系统采集的变更数据需要经过编辑、叠置等处理后才能进入土地 利用数据库。为了保证调查数据科学，合理、准确地进入土地利用现状数据库，本文研究了矢量图形叠置 方法，通过引入拓扑信息，实现空间拓扑算子和矢量图形裁剪。并解决图形叠置后的数据不确定性问题， 利用空间拓扑算子实现g p s p d a 的多级显示功能。通过项冒实旌，这些技术在土地变更调查实际工作中 得到了大量应用。针对其中的关键技术，本文的研究工作如下； ( 1 ) 构建了基于点集拓扑学理论表述的矢量几何实体数据结构点不仅是空间对象的最基本构造单元， 同时还携带了描述空间对象间拓扑关系的信息，完全满足土地调查的需求。介绍了国际上开放式地理信息 系统o p e n g i s 规范对空间对象的描述，不同土地利用数据库中几何实体的表达方式不同，为了实现不同数 据库之问数据的互操作，依据o g c 规范中的开放式地理实体表达模型表述土地实体，解决不同土地利用 数据库之问的异构数据交换闯题。 ( 2 ) 针对点集拓扑学描述的几何实体与9 交模型和扩展9 交模型之间的联系，应用了l a b e l 的概念，表达 土地利用对象之间的空间拓扑关系，构建拓扑图，利用拓扑图中每个元素的l a b e l 计算扩展9 交模型矩阵 中每个元素的值，由于扩展9 交模型矩阵与几何体之间的拓扑关系具有紧密的联系，可以判断土地利用对 象之问的空间拓扑关系 ( 3 ) 应用基于l a b e l 的空间拓扑算子的实现方法，逐一求出叠置结果几何体，用不同的拓扑算子组合完成 矢量图形叠置选择参与叠置运算的两个几何体。构建拓扑图，计算每个参与叠置的元素的l a b e l ，利用交 算子求出两个儿 可体相交的部分，利用差算子计算两个几钙体扣除交集之外的邦分。以求i n t e r s e c t i o n 算子 为实例说明具体实现的方法和步骤，通过仿真试验验证了该方法的有效性。 ( 4 ) 研究利用矢量图形裁剪技术完成图形叠置的各种算法。分析了w e i l 盯- a t h e f t o n 算法，并指出其不足， 提出广义入点和广义出点的概念来改进算法，开发了应用程序验证算法的有效性；提出基于局部拓扑信息 的矢量图形裁剪算法，以二叉树的形式对连接于同一结点的弧段进行捧序；提出以分割弧段的形式完成图 形裁剪的算法；阐述利用建立缓冲区的方法完成线状地物变更的裁剪算法。 ( 5 ) g p s p d a 系统采集的数据经过图形叠置后，在进入土地利用数据库时存在空间数据的不确定性甸题， 对该问题进行数学建模，指出其叠置不确定性的数学原因；从计算机角度分析。数据在计算机中的表达有 精度限制，而且叠置过程中存在精度模型的设置。以及由精度模型设置带来的维度坍塌问题，这些因素都 会引起数据的不确定性可以透过提高精度模型和减小系统容差等办法解决数据入库时的不确定性问题 ( 6 ) 针对大数据量数据在嵌入式系统显示困难的问题，提出适用于g p s p d a 系统的基于空间拓扑算子的 地图自动综合方法。改进相接关系的空间拓扑算子，消除其局限性，完成几何体空间拓扑关系的判断，利 用和算子实现具有相接关系的几何体的合并，创建新比例尺的数据，实现根据实际调查情况，调入内存不 同比例尺数据，由远到近逐渐放大的多级显示功能，满足g p s p d a 的实际业务要求。 ( 7 ) 应用g p s p d a 土地调查技术在全国9 个省市实验区进行了变更调查、更新调查和扩展应用。从工作 效率、经济效益等方面，将g p s p d a 技术与传统方法进行了对比和分析；给出了各种图斑、线状地物变 更的典型案例实验与应用效果和对比分析结果表明：基于拓扑信息的矢量图形叠置技术作为g p s p d a 系统不可分割的一部分，能够有效提高土地调查的效率，缩短数据处理的时问。实现图形数据的准确变更， 保证变更数据科学、合理地进入土地利用数据库。 摘要 关键词 土地调查技术点集拓扑地理信息系统空问分析空间叠置矢量图形裁剪空间拓扑算子多比例尺 n a b s t r a c t ml 舡l d 蜘瓠哪腊i st h eb a s eo fh m s u r v i v a l 勰dd e v d o p m m t , a n dt h e = n t i a lf a c t o ro fs t a t e 疆h i f t a m m g m n c t t li ti sv c t yi m p o r t a n tt of i n dt h el a a d - u s t a t u sa n d e v a h l l r ei ts c i m t i f l c a l l y a c c u r a t ed a t ao l ll a n d m u - v c yi sn o to n l yp 嘲n i 8 eo fu n d e r s t a n d i n gt h es i t u a t i o ao fc m m u ya n dn a t i o n a lp o w e r , b u ta l s oi m p o r t a m f o u n d a t i o nf o r m a k i n gp o l i c ya a de m u r i n gt h en a t i o n a le c o n o m y d e v e l o p i n gs u s t a i n i n ga n dq m d d y , 觚de m m r m g s o c i a ls t a b u ；i ya n ds o l i d a r i t y l a n da l 蜘n g 删i s0 1 1 co f i m p o r t a ma 蝴f o rl 姐dr e 8 0 u g o c 8m g e m m t , 蛐di t sd a t ap r o v i d e 8n o t 劬t h eb a s i ca 1 毋聪m f o rl a n d 脚l 瀚m a n a g e = l u tb u ta l s ot h e i m t i f i cb a s i sf o r t h ec e a t r a lg o v e r n m c = tt om m c tp o l i c i e sa n dm a c r o - c o n t r o id e c i $ i o i 协s oi t bf a c i l i t i e sa n da c c u r a c ymv e r y i m p o r t a n l1 1 ”g p s p d at e c h n o l o g yo 脑s4n e wm o d ef o rl a n ds u r v e y b e c a u s et h ed a t ao l ，t a i n c di nt h ef i e l d s h o u l db ee d i t e da n d 弘执搿删b e f o r et h e y 眦i m p o r t e di nt h el a n d - m ed a 幽鼯，t h eo v e r l a y i n gt e c h n o l o g yf o r v e c t o r 鲫b a 8 e d t o p o l o # c a l i n f o r m a t i o ni ss t u d i e di n 岫p 叩口t o 棚艄t h ed a t ai m p o r t e di nt h ed a t a l s e s c i e n t i f i c a l l y , a c c u r a t e l ya n dr a t i o n a l l y t i l ea l g o r i t h m so fs p a t i a lt o p o l o g i c a lo p e r a t o ra n dg r a p hc l i p p i n g 批 r e a l i z e db yl o p o l o # c a li n f o r m a f i o o n 蝣q u e s t i o no fd a m c = t a i n t ya f t e ro w r l a y i n gi ss o l v e d1 1 ”m e t h o do f m u l f i m a l ed i s p l a yb a s e do ns p a t i a lt o p o l o g i c a lo l m a t o ri sr e a l i z e di nt h i s 弘l p d u et op r o j e c t 缸叫锄e n t a 6 ， t h c t tm e t h o d sa 聆a p p l i e di nl a n ds m v e y t h ec o n c r e t eo o n t c n t ai nt h ep a p e r 啪s m m n a t i z e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b u i l dt h eg e o m e c y sd a t a 鲥x u c t u r eb a s e do l lp o i n t - mt o p o l o g yt h c o r y , t h ep o i n tn o to n l yi st h ee l e m e n t a r y c e l lo f s p a t i a l o b j e c t , b u ta l s oc a l r i e so u ta l o t o f s p a t i a l t o p o l o g i c a l i n f o r m a f i o f g e o m e t r i e s 1 1 l er e q u i r e m e n t s o f l a n ds u r v e ya r es 鲥s 丘e dw i t hi t t h ec r i t e r i o n so f i n t e r n a t i o n a lo p e ng i so 咖舶毗i 瑚a l ei n t r o d u c e dt oa 【p 瞄s t h es p a t i a l 喇e c 拇t h ep r o b l e mo f i n t e r - o p e r a t i o no f d a t ai nd i f f e r e n tl a n d - u s ed a t a b a s ei ss o l v e d ( 2 ) a n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb 竹w c c nt h eg e o m e t r i e sd e s c r i b e db yp o i n t - s e tt h e o r ya n dt h e9 - i n t e r s e c t i o nm o d e l ， d i m e n s i o n a l l ye x t e n d e d9 - i n t e r s e c t i o nm o d e l t h ec o n c e p to fl a b e li sp u tf o r w a r da n d u s e dt oc x p l e t h es p a t i a l t o p o l o g i c a li n f o r m a t i o na m o n gg e o m e t r i e sa n dc o m p u t et h e v a l u eo f d i m e n s i o n a l l ye x t e n d e d9 - i n t e r s e c t i o nm o d e l f o rt h ec o m p a c tr e l a t i o n sb t w o c l ls p a t i a lt o p o l o g i c a lr e l a t i o n sa n dd i m e a s i o n a l l ye x t e n d e d9 - i n t c r s 硎o nm o d e l ， t h es p a t i a lt o p o l o g i c a lr e l a t i o n sa r e j u d g e db yd i m e n s i o n a l l ye x t e n d e d9 - i n t e m 蜘mm o d e lc o m p u t e d ( 3 ) 1 ka l g o r i t h mo fs p a t i a lt o p o l o g i c a lo l t r a t o t l $ b a s e do i ll a b e li sp u tf o r t ht os o l v et h ep r o b l e mo fg r a p h o v e r h y i a g t h cc o n s u l t a n tg e o m e t r i e s8 r eo b t a i n e do b eb yo n ei n t h i sa l g o r i t h m t h et w og e o m e u i e sc o m p e t e d ms e l e c t e da n dt h e i rl a b e l s 蛳c a l c u l a t e d , a n dt h et o p o l o g yg r a p hi sb u i l t 1 1 艟i n t e r s e c t i o no f t w og e o m e t r i e si l o b t a i n e dw i t hi n t e r s e c t i o no p e r a t o r , a a dr e s u l l a n tg e o m e 缸yj 3o b t a i n e d - _ 0 i t hd i f f e r e n c eo i x 抽鼓t h ec o n e l e t e s t e p so fi m p l e m e n t a t i o nmp r e s e n tw i t ht h ea c t u a le x a m p l eo fi n t m s e c t i o no p e r a t o r 1 1 r e s u l t so f 蛐a n d a p p f i c a t i o ns h o wt h i sa l g o r i t h m i se f f e c t i v e ( 4 ) r e s e a r c ht h eo v 曲y i n gb a s e do d 酣c l i p p i n gm e t h o d s 。s t u d yt h ew e i l e - a t h c r t o aa l g o r i t h ma n dp o i = o u t i 姆s h o r t c o m i n g s n eo o a c q mo f b r o a d 扰n i n - p o i n tz a dm - p o i a t 躺a d v a n c e dt o 如l p 帕v et h ew e i l e r - a t h e t _ t o n a l g o r i t h m ，a n dt h ea p p l i e dp r o g r a mi sd e v e l o p e dt ov = l i d a t = i t 硼 g r a p h i cc l i p p i n ga r i t h m z t i cb a s e do t tl o g i c a l t o p o l o 酗li n f o r m a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d m t h a tmj o i 删i nm e 髓蛳n o d e 躺o r d e r e db ym ( i go f b i 船n g 仃e e ，a n dt h em i n i m a lp o l y g o n s 哪础b yt h er i g h t q i 】衄o f 蝴a na r i o n n e f i c 山砒f i n i s h g r a p h i c d i p p i n g b y t h e l i n e s t z i n g s i sa d v a n c e d t h e b u f f e r c i i p p i n g a r i t h m e t i c i s p u t f o r w a r d t os o l v e t h e a l t e r a t i o n o f l i n eo h j e t = 【5 ) m a k i n gm o d e l sf o rt h ep r o b l e m o f u n c e r t a i nd a t at h a ti sp l d c 魅s e da f t e ro v e r l a y i n gi nl a n dm w v e y c a e s ma t e g i v e ao l lt h es o f m a t h e m a t i c sla tt h es 蛐et i m e , o 1t h e 啪o f c o m p u t e r , t h ef o r m a to f d a t ad c f i p 6 j n c o m p u t e r , t h es e to f p r e c i s i o nm o d a la n dt h ed i m e m i o n a lc o l l a p s ea l lw i l ll e a dt od a t au n c e r t a i n t y t h cs o l u t i o n s o fi m p r o v i n gp r e c i s i o nm o d e la n dd e c r e a s i n gt o l e r a n c ea r eb r o u g h tf o r w m dt os o l v et h ep r o b l e mo fd a t a u n c e r t a i n t y ( 6 ) a 蜊a l g o r i t h mo fa u t o m a t i cm a pg e n e r a t i o nb a s e do i ls p a t i a lt o p o l o g i c a lo p e r a t o rj 3p r e s e n tt os o l v et h e m q u e s t i o no fd i s # a y i n gd i f f i c u l t l yf o ral a r g en u m b e ro fd a t ai n t h ee r a b e d d e ds y s t e m t h es p a t i a lt o p o l o g i c a l r e l a t i o n s 锄b e d i s t i n g u i s h e d b y i m p r o v i n g t o u c h o p e r a t o r , t h e a d j s c e n t g e o m e t r i e sa l e m e r g e d i n t o o n e b y u n i o n o p e r a t o ri nt h i sa l g o r i t h m t h ed a t ao fd i f f e r e n ts c a l ei si 珥，i i tm e n n o r ya c c o r d i n gt oa c t u a lr e q u i r e m e n t m u l t i - s c a l ed i s p l a yi sr e a l i z e di ne m b e d d e ds y s t e ma n dt h er e q u i r e m c m t so fl a n ds u r v e ya r es a 血f i e dw i t ht h i s m e t h o d t h et e s t sa n da p p l i c a t i o n so f g p s p d at e c h n o l o g yi n v o l v el a n da l t e r i n g 锄r v e y ，l a n du p d a t i n g 硼r v o t h e r e x t e n s i v es p p h c a t i o mi n9p m v i n c e sa l lo v a t h ec o u n u y t h e 姊i c a l 瓣i nu s i n gn e wt e c h n i q u e sm e n u m e r a t e d , s u c h 越l i n e f e a t t w ea l t e r a t i o n , p a r c e lu p d a t i n g , a n ds oo n a c c o r d i n gt o h ep l e n t e o u sd a t af i u m d e m o n s t r a t i o nd i s t r i c t , c o m p a | s o na n dn a l y s i s , m et e c h n o l o g yo fg r a p ho v e r l a y i n gb a s e d0 1 1t o p o l o g i c a l i n f o r m a t i o nh a s 曩e x c e l l e n t 讲瓢= i j c 曲i i i 吼f a v o r a b l eb e n e f i t sa n d8 0o i lt h ea l t e r i n gd a t ac a nb eh n p o r t e di n h l d - 4 1 s c d a t a b a s es c i e n t i f i c a l l y , a c c u r a t e l y a n d r a t i o n a l l y b y g r a p h o v e r l a y i n g t e c h n o l o g y k e yw o r d s ： i 衄ds u r v e yt e c h n o l o g y , p o i n t - s e tt o p o l o 积g i s ，印a 衄a n a l y s l p a t i a lo v e d a y i n g ；f 枇d i p p i n g , 印喇 t o p o l o g i c a lo p e r a t o r , m u l t i - s c a l e i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果。也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理 研究生签名：鲤遵= i 主： 导师签名： 中 o 、- ) 心 日期： 东南大学博士论文 1 1 引言 第一章绪论 中央提出到2 0 2 0 年在中国建成和谐社会，也就是要把我国建设成为富强，民主、文明，和谐的社 会主义现代化国家，这是一个伟大的奋斗目标，同时也告知世人，我们需要在余下的不到1 4 年的时间 里解决那些影响社会发展的不和谐问题而土地问题就是这些不和谐问题中首当其冲需要解决的问 题土地资源作为自然社会的综合体【l j ，由于其在整个地球系统特别是陆地表层系统中占据的特殊位置， 不论是在以农业耕作为基本产业的农业社会。还是在数字化信息化渗透到社会各个方面的今天，均成为人 类研究关注的对象不同时期的人类社会对土地利用，土地覆盖关注的角度是不同的如在农业社会中人 类更多地从食品和粮食生产的角度对土地利用进行考虑 而在工业化社会，人类更多地关心土地利用在工 业生产环节中原材料供应的作用：而在全球环境问题日益严重的今天，全球变化研究成为人类关注的焦点， 人类己从更多关注大气、海洋在全球变化中的作用，转而重视对土地利用在全球变化中作用的研究【2 j 人 类对土地利用的认识、研究与人类社会所处的发展阶段相适应，随着技术的不断进步，特别是计算机、数 据库、遥感和地理信息系统技术的发展，使得人类社会对土地利用研究进入了全数字化的阶段1 3 x 4 。随着 对土地利用数据需求的进一步增加。无论是政府决策部门、商业机构还是科学研究活动，对土地利用数据 获取的时间周期以及获取的空间详细程度都表现出越来越高的要求全面、准确的土地利用现状数据是规 划修编的重要基础，是科学制定规划的前提和依据国家需要及时准确地掌握土地利用变化的格局，掌握 第一手的土地利用现势资料，尤其是土地变更资料，才能切实保护好耕地，节约和集约利用土地，制定新 一轮土地利用总体规划和国民经济宏观调控政策。针对这种情况，国土资源部明确提出并全面部署了“科 技兴地”的战略，把科学技术摆在了国土资源工作全局的优先位置 要保持土地资源利用状况资料的现势性和准确性，就需要实时地对地利用状况进行调查，而我国的 基层土地管理所是我国土地调查的哨兵，结合我国的国情，我们有必要利用现代的技术研制一种简单、方 便、快捷、经济的土地利用变更调查数据采集、管理系统。 随着g p s 接收机和个人数字处理等技术的发展，使得g i s 信息能够以数字地图格式存储在移动设备 中，形成嵌入式g i s 。嵌入式g i s 能够把复杂的地理信息变成能够充分利用的信息。正是由于嵌入式g i $ 的诸多优点，使得它能够广泛应用于资源调查、野外巡视等相关领域中，尤其在国土资源调查中，嵌入式 g i s 的出现为土地调查工作人员提供了新的调查方式，野外采集的数据不再借助于纸制的图纸，从而节省 了大量的人力和物力，提高了调查的工作效率。 1 2 国外空间叠置技术的发展现状 从学科属性的角度看，地理信息系统( g 塔) 主要是研究现实世界空间实体及其相互间关系的描述和表达 在计算机环境下的空间数据组织、存取、分析、可视化，应用系统的设计、数据集成和业务化运作等。在 过去的二十年里，国内外g i s 的发展都主要是靠。应用驱动”和。技术导引”的。为了给g i s 应用与产业化 发展提供更多的理论支持，近些年来国际学术界加强了对g i s 基础理论问题的研究，研究重点包括空间关 系、空问数据模型、空间认知、空间推理、地理信息机理( 产生、施效和人机作用等) 、空间信息不确定性 等空间关系是指地理实体之间存在的一些具有空问特性的关系，如拓扑关系、顺序关系等，是空间数据 组织、查询、分析、推理的基础。要同时考虑空间实体位置信息和空间关系的表达与处理问题。既是g i s 区 别于c a d 等计算机图形处理系统之处，也是g i s 空间数据组织与处理的复杂性和难度所在由于空间关系 理论及其研究直接影响着g i s 系统的设计、开发和应用，因而受到了国际g i s 及相关学术界的高度重视。美 国国家自然科学基金会自1 9 8 8 年起就资助美国国家地理信息与分析中心( n o g 认) 开展了定性空间关系描 述方法( f o r m a l i s md e v e l o p e d 自 d e s c r i b i n gq u a l i t a t i v es p a d a lm a 虹回、自然语言中空间关系的理解 i 基于拓扑信息的矢量图形叠置方法研究及在土地调查中的应用 ( u n d e r s t a n d i n g o f s p a t i a l r e l a t i o n s u s e d i n n a t u r a l l a n g u a g e ) 、时空推理( s p a t i a la n d t e m p o r a l r e a s o n i n g ) 、空间知 识表达和处理的限制性( s p a t i a lc o n s t r a i n t sf o rs p a t i a lk n o w l e d g er e l x v s e at a f i o na n dp r o c e s s i n g ) 等研究； 美国 u c g i s 在1 9 9 8 年把空间分析列为当前g i s 界十大重点问题之一等。国际一些高层次g i s 学术会议也将空间关 系作为重要议题，如两年一度的s d h ( s p a t i a l d a t am u n d i i n g ) 、国际s s d ( s y m p o s i u ma d v a n c e si ns 呻6 a l d a t a b a s e s ) 和c o s l t ( c o n f e r e n c es p a t i a li n f o r m a t i o nt h e o r y ) 会议、国际摄影测量与遥感学会有关会议、 a s p r s a c s m 会议等。近年来。有关拓扑关系形式化理论方面的研究论文大量涌现在制图和计算机科学 的国际学术讨论会以及地理信息科学、模式识别与人工智能、信息系统等国际专业学术期刊上，取得的进 展主要体现在拓扑关系形式化描述的方法、模型以及基于拓扑关系的空间查询、分析与推理等方面。拓扑 关系表达的是地理实体间的一种定性关系，并具有在拓扑变换下保持不变的特性。在二维矢量表达中，空 阃实体被抽象为点、线和面三种类型根据对空间矢量数据的组织与存贮方式，以及是否在数据结构中建 立拓扑关系，矢量表达又分为没有顾及拓扑的表达和拓扑表达，前者有s p a g e h e t t i 模型，后者已在当前大部 分软件中采用r h m d 等人将拓扑表达细分为简单的拓扑表达、直接的拓扑表达和层次索引拓扑关系表达 矢量表达的突出优点是能方便描述空间实体问的拓扑关系，图形精度高、数据存贮量小、容易实现坐标变 换和距离计算等操作，尤其对需要拓扑信息的空间处理和分析非常有效在现有的众多研究中，拓扑关系 的建模方法主要可以归纳为两类即：基于目标分解的方法和基于目标整体的方法。 叠置分析作为g i s 用户经常用以提取数据的手段，在国际上已经得到了很大的发展。一般情况下，为 了便于管理和应用开发地理信息( 空间信息和属性信息) ，在建库时国外的大多g i s 数据库软件都进行了 分层处理，根据不同的需要对两层或多层数据进行叠置处理。产生具有新特征的数据层，如气象云图的分 析，预报天气等当前国际上主流的g i s 平台都有这样的功能，如a r c g i s 、m a p l n f o 等为了实现不同 g 珞数据库之间的互操作，国际上的开放式地理信息组织o g r 提出了s f s 规则( s i m p l ef e a t u r e s p e c i f i c a t i o n ) 。统一接口，只要各数据库遵守这种s f s 数据表达规范，就可以进行互操作s f s 的源码文 挡j t s 给出了s is 对各种元素的表达及操作，如构建拓扑图的操作、求取扩展9 交模型的操作等等为了 实现叠置操作，还有很多学者研究了矢量图形裁剪算法，如w e i l e r 、l i a n g - b a r s k y 、f o l e y s u t h e t t a n d 算法 等。但是无论如何，这些技术都是作为g i s 的一个功能予以具体实现，如l i a n g - b a r s k y 算法就是基于窗口 的裁剪技术，这个窗口可以是长方形、正方形，在土地调查中，这具有太大的局限性，只有实现任意形状 的窗口裁剪才具有意义，所以对矢量图形叠置分析应用于土地调查，应该把理论结合业务的实际需求，才 能在实际中提高工作效率。 1 3 国内空间叠置技术的发展现状 我国的g i s 数据库建设起步较晚，在上个世纪9 0 年代才逐渐引入，直到现在为止还有相当大一部分 地区国土部门尚未建立土地利用数据库对g i s 的空间分析功能，基本都是在国外研究的基础上进行，应 用上基本是引用国外的模块，严重制约了我国空间分析技术的发展。土地信息系统数据库是一个动态的数 据库它通常是定期地或不定期地变更土地利用状况数据，土地利用数据的动态更新是数据库建设的延续 是一件十分严肃细致的工作，技术要求高。特别是空间叠置处理，它关系到地区土地利用状况的面积大小 也就影响这变更数据的真实性和准确性，即使外业数据采集情况再真实，而在空间叠置处理时出现了问题， 数据一样不可信我国国土管理部门土地利用数据库的建设情况各地不一致，经济发达的地区很多是购买 国外的数据库平台，请专门的公司或者测绘队伍进行土地调查，而经济较落后的地区由于没有建成土地利 用数据库，主要还是以手动变更为主，在土地利用现状图上勾画。矢量系统的叠置分析比栅格系统要复杂 的多。在拓扑叠置之前，每一层必须要建立完整的拓扑关系，那么当两层数据叠加时，必然产生新的拓扑 关系如当两线交叉时，要计算新的交点，一条线穿过某一区域时，必然产生两个子区域。空间叠置能够 把输入特征的属性合并到一起，实现特征属性在空间上的连接，叠置时，新的组合图的关系将被更新。业 界对这方面技术的研究也不多，所以当前实际情况是国产的很多数据库，都是根据各自的业务需求，在国 外的g i s 平台上作二次开发，主流的功能基本都依赖于国外的g i s 。而国产的g 璐平台，以最有代表性的 m a l g i s 系统来说，在与变更调查业务紧密相连的空问叠置功能上基本是采用人机交互，手动干预，虽然 2 东南大学博士论文 也提供了自动变更的功能，但是该功能实现的准确率很低，很多情况下都不能进行正确处理。 1 4 我国土地调查技术的发展趋势 近年来，随着g p s 、g i s 、p d a 技术的发展，嵌入式g i s 越来越显示出它的优越性，体积小，重量轻、 携带方便，非常适于野外调查 g p s 、g i s 与p d a 技术相结合，形成嵌入式g i s 是科学发展到一定程度土地变更调查的必然选择 ( 1 ) g p s 技术应用于土地变更调查 g p s 测量相对于传统的测量方法有如下的优点：观测简便，由于卫星定位系统观测无须相关观测点 在光学上通视，布点极其灵活，还可实行无人值守的自动数据采集，尤其适用于农村的土地利用变更调查 的作业环境； 空间定位精度好，基于载波相位技术，已能完全满足土地调查数据采集的精度要求，不需 传统测量那么多的控制点，这样可以大幅度地限制起始数据的误差和该误差的传递与积累的影响；经济 效益高，即使接收载波相位观测值的g p s 接收机相对传统的测量要节省大量的外业费用，如果能采用伪距 观测值达到精度技术要求，其接收机费用能在载波相位接收机的基础上大幅度的下降，其经济效益是不言 而喻的；在农村开展土地利用变更调查，经常是日常，零星的土地调查，原有的控制点的密度小及控制 点保存的完好性相对较差，而g p s 测量不需要太多的控制点所有的这些优点是土地利用变更调查的外业 数据采集工作开创了新的纪元l “ ( 2 ) g i s 技术应用于土地变更调查 随着g i s 技术的成熟和发展八十年代末，九十年代初基于不同g i s 平台的各种类型和不同尺度的土 地利用数据库建设相继启动经过十几年的努力，对土地利用空间和属性数据描述、分析和表达输出的土 地利用数据库建设已经成为土地资源基础数据库的重要组成部分，成为各级政府对土地资源保护、合理开 发利用和科学管理倍加关注的基础工作。在土地变更调查工作中，无论外业以何种形式采集数据，最终这 些变更数据都要进入数据库完成土地利用数据库的更新，保证土地利用数据库的现势性。 j ( 3 ) p d a 技术应用于土地变更调查 随着臌术的发展，计算机小型化、集成化的趋势，掌上电脑p d a 就应运而生并迅速应用到人们的日 常生活中逐步应用于测量、调查等相关行业。这为土地利用变更调查现场实时采集、存储g p s 数据、记录 调查的各种地类、属性信息提供了很好的平台由于土地利用变更调查的外业数据采集工作必须在野外进 行，这就要求p d a 不仅具有抗高低温、抗震、防潮、防水等各项功能，而目p d a 的显示屏还应在阴天、在 强阳光照射下仍能清晰显示这样的p d 丸才能满足野外数据采集的需要【l i i 。 总之，根据土地管理的各种需要，从经济、精度、便捷等诸多方面考虑采用g p s + g i s + p d a 的土地利 用变更调查外业数据采集模式是一个理想的选择，并将对土地利用现状调查尤其是土地利用变更调查工作 产生深远的影响 1 5 基于g p s g i s p d a 技术的土地变更调查研究的意义 1 5 1 传统的土地调查变更方法 传统的调查方法主要采用手工操作目前县级1 ：l 万土地变更调查仍然是在1 ：l 万土地现状图上进行“直 接外业调绘”，由基层土地管理人员根据辖区内土地利用的变化情况，结合变更调查对图斑大小的要求判 定变更对象，确定其位置和范围，然后到县级土地管理部门提取相应图件，并进行室内判读，选择路线和 站立点，最后到野外调绘。对于形状规则的变更图斑，附近易找到明显地物点的，直接采用距离交汇法、 截距法、直角或极坐标法等进行补测；对于形状不规则变更图斑，附近易找到明显地物的，采用常规测量 仪器进行补测，将变更图斑直接补测到变更调查基础图件上当图斑变化范围较大或周围明显地物控制点 不足时，需布设导线控制点。室内用求积仪法、方格法量算面积。该方法主要缺点是：地面明显地物点难找、 3 基于拓扑信息的矢量图形叠置方法研究及在土地调查中的应用 也找不准，外业工作量大、效率低，面积量算误差较大【1 2 】1 1 3 】 1 5 2 基于g p s g i s p d a 技术的土地变更调查方法 基于g p s g i s p d a 技术支持的土地利用现状变更调查是以遥感技术和已有土地利用现状数据库或土 地利用现状图为基础，利用计算机自动发现变化信息或人机交互解译提取土地利用变化信息；对于内业无 法正确解译的变化信息，外业调查在g p s 技术引导和准确定位下，确认变化图斑的类型、面积、范围和权 属界限，核实行政境界变化范围，完成对变化的线状地物宽度和零星她物( 包括遗漏的小图斑) 的量测；内 业在地面调查的基础上，利用g i s 空间分析技术与数字化环境，在多源信息的支持下，实现对土地利用数 据库和基础图件的数字化更新1 1 】，生成变更记录表和各种变更图件全部调查过程实现电子化、数字化， 提高了调查数据的准确性和现势性，提高了土地变更调查的效率 1 5 3 本课题研究的意义 本文主要研究在土地变更调查外业数据采集结束之后，对g p s p d a 采集数据进行处理，使之能够快 速、科学、合理进入土地利用数据库，高效更新土地利用数据库，提高土地变更调查的效率。 基于g p s g i s p d a 技术的土地利用现状变更调查方法是结合国土资源部新一轮国土资源大调查中。土 地利用基础图件与数据更新”项目的实旅，采用新技术、新方法全面查清县域范围内的土地利用类型、数 量、分布和现状，更新土地利用基础图件和数据，傲到图，数、实地三者相一致土地变更调查业务迫切 需要探索使用新技术、新方法、新机制，加快土地利用调查速度，减轻调查强度，保持土地利用基础图件 与数据现势性从学科发展的角度讲，通过我国的第一次土地详查，形成了严格的土地分类体系( 包括含义 和图例) 和完整的土地调查程序、调查方法，以及面积量算方法，促进了土地调查学的形成。本文基于 g p s g i s p d a 技术的研究促进了土地调查学的发展，提高了土地调查的技术水平，而且推动了土地科学的 进步 1 6 本文研究的内容及主要解决的问题 在土地变更调查工作中，数据的快速、准确变更是非常重要的而通常的g p s p d a 系统都只是采集外 业变更数据，回到内业后导入土地利用数据库，由内业数据处理人员进行数据处理，更新数据库。但是大 多数土地利用数据库在进行图形变更时，都需要手动干预，无法进行准确的自动