土地利用图综合质量评价研究
2015-06-07王晓妍，裴欢，侯春良,郭庆胜
王 晓 妍，裴 欢，侯 春 良,郭 庆 胜
(1.燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；3.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079)
土地利用图综合质量评价研究
王 晓 妍1，裴 欢1，侯 春 良1,郭 庆 胜2,3
(1.燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；3.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079)
土地利用图作为一种典型的专题地图，在空间上具有全覆盖、无重叠、无缝隙的特征，在语义上具有类型的层次化划分特征，评价土地利用图综合后的质量对提高土地利用数据的现势性和可用性具有重要意义。首先，基于地图综合约束，选择几何、拓扑、结构和格式塔4种约束，确定单个目标、两个目标及多个目标的质量评价指标；然后，采用模糊综合评价的方法，确定评价指标的等级和权重集，建立模糊评价矩阵；最终通过模糊运算得到质量评价结果。以土地利用图中农村居民地的综合为例，介绍了整个质量评价过程，通过对评价结果的分析发现综合中存在的问题，改进综合过程，从而验证了文中方法的可行性。
地图综合；土地利用图；质量评价；模糊综合评价；评价指标
0 引言
地图综合是地图制图学中一个永恒的研究主题，随着计算机及相关技术的发展，地图综合取得了长足的进步[1-5]。地图综合质量评价就是其中的一个研究内容，从20世纪90年代开始，综合质量评价引起了越来越多学者的重视。Joao比较分析了几种综合算法对数据质量的影响，针对多尺度表达提出了拓扑关系质量评价策略，并指出数据质量评价一般包括需求说明、数据质量定义和数据质量评价3个步骤[6]。Agent制图综合项目组总结并提出了各种要素综合质量评价策略的标准，初步考虑了综合质量控制，但没有建立综合质量控制的框架体系[7]。Bard基于制图综合中的各种约束对质量评价进行了研究，并针对建筑物多边形的不同层次提出了不同的质量评价指标[8]。进入21世纪后，国内以武芳、钱海忠为代表的学者对地图自动综合的算法、质量和控制等方面进行了多角度的分析与评价，并利用大量的实验来验证方法的可行性[9,10]。
由于综合质量评价工作的复杂性，学者们往往只对某种特定类型目标进行研究，例如针对线要素综合的质量评价[11]，针对多边形综合的质量评价[12,13]，针对部分综合过程的质量评价[14]，针对某些综合算法的质量评价[15]，以及针对某类特定专题地图的质量评价[8]。在目前针对专题地图的综合质量评价研究中，较少学者对土地利用图的综合进行质量评价[16,17]，然而土地利用图作为一种典型的专题地图，其综合对于建立多尺度国土资源数据具有重要作用，所以研究土地利用图的综合质量问题成为一项重要工作。本文引入模糊综合评价的方法，依据土地利用图综合的特点，建立土地利用图综合质量评价模型，通过对评价结果的分析发现综合中存在的问题，从而改善土地利用图的综合过程。
1 土地利用图综合质量评价的步骤
模糊综合评价方法应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其做出综合评价[18]。在影响土地利用图综合质量的众多因素中，除了个别因素具有严格的界限和数值标准外，大多数因素很难区分出较严格的数值界限，具有很大的模糊性，所以应用模糊综合评价方法进行土地利用图综合质量评价研究是合理的，具体步骤如下：1)选择评判因素集X：根据土地利用图的综合特点选择因素集X，设影响土地利用图综合质量的因素有n个，则记为X={X1,X2,…,Xn}。2)确定评语集Y：因素集中的每个评判因素都有一个评价等级，所有的评价等级组合在一起形成评语集Y，设评价等级有m个，则记为Y={Y1,Y2,…,Ym}。3)建立模糊评价矩阵R：对评判集X中的每个评判因素Xi(1≤i≤n)作单因素评判，得到一个表示X与Y间模糊关系的模糊评价矩阵R。4)确定权重集A：因素集X中的每个因素对综合质量的影响程度不同，所以分配给这些因素的相对权重也不同，所有的权重组合在一起组成权重集A。5)通过模糊运算得到评价结果B：模糊综合评价的数学模型一般为A·R=B。其中，“·”为模糊算子，模糊算子有主因素决定型、主因素突出型、取小相加运算型、加权平均型等，本文采用清晰度较高的加权平均型算子。
2 土地利用图综合质量评价模型的建立
2.1 选择评价指标，确定因素集
土地利用图是一种比较典型的专题地图，它在空间上具有全覆盖、无重叠、无缝隙的特征，在语义上具有类型的层次化划分等特征。土地利用图综合质量评价指标可以利用约束的方法确定，目前约束的分类方法有多种[19]，其中影响比较大的为几何约束、拓扑约束、结构约束和格式塔约束分类法[20]。土地利用图包括点、线、多边形3种类型的数据，按照约束的类型，初步确定土地利用图的综合质量评价指标(表1)。
表1 土地利用图综合质量评价指标的初步确定
Table 1 Generalization evaluation indexes of land use map
几何约束拓扑约束结构约束格式塔约束单个目标线或多边形边界的最小上图长度线或多边形边界的最小上图宽度线或多边形边界的节点最短距离变化线或多边形边界的曲率变化多边形最小上图面积多边形的面积变化多边形的质心偏移量———两个目标两个目标之间的最小识别距离保持线与多边形的方向相对不变保持两个目标的位置相对不变——多个目标多个目标间的最小识别距离保证多个目标的拓扑一致性目标密度的保持面积分布的保持排列方式的保持
(1)
(2)
综合式(1)和式(2)，可得整个集合C在状态S下的特征描述矩阵(式(3)),矩阵MatS的第i行即为前述的向量CharS(Ci)，第j列即为前述的向量PropS(Pj)。
(3)
2.2 确定评价等级
在确定评价指标后需给出各指标的评价等级，确定评价等级的方法一般有：1)采用国家或行业明文规定的标准值；2)根据专家判断确定标准值；3)采用评价数据的平均取值作为标准值；4)采用大量数据研究评价因素与评价目标之间的定量关系，从而进行合理的分级。本文采用土地利用图制图规范中的标准和专家经验确定评价等级，分为优、中、差3个等级。
2.3 建立模糊评价矩阵
根据式(3)可得综合前状态I下的描述矩阵MatI和综合后状态F下的描述矩阵MatF:
(4)
(5)
(6)
2.4 确定权重集
2.5 模糊运算
采用加权平均型模糊算子，通过模糊变换得到集合C的综合质量评价结果QualC:
(7)
设整个制图区域的目标集合R包括l个类，Rk(k=1,…,l)为第k类目标集，这里设定同一类目标的权重在类内相等，Rk中的所有目标在R中的权重矩阵为wRk，Rk的综合质量评价结果为QualRk，则可计算出整个制图区域的地图综合质量评价结果:
(8)
3 应用实例
土地利用图中包括耕地、园地、林地等，各种地类的评价指标不尽相同，本文选取农村居民地来说明综合质量评价的过程。实验选取由1∶1万综合为1∶2.5万山区的农村居民地，综合前后的实验区域如图1所示。
图1 综合前后的农村居民地
Fig.1Ruralsettlementsbeforeandaftergeneralization
根据表1中的评价指标及农村居民地的特点，实验选取了4个指标，分别是面积变化率、节点最短距离变化值、边界曲率变化及质心偏移量。
(9)
(10)
(3)边界曲率变化：综合过程中由于化简等操作，会使多边形边界的曲率发生变化。曲率变化指标通过描述边界节点间直线的夹角变化反映综合前后多边形的形状变化。设第i个图斑的边界曲率为Ti，边界上的节点数为L，φk(1 (11) (12) (13) 在确定了评价指标后，还需确定各指标的评价等级和相对权重。土地利用图综合的基本要求之一就是要尽量减小综合前后各地类的面积变化，所以在4个评价指标中，面积变化率最为重要，类似的，通过比较4个指标的重要性得到成对比较矩阵，求得矩阵的特征向量即为实验所需的相对权重，实验中各评价因素的评价等级和相对权重如表2所示。 根据评价因素和评价等级得到模糊综合评价矩阵，然后通过模糊运算得到评价结果(表3)，对结果分别进行了定量和定性显示，为了能够更加直观，将各指标的定性结果分别显示在图2中。根据式(7)，可得农村居民地图斑的整体综合质量评价结果Q： 表2 评价等级和相对权重的确定 Table 2 Rank and relative weigh of evaluation indexes 评价因子约束范围评价等级优中差相对权重面积变化率(P1)0≤P1≤20%0≤P1≤10%10% 表3 评价结果 Table 3 Evaluation results ID面积变化率节点最短距离变化值边界曲率变化质心偏移量定量结果(%)定性结果定量结果定性结果定量结果(%)定性结果定量结果定性结果最终定性评价结果124 62差11 41中2 41优4 83优中27 74优24 27差2 57优1 91优中319 55中15 69中1 15优1 91优中49 87优9 43优0 18优0 65优优52 94优17 59中6 48中1 79优优62 73优17 38中11 24差1 25优中73 70优8 60优5 12中1 56优优84 34优12 60中6 89中4 56优优92 42优15 41中3 54优0 94优优100 02优0 13优1 24优2 70优优114 05优13 26中2 39优1 03优优1213 39中8 91优0 32优3 37优优1313 58中12 03中9 42中4 19优中142 57优13 56中4 12优1 08优优1567 86差32 27差8 14中96 65差差161 86优18 04中6 48中4 74优优17162 72差6 66优2 45优95 78差差189 99优27 08差1 61优13 65中中 图2 定性评价结果示意 Fig.2 Maps for qualitative evaluation results (14) 若按照结果大于90%为优的评价标准，本次实验结果令人满意，但其中个别图斑的综合效果不理想，如ID为15的图斑等，通过分析评价结果，可以改善综合过程，达到综合最优的效果。 地图综合质量评价本身具有一定的模糊性且过程复杂，因此，本文将模糊综合评价方法引入到土地利用图综合质量评价研究中。首先基于约束选取评价指标组成评判因素集，然后确定各指标的评价等级组成评语集，由因素集和评语集组成模糊评价矩阵。根据各因素对土地利用图综合质量的不同影响程度确定权重集，最后通过模糊变换得到评价结果。本文以土地利用图中的农村居民地为例评价了其综合质量，通过对评价结果的分析能够发现综合中的问题，从而改善整个综合过程，为建立多尺度国土资源数据提供技术支持。然而影响土地利用图综合质量的评价因素有很多，而且有些因素比较模糊且难以定义，本文实验中选取的评价指标较少，不足以代表所有影响土地利用图综合的因素，所以建立完善的评价指标体系还有待加强研究。 [1] 王家耀,李志林,武芳．数字地图综合进展[M].北京：科学出版社,2011.7-11. 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Study on Quality Evaluation of Land-Use Map Generalization WANG Xiao-yan1,PEI Huan1,HOU Chun-liang1,GUO Qing-sheng2,3 (1.SchoolofInformationScienceandEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004；2.SchoolofResourceandEnvironmentalScience,WuhanUniversity,Wuhan430079；3.StateKeyLaboratoryofInformationEngineeringinSurveying,MappingandRemoteSensing,WuhanUniversity,Wuhan430079,China) As a kind of typical thematic map,land use map has spatial characteristics of full coverage,non-overlapping and seamless in space and obvious hierarchies on the semantic.Evaluating the quality of integrated map is of great significance to improving the timeliness and availability of land use data.In this paper,method of fuzzy comprehensive evaluation is applied to the study of generalization quality evaluation of land use map.Firstly,geometric constraint,topological constraint,structural constraint and gestalt constraint are proposed based on the idea of generalization constraint.Meanwhile,quality evaluation indexes of one object,two objects and several objects are determined.All of these indexes compose the evaluation set.Secondly,fuzzy comprehensive matrix is built by evaluation set and evaluation rank set,which is formed by evaluation rank of indexes.Finally,weight set is confirmed according to different inferences to generalization quality of each index.And evaluation results are by fuzzy computation.Taking the generalization of rural settlements as an example,the whole process is introduced in detail.This quality assessment method of land use data generalization is proved effective.By analyzing the results of evaluation,problems in generalization can be found,and the process can be improved,which proves method mentioned in the paper effective.All of the study on quality evaluation of generalization of land use map in this paper can provide technical support to build multi-scale land use data. map generalization;land use map;quality evaluation;fuzzy comprehensive evaluation;evaluation indexes 2014-03-31； 2014-05-19 河北省科技支撑计划项目(12277637)；河北省自然科学基金项目(D2014203218)；国家自然科学基金项目(41071289) 王晓妍(1986-)，女，博士，讲师，研究方向为地图综合和土地信息系统。E-mail：wxyhmm@163.com 10.3969/j.issn.1672-0504.2015.01.024 P283.7 A 1672-0504(2015)01-0115-05
4 结论
