一種顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法，包括輸入土地用途分區(qū)基礎數(shù)據(jù)庫，迭代進行提取小圖斑并對進行排序，劃分各小圖斑存在的模式并顧及地理實體語義相似度進行合并，使合并后的語義變化值達到最小后，根據(jù)土地用途分區(qū)的劃定方法確定土地用途區(qū)，提取合并后的圖斑的界線，生成土地用途分區(qū)圖。本發(fā)明技術方案充分利用地理實體語義相似度，構建了一種高效、自動化的土地用途分區(qū)方法，提高了土地用途分區(qū)的科學性、合理性和可操作性。
【專利說明】—種顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于土地利用規(guī)劃領域，特別涉及一種顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法。

【背景技術】
[0002]土地用途分區(qū)是土地利用規(guī)劃的核心問題，也是土地利用空間優(yōu)化配置的前提和關鍵內容。在實際應用中，土地用途分區(qū)為土地利用的調控和管理提供依據(jù)。國際上對土地用途分區(qū)的研究起源于19世紀末的德國，20世紀為美國采用，后來在澳大利亞、日本和韓國等國陸續(xù)采用，我國自20世紀90年代后期根據(jù)國家保護耕地的戰(zhàn)略需要，全國至上而下進行了土地利用總體規(guī)劃的修編工作，首次提出了規(guī)劃方案中確定土地用途分區(qū)和管制規(guī)則。土地用途分區(qū)與管制制度在優(yōu)化土地資源配置，提高土地利用率，有效保護耕地和自然資源環(huán)境，控制城市規(guī)模擴張方面發(fā)揮了重要的作用。
[0003]近年來，土地用途分區(qū)研究不僅僅注重分區(qū)理念的研究，更多注重分區(qū)模型與方法的研究，這也使得分區(qū)的準確性和實用性得到了一定程度上的提高。國內外的學者提出了土地用途分區(qū)常用方法有疊置分析法、主導因素法、多因素綜合評判法、聚類分析法等。這些方法在解決具體的土地用途分區(qū)問題中有著一定的科學性和可操作性，但是存在著程序復雜，受人為作用的影響，不能滿足海量數(shù)據(jù)處理的需求等方面的問題。國內外學者對土地用途分區(qū)開展了進一步的研究工作，如基于生態(tài)位適宜度模型、微粒群、多目標禁忌搜索算法、CA、模擬退火和空間數(shù)據(jù)挖掘等。這些方法的提出部分克服了傳統(tǒng)的土地利用分區(qū)以定性為主，分區(qū)邊界模糊、分區(qū)隨意性大、分區(qū)工作效率低下、分區(qū)結果對土地利用指導意義不強的缺陷，并在土地利用總體規(guī)劃編制過程中發(fā)揮了重要作用。
[0004]然而由于土地利用的復雜性，土地利用系統(tǒng)是一個涉及自然、社會、經濟的土地生態(tài)經濟復合系統(tǒng)，簡單的將數(shù)學模型或智能算法應用于土地用途分區(qū)，存在運算復雜、結果不易理解、難以得到較好的分區(qū)效果，缺乏自動化實現(xiàn)的技術方案。


【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有土地用途分區(qū)中存在的問題，發(fā)明一種顧及空間特征和語義特征的綜合距離的土地用途分區(qū)方法，以提高土地用途分區(qū)的科學性、合理性和可操作性，為土地利用規(guī)劃、土地利用調控和管理提供技術支持。
[0006]本發(fā)明提供的技術方案為一種顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1，輸入土地用途分區(qū)基礎數(shù)據(jù)庫，原始圖斑群集合為T = ITi, i = 1，2，…，
N}；
[0008]步驟2，提取小圖斑并對進行排序，包括以下步驟，
[0009]步驟2.1，設原始圖斑群集合為T = ITi, i = 1,2，…，N}，N為圖斑群內圖斑的個數(shù)；第k類土地利用類型圖斑的最小上圖面積記為ek，k=l，2，…，M，M為T中圖斑所屬土地利用類型的個數(shù)；
[0010]步驟2.2，在原始圖斑群集合T中檢索面積不大于相應類型最小上圖面積Sk的所有圖斑，在土地用途分區(qū)中稱為小圖斑，設共有L個，組成小圖斑集合R= (Rj, j =
I, 2，......，L}，對R中的小圖斑按照面積從小到大排序；T中面積小于ε k的所有圖斑在土地用途分區(qū)中稱為大圖斑；
[0011]步驟3，根據(jù)步驟2所提取小圖斑和排序結果，劃分各小圖斑存在的模式并合并，包括以下子步驟，
[0012]步驟3.1，從小圖斑集合R中，依次取面積最小的未處理小圖斑&為當前小圖斑，對其鄰域進行搜索，判斷當前小圖斑&所屬的模式，并根據(jù)不同的模式基于當前小圖斑進行合并；
[0013]劃分小圖斑所屬模式的實現(xiàn)方式如下，
[0014]第一種為單個小圖斑在一個大圖斑的內部，記為模式①；第二種為單個小圖斑介于兩個大圖斑之間，記為模式②；第三種為多個小圖斑相連并位于一個大圖斑的內部，記為模式③；第四種為多個小圖斑相連并介于兩個大圖斑之間，記為模式④；第五種為多個小圖斑呈聚集狀分布并位于大圖斑的內部，記為模式⑤；第六種為多個小圖斑呈聚集狀分布并介于兩個大圖斑之間，記為模式⑥；
[0015]根據(jù)不同的模式對當前小圖斑進行合并的實現(xiàn)方式如下，
[0016]處理a.如果屬于模式①，當前小圖斑Rj在一個大圖斑的內部,則將小圖斑Rj直接合并到所處的大圖斑，當前小圖斑&從小圖斑集合R中去除，合并后的土地利用類型為大圖斑所屬的土地利用類型，轉到步驟3.2 ；
[0017]處理b.如果屬于模式②，當前小圖斑&介于兩個大圖斑之間，則計算小圖斑Rj與其相鄰接的各圖斑語義相似度，并對按照語義相似度進行排序，將小圖斑合并到語義相似度較高的大圖斑中，當前小圖斑&從小圖斑集合R中去除，合并后的土地利用類型為大圖斑所屬的土地利用類型，轉到步驟3.2 ；
[0018]處理c.如果屬于模式③，包括當前小圖斑&的多個小圖斑相連并位于一個大圖斑的內部，則分別計算相連的每個小圖斑與所處大圖斑的語義鄰近度，并按大小將相連的小圖斑依次合并到大圖斑，被合并的小圖斑都從小圖斑集合R中去除，合并后的土地利用類型為大圖斑所屬的土地利用類型，轉到步驟3.2 ;
[0019]處理d.如果屬于模式④,包括當前小圖斑Rj的多個小圖斑相連并介于兩個大圖斑之間，則將對相連的每個小圖斑分別與鄰接的各大圖斑計算語義相似度，并按大小將相連的小圖斑合并到語義相似度較高的大圖斑中，被合并的小圖斑都從小圖斑集合R中去除，合并后的土地利用類型為大圖斑所屬的土地利用類型，轉到步驟3.2 ;
[0020]處理e.如果屬于模式⑤⑥，包括當前小圖斑&的多個相關小圖斑所構成小圖斑群呈聚集狀分布，并位于大圖斑的內部或介于兩個大圖斑之間，則基于這些相關的大圖斑和小圖斑，對當前小圖斑&和相鄰的圖斑分別計算語義相似度，取取當前小圖斑&和語義相似度最高的圖斑進行合并，合并后的土地利用類型取面積較大的為新圖斑的土地利用類型，判斷新圖斑面積是否大于ek;
[0021]如果新圖斑的面積大于ε k，則將該新圖斑保留作為新的大圖斑，被合并的小圖斑都從小圖斑集合R中去除，轉到步驟3.2 ；
[0022]如果新圖斑的面積不大于ε k，則將該新圖斑保留作為新的小圖斑加入小圖斑集合R，被合并的小圖斑都從小圖斑集合R中去除，轉到步驟3.2 ；
[0023]步驟3.2，判斷小圖斑集合R是否還有小圖斑，若有則返回步驟3.1，從小圖斑集合R中取下一面積最小的未處理小圖斑為當前小圖斑進行處理，否則轉到步驟4 ;
[0024]步驟4，按照圖斑合并結果，根據(jù)預設的土地用途分區(qū)劃定規(guī)則確定土地用途區(qū)；
[0025]步驟5，對步驟4的結果，提取合并后的圖斑的界線，生成土地用途分區(qū)圖。
[0026]而且，構建土地用途分區(qū)基礎數(shù)據(jù)庫時包括以下處理，
[0027]步驟1.1，根據(jù)預設規(guī)則，排除不參與分區(qū)的圖斑；
[0028]步驟1.2，確定圖斑間的空間鄰近度，包括考察相鄰近的兩個圖斑中，面積較小的一個的共享邊長與其周長的比值σ，如果該值小于V則認為兩個圖斑不鄰接，

【權利要求】
1.一種顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟1，輸入土地用途分區(qū)基礎數(shù)據(jù)庫，原始圖斑群集合為T = {Ti，i = 1，2，…，N}； 步驟2，提取小圖斑并對進行排序，包括以下步驟， 步驟2.1，設原始圖斑群集合為T = {Ti；i = I, 2，…，N}，N為圖斑群內圖斑的個數(shù)；第k類土地利用類型圖斑的最小上圖面積記為ek，k=l，2，…，M，M為T中圖斑所屬土地利用類型的個數(shù)； 步驟2.2，在原始圖斑群集合T中檢索面積不大于相應類型最小上圖面積ε ,的所有圖斑,在土地用途分區(qū)中稱為小圖斑,設共有L個,組成小圖斑集合R = (Rj, j = I, 2,......,L}，對R中的小圖斑按照面積從小到大排序；T中面積小于ε k的所有圖斑在土地用途分區(qū)中稱為大圖斑； 步驟3，根據(jù)步驟2所提取小圖斑和排序結果，劃分各小圖斑存在的模式并合并，包括以下子步驟， 步驟3.1，從小圖斑集合R中，依次取面積最小的未處理小圖斑&為當前小圖斑，對其鄰域進行搜索，判斷當前小圖斑&所屬的模式，并根據(jù)不同的模式基于當前小圖斑進行合并； 劃分小圖斑所屬模式的實現(xiàn)方式如下， 第一種為單個小圖斑在一個大圖斑的內部，記為模式①；第二種為單個小圖斑介于兩個大圖斑之間，記為模式②；第三種為多個小圖斑相連并位于一個大圖斑的內部，記為模式③；第四種為多個小圖斑相連并介于兩個大圖斑之間，記為模式④；第五種為多個小圖斑呈聚集狀分布并位于大圖斑的內部，記為模式⑤；第六種為多個小圖斑呈聚集狀分布并介于兩個大圖斑之間，記為模式⑥； 根據(jù)不同的模式對當前小圖斑進行合并的實現(xiàn)方式如下， 處理a.如果屬于模式①，當前小圖斑&在一個大圖斑的內部，則將小圖斑&直接合并到所處的大圖斑，當前小圖斑&從小圖斑集合R中去除，合并后的土地利用類型為大圖斑所屬的土地利用類型，轉到步驟3.2 ； 處理b.如果屬于模式②，當前小圖斑&介于兩個大圖斑之間，則計算小圖斑&與其相鄰接的各圖斑語義相似度，并對按照語義相似度進行排序，將小圖斑合并到語義相似度較高的大圖斑中，當前小圖斑&從小圖斑集合R中去除，合并后的土地利用類型為大圖斑所屬的土地利用類型，轉到步驟3.2 ； 處理c.如果屬于模式③，包括當前小圖斑&的多個小圖斑相連并位于一個大圖斑的內部，則分別計算相連的每個小圖斑與所處大圖斑的語義鄰近度，并按大小將相連的小圖斑依次合并到大圖斑，被合并的小圖斑都從小圖斑集合R中去除，合并后的土地利用類型為大圖斑所屬的土地利用類型，轉到步驟3.2 ; 處理d.如果屬于模式④，包括當前小圖斑&的多個小圖斑相連并介于兩個大圖斑之間，則將對相連的每個小圖斑分別與鄰接的各大圖斑計算語義相似度，并按大小將相連的小圖斑合并到語義相似度較高的大圖斑中，被合并的小圖斑都從小圖斑集合R中去除，合并后的土地利用類型為大圖斑所屬的土地利用類型，轉到步驟3.2 ； 處理e.如果屬于模式⑤⑥，包括當前小圖斑&的多個相關小圖斑所構成小圖斑群呈聚集狀分布，并位于大圖斑的內部或介于兩個大圖斑之間，則基于這些相關的大圖斑和小圖斑，對當前小圖斑&和相鄰的圖斑分別計算語義相似度，取取當前小圖斑&和語義相似度最高的圖斑進行合并，合并后的土地利用類型取面積較大的為新圖斑的土地利用類型，判斷新圖斑面積是否大于ek; 如果新圖斑的面積大于H，則將該新圖斑保留作為新的大圖斑，被合并的小圖斑都從小圖斑集合R中去除，轉到步驟3.2 ； 如果新圖斑的面積不大于ε k，則將該新圖斑保留作為新的小圖斑加入小圖斑集合R，被合并的小圖斑都從小圖斑集合R中去除，轉到步驟3.2 ； 步驟3.2，判斷小圖斑集合R是否還有小圖斑，若有則返回步驟3.1，從小圖斑集合R中取下一面積最小的未處理小圖斑為當前小圖斑進行處理，否則轉到步驟4 ; 步驟4，按照圖斑合并結果，根據(jù)預設的土地用途分區(qū)劃定規(guī)則確定土地用途區(qū)； 步驟5，對步驟4的結果，提取合并后的圖斑的界線，生成土地用途分區(qū)圖。
2.根據(jù)權利要求1所述顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法，其特征在于:構建土地用途分區(qū)基礎數(shù)據(jù)庫時包括以下處理， 步驟1.1，根據(jù)預設規(guī)則，排除不參與分區(qū)的圖斑； 步驟1.2，確定圖斑間的空間鄰近度，包括考察相鄰近的兩個圖斑中，面積較小的一個的共享邊長與其周長的比值σ，如果該值小于V則認為兩個圖斑不鄰接，
%
—..........匕......M 一 ''''''',.............mm 其中，ψ為圖斑鄰近的設定閾值，\為兩個鄰近的圖斑公共弧段的長度，Amin為面積較小的圖斑的弧段的總長度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法，其特征在于:處理b、C、d、e中計算各類型間的語義相似度的實現(xiàn)方式包括以下步驟， 步驟(1)，計算地理實體屬性的相似度SimAtt(S，F(xiàn))如下，
c；,nAtt(c ,Λ — CourUiaIt(S) Π ali{F)) Slm^口-涵-U—^......涵.⑴ 其中，att(S)表示地理實體S屬性的集合，att(F)表示地理實體F屬性的集合，CountO表示統(tǒng)計出的屬性個數(shù)； 步驟(2),計算有向邊權重Weight (S，F(xiàn))如下，
Weight (S，F(xiàn)) = a XffeightType (S，F(xiàn)) + β X Weight11—(S，F(xiàn)) + y Xffeightllensity (S, F) (2) 其中，ffeightType(S, F)是地理實體S、F對應類型的語義距離權重，Weightllepth(S, F)是地理實體S、F對應類型的的分類層次的深度，Weightllensity (S, F)表示地理實體S、F對應類型的密度；α、β、Y是可調節(jié)因子，且α +β + Y = I ； 計算地理實體間的距離Dist (S，F(xiàn))如下，


I Dist (h, rj =---
Weight (S, P)(3) 計算改進的語義距離相似度SimDist(S，F(xiàn))如下，
其中，μ為可調節(jié)因子； 步驟(3)，將地理實體屬性的相似度SimAtt(S，F(xiàn))與語義距離相似度Simllist(S，F(xiàn))相結合，計算地理實體的語義相似度Sim(S，F(xiàn))如下，
Sim(S，F(xiàn)) = W1XSimAtt (S，F(xiàn)) +(O2XSim11ist (S，F(xiàn)) (5) 其中，Sim(S, F)為地理實體的語義相似度，ωρ ω2為權重系數(shù)，ω。ω2大于0，且.03 1+C02 = I。
4.根據(jù)權利要求1或2所述顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法，其特征在于:首次執(zhí)行步驟2時，最小上圖面積ε k采用《縣級土地利用總體規(guī)劃編制規(guī)程(TD/T1024-2010)》附錄G中的土地用途區(qū)最小上圖面積，并對步驟3所得圖斑合并結果根據(jù)最優(yōu)化控制目標判斷是否達到要求，若是則進入步驟4，否則用漸進方式對圖斑重新進行合并，再進入步驟4 ;所述用漸進方式對圖斑重新進行合并， 步驟(1)，調整最小上圖面積￡,為《縣級土地利用總體規(guī)劃編制規(guī)程(TD/T1024-2010)》附錄G中的土地用途區(qū)最小上圖面積的50%，根據(jù)步驟I所得原始圖斑群集合重新執(zhí)行步驟2、3; 步驟(2)，調整最小上圖面積￡,為《縣級土地利用總體規(guī)劃編制規(guī)程(TD/T1024-2010)》附錄G中的土地用途區(qū)最小上圖面積的75%，根據(jù)(I)所得合并后的圖斑群集合重新執(zhí)行步驟2、3; 步驟(3)，調整最小上圖面積4為《縣級土地利用總體規(guī)劃編制規(guī)程(TD/T1024-2010)》附錄G中的土地用途區(qū)最小上圖面積的100%，根據(jù)⑵所得合并后的圖斑群集合重新執(zhí)行步驟2、3，得到更優(yōu)化后的合并結果。
5.根據(jù)權利要求4所述顧及地理實體語義相似度的土地用途分區(qū)方法，其特征在于:設土地利用圖斑合并的過程中共合并了 z個小圖斑，記每個圖斑的原始土地利用類型為Spk, P = I, 2,…，z, k = I, 2, “.，Μ, M為土地利用的類型數(shù),每個圖斑的面積為Ap, ρ =.1，2，…，ζ，這ζ個小圖斑被合并后所有圖斑總的土地利用類型集合為SS，則評價合并后的圖斑所采用最優(yōu)化控制目標如下，
其中，Spm表示第P個小圖斑合并后所屬土地利用類型，SSpm表示Z個小圖斑合并后的所屬土地利用類型構成的集合，Ispk-SpmI表示第P個小圖斑所屬原始土地利用類型與合并后所屬土地利用類型之間的語義相似度的差值；
約束條件是 SSpk e SS, SSpm e SS, SSpk Φ SSpm, I ≤ρ ≤ z，l ≤ m≤ M，其中，SSpk 是 ζ 個小圖斑原始土地利用類型構成的集合。
【文檔編號】G06Q50/00GK104200387SQ201410477556
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權日:2014年9月18日
【發(fā)明者】牛繼強, 徐豐, 姚高偉, 樊勇, 陳飛燕, 蚩志鋒 申請人:信陽師范學院