一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置及使用方法

技术领域

本发明涉及地理空间信息处理与分析领域，特别涉及一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置及使用方法。

背景技术

人类活动对地理环境的影响与塑造随着科学技术的不断进步越发显著，土壤侵蚀、水土流失等改变也导致许多环境问题日益突出。土地利用/覆盖(LUCC)作为全球环境变化研究的关键问题，已成为越来越多国际研究机构日益关注的课题，它的变化较为直观的反映了已有的工业化、城市化过程，是未来土壤变化预测和模拟不可或缺的基础。研究一个地区的土地利用变化有助于更好的评估该地区的生态环境及合理的国土空间规划。

土地利用转移矩阵根据当前土地覆被在同一区域不同时相的变化关系得到的二维矩阵。通过分析得到的转移矩阵进行，能够得到多个时相不同地类之间的相互转化关系，反映了不同的土地利用类型在不同年份的变化以及发生变化的位置和变化面积。通过分析土地利用类型的总量变化，可了解土地利用变化和土地利用结构变化的总体趋势。

目前，计算转移矩阵的研究主要集中于对同一地区不同时相的两个矢量数据进行计算得到不同的地类之间相互转化关系表。如中国专利CN114969646A公布的一种利用土地利用转移矩阵计算土地利用净变化量和双向等量变化量的方法，涉及一种计算土地利用净变化量和双向等量变化量的方法。其解决土地利用转移矩阵无法直接表征土地利用变化过程中净变化与双向等量变化两种参量的技术问题，针对土地利用转移矩阵繁琐复杂，将土地利用转移矩阵进一步拓展，清晰表达土地利用类型的净变化量以及任意两种类型之间的等量变化数量(面积)；但是采用此方法虽然精度高，但是效率低、易出错，而且耗费时间长。

再如中国专利CN107562693A提出一种土地利用/覆被要素多特征变化转移矩阵矢量化提取方法，其中，方法包括：预处理得到形式一致的研究期初与期末两组矢量数据集；通过单项匹配获取匹配要素，计算匹配要素之间的重叠面积记录在要素匹配变化表；识别匹配要素在所选特征上的变化情况，补充记录；选择拟进行变化转移分析的要素属性特征，对其变化转移矩阵进行初始化设置；定义Dictionary类型变量，将矩阵对应的单元格添加到变量中；逐条读取记录，重叠面积进行累加计算，并赋给对应单元格的值；对转移矩阵内的剩余信息内容进行汇总计算和赋值，以形成完整的变化转移矩阵；该方法可以从不同时期土地利用/覆被矢量数据集中自动挖掘生成多个特征的变化转移矩阵，但是对于计算大规模土地利用/覆被变化来说，这种方法虽然精度高，但是效率低、易出错，而且耗费时间长。

因此，针对现有土地利用/覆被变化计算方法的效率低、易出错，而且耗费时间长的弊端，急需要一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置及使用方法，进而解决大数据量土地利用/覆被变化的问题，提高运算效率。

发明内容

为了解决现有土地利用/覆被变化计算方法的效率低、易出错，而且耗费时间长的弊端，进而解决大数据量土地利用/覆被变化的问题，提高运算效率，本申请设计了一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置及使用方法。

一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置，其包括获取单元、第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元；

所述获取单元，用于获取同一时空研究期初与研究期末土地利用矢量数据；

所述第一计算单元，用于对获取的同一时空研究期初与研究期末土地利用矢量数据进行预处理，包括坐标系统或模式结构或属性编码差异一致化处理，得到形式一致的研究期初与研究期末两组土地利用矢量数据；

所述第二计算单元，用于将所得到的两组土地利用矢量数据转化为栅格数据；

所述第三计算单元，用于将所得到的两组栅格数据，基于栅格代数方法，采用并行计算土地利用类型变化情况；

所述第四计算单元，用于基于栅格计算结果，生成土地利用转移矩阵报表。

一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵方法，包括以下步骤：

步骤S1、采用获取单元和第一计算单元对获取的同一时空研究期初与研究期末土地利用矢量数据进行预处理，得到形式一致的研究期初与研究期末两组土地利用矢量数据；

步骤S2、使用第二计算单元，设置合适的参数，将土地利用/覆被矢量数据转化为栅格数据；

步骤S3、使用第三计算单元并将所得到的两组栅格数据，基于栅格代数方法并行计算所有像元的变化情况；

步骤S4、使用第四计算单元并基于栅格计算结果，生成土地利用转移矩阵报表。

优选地，所述步骤S1中，预处理包括坐标系统或模式结构或属性编码差异一致化处理。

优选地，所述步骤S2中，矢量数据转化为栅格数据的方法为：将原始比例尺为1：1000～2000矢量数据的空间特征转换为离散的栅格单元，即将地图坐标转换为栅格单元的行列号，使用边界代数算法进行多边形填充，并设置输出像元的大小，在矢量表示的多边形内部的所有格点上赋予正确的多边形编号，形成栅格数据阵列，栅格单元的属性通过属性赋值获得。

优选地，所述步骤S3中，将所得到的两组栅格数据基于栅格代数方法，通过并行计算所有像元来获取土地利用类型变化情况。

优选地，所述步骤S3的具体方法为：根据对应的地物类型，使用分类后比较法，基于分类基础上，通过分类结果进行逐个像元的比较，直接发现变化信息，推断变化状况来进行土地利用类型变化情况；并行计算所有像元的土地利用变化，在同一时间由不同执行部件同时执行多个任务，将计算所有像元的土地利用变化分解成若干个部分，各部分均由一个执行部件并行计算。

本发明所获得的有益效果：

1、本申请设计的一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置及使用方法，通过获取单元、第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元设计了4个步骤，将土地利用矢量数据栅格化，对于计算大规模土地利用/覆被变化来说，不仅仅具备精度高的技术效果，还具备效率高、精确，省时的技术效果，因此能够在解决大数据量土地利用/覆被变化的问题同时，提高运算效率。

2、本申请提出的一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵方法与装置，将土地利用矢量数据栅格化，采用并行计算方法，基于栅格代数运算方法计算所有像元的变化，大幅度的提高转移矩阵运算效率。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵方法流程图；

图2为本发明一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置示意图；

图3(a)为本发明研究期初的土地利用/覆被矢量数据示意图；图3(b)为本发明研究期末的土地利用/覆被矢量数据示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

本实施例主要介绍一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置设计，具体设计请参考图2，图2为本发明一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置示意图；其包括获取单元、第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元；

所述获取单元，用于获取同一时空研究期初与研究期末土地利用矢量数据；

所述第一计算单元，用于对获取的同一时空研究期初与研究期末土地利用矢量数据进行预处理，包括坐标系统或模式结构或属性编码差异一致化处理，得到形式一致的研究期初与研究期末两组土地利用矢量数据；

所述第二计算单元，用于将所得到的两组土地利用矢量数据转化为栅格数据；

所述第三计算单元，用于将所得到的两组栅格数据，基于栅格代数方法，采用并行计算土地利用类型变化情况；

所述第四计算单元，用于基于栅格计算结果，生成土地利用转移矩阵报表。

实施例2

基于上述实施例1，本实施例主要一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵方法的基础设计，具体设计请参考图1，图1为本发明一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵方法流程图；包括以下步骤：

步骤S1、采用获取单元和第一计算单元对获取的同一时空研究期初与研究期末土地利用矢量数据进行预处理，得到形式一致的研究期初与研究期末两组土地利用矢量数据；

步骤S2、使用第二计算单元，设置合适的参数，将土地利用/覆被矢量数据转化为栅格数据；

步骤S3、使用第三计算单元并将所得到的两组栅格数据，基于栅格代数方法并行计算所有像元的变化情况；

步骤S4、使用第四计算单元并基于栅格计算结果，生成土地利用转移矩阵报表。

进一步的，所述步骤S1中，预处理包括坐标系统或模式结构或属性编码差异一致化处理。

进一步的，所述步骤S2中，矢量数据转化为栅格数据的方法为：将原始比例尺为1：1000～2000矢量数据的空间特征转换为离散的栅格单元，即将地图坐标转换为栅格单元的行列号，使用边界代数算法进行多边形填充，并设置输出像元的大小，在矢量表示的多边形内部的所有格点上赋予正确的多边形编号，形成栅格数据阵列，栅格单元的属性通过属性赋值获得。

进一步的，所述步骤S3中，将所得到的两组栅格数据基于栅格代数方法，通过并行计算所有像元来获取土地利用类型变化情况。

进一步的，所述步骤S3的具体方法为：根据对应的地物类型，使用分类后比较法，基于分类基础上，通过分类结果进行逐个像元的比较，直接发现变化信息，推断变化状况来进行土地利用类型变化情况；并行计算所有像元的土地利用变化，在同一时间由不同执行部件同时执行多个任务，将计算所有像元的土地利用变化分解成若干个部分，各部分均由一个执行部件并行计算。

本申请提出的一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵方法，将土地利用矢量数据栅格化，采用并行计算方法，基于栅格代数运算方法计算所有像元的变化，大幅度的提高转移矩阵运算效率。

实施例3

基于上述实施例1-2，本实施例主要一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵方法的详细设计，包括以下步骤：

步骤S1、对获取的同一时空研究期初与研究期末土地利用矢量数据进行预处理，得到形式一致的研究期初与研究期末两组土地利用矢量数据；

进一步的，步骤S1中对获取的同一时空研究期初与研究期末土地利用矢量数据进行预处理，包括坐标系统或模式结构或属性编码差异一致化处理。

获取某市2009年与2019年1：2000比例尺土地利用矢量数据，计算生态环境变化转移矩阵，对其进行坐标转换、模式结构或属性编码转换等预处理操作，产生两组在坐标系统、矢量边界范围、编码形式等方面完全一致的矢量数据，如图3(a)和图3(b)所示。具体操作为：将两组数据的坐标系都投影转换成CGCS2000坐标系；提取某市边界，并用此边界分别裁剪这两组数据，使数据边界范围保持一致；处理属性分类编码差异，将原始编码转换成所需要的编码值并进行配色，具体操作如下文。

处理属性分类编码差异，将原始编码转换成所需要的编码值。根据实际需求，需要将原始的土地利用类型数据转换为生态环境二级类型：11-水田、12-旱地、21-有林地、22-灌木林地、23-疏林地、24-其他林地、31-高覆盖度草地、32-中覆盖度草地、33-低覆盖度草地、41-河流(渠)、42-湖泊(库)、43-滩涂湿地、44-永久性冰川积雪、51-城镇用地、52-农村居民点用地、53-其他建筑用地、61-沙地、62-盐碱地、63-裸土地、64-裸岩石砾地、65-其他未利用地。

处理属性分类编码差异步骤：根据分类编码具体内容与环境分类标准进行对照，建立对照表，如表1、2所示；添加新字段，依照对照表将原始编码转换为所需要的目标编码值。

表1 2009年地类编码对照表

表2 2019年地类编码对照表

步骤S2、设置合适的参数，将土地利用/覆被矢量数据转化为栅格数据；

进一步的，矢量数据向栅格数据转换：将原始比例尺为1：2000矢量数据的空间特征转换为离散的栅格单元，即将地图坐标转换为栅格单元的行列号，使用边界代数算法进行多边形填充，并设置输出像元的大小，在矢量表示的多边形内部的所有格点上赋予正确的多边形编号，形成栅格数据阵列，栅格单元的属性通过属性赋值获得。

步骤S3、将所得到的两组栅格数据，基于栅格代数方法并行计算所有像元的变化情况；

进一步的，根据对应的地物类型，使用分类后比较法，基于分类基础上，通过分类结果进行逐个像元的比较，直接发现变化信息，推断变化状况来进行土地利用类型变化情况。如果对应像素的类别相同，则认为该像素没有发生变化，否则认为该像素发生了变化。将两组栅格数据的土地利用类型进行对比，确保两个土地利用分类名称一致。

进一步的，并行计算所有像元的土地利用变化，在同一时间由不同执行部件同时执行多个任务，将计算所有像元的土地利用变化分解成若干个部分，各部分均由一个执行部件并行计算。

步骤S4、基于栅格计算结果，生成土地利用转移矩阵报表。

进一步的，步骤S4中基于栅格计算结果，生成土地利用转移矩阵报表。土地利用转移矩阵以矩阵的形式展示了两个不同时期的土地覆被类型之间互相转换的数量关系，充分体现出一个区域土地覆被类型的数值和转移方向。矩阵形式如表3所示。

表3转移矩阵的形式

其中，T

为了验证本发明方法能够大幅度提高生成转移矩阵效率，本发明以面积为14520.00公顷的某市为例，对2009年、2019年分别包含81710、190257个要素图斑的矢量形式表达的全国土地调查数据计算转移矩阵。通过两种方法生成的转移矩阵报表如下所示(单位：公顷)。

表4矢量数据采用ARCGIS软件计算生成的土地利用转移矩阵报表

表5使用本发明方法生成的土地利用转移矩阵报表

将矢量数据计算得出的结果(表2)与使用本发明方法得出的结果(表3)进行对比，得出如下表格。

表6上述两个转移矩阵对比表

通过观察表6，可以看出使用本发明方法得出的结果与矢量数据计算得出的结果差值为1.29公顷，满足需求，且通过本发明方法计算生成转移矩阵所用总时长为30秒，对矢量数据进行计算生成转移矩阵所用总时长8分钟，使用本发明方法可以快速生成转移矩阵，效率大幅度提高。

本申请设计的一种大规模土地利用/覆被变化转移矩阵装置，对于计算大规模土地利用/覆被变化来说，不仅仅具备精度高的技术效果，还具备效率高、精确，省时的技术效果，因此能够在解决大数据量土地利用/覆被变化的问题同时，提高运算效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。