国土三调数据与地理国情数据融合可行性分析

龚国辉，董春，亢晓琛

(1.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000；2.中国测绘科学研究院，北京 100036)

0 引言

2015年我国完成了第一次全国地理国情普查后，又开展了基础性地理国情监测等工作，经过基本统计分析、综合统计分析、专题统计分析3个阶段，得到了反映我国自然资源时序与空间上的变化、分布、利用状况以及生态格局等各类数据指标[1-2]，形成揭示社会与经济发展、自然资源与生态环境之间的联系及发展潜力等专题的数据[3]。其成果已在“多规合一”[4]、自然资源负债表编制、三生协调的综合统计分析、生态文明建设等多个领域中发挥了不可或缺的作用[5]。同时第三次全国国土调查(国土三调)也为了掌握真实精确的国土资源利用及变化情况，以及分布、种类、数量等信息。不断完善国土调查、监测及统计分析的方法和制度，满足自然资源调查和监测制度改革、生态治理与修复、国土空间用途监管、空间治理能力现代化以及国土空间资源规划体系构建等工作的各种需求[6]。

1 两类数据特点及存在的问题

全国地理国情普查与监测和国土三调都是对我国全部陆地范围(除港、澳、台地区)的全覆盖、无缝隙地表监测与调查[7]，目的都是为了掌握真实准确的全国土地利用和变化情况。由于二者内容指标、技术手段、组织方式等不一致，两类数据各有侧重和特点。其中，地理国情数据侧重于土地覆盖的自然地理要素与人文地理要素的自然属性和分布状况的调查与监测[8]，对地表覆被具有更加精细的分类体系(地理国情：二级类+最细三级类=123个>国土三调：二级类+细化类=67个)。但它的部分内容指标缺少相应的一些管理属性信息，如地理国情中的一级类房屋建筑(区)只从建筑区房屋的高度和密度上做了分类，并没有对建筑区的具体用途进行描述。而国土三调中与建筑设施相关的分类有商业服务业用地、工矿用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地，所以可以参考国土三调数据属性来补充地理国情数据。

国土三调则侧重对土地利用状况和各种属性信息的调查[9]。立足于社会经济发展和土地资源管理与规划、自然资源的保护等工作需求[10]。但其数据指标与自然资源调查工作中自然资源的部分种类也没有明确的对应分类，在分类精度上整体上存在一定的缺陷。比如荒地资源中的荒野地与废弃地在国土三调中没有对应类别；海域在国土三调中没有相关分类，而地理国情中有二级类海面与之对应[11]。所以可以参考地理国情数据来细化丰富国土三调数据分类体系。如果实现数据之间的结合使用必然能带来“1+1>2”的效用。更有利于掌握各类土地资源使用情况，明确城市、非城市建设用地的实际用途，加强国土空间规划与用途管制[12]。而且有助于以依法行使“两统一”职责为总目标建立完善的自然资源统一调查、评价、监测制度方案。

2 数据关联性分析

本文基于国土三调先行县数据及《基础性地理国情监测内容与指标》[13]和《第三次全国国土调查技术规程》[6]等相关资料中对地理国情和国土三调地类的定义与划分规则，依据“口径可比较”原则[14]对地理国情监测数据和国土三调数据获取和制作方法以及内容指标的对应关系进行定性分析，明确两类数据各自的优势、特点以及差异性、独立性、相关性以及互补性[15]。初步确立两类数据指标的对应关系为地理国情监测分类体系中的一级类种植土地、林草覆盖与国土三调一级类耕地、种植园用地、林地、草地及其他部分类别的匹配关系(表1)。

结合表1和基础性地理国情监测内容与指标[13]及第三次全国国土调查技术规程[6]，得出国土三调的二级类：果园在地理国情三级类中可以细分为乔灌果园、藤本果园、草本果园；其他园地在地理国情三级类中可细分为其他乔灌经济苗木、其他藤本经济苗木、其他草本经济苗木；公园与绿地可以细分出二级类花圃和三级类绿化草地；其他林地可以细分出苗圃；乔木林地在地理国情三级类中可细分为阔叶林、针叶林、针阔混交林；灌木林地在地理国情三级类中可细分为阔叶灌木林、针叶灌木林、针阔混交林；其他林地在地理国情二级类中可细分为乔灌混合林、疏林、绿化林地、人工幼林、稀疏灌草丛；其他草地在地理国情三级类中可细分为固沙灌草、护坡灌草、其他人工草地。地理国情二级类花圃可以添加公园与绿地的属性；苗圃可以添加其他林地的属性；天然草地可以添加国土三调天然牧草地的属性；三级类绿化草地可以添加国土三调公园与绿地的属性。

表1 种植土地和林草覆盖与国土三调分类匹配关系

表2为地理国情监测分类体系中一级类铁路与道路和构筑物与国土三调一级类交通运输用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地以及其他部分类别的匹配关系。

结合表2和基础性地理国情监测内容与指标[13]及第三次全国国土调查技术规程[6]，得国土三调的二级类铁路用地、轨道交通用地、公路用地、城镇村道路用地都可以细分为地理国情二级类铁路、公路以及三级类中的隧道、桥梁、高速公路出入口；港口码头用地可细分出三级类车渡、码头；交通服务场站用地可细分出三级类加油(气)、充电站，露天停车场；机场用地可细分出停机坪与跑道；一级类公共管理与公共服务用地中的细化类高教用地可以细分出露天体育场；设施农用地可细分出三级类场院，二级类温室、大棚；特殊用地可细分出二级类城墙；水工建筑用地可细分出三级类堤坝、闸、排灌泵站，其他水工构筑物。相反，可以将各细化类对应的国土三调类别的属性信息补充到地理国情数据中。

表3为地理国情分类体系中一级类人工堆掘地、荒漠与裸露地及水域与国土三调一级类工矿用地、其他土地、水域及水利设施用地的匹配关系。

结合表3和基础性地理国情监测内容与指标[13]及第三次全国国土调查技术规程[6]，可得国土三调二级类采矿用地与地理国情二级类露天采掘场和堆放物对应，可细分为2个二级类对应的9个三级类；裸岩石砾地可细分为二级类砾石地表和岩石地表；冰川及永久积雪可细分为三级类冰川和常年积雪。相反，可以将各细化类对应的国土三调类别的属性信息补充到地理国情数据中。

表2 铁路与道路和构筑物与国土三调分类匹配关系

综上分析地理国情中有一级类房屋建筑(区)，构筑物中二级类固化池、沙障、其他构筑物，人工堆掘地中二级类堆放物、建筑工地、其他人工堆掘地与国土三调分类没有明确对应关系；国土三调中一级类湿地、商业服务业用地、住宅用地以及公共管理与公共服务用地和特殊用地与地理国情分类也没有明确对应关系。该分析结果具有一定的主观性，两类数据中有部分指标没有明确的对应关系，也体现了两类数据的差异性。后续还需结合矢量数据图层进行空间分析来进一步确定各类数据指标的最佳匹配关系。

表3 人工堆掘地、荒漠与裸露地及水域与国土三调分类匹配关系

3 实验与分析

3.1 实验总体框架

由于地理国情数据和国土三调数据在内容指标、技术手段、组织方式等方面的差异性，首先通过定性分析两类数据指标相互补充丰富的可行性。依据两类数据地类的定义与划分规则，建立各个地类间的匹配关系表；然后通过实验对两类数据进行相互补充实验，选取同时期、相同区域的两类数据的矢量数据做空间叠加分析，编写Python脚本计算两图层各图斑叠加情况(重叠面积、重叠度)，同时结合地类匹配关系表和高分辨率遥感影像明确各地类之间的准确对应关系，完成两类数据的补充丰富。最终获得分类丰富和属性完整的地表覆被数据，在自然资源调查、监测和国土空间规划等工作中提供助力(图1)。

图1 地理国情数据与国土三调数据补充丰富的整体框架

3.2 建立匹配关系

通过表1到表3的对比分析，依据“内涵一致(两类数据各地类定义的一致性)”“地类细分(从最细地类开始匹配，保证无遗漏)”“逐级归并(以最细类匹配开始逐级向上归并)”3个匹配原则初步确立了地理国情和国土三调数据指标中可以相互补充丰富的类别[15]。可总结为“一对一”“一对多”“多对一”和“无对应”4类匹配关系，如表4、表5分别为地理国情中可以补充国土三调数据属性的对应类别和国土三调中可以用地理国情分类进行细化丰富的类别。其中，地理国情的一级类房屋建筑(区)及对应的5个二级类，8个三级类和国土三调的一级类商业服务业用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地及对应二级类和细化类都是建筑设施相关的用地类别，可以很好地相互补充丰富。

表4 地理国情数据属性补充的地类

表5 国土三调数据细化丰富的地类

3.3 实验数据概况

本文研究区域为广西壮族自治区2018年6月进行第三次全国国土调查工作的试点先行县之一的贵港市港北区。位于广西壮族自治区浔郁平原中部，总面积1 020 km2，其中包括各类种植土地、林地、草地、建筑区、道路、山地、裸地、水域等各种地类图斑，有助于两类数据的对比分析。矢量数据有第三次全国国土调查的地类图斑图层(DLTB)和地理国情监测的地表覆盖图层(LCA)以及自然资源部办公厅关于印发《2018年全国基础性地理国情监测实施方案》及有关技术规定的通知和《第三次全国国土调查技术规程》等资料。

3.4 实验过程

因为2套面状矢量数据坐标投影一致，通过GIS软件的空间叠加分析功能，结合Python脚本，利用国土三调数据补充地理国情数据一级类房屋建筑(区)管理属性。

1)运用ArcGIS软件将地理国情监测LCA矢量图层和国土三调DLTB矢量图层做相交叠加处理，得到两类数据图斑的叠加图层。

2)基于图斑叠加结果按地理国情监测数据地类名称或地类编码等属性选择，提取出相应的地理国情一级类房屋建筑(区)图斑与国土三调图斑的叠加图层。

3)通过编写Python脚本计算地理国情房屋建筑(区)各图斑与各类国土三调图斑的重叠面积和重叠率，其中与各房屋建筑(区)图斑重叠率最大的国土三调图斑对应属性作为该房屋建筑(区)图斑的最佳补充属性。

4)结合两类数据匹配关系表与各房屋建筑(区)图斑对应的重叠面积最大、重叠率最大的国土三调图斑对应的地类，确定最佳匹配类别。再编写Python脚本提取其地类名称、地类编码等属性信息并添加到地理国情房屋建筑(区)属性表中。达到丰富地理国情监测数据的相应管理属性的目的。

3.5 结果分析

图2 地理国情与国土三调图斑叠加结果

由于两类数据的各类指标的定义和图斑的提取存在差别，使得两类数据对于同一个地物会赋予不同的属性，提取出不同的边界范围。基于两类矢量数据叠加结果，提取同时包含地理国情和国土三调属性的房屋建筑(区)图斑。图2展示了一个地理国情的房屋建筑(区)图斑与多个国土三调图斑重叠的情况，其中该图斑与国土三调的二级类农村宅基地重叠的最多，重叠率90.16%；与城镇村道路用地重叠5.04%；科教文卫用地重叠1.44%；其他林地重叠1.34%；灌木林地重叠1.05%；乔木林地重叠0.92%；水田重叠0.06%。可见对于该图斑可以补充农村宅基地的管理属性。

结合Python脚本计算，得到地理国情全部房屋建筑(区)图斑与各类国土三调图斑的重叠情况，然后以地理国情图层图斑的图斑序号为唯一标识，计算并提取出各个房屋建筑(区)图斑与国土三调(DLTB)各类图斑重叠率最大的相关属性信息。如表6所示，选取地理国情监测房屋建筑(区)与国土三调图斑重叠结果的部分图斑数据。

表6 房屋建筑(区)图斑最大重叠度结果

因为每一个地理国情数据图斑都与多个国土三调数据图斑有重叠，提取其中一个重叠面积最大、重叠率最高的图斑及其属性作为该地理国情图斑的最佳匹配对象。根据表6的结果，利用Python脚本将最佳匹配属性写入地理国情数据属性表，达到对地理国情数据管理属性补充丰富的目的(图3)。

图3 图斑属性补充

由图3可以看出，利用国土三调数据对地理国情监测数据缺少的管理属性进行了补充和丰富。对于地理国情房屋建筑(区)的部分图斑的属性信息，增加了设施农用地、采矿用地、工业用地、城镇住宅用地、空闲地等管理属性信息。验证了两类数据融合的可行性。同样，对于国土三调数据也可以用地理国情监测数据进行丰富和补充，充分地结合两类数据各自的数据优势，不断地提高数据的应用效果。

4 数据差异分析

4.1 影像数据精度差异

地理国情监测要求收集满足地理国情监测设计要求的高分系列、资源系列、天绘系列、北京二号等一系列国产高精度卫星遥感影像数据，同时采购国内外商业卫星遥感影像，确保有覆盖全国优于2.5 m分辨率影像数据以及特殊地区优于1 m分辨率的影像数据。国土三调中农村地区的土地调查数据采集要求采用优于1 m分辨率覆盖全国的遥感影像资料；城镇区域地物复杂，要求数据采集精细程度更高，需采用优于0.2 m分辨率的高精度遥感影像资料[17]。

4.2 数学基础差异

地理国情监测按任务区组织数据不分带，使用地理坐标系，经纬度值以“°”为单位；采用分幅方式组织数据时，按6°分带，采用高斯-克吕格投影。国土三调投影方式均采用高斯-克吕格投影，数据有1∶2 000、1∶5 000、1∶10 000比例尺标准分幅图或数据按3°分带。

4.3 数据采集差异

数据采集精度，就是获取各地类边界线和方位与影像上各地类要素界线和位置的匹配度。地理国情监测数据采集要求影像上分界明显的各地理要素的边界和定位点的精度要确保在5个像素之内。对于特殊地物，如高层建筑物遮挡、高大树木遮挡、阴影等，数据采集时，理论上要求误差不超过10个像素[10]。因为卫星拍摄遥感影像时有侧视角问题，达到一定高度的地物在影像上会产生形变、移位，需要经过相应处理以符合采集精度的规定。国土三调的土地利用现状数据、权属调查数据、专项用地调查数据图形边界不衔接的，应结合影像、外业调查、权属协议书等手段进行核实，并按照核实结果调整相关图形边界[10]。各要素采集的界线与调查界线的偏差不能超过0.2 mm[6]。

4.4 分类体系差异

由于两类数据的工作方式和数据采集指标有一些差异，在地理国情监测中，耕地、园地合并为种植土地，林地、草地合并为林草覆盖。地理单元新增饮用水水源保护区、生态保护红线区、永久基本农田保护区、城镇发展边界；社会经济区域单元新增保障性住房建设区、收费停车场(库)。10个一级类、59个二级类和107个三级类[10]。国土三调在土地管理行业标准《第三次全国国土调查技术规程》中，明确了13个一级类，55个二级类，并对部分二级地类进行了三级细化[6]。

5 结束语

本文对全国地理国情监测数据和第三次全国国土调查数据指标进行对比分析，建立两类数据指标匹配关系，并结合国土三调数据的管理属性对地理国情数据一级类房屋建筑(区)进行管理属性补充实验，验证两类数据融合的可行性。由于两类数据在影像数据精度、数学基础、数据采集及分类体系上存在一定差异，都有各自的数据优势和特点。所以将两类数据优势结合起来，进行相互补充丰富，充分发挥其成果在我国从国家到地方的自然资源管理、国土空间管制与规划、生态保护修复等重要工作中的应用价值。

由于本文选取国土三调的先行县港北区作为研究区域，研究区域较单一，地物分类不具普遍性。考虑到数据时相及采集差异，在对图斑进行叠加时会出现一个图斑与多个图斑重叠度相当的情况。针对这类图斑的属性补充的合理性问题，需进一步结合当地地貌特征以及影像数据判读，必要时进行实地考察，以获取最准确的研究数据。准确地对地理国情数据和国土三调数据指标进行匹配融合。