張定祥，安 瓊，季宏偉，武建佳，李士江

（1. 中國國土勘測規(guī)劃院，北京100035；2. 北京博信高科信息技術(shù)有限公司，北京100029）

0 引言

通過多年土地調(diào)查工作，全國范圍的土地利用及變化數(shù)據(jù)資源不斷積累，土地數(shù)據(jù)的挖掘分析需求日益旺盛。各地針對土地利用變化數(shù)據(jù)的挖掘分析工作不斷深入，借助專業(yè)軟件已經(jīng)積累一些土地利用數(shù)據(jù)可視化展示方式。但是，目前土地利用現(xiàn)狀及變化數(shù)據(jù)的展現(xiàn)形式大多停留在傳統(tǒng)的專題圖（專題統(tǒng)計地圖）、統(tǒng)計表（表格）、統(tǒng)計圖（餅圖、折線圖）方式，這些展示方式可以直觀反映出土地資源的現(xiàn)狀和變化情況，但是展示交互性、直觀性仍有一定局限。特別是對于多年土地利用數(shù)據(jù)的時間特征、空間特征，傳統(tǒng)的專題圖、統(tǒng)計圖展示方式均不能動態(tài)展示，無法直觀地展現(xiàn)土地利用數(shù)據(jù)的變化特點。土地利用現(xiàn)狀及變化數(shù)據(jù)在空間維、時間維、動態(tài)流媒體可交互展示方面研究和應(yīng)用仍然較少。

隨著Hadoop大數(shù)據(jù)并行技術(shù)的推進，一系列新型展示方式逐步出現(xiàn)，并在其他領(lǐng)域進行了應(yīng)用，取得了良好效果，創(chuàng)新地展示方式極大的提升了數(shù)據(jù)的易讀性，使得數(shù)據(jù)的價值能夠快速被讀者接受?；诖?，土地利用數(shù)據(jù)的直觀表達需要借鑒其他領(lǐng)域數(shù)據(jù)的可視化表達方式，研究篩選適合土地利用現(xiàn)狀及變化數(shù)據(jù)可視化表達的形式，為海量數(shù)據(jù)資源分析挖掘結(jié)果的直觀展示積累技術(shù)。文章將結(jié)合土地利用變化數(shù)據(jù)的特點和應(yīng)用需求，以土地利用現(xiàn)狀及變化直觀表達為目標(biāo)，通過借鑒其他領(lǐng)域數(shù)據(jù)的可視化表達方式，研究適合土地利用數(shù)據(jù)可視化表達的形式，進而提升土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的決策支撐能力，帶動新的展示技術(shù)在土地行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)模型

1.1 總體流程

根據(jù)土地利用變化數(shù)據(jù)特點以及可視化需求，該文提出了土地利用數(shù)據(jù)可視化展示的總體設(shè)計流程，如圖1所示。土地利用變化數(shù)據(jù)的展示總體流程可以概括為數(shù)據(jù)標(biāo)準化處理、數(shù)據(jù)分析處理和可視化展示3個步驟。

圖1 總體設(shè)計流程Fig.1 Overall design flow

數(shù)據(jù)標(biāo)準化是指將現(xiàn)有的各類土地利用變化數(shù)據(jù)和相關(guān)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，根據(jù)分析需求進行處理，將高維度、高空間精度、高時間精度的數(shù)據(jù)進行降維和標(biāo)準化處理。通過預(yù)處理，可以將海量數(shù)據(jù)匯總為數(shù)量較小但不影響宏觀分析展示的數(shù)據(jù)集合。例如，在預(yù)處理過程中，可以將全國土地利用圖數(shù)據(jù)進行匯總，形成全國范圍的1分網(wǎng)格數(shù)據(jù)（長寬均為1分的正方形）；或者按照用地類型，匯總為不同時間維度、不同地類的總量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析處理是指將標(biāo)準化數(shù)據(jù)，根據(jù)展示需求進行二次計算，生成可以快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如將多年地類面積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為按年度關(guān)聯(lián)的流向數(shù)據(jù)模型，或?qū)⒉煌W(wǎng)格內(nèi)新增加建設(shè)用地面積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以網(wǎng)格為中心點、以用地面為高度的三維數(shù)據(jù)模型。

數(shù)據(jù)可視化展示是指將計算的數(shù)據(jù)進行渲染，并通過程序語言實現(xiàn)可以交互操作的、直觀化的圖像表達方式。該文圍繞土地利用數(shù)據(jù)的特點，針對土地數(shù)據(jù)分析展示過程中的時序展示、空間展示、流向變化展示三方面的需求，設(shè)計了多年土地利用流向圖、多年地類圖斑變化視頻、三維立體圖3種有代表性的展示方法，并針對土地利用數(shù)據(jù)量大，處理時間長的問題，設(shè)計了基于Hadoop并行計算技術(shù)的快速數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。

1.2 土地變化流向數(shù)據(jù)可視化展示模型

流向數(shù)據(jù)可視化展示模型基于土地利用變化指標(biāo)動態(tài)變化的特點，實現(xiàn)對土地利用變化情況直觀展示分析。變化情況流量流向分析主要適用于土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)、土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)以及耕地數(shù)據(jù)等年度變更數(shù)據(jù)［1］。進行多年數(shù)據(jù)變化流量流向分析，首先對任意兩年的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行疊加、計算，形成新的年度變化數(shù)據(jù)；其次按照三大類、一級類、二級類或其他分析分類要求進行匯總，循環(huán)疊加處理后的數(shù)據(jù)通過可視化預(yù)處理，形成數(shù)據(jù)文件，通過前臺可視化展示組件進行展示。具體技術(shù)路線如圖2所示。土地利用變化流向圖，可量化展示不同時間的土地利用數(shù)據(jù)在不同類型間的變化情況［2］。

圖2 土地變化流向數(shù)據(jù)可視化展示技術(shù)路線Fig.2 Technical route of visualization of land change flow data

1.3 土地利用空間變化數(shù)據(jù)視頻化表達模型

土地利用空間變化數(shù)據(jù)視頻化表達模型主要針對土地利用變化數(shù)據(jù)多年度時序變化的特點，利用Hadoop大數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)，結(jié)合空間數(shù)據(jù)計算，快速提取多年度土地變化圖形，將變化情況平均等分成多楨，并利用GIS要素渲染技術(shù)，渲染為圖片，繼而利用視頻技術(shù)，以視頻的形式展示多年空間數(shù)據(jù)時序動態(tài)變化［3］。多年土地利用空間數(shù)據(jù)時序變化視頻展示將多年的地圖文件按照國家、省、市縣3種類型進行數(shù)據(jù)處理，其中全國范圍的按行政區(qū)聚合并計算各地類面積及百分比，再與遙感圖層疊加并繪制地圖，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)文件后進行并行繪制，最終形成視頻展示文件。具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 土地利用空間變化數(shù)據(jù)視頻化展示技術(shù)路線Fig.3 Technical route for video presentation of land-use spatial change

1.4 空間網(wǎng)格指標(biāo)數(shù)據(jù)三維立體化表達模型設(shè)計

指標(biāo)數(shù)據(jù)三維立體化表達模型主要是基于土地利用變化統(tǒng)計數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)格式較為規(guī)范統(tǒng)一、便于計算等優(yōu)勢，針對數(shù)據(jù)指標(biāo)空間化展現(xiàn)、動態(tài)變化等特點，并借鑒其他領(lǐng)域的三維立體化展示方法，采用“三維地球”模型進行量化展示［4］。從空間數(shù)據(jù)維度而言，三維立體化展示方法可用于分析行政區(qū)空間統(tǒng)計數(shù)據(jù)、空間網(wǎng)格統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及空間點位統(tǒng)計數(shù)據(jù)；從數(shù)據(jù)類型而言，可分析土地管理類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及與土地相關(guān)的人口、GDP等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)；從數(shù)據(jù)指標(biāo)而言，可分析例如農(nóng)用地面積、建設(shè)用地面積、未利用地面積、國有土地面積、集體土地面積、土地供應(yīng)面積、土地儲備面積、地類分布面積等土地核心指標(biāo)，以及與人口、時序值、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等疊加計算形成的人均值、變化量、變化幅度等衍生指標(biāo)。

對于大范圍的地圖文件，按照行政區(qū)進行聚合，劃分網(wǎng)格，按網(wǎng)格進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)的均一化處理；對于市縣等小范圍地圖文件，則直接進行數(shù)據(jù)均一化處理、格式轉(zhuǎn)換，由此形成三維可視化展示效果。具體技術(shù)路線如圖4所示。三維立體展示中以虛擬的三維地球為載體，以柱狀圖展示某一主題的量度，各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)可按照行政區(qū)劃、空間網(wǎng)格或點位信息進行三維空間的數(shù)據(jù)展示［5］。

圖4 網(wǎng)格指標(biāo)數(shù)據(jù)三維立體化表達技術(shù)路線Fig.4 Technical route for three-dimensional representation of grid index data

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于上述提出的系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)可視化表達技術(shù)路線，本文實現(xiàn)了相關(guān)的數(shù)據(jù)處理模型、算法，研發(fā)了可視化展示工具，下面對各個可視化展示方法的實現(xiàn)及其效果進行介紹。

2.1 土地利用變化流量流向展示

土地利用變化流量流向圖以用地類型為分析維度，通過不同的色塊表示各地類，以連線表示地類間的流向，即某一地類分別流向其他地類的情況；以連線的寬度代表地類的流量，即線條越寬，地類流量越大，線條越窄，地類流量越?。?］。流量流向圖為動態(tài)的展示圖，當(dāng)鼠標(biāo)移動到某地類流量流向圖上時，會突出顯示該地類具體流向線以及實際的流量數(shù)據(jù)，同時，利用數(shù)據(jù)列表，明確地展示地類的流向與流量。以選取的某試點區(qū)2013年初至2014年末土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)一級地類、二級地類流向圖為例展示土地利用變化情況流向圖。具體如圖5～6所示。2013年、2014年該區(qū)土地利用變化流量流向圖中，左側(cè)為2013年初各地類面積，中間代表2013年末各地類面積，右側(cè)為2014年末各地類面積，從線條寬度變化可以看出此階段各地類的變化情況，同時通過線條的連接方向，可以直觀地展示各地類的流向情況。

圖5 2013年和2014年土地利用變化一級地類流向Fig.5 Flow maps of land-use change of first-level types in 2013 and 2014

圖6 2013年和2014年土地利用變化二級地類流向Fig.6 Flow maps of land-use change of second-level types in 2013 and 2014

2.2 多年土地利用變化

以2007—2013年北京市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為例，利用Hadoop并行運算環(huán)境對多年土地利用變化數(shù)據(jù)進行多級柵格化、圖像視頻合成等處理步驟，生動展示了北京市土地利用現(xiàn)狀建設(shè)用地、農(nóng)用地、未利用地三大類數(shù)據(jù)空間分布變化情況，具體如圖7所示。2007—2013年北京市土地利用現(xiàn)狀變化視頻中，用不同的色塊代表不同的地類，當(dāng)視頻播放時，代表建設(shè)用地、農(nóng)用地、未利用地的色塊在不停地變換位置，直觀的展現(xiàn)了全市多年間建設(shè)用地、農(nóng)用地、未利用地的連續(xù)變化情況，從圖7中可以看出，多年間建設(shè)用地持續(xù)增加的趨勢與農(nóng)用地、未利用地不同階段的變化情況。

圖7 2007—2013年北京市土地利用變化Fig7 Video Map of Land Use Change in Beijing from 2007 to 2013

2.3 土地利用程度三維地球立體展示

借助Hadoop并行運算環(huán)境，對經(jīng)過網(wǎng)格化處理的空間統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行多年度、多行政區(qū)快速疊加聚合，再通過計算網(wǎng)格土地利用面積變化比和網(wǎng)格土地利用程度，以三維地球為載體展現(xiàn)各個網(wǎng)格的用地情況［7］，具體公式為：

①網(wǎng)格土地利用面積變化比

式（1）中，表示網(wǎng)格中第個地類在年的土地面積，是網(wǎng)格內(nèi)地類數(shù)，網(wǎng)格面積是該網(wǎng)格的土地總面積。

②網(wǎng)格土地利用程度

提前設(shè)定好各地類的用地程度系數(shù)，具體地類的土地利用程度計算公式為：

式（2）中，表示網(wǎng)格中第個地類在年的土地面積，是網(wǎng)格內(nèi)地類數(shù)，是第個地類的用地程度權(quán)重，網(wǎng)格面積是本網(wǎng)格的土地總面積。其計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同類型土地用地程度分級指數(shù)表Table 1 Classification index for different types of land use

土地利用變化比和土地用地程度均可以三維地球為載體展示。這里以2010年全國10分網(wǎng)格的土地用地程度為例，按照以上技術(shù)路線進行數(shù)據(jù)處理分析，展示全國網(wǎng)格的土地利用程度，具體如圖8所示。

圖8 2010年全國土地利用程度3D可視化Fig.8 3D visualizations of Chinese land use levels in 2010

2010年全國10分網(wǎng)格的土地用地程度三維展示圖中，通過柱狀圖來表示土地利用程度，柱子越高代表土地利用程度越大，柱子越密集代表土地開發(fā)程度越大。用戶可以通過參數(shù)選擇實時調(diào)整柱子高度，并可以進行單個立方柱的數(shù)值查詢。

3 結(jié)論

該研究基于土地利用管理實際業(yè)務(wù)，探索了多種新的土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)展示方式，證明可以將主流熱門技術(shù)與現(xiàn)有土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合，滿足大數(shù)據(jù)挖掘分析的直觀可視化表達的需求。同時，該項目形成的可視化控件成果為下一步開展深入分析研究和技術(shù)擴展提供了良好的基礎(chǔ)。Hadoop并行運算環(huán)境為進一步豐富了土地數(shù)據(jù)可視化分析展示手段準備了條件。但總體來看，目前土地利用變化可視化模型設(shè)計、組件研發(fā)還是初級的，下一步將擴展可視化展示模型，同時提升數(shù)據(jù)處理效率，進一步優(yōu)化組件展示效果，實現(xiàn)基于海量數(shù)據(jù)的實時可視化展示。