土地利用制图的元胞自动机运算研究

第一章绪论

1.1研究背景
可以说，不进行制图综合，就不可能制作地图”[l]。随着计算机及信息科学的飞速发展，GIS技术逐渐走向成熟，大大提高了地图制作的精度，缩短了地图成图周期，提高和改善了地图的适应性、现势性和用户的广泛性等，使得地图的生产与应用发生了质的变化。在资源调查、灾害预测、环境评估、地学研究、国土管理、城市规划、交通通讯、水利电力、国防、公共管理、统计及商业金融等专业领域中，地图制图与制图综合都是科学研究或工作成果提炼与展示的一个重要环节，随着地图制图从传统的手工制图逐渐发展到计算机地图制图，制图综合的方法也从人工综合向计算机自动综合发展。随着地图应用范围不断扩大，制图综合研究的重点也逐渐从普通地图制图转移到专题地图制图，并向综合制图、实用制图和系统制图的方向发展。地图制图综合一直以来都被称为地图学界的“国际难题”，是地图制图中必须解决而又未能很好解决的难题[3]。地图自动综合的实现，关键问题在于地图自动综合算法的研究[3]。但是由于制图综合问题本身的复杂性，使得制图综合方法的研究进展始终难以满足现实的需要。土地利用现状图是对一个地区一定时期内的土地利用情况的全面、系统的记录，包含了丰富的自然与社会属性信息，在宏观决策，规划管理，社会经济服务等方面发挥着重要作用。在经济社会快速发展的今天，土地利用现状图扮演着越来越重要的角色。近年来国家投入大量人力、物力、财力，开展了全国范围内的土地利用大调查与土地利用总体规划修编工作。土地利用现状图，无论是作为现状调查的逐级汇总成果还是作为土地利用规划的基础资料，都对土地利用制图综合的方法、精度和效率提出了明确的要求。因此，进行土地利用现状图的综合方法研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状
一直以来，国内外众多学者对地图制图综合算法进行了持续大量的研究，取得了丰硕的成果。随着计算机技术的飞速发展，地图学理论和地图制图技术发生了质的变化，制图综合也从传统的手工综合在地图自动综合发展。在数字条件下，制图综合的含义也在悄然发生变化，产生了许多新的概念，如地图制图综合(Carto盯即hieGeneralization)、地图综合(MaPGeneralization)、地图制图数据库综合(Cartog叩hieDatabaseGeneralization)、地理信息综合(Geogr即hiexnforlnationGeneralization)、空间数据综合(spatialnataGeneralization)、模型综合(Model一basedGeneralization)等。在这样的环境下，制图综合的研究方法也在不断发展。模糊数学、图论、数学形态学、分形数学、小波理论等的深入应用，对地图要素的选取、概括、位移、化简等问题的解决做出了重要贡献(何宗宜，2007)。Ceeeoni、Weibel和Ba-rrault(2002)研究了用MSDB(Multi一ScaleDatabase)和地图综合方法来解决多尺度空间数据在网络上传输的实时综合问题。毋河海(1996)进一步扩充和完善了他提出的结构化地图综合方法。此外，在近十年兴起的智能化制图综合的研究过程中，出现了如遗传算法(GA)、人工神经网络算法(ANN)、基于弹性力学的制图综合模型、基于Agent的制图综合模型等一系列富有极强创新性和生命力的制图综合方法。不难发现，以上提到的诸多制图综合的思想与算法主要集中在矢量数据模型的基础上，这也是矢量数据模型的特点决定的。
矢量数据是面向对象的，将现实世界抽象为点、线、面，并且矢量数据的制图综合算法对于定性和定量指标(如面积、距离、拓扑关系等)计算具有天然的优势，符合人的逻辑思维方式，因此，针对矢量数据的制图综合方法得到了最广泛的研究。但是，制图综合方法应当是广泛的，应当“面向不同的空间数据模型和不同的专题地图。上世纪80年代，Mo~nier提出了基于栅格模型的土地利用制图综合算法，首先将数学形态学的腐蚀算子应用于栅格数据模型的面状要素地图综合，并认为“栅格数据模型要比矢量数据模型更适合于土地利用/土地覆盖数据的计算机辅助制图综合。此后苏博和李志林对数学形态学运用于面状要素的制图综合进行了研究，探讨了基于栅格数据模型的要素化简、融合、移位等问题的处理方法，并建立了相应的数学模型踌。BeatPete:andRobertweibel在探讨了数学形态学方法应用于制图综合过程的基础上，深入研究了矢量与栅格数据相互转换的方法，使得基于栅格的制图综合方法能够同时适用于矢量与栅格数据。
 
   1.3 研究目的与内容 ....................12
    1.4 研究的创新点 ....................12-13
    1.5 论文组织 ....................13-15
第二章 土地利用制图综合的基本理论与方法 ....................15-29
    2.1 制图综合概述 ....................15-16 
    2.2 土地利用制图综合概述 ....................16-18
        2.2.1 土地利用制图综合 ....................16-17
        2.2.2 土地利用制图综合的原则与要求 ....................17-18
    2.3 数学形态学的基本理论与方法 ....................18-22
    2.4 元胞自动机的基本理论与方法 ....................22-26
    2.5 离散面群与连续面群 ....................26-29
第三章 数学形态学与元胞自动机相结合的土地利用制图综合方案........29-53
    3.1 土地利用制图综合方案的提出 ....................29-40
    3.2 数学形态学对土地利用数据的预处理 ....................40-43
        3.2.1 数据预处理 ....................40-43
        3.2.2 数学形态学用于土地利用制图综合的优缺点 ............43
    3.3 土地利用制图综合的元胞自动机运算 ....................43-50
    3.4 土地利用制图综合方案建立中的关键问题 ....................50-53
第四章 试验与结果分析 ....................53-75
    4.1 试验条件及准备 ....................53-55
    4.2 原始数据分析 ....................55-58
    4.3 试验参数的确定 ....................58-61
    4.4 试验关键技术与程序源码 ....................61-66
    4.5 试验结果与分析 ....................66-71
    4.6 ArcGIS软件制图综合对比试验 ....................71-74
    4.7 试验总结 ....................74-75

结论

将数学形态学运用于土地利用制图综合，通过建立数学形态学膨胀与腐蚀运算迭代次数与最小图斑距离之间明确的对应关系，实现土地利用制图综合程度的定量化控制，并获得较好的图斑聚合效果。但是数学形态学的运算是针对离散面群的，因此在其后处理(图层合并)过程中会产生一定量的细碎图斑。而元胞自动机的应用是针对连续面群的，通过元胞自动机的运算，不仅能够消除数学形态学运算产生的细碎图斑，而且能够较好的实现图斑边界化简和小图斑融合等处理。但单独使用元胞自动机的方法对于图形的聚合、概括能力有限，根据前人的研究表明，单独使用其中一种方法，难以达到制图综合的目的。本文提出的土地利用制图综合方案实现了数学形态学与元胞自动机两种方法的结合和离散面群处理与连续面群处理两个阶段的结合。试验结果表明，将这两种方法综合运用于土地利用的制图综合中，很好地实现了两者的优势互补，收到了较好综合效果。
本文提出的土地利用制图综合方案是基于栅格数据模型的，因此可以直接进行数学形态学运算和元胞自动机运算，运用数学形态学简洁高效的图形处理能力和元胞自动机“通过局部规则表达全局规律”的特点，实现土地利用的计算机自动综合。通过与利用AicGIS软件进行制图综合的对比试验，无论是从定量化的指标还是制图综合的图形化显示效果来看，本方案的综合结果都要优于AicGIS。

参考文献

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[5]郭庆胜，黄远林，郑春燕等.空间推理与渐进式地图综合
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