耦合点线面融合与属-图变化检测的土地利用地类高效追溯方法

孟凡荣、刘晓伟、李磊、黎韶光、赵越、仇巍巍、程立海、孔登魁 地球信息科学学报 · 2026 · 28(6): 1677-1688 自然资源部信息中心 建设用地审批 / 耕地占补平衡

本文面向国家建设用地审批中历史地类追溯需求,提出一种耦合点线面融合与属性—图形变化检测的土地利用地类高效追溯方法。该方法针对 2009—2018 年土地利用调查数据中面状图斑、线状地物和零星地物并存,以及全国尺度 TB 级数据计算压力大的问题,构建点线面并行追溯时空数据模型、属性优先的变化检测算法和基于 Spark 的分布式计算服务,实现了高精度、高效率、可业务化运行的地类追溯。

土地利用追溯 点线面融合 属-图变化检测 分布式计算 建设用地审批 耕地保护
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01 · 研究背景与问题

历史地类追溯是建设用地审批中的关键基础能力

第三次全国国土调查完成后,建设用地审批需要判断项目地块在历史年度中的土地利用类型。若追溯为耕地,则需严格落实耕地占补平衡。因此,如何在全国尺度、长时序、多图层土地调查数据上实现高效精确追溯,成为自然资源管理中的重要技术问题。

业务需求强

建设项目审批涉及无合法手续地块的历史地类核查,结果直接影响耕地占补平衡、用地合规性判断和自然资源监管。

数据结构复杂

2009—2018 年土地利用数据由地类图斑、线状地物和零星地物共同表达,不能简单等同为单一面状图层。

传统方法低效

全量构面法预处理成本高、易产生碎图斑,且单机空间叠加难以支撑全国 TB 级数据和高并发业务请求。


02 · 方法框架

点线面并行建模 + 属性优先检测 + 分布式计算

论文从数据模型、变化检测和计算架构三个层面协同优化:既保留原始调查数据逻辑,又减少不必要的空间运算,并利用分布式环境提升全国尺度分析效率。

M1
点线面图层并行追溯时空数据模型

对地类图斑、线状地物和零星地物进行一体化管理。追溯过程从 2018 年逐年向前推至 2009 年,在线状地物和零星地物图斑化基础上重建空间扣减关系,并赋予唯一对象编码。

地类图斑 线状地物 零星地物 唯一编码
M2
属性—图形地类时空变化检测

以要素标识码、地类编码、地类面积等核心属性为稳定判断依据。若属性一致,则判定图形未变并直接继承上一年度结果;若属性变化,才执行空间叠加、面积重算和变更行为记录。

属性优先 跳过冗余叠加 变化触发计算 碎图斑抑制
M3
基于 Spark 的高性能分布式服务

构建任务调度层、分布式计算层和数据存储层,将叠加分析、缓冲区分析、擦除分析等封装为分布式空间算子,支持全国尺度多项目并发追溯。

Spark 分布式算子 并行子任务 国家级服务

追溯逻辑表达

对任一追溯年份 t,模型可概括为:利用年份 t 的原始点、线、面数据,与 t+1 年追溯结果的几何信息进行重构,完成打散、空间关联、属性继承和对象编码。

方法关键优势

  • 不强制把所有数据预先构面,减少预处理成本。
  • 保留调查数据原始表达逻辑,降低面积精度损失。
  • 将空间叠加限定在真正发生变化的对象上。
  • 适配全国尺度长时序自然资源管理业务。

03 · 实验结果与验证

效率提升近百倍,精度满足业务生产要求

研究在中国 31 个省份范围内抽取 10 个典型建设项目进行验证,项目类型涵盖交通、水利和能源等。结果显示,该方法在效率和精度两方面均显著优于传统全量构面方法。

31
覆盖省份
10
典型验证项目
95×
效率提升倍数
100%
图斑核验一致率

计算效率验证

  • 以跨市县最多的 XM-007 项目为例,传统全量构面法需 48 小时。
  • 本文方法在分布式计算与属-图检测支持下仅需 0.5 小时。
  • 样例地块 10 年时序中仅 2014—2015 年发生变化。
  • 空间运算次数由 9 次降为 1 次,降幅约 89%。

精度验证

  • 通过 ArcGIS 人工核验 114 个图斑,核验一致率达到 100%。
  • 追溯前后总面积差异为 76.96 平方米。
  • 总面积差异率小于 0.03‰,显著优于 1‰ 的业务容差标准。
  • 微小偏差主要来自线状地物缓冲区几何面积与属性理论面积差异。
核心发现:在长时序土地利用追溯中,并非每一年、每一个图斑都需要执行昂贵的空间叠加。通过属性优先判断,可将计算资源集中于真正发生变化的对象,从而同时提升效率并减少碎图斑误差。

04 · 结论与启示

面向自然资源业务的 GIS 算法需要兼顾数据逻辑、计算效率与生产可靠性

本文不仅提出了土地利用地类追溯算法,也展示了自然资源业务系统中地理信息技术工程化落地的典型路径:尊重原始调查数据结构,减少不必要计算,并将算法部署到可扩展的分布式架构中。

模型层面

点线面并行时空模型完整保留了原始土地调查逻辑,避免全量构面带来的数据膨胀、碎图斑和面积精度损失。

算法层面

属性优先的变化检测策略显著减少空间叠加运算,将地类追溯从全量计算转变为变化驱动计算。

应用层面

分布式高性能分析服务能够支撑国家级建设用地审批,为耕地保护和国土空间治理提供技术保障。

实践建议

  • 建设用地审批系统应优先采用变化驱动的地类追溯机制。
  • 全国尺度自然资源业务应建立统一索引与分布式空间计算框架。
  • 对点线面混合表达的数据,应避免过度简化为单一面状模型。

未来方向

  • 研究碎图斑精细化合并规则,提升追溯结果可视化表达效果。
  • 构建时空演变可视化系统,支持地块历史路径动态推演。
  • 进一步降低线状地物图斑化处理带来的面积误差。