丰县国土资源局 江苏徐州 221700
摘要：智能化、自动化、现代化是大数据时代土地变更调查管理系统发展的必然趋势。根据土地变更系统更新复杂、自适应性差的问题，提出构建基于MLP神经网络的模型方法，将每个土地利用要素的变更判断过程设计成一个神经元，同类神经元组织成一个网络层，将所有网络层综合构成一个多层感知器更新策略判断模型，有效完成了变更类型与更新规则的自适应匹配。该模型可以模拟人脑思维，完成地类图斑、线状地物、零星地物以及地类界线变更归属类型、空间变更策略及属性同步更新策略的自动判断，减少了人机交互环节，提高了土地利用数据库更新的自动化水平与效率。
关键词：土地变更；MLP；更新模型；数据库系统
1引言
土地是人类安生立命之本，是人类赖以生存和发展的物质基础，然而我国土地资源，尤其是耕地资源稀缺，人均耕地面积仅为世界平均水平的三分之一[1-2]，耕地的监管保护刻不容缓。土地利用数据库则是各级政府部门土地利用监管的基础，土地利用数据库的现势性与质量直接决定国土监管的水平与效果。然而，土地利用数据库的更新却是一项极为复杂且费时、费力的工作[3-4]，已经成为影响国土监管的瓶颈问题之一。因此，研究土地利用数据库快速自动更新技术与方法，提高土地利用数据库的更新效率与质量，是各级国土部门亟待解决的重要问题之一。
多层感知器神经网络（multi-layer perceptron，MLP）具有自组织能力强、联想力丰富、容错能力高的特性，模拟人脑思维实现各类要素更新策略自动判断，构建各类土地利用自适应模型。针对增量更新模型和联动更新模型存在的主要问题，研究拟采用多层感知器神经网络，从拓扑、属性、联动等角度构建更新策略模型，集成于土地变更管理系统中。当更新规则变化时，通过神经网络的训练过程自适应更新规则而无需调整程序，提高土地变更管理系统的鲁棒性与易维护性。
2土地利用数据库更新规则研究
土地利用数据库变更根据更新要素的不同可分为：土地利用变更、土地权属变更与行政区划变更三种类型。每种更新类型又涉及若干个图层，如仅土地利用更新就涉及地类图斑层、线状地物层、零星地物层以及地类界线层。同时根据变更要素与地类图斑空间关系的不同以及地类图斑变更前后土地用途的不同，每一个要素所遵循的空间及属性更新策略各有所不同。土地利用数据，也称土地利用现状数据，主要分为地类图斑数据、线状地物数据、零星地物数据以及地类界线数据。每一类土地利用要素的变更都需要经过更新类型判断、空间数据处理与属性数据同步更新三个环节，每个环节有多种更新行为可供选择，同时每个行为的选择又受到多个因素的影响，且前一环节的输出对后续环节的选择产生直接影响。该种工作方式与多层连续神经网络的工作原理完全相同，因此此处设计采用多层前馈神经网络来实现土地利用要素更新策略的判断。具体更新流程如图1。
图1 土地利用数据库变更流程
3自适应更新模型的设计
3.1模型的设计思想
3.2应用于自适应更新的MLP网络结构设计
利用图斑数据、线状地物、零星数据进行土地利用要素进行土地变更数据库更新是变更数据库更新的核心内容。故土地利用数据库自适应更新模型应由地物图斑、线状地物和零星地物自适应更新模型组合而成，见图2。每类土地利用要素的更新一般需要经过变更类型判断、空间更新策略判断和属性更新策略判断3个环节，故MLP网络结构至少划分为3个层次，分别为输入层、更新归属类型判断层、空间更新策略判断层。土地变更自适应更新模型共需13个输入因子，其中地类图斑更新类型与策略判断参数3个、线状地物判断参数6个、零星地物判断参数4个，网络结构见图2，各影响因子见表1。
图2 土地变更自适应模型网络结构
3.3连接权与激励函数设置
3.3.1连接权设置
3.3.3模型的训练
土地利用数据库自适应更新模型学习目的是对自适应更新模型的判断网络连接权值进行调整，使得调整后的更新模型对任意变更调查土地利用要素输入都能给出相应的空间更新策略与属性更新策略。自适应更新模型的学习过程由正向计算与连接权反向调整两部分组成。正向计算是指计算每一类变更调查输入数据经土地利用数据库自适应更新模型作用后输出的空间更新策略与属性更新策略；反向调节是指修改自适应更新模型神经元之间的连接权值，以使得对于任意变更调查输入，经过模型计算后得到的输出策略达到期望误差的要求。
土地利用数据库自适应更新模型的学习方法是使用一组变更训练样本对自适应更新模型进行训练，每个样本中都包含了不同类型的变更调查数据及该数据的期望变更策略。正向计算时，仅将变更调查数据输入自适应更新模型，自适应更新模型首先对其变更归属类型进行判断，并据此给出其空间更新策略与属性更新策略。在正向计算中，输入信息决定变更归属类型，变更归属类型决定空间更新策略，空间更新策略影响属性更新方法，即每一层神经元对后一层神经元产生决定性影响。若输出的更新策略与期望值相同，则自动更新网络的连接权无需调整，否则就反向传播。
土地利用数据库自适应更新模型的反向传播是指将更新策略误差信号沿原计算路径反向回传，并根据网络类型按一定的规则对自适应更新模型的连接权值进行反向逐层修正，直至修改至第一隐含层。修正后，再次录入上一输入样本，重新利用自适应更新模型正向计算，如果自适应更新模型输出的更新策略与期望策略相同，则停止学习，否则需再次反向传播，修改权值。限于篇幅原因，此处仅给出第一层地类图斑的连接权训练结果，见表2-表4。
4数据库更新策略的自动判断
4.1变更输入条件分析
限于篇幅原因，此处仅以地类图斑更新为例。地类图斑自适应更新模型无法直接识别变更调查地块与土地利用数据中的地类图斑，必须先利用程序，将变更地块与地类图斑进行联合空间分析，并将其相互关系转换为变更地块与地类图斑边界是否重合、变更地块覆盖的地类图斑为单个还是多个以及是否涉及到新增建设用地或新增耕地情况三类参数。套合后变更地块与地类图斑的空间关系如图3，具体各类分析结果参见表5。
4.2变更策略的计算
将变更地块与地类图斑进行空间叠加，可知变更地块边界与地类图斑不完全重合、地块覆盖多个地类图斑，通过地类变换关系知，此次变更设计新增建设用地更新，故可得该地块变更的输入信号，如表5示。将输入信号带入网络模型。其中，地类图斑变更归属类型向量第4个分量为1，代表MP17神经元被激活，表示该地类图斑将发生综合变更。空间更新策略向量第6个分量为1，代表地类图斑空间更新策略的MK30神经元被激活，表示该地类图斑需先分割再分类合并；属性更新策略的第2个分量为1，代表属性变更MS41被激活，表示该地类图斑标识码需使用数据库最大号，图斑编号使用行政区最大号。计算后的更新策略如表6示。
5结论
针对变更类型与变更策略匹配的复杂性，将人工神经网络引入至更新策略判断领域，把每类土地利用要素的每一项判断行为与更新行为均设计成一个神经元，将所有同类神经元组织成一个更新策略判断层，将所有更新策略判断层连接成一个完整的MLP土地利用要素更新策略判断神经网络，即土地利用要素自适应更新模型；对MLP网络的各种训练方法进行了全面深入的分析，采集各要素变更样本数据，完成自适应更新模型的计算。该模型可以模拟人脑思维，完成地类图斑、线状地物、零星地物以及地类界线变更归属类型、空间变更策略及属性同步更新策略的自动判断，减少了人机交互环节，提高了土地利用数据库更新的自动化水平与效率。
参考文献：
[1]付恭华.中国粮食安全可持续性影响要素及对策分析[J].中共宁波市委党校学报，2013，35（5）：77-83.
[2]胡蓉，邱道持，谢德体，王昕亚，莫燕.我国耕地资源的资产价值核算研究[J].西南大学学报（自然科学版），2013，（11）：128-133.
[3]周晓光，陈军，蒋捷，朱建军.地籍地块间的空间拓扑关系[J].测绘学报，2003，32（4）：356-361.
[4]陈军，刘万增，张剑清，潘励.GIS数据库更新模型与方法研究进展[J].地理信息世界，2008，6（3）：12-16，32
[5]李海平，李卫，张爱娟.基于土地管理系统数据库的建设与应用研究.测绘与空间地理信息，2013，36（3）：86-89
[6]纪亚洲，顾和和，李保杰.基于多层感知器神经网络的土地利用数据库更新模型及应用.农业工程学报，2015，31（7）：227-237
[7]Jin S，Yang L，Danielson P，et al.A comprehensive change detection method for updating the national land cover database to circa 2011.Remote Sensing of Environment，2013，132（10）：159-175
[8]周晓光.基于拓扑关系的地籍数据库增量更新方法研究.测绘学报，2005，34（4）：372-372
[9]周晓光，陈军，李志林，等.基于欧拉数的地籍拓扑关系计算.测绘学报，2006，35（3）：291-298
[10]陈军，周晓光.基于拓扑联动的增量更新方法研究——以地籍数据库为例.测绘学报，2008，37（3）：58-73
[11]郭庆胜，刘小利，陈宇箭.线与线之间的空间拓扑关系组合推理.武汉大学学报（信息科学版），2006，31（1）：39-42
[12]何榕健，戴韫卓，杜震洪，等.一种多源矢量空间数据的联动增量更新模型.浙江大学学报（理学版），2013，40（5）：580-587
[13]张新长，郭泰圣，唐铁.一种自适应的矢量数据增量更新方法研究.2012高校GIS论坛2012：p.613-619
[14]易中凯，吴沧浦.前向多层感知器网络的逐层学习算法.北京理工大学学报，2001，21（4）：464-468
基金项目：江苏省测绘地理信息科研项目（JSCHKY201613）。
作者简介：朱波（1972-），男，工程师，研究方向3S技术集成及在国土管理领域的应用。
论文作者:朱波1,渠波2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/28
标签：模型论文; 土地利用论文; 策略论文; 自适应论文; 地物论文; 数据库论文; 要素论文; 《基层建设》2018年第3期论文;