基于GIS土地利用數據庫的設計與應用

張長勤，郭俊杰，孫力，董斌

（安徽農業大學理學院，安徽合肥230036）

基于GIS土地利用數據庫的設計與應用

張長勤，郭俊杰，孫力，董斌

（安徽農業大學理學院，安徽合肥230036）

文章以皖江示范區為研究對象，以土地利用評價數據庫設計為主要研究內容，基于GIS技術，通過對該區域社會、經濟、生態等需求的分析，以及對數學評價模型與空間數據動態關聯，實現土地評價功能。文章討論了土地利用評價空間數據庫構建的研究與設計，為皖江示范區土地可持續利用和規劃決策管理提供理論技術支撐。

數據庫設計；土地評價；主成分分析；皖江示范區

近年來，很多學者提出了基于GIS（Geographic Informa?tion System，地理信息系統）技術與數學模型相結合模式，進行土地利用分析與評價。然而，在土地利用分析與評價系統中，如何在GIS技術的支持下，建立適用于數學評價模型并負載屬性數據的空間數據庫是研究的重點。本文將GIS技術與土地利用分析、評價模型相結合，構建空間數據庫，為皖江示范區土地可持續利用與規劃、決策與管理提供大數據支撐。

一、“決策系統”數據庫構建的技術基礎

（一）GIS技術與空間數據庫技術

GIS是多種學科相互交融的產物，它以地理空間數據為基礎，采用地理模型分析方法，適時地提供多種空間的和動態的地理信息。GIS技術是對地理數據進行采集、輸入、存儲、更新、檢索以及綜合分析與輸出的計算機應用技術。它以計算機為工具，通過對地圖數據、遙感數據、統計調查數據等進行一系列空間操作與分析，從而給出綜合分析結果，并能以附加了分析結果的地圖進行展現。傳統的數學分析方法更多考慮的是時間因素，空間因素的分析受到局限；然而，為準確分析土地利用及變化發展狀況，必須將時間因素和空間因素結合考慮［1］。GIS技術的運用可揭示區域活動的空間組織形態，彌補了傳統區域分析的不足，其最關鍵的特性是能將各種與空間相關的數據與地理位置連接在一起，從而為土地利用的研究創建了綜合分析的平臺。

（二）關系數據模型

關系模型是根據數學概念建立的，它把數據的邏輯結構歸結為滿足一定條件的二維表形式。實體本身的信息以及實體之間的聯系均表現為二維表。一個實體由若干個關系組成，而關系表的集合就構成了關系模型。關系模型是由數據本身自然地建立它們之間的聯系，并且用關系數和關系運算來操作數據。

（三）空間數據庫引擎

ArcSDE是美國著名的地理信息研究機構ESRI推出的空間數據庫解決方案，它在現有的關系或對象關系型數據庫管理系統的基礎上進行空間擴展，可以將空間數據和非空間數據集成在絕大多數的商用RDBMS中。ArcSDE在與關系型數據庫的連接管理中，能夠很好地實現各種架構下的應用開發和擴展［2］。

（四）空間數據庫技術

空間數據庫技術是隨著GIS開發和應用逐漸發展起來的數據庫新技術。其目的是為了有效地利用衛星遙感等資源繪制出各種專題地圖。由于傳統的關系數據庫在空間數據的表示、存儲、管理、檢索上存在許多缺陷，從而形成了空間數據庫這一數據庫研究領域。一方面可將空間數據庫技術視為傳統數據庫技術的擴充；另一方面，空間數據庫突破了傳統數據庫的理論，其實質性發展必然導致理論上的創新［3］。

二、“決策系統”數據庫設計

（一）“決策系統”基本功能模塊與基本架構

根據國務院批復的《皖江城市帶承接產業轉移示范區規劃》，如何在發展區域經濟的同時對區域的土地綜合利用進行科學、合理地分析與評價是《皖江示范區土地利用動態監測、評價與支持決策管理信息系統》建設的主要目標。作為“決策系統”的基礎數據庫建設是以“決策系統”的基本功能和基本架構為中心構建的。用戶可通過人機交互界面，對“決策系統數據庫”中數據進行查詢、處理、分析及制圖輸出等操作，支撐皖江示范區土地利用情況的科學評價。其基本功能模塊如圖1所示，基本架構如圖2所示。

圖1 “決策系統”功能模塊劃分

圖2 “決策系統”構架

（二）數據集

（1）基本信息。“決策系統”所涉及的研究區域的數據基本分為空間數據和屬性數據兩大類。屬性數據包括59個縣或區的社會、經濟和生態數據；空間數據包括皖江示范區的矢量圖和各地區的生態景觀柵格圖。“決策系統”對其數據庫的要求較高，數據庫的建設不僅需包含皖江示范區所有土地信息，并能做到適時地、動態反應各種數據間的關系以及數據變化情況。

區域的生態景觀柵格圖用于展示不同年份土地景觀生態的變化情況，它作為生態評價的一個獨立模塊，分為1985年、2004年和2011年共3期的數據，柵格圖層包含建設用地、耕地、水域、林地、草地和未利用地六大地類，不僅體現出生態環境的改變，也為土地利用的變化提供依據。區域空間矢量圖用于定位各地區的空間位置，是土地評價的直觀反映，也是結果輸出必不可少的數據之一。

根據前期土地利用評價指標體系的建立，屬性數據的主要指標及層次關系如表1所示。屬性數據采用連續時間段存儲，存儲從2000年至2011年各地區的生態、經濟、社會數據。根據數據特征對數據的分類處理如圖3所示。

表1 屬性數據主要指標

圖3 數據分類

（2）基本信息模塊。基本信息模塊用于數據的錄入和查詢，包括縣級不同年份的社會經濟數據、生態數據以及景觀生態柵格圖。景觀柵格圖的生態指標主要有斑塊數據和景觀數據等，各數據如表2-5所示。

表2 各區域屬性

表3 1985年、2004年、2011年斑塊數據

表4 1985年、2004年、2011年土地利用景觀數據

表5 圖層區屬性

（三）數據分析方法

對于土地利用的分析與評價，需要多種土地利用模型和數學模型的運用和分析。“決策系統”主要作了以下幾個方面的分析：

（1）運用系統動力學模型［4］，建立所研究區域的“土地利用系統動力學模型”并進行計算機模擬。土地利用系統是一個復雜的動態系統，系統演替變化過程中有許多因子參與其中。通過對土地利用系統復雜行為的動態模擬，分析各因子之間的關系，確定動力因子。由于這些因子使得土地可持續發展能力與土地利用方式之間所具有反饋作用，從而能夠掌握土地利用系統行為的動態趨勢和客觀規律。土地利用評價是一個動態的過程，對土地問題的分析不僅要正確地評價土地利用的發展狀態，還需準確預測在未來較長時間段內土地利用的發展能力和變化趨勢，并及時反映對其施加調控的效果。基于系統動力學的土地利用評價將土地利用視為動態系統，認為系統的演變具有很多動力因子，這些因子使得土地可持續發展能力與土地利用方式間具有反饋作用。系統動力學強調系統、整體的觀點和聯系、發展、運動的觀點，非常適于研究復雜系統隨時間變化的問題。

土地利用的發展能力是通過土地利用的社會效益、經濟效益和生態效益是否協調正向發展來表征的。利用系統動力學模型評價土地利用SDA（Sustainable Development Ability，可持續發展能力）時，SDA被看作是一個狀態變量，動力因子：土地利用社會效益IS、經濟效益IE、生態效益IEn對SDA的影響被認為是流量變量，來自動力因子的積極影響增大，則SDA上升；消極影響增大則SDA下降。動力因子對SDA的影響取決于自身的值與被賦予的權重的大小，數學表達式如下：

變量WE、WS、WEn都是時間t的函數，并接受土地持續利用SDA值的影響而不斷變動。研究中將WE、WS、WEn假定為以綜合變量Im0為自變量的函數，IEn、IE、IS各自受到變量Im1、Im2、Im3的反饋影響，綜合變量Im0為變量Im1、Im2、Im3的函數。

實際運用中變量Im0通常用人均GDP來表征，因為人均GDP在國民經濟和社會運行中占有舉足輕重的地位，人均GDP數值的大小直接影響到政府的調控措施。變量Im1可以由森林覆蓋率土地質量等指標表示；Im2可以由土地經濟產出、人均建設用地面積等指標表示；Im3可以由人均耕地面積、基尼系數、就業率等指標表示。因而模型可演化為：

（2）運用層次分析法［5］、統計分析方法中的典型相關分析和主成分分析法等模型［6-7］，在建立和運行土地利用系統動力學模型的基礎上，進一步明確因子之間的關系，進行評價因子體系的建立和評價因子的篩選和確定。本文主要運用主成分分析法對土地利用所產生的經濟效益進行的評價。

在土地利用分析中，多變量問題是經常會遇到的，變量過多會增加分析問題的復雜性，而且在實際問題中，多個變量之間也具有一定的相關關系。主成分分析就是把原來多個變量化為少數幾個綜合指標的一種統計分析方法，使用這些較少的綜合指標不僅能盡可能多地反應原來較多指標所反應的信息，同時它們之間也是彼此獨立的。作為地理分析領域最常用的數學工具之一，主成分分析被廣泛應用于區域數據的趨勢分析及綜合評價等研究方向。主成分分析模型的基本原理如下：

假設有n個地理樣本，每個樣本有p個變量，它們構成一個n×p階矩陣。記原來的變量指標為x1，x2，…，xp，它們的綜合指標為z1，z2，…，zm(m≤) p，則

zi與zj(i≠j；i，j=1，2，…，m)相互無關；且z1是x1，x2，…，xp的一切線性組合中方差最大者，z2是與z1不相關的x1，x2，…，xp的所有線性組合中方差最大者，…，zm是與z1，z2，…，zm-1都不相關的x1，x2，…，xp的所有線性組合中方差最大者。新變量z1，z2，…，zm分別稱為原變量x1，x2，…，xp的第一，第二，…，第m主成分，他們在總方差中所占比例依次遞減。在實際問題研究中，常利用前幾個最大的主成分對問題進行分析，這不僅減少了變量的個數，又突出主要矛盾，簡化了變量間的關系。

（3）運用“土地利用/覆蓋變化”模型［8-9］，描述土地利用變化過程、解釋其成因機制、預測未來發展變化趨勢及環境影響。模型主要包括數量分析模型、土地利用動態度模型、空間分析模型和區域差異分析模型、土地利用結構預測模型等。并形成土地利用的洛倫茲曲線，進行土地利用的空間狀態分析。

（4）運用時間序列模型和回歸模型進行土地利用的變化趨勢分析［10］。在運用時間序列分析模型時，采用小波分析法進行小波閾值降噪；采用偏最小二乘分析建立回歸模型。有效地提高了模型的精度。

（四）土地評價和制圖輸出模塊

土地評價、預測和制圖輸出模塊是在GIS平臺上對數學模型進行前處理和后處理，前處理主要是從數據庫中取出輸入變量供模型計算，后處理主要是把特定格式的計算結果轉換為適合于GIS平臺的數據庫文件，實現數據庫文件和GIS的綁定以及對結果文件的展示［11］。模塊使用的圖層屬性如表5所示。

對于圖層屬性表中的排名、風險系數或閾值等字段初始設置為null，模型計算結果以記錄的形式插入表中。或者，在建庫時不使用這些字段，結果以插入字段的形式給圖層屬性表賦值。

三、“決策系統”數據庫的應用及功能檢驗

（一）數據分析

現以主成分分析法為例，對土地利用所產生的經濟效益進行評價。例如研究2011年安慶市下轄的7個縣和一個縣級市的土地經濟發展水平及其對安慶市的經濟貢獻程度。首先從“決策系統”數據庫提取用于分析的經濟數據，計算出各變量的相關系數，相關系數大于0.8，則認為變量之間具有較強或極強的正相關性。經研究，人均生產總值與人均財政收入、人均工業增加值、人均社會消費品零售總額都具有極強的正相關性。

運行“決策系統”中的主成分分析模型，其結果見表6-8。由表6可知，前兩個主成分的累計貢獻率已高達85.399%，故只需要求出第一、二主成分即可，它們能夠充分反映7個地區經濟發展的綜合水平。

表6 特征值及主成分貢獻率和累貢獻率

由主成分載荷值表7，可看出第一主成分在除人均農林牧漁業總產值和第三產業占GDP比重外的其余7個變量上具有很大的載荷，這些變量幾乎包含了區域經濟分析的主要指標，綜合性很強，這說明第一主成分在一定程度上代表著區域經濟的綜合發展水平。第二主成分在人均農林牧漁業總產值上具有較大載荷，說明第二主成分在一定程度上代表著農林牧漁業發展水平。

表7 主成分載荷值矩陣

8個區域在第一、二主成分上的得分以及綜合得分如表8所示，如果一個區域在某一主成分上的得分為正，則說明這一區域的該主成分在平均發展水平之上；反之，得分為負則說明在平均發展水平以下。表中綜合得分最高的是桐城市，其次是懷寧縣，它們的區域經濟綜合發展水平在這8個區域中處于領先地位，太湖縣、宿松縣和望江縣的經濟綜合發展水平最低。

表8 區域經濟發展水平的主成分得分

從“決策系統”數據庫中調取由2011年衛星遙感影像所生成的景觀生態數據，主要選用描述人類活動程度的周長-面積分維數①（PAFRAC）與生物多樣性的修正辛普森多樣性指數②（MSIDI）進行對比，結果見表9。同時，我們由“決策系統”計算了8個縣（縣級市）不同地類的區位熵，并引用未用地的區位熵，一并列入表9。

表9 經濟綜合水平排名與PAFRAC、MSIDI指數、未用地區位熵對比

（二）結果文件轉換成數據庫文件

運行“決策系統”中的土地利用評價模型，得到的結果是城市排名、風險系數或閾值等。利用區域名稱的對應關系可更新“決策系統”數據庫，將結果字段插入區域矢量圖的屬性文件中，實現結果文件與GIS的綁定。

（三）輸出專題圖

本系統是由ArcGIS Engine二次開發技術構建的，結果文件與GIS綁定后，由GIS的制圖或制表功能從數據庫取空間數據進行圖層渲染，利用IRendererFields接口的AddField方法對數據庫中的矢量數據操作，制作柱狀專題圖，輸出結果如圖4所示。圖4也反應了各縣對整個安慶市的經濟貢獻排名，對政府經濟政策的制定有一定指導作用。

圖4 2011年安慶各縣（市）經濟發展水平分級圖

四、結論與政策建議

（一）研究結論

（1）經研究并檢驗，筆者所在項目組設計的“皖江示范區土地利用數據庫”實現了預訂目標，功能和運行效率均能滿足“決策系統”的需求。將區域的地理信息與區域經濟、社會、生態信息集成為土地利用數據庫，能夠全方位地反映土地利用的狀況以及對社會經濟發展的影響，為政府相關部門的管理和決策提供有力的大數據支撐。而依托此數據庫，運用土地利用模型和相關數學模型對土地利用進行分析與評價，進一步增強了數據庫的使用效率。

（2）近幾年來，隨著數學模型和GIS技術在土地利用研究領域的廣泛應用，空間數據庫的種類也日益繁多，如何建立有效通用的空間數據庫也是現階段許多學者們研究的主要目標。同時，隨著管理部門對土地利用管理的愈加細化和深入，以及土地利用技術提高［12］，將對土地利用數據庫和評價系統提出更高要求，因此，引入新的設計理念和方法構建符合新的要求的土地利用數據庫和評價系統，十分必要。

（二）政策建議

根據安慶市下轄8個縣（縣級市）2011年屬性數據的主成分分析結果，可以看到該區域經濟發展具有較大的差異性，我們提出如下建議。

（1）綜合排名落后的太湖縣、宿松縣和望江縣地理位置相對較偏遠，經濟活躍程度較低（見表9第3列），經濟發展有一定的局限性。表9的第5列從另一側面也反映了這種狀況，太湖縣、宿松縣的未用地區位熵遠遠高于其他地方，這說明了當地地理條件的復雜性。建議加快推進新型城鎮化建設，改變當地的人口分布格局，從而促進生產方式與生活方式的改變，形成新的經濟環境和人文環境。

（2）安慶市的經濟布局顯然有著較大的差異。由于各地所處環境不同，建議經濟布局也應有多樣性，不追求趨同發展［13］。例如，排名落后的三個縣的生物多樣性具有一定的優勢（見表9第4列），而在進行新型城鎮化建設時應當保持和擴展這一優勢，注重生態文明建設［13］，建立健康有序的生態機制。各縣市之間應當具有良性互動、相互協調的機制，打造兼具經濟活力和較好生態環境的整體環境，促進全區域的可持續發展。

注釋：

①周長-面積分維數：反映景觀復雜程度的一個指標，PAFRAC越接近1，類型斑塊形狀越簡單，說明這個區域的人類活動相對較少；PAFRAC越接近2，類型斑塊形狀越復雜，說明這個區域的人類活動相對較多。

②修正辛普森多樣性指數：反映生物多樣性的一個指標，MSIDI的值越大，說明這個區域生物種群群落越豐富；MSIDI的值越小，說明這個區域生物多樣性程度越低。

［1］涂淑麗，陳斐.GIS在區域經濟分析中的應用［J］.理論導報，2005（11）：26－27.

［2］吳靜.ArcGIS 9.3 Desktop地理信息系統應用教程［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［3］畢碩本.空間數據庫教程［M］.北京：科學出版社，2013.

［4］Shen L Y，Wu Y Z，Chan E H W，et al.Application of system dynamics for assessment of sustainable performance of con?struction projects［J］.Journal of Zhejinag University Science，2005，6（4）：339-349.

［5］張鳳榮，王靜，陳百明，等.土地持續利用評價指標體系與方法［M］.北京:中國農業出版社，2003.

［6］張明.區域土地利用結構及其驅動力因子統計分析［J］.自然資源學報，1999，14（1）：381-384.

［7］靳曉雯，張宇，高和平，等.基于兩種數學模型的土地利用結構變化驅動力研究［J］.國土資源技術管理，2012（2）：77-83.

［8］葉慶華，劉高煥，陸洲，等.基于GIS的時空復合體——土地利用變化圖譜模型研究方法［J］.地理科學進展，2002，21 (4):349－357.

［9］王亮，黃義雄.平潭島土地利用變化信息圖譜研究［J］.福建農業科技，2013（1/2）：108-112.

［10］覃成林，鄭云峰，張華.我國區域經濟協調發展的趨勢及特征分析［J］.經濟地理，2013（1）：9-14.

［11］徐祖信，朱海亮，廖振良.水環境數學模型與GIS的集成研究［J］.環境污染與防治，2007（10）：785-788.

［12］李小燕.土地評價相關問題研究綜述［J］.陜西理工學院學報：社會科學版，2013（2）：76-79.

［13］王淑新，王根緒，王學定，等.生態文明建設實現形式的比較研究［J］.生態經濟，2013（11）：32－35.

［14］沈清基.論基于生態文明的新型城鎮化［J］.城市規劃學刊，2013（1）：29－34.

［責任編輯：歐世平］

Land Use Database Design and Application Based on GIS

ZHANG Chang-qin，GUO Jun-jie，SUN Li，DONG Bin
（College of Science，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China）

The paper，by taking the Wanjiang Demonstration Area as the research object and land use evaluation database de?sign as the main contents，achieves the functions of land evaluation based on GIS technology and the analyses on regional so?cial，economic and ecological needs as well as the dynamic correlation between mathematical evaluation model and spatial data. It also discusses research and design on the construction of land use evaluation spatial database，and provides theoretically tech?nical support for the sustainable use of land and planning and decision-making management of the Wanjiang Demonstration Area.

database design；land evaluation；principal component analysis；the Wanjiang Demonstration Area

F301

A

1007-5097（2014）06-0167-05

10.3969/j.issn.1007-5097.2014.06.031

2014-03-03

安徽省國土資源廳科技項目（2011-K-23；2012-K-24；2013-K-09）;安徽省高校省級自然科學研究項目（KJ2012Z108）

張長勤（1955-），女，安徽蕭縣人，副教授，碩士研究生導師，研究方向：數學模型與數據統計分析；

郭俊杰（1987-），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向：機器控制；

孫力（1958-），女，吉林長春人，教授，碩士生導師，研究方向:機器控制；

董斌（1970-），男，安徽懷寧人，教授，碩士生導師，研究方向:數據統計分析土地資源。