基于ArcGIS的回溯式單圖層土地利用規(guī)劃數據庫建設及其變量更新技術研究
——以重慶市酉陽縣為例

劉光鵬，莫 燕，魏世強，汪 鵬，曹 偉，劉學濤，4，劉 燕，2

（1.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716；2.重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院，重慶 400020；3.國家遙感應用工程技術中心重慶分中心，重慶 400020；4.酉陽土家族苗族自治縣國土資源和房屋管理局，重慶 409800）

基于ArcGIS的回溯式單圖層土地利用規(guī)劃數據庫建設及其變量更新技術研究
——以重慶市酉陽縣為例

劉光鵬1，莫 燕2，3，魏世強1，汪 鵬2，3，曹 偉2，3，劉學濤1，4，劉 燕1，2

（1.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716；2.重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院，重慶 400020；3.國家遙感應用工程技術中心重慶分中心，重慶 400020；4.酉陽土家族苗族自治縣國土資源和房屋管理局，重慶 409800）

研究目的：基于ArcGIS桌面平臺實現土地規(guī)劃調整等數據庫更新維護工作，設計優(yōu)秀的方法提高規(guī)劃庫更新的效率和質量。研究方法：數據結構、數學模型和軟件設計、工具集成、對比試驗。研究結果：（1）提出了回溯式單圖層土地利用規(guī)劃數據庫的概念并完成了其樣本數據結構設計；（2）在增量式更新的基礎上提出變量更新的方法并構建了數學模型和更新工具集；（3）以酉陽縣土地規(guī)劃數據庫為研究對象實現了低成本和高效率的土地規(guī)劃數據庫更新。研究結論：基于ArcGIS的回溯式單圖層數據庫更新方法能為各級土地規(guī)劃數據庫更新提供參考，是實現土地規(guī)劃數據庫交互式（半自動化）變量更新的基礎，成本低，效率快，質量高。

土地信息； ArcGIS； 回溯式； 單圖層； 變量更新

1 引言

土地利用規(guī)劃是實行土地用途管制的主要依據，是對具有基礎性地位的土地資源的一種宏觀管理方式[1]，而土地利用規(guī)劃數據庫是其不可或缺的重要組成部分，是國土資源基礎數據庫的核心，是土地管理及其相關工作的重要支撐數據，具有與土地規(guī)劃同等的法律效力。至2012年，重慶市新一輪土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）數據庫建設已全部完成。但在規(guī)劃實施過程當中，由于地區(qū)經濟社會的發(fā)展，落實預留指標項目、空間布局調整、行政區(qū)劃的調整等原因導致土地規(guī)劃調整、修改等工作逐漸增多，土地規(guī)劃數據庫也就不可能一成不變，而其建設在整個國土資源信息化建設中又占有舉足輕重的地位，是土地利用規(guī)劃管理方式實現信息化、自動化轉型的關鍵環(huán)節(jié)，所以其更新尤其重要，正如D.FRITSCH博士所言：當前GIS的核心已從數據生產轉為數據更新，數據更新關系著GIS的可持續(xù)發(fā)展[2]，土地利用規(guī)劃數據庫的更新也關系著土地管理和規(guī)劃實施的持續(xù)性。

近年來，國內學者提出了現勢拓撲重建更新[3-4]、拓撲重構的局部區(qū)域快速更新[5]、建模—識別—融合增量式更新[6]、基于事件的時空拓撲聯動增量更新[7-8]等方法來解決基礎地理空間、地籍及土地利用現狀等數據庫的更新。針對土地規(guī)劃數據庫更新方面除王曉蒙設計了基于AO的土地規(guī)劃表格更新程序[9]外，還沒有更多的研究成果。因此，尋求一種高效、高質、低成本的土地利用規(guī)劃數據庫更新方法就成為地方國土部門的迫切需要，在此背景下，本文提出了建立回溯式單圖層土地規(guī)劃數據庫和變量更新方法。

回溯式單圖層土地利用規(guī)劃數據庫是指讓土地規(guī)劃主要圖層（土地規(guī)劃地類）繼承基期信息，同時嫁接其他主要規(guī)劃圖層信息的一體化數據庫，一個圖層就承載了基期和規(guī)劃主要圖層所有信息的一種方法，它既是一個圖層，也是一個數據庫，通過GIS融合和分解方法能快速生成（回溯）其他主要的土地基期和規(guī)劃標準圖層，這種數據庫既有利于規(guī)劃占用（調入）的更新，也便于反演到基期（還原）狀態(tài)。而變量更新則是增量式更新的進一步延伸和完善，是指提取涉及發(fā)生變化的圖斑進行獨立更新，然后重新匯交到整體數據庫的一種方法。

2 研究基礎和思路

2.1 研究方法和思路

擬充分發(fā)掘GIS桌面產品功能，通過設計全信息承載的土地規(guī)劃地類圖層，建立回溯式土地利用規(guī)劃數據庫。在此基礎上構建變量更新標準化模型，通過集成GIS工具構建實現土地利用規(guī)劃數據庫的交互式更新工具集，具體技術路線如圖1所示。

圖1表明整個過程分為標準庫構建和更新2個部分，前者是基礎，后者是目的。首先對現有標準下的數據結構進行分析、歸并、篩選，通過繼承基期和標準土地規(guī)劃庫中的字段構造回溯數據結構，通過疊加分析嫁接其他要素信息，從而建立起單圖層土地規(guī)劃數據庫；其次將變化范圍圖層與單圖層數據庫疊加后提取其中涉及的圖斑并納入變量更新包中，通過圖斑分割、面積重算、誤差平衡、字段屬性變更完成核心過程；最后將更新后的圖層追加到單圖層土地規(guī)劃庫中實現土地規(guī)劃數據庫的變量更新。

圖1 研究方法技術路線圖Fig.1 The technology roadmap of research methods

2.2 平臺選擇

國土資源部要求土地規(guī)劃數據庫標準格式為Shapefile、Geodatabase或VCT（前兩種均是ESRI公司的ArcGIS軟件數據格式），土地規(guī)劃數據庫質檢軟件也是基于ArcEngine 9.3的二次開發(fā)。因此，為便于數據調用、存儲選擇ArcGIS Desktop作為研究平臺。

2.3 數據源與數據類型

研究數據來源于重慶市酉陽縣鄉(xiāng)級土地利用總體規(guī)劃數據庫和某一項目勘界范圍數據，數據庫類型選擇了File Geodatabase格式。File Geodatabase是一種基于二進制文件格式的GeoDatabase，這種數據存儲在文件系統的一個文件夾中，每個數據集都作為一個文件而存在，每個表文件的空間能夠達到1 TB[10]，所研究的區(qū)域酉陽縣是重慶市幅員面積最大的轄縣，因此選用GeoDatabase數據庫。

3 回溯式單圖層土地規(guī)劃數據庫構建

3.1 承載圖層的選擇

重慶市各區(qū)縣的土地規(guī)劃數據庫建設都是在《重慶市鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）級土地利用總體規(guī)劃數據庫標準》（以下簡稱《重慶標準》）框架下完成的。

分析表明，建設單圖層數據庫承載圖層需要滿足以下幾個條件：（1）面狀圖層；（2）是主要規(guī)劃信息圖層（3）便于嫁接其他圖層字段；（4）能快速回溯到基期圖層；（5）有利于面積的匯總與分解。主要面狀規(guī)劃要素見《重慶標準》。

通過對比《重慶標準》各要素的數據結構和主要規(guī)劃功能可知，土地規(guī)劃地類是反應土地規(guī)劃用途的主要圖層，它既繼承了部分基期現狀屬性，又是生成其他目標規(guī)劃要素的基礎，涉及相對較全的面積屬性，因此，選擇它作為承載圖層是最優(yōu)的選擇。

3.2 數據結構設計

被選擇為承載圖層后，土地規(guī)劃地類圖層要承載所有《重慶標準》中的各圖層信息，即需要全信息承載。因此它的數據結構必須考慮所有的面狀規(guī)劃要素和基期要素，可以定義一個函數來表示他們之間的關系：

式1中，i表示全域覆蓋要素的個數，n = 4（4個全域覆蓋要素：行政區(qū)、基期地類圖斑、土地用途區(qū)、土地規(guī)劃地類）；j表示局部覆蓋要素的個數，m = 7（除4個全域覆蓋要素外的其余7個局部覆蓋要素）；f（x）表示圖層的所有字段集合；C為常數（標識局部覆蓋要素字段）；f（xchange）為更新可能發(fā)生變化的字段集合；f（y）為需要修改的字段集合。

由式1可知，建立單圖層數據庫結構可以通過4級擴展的模式來實現。一級擴展為標識字段新建；二級擴展為其他要素字段復制；三級擴展為修改其他要素字段；四級擴展為回溯字段新建。

根據以上研究，設計了原始字段27個、一級擴展字段14個、二級擴展字段40個、三級擴展字段18個、四級擴展字段19個共計118個屬性字段，具體數據結構如表1所示（因原始字段和二級擴展字段均為《重慶標準》中的字段，一級和四級擴展均為記錄或判斷原規(guī)劃庫字段，故在此略）。

3.3 數據庫的建設

為保證數據庫在建設過程中不發(fā)生信息丟失，首先需要新建3個標準化數據庫：一是重慶標準版庫，二是回溯式單圖層庫，三是更新包庫；然后將建設好的原始鄉(xiāng)級土地利用總體規(guī)劃數據庫導入重慶標準版庫中，使其內部各圖層與土地規(guī)劃地類圖層進行一一疊加分析；第三，將面積重算后導入回溯式單圖層庫中；第四，通過“索引字段關聯—計算賦值”的方式完善回溯式單圖層土地利用規(guī)劃數據庫第二、三級擴展字段的信息；最后通過字段計算完成第四級擴展字段的屬性補充。

表1 回溯式單圖層數據庫三級擴展數據結構表（核心部分）Tab.1 The third extending data structure table of retrospective database of single layer （the main part）

4 變量更新模型設計及實現

4.1 變量更新包構建

變量更新包是變量更新模型的核心，所有更新的過程都在變量更新包中完成。考慮與回溯式單圖層土地規(guī)劃數據庫的映射及空間拓撲關系，變量更新包設計了2個圖層：變更范圍（BGFW）和涉及圖斑（TDGHDL_涉及圖斑）。BGFW圖層需包含可能發(fā)生變化的所有屬性字段并在創(chuàng)建后賦值，TDGHDL_涉及圖斑圖層則是完成繼承回溯式單圖層土地規(guī)劃地類圖層的屬性字段并增加調整方案編號（TZFABH）、調整方案類型（TZFALX）和圖斑調整類型（TBTZLX）三個存儲變更元數據信息的字符型字段。

4.2 變量更新數學模型設計

在更新包建設好后就是核心環(huán)節(jié)——更新。在回溯式單圖層土地規(guī)劃數據庫建設完成基礎上，可以實現快捷的更新，為此，設計了更新的數學模型。

4.2.1 涉及圖斑提取與分割

式2—式3中，A為單圖層數據庫全庫TDGHDL集合；B為更新范圍BGFW集合。BGFW和TDGHDL疊加后匯總后者的標識碼（bsm）集Ω，然后再TDGHDL數據庫中提取標識碼為Ω子集的所有圖斑記錄，即為涉及圖斑的集合，定義為A1，A集合剩余子集為A2（沒有涉及圖斑的集合）；A1與B交集為A1′∈A1即為變更區(qū)域，A1剩余子集為A1″，即圖斑被分割但規(guī)劃屬性沒有發(fā)生變化的部分。

4.2.2 分割圖斑的提取

選擇A1′中標識碼與A1″相同的圖斑集合，定義為集合C，即為發(fā)生了圖斑分割且規(guī)劃屬性發(fā)生變化的圖斑部分，A1′剩余子集為C′，即為保持原圖斑的完整性，但規(guī)劃屬性發(fā)生了變化。

4.2.3 規(guī)劃信息更新 根據4.2.1和4.2.2節(jié)得到的集合有A2、A1″、A1′（C、C′），其中需要對規(guī)劃屬性進行更新的有集合A1′，需要進行面積重算的有A1″和C。

（1）規(guī)劃屬性的更新。

綜合回溯式單圖層土地規(guī)劃數據庫的數據結構可知，涉及變化的屬性字段有規(guī)劃地類、管制分區(qū)、用途分區(qū)、是否劃定為基本農田、是否基本農田保護區(qū)（整備區(qū)）、是否土地整治重點區(qū)域和項目、是否重點建設項目設定這些字段為Fieldi（i = 1，2…）。

其中如果BGFW為還原基期地類的情況時，GHDLDM和GHDLMC兩個字段的計算公式為：

（2）面積字段的更新。

在完成式5—式7后就可以對集合A1″和C進行面積重算了。

主要的面積字段有圖斑面積（TBMJ）、線狀地物面積（XZDWMJ）、零星地物面積（LXDWMJ）、扣除地類面積（TKMJ）和規(guī)劃地類面積（GHDLMJ）或圖斑地類面積（TBDLMJ）。其余面積都是可以通過這幾類面積運算得到。集合D中bsm為x的圖斑有n個（代表在步驟（1）中該圖斑分割成了n個子圖斑），每個子圖斑的系統自動計算的Shapearea為S（xn）TBPMMJ，本文假設每個子圖斑的面積都大于等于400（國家標準最小上圖面積）則：

①TBMJ重算可以通過誤差平衡方法[10]來計算。

XZDWMJ誤差平衡同式10、式11。

因LXDWMJ沒有分割LXDW圖層，故不存在誤差問題。

④TKMJ重算為：

TKMJ誤差平衡同式10、式11。

⑤GHDLMJ（或TBDLMJ）重算，由①—④可知：

4.2.4 集合匯總與回溯 主要為將經過屬性和面積更新的集合重新合并形成最新的單圖層庫。

將最新的單圖層數據庫按圖2中的映射關系重新回溯到各個標準規(guī)劃圖層，整個圖庫更新就完成了。

4.3 變量更新實現

在ArcGIS Desktop平臺下的ArcToolbox工具集框架下新建工具集命名為“變量更新工具集”，然后通過M o d e l_ B u i l d e r設計了如“回溯式單圖層數據結構建設”等13個更新模塊，形成了更新工具集（圖2）。

圖2 回溯式單圖層數據庫變量更新工具集示意圖Fig.2 The variable updating toolset schematic diagram of retrospective database of single layer

5 應用和實踐

5.1 研究區(qū)域概況

酉陽土家族苗族自治縣是重慶市幅員面積最大的區(qū)縣，地理坐標為北緯28°19′28″—29°24′18″、東經108°18′25″—109°19′02″[11]，幅員面積5167 km2（根據第二次土地調查數據），東西寬98.3 km，南北長119.7 km。全縣轄桃花源等38個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）和青華林場，屬武陵山區(qū)，渝東南生態(tài)保護區(qū)，地勢中部高，東西兩側低，地形復雜，土地利用類型多樣，規(guī)劃多元化明顯，是縣域土地規(guī)劃整體更新的理想研究區(qū)域。

5.2 酉陽縣回溯式單圖層土地規(guī)劃數據庫

按照上述數據結構標準和建庫工具，新建3大標準數據并構建相應的規(guī)劃圖層，然后通過惟一標識碼提取涉及圖斑，結果如圖3所示。

圖3 酉陽縣回溯式單圖層標準數據庫示意圖Fig.3 The standard database diagram of retrospective database of single layer of Youyang County

5.3 酉陽縣回溯式單圖層土地規(guī)劃數據庫變量更新

按照4.2節(jié)模型設計順序利用4.3節(jié)工具NO.5—NO.13對5.2節(jié)建設好的標準庫進行更新。更新結果及前后對比如圖4所示。

圖4 酉陽縣回溯式單圖層標準數據庫更新前后對比圖（部分）Fig.4 The updating comparison chart between before and after of retrospective database of single layer of Youyang County

由圖4看到標識碼為13105031的圖斑沒有發(fā)生分割，但屬性（GHDLDM和GHDLMC等）發(fā)生了變化，而標識碼為13101345的圖斑分割成了4個子圖斑，其中3個是變更區(qū)域，1個子圖斑為非更新區(qū)域，故前3個屬性和面積都發(fā)生了更新，第4個僅僅是面積發(fā)生了更新。

5.4 酉陽縣回溯式單圖層土地規(guī)劃數據庫變量更新結果

5.4.1 變量更新數據質量 數據庫更新完成后，重新采用國土資源部土地規(guī)劃核查軟件進行核查，結論為合格，結果表明：（1）圖數完全一致，誤差實現了平衡；（2）各規(guī)劃圖層空間拓撲錯誤為0；（3）數據更新是高質量的。

5.4.2 變量更新效率 分3組對酉陽縣的數據更新進行了操作，第1組采用本方法和更新工具集，第2組采用全人工方法，第3組采用超圖更新專門軟件，結果表明：（1）1組整個更新過程約為5小時，遠小于2組（1整天），與3組大致相同；（2）1組各圖斑匯總面積與更新前完全一致，3組的面積誤差沒有實現平衡，有0.01的差額的較多，而且有諸如管制分區(qū)和用途分區(qū)與土地規(guī)劃地類邊界不完全一致的情況；（3）1組和2組沒有重新購買專業(yè)軟件成本，更新成本低廉。

6 結論與建議

土地規(guī)劃數據庫更新是地方國土主管部門的主要工作之一，通過設計回溯式單圖層土地利用規(guī)劃數據結構，采用圖層一體化的思想建設了全信息單圖層數據庫（土地規(guī)劃地類），并深入研究了變量更新數學模型，以此為理論支撐分解了更新過程并在ArcGIS Desktop平臺中使用Model_Builder構建數據更新工具集。通過3組對比試驗和自動化質量檢查報告表明此方法是實現鄉(xiāng)級土地規(guī)劃數據庫的低成本、高效率、高質量更新的優(yōu)秀方法。它不僅可以用作鄉(xiāng)級土地規(guī)劃數據庫的更新，還可直接用于建設土地規(guī)劃庫，進一步改進可以為下一步土地精細化規(guī)劃和更新（如村、社級土地利用詳細規(guī)劃）提供理論和實踐參考。

雖然變量更新的方法和設計的工具集在土地利用規(guī)劃數據庫建設和更新中有一定的優(yōu)勢，但還需要進一步優(yōu)化和改進：（1）進一步細化和集成工具集，以實現更新的全自動化；（2）優(yōu)化算法，進一步提高更新效率；（3）研究有碎圖斑存在的情況，提出線狀地物和零星地物面積與圖斑面積有邏輯沖突的解決方案。

（References）：

［1］安子明.土地規(guī)劃制度的權力結構分析——兼論以公民與人大為主導的土地規(guī)劃模式［J］.中國土地科學，2013，27（4）：22-28.

［2］FRITSCH D. GIS Data Revision-visions and Reality［R］. Keynote Speech in Joint ISPRS Commission Workshop on Dynamic and Multi-dimensional GIS. Beijing：NGCC，1999.

［3］蔣捷，陳軍.基礎地理信息數據庫更新的若干思考［J］.測繪通報，2000，（5）：1-3.

［4］劉言，周繼峰. ArcGIS下1∶10000土地利用數據庫的建立及更新［J］.信息科技，2005，19（2）：125-127.

［5］李傳君，王慶，關增社.基于GPS測量數據的GIS數據庫更新算法研究［J］.地理信息世界，2008，3（7）：10-12.

［6］林娜，王斌.空間數據庫增量式更新機制的研究［J］.測繪科學，2008，33（3）：198-200.

［7］周曉光.基于拓撲關系的地籍數據庫增量更新方法研究［J］.測繪學報，2012，40（2）：71-72.

［8］陳軍，周曉光.基于拓撲聯動的增量更新方法研究［J］.測繪學報，2008，37（3）：322-328.

［9］王曉蒙，楊慶媛，劉光鵬.基于AO的土地規(guī)劃表格更新程序設計與應用——以重慶市云陽縣鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）級土地利用總體規(guī)劃為例［J］.中國土地科學，2012，26（8）：10-16.

［10］何明軒，羅紅霞，劉光鵬，等.基于ArcGIS的土地利用總體規(guī)劃數據庫誤差平衡方法——以重慶奉節(jié)縣為例［J］.中國土地科學，2012，26（12）：76-80.

［11］酉陽縣土家族苗族自治縣人民政府.走進酉陽［EB/OL］. http：//youy.cq.gov.cn/zjyy/.

（本文責編：陳美景）

A Research on Construction and Variable Updating Technology of Retrospective Land-use Planning Database of Single Layer Based on ArcGIS: Taking Youyang County as an Example

LIU Guang-peng1, MO Yan2,3, WEI Shi-qiang1, WANG Peng2,3, CAO Wei2,3, LIU Xue-tao1,4, LIU Yan1,2
（1. College of Resources and Environments, Southwest University, Chongqing 400716, China; 2. Chongqing Institute of Surveying and Planning for Land Resources and Housing, Chongqing 400020, China; 3. Chongqing Engineering Research Center for Remote Sensing, Chongqing 400020, China; 4. Youyang County Land Resources and Housing Administrative Bureau, Chongqing 409800, China）

The purpose of this study is to achieve maintenance work on land use adjustment database updating, discussupdating standardization module construction, and improve updating efficiency and quality of plan library based on ArcGIS platform. Design of mathematical model and data structure, software, tool integration, and comparison tests are used in the paper. The study results could be shown in the following aspects, including 1） put forward the concept of retrospective landuse planning database of single-layer and completed its data structure design; 2） Proposed variable updating method based on the incremental updating, constructed the mathematical model and integrated the updating toolset; 3） it has completed land-use planning database updating with low cost and high efficiency. The conclusion of this study is that variable updating technology for retrospective land-use planning database of single-layer based on ArcGIS could provide a reference for landuse planning at all levels and achieve database automated update with low cost, fast efficiency and high quality.

land information; ArcGIS; retrospective; single-layer; variable updating

F301.2

A

1001-8158（2014）12-0071-08

2014-07-02

2014-09-15

重慶市國土資源和房屋管理局科技計劃項目（2010）171-19。

劉光鵬（1984-），男，四川資中人，博士，工程師。主要研究方向為遙感與GIS應用、國土資源規(guī)劃、地圖制圖、農業(yè)環(huán)境保護。E-mail: lgp007yl@163.com

魏世強（1963-），男，四川樂山人，研究員，博士生導師。主要研究方向為農業(yè)環(huán)境保護。E-mail: sqwei@swu.edu.cn