基于GIS平臺的土地整治規劃空間數據庫建設及應用

胡高飛 秦漪航 楊成波 王永啟

摘要 地理信息系統（GIS）是實現土地整治規劃信息化、技術化和科學化的重要技術手段，在數據庫管理、空間分析和整治工程項目選址布局決策等方面優勢明顯。該研究基于ArcGIS平臺，詳細介紹了縣級土地整治規劃數據庫的建設過程，并結合實踐經驗，對數據庫的應用管理進行探討，為土地整治規劃信息化管理建設提供參考。

關鍵詞 數據庫建設；應用；ArcGIS

中圖分類號 S127 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-350-05

我國大規模、有組織開展土地整治工作僅有十余年時間，伴隨著生產力水平的快速提升，科學技術的突飛猛進，工業化、城市化進程的不斷加快，農村土地整治在范圍上已由分散的土地開發整理向集中連片的田、水、路、林、村綜合整治轉變[1]；在內涵上已由增加耕地數量為主向增加耕地數量、提高耕地質量、改善生態環境并重轉變；在目標上已由單純地補充耕地向建設性保護耕地與推進新農村建設和城鄉統籌相結合轉變[2]。

相應的，傳統的土地整治項目的手工管理模式已不適應時代要求，隨著土地整治項目申報數量的增加，項目資料存放散亂，項目審批無參照依據、項目信息查閱困難等現象日趨明顯。因此，推進土地整治規劃管理信息化，建設土地整治規劃數據庫，是新時期適應土地整治戰略及目標的重要舉措。在國土資源部土地整治中心召開的土地整治規劃建庫工作專家研討會上，多位專家建議土地整治規劃數據庫除存儲和處理規劃信息外，還應發揮更核心的作用[3]。土地整治規劃數據庫建設既是實施土地整治規劃及戰略的工具和手段，也是推行信息公開制度的重要保障。當前應在加快部署地方試點的基礎上，盡快啟動全國土地整治規劃數據庫建設。

筆者以縣級土地整治規劃空間數據庫建庫為案例，結合《縣級土地整治規劃編制規程》（TD/T1035-2013），從土地整治規劃空間數據庫與土地利用總體規劃銜接關系，并考量建庫對土地整治項目布局選址的參照需求、數據庫管理與查詢等多方面因素，研究土地整治規劃空間數據庫的建設與應用。

1 研究綜述

1.1 空間數據庫概述 20世紀70年代，空間數據庫的研究已經開始步入人們視野，起初的研究目的是利用衛星系統定位土地資源，達到可以快速有效繪制各類專用地圖的目標[4]。然而傳統數據庫在空間數據的存儲、檢索和管理上存在諸多缺陷，因此建設空間數據庫是必然的。空間數據庫是通過利用關系型數據管理系統管理空間數據，可以實現對數據庫中的空間數據和應用程序間的數據接口問題的解決。換句話說，空間數據庫主要用于解決關系數據庫中空間數據對象幾何屬性的存儲以及提取問題。空間數據庫的主要任務為：①采用關系數據庫對空間數據進行存儲管理；②從關系數據庫中讀取空間數據，并將此數據轉換成GIS應用程序可接收、實現的形式；③將GIS應用程序中的數據傳輸到空間數據庫，并對其進行管理。

1.2 土地整治規劃空間數據庫發展情況 為了強化土地管理業務，加強土地信息管理的基礎建設和信息化建設，提高土地管理水平，我國在土地利用的數據庫建設方面提出了一系列的政策措施，隨著“數字國土工程”、“金土工程”以及第二次全國土地調查的開展，目前也已經基本形成了一定規模的土地利用基礎數據庫[5-7]。結合全國第二次土地調查工作，連通“國家-省-市-縣”4級土地調查數據庫的建立及應用更使得土地信息化研究有了進一步的發展[8-9]。已經完成的土地利用規劃數據庫建設以及針對土地利用規劃數據庫建設的研究，也加快了土地管理信息化的步伐[10-15]。

目前，土地整治與新農村建設相結合，與高標準基本農田建設相結合，也使得土地整治進入了一個新的發展階段，整治領域在拓寬、整治內涵不斷擴大[8]。對于土地整治規劃數據庫，從國家到地方都給予高度關注。2013年3月7日，在國土資源部土地整治中心召開的土地整治規劃建庫工作專家研討會上，多位專家建議，應盡快啟動土地整治規劃國家層面的建庫建設，加快土地利用現狀、城鎮地籍、土地利用總體規劃、基本農田、農用地分等與耕地質量、土地整治規劃等土地基礎數據庫建設與維護[3]。2012年3月，《全國土地整治規劃（2011-2015年）》獲國務院批準實施后，國土資源部下發《關于加快編制和實施土地整治規劃大力推進高標準基本農田建設的通知》，明確要求同步建設土地整治規劃與實施管理數據庫[16]。

實際上，對于土地利用方面的數據庫建設，各個國家都給予了充分的重視，土地利用數據庫建設和利用是科學管理、合理利用土地資源的必然要求，也是土地管理工作融合到現代信息科學的必然趨勢。美國、英國、法國等國家基本上都建立了以數字地形模型為基礎的數據庫；瑞典、德國、荷蘭等歐洲國家建立地理數據庫時間也較早；澳大利亞建立的土地資源評價信息系統， 可輸出土地管理所需要的各種數據；俄羅斯、波蘭、加拿大等國家也建立了相應的土地整治規劃數據庫[17]。

資料顯示，國外的土地利用數據庫建設時間較早，在土地信息化管理中形成了一定的經驗，國內的土地利用數據庫建設雖然起步晚，但是發展比較迅速。目前，土地整治規劃數據庫的研究處于起始階段，最新一輪土地整治規劃為空間數據庫建設研究提供了一個難得的契機。

2 基于管理化需求的數據庫建設分析

當前，土地整治規劃已上升為國家層面的戰略部署[2]，土地整治規劃數據庫的建設能有效地解決土地整治項目選址的盲目性和隨意性、項目片塊過于分散或過多、項目實施的時序安排不盡合理等問題，通過用戶調查確定數據庫的受面群體，使數據庫建設者對用戶要實現的功能需求，所要達到的目標期望進行了解，對數據庫建設的現有條件特別是數據條件進行了解，從而確定數據庫的目標、功能、結構和數據模型。這是數據庫建設的基礎，其中用戶對數據庫的功能需求是需求調查中的重要內容。土地整治規劃空間數據庫用戶主要希望數據庫能滿足以下要求：銜接土地利用總體規劃數據庫；盡可能實現屬性數據與空間集成管理，為規劃管理提供所需的統一的、標準的、規范的、多層次的結果；系統界面友好，操作簡單易學。

3 土地整治規劃空間數據庫建設研究

根據管理化需求的數據庫建設分析結果，土地整治規劃空間數據庫在建設過程中應注意關系型數據管理系統基礎條件的搭建，以及規劃數據庫作為一個集成數據查詢與監管平臺必要因素的考量。規劃空間數據庫主要基于土地整治規劃與上輪土地整治規劃以及其他規劃的銜接，并參考土地整治規劃潛力評價結果，綜合分析后構建土地整治規劃空間數據庫。

3.1 土地整治規劃時點現狀數據庫構建 最新一輪土地整治規劃規劃期為10年，規劃控制目標近期為2015年、遠期為2020年。規劃數據應以第二次全國土地調查及2010年土地變更調查為數據基礎，再按土地規劃分類轉換，形成規劃基數，并同土地利用總體規劃基數保持一致。土地整治規劃現狀數據庫應涵蓋2010土地變更調查數據、土地利用總體規劃數據、規劃基期年（包括基期年）之前已竣工驗收項目基本信息和項目工程量匯總信息，技術流程如圖1所示。現狀數據庫的建設對上輪土地開發整理規劃實施的評價、本輪土地整治潛力分析及規劃工程項目選址布局提供了數據來源及參考依據。

3.1.1 基礎資料內容。

主要包括2010年土地利用變更調查數據庫（至少應包含地類圖斑、線狀地物、零星地物層）及變更調查二級地類面積匯總表、土地利用總體規劃現勢數據庫（至少應包含土地規劃地類層、建設用地管制區層）、上輪已竣工驗收項目基本信息和項目工程量匯總信息及項目對應范圍線。

3.1.2 數據格式轉換。

數據庫建設以ArcGIS平臺為技術支撐，數據格式均為shape files。主要存在2種數據格式的轉換，一為MapGIS數據格式（.wp/.wl/.wt），二為CAD數據格式（.dwg/.dxf）。

在MapGIS數據格式轉換過程中，當數據量較大時容易發生屬性丟失及屬性出現亂碼等情況，空間信息和屬性信息錯位或者不能識別等情況，所以在數據轉換過程中應注意轉換前后數據的一致性與轉后數據的幾何關系正確性，在實踐中可按照下述適用性較強的操作方法以解決上述問題。需要準備的軟件有MapGIS6.7、Map2Shp桌面版、ArcGIS，MapGIS數據格式通過MapGIS6.7平臺下圖形處理菜單中的文件轉換工具轉出的shape files文件，存在屬性出現亂碼等情況，但幾何圖形可正常顯示。因shape files是ESRI提供的一種矢量數據格式，一個shape files由一組文件組成，其中必要的基本文件包括主文件即坐標文件（.shp）、索引文件（.shx）和屬性文件（.dbf），可判斷MapGIS6.7平臺轉出的shape文件為屬性文件（.dbf）出現錯誤；通過Map2Shp桌面版由MapGIS格式轉出的shape文件經鑒定，屬性文件正確，但其幾何圖形出現錯誤，所以用后者的屬性文件（.dbf）替換前者，通過ArcGIS平臺中的Repair Geometry工具對替換過屬性文件的shape files文件進行幾何修復，確保文件幾何關系正確。

在CAD（.dwg/.dxf）數據格式轉為shape files格式時，可直接采用ArcGIS 平臺中的CAD To Geodatabade工具將CAD文件導入地理數據庫后，再導出shape files格式文件。

3.1.3 空間疊加分析。

土地整治規劃現狀數據庫整合了2010年變更調查數據庫地類圖斑信息、土地利用總體規劃數據庫規劃地類及空間管制區信息及上輪已竣工驗收項目工程信息，如何正確地處理各類信息的疊加是數據庫建設的關鍵點，在疊加過程中一般要注意以下幾點：①經空間疊加分析后的各圖層要保持良好的拓撲關系，新增的要素層入庫時，可能有自相交、重疊等拓撲錯誤，可以通過Check Geometry和Repair Geometry進行檢查修復，并在Geodatabase中建設拓撲規則檢查并修復拓撲錯誤；②空間疊加前后轄區控制面積必須與2010年土地利用變更調查數據庫地類圖斑層一直。圖斑面積即為轄區控制面積，疊加前在地類圖斑層屬性表結構中建立OLD-Area、OLD-TBMJ等中間過程字段。疊加后通過比例法計算圖斑面積，以保證空間疊加分析前后圖斑面積總和一致。

土地利用總體規劃數據庫中建設用地管制區層是在土地規劃地類層的基礎上融合而成，其圖斑邊界包含于土地規劃地類層圖斑邊界。ArcGIS平臺中Identity工具通過計算輸入要素和標識要素的幾何交集，與標識要素重疊的輸入要素或輸入要素的一部分將獲得這些標識要素的屬性。所以通過Identity工具，將土地規劃地類層設為輸入要素，建設用地管制區層設為標識要素，輸出要素命名為“土規要素層”；繼續Identity工具操作，將經數據格式轉換后的土地利用變更調查數據庫中地類圖斑層設為輸入要素，土規要素層設為標識要素，輸出要素命名為“土地整治規劃現狀數據庫基礎層”。土地整治規劃現狀數據庫基礎層已涵蓋2010年變更調查與土地利用總體規劃相關信息，重復Identity工具操作，將上輪已竣工驗收項目工程層設為標識要素，即輸出土地整治規劃現狀數據庫。經過空間分析操作后的土地整治規劃現狀數據庫存在多部件元素，需進行打散（Explode Multipart Feature）操作。

3.1.4 面積量算。

面積量算是數據庫構建的核心環節，需要面積量算的主要有圖斑面積、線狀地物面積、零星地物面積、田坎面積、圖斑地類面積，其中圖斑地類面積=圖斑面積-線狀地物面積-零星地物面積-田坎面積，田坎面積=（圖斑面積-線狀地物面積-零星地物面積）×田坎系數。

經過空間疊加標識后，圖斑經過切割，圖斑面積發生變化，經過圖斑的線狀地物在圖斑之間需要重新分配面積。在面積量算中應注意幾點問題：

第一，由于圖斑面積是橢球面積，在不同操作平臺計算得出的數據存在差異，所以圖斑面積應采用比例法進行量算，公式為：

TBMJ=OLD-TBMJ×（Shape-Area/OLD-Area）

式中，Shape-Area為經過Identity操作并打散后幾何計算面積；OLD-Area為原2010年土地利用變更調查地類圖斑幾何計算面積。

第二，線狀地物面積如按比例法計算存在偏差，所以需要一種科學的方法合理分配面積。線狀地物與圖斑存在2種關系：一種是線狀地物完全位于圖斑內部，線狀地物的扣除比例為1，即線狀地物面積=S線；一種是線狀地物與圖斑邊界共線，線狀地物的扣除比例為0.5，即線狀地物面積=0.5×S線。根據線狀地物與圖斑的關系，當土地整治規劃現狀數據庫完成拓撲檢查后，重新分配線狀地物面積主要有以下步驟：

（1）對土地整治規劃數據庫層進行圖斑編號唯一值編號。

（2）以線狀地物層為輸入要素，土地整治規劃現狀數據庫層為標識要素，進行Identity操作，注意勾選Keep Relationships，輸出要輸會包含2個附加字段——LEFT_poly和RIGHT_poly，這些字段包含線要素左側和右側的標識要素屬性。標識輸出要素類命名為“線狀地物-1”，對字段進行整理，保留新生成的LEFT_TBBH、RIGHT_TBBH字段。

（3）根據新生成的LEFT_TBBH、RIGHT_TBBH字段對“線狀地物-1”層的扣除比例字段重新賦值，當LEFT_ TBBH =RIGHT_ TBBH時，扣除比例賦值為1，并任意清除“LEFT_序號”、“RIGHT_序號”中的一個字段值，其余均賦值為0.5。重算“線狀地物-1”層的線狀地物面積（用Field Calculator計算線物幾何長度，線狀地物面積=長度×寬度×扣除比例）。

（4）導出“線狀地物-1”層屬性表，在Office Excel中以TBBH為列，線狀地物地類名稱為行，對LEFT_TBBH、RIGHT_TBBH字段進行整合，線狀地物面積按TBBH與地類名稱合并匯總。根據TBBH字段應用ArcGIS屬性表Jion工具，把重算后的線物面積連接入土地整治現狀數據庫層中，并且附入線狀地物面積對應的地類名稱。

經過上述操作步驟，完成現狀數據庫的建設，主要包括2010年土地利用變更調查數據、土地利用總體規劃數據以及上輪已竣工驗收項目信息。

3.2 土地整治規劃潛力數據庫的構建 土地整治潛力是在一定時期、一定生產力水平及某種既定用途下，在行政、經濟、法律和技術等方面采取一系列措施，使土地資源在提高利用率與產出率的基礎上，增加可利用土地面積、改善生態環境的能力。在土地整治規劃潛力數據庫中包括農用地整理潛力、高標準基本農田建設潛力、農村建設用地整理潛力、城鎮工礦建設用地整理潛力、土地復墾潛力、宜耕后備土地資源開發潛力等6類。

潛力數據庫的構建是以潛力評價成果為基礎，以參加潛力評價行政村為圖斑單元，通過字段唯一值進行屬性表連接，構成潛力數據庫。而潛力評價應在分析各級土地利用總體規劃確定的建設用地空間管制要求、重要生態功能區布局、歷史文化村鎮保護及地形坡度條件的基礎上，明確可開展土地整治工作的范圍以及土地整治工作的重點方向，所以現狀數據庫為潛力評價工作的開展提供了有利的條件。在確定土地整治潛力評價區域范圍時應以現狀數據庫為基礎，按照與土地利用總體規劃要求一致的原則，扣除區縣土地利用總體規劃確定的新增建設用地、有條件建設區、自然與歷史文化遺產保護區和生態環境安全控制區，及已竣工土地整治項目等的紅線范圍內的土地面積，確定開展土地整治潛力分析評價的土地資源規模范圍。

3.3 土地整治規劃基礎數據庫的構建 規劃基礎數據庫的構建是在土地整治規劃現狀數據庫與潛力數據庫完成的基礎上，進行兩庫的空間疊加分析（Spatial Join：根據空間關系將一個要素類的屬性連接到另一個要素類的屬性，目標要素和來自連接要素的被連接屬性寫入到輸出要素類），以現狀數據庫為目標要素，潛力數據庫為連接要素，完成空間連接操作，輸出規劃基礎數據庫。

土地整治規劃基礎數據庫包含了土地利用變更調查、土地利用總體規劃、土地整治潛力等信息，不僅為土地整治規劃的項目規劃布局提供的有利的參考信息，而且為土地整治規劃數據庫的應用鋪設了基礎。

3.4 土地整治規劃數據庫的構建 以土地整治規劃基礎庫為基礎，提取土地整治潛力、坡度、現狀及規劃等信息，明確土地整治分區，土地整治分區最直接的目的是明確各區土地整治方向和重點，在簡明介紹各區的自然條件、經濟社會條件和土地資源優勢的基礎上，確定區域土地整治的現狀、特點、經驗及問題，解釋各區土地整治的發展方向和重點內容，實行差別化管理。并針對各個區域整治條件的一致性和差異性，設定不同的整治目標，提出相應的整治措施，結合規劃期內擬完成的土地整治工程任務，確定項目片區分布，進一步將各類性質的工程項目合理的安排在不同的整治片區中。

在對項目選址布局落實中，盡量以圖斑、權屬單位邊界為準，在項目布局全部落實到規劃基礎庫后，進行統計項目規模，項目規模是指規劃土地整治項目范圍線內可參與土地整理地類總面積值。在計算項目規模前，參照現狀數據庫面積量算方法進行面積量算；量算面積后，按照項目名稱根據地類篩選匯總項目規模；根據潛力評價成果，確定各個區域及各類工程項目新增耕地系數，并計算新增耕地規模；進行投入資金估算；最后完成規劃項目信息的完善，統計出表。

土地整治規劃數據庫的構建以規劃工程項目范圍面為圖斑單元進行數據庫構建，根據項目信息表與數據庫幾何圖形的對應進行屬性表的連接，形成土地整治規劃數據庫，并進行拓撲檢查修復。

4 土地整治規劃數據庫的應用研究

4.1 基于ArcGIS的數據庫與Google Earth同步顯示 谷歌地球（Google Earth，GE）是一款Google公司開發的虛擬地球儀軟件，它把衛星照片、航空照相和GIS布置在一個地球的三維模型上。Google Earth上的全球地貌影響的有效分辨率至少為100 m，通常為30 m（例如中國大陸），視角海拔高度（Eye alt）為15 km左右。如果實現土地整治規劃數據庫與Google Earth的同步顯示，那么對土地整治項目的選址布局涉及的地貌地形便可清晰地反應出來，為土地整治項目科學化監管提供了有利保障。

實現以ArcMap為操作平臺的土地整治規劃數據與Google Earth同步顯示。需要以下操作步驟：

（1）準備源文件。根據同步顯示系統要求，在ESRI支持中心下載Init_SyncArcGE.bas、CGoogleEarth.cls、CMapCalcGE.cls、frmSyncArcGE.frm、SyncArcGE.bas、WinFunctions.bas等6個源文件或以Microsoft Excel 2010的VBA編輯器為平臺，根據代碼編輯輸出源文件。

（2）創建VBA。打開ArcMAP；菜單操作：Tool/Macros/Visual Basic Editor；打開VBA左側工程管理：Normal/ArcObjects/ThisDocument，打開源文件Init_SyncArcGE.bas，復制所有內容到ThisDocument。右擊“Normal（normal.mxt）”選擇“Import File…”，依次導入所有原文件CGoogleEarth.cls、CMapCalcGE.cls、frmSyncArcGE.frm、SyncArcGE.bas、WinFunctions.bas。

（3）ArcMap工具新建按鈕。菜單操作：Tool/Customize，選擇“Commands”，在下面“Save in”選項中選擇“Normal.mxt”，在Categories中選擇“UIControls”（拉到最底端），點擊“New UIContorls”，選中“UIButtonContorl”，重命名“Normal.UIButtonControl1”為“Normal.SyncArcGE”，最后拖動新建的button到已有的工具欄中即可，右擊新建的button選擇圖標，關閉Custonmize對話框。

（4）打開Google Earth和ArcMap，在ArcMap中加載數據，點擊創建的按鈕彈出一個對話框，實現2個程序界面的互動。ArcGIS與Google Earth同步顯示效果如圖2所示。

4.2 交互式數據庫的高效查詢 交互式數據庫的高效查詢基于土地整治規劃數據庫與規劃基礎數據庫之間的屬性關聯（Relate：用于將數據與該圖層關聯在一起，關聯數據不能被追加到該圖層的屬性表中。但是，可以在使用此圖層的屬性時訪問相關關聯數據，反之亦然。并且可以建立“一對多”或“多對多”的關聯關系）。基于這種數據庫間的關聯，實現了土地整治規劃項目的區范圍內現狀、規劃和潛力等信息的高效查詢。

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