永久基本農(nóng)田劃定及審圖軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃睦謹(jǐn) ， 吳楷釗 ， 黃 韜 ， 馬世發(fā) ， 勞春華

（1.廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075；2.廣東工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，廣東 廣州 510520）

永久基本農(nóng)田劃定及審圖軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃睦謹(jǐn)1， 吳楷釗1， 黃 韜1， 馬世發(fā)1， 勞春華2

（1.廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075；2.廣東工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，廣東 廣州 510520）

針對(duì)全域永久基本農(nóng)田劃定問(wèn)題，分析土地城鎮(zhèn)化增長(zhǎng)矛盾，通過(guò)種子擴(kuò)充算法進(jìn)行保護(hù)片區(qū)的自動(dòng)搜索，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保護(hù)壓力風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。基于C#和ArcEngine技術(shù)將多種空間數(shù)據(jù)挖掘模型進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了面向全域永久基本農(nóng)田劃定及審圖的軟件系統(tǒng)。通過(guò)廣東省高要區(qū)金利鎮(zhèn)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能促進(jìn)全域永久基本農(nóng)田劃定工作更加科學(xué)客觀，進(jìn)一步提高國(guó)土資源管理“讓數(shù)據(jù)說(shuō)話”的能力。

永久基本農(nóng)田；分區(qū)；數(shù)據(jù)挖掘；復(fù)雜地理計(jì)算

永久基本農(nóng)田劃定是國(guó)土資源管理中的一項(xiàng)重要任務(wù)。根據(jù)國(guó)土資源部的指導(dǎo)文件精神，永久基本農(nóng)田劃定需要優(yōu)先考慮耕地質(zhì)量并且集中連片，同時(shí)要協(xié)調(diào)好與城鎮(zhèn)化過(guò)程的空間關(guān)系[1]。當(dāng)前，相關(guān)研究在一些模型和方法方面做了很多探討，如基于耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行保護(hù)區(qū)劃定[2]，利用景觀分析方法保證劃定格局集中連片[3]等，而進(jìn)行系統(tǒng)化集成主要依賴于基本的GIS空間分析技術(shù)[4-6]。如何將基本農(nóng)田劃定的多重目標(biāo)進(jìn)行空間集成，尤其是利用定量化的分析手段實(shí)現(xiàn)永久基本農(nóng)田劃定的自動(dòng)劃定需要拓展。根據(jù)國(guó)土資源部關(guān)于永久基本農(nóng)田劃定的相關(guān)要求，以元胞自動(dòng)機(jī)、種子擴(kuò)充、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜地理計(jì)算技術(shù)為支撐，搭建永久基本農(nóng)田劃定及審圖系統(tǒng)軟件，以提高永久基本農(nóng)田劃定工作的科學(xué)性。

1 永久基本農(nóng)田劃定關(guān)鍵技術(shù)

科學(xué)劃定永久基本農(nóng)田保護(hù)范圍必須要同時(shí)考慮耕地保護(hù)質(zhì)量、耕地坡度、保護(hù)片區(qū)的集中度以及與城鎮(zhèn)化過(guò)程的空間協(xié)調(diào)[7,8]。根據(jù)這幾個(gè)目標(biāo)，建立基于復(fù)雜地理計(jì)算的永久基本農(nóng)田劃定空間布局模型。由于耕地質(zhì)量可直接引用農(nóng)用地分等成果，坡度限制直接參考土地利用調(diào)查成果，故永久基本農(nóng)田劃定需要的技術(shù)創(chuàng)新主要是如何協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)化空間過(guò)程及保護(hù)片區(qū)的集中連片識(shí)別。

1.1 基于CA的城鎮(zhèn)增長(zhǎng)模擬

根據(jù)土地利用變化最新研究進(jìn)展，模擬預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)空間增長(zhǎng)可以利用元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata, CA）模型，具有強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的規(guī)則定義和迭代過(guò)程來(lái)模擬出復(fù)雜的空間格局[9]。本系統(tǒng)采用經(jīng)典的邏輯回歸CA模型對(duì)土地利用變化空間格局進(jìn)行模擬，模型可以定義為：

式中，pij

t用于表示土地單元ij于時(shí)刻t的開發(fā)概率；xijk是一系列空間驅(qū)動(dòng)變量在單元ij的取值狀況，如距離變量等；a和bk表示這些驅(qū)動(dòng)變量的驅(qū)動(dòng)力系數(shù)，可以用邏輯回歸模型進(jìn)行樣本訓(xùn)練獲取；Ωijt表示單元ij在t時(shí)刻的鄰域相互作用，可以用開發(fā)密度表示；Cij表示限制性條件，如保護(hù)區(qū)等政策禁止區(qū)不能開發(fā)；Rij

t是一個(gè)隨機(jī)變量，用于表達(dá)模擬過(guò)程中的不確定性。

1.2 基于種子搜索的片區(qū)識(shí)別

系統(tǒng)采用種子擴(kuò)充搜索原理從土地利用現(xiàn)狀圖斑中進(jìn)行片區(qū)識(shí)別。種子擴(kuò)充是一種基于圖形空間關(guān)系的搜索算法，可以將屬性相近與空間相鄰的單元識(shí)別為一個(gè)片區(qū)[10]，主要搜索過(guò)程如圖1所示，經(jīng)過(guò)種子遞歸操作，可以自動(dòng)識(shí)別出指定面積規(guī)模的永久基本農(nóng)田，并自動(dòng)劃分片區(qū)。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路

永久基本農(nóng)田智能識(shí)別系統(tǒng)總體架構(gòu)按照分層架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，從邏輯上劃分為4個(gè)層次，即數(shù)據(jù)層、模型層、功能層和界面層，軟件功能的實(shí)現(xiàn)都采用了“高內(nèi)聚、低耦合”的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)“工具箱”式人機(jī)交互系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖1 基于種子擴(kuò)充的永久基本農(nóng)田片區(qū)搜索流程圖

圖2 永久基本農(nóng)田智能識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

基于Windows平臺(tái)，利用ArcEngine 10.1提供的組件和C#語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，用于人機(jī)交互。該系統(tǒng)主要包括兩大功能，其一是基于相關(guān)原則，自動(dòng)從土地利用現(xiàn)狀圖斑數(shù)據(jù)庫(kù)中挖掘出最優(yōu)的保護(hù)片區(qū)范圍，輔助永久基本農(nóng)田劃定；其二是管理部門備案審圖人員可以利用該軟件進(jìn)行成果審查。

研究選擇廣東省肇慶市金利鎮(zhèn)進(jìn)行示范應(yīng)用，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別的金利鎮(zhèn)永久基本農(nóng)田保護(hù)格局如圖3所示，從結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)基本能將空間相鄰的高質(zhì)量、低流失風(fēng)險(xiǎn)的斑塊識(shí)別為一個(gè)個(gè)片區(qū)，進(jìn)而為永久基本農(nóng)田劃定提供參考草圖。同時(shí)，利用該系統(tǒng)可以對(duì)地方上交的永久基本農(nóng)田進(jìn)行審圖（圖4），審查內(nèi)容包括面積、周長(zhǎng)、規(guī)整度、平均利用等、平均坡度、斑塊數(shù)、流失概率等指標(biāo)，通過(guò)定量對(duì)比可以直觀評(píng)估地方上交的方案是否達(dá)到相關(guān)要求，為永久基本農(nóng)田成果備案提供評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖3 永久基本農(nóng)田劃定系統(tǒng)界面及應(yīng)用

圖4 永久基本農(nóng)田上交方案審圖系統(tǒng)界面及應(yīng)用

3 結(jié) 語(yǔ)

基本農(nóng)田保護(hù)是國(guó)土資源管理的一項(xiàng)核心任務(wù)。永久基本農(nóng)田劃定主要是如何圈定保護(hù)范圍以及管理部門對(duì)上交成果的審查問(wèn)題。針對(duì)這一任務(wù)的現(xiàn)實(shí)性需求，根據(jù)國(guó)土資源部關(guān)于永久基本農(nóng)田劃定的相關(guān)指導(dǎo)原則，利用地理過(guò)程空間協(xié)調(diào)思維研發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)挖機(jī)式的永久基本農(nóng)田分區(qū)及審圖系統(tǒng)。該系統(tǒng)能將永久基本農(nóng)田劃定必須要考慮的幾個(gè)主要矛盾進(jìn)行集成，并能通過(guò)模型自動(dòng)的從土地利用現(xiàn)狀圖斑提取保護(hù)片區(qū)方案。系統(tǒng)既可以滿足劃定需求，也可以輔助管理審圖，且操作簡(jiǎn)便易于使用。后續(xù)還將根據(jù)系統(tǒng)推廣應(yīng)用和國(guó)土資源管理的最新要求對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行完善改進(jìn)。

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1672-4623（2017）12-0051-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.016

2016-10-10。

廣東省國(guó)土資源科研項(xiàng)目（GDGTKJ2016005）。

黃睦謹(jǐn)，高級(jí)工程師，主要從事國(guó)土信息化方面的工作。