淺談GIS 空間建模在國土空間規劃中的應用

何 紅 石志偉

（1.遼寧省城鄉地理信息科技有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.遼寧省自然資源事務服務中心，遼寧 沈陽 110000）

0.引言

國土空間規劃，工作繁重，但是意義深遠，是國家提出的一項重大改革，利國利民，為資源優化做強有力的鋪墊。在國土空間規劃前期，政府加大力度將自然資源部門整合到一起，為空間規劃提供了便利條件。國土空間規劃以城鄉規劃與土地規劃為基礎，以地理信息為技術手段，綜合自然資源規范性文件管理規定，“多規合一”，得到具有科學性、前瞻性的規劃成果。

省級空間規劃內容涵蓋了省級空間發展戰略定位、目標和格局，需要分解到市縣的三類空間比例、開發強度等控制指標，明確城鎮體系、基礎設施、公共服務、產業發展等，主要空間開發利用布局，重點任務，各類空間差異化管控措施規劃實施保障措施等[1]。

國土空間規劃主要功能區涵蓋了林業規劃、城鄉規劃和土地利用規劃等。國土空間規劃的最終目的是為了實現“多規合一”，從而達到國土空間規劃“一張圖”的目的。國土空間規劃體系是圍繞監督和實施的體系，它采用大數據和智慧平臺等高科技手段，突破實際工作面臨的技術障礙、管理障礙及制度障礙，實現一個市、一個縣一本規劃，一張藍圖[2]。

為了國土空間規劃成果趨于完美，就需要收集全規劃所需數據。收集的數據種類越多越全面，國土空間規劃成果越科學，可用性越強。后期以此數據來進行空間分析，就越有參考價值。

1.國土空間規劃涵蓋的主要矢量數據

國土空間規劃數據源多，數據種類繁雜，有文本格式、PDF 格式、數據庫格式、CAD 格式、EXCEL 格式、圖片格式等。從坐標角度而言，包括了1954 北京大地坐標、1980 西安坐標及2000 國家大地坐標。國土空間規劃以2000 國家大地坐標為數據框，所有矢量數據都需根據公共點轉換到此坐標系下，再進行空間分析。

國土空間規劃涵蓋的主要矢量數據，包括土地利用現狀數據及規劃數據。具體數據如下：（1）全國第三次國土調查數據；（2）生態紅線；（3）永久基本農田；（4）耕地利用等；（5）林業小班面；（6）土地用途管制；（7）土地變更數據庫；（8）土地供地數據；(9)土地利用規劃數據；（10）城市總體規劃數據；（11）城市控制規劃數據；（12）城市彈性開發區；（13）礦產資源分布數據；（14）其他專項規劃數據等。

2.“多規合一”在國土空間規劃中的作用

由于各資源規劃使用的圖不統一，導致專業規劃之間有矛盾，如城市規劃與林業規劃重疊地區有沖突，城市規劃不符合土地管制區的限制等。為了更好整合資源，自然資源部將國土資源部、發改委、農業部、水利部、海洋局、林業局、住建部等，共8 個單位的職責進行了整合，管理對象包括土地、礦產、湖泊、河流、濕地、森林、草原、海洋等范圍，將負責全國960 萬平方公里陸地和300 萬平方公里海洋上的所有自然資源的空間規劃和數量監管，整合之后自然資源部履行全民所有土地、濕地、礦產、森林、水、草原、海洋等自然資源資產所有者職責，所有國土空間用途管制職責。

“多規合一”是國土空間規劃的編制手段，國土空間規劃提出五級三類體系，強化上下傳導，其編制工作必須發揮“多規合一”的規劃整合機制，將以往的城市總體規劃、土地利用總體規劃、主體功能區規劃的合理內涵進行優勢互補和繼承發展，“多規合一”成為國土空間規劃編制的核心手段。多規是“合一”而不是“拼一”，在吸取以往多規經驗的基礎上，知行合一，內外一致地指導規劃編制[3]。

“多規合一”是未來發展的趨勢，國土空間規劃以“多規合一”為核心編制手段，是一門綜合規劃。預期在未來的各項專項規劃中，如人防規劃選址、商業選址及各專項規劃中，“多規合一”都是最根本的手段。

3.GIS 空間建模簡介

空間分析建模是解釋有關空間現象及發現空間規律的過程模型，也可以解釋為作用于派生數據與原始數據的一組順序交互空間分析命令，是建立在對空間地圖數據操作基礎之上，所以也簡稱為“地圖建模”，結果則得到一個“地圖模型”，空間建模可以采用圖形符號化表示空間分析過程和空間分析成果，能夠協助數據分析人員快速具體地組織規劃所要完成的空間分析過程，同時能夠逐步獲得指定完成空間分析過程所需數據[4]。

模型構建器是GIS 空間建模的有力工具，同時它也是一個用來管理空間分析工具、編輯工具參數和創建數據模型的應用程序。模型構建器能夠簡便快速地將一系列的地理空間分析處理工具，有邏輯地串聯起來編成一個工具流。它也可以看作為可視化編程語言，模型構建器在建模過程中，具有很大優勢。（1）模型構建器是一個用于創建與運行，是包括一系列工具的工作流，同時也可以稱為一個相對簡易的應用程序；（2）結合Python 腳本和模型構建器可以將其他應用程序如C#與ArcGIS 進行集成；（3）利用模型構建器，可以構建自己想要的工具，創建完成的工具可以同時在其他模型及Python 腳本中使用。

4.GIS 空間建模在“多規合一”中的一些應用

4.1 建立坐標轉換模型

數據來源的部門多，數據格式各不相同，需要統一到同一坐標框架下。國土空間規劃收集的數據存在坐標不統一的問題，根據規劃需求，需將1954 北京大地坐標及1980 西安坐標的數據統一轉換至2000 國家大地坐標。采用傳統方式，逐步點擊工具箱中的工具，直到找到數據管理下投影與變換工具，轉換一次坐標需重復點擊投影與變換工具一次，轉換過程操作繁雜，同時還存在以下兩個缺點：(1)ArcGIS 軟件會默認第一次打開數據自帶的坐標投影，所以采用傳統方式，易產生數據坐標錯誤，導致后期空間分析成果不正確的情況；(2)在實際操作過程，時常需要生成新的要素，產生的新要素不帶坐標，這個就需進行坐標投影，此過程，在操作中，經常容易產生遺漏，為后期數據處理造成困擾。

采用GIS 空間建模建立坐標轉換模型。可以一次邏輯構思，成果可以多次重復利用。空間模型操作簡單，使用方便，輸出成果不出錯，節省了操作步驟，思考過程，提高了工作效率，同時也保證了成果質量。

首先準備好轉換坐標數據，進行“投影”操作，第二步輸出成果進行結果分析，確認無誤，成果輸出。具體采用GIS 模型構建器的操作流程如下：

（1）左鍵單擊ArcMap 標準工具條上的模型構建器工具，左鍵點擊打開模型構建器，此時打開的模型為空；

（2）在搜索窗口中，輸入投影，然后單擊搜索按鈕，“投影”工具將與其他搜索項一并列出；

（3）此時將搜索項中的投影（Coverage）（表示“投影”工具箱下的投影工具），按住左鍵拖動到“模型構建器”畫布的空白區域中。成果（如圖1 所示）：

圖1 模型構建

此時將需要的工具和輸出數據變量添加到模型中，輸出變量將通過連接符連接到工具，工具和輸出數據均沒有顏色，因為工具等尚未輸入任何工具參數；

(4)通過以上步驟已將工具添加到模型中，接下來便可以填入工具參數（如圖2 所示）：

圖2 導入模型參數

(5)將各個工具的所有參數都填入，就可以將模型點擊下運行，然后單擊左鍵“模型構建器”工具條上的保存工具（注意：建立的模型只能保存在工具箱中），模型運行后生成的成果直接輸出至自行設置的文件夾。

4.2 多源數據的匯總模型

國土空間規劃過程中，需要對各類專項數據進行專項匯總。在匯總的過程中，需進行其他空間分析，流程較復雜，稍微有疏漏，輸出成果就是錯誤的，所以時常出現匯總數據不一的情況。此時采用構建模型方式，能夠保證成果質量，杜絕重復操作，節省生產成本。具體操作，可根據需求，在構建模型中添加工具，豐富模型。在串聯工具的時候，一定要注意參數的設置、數據的選擇及輸出的設置，保證前后不矛盾。下文構建的模型涵蓋空間連接及匯總，流程如下：

(1)創建新模型,向模型中添加工具和數據；

(2)在搜索窗口中，輸入疊加，然后單擊搜索按鈕，“空間連接”工具將與其他搜索項一并列出，然后將其拖動到“模型構建器”畫布上。依次拖入“匯總統計數據”工具以便獲得一個基于空間連接后區域的匯總表；

(3)通過以上步驟將工具添加到模型中，接下來便可以填入工具參數，空間連接參數包括目標要素、連接要素及匹配選擇。匯總統計需設置好統計字段、分組字段和統計要素等。建立的模型運行后，效果圖（如圖3所示）：

圖3 專項數據模型建立

(4)將各工具的所有參數均填入之后，點擊模型運行，成果直接輸出至保存的文件夾。成果（如圖4 所示）：

圖4 成果輸出

右鍵單擊表格，然后單擊左鍵打開對應的表，表中顯示的是對黑龍江各行政區域的面積匯總，由于采用的行政邊界不是精確的邊界，所以最終面積成果與實際數據有出入。

在國土空間規劃過程中，還建立了許多類似的小模型，如集疊加分析、提取分析、鄰域分析及統計分析為一體的空間模型。主要用于提取特殊條件的圖斑，比如圖斑需不位于生態紅線與基本農田內等情況。

4.3 現狀建設用地占用基本農田保護區情況分析

以沈撫新區為例，三調數據是到現在為止，具有現勢性最強的土地利用現狀數據。基本農田保護區，指對基本農田實行特殊保護，依據土地利用總體規劃和依照法定程序確定的特定保護區域，是為了實現對基本農田實行特殊保護和保障未來的農業生產，所以規劃建設項目的前提，必須保證建設項目避讓永久基本農田及生態保護紅線等，保障了國家農業生產及生態資源。

建模的具體流程如下：首先提取出三調圖斑中的建設用地，利用篩選工具，設置好篩選工具參數，表達式設置是根據地類名稱歸為建設用地的圖斑。建設用地包括工業用地、道路廣場用地、居住用地、公共設施用地、物流倉儲用地、特殊用地等。模型圖形（如圖5 所示）：

圖5 三調數據模型建立

其次，將輸出的汪家街道建設用地與沈撫新區基本農田2000 國家大地坐標進行疊加分析，采用相交工具，獲得重疊圖斑，輸出成果為汪家街道占基本農田（如圖6 所示）：

圖6 疊加成果分析

最后，采用匯總工具，統計建設用地占基本農田總面積。注意在匯總之前，必須將圖斑先拆分，拆分之后重新計算幾何面積，計算之后統計總面積。上述分析成果，體現出現狀與規劃的矛盾，說明“多規合一”的必要性和重要性。

國土空間規劃過程中，會發現許多專業種類的規劃數據之間存在沖突，需要咱們一一去驗證和分析，去證明“多規合一”的必要性和必然性。為祖國的資源整合和合理利用奠定堅實基礎，保證資源長期有規劃發展。

5.結束語

隨著國土空間規劃的推進，數據源趨于完善，數據在不斷更新和補充，數據處理更加復雜。由于數據的補充和更新，前期處理的分析與數據統計，就需重新分析一次。此時采用模型構建器，構建經常使用的分析模型，保存模型可以重復多次使用。若數據有變化，只需重新更新數據，流程不變，點擊運行，直接輸出成果，大大節省了再次分析時間，提高了工作效率，數據成果質量有了保證。

通過空間建模的實踐，證明建模方式在國土空間規劃數據處理過程中有很大優勢。（1）能節約工作時間，提高工作效率；（2）操作簡單，保證成果質量；（3）重復操作，實用性強。隨著GIS 空間建模使用，發現空間建模也有一定的局限性。比如空間建模流程長，設置參數過程復雜，功能銜接太過嚴謹，稍不注意容易出錯，還不易找出錯誤點。

若是將模型構建器與Python 語言相結合，互相融合，讓模型構建得更加完美、流暢。在實際操作過程中，單獨使用Python 語言，對專業技術人員編程能力要求過高，兩者有機結合起來，互惠互補，既能簡化流程，又能簡化編程。Python 語言功能非常強大，空間分析功能全，操作機動性強，是地理空間分析的最有力工具。