基于ArcGIS的回溯式单图层土地利用规划数据库建设及其变量更新技术研究——以重庆市酉阳县为例

刘光鹏，莫 燕，魏世强，汪 鹏，曹 伟，刘学涛，4，刘 燕，2

（1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.重庆市国土资源和房屋勘测规划院，重庆 400020；3.国家遥感应用工程技术中心重庆分中心，重庆 400020；4.酉阳土家族苗族自治县国土资源和房屋管理局，重庆 409800）

基于ArcGIS的回溯式单图层土地利用规划数据库建设及其变量更新技术研究
——以重庆市酉阳县为例

刘光鹏1，莫 燕2，3，魏世强1，汪 鹏2，3，曹 伟2，3，刘学涛1，4，刘 燕1，2

（1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.重庆市国土资源和房屋勘测规划院，重庆 400020；3.国家遥感应用工程技术中心重庆分中心，重庆 400020；4.酉阳土家族苗族自治县国土资源和房屋管理局，重庆 409800）

研究目的：基于ArcGIS桌面平台实现土地规划调整等数据库更新维护工作，设计优秀的方法提高规划库更新的效率和质量。研究方法：数据结构、数学模型和软件设计、工具集成、对比试验。研究结果：（1）提出了回溯式单图层土地利用规划数据库的概念并完成了其样本数据结构设计；（2）在增量式更新的基础上提出变量更新的方法并构建了数学模型和更新工具集；（3）以酉阳县土地规划数据库为研究对象实现了低成本和高效率的土地规划数据库更新。研究结论：基于ArcGIS的回溯式单图层数据库更新方法能为各级土地规划数据库更新提供参考，是实现土地规划数据库交互式（半自动化）变量更新的基础，成本低，效率快，质量高。

土地信息； ArcGIS； 回溯式； 单图层； 变量更新

1 引言

土地利用规划是实行土地用途管制的主要依据，是对具有基础性地位的土地资源的一种宏观管理方式[1]，而土地利用规划数据库是其不可或缺的重要组成部分，是国土资源基础数据库的核心，是土地管理及其相关工作的重要支撑数据，具有与土地规划同等的法律效力。至2012年，重庆市新一轮土地利用总体规划（2006—2020年）数据库建设已全部完成。但在规划实施过程当中，由于地区经济社会的发展，落实预留指标项目、空间布局调整、行政区划的调整等原因导致土地规划调整、修改等工作逐渐增多，土地规划数据库也就不可能一成不变，而其建设在整个国土资源信息化建设中又占有举足轻重的地位，是土地利用规划管理方式实现信息化、自动化转型的关键环节，所以其更新尤其重要，正如D.FRITSCH博士所言：当前GIS的核心已从数据生产转为数据更新，数据更新关系着GIS的可持续发展[2]，土地利用规划数据库的更新也关系着土地管理和规划实施的持续性。

近年来，国内学者提出了现势拓扑重建更新[3-4]、拓扑重构的局部区域快速更新[5]、建模—识别—融合增量式更新[6]、基于事件的时空拓扑联动增量更新[7-8]等方法来解决基础地理空间、地籍及土地利用现状等数据库的更新。针对土地规划数据库更新方面除王晓蒙设计了基于AO的土地规划表格更新程序[9]外，还没有更多的研究成果。因此，寻求一种高效、高质、低成本的土地利用规划数据库更新方法就成为地方国土部门的迫切需要，在此背景下，本文提出了建立回溯式单图层土地规划数据库和变量更新方法。

回溯式单图层土地利用规划数据库是指让土地规划主要图层（土地规划地类）继承基期信息，同时嫁接其他主要规划图层信息的一体化数据库，一个图层就承载了基期和规划主要图层所有信息的一种方法，它既是一个图层，也是一个数据库，通过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规划标准图层，这种数据库既有利于规划占用（调入）的更新，也便于反演到基期（还原）状态。而变量更新则是增量式更新的进一步延伸和完善，是指提取涉及发生变化的图斑进行独立更新，然后重新汇交到整体数据库的一种方法。

2 研究基础和思路

2.1 研究方法和思路

拟充分发掘GIS桌面产品功能，通过设计全信息承载的土地规划地类图层，建立回溯式土地利用规划数据库。在此基础上构建变量更新标准化模型，通过集成GIS工具构建实现土地利用规划数据库的交互式更新工具集，具体技术路线如图1所示。

图1表明整个过程分为标准库构建和更新2个部分，前者是基础，后者是目的。首先对现有标准下的数据结构进行分析、归并、筛选，通过继承基期和标准土地规划库中的字段构造回溯数据结构，通过叠加分析嫁接其他要素信息，从而建立起单图层土地规划数据库；其次将变化范围图层与单图层数据库叠加后提取其中涉及的图斑并纳入变量更新包中，通过图斑分割、面积重算、误差平衡、字段属性变更完成核心过程；最后将更新后的图层追加到单图层土地规划库中实现土地规划数据库的变量更新。

图1 研究方法技术路线图Fig.1 The technology roadmap of research methods

2.2 平台选择

国土资源部要求土地规划数据库标准格式为Shapefile、Geodatabase或VCT（前两种均是ESRI公司的ArcGIS软件数据格式），土地规划数据库质检软件也是基于ArcEngine 9.3的二次开发。因此，为便于数据调用、存储选择ArcGIS Desktop作为研究平台。

2.3 数据源与数据类型

研究数据来源于重庆市酉阳县乡级土地利用总体规划数据库和某一项目勘界范围数据，数据库类型选择了File Geodatabase格式。File Geodatabase是一种基于二进制文件格式的GeoDatabase，这种数据存储在文件系统的一个文件夹中，每个数据集都作为一个文件而存在，每个表文件的空间能够达到1 TB[10]，所研究的区域酉阳县是重庆市幅员面积最大的辖县，因此选用GeoDatabase数据库。

3 回溯式单图层土地规划数据库构建

3.1 承载图层的选择

重庆市各区县的土地规划数据库建设都是在《重庆市乡（镇）级土地利用总体规划数据库标准》（以下简称《重庆标准》）框架下完成的。

分析表明，建设单图层数据库承载图层需要满足以下几个条件：（1）面状图层；（2）是主要规划信息图层（3）便于嫁接其他图层字段；（4）能快速回溯到基期图层；（5）有利于面积的汇总与分解。主要面状规划要素见《重庆标准》。

通过对比《重庆标准》各要素的数据结构和主要规划功能可知，土地规划地类是反应土地规划用途的主要图层，它既继承了部分基期现状属性，又是生成其他目标规划要素的基础，涉及相对较全的面积属性，因此，选择它作为承载图层是最优的选择。

3.2 数据结构设计

被选择为承载图层后，土地规划地类图层要承载所有《重庆标准》中的各图层信息，即需要全信息承载。因此它的数据结构必须考虑所有的面状规划要素和基期要素，可以定义一个函数来表示他们之间的关系：

式1中，i表示全域覆盖要素的个数，n = 4（4个全域覆盖要素：行政区、基期地类图斑、土地用途区、土地规划地类）；j表示局部覆盖要素的个数，m = 7（除4个全域覆盖要素外的其余7个局部覆盖要素）；f（x）表示图层的所有字段集合；C为常数（标识局部覆盖要素字段）；f（xchange）为更新可能发生变化的字段集合；f（y）为需要修改的字段集合。

由式1可知，建立单图层数据库结构可以通过4级扩展的模式来实现。一级扩展为标识字段新建；二级扩展为其他要素字段复制；三级扩展为修改其他要素字段；四级扩展为回溯字段新建。

根据以上研究，设计了原始字段27个、一级扩展字段14个、二级扩展字段40个、三级扩展字段18个、四级扩展字段19个共计118个属性字段，具体数据结构如表1所示（因原始字段和二级扩展字段均为《重庆标准》中的字段，一级和四级扩展均为记录或判断原规划库字段，故在此略）。

3.3 数据库的建设

为保证数据库在建设过程中不发生信息丢失，首先需要新建3个标准化数据库：一是重庆标准版库，二是回溯式单图层库，三是更新包库；然后将建设好的原始乡级土地利用总体规划数据库导入重庆标准版库中，使其内部各图层与土地规划地类图层进行一一叠加分析；第三，将面积重算后导入回溯式单图层库中；第四，通过“索引字段关联—计算赋值”的方式完善回溯式单图层土地利用规划数据库第二、三级扩展字段的信息；最后通过字段计算完成第四级扩展字段的属性补充。

表1 回溯式单图层数据库三级扩展数据结构表（核心部分）Tab.1 The third extending data structure table of retrospective database of single layer （the main part）

4 变量更新模型设计及实现

4.1 变量更新包构建

变量更新包是变量更新模型的核心，所有更新的过程都在变量更新包中完成。考虑与回溯式单图层土地规划数据库的映射及空间拓扑关系，变量更新包设计了2个图层：变更范围（BGFW）和涉及图斑（TDGHDL_涉及图斑）。BGFW图层需包含可能发生变化的所有属性字段并在创建后赋值，TDGHDL_涉及图斑图层则是完成继承回溯式单图层土地规划地类图层的属性字段并增加调整方案编号（TZFABH）、调整方案类型（TZFALX）和图斑调整类型（TBTZLX）三个存储变更元数据信息的字符型字段。

4.2 变量更新数学模型设计

在更新包建设好后就是核心环节——更新。在回溯式单图层土地规划数据库建设完成基础上，可以实现快捷的更新，为此，设计了更新的数学模型。

4.2.1 涉及图斑提取与分割

式2—式3中，A为单图层数据库全库TDGHDL集合；B为更新范围BGFW集合。BGFW和TDGHDL叠加后汇总后者的标识码（bsm）集Ω，然后再TDGHDL数据库中提取标识码为Ω子集的所有图斑记录，即为涉及图斑的集合，定义为A1，A集合剩余子集为A2（没有涉及图斑的集合）；A1与B交集为A1′∈A1即为变更区域，A1剩余子集为A1″，即图斑被分割但规划属性没有发生变化的部分。

4.2.2 分割图斑的提取

选择A1′中标识码与A1″相同的图斑集合，定义为集合C，即为发生了图斑分割且规划属性发生变化的图斑部分，A1′剩余子集为C′，即为保持原图斑的完整性，但规划属性发生了变化。

4.2.3 规划信息更新 根据4.2.1和4.2.2节得到的集合有A2、A1″、A1′（C、C′），其中需要对规划属性进行更新的有集合A1′，需要进行面积重算的有A1″和C。

（1）规划属性的更新。

综合回溯式单图层土地规划数据库的数据结构可知，涉及变化的属性字段有规划地类、管制分区、用途分区、是否划定为基本农田、是否基本农田保护区（整备区）、是否土地整治重点区域和项目、是否重点建设项目设定这些字段为Fieldi（i = 1，2…）。

其中如果BGFW为还原基期地类的情况时，GHDLDM和GHDLMC两个字段的计算公式为：

（2）面积字段的更新。

在完成式5—式7后就可以对集合A1″和C进行面积重算了。

主要的面积字段有图斑面积（TBMJ）、线状地物面积（XZDWMJ）、零星地物面积（LXDWMJ）、扣除地类面积（TKMJ）和规划地类面积（GHDLMJ）或图斑地类面积（TBDLMJ）。其余面积都是可以通过这几类面积运算得到。集合D中bsm为x的图斑有n个（代表在步骤（1）中该图斑分割成了n个子图斑），每个子图斑的系统自动计算的Shapearea为S（xn）TBPMMJ，本文假设每个子图斑的面积都大于等于400（国家标准最小上图面积）则：

①TBMJ重算可以通过误差平衡方法[10]来计算。

XZDWMJ误差平衡同式10、式11。

因LXDWMJ没有分割LXDW图层，故不存在误差问题。

④TKMJ重算为：

TKMJ误差平衡同式10、式11。

⑤GHDLMJ（或TBDLMJ）重算，由①—④可知：

4.2.4 集合汇总与回溯 主要为将经过属性和面积更新的集合重新合并形成最新的单图层库。

将最新的单图层数据库按图2中的映射关系重新回溯到各个标准规划图层，整个图库更新就完成了。

4.3 变量更新实现

在ArcGIS Desktop平台下的ArcToolbox工具集框架下新建工具集命名为“变量更新工具集”，然后通过M o d e l_ B u i l d e r设计了如“回溯式单图层数据结构建设”等13个更新模块，形成了更新工具集（图2）。

图2 回溯式单图层数据库变量更新工具集示意图Fig.2 The variable updating toolset schematic diagram of retrospective database of single layer

5 应用和实践

5.1 研究区域概况

酉阳土家族苗族自治县是重庆市幅员面积最大的区县，地理坐标为北纬28°19′28″—29°24′18″、东经108°18′25″—109°19′02″[11]，幅员面积5167 km2（根据第二次土地调查数据），东西宽98.3 km，南北长119.7 km。全县辖桃花源等38个乡（镇）和青华林场，属武陵山区，渝东南生态保护区，地势中部高，东西两侧低，地形复杂，土地利用类型多样，规划多元化明显，是县域土地规划整体更新的理想研究区域。

5.2 酉阳县回溯式单图层土地规划数据库

按照上述数据结构标准和建库工具，新建3大标准数据并构建相应的规划图层，然后通过惟一标识码提取涉及图斑，结果如图3所示。

图3 酉阳县回溯式单图层标准数据库示意图Fig.3 The standard database diagram of retrospective database of single layer of Youyang County

5.3 酉阳县回溯式单图层土地规划数据库变量更新

按照4.2节模型设计顺序利用4.3节工具NO.5—NO.13对5.2节建设好的标准库进行更新。更新结果及前后对比如图4所示。

图4 酉阳县回溯式单图层标准数据库更新前后对比图（部分）Fig.4 The updating comparison chart between before and after of retrospective database of single layer of Youyang County

由图4看到标识码为13105031的图斑没有发生分割，但属性（GHDLDM和GHDLMC等）发生了变化，而标识码为13101345的图斑分割成了4个子图斑，其中3个是变更区域，1个子图斑为非更新区域，故前3个属性和面积都发生了更新，第4个仅仅是面积发生了更新。

5.4 酉阳县回溯式单图层土地规划数据库变量更新结果

5.4.1 变量更新数据质量 数据库更新完成后，重新采用国土资源部土地规划核查软件进行核查，结论为合格，结果表明：（1）图数完全一致，误差实现了平衡；（2）各规划图层空间拓扑错误为0；（3）数据更新是高质量的。

5.4.2 变量更新效率 分3组对酉阳县的数据更新进行了操作，第1组采用本方法和更新工具集，第2组采用全人工方法，第3组采用超图更新专门软件，结果表明：（1）1组整个更新过程约为5小时，远小于2组（1整天），与3组大致相同；（2）1组各图斑汇总面积与更新前完全一致，3组的面积误差没有实现平衡，有0.01的差额的较多，而且有诸如管制分区和用途分区与土地规划地类边界不完全一致的情况；（3）1组和2组没有重新购买专业软件成本，更新成本低廉。

6 结论与建议

土地规划数据库更新是地方国土主管部门的主要工作之一，通过设计回溯式单图层土地利用规划数据结构，采用图层一体化的思想建设了全信息单图层数据库（土地规划地类），并深入研究了变量更新数学模型，以此为理论支撑分解了更新过程并在ArcGIS Desktop平台中使用Model_Builder构建数据更新工具集。通过3组对比试验和自动化质量检查报告表明此方法是实现乡级土地规划数据库的低成本、高效率、高质量更新的优秀方法。它不仅可以用作乡级土地规划数据库的更新，还可直接用于建设土地规划库，进一步改进可以为下一步土地精细化规划和更新（如村、社级土地利用详细规划）提供理论和实践参考。

虽然变量更新的方法和设计的工具集在土地利用规划数据库建设和更新中有一定的优势，但还需要进一步优化和改进：（1）进一步细化和集成工具集，以实现更新的全自动化；（2）优化算法，进一步提高更新效率；（3）研究有碎图斑存在的情况，提出线状地物和零星地物面积与图斑面积有逻辑冲突的解决方案。

（References）：

［1］安子明.土地规划制度的权力结构分析——兼论以公民与人大为主导的土地规划模式［J］.中国土地科学，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］蒋捷，陈军.基础地理信息数据库更新的若干思考［J］.测绘通报，2000，（5）：1-3.

［4］刘言，周继峰. ArcGIS下1∶10000土地利用数据库的建立及更新［J］.信息科技，2005，19（2）：125-127.

［5］李传君，王庆，关增社.基于GPS测量数据的GIS数据库更新算法研究［J］.地理信息世界，2008，3（7）：10-12.

［6］林娜，王斌.空间数据库增量式更新机制的研究［J］.测绘科学，2008，33（3）：198-200.

［7］周晓光.基于拓扑关系的地籍数据库增量更新方法研究［J］.测绘学报，2012，40（2）：71-72.

［8］陈军，周晓光.基于拓扑联动的增量更新方法研究［J］.测绘学报，2008，37（3）：322-328.

［9］王晓蒙，杨庆媛，刘光鹏.基于AO的土地规划表格更新程序设计与应用——以重庆市云阳县乡（镇）级土地利用总体规划为例［J］.中国土地科学，2012，26（8）：10-16.

［10］何明轩，罗红霞，刘光鹏，等.基于ArcGIS的土地利用总体规划数据库误差平衡方法——以重庆奉节县为例［J］.中国土地科学，2012，26（12）：76-80.

［11］酉阳县土家族苗族自治县人民政府.走进酉阳［EB/OL］. http：//youy.cq.gov.cn/zjyy/.

（本文责编：陈美景）

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

重庆市国土资源和房屋管理局科技计划项目（2010）171-19。

刘光鹏（1984-），男，四川资中人，博士，工程师。主要研究方向为遥感与GIS应用、国土资源规划、地图制图、农业环境保护。E-mail: lgp007yl@163.com

魏世强（1963-），男，四川乐山人，研究员，博士生导师。主要研究方向为农业环境保护。E-mail: sqwei@swu.edu.cn