永久基本农田划定及审图软件设计与实现

黄睦谨 ， 吴楷钊 ， 黄 韬 ， 马世发 ， 劳春华

（1.广东省国土资源技术中心，广东 广州 510075；2.广东工业大学管理学院，广东 广州 510520）

永久基本农田划定及审图软件设计与实现

黄睦谨1， 吴楷钊1， 黄 韬1， 马世发1， 劳春华2

（1.广东省国土资源技术中心，广东 广州 510075；2.广东工业大学管理学院，广东 广州 510520）

针对全域永久基本农田划定问题，分析土地城镇化增长矛盾，通过种子扩充算法进行保护片区的自动搜索，利用神经网络进行保护压力风险预警。基于C#和ArcEngine技术将多种空间数据挖掘模型进行整合，实现了面向全域永久基本农田划定及审图的软件系统。通过广东省高要区金利镇应用表明，该系统能促进全域永久基本农田划定工作更加科学客观，进一步提高国土资源管理“让数据说话”的能力。

永久基本农田；分区；数据挖掘；复杂地理计算

永久基本农田划定是国土资源管理中的一项重要任务。根据国土资源部的指导文件精神，永久基本农田划定需要优先考虑耕地质量并且集中连片，同时要协调好与城镇化过程的空间关系[1]。当前，相关研究在一些模型和方法方面做了很多探讨，如基于耕地质量评价进行保护区划定[2]，利用景观分析方法保证划定格局集中连片[3]等，而进行系统化集成主要依赖于基本的GIS空间分析技术[4-6]。如何将基本农田划定的多重目标进行空间集成，尤其是利用定量化的分析手段实现永久基本农田划定的自动划定需要拓展。根据国土资源部关于永久基本农田划定的相关要求，以元胞自动机、种子扩充、神经网络等复杂地理计算技术为支撑，搭建永久基本农田划定及审图系统软件，以提高永久基本农田划定工作的科学性。

1 永久基本农田划定关键技术

科学划定永久基本农田保护范围必须要同时考虑耕地保护质量、耕地坡度、保护片区的集中度以及与城镇化过程的空间协调[7,8]。根据这几个目标，建立基于复杂地理计算的永久基本农田划定空间布局模型。由于耕地质量可直接引用农用地分等成果，坡度限制直接参考土地利用调查成果，故永久基本农田划定需要的技术创新主要是如何协调城镇化空间过程及保护片区的集中连片识别。

1.1 基于CA的城镇增长模拟

根据土地利用变化最新研究进展，模拟预测城镇空间增长可以利用元胞自动机（Cellular Automata, CA）模型，具有强大的空间运算能力，能够通过简单的规则定义和迭代过程来模拟出复杂的空间格局[9]。本系统采用经典的逻辑回归CA模型对土地利用变化空间格局进行模拟，模型可以定义为：

式中，pij

t用于表示土地单元ij于时刻t的开发概率；xijk是一系列空间驱动变量在单元ij的取值状况，如距离变量等；a和bk表示这些驱动变量的驱动力系数，可以用逻辑回归模型进行样本训练获取；Ωijt表示单元ij在t时刻的邻域相互作用，可以用开发密度表示；Cij表示限制性条件，如保护区等政策禁止区不能开发；Rij

t是一个随机变量，用于表达模拟过程中的不确定性。

1.2 基于种子搜索的片区识别

系统采用种子扩充搜索原理从土地利用现状图斑中进行片区识别。种子扩充是一种基于图形空间关系的搜索算法，可以将属性相近与空间相邻的单元识别为一个片区[10]，主要搜索过程如图1所示，经过种子递归操作，可以自动识别出指定面积规模的永久基本农田，并自动划分片区。

2 软件设计与实现

2.1 系统设计总体思路

永久基本农田智能识别系统总体架构按照分层架构的设计思想，从逻辑上划分为4个层次，即数据层、模型层、功能层和界面层，软件功能的实现都采用了“高内聚、低耦合”的设计原则，实现“工具箱”式人机交互系统，系统框架如图2所示。

图1 基于种子扩充的永久基本农田片区搜索流程图

图2 永久基本农田智能识别系统设计框架

2.2 系统软件实现与应用

基于Windows平台，利用ArcEngine 10.1提供的组件和C#语言进行系统开发，用于人机交互。该系统主要包括两大功能，其一是基于相关原则，自动从土地利用现状图斑数据库中挖掘出最优的保护片区范围，辅助永久基本农田划定；其二是管理部门备案审图人员可以利用该软件进行成果审查。

研究选择广东省肇庆市金利镇进行示范应用，系统自动识别的金利镇永久基本农田保护格局如图3所示，从结果来看，系统基本能将空间相邻的高质量、低流失风险的斑块识别为一个个片区，进而为永久基本农田划定提供参考草图。同时，利用该系统可以对地方上交的永久基本农田进行审图（图4），审查内容包括面积、周长、规整度、平均利用等、平均坡度、斑块数、流失概率等指标，通过定量对比可以直观评估地方上交的方案是否达到相关要求，为永久基本农田成果备案提供评价依据。

图3 永久基本农田划定系统界面及应用

图4 永久基本农田上交方案审图系统界面及应用

3 结 语

基本农田保护是国土资源管理的一项核心任务。永久基本农田划定主要是如何圈定保护范围以及管理部门对上交成果的审查问题。针对这一任务的现实性需求，根据国土资源部关于永久基本农田划定的相关指导原则，利用地理过程空间协调思维研发了一个数据挖机式的永久基本农田分区及审图系统。该系统能将永久基本农田划定必须要考虑的几个主要矛盾进行集成，并能通过模型自动的从土地利用现状图斑提取保护片区方案。系统既可以满足划定需求，也可以辅助管理审图，且操作简便易于使用。后续还将根据系统推广应用和国土资源管理的最新要求对系统功能进行完善改进。

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P208

B

1672-4623（2017）12-0051-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.016

2016-10-10。

广东省国土资源科研项目（GDGTKJ2016005）。

黄睦谨，高级工程师，主要从事国土信息化方面的工作。