基于ArcGIS建模的圖斑地類面積自動量算研究
2013-05-30 04:52:44黃曉君孫宏
黃曉君 孫宏
【摘 要】本文從土地利用現(xiàn)狀調(diào)查與土地利用總體規(guī)劃項目的圖斑地類面積量算的關鍵問題出發(fā)，以典型的某縣土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS建模功能的優(yōu)勢，構建了圖斑地類面積量算的圖解模型，解決了量算作業(yè)過程復雜的問題，并實現(xiàn)了自動量算。
【關鍵詞】ArcGIS空間分析；圖解模型；圖斑地類面積量算
0.引言
自始二十世紀八十年代至今我國已在全國范圍內(nèi)開展了兩次土地利用現(xiàn)狀調(diào)查（1984～1997年、2007～2009年）與三次土地利用總體規(guī)劃（規(guī)劃期1986～2000年、1997～2010年、2006～2020年）項目[1]。土地利用現(xiàn)狀調(diào)查是一項重大的國情國力調(diào)查，目的是全面查清全國土地的地類、面積、分布等利用狀況，掌握真實的土地數(shù)據(jù)，并對調(diào)查成果實行信息化、網(wǎng)絡化管理[2]。土地利用總體規(guī)劃是在一定區(qū)域內(nèi)，根據(jù)國家社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求和當?shù)刈匀?、?jīng)濟、社會條件，對土地的開發(fā)、利用、治理、保護，在空間上、時間上所作的總體安排和布局，是國家實行土地用途管制的基礎[3]。這兩項重大項目進行時，關鍵在于量算圖斑地類面積。其計算的思路簡單，過程復雜，但隨著GIS軟件技術的快速發(fā)展，解決了此難題。本文以某縣的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過ArcGIS平臺建模功能實現(xiàn)了圖斑地類面積的自動量算。
1.圖斑地類面積量算公式說明
與圖斑地類面積量算有關矢量圖層有：地類圖斑（DLTB）、線狀地物（XZDW）和零星地物（LXDW），其數(shù)據(jù)結構如表2-1所示。
表2-1矢量數(shù)據(jù)結構情況表
圖斑地類面積量算公式說明如下：
圖斑地類面積（DLMJ）=圖斑計算面積（JSMJ）-線狀地物面積（XZDWMJ）-零星地物面積（LXDWMJ）-田坎面積（TKMJ）[4]
其中線狀地物面積（每條線狀地物面積=地物長度×地物寬度）指該圖斑內(nèi)所有線狀地物的面積和該圖斑地類界上的所有線狀地物面積的一半的總和；零星地物面積指該圖斑內(nèi)所有零星地物的面積總和；田坎面積=（圖斑計算面積-零星地物面積-線狀地物面積）×田坎系數(shù)，田坎系數(shù)是田坎面積與耕地圖斑地類面積的比值，在圖斑地類面積量算前已確定。
從圖斑地類面積量算公式來看，簡單易懂，但計算過程卻很復雜。線狀地物面積（該圖層屬性的地類面積字段的值）與零星地物面積（該圖層屬性的地類面積字段值）的計算是通過ArcGIS的“Field Calculator”功能完成。顯然這都是對單矢量圖層而言的，作業(yè)簡單，容易計算。而計算圖斑地類面積時，首先對地類圖斑層與線狀地物層、地類圖斑層與零星地物層之間進行空間分析，求出每個地類圖斑中所扣除的線狀地物面積、零星地物面積、田坎面積，依次賦給地類圖斑屬性的線狀地物面積字段、零星地物面積字段和田坎面積字段。在此基礎上，最終量算圖斑地類面積。
2.基于ArcGIS平臺構建圖斑地類面積量算圖解模型
2.1數(shù)據(jù)準備
以典型的某縣第二次全國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)（坐標系統(tǒng)為1980年國家大地坐標系統(tǒng)，地圖投影為高斯-克呂格投影）為數(shù)據(jù)源，主要包括地類圖斑圖層、線狀地物圖層和零星地物圖層等“Shape”格式矢量數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)結構如表2-1所示。其中地類圖斑層的標識碼、地類編碼、田坎系數(shù)、計算面積、權屬代碼、行政代碼，線狀地物層的標識碼、地類編碼、地物長度、地物寬度以及零星地物層的標識碼、地類編碼、地類面積都是已知屬性數(shù)據(jù)。
2.2 ArcGIS建模的概述
ArcGIS建模主要指的是空間分析建模。它是指運用GIS空間分析方法建立數(shù)學模型。運用數(shù)學分析方法建立表達式，模擬地理現(xiàn)象的形成過程的模型稱為過程模型，也叫處理模型[5]。這類模型的生成方法主要有圖解建模和編寫程序建模。本文采用圖解建模的形式構建了圖斑地類面積量算模型。圖解建模是指用直觀的圖形語言將一個具體的過程模型表達出來。在這個模型中，分別定義不同的圖形代表輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、空間處理工具，它們以流程圖的形式進行組合并且可以執(zhí)行空間分析操作功能（如圖3-1所示）。ArcGIS9x提供了圖解建模工具ModelBuilder，它可簡化復雜地理處理模型的設計與實施。本文正抓住了它的此優(yōu)勢構建了圖斑地類面積量算圖解模型。
2.3圖斑地類面積量算圖解模型的構建
2.3.1建立概念模型
（1）解決的問題。
我國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查與土地利用總體規(guī)劃項目中圖斑地類面積量算是其關鍵的任務。目前出現(xiàn)了很多完成此作業(yè)的商業(yè)GIS軟件系統(tǒng)，但還是使用起來過程復雜。其量算中主要解決的問題是從地類圖斑層的每個圖斑“計算面積”（毛面積）中依次扣除線狀地物層的地類面積、零星地物層的地類面積、耕地圖斑（地類圖斑層的圖斑）的田坎面積。這個作業(yè)顧及到空間判別問題，即線狀地物是否在該地類圖斑內(nèi)或在地類界上、零星地物是否在該地類圖斑內(nèi)、田坎是否在該耕地圖斑內(nèi)。隨著ArcGIS的日益普及與應用，為圖斑地類面積量算的簡單化和自動化提供了可能。
（2）問題的分析。
首先，如何把復雜的過程變?yōu)楹唵?。ArcGIS平臺具有建模功能，其把復雜的過程能設計為前后有序的工作流并構成一個系統(tǒng)的模型。這個模型中只要輸入有關數(shù)據(jù)并運行即可輸出想要的結果。
其次，空間判別問題的解決。ArcGIS平臺具有強大地空間分析功能，其可完成空間判別的問題。本文主要運用了Intersect、Frequency 、Identity和Spatial Join等空間分析工具。
2.3.2構建圖斑地類面積量算的圖解模型
在ArcGIS中打開ArcMap，啟動ArcToolbox，右擊ArcToolbox，選擇New toolbox命令建立Toolbox1，再右擊Toolbox1，在New中選擇Model命令創(chuàng)建Model，然后命名為“Area Calculator”（如圖3-2所示）。
（1）輸入數(shù)據(jù)。
在“Area Calculator”中右擊，選擇Create Variable，在變量列表中選擇“Shapefile”數(shù)據(jù)類型，雙擊新建的變量，選擇輸入數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)有地類圖斑、線狀地物和零星地物等矢量圖層，則新建三個變量并輸入數(shù)據(jù)。導入這些數(shù)據(jù)前地類圖斑屬性表中地類面積、線狀地物面積、零星地物面積、田坎面積等字段的值是未知的，線狀地物屬性表中地類面積和扣除系數(shù)字段的值是未知的。
（2）采用的空間處理工具。
“Area Calculator”所采用的空間處理工具包括：Identity、Multipart To Singlepart、Spatial Join、Calculate Field、Add Field等。
（3）設置連接與參數(shù)。
按照數(shù)據(jù)流的前后順序，把輸入數(shù)據(jù)、空間處理工具、輸出數(shù)據(jù)依次連接相應圖形要素，并設置模型參數(shù)。模型參數(shù)中主要設置輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的路徑。其好處在于當打開模型時就會出現(xiàn)參數(shù)輸入的對話框，可直接從本地路徑輸入數(shù)據(jù)或輸出數(shù)據(jù)（如圖3-3所示）。
（4）運行與驗證模型。
之后，選擇Validate Entire Model對模型進行檢查，若沒有問題即可運行，輸出數(shù)據(jù)結果[6]。其結果也是“Shape”格式的矢量數(shù)據(jù)，且屬性表中有用戶所需的圖斑地類面積。圖3-4顯示了“Area
圖3-4 "Area Calculator"圖解模型流程圖
Calculator”模型的整個流程。為了檢核模型的量算結果的正確性，從模型量算結果中抽出地類面積大小不同典型的1000個圖斑樣本與北京蒼穹國土數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算結果進行比對。結果顯示：兩種方法量算結果較差值的94.9%為0值，其余較差值亦微乎甚微（如圖3-5所示）。這說明此模型是可行的。
圖3-5 模型驗證結果散點圖
2.3.3圖斑地類面積量算圖解模型關鍵技術說明
（1）“線狀地物”與“地類圖斑”進行“Identity”后生成“線狀地物1”。其目的有兩個，一是用地類圖斑切割線狀地物；二是判別線狀地物是否在該地類圖斑內(nèi)或在地類圖斑界上（如圖3-6所示）。
圖3-6 Identity前后線狀地物
圖3-7線狀地物扣除系數(shù)計算程序
（2）對“線狀地物1”進行“Multipart To Singlepart”處理后生成“線狀地物2”。其目的是處理“線狀地物1”的拓撲問題，即如圖3-6所示，線狀地物被地類圖斑切割后懸掛在地類圖斑上的線狀地物切割成兩個實體：1和3、2，其中1和3成了一個實體，顯然不合邏輯需分離，“Multipart To Singlepart”正是處理此問題。
（3）由于經(jīng)過（1）、（2）處理后線狀地物的長度有變化，所以通過“Calculate Field”重新維護線狀地物長度（DWCD），并輸出“線狀地物3”。
（4）從輸入“線狀地物3”到輸出“線狀地物6”的過程中，采用“Add Field”添加扣除系數(shù)“KCXS”字段，并通過“Calculate Field1”計算扣除系數(shù)?？鄢禂?shù)就有0.5和1兩個值，當線狀地物在該地類圖斑內(nèi)，則扣除系數(shù)賦值為1，當線狀地物在該地類圖斑界上，則扣除系數(shù)賦值0.5（計算程序如圖3-7所示）。在此基礎上，通過“Calculate Field2”計算線狀地物地類面積，即DLMJ=DWKD*DWCD*KCXS，并輸出“線狀地物6”。
（5）輸入“地類圖斑” 與“線狀地物6”并進行“Spatial Join”處理，是為了計算從每個圖斑內(nèi)需扣除的線狀地物總面積。此計算值維護在“地類圖斑1”的線狀地物面積“XZDWMJ”字段中。
（6）輸入“地類圖斑1”與“零星地物”并進行“Spatial Join1”處理，是為了計算從每個圖斑內(nèi)需扣除的零星地物總面積。此計算值維護在“地類圖斑2”的零星地物面積“LXDWMJ”字段中。
（7）從輸入“地類圖斑2”到輸出“地類圖斑4”的過程中采用兩次“Calculate Field”功能計算，即一是計算田坎面積，二是計算地類面積。
（8）輸出的“地類圖斑4”是最終圖斑地類面積量算結果的矢量圖層。其屬性表中地類面積“DLMJ”字段的值就是用戶所需數(shù)據(jù)。在此基礎上，亦可以輸出各種匯總報表，如按權屬匯總地類面積、按地類匯總地類面積、按行政轄區(qū)匯總地類面積。
3.結語
圖斑地類面積量算是土地利用現(xiàn)狀調(diào)查的重要任務。本文以它為研究對象，根據(jù)其計算公式，在ArcGIS平臺上實現(xiàn)了自動量算的圖解模型。圖斑地類面積量算與地類圖斑、線狀地物、零星地物等矢量圖層有著密切關系。在量算過程中，由于判別線狀地物是否在該地類圖斑內(nèi)或地類圖斑界上，和零星地物是否在該地類圖斑內(nèi)，必須地類圖斑層與線狀地物層、零星地物層之間進行空間分析。本量算圖解模型集成了復雜的空間分析過程，提高了工作效率。通過驗證，該模型是可行的，從而在內(nèi)蒙古土默特左旗土地利用總體規(guī)劃項目中得到了應用。今后，在土地利用現(xiàn)狀調(diào)查和土地利用總體規(guī)劃重大項目中應將發(fā)揮極大的應用價值。
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