基于GIS的耕地保護(hù)巡查系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

江禹

摘 要：針對(duì)當(dāng)前耕地保護(hù)巡查效率不高、效果不理想的問(wèn)題，探討了一種基于GIS技術(shù)的耕地保護(hù)巡查方法，并利用ArcEngine組件，基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了耕地保護(hù)巡查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使得耕地保護(hù)巡查能更高效實(shí)施，并解決了傳統(tǒng)耕地保護(hù)巡查中的諸多問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：耕地巡查；GIS；ArcEngine

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：According to the problem of the low efficiency and poor effect for cultivated land conservation inspection， a method of cultivated land conservation inspection has been discussed based on GIS.And the system has been developed initially on the basis of ArcEngine components and spatial database.This system can make the cultivated land conservation inspection operate more efficiently，and can solve some of the problems of the traditional land conservation conservation inspection.

Keywords：cultivated land conservation inspection；GIS（geographic information system）；arcengine

1 引言（Introduction）

隨著城市化進(jìn)程地不斷加快，建設(shè)用地不斷增加，相應(yīng)地耕地面積逐年減少，其結(jié)果已嚴(yán)重影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。及時(shí)準(zhǔn)確地掌握耕地的數(shù)量、分布及其可能的變化趨勢(shì)，進(jìn)行合理地利用和保護(hù)，直接關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。耕地保護(hù)巡查是土地資源管理的一項(xiàng)重要手段，實(shí)現(xiàn)其信息化，提高其工作效率是很有必要的。

隨著土地資源的供需矛盾地增加，違法占用耕地現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，耕地保護(hù)巡查的重要性、緊迫性日益突出。傳統(tǒng)方式的耕地保護(hù)巡查過(guò)程中，巡查人員需要攜帶大量的圖紙和文檔資料，工作量很大，要做到及時(shí)準(zhǔn)確地掌握待查用地的詳細(xì)情況是比較困難的[2]。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，土地利用率越來(lái)越高，違法占用耕地的案件也會(huì)增加，使用傳統(tǒng)的人工方式來(lái)進(jìn)行違法占用耕地案件調(diào)查和檔案資料的管理已經(jīng)越來(lái)越難以滿(mǎn)足需求。傳統(tǒng)的耕地保護(hù)巡查方式工作效率低，并且容易受到人為因素的干擾，因此，耕地保護(hù)巡查的信息化是十分可行也是十分必要的。為了實(shí)現(xiàn)土地資源管理信息化，提高耕地保護(hù)巡查的效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)違法占用耕地現(xiàn)象及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)制止、及時(shí)查處，在已有的成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際需求開(kāi)發(fā)耕地保護(hù)巡查系統(tǒng)是可行的措施。

2 關(guān)鍵技術(shù)（Key technology）

2.1 組件式GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)

組件式GIS是指基于組件對(duì)象平臺(tái)，以具有某種標(biāo)準(zhǔn)通信接口、允許跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)應(yīng)用的組件提供的GIS。各個(gè)GIS組件之間以及GIS組件與其他非GIS組件之間可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口實(shí)現(xiàn)交互。組件式GIS具有二次開(kāi)發(fā)方便、易于集成等特點(diǎn)，是較為常見(jiàn)的GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)。在本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，采用了組件對(duì)象技術(shù)，使用ArcObjects9.2組件。

2.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

目前主流的數(shù)據(jù)庫(kù)大多是基于關(guān)系原理建立的，屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，但GIS強(qiáng)調(diào)空間性及拓?fù)潢P(guān)系，這些特性在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中不能直接表示和查詢(xún)。因此，對(duì)于空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理不能采用一般的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，而應(yīng)使用空間數(shù)據(jù)庫(kù)。本系統(tǒng)中采用的是ESRI公司的Geodatabase空間數(shù)據(jù)模型，這是一種建立在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之上的統(tǒng)一的、智能化的空間數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。

2.3 空間拓?fù)浞治黾夹g(shù)

空間實(shí)體之間的基本關(guān)系可以概括為點(diǎn)—點(diǎn)、點(diǎn)—線、點(diǎn)—面、線—線、線—面、面—面這幾種關(guān)系，空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)借助拓?fù)鋷缀螌W(xué)的概念定義了空間實(shí)體的相互關(guān)系，描述了基本空間目標(biāo)之間的鄰接、關(guān)聯(lián)和包含關(guān)系[4]。ArcObjects9.2提供了較為豐富的空間拓?fù)浞治龅墓δ埽渲?，SpatialAnalyst組件庫(kù)專(zhuān)門(mén)用于空間分析與處理，提供了多種空間分析功能和操作實(shí)現(xiàn)的接口，包括疊加分析、緩沖區(qū)分析等；NetworkAnalysis組件庫(kù)專(zhuān)門(mén)用于做網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路徑分析、連通分析、資源最佳分配和地址的查詢(xún)匹配等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（System design）

3.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，本系統(tǒng)采用的是單機(jī)版C/S結(jié)構(gòu)，即前端（客戶(hù)機(jī)）和后端（服務(wù)器）就是同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)層、組件層、應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)采用Geodatabase格式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，檔案資料以文件形式分類(lèi)集中管理。組件層為系統(tǒng)提供實(shí)現(xiàn)平臺(tái)以及連接數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)類(lèi)庫(kù)。系統(tǒng)應(yīng)用層是具體功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)巡查系統(tǒng)的各種功能，以滿(mǎn)足需求。

單機(jī)版C/S結(jié)構(gòu)的GIS系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)高度集中的特點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維護(hù)，系統(tǒng)的執(zhí)行效率較高，運(yùn)行速度較快，并且其安全性也比較高；缺點(diǎn)是系統(tǒng)的相對(duì)而言比較封閉，共享性差，不容易集合和擴(kuò)展?？傮w而言，單機(jī)版C/S結(jié)構(gòu)比較適用于小型GIS系統(tǒng)。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)能夠通過(guò)影像對(duì)比分析或者專(zhuān)題圖疊加分析，幫助巡查人員及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和查處違法占用耕地案件。把違法用地現(xiàn)象的空間位置與案件處理相關(guān)檔案結(jié)合起來(lái)，對(duì)案件數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，幫助巡查人員對(duì)違法案件的發(fā)展趨勢(shì)、位置分布、執(zhí)法形勢(shì)和面臨的問(wèn)題等方面提供較為科學(xué)的依據(jù)，并依據(jù)工作的實(shí)際需要及時(shí)、準(zhǔn)確、直觀地輸出給執(zhí)法巡查人員，并借助各種空間分析、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅菺IS功能，以可視化地方式較為直觀地提供輔助決策的數(shù)據(jù)和功能。

（1）系統(tǒng)管理

對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的用戶(hù)進(jìn)行安全性檢查，防止非法用戶(hù)進(jìn)入該系統(tǒng)，保證只有合法用戶(hù)才可以進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的操作。此外，該功能模塊還提供用戶(hù)更改用戶(hù)名和密碼的功能。

（2）GIS基本功能

地圖的加載、放大、縮小、任意漫游、全圖顯示、鷹眼視窗等功能；圖形資料的編輯與輸出；快速查詢(xún)與定位功能。

（3）耕地變化監(jiān)測(cè)

該模塊是耕地保護(hù)巡查系統(tǒng)最重要的功能模塊，主要功能是通過(guò)遙感影像、航空相片、專(zhuān)題圖以及其他已有的資料，提取出耕地變化信息，達(dá)到耕地信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的，實(shí)現(xiàn)足不出戶(hù)便可對(duì)轄區(qū)內(nèi)的違法占用耕地現(xiàn)象作定性和定量分析。

（4）輔助巡查

對(duì)違法頻發(fā)區(qū)域的重要道路構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系，形成該區(qū)域內(nèi)的交通網(wǎng)絡(luò)圖。對(duì)發(fā)現(xiàn)的違法用地現(xiàn)象在地圖上定位，利用GIS的最優(yōu)路徑分析工具，分析出最優(yōu)巡查路徑供巡查人員參考。

（5）案件分析查詢(xún)

利用GIS空間顯示、查詢(xún)功能，可以在地圖上直觀地看到違法用地的空間分布，方便地查看每塊違法用地的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，并且可以查看巡查中采集到的各種數(shù)據(jù)（如GPS數(shù)據(jù)、全站儀實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)拍攝的相片和相關(guān)調(diào)查資料）。利用GIS的統(tǒng)計(jì)分析功能，對(duì)違法占用耕地的數(shù)量、分布和趨勢(shì)進(jìn)行定性、定量分析，為提高耕地保護(hù)巡查效率提供科學(xué)依據(jù)。

（6）檔案管理模塊

提供多種錄入與輸出方式，可以方便地形成各種常用標(biāo)準(zhǔn)和格式的表格、圖形。可以根據(jù)案件的屬性信息和關(guān)鍵詞對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，查詢(xún)違法用地的相關(guān)信息及案件的處理結(jié)果?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和案件檔案的及時(shí)準(zhǔn)確更新。此外，系統(tǒng)還支持常見(jiàn)的多媒體資料，如違法用地現(xiàn)場(chǎng)的照片、視頻等，提供直觀的信息給用戶(hù)。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)包含兩部分：空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)按照ArcGIS 9.2的Geodatabase數(shù)據(jù)模型框架構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)，分為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)兩種，矢量數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（水系、道路網(wǎng)、建筑物等）、土地利用數(shù)據(jù)和規(guī)劃專(zhuān)題圖數(shù)據(jù)；柵格數(shù)據(jù)主要是不同時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)和航拍所得影像；非空間數(shù)據(jù)由文件系統(tǒng)分類(lèi)集中管理，主要是各類(lèi)違法占用耕地案件的相關(guān)案卷、文檔、圖片與統(tǒng)計(jì)表等。

圖3是空間數(shù)據(jù)在Geodatabase中的結(jié)構(gòu)圖。其中道路網(wǎng)以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集（Network Class）的形式存儲(chǔ)在要素?cái)?shù)據(jù)集（Feature Dataset）中，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，例如最優(yōu)路徑分析、連通分析等，其他矢量數(shù)據(jù)以要素類(lèi)（FeatureClass）的形式也存儲(chǔ)在要素?cái)?shù)據(jù)集中。而柵格影像以柵格數(shù)據(jù)集（Ratser Dataset）的方式存儲(chǔ)在地理數(shù)據(jù)庫(kù)（Geodatabase）中，每一幅影像對(duì)應(yīng)一個(gè)柵格數(shù)據(jù)集。

土地利用數(shù)據(jù)是耕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是本系統(tǒng)中最主要和重要的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量大，類(lèi)別復(fù)雜，屬性表的建立最為復(fù)雜。為了科學(xué)、規(guī)范地對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行精確描述，采用《全國(guó)土地分類(lèi)（試行）（2002年）標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、編碼，以“分類(lèi)代碼”字段存儲(chǔ)在屬性表中[4]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（System realization）

本系統(tǒng)采用ArcEngine 9.2+C#開(kāi)發(fā)平臺(tái)，成功構(gòu)建了一個(gè)基于C/S的耕地保護(hù)巡查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并應(yīng)用于某城鎮(zhèn)耕地保護(hù)巡查，其基本實(shí)現(xiàn)了耕地保護(hù)巡查數(shù)據(jù)的可視化顯示、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析、地圖輸出、數(shù)據(jù)管理及決策支持[5-7]。

文章以某城鎮(zhèn)土地利用數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)為例，對(duì)該區(qū)域的違法占用耕地現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，生成了違法占用耕地圖斑數(shù)據(jù)庫(kù)文件，為耕地保護(hù)巡查工作提供了詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，取得了較好的效果。此外，還以道路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行路徑分析，為巡查人員對(duì)相應(yīng)地塊進(jìn)行查處制定一條參考巡查路線[8，9]。

如圖4所示，藍(lán)色高亮度顯示的圖斑是系統(tǒng)通過(guò)不同時(shí)間的土地利用矢量圖層疊加分析監(jiān)測(cè)到的違法占用耕地地塊，棕色高亮度顯示的道路是系統(tǒng)提供給巡查人員的參考最優(yōu)路徑，耕地保護(hù)巡查人員可以根據(jù)此巡查路線快速的到達(dá)相應(yīng)的地點(diǎn)對(duì)違法現(xiàn)象進(jìn)行制止與查處。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文以研發(fā)一個(gè)耕地保護(hù)巡查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，闡述了該系統(tǒng)從總體設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的過(guò)程，在耕地保護(hù)巡查信息化建設(shè)方面作了一些探索研究。利用GIS技術(shù)輔助建立耕地保護(hù)巡查快速反應(yīng)機(jī)制，把計(jì)算機(jī)技術(shù)與GIS技術(shù)應(yīng)用于執(zhí)法巡查工作中，不但能提高執(zhí)法人員在巡查過(guò)程中的工作效率，而且可以較為及時(shí)準(zhǔn)確地掌握違法用地案件的動(dòng)態(tài)變化信息，為土地資源管理和耕地保護(hù)巡查提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策服務(wù)。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，以及國(guó)土部門(mén)作業(yè)的新需求，GIS技術(shù)在耕地巡查中將會(huì)有廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

江 禹（1987-），男，碩士，助理工程師.研究領(lǐng)域：GIS開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.