一種基于格網(wǎng)單元的規(guī)劃自動化調(diào)整方法

易志輝，張 涵，范協(xié)裕

(1.江西省煤田地質(zhì)局普查綜合大隊,江西 南昌 330001；2.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,福建 福州 350002)

土地利用總體規(guī)劃調(diào)整過程中，特別是調(diào)出過程中，涉及到多源地理空間數(shù)據(jù)，包括不局限于： 目標(biāo)地塊坐標(biāo)，規(guī)劃調(diào)整地塊，建設(shè)用地管制區(qū)，縣級行政區(qū)圖層，建設(shè)用地管制區(qū)歷史圖層等。由于參與運算的地理空間數(shù)據(jù)的來源不一、比例尺也不同，在疊加和裁剪等空間分析操作過程中，易產(chǎn)生拓撲匹配誤差，從而造成冗余多邊形、拓撲不一致等數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，是阻礙建設(shè)用地規(guī)劃局部調(diào)整自動化亟待解決的問題。

當(dāng)前針對土地規(guī)劃的研究主要集中在為提高土地利用效率的建設(shè)用地邊界劃分方法、規(guī)劃模型及規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)等方面[1-4]，較少涉及規(guī)劃調(diào)整自動化的研究。為進一步提高規(guī)劃調(diào)整效率及成果數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平，在遵循土地利用總體規(guī)劃中建設(shè)用地規(guī)模邊界調(diào)整審批制度、數(shù)據(jù)規(guī)范和管理體系的前提下，全國各省市自然資源管理部門紛紛設(shè)計并構(gòu)建了具備規(guī)劃局部調(diào)整功能的圖形化輔助信息管理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)提供的圖形功能往往局限于為業(yè)務(wù)人員提供錄入、專業(yè)類空間數(shù)據(jù)服務(wù)疊加比對和空間分析的圖形審查功能[5-6]。也有利用算法提供輔助調(diào)整的研究，如蔡棟采用0-1整數(shù)規(guī)劃模型，通過圖斑定積分割的方法，進行圖斑的分割處理，運用逐步逼近法的原理，實現(xiàn)圖斑的精確分割，從而實現(xiàn)建設(shè)用地的精確局部調(diào)整[7]。然而，無論是圖形輔助人工調(diào)整還是使用算法精確調(diào)整，都未能提供解決規(guī)劃調(diào)整時圖斑分割造成的拓撲匹配誤差問題。

因此，本文設(shè)計了一種基于最小格網(wǎng)單元的土地規(guī)劃自動化調(diào)整方法,用于解決多次疊加和裁剪等空間分析操作過程中產(chǎn)生拓撲匹配誤差的問題,并實現(xiàn)了操作的可追溯、可重放、可回滾。最后，使用實際數(shù)據(jù)對算法的可行性與效果進行了驗證。

一 土地規(guī)劃業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求及問題分析

根據(jù)土地管理法規(guī)定，土地利用總體規(guī)劃根據(jù)管理需要,劃定城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界、擴展邊界和禁止建設(shè)邊界三條界限,形成允許建設(shè)區(qū)、有條件建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和禁止建設(shè)區(qū)四個區(qū)域。當(dāng)建設(shè)用地包含部分不符合當(dāng)前土地利用總體規(guī)劃時，需進行規(guī)劃建設(shè)用地的調(diào)整，包括調(diào)入和調(diào)出兩種調(diào)整方式。規(guī)劃調(diào)整的原則是調(diào)入地塊和調(diào)出地塊面積相等，建設(shè)用地總量不增加，耕地面積不減少。規(guī)劃修改的結(jié)果就是將調(diào)出地塊的建設(shè)用地規(guī)模同等大小地置換到調(diào)入地塊。

在實際操作中，有條件調(diào)整必須滿足兩個約束條件:(1)允許建設(shè)用地區(qū)調(diào)整為有條件建設(shè)用地區(qū)面積必須大于或等于有條件建設(shè)用地區(qū)調(diào)整為允許建設(shè)用地區(qū)面積；(2)允許建設(shè)用地區(qū)空間位置不能重復(fù)調(diào)整，不能與已經(jīng)批準(zhǔn)的地塊重疊，土地利用現(xiàn)狀不能含有建設(shè)用地。

在建設(shè)項目用地地塊規(guī)劃用途調(diào)整過程中為了保證調(diào)入、調(diào)出地塊規(guī)模的一致，符合前面所述的約束條件，需要使用空間數(shù)據(jù)幾何裁剪的方法，根據(jù)調(diào)出地塊的規(guī)模，從原本符合規(guī)劃用途的地塊中裁剪出面積大于或等于項目調(diào)出的地塊面積的地塊，并相應(yīng)修改對應(yīng)的屬性信息。

當(dāng)前系統(tǒng)普遍采用半自動化的輔助調(diào)整方案，在相關(guān)圖層(土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫管制區(qū)圖層)上直接進行裁剪，存在規(guī)劃調(diào)整地塊的邊界與管制區(qū)地塊的邊界不吻合，在進行規(guī)劃調(diào)整之后，在管制區(qū)數(shù)據(jù)圖層中產(chǎn)生碎圖斑和間隙等拓撲一致性問題。圖1和圖2(參考坐標(biāo)系：2000參考坐標(biāo)系，40度帶，X分辨率：0.0001 m，容差：0.001 m)展示了系統(tǒng)長期運行后產(chǎn)生的邊界間隙和碎圖斑問題。

圖1 規(guī)劃調(diào)整地塊邊界間隙

圖2 規(guī)劃系統(tǒng)存量的碎圖斑問題

二 基于最小格網(wǎng)單元的規(guī)劃自動化調(diào)整方法

(一)基于空間填充曲線的格網(wǎng)化劃分與編碼

針對以上問題，提出了使用最小單元格掩碼圖層將“有條件建設(shè)區(qū)”劃分成規(guī)則格網(wǎng)單元，在建設(shè)用地項目調(diào)出的過程中，采用對規(guī)則格網(wǎng)組成的掩碼圖層進行標(biāo)記的方法替代傳統(tǒng)的直接在相關(guān)圖層(土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫管制區(qū)圖層)上進行裁剪的方案。

從以下三個方面，解決現(xiàn)有問題：(1)采用規(guī)則的正方形格網(wǎng)作為調(diào)整的最小單元，避免了由于不同比例尺和來源的數(shù)據(jù)源操作過程中，容易產(chǎn)生誤差的問題；(2)設(shè)計調(diào)出記錄表用于記錄建設(shè)用地調(diào)出的過程，使得建設(shè)用地規(guī)劃調(diào)整的過程可追溯，可重放，可回滾；(3)采用空間填充曲線對候選的規(guī)劃調(diào)整格網(wǎng)的最小單元格格網(wǎng)進行編碼，實現(xiàn)自動、快速、集中連片地查找“可用調(diào)出地塊”候選集，從而高效實現(xiàn)建設(shè)用地規(guī)劃調(diào)出地塊的查找定位。

空間填充曲線將地理空間劃分成大小相同的格網(wǎng)，并根據(jù)一定的規(guī)則對格網(wǎng)進行編碼，根據(jù)空間填充曲線的空間臨近性，即編碼相近的格網(wǎng)其地理位置也相鄰，因此經(jīng)常被用于海量空間數(shù)據(jù)劃分和并行查詢優(yōu)化[8-11], 圖3展示了基于Hilbert空間填充曲線的空間編碼規(guī)則。本文使用Hilbert填充曲線對待調(diào)整區(qū)地塊進行編碼，其具有以下特性：(1)地理位置臨近格網(wǎng)，編碼臨近；(2)計算機操作系統(tǒng)原理中稱存儲器訪問特性——“CPU訪問存儲器時，無論是存取指令還是存取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲單元都趨于聚集在一個較小的連續(xù)區(qū)域中”為局部性原理，分為時間局部性和空間局部性[12-13]，而通常在建設(shè)用地利用過程中也存在著類似的局部性特性，包括：①時間局部性，對建設(shè)用地的利用趨于在某個集中連續(xù)的時間內(nèi)；②空間局部性，對建設(shè)用地的利用趨于聚集在一個連續(xù)的區(qū)域中。即在建設(shè)用地利用及調(diào)整過程中，具有空間上聚集，時間上連續(xù)調(diào)整的特性。因此，采用連續(xù)規(guī)則編碼的格網(wǎng)作為最小調(diào)整單元，將使得調(diào)整結(jié)果更加整齊，提高后續(xù)土地規(guī)劃利用效率，同時能避免地塊邊界間隙不一致等問題。

圖3 基于Hilbert空間填充曲線的編碼規(guī)則

(二) 算法詳細設(shè)計

圖4展示了算法的具體流程，分為三個部分。

圖4 基于最小格網(wǎng)單元掩碼的土地規(guī)劃調(diào)出方法

1．可調(diào)整地塊格網(wǎng)掩碼圖層(M)生成

(1)最小格網(wǎng)單元尺寸確定。統(tǒng)計已有的建設(shè)用地項目占地面積歷史數(shù)據(jù)，選取已有建設(shè)用地項目中，需要調(diào)整的面積的最小值作為最小格網(wǎng)面積，開平方取整得到最小調(diào)整格網(wǎng)地塊單元(正方形格網(wǎng))的長度，據(jù)此得到最小單元格C的面積area(C)。

(2)可調(diào)整地塊格網(wǎng)掩碼圖層(M)生成。根據(jù)計算得到的最小單元格網(wǎng)尺寸，將“有條件建設(shè)區(qū)“的最小外包矩形(MBX，Minimize Bounding Box)覆蓋的區(qū)域劃分成規(guī)則的格網(wǎng)，然后與“有條件建設(shè)區(qū)”矢量圖層進行疊加，疊加生成的矢量圖層即為可調(diào)整地塊格網(wǎng)掩碼圖層，記為M，標(biāo)記每個格網(wǎng)C=,其中各屬性含義為：①id為標(biāo)識符；②(x1，y1)為格網(wǎng)左下腳坐標(biāo)；③(x2,y2)為格網(wǎng)右上角坐標(biāo)；④Z為格網(wǎng)的地理編碼值。具體地根據(jù)有條件建設(shè)區(qū)的地形選擇具體的空間填充曲線(例如：Peano曲線、Z序曲線、Hilbert曲線等)生成編碼的值，在本方法中，以Hilbert空間填充曲線來生成格網(wǎng)的地理編碼；⑤S為格網(wǎng)單元狀態(tài)，取值0表示 “未調(diào)整”，1表示“已調(diào)整”;⑥T為格網(wǎng)類型，取值0表示完整格網(wǎng)，1表示不完整格;⑦area為格網(wǎng)面積。

2.調(diào)出記錄表(T)設(shè)計

用于記錄調(diào)出操作，其數(shù)據(jù)表字段(屬性)如下：①Pid為項目編號；②Cellids為格網(wǎng)單元編號，用逗號作為分隔符分割，如“1，2，3”；③Date為調(diào)整時間；④PArea為需要調(diào)整的面積(正數(shù)為調(diào)出，負數(shù)為調(diào)入)。

3.調(diào)出調(diào)度方法

(1)設(shè)根據(jù)項目pi需要，在M中查找的可用格網(wǎng)集合。

首先定義需要調(diào)整的建設(shè)項目：pi；項目pi需要調(diào)出的面積：Area(pi), 簡記為A；調(diào)整結(jié)果格網(wǎng)單元集合： F={Ci,i=1～n}，n為集合的大小。

具體流程如下：

①根據(jù)項目pi需要調(diào)整的面積A，計算需要的最小格網(wǎng)數(shù)量sum和面積的余數(shù)y。 其中， A=sum*area(C)+y， area(C)為格網(wǎng)單元的面積。

計算公式：sum= A/area(C) , 其中/表示整除；y = sum%area(C), 其中%表示求余運算。

②獲取M中“S=0且T=1”的集合 FT=1={Ci, Si=0&&T=1}，作為備選集(即未調(diào)整的不完整格網(wǎng)單元);對FT=1集合使用Z值進行排序。

③獲取M中“S=0且T=0”的集合 FT=0={Ci, Si=0&&T=0}(即未調(diào)整的完整格網(wǎng)單元)，對FT=0使用Z值對集合進行排序。

a. 如果“未調(diào)整完整格網(wǎng)備選集合”FT=0的大小Size(FT=0)小于sum，將FT=0所有單元格加入備選集合F中。然后，循環(huán)遍歷Z值排序后的集合FT=1，并將遍歷的格網(wǎng)單元加入備選集合F中退出循環(huán)，累加FT=1中格網(wǎng)單元的面積屬性直到面積累加值SUM(FT=1) >= A-Size(FT=0)*area(C)，退出循環(huán)。 如果遍歷結(jié)束后，Sum(FT=1)< A-Size(FT=0)*area(C),則返回調(diào)整失敗，提示沒有足夠的可用地塊用于項目規(guī)劃調(diào)整，清空F。

b. 如果“未調(diào)整完整格網(wǎng)備選集合”FT=0的大小Size(FT=0)大于等于sum，將Z值排序后的FT=0的前sum個單元加入到備選集合F中。然后循環(huán)遍歷排序后的集合FT=1，并將遍歷的格網(wǎng)單元加入備選集合F中，累加FT=1中格網(wǎng)單元的面積屬性值直到面積累加值SUM(FT=1) >= A-sum*area(C)，退出循環(huán)。如果遍歷結(jié)束后，Sum(FT=1)< A-sum*area(C),則返回調(diào)整失敗，提示沒有足夠的可用地塊用于項目規(guī)劃調(diào)整，清空F。

(2)如果F為空，則流程結(jié)束，提示沒有足夠的地塊用于規(guī)劃調(diào)整。否則，根據(jù)(1)結(jié)果集，生成調(diào)整記錄r={pid,id(F), date(now)}，插入表T中，其中id(F)=id(C1),id(C2),…,id(Cn)， pid為項目的編碼, date(now)指當(dāng)前系統(tǒng)時間。

(3)遍歷F中的格網(wǎng)單元，在M中設(shè)置對應(yīng)的格網(wǎng)的狀態(tài)S=1(即設(shè)置為已調(diào)整)。

(4)結(jié)果輸出。

①當(dāng)前規(guī)劃調(diào)整全局專題圖輸出。查詢掩碼圖層M，根據(jù)圖層S字段，制作專題圖層(S=0為綠色，S=1為紅色)，輸出當(dāng)前規(guī)劃調(diào)整全局專題圖。

②指定項目pj調(diào)整情況圖輸出。根據(jù)pj的項目編號，查詢“調(diào)出記錄表(T)”，獲取調(diào)整記錄，得到記錄中的Cellids屬性，將Cellids中記錄的格網(wǎng)單元作為查詢條件，在M中查詢相應(yīng)格網(wǎng)單元，制作項目Pj的調(diào)整情況專題圖。

③指定時間區(qū)間的地塊調(diào)整歷史演變圖輸出。以指定時間區(qū)間為查詢條件，查詢“調(diào)出記錄表(T)”，獲取調(diào)整記錄集，制作延時動畫專題圖。

三 實驗與討論

為了對算法進行驗證，以福建省晉江市為實驗區(qū)域，采用100 m大小規(guī)則格網(wǎng)作為調(diào)整單元，格網(wǎng)劃分效果如圖5所示。

圖5 格網(wǎng)劃分實例

經(jīng)過多輪模擬規(guī)劃調(diào)整測試，有條件建設(shè)區(qū)調(diào)整效果如圖6所示。

圖6 基于規(guī)格格網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整多次模擬運行效果

如圖5有條件建設(shè)區(qū)地塊1-5，經(jīng)過多輪的調(diào)整產(chǎn)生了圖7所示效果，由圖7可見：(1)總體上，地塊間形成了比較規(guī)則的邊界，而且隨著規(guī)劃調(diào)整的次數(shù)越多，邊界越來越規(guī)則化。(2)由于采用最小正方形格網(wǎng)單元作為基本的調(diào)整單元，有效地避免了地塊之間的間隙問題。(3)算法的自動化調(diào)整過程可有效提供業(yè)務(wù)系統(tǒng)的自動化水平，提升規(guī)劃調(diào)整效率。

圖7 格網(wǎng)劃分導(dǎo)致的碎片化問題

在模擬過程中也存在一些問題，如一個格網(wǎng)跨越多個物理地塊，導(dǎo)致更多的碎片。

針對以上問題，在實際應(yīng)用過程中仍可從以下幾方面進一步優(yōu)化完善：(1)由于算法在調(diào)入調(diào)出時以空間填充曲線為序進行調(diào)整，因此在調(diào)出時，空間上臨近的格網(wǎng)會有更大的概率(存在編碼在臨近地塊突變的情況)在臨近的時間內(nèi)被調(diào)整使用，因此建議在每次調(diào)整完后，對臨近格網(wǎng)進行合并，并更新涉及的土地單元的規(guī)劃屬性。(2)針對劃分的最小單元格網(wǎng)粒度太小導(dǎo)致格網(wǎng)太多，造成的數(shù)據(jù)量太大的問題，由于空間填充曲線編碼的計算簡單，時間復(fù)雜度小，可使用虛擬格網(wǎng)代替生成實際格網(wǎng)。(3)調(diào)出時，優(yōu)先以Hilbert曲線編碼順序調(diào)整處于同一地塊單元內(nèi)的格網(wǎng)，從而使得完整地塊被優(yōu)先用于調(diào)整。

四 結(jié)論

本文分析了當(dāng)前建設(shè)用地局部規(guī)劃系統(tǒng)圖形輔助功能的不足及存在的碎片化、拓撲不一致等問題，基于建設(shè)用地利用的時間空間局部性特性，提出并設(shè)計了基于最小格網(wǎng)單元的規(guī)劃調(diào)整算法。經(jīng)過多輪調(diào)整測試實驗，結(jié)果表明：基于最小格網(wǎng)的局部規(guī)劃調(diào)整方法使得用于調(diào)整的有條件建設(shè)區(qū)域的地塊整體區(qū)域整齊規(guī)則，并且有效避免了現(xiàn)有圖形輔助系統(tǒng)直接裁剪導(dǎo)致的邊界間隙及碎片化等拓撲一致性問題，有利于維護建設(shè)用地規(guī)劃空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)質(zhì)量，避免數(shù)據(jù)質(zhì)量退化。另外，對方法存在的問題及優(yōu)化方案也進行了闡述。