永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)輔助建庫(kù)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳愛(ài)梅,羅燦培

(1.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南導(dǎo)視地理信息系統(tǒng)工程有限公司，云南 昆明 650056)

根據(jù)《自然資源部農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)永久基本農(nóng)田保護(hù)工作的通知》(自然資規(guī)〔2019〕1號(hào))的要求，為切實(shí)提高重大建設(shè)項(xiàng)目占用永久基本農(nóng)田的審查報(bào)批效率，確保補(bǔ)劃的永久基本農(nóng)田數(shù)量不減少、質(zhì)量不降低、布局更優(yōu)化[1]，利用第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查成果開(kāi)展永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定工作，將在永久基本農(nóng)田之外相對(duì)質(zhì)量較好的耕地劃入永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)。其中，永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)是該項(xiàng)工作重要的組成成分，是劃定工作的具體體現(xiàn)。永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)圖斑的空間位置布局、面積、形態(tài)、地類(lèi)、質(zhì)量等信息，該類(lèi)信息來(lái)源于地形地貌、土地利用規(guī)劃、耕地質(zhì)量等別、建設(shè)用地報(bào)批、生態(tài)紅線、林地保護(hù)和遙感正射影像等“分散存放、介質(zhì)不一、格式不同”的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)作為永久基本農(nóng)田的“蓄水池”[2]，對(duì)提高重大建設(shè)項(xiàng)目占用永久基本農(nóng)田的審查報(bào)批效率，確保補(bǔ)劃的永久基本農(nóng)田數(shù)量不減少、質(zhì)量不降低、布局更優(yōu)化；對(duì)守住耕地保護(hù)紅線和永久基本農(nóng)田邊界控制線，進(jìn)一步鞏固永久基本農(nóng)田劃定成果、完善保護(hù)措施、提高監(jiān)管水平具有重要意義。

本文從永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定流程入手，緊緊圍繞永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)潛力分析、質(zhì)量、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和應(yīng)用的過(guò)程，以數(shù)據(jù)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、流程化等為目標(biāo)，基于ArcGIS 10.2.2平臺(tái)，充分利用Python腳本語(yǔ)言構(gòu)建了集“矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)”為一體的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)方案，設(shè)計(jì)研發(fā)實(shí)現(xiàn)了永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)輔助建庫(kù)軟件，通過(guò)該軟件在富源縣永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中的實(shí)踐應(yīng)用，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的效率，保證了劃定成果的質(zhì)量。

1 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的過(guò)程

永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定目標(biāo)一般由省級(jí)自然資源主管部門(mén)確定，并逐級(jí)將指標(biāo)分解到縣級(jí)自然資源主管部門(mén)，具體的永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定由縣級(jí)自然資源主管部門(mén)完成[2-3]。永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)以第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查成果為基礎(chǔ)，其主要的工作流程如圖1所示。

圖1 永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)過(guò)程

(1)準(zhǔn)備階段：主要包括建庫(kù)方案制定、人員準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)源準(zhǔn)備、軟硬件準(zhǔn)備、管理制度建立等，收集涉及自然資源、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、生態(tài)環(huán)境等有關(guān)部門(mén)最新的遙感正射影像圖、縣鄉(xiāng)級(jí)土地利用總體規(guī)劃(2010～2020年)成果、縣級(jí)永久基本農(nóng)田劃定成果、耕地質(zhì)量等別更新評(píng)價(jià)成果、耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)成果、生態(tài)紅線、退耕還林還草和還濕還湖、第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查成果、糧食生產(chǎn)功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)初步成果、建設(shè)項(xiàng)目用地審批和礦業(yè)權(quán)審批登記等成果相關(guān)資料，作為儲(chǔ)備區(qū)劃定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。依據(jù)第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查的現(xiàn)狀地類(lèi)圖斑，內(nèi)業(yè)套合對(duì)比分析，按照永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定、國(guó)土空間管控等要求，初步提取出潛力圖斑，結(jié)合當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，形成劃定目標(biāo)任務(wù)。

(2)數(shù)據(jù)采集與處理階段：主要包括基礎(chǔ)地理、土地利用、土地權(quán)屬、柵格、永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)等各要素的采集、編輯、處理和檢查等，主要對(duì)潛力圖斑進(jìn)行內(nèi)業(yè)分析匯總，初步確定預(yù)劃入圖斑。并利用國(guó)家下發(fā)的核實(shí)軟件，對(duì)預(yù)劃入圖斑進(jìn)行逐地塊核實(shí)，填寫(xiě)實(shí)地核實(shí)情況，查清耕地利用現(xiàn)狀，拍攝上傳帶有定位信息和方位信息的實(shí)地照片、視頻等相關(guān)舉證材料。

(3)入庫(kù)匯交階段：主要包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù)等的檢查和入庫(kù)，并編制劃定方案，填寫(xiě)劃定情況表。同時(shí)，按照要求對(duì)成果進(jìn)行逐級(jí)審核上報(bào)，主要包括數(shù)據(jù)成果、文字成果、圖件成果和表格成果的匯交。

2 Python腳本簡(jiǎn)介

Python具有簡(jiǎn)單易學(xué)、可移植，以及跨平臺(tái)、可擴(kuò)展、面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)，是數(shù)據(jù)分析、程序設(shè)計(jì)最受歡迎的語(yǔ)言，并廣泛應(yīng)用于圖形圖像處理、文本文件處理、數(shù)據(jù)庫(kù)編程、網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)編程、多媒體應(yīng)用等各行各業(yè)。Python標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供了系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)通信、文本處理、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、圖形系統(tǒng)、XML處理等額外的功能[4]。目前，使用Python語(yǔ)言進(jìn)行ArcGIS的定制開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為ESRI公司主推的開(kāi)發(fā)方式。

ArcPy是一個(gè)Python站點(diǎn)包，可提供以實(shí)用高效的方式通過(guò)Python執(zhí)行地理數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和地圖自動(dòng)化等，用戶(hù)可以在交互式環(huán)境中快速地創(chuàng)建腳本原型并進(jìn)行測(cè)試[5]。在ArcGIS平臺(tái)通過(guò)ArcPy可訪問(wèn)地理處理工具以及其它函數(shù)、類(lèi)和模塊，從而創(chuàng)建簡(jiǎn)單或復(fù)雜工作流[6]。永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)輔助建庫(kù)軟件主要通過(guò)地理處理工具、文本處理模塊、Excel讀寫(xiě)模塊、Word讀寫(xiě)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及制圖模塊實(shí)現(xiàn)劃定過(guò)程中數(shù)據(jù)的快速處理，綜合上述模塊快速建立腳本工具并集成為ArcGIS ToolBox工具箱。

3 功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟硬件環(huán)境

程序開(kāi)發(fā)的軟硬件環(huán)境直接關(guān)系著程序運(yùn)行的效率，本次開(kāi)發(fā)主要的軟硬件環(huán)境如下：Intel酷睿i5處理器、4 GB內(nèi)存、1 T機(jī)械硬盤(pán)、Windows 7 64位操作系統(tǒng)、ArcGIS 10.2.2、Python 2.7、Sublime Text等。

3.2 功能需求和設(shè)計(jì)

對(duì)于永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定工作的整個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，其功能的分析應(yīng)從建庫(kù)工作涉及的主要流程來(lái)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)[7-9]，主要包括數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)的規(guī)范化、數(shù)據(jù)的屬性檢查和屬性關(guān)聯(lián)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)建立、數(shù)據(jù)入庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)檢查、拓?fù)錂z查等步驟，分為準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集與處理階段和數(shù)據(jù)入庫(kù)匯交階段。

(1)準(zhǔn)備階段的主要功能包括：收集資料數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、圖斑屬性檢查與填寫(xiě)、字段批量添加、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等。

(2)數(shù)據(jù)采集與處理階段的主要功能包括：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與擴(kuò)展、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)拓?fù)浜蛯傩詸z查、非空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、儲(chǔ)備區(qū)編號(hào)、儲(chǔ)備區(qū)屬性填寫(xiě)等。

(3)數(shù)據(jù)入庫(kù)匯交階段的主要功能包括：數(shù)據(jù)符合性檢查、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、匯交數(shù)據(jù)成果輸出、數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)等。

永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定工作開(kāi)展涉及基礎(chǔ)資料收集整理、內(nèi)業(yè)套合提取分析、外業(yè)調(diào)查、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、方案編制等多個(gè)環(huán)節(jié)，綜合要求較高、工作量較大、人才需求多樣化。為此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循“開(kāi)放、操作簡(jiǎn)便、規(guī)范、可擴(kuò)展”等原則，不再局限于軟件開(kāi)發(fā)者的硬件設(shè)施，滿足建庫(kù)人員的不同硬件環(huán)境需求；充分考慮了作業(yè)人員的技術(shù)水平，使其適應(yīng)大部分的作業(yè)人員；充分考慮利用國(guó)家下發(fā)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查、省級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)要求等諸多方面；可在程序上增加自定義函數(shù)、模塊等[10]。本次永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定輔助建庫(kù)軟件基本功能設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)輔助建庫(kù)軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框架

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)輔助建庫(kù)軟件應(yīng)用Python腳本語(yǔ)言，在ArcGIS 10.2.2平臺(tái)上通過(guò)調(diào)用地理處理模塊、Openpyxl、制圖模塊、文本處理等相關(guān)模塊，完成了軟件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。針對(duì)永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定的工作過(guò)程，主要的功能模塊如下：

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理模塊：劃定工作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自于自然資源、林草、規(guī)劃、農(nóng)業(yè)、水務(wù)等相關(guān)部門(mén)，存在坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)格式、介質(zhì)等的不統(tǒng)一。針對(duì)以上問(wèn)題，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以ArcGIS文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)格式存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GDB、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(導(dǎo)入?yún)?shù))、TXT/XLS轉(zhuǎn)要素面、拓?fù)錂z查等功能，如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理模塊功能

(2)劃入圖斑模塊：該模塊包含了潛力圖斑提取、儲(chǔ)備區(qū)調(diào)查圖斑提取、調(diào)查圖斑編號(hào)、與三調(diào)舉證GDB關(guān)聯(lián)、上傳圖斑導(dǎo)出等功能，如圖4所示。

圖4 劃入圖斑模塊功能

(3)儲(chǔ)備區(qū)建庫(kù)模塊：主要包含外業(yè)調(diào)查圖斑導(dǎo)入、圖斑屬性維護(hù)(如：坡度、質(zhì)量等級(jí)、權(quán)屬、是否高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、地力等級(jí)、儲(chǔ)備區(qū)分布、圖斑編號(hào)、標(biāo)識(shí)碼和要素代碼)、橢球面積計(jì)算、圖斑面積計(jì)算、數(shù)據(jù)成果導(dǎo)出(如：面積匯總、表格導(dǎo)出、成果導(dǎo)出)等模塊，涵蓋了永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中屬性及其關(guān)聯(lián)的過(guò)程，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)備區(qū)建庫(kù)模塊

(4)制圖模塊：根據(jù)永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定實(shí)施方案中制圖的相關(guān)要求，結(jié)合第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查的有關(guān)制圖要求，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)緯網(wǎng)制作、色帶制作、邊框制作、批量MXD導(dǎo)出圖片、地類(lèi)符號(hào)生成、行政界線分級(jí)等功能。

(5)其它功能模塊：為了解決以上過(guò)程中存在的部分問(wèn)題，針對(duì)性的開(kāi)發(fā)了如批量字段添加、要素節(jié)點(diǎn)距離處理、線面圖斑切割、矢量數(shù)據(jù)庫(kù)分割、多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)合并、細(xì)小圖斑合并、圖斑間細(xì)縫處理等通用的處理功能。

將以上模塊整合形成ArcGIS Toolbox工具箱，在Catalog中可以直接調(diào)用，同時(shí)為了方便建庫(kù)人員調(diào)用，引入Add-In插件，通過(guò)Add-In創(chuàng)建按鈕加載項(xiàng)，完成項(xiàng)目設(shè)置與定義要?jiǎng)?chuàng)建的多種加載項(xiàng)，并在加載項(xiàng)內(nèi)容選項(xiàng)卡中設(shè)置工具條，將相關(guān)腳本與加載項(xiàng)對(duì)應(yīng)的腳本相結(jié)合，安裝加載項(xiàng)以后在ArcGIS 10.2.2中可直接調(diào)用自定義的工具條[5]。軟件界面如圖6、圖7所示。

圖6 Add-in 配置文件

圖7 永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)輔助建庫(kù)軟件(Add-in)

3.4 實(shí)例應(yīng)用

在云南省富源縣永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定中，共安裝使用了該軟件4套。劃定工作共收集自然資源、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、城鄉(xiāng)規(guī)劃等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共計(jì)43項(xiàng)參考資料，含1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、2011城建坐標(biāo)系等四類(lèi)坐標(biāo)系統(tǒng)，存儲(chǔ)格式大部分為電子資料矢量格式，部分為T(mén)XT或XLS格式。利用永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定輔助軟件對(duì)收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、統(tǒng)一化的分析整理；利用潛力圖斑提取功能，采用“優(yōu)先分級(jí)”將富源縣除永久基本農(nóng)田外的大量?jī)?yōu)質(zhì)圖斑進(jìn)行篩選，既保證了劃入永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)圖斑的質(zhì)量，又鞏固了前期永久基本農(nóng)田劃定成果；同時(shí)建庫(kù)功能模塊貫穿了數(shù)據(jù)建庫(kù)和審查上報(bào)的整個(gè)過(guò)程，平均建庫(kù)時(shí)間從2天縮短到了1天，劃定方案編制采用軟件表格輸出的成果也縮短了文本報(bào)告編制的時(shí)間，同時(shí)因前期部分資料如外業(yè)調(diào)查表存在不規(guī)范、不清晰等問(wèn)題也得到了有效的解決。相比較采用人工完成建庫(kù)工作的其他單位速度提升了2～3倍，在項(xiàng)目生產(chǎn)中得到了良好的實(shí)踐應(yīng)用，為后期重大建設(shè)項(xiàng)目占用永久基本農(nóng)田的審查報(bào)批及其監(jiān)管提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定工作的資料收集分析、劃入圖斑、儲(chǔ)備區(qū)建庫(kù)等關(guān)鍵步驟，以通過(guò)上級(jí)主管部門(mén)審查驗(yàn)收為主要目標(biāo)，基于ArcGIS Python腳本語(yǔ)言，在ArcGIS 10.2.2平臺(tái)上通過(guò)調(diào)用地理處理模塊、Openpyxl、制圖模塊、文本處理等，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)輔助建庫(kù)軟件，包含了從資料收集整理、圖斑提取分析、儲(chǔ)備區(qū)建庫(kù)及其他通用的數(shù)據(jù)處理功能，并以富源縣永久基本農(nóng)田儲(chǔ)備區(qū)劃定為實(shí)例應(yīng)用，簡(jiǎn)化了劃定的工作流程和實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理。軟件還存在許多的不足之處，還需進(jìn)一步的研發(fā)以滿足重大建設(shè)項(xiàng)目占用永久基本農(nóng)田的審查報(bào)批、永久基本農(nóng)田保護(hù)監(jiān)管等的實(shí)際需求，并為工作決策提供有力的支撐。