基于三維GIS建模的實(shí)用性村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)研究

摘" 要：村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)涉及大量的空間數(shù)據(jù)，并且來(lái)源較廣，通常通過(guò)遙感、測(cè)量等手段獲取，存在一定的誤差和不確定性。為此，提出基于三維地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）[A1] 建模的實(shí)用型村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。遵循相關(guān)的編碼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼，采用多元組構(gòu)建編碼的村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，并對(duì)村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型中的每類數(shù)據(jù)屬性設(shè)定，以村莊規(guī)劃圖為底圖，根據(jù)數(shù)據(jù)模型中各類村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)屬性，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，提取村莊規(guī)劃二維坐標(biāo)信息，采用三維GIS建模技術(shù)構(gòu)建村莊規(guī)劃地理空間三維模型，并對(duì)其進(jìn)行消差處理，通過(guò)ArcCatalog導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成實(shí)用性村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)時(shí)間在123.42～142.65 ms范圍內(nèi)，輸出點(diǎn)與真實(shí)點(diǎn)誤差為±0.01 m，具有良好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：三維GIS建模" 村莊規(guī)劃" 數(shù)據(jù)庫(kù)" 多元組" 矢量化

中圖分類號(hào)：TP311.13

Research on the Design of Practical Village Planning Basic Database for Village Planning Based on 3D GIS Modeling

YANG Xiangdong1" YANG Bo2" CAO Yadan1

1.Shaanxi Air Navigation Remote Technology Co.， Ltd.， Xi’an， Shaanxi Province， 710000 China; 2. Shanghai Tongji Urban Planning andamp; Design Institute Co.， Ltd. Northwest Branch， Xi'an， Shaanxi Province， 710000 China

Abstract： The basic database of village planning involves a large amount of spatial data and comes from a wide range of sources. It is usually obtained by remote sensing， measurement and other means， which has certain errors and uncertainties. Therefore， a practical basic database design of village planning based on 3D Geographic Information System （GIS） modeling is proposed. Following relevant coding standards， tThe basic data of village planning is encoded. in accordance with relevant coding standards A multi-dimensional group is used to construct a coded village planning basic data model， and ， the basic data model of village planning is constructed with multiple groups， and the attributes of each type of data attribute in the basic data model of village planning areis set. The village planning map is taken as the base map， and the spatial data is vectorized based onaccording to the" attributes of various typesbasic data of village planning basic data attributes in the data model. The two-dimensional coordinate information of village planning was extracted， the three-dimensional GIS modeling technology was used to build the three-dimensional geographic space model of village planning.， The model is then subtracted and and the elimination process was carried out on it， and it was imported into the database through ArcCatalog to complete the design of the practical basic database of village planning. The experimental results show that the response time of the designed database is in the range of 123.42～142.65ms， and the error between the output point and the real point is ±0.01m， which has good adaptability.

Key Wwords： 3D GIS modeling; Village planning; Database; Multivariate group; Vectorization

村莊規(guī)劃作為國(guó)土空間規(guī)劃體系的重要組成部分，是鄉(xiāng)村地區(qū)詳細(xì)規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。村莊規(guī)劃不僅涉及土地資源的合理利用和開發(fā)，還關(guān)乎鄉(xiāng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[1]。隨著國(guó)家對(duì)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的深入實(shí)施，村莊規(guī)劃的重要性日益凸顯。然而，相較于城市規(guī)劃，村莊規(guī)劃在編制標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施細(xì)則、相關(guān)制度和規(guī)劃政策等方面相對(duì)薄弱，導(dǎo)致出現(xiàn)村莊現(xiàn)狀信息不全、規(guī)劃編制數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊、標(biāo)準(zhǔn)不一、整合程度低等問(wèn)題[2]。因此，建設(shè)實(shí)用、好用的村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為村莊規(guī)劃的科學(xué)編制和有序管理提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，成為當(dāng)前亟待解決的重要課題，目前在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了一定的成果。[A2]

李長(zhǎng)泓等人[3]提出了基于特征操作引擎（Feature Manipulate Engine，F(xiàn)ME）的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，利用FME軟件的空間幾何數(shù)據(jù)和屬性整合能力，以全國(guó)國(guó)土調(diào)查及變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)。然而，該數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)據(jù)整合的全面性和時(shí)效性方面可能存在不足。路堯等人[4]提出了基于超級(jí)文本預(yù)處理語(yǔ)言（Hypertext Preprocessor，PHP）和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（My Structured Query Language，MySQL）的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，利用PHP語(yǔ)言開發(fā)系統(tǒng)、MySQL存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地震震例的錄入、查詢等功能。但其存在數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化不足、硬件資源配置不當(dāng)?shù)刃阅芷款i，以及數(shù)據(jù)更新不及時(shí)等不足。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)方面已取得了一定的研究成果，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)在實(shí)用性村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理中存在不足和缺陷，為此提出基于三維GIS建模的實(shí)用性村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

1" 村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼及數(shù)據(jù)模型建立

村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含市域?qū)用娴恼w規(guī)劃、系統(tǒng)性的體系規(guī)劃、具體到村莊的詳細(xì)規(guī)劃、規(guī)劃實(shí)施過(guò)程中的相關(guān)記錄、構(gòu)成規(guī)劃基礎(chǔ)的基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)，以及輔助決策的影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類較多，且來(lái)源不同。為了高效管理和利用這些數(shù)據(jù)，遵循相關(guān)的編碼標(biāo)準(zhǔn)，為村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，其用[A3] 公式表示為：

式（1）中，表示村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼；表示規(guī)劃村莊所屬市代碼；表示規(guī)劃村莊所屬區(qū)縣代碼；表示規(guī)劃村莊所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼；表示規(guī)劃村莊代碼[5]。遵循 “市—區(qū)縣—鄉(xiāng)鎮(zhèn)—村莊”層級(jí)結(jié)構(gòu)，保證其唯一性，避免數(shù)據(jù)混淆或重復(fù)的問(wèn)題。在構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中，根據(jù)各類數(shù)據(jù)的獨(dú)有特性，并據(jù)此將所涉及的全部空間圖層數(shù)據(jù)劃分為十個(gè)規(guī)劃專題類別[6]。這些類別具體涵蓋代表限制要素的陡坡線圖層、區(qū)域性的設(shè)施布局圖層、村莊的具體規(guī)劃圖層、用地的詳細(xì)分類圖層、基礎(chǔ)性的地理數(shù)據(jù)圖層，采用多元組構(gòu)建村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，其用公式表示為：

式（2）中，表示村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型；表示村莊陡坡線圖層數(shù)據(jù)；表示區(qū)域性的村莊設(shè)施布局圖層數(shù)據(jù)；表示村莊用地分類圖層數(shù)據(jù)；表示村莊基礎(chǔ)性的地理數(shù)據(jù)圖層數(shù)據(jù)；表示村莊規(guī)劃圖層數(shù)據(jù)。

2村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型屬性設(shè)定

為了方便后續(xù)村莊規(guī)劃空間三維GIS模型建立，確保制圖數(shù)據(jù)與建庫(kù)數(shù)據(jù)之間的快速對(duì)接，對(duì)每類村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型的屬性設(shè)定，具體如表1所示。

如表1所示，針對(duì)村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型中每一類數(shù)據(jù)，利用字段、類型以及長(zhǎng)度描述模型中各類村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)屬性。

3空間數(shù)據(jù)矢量化

以村莊規(guī)劃圖為底圖，根據(jù)數(shù)據(jù)模型中各類村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)屬性，調(diào)取村莊規(guī)劃空間圖層數(shù)據(jù)，對(duì)空間數(shù)據(jù)矢量化，即將空間圖層中各個(gè)像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換為GIS坐標(biāo)點(diǎn)。由于GPS設(shè)備通常使用的是全球通用的WGS-84投影坐標(biāo)系，而村莊規(guī)劃圖層采用的是投影坐標(biāo)系，村莊規(guī)劃圖所采用的投影坐標(biāo)系統(tǒng)主要有三種，分別是54投影坐標(biāo)系、80投影坐標(biāo)系以及95投影坐標(biāo)系，因此調(diào)取FileName數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入ArcGIS軟件中，利用轉(zhuǎn)換函數(shù)對(duì)村莊規(guī)劃圖坐標(biāo)系拉伸、縮放處理，轉(zhuǎn)換為WGS-84投影坐標(biāo)系，其用公式表示為：

式（3）中，表示轉(zhuǎn)換后村莊規(guī)劃圖節(jié)點(diǎn)在95投影坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；表示村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型中圖層中節(jié)點(diǎn)的屬性值；表示轉(zhuǎn)換系數(shù)；表示拉伸因子；表示縮放因子[7]。利用以上公式完成對(duì)村莊規(guī)劃圖層矢量化，提取到村莊規(guī)劃圖層中各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息。

4基于三維GIS建模的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

以村莊規(guī)劃圖層數(shù)據(jù)矢量化后得到的空間地理信息（GIS）為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用三維GIS建模技術(shù)構(gòu)建村莊規(guī)劃地理空間三維模型，以三維模型的形式可視化展示村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，構(gòu)建實(shí)用型村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。利用GIS技術(shù)，為每一個(gè)村莊規(guī)劃節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)空間實(shí)體。這些空間實(shí)體構(gòu)成實(shí)用性村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與操作的基礎(chǔ)單元，實(shí)體類型涵蓋點(diǎn)、線以及區(qū)域等多種形式[8]。在具體操作中，將矢量化的村莊規(guī)劃節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息輸入GIS系統(tǒng)中。為了描繪這些規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的三維空間位置結(jié)構(gòu)，利用擴(kuò)展函數(shù)將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)，構(gòu)建村莊規(guī)劃三維GIS模型，其用公式表示為：

式（4）中，表示村莊規(guī)劃三維GIS模型；表示村莊規(guī)劃節(jié)點(diǎn)數(shù)量，單位為個(gè)；表示擴(kuò)展系數(shù)；表示節(jié)點(diǎn)的空間屬性值；表示節(jié)點(diǎn)與相鄰點(diǎn)垂直方向夾角，單位為°。在構(gòu)建村莊規(guī)劃的三維GIS模型過(guò)程中，考慮到從二維向三維轉(zhuǎn)換時(shí)，受多種因素影響，可能會(huì)不可避免地產(chǎn)生一定的誤差[9]。為了有效減少這些誤差，采用光束法來(lái)處理村莊規(guī)劃三維GIS模型中的誤差，即對(duì)轉(zhuǎn)換后得到的三維坐標(biāo)系進(jìn)行誤差校正，這一過(guò)程通過(guò)以下公式來(lái)體現(xiàn)：

式（5）中，表示消差處理后的村莊規(guī)劃三維GIS模型；表示GIS坐標(biāo)系地物點(diǎn)對(duì)應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)改正值；表示消差系數(shù)。通過(guò)以上操作，將原始現(xiàn)場(chǎng)的村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)映射到三維坐標(biāo)系中[10]。將構(gòu)建的村莊規(guī)劃三維空間模型通過(guò)ArcCatalog導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

通過(guò)上述步驟，將村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以三維GIS模型的形式展現(xiàn)，并將其上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)完成入庫(kù)流程之后，為確保其準(zhǔn)確性和完整性，經(jīng)歷兩個(gè)層級(jí)的檢查以及一個(gè)層級(jí)的正式驗(yàn)收。這一過(guò)程涵蓋村莊規(guī)劃文檔的詳盡審核與三維空間模型的校驗(yàn)。具體而言，借助村莊規(guī)劃管理地理信息系統(tǒng)，將村莊規(guī)劃成果與原始資料逐一比對(duì)，核實(shí)所有相關(guān)鏈接的有效性，確保它們能夠順利且準(zhǔn)確地打開。經(jīng)檢驗(yàn)合格后，這些數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)村莊編碼的文檔中，以此實(shí)現(xiàn)基于三維GIS建模的實(shí)用性村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

5實(shí)驗(yàn)論證

5.1村莊規(guī)劃概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于三維GIS建模的實(shí)用性村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)在實(shí)際應(yīng)用中的性能，以某村莊為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，村莊規(guī)劃面積為3562.42m2，該村莊規(guī)劃設(shè)計(jì)為：擴(kuò)建村莊道路，老舊建筑改造、增加休閑娛樂(lè)設(shè)施，區(qū)分農(nóng)田種植區(qū)域。

5.2實(shí)驗(yàn)流程及指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，收集該村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，總量達(dá)到5.62GB，其中包括25000張圖像，通過(guò)構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，流程如下。

步驟1：將村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件，利用公式（1）對(duì)村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼為GHMK2W。

步驟2：將村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)CAD文件轉(zhuǎn)換為SHP文件，去除冗余數(shù)據(jù)，通過(guò)使用ARCToolBox中數(shù)據(jù)管理工具，對(duì)各類文件執(zhí)行元素表面處理操作。涵蓋基礎(chǔ)的元素調(diào)整與優(yōu)化。利用公式（2）構(gòu)建村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。

步驟3：結(jié)合表1設(shè)置數(shù)據(jù)模型中村莊規(guī)劃數(shù)據(jù)屬性，構(gòu)建村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)屬性表格。

步驟4：將構(gòu)建好的村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)屬性表格文件導(dǎo)入ArcGIS軟件中，利用公式（3）對(duì)村莊規(guī)劃的圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，提取村莊規(guī)劃節(jié)點(diǎn)二維數(shù)據(jù)。

步驟5：將村莊規(guī)劃節(jié)點(diǎn)二維數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS軟件中，利用公式（4）、公式（5）構(gòu)建村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維可視化模型，如圖2所示。

步驟6：將生成的村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維可視化模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

為了使此次研究具有一定的參考性和學(xué)術(shù)性價(jià)值，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置兩個(gè)對(duì)照組，分別為李長(zhǎng)泓等人[3]提出的基于FME的數(shù)據(jù)庫(kù)、路堯等人[4]提出的基于PHP和MySQL的數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)入庫(kù)的村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)試三種數(shù)據(jù)庫(kù)性能。首先，測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)性能，統(tǒng)計(jì)三種數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢索請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間。其次，對(duì)檢索到的村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)，對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)輸出的規(guī)劃點(diǎn)坐標(biāo)和真實(shí)點(diǎn)坐標(biāo)，數(shù)據(jù)庫(kù)輸出點(diǎn)和真實(shí)點(diǎn)越接近，則表示數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)用性越強(qiáng)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)精度越高。

5.3試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3給出了三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)在00：：00-[A5] —8：30中對(duì)數(shù)據(jù)檢索請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間，圖4給出了三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)輸出點(diǎn)和真實(shí)點(diǎn)空間分布圖。

從圖3可以看出，三種村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中，本文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)時(shí)間最快為123.42ms，最慢為142.65ms，基于FME數(shù)據(jù)庫(kù)在本次試驗(yàn)中響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，最快響應(yīng)時(shí)間為139.56ms，因此從響應(yīng)性能上來(lái)看，本文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。從圖4可以看出，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)輸出村莊規(guī)劃點(diǎn)與真實(shí)點(diǎn)基本重合，數(shù)據(jù)誤差比較小，為±0.01m，基于FME數(shù)據(jù)庫(kù)和基于PHP和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)輸出規(guī)劃點(diǎn)誤差比較大，因此從數(shù)據(jù)真實(shí)性方面來(lái)看，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)也具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。因此證明本文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)具有良好的適用性，更適用于村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

6結(jié)語(yǔ)

本研究基于三維GIS建模技術(shù)，深入探討了實(shí)用性村莊規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。通過(guò)綜合運(yùn)用三維可視化技術(shù)、GIS以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理理論，成功構(gòu)建了包含詳盡村莊地理空間信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)不僅涵蓋了村莊的地形地貌、土地利用現(xiàn)狀、基礎(chǔ)設(shè)施布局等關(guān)鍵信息，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的三維可視化展示，為村莊規(guī)劃提供了直觀、全面的數(shù)據(jù)支持。盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在諸多不足和需要改進(jìn)的地方。在未來(lái)的研究中，將繼續(xù)深化三維GIS技術(shù)在村莊規(guī)劃中的應(yīng)用，探索更加高效的數(shù)據(jù)處理和分析方法。同時(shí)，還將關(guān)注新興技術(shù)在村莊規(guī)劃領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)，如人工智能、大數(shù)據(jù)等，以期將這些先進(jìn)技術(shù)融入數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步提高村莊規(guī)劃的科學(xué)性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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