基于ArcGIS建模的图斑地类面积自动量算研究

黄晓君　孙宏

【摘 要】本文从土地利用现状调查与土地利用总体规划项目的图斑地类面积量算的关键问题出发，以典型的某县土地利用现状调查数据为数据源，利用ArcGIS建模功能的优势，构建了图斑地类面积量算的图解模型，解决了量算作业过程复杂的问题，并实现了自动量算。

【关键词】ArcGIS空间分析；图解模型；图斑地类面积量算

0.引言

自始二十世纪八十年代至今我国已在全国范围内开展了两次土地利用现状调查（1984～1997年、2007～2009年）与三次土地利用总体规划（规划期1986～2000年、1997～2010年、2006～2020年）项目[1]。土地利用现状调查是一项重大的国情国力调查，目的是全面查清全国土地的地类、面积、分布等利用状况，掌握真实的土地数据，并对调查成果实行信息化、网络化管理[2]。土地利用总体规划是在一定区域内，根据国家社会经济可持续发展的要求和当地自然、经济、社会条件，对土地的开发、利用、治理、保护，在空间上、时间上所作的总体安排和布局，是国家实行土地用途管制的基础[3]。这两项重大项目进行时，关键在于量算图斑地类面积。其计算的思路简单，过程复杂，但随着GIS软件技术的快速发展，解决了此难题。本文以某县的土地利用现状调查数据为数据源，通过ArcGIS平台建模功能实现了图斑地类面积的自动量算。

1.图斑地类面积量算公式说明

与图斑地类面积量算有关矢量图层有：地类图斑（DLTB）、线状地物（XZDW）和零星地物（LXDW），其数据结构如表2-1所示。

表2-1矢量数据结构情况表

图斑地类面积量算公式说明如下：

图斑地类面积（DLMJ）=图斑计算面积（JSMJ）-线状地物面积（XZDWMJ）-零星地物面积（LXDWMJ）-田坎面积（TKMJ）[4]

其中线状地物面积（每条线状地物面积=地物长度×地物宽度）指该图斑内所有线状地物的面积和该图斑地类界上的所有线状地物面积的一半的总和；零星地物面积指该图斑内所有零星地物的面积总和；田坎面积=（图斑计算面积-零星地物面积-线状地物面积）×田坎系数，田坎系数是田坎面积与耕地图斑地类面积的比值，在图斑地类面积量算前已确定。

从图斑地类面积量算公式来看，简单易懂，但计算过程却很复杂。线状地物面积（该图层属性的地类面积字段的值）与零星地物面积（该图层属性的地类面积字段值）的计算是通过ArcGIS的“Field Calculator”功能完成。显然这都是对单矢量图层而言的，作业简单，容易计算。而计算图斑地类面积时，首先对地类图斑层与线状地物层、地类图斑层与零星地物层之间进行空间分析，求出每个地类图斑中所扣除的线状地物面积、零星地物面积、田坎面积，依次赋给地类图斑属性的线状地物面积字段、零星地物面积字段和田坎面积字段。在此基础上，最终量算图斑地类面积。

2.基于ArcGIS平台构建图斑地类面积量算图解模型

2.1数据准备

以典型的某县第二次全国土地利用现状调查数据（坐标系统为1980年国家大地坐标系统，地图投影为高斯-克吕格投影）为数据源，主要包括地类图斑图层、线状地物图层和零星地物图层等“Shape”格式矢量数据。其数据结构如表2-1所示。其中地类图斑层的标识码、地类编码、田坎系数、计算面积、权属代码、行政代码，线状地物层的标识码、地类编码、地物长度、地物宽度以及零星地物层的标识码、地类编码、地类面积都是已知属性数据。

2.2 ArcGIS建模的概述

ArcGIS建模主要指的是空间分析建模。它是指运用GIS空间分析方法建立数学模型。运用数学分析方法建立表达式，模拟地理现象的形成过程的模型称为过程模型，也叫处理模型[5]。这类模型的生成方法主要有图解建模和编写程序建模。本文采用图解建模的形式构建了图斑地类面积量算模型。图解建模是指用直观的图形语言将一个具体的过程模型表达出来。在这个模型中，分别定义不同的图形代表输入数据、输出数据、空间处理工具，它们以流程图的形式进行组合并且可以执行空间分析操作功能（如图3-1所示）。ArcGIS9x提供了图解建模工具ModelBuilder，它可简化复杂地理处理模型的设计与实施。本文正抓住了它的此优势构建了图斑地类面积量算图解模型。

2.3图斑地类面积量算图解模型的构建

2.3.1建立概念模型

（1）解决的问题。

我国土地利用现状调查与土地利用总体规划项目中图斑地类面积量算是其关键的任务。目前出现了很多完成此作业的商业GIS软件系统，但还是使用起来过程复杂。其量算中主要解决的问题是从地类图斑层的每个图斑“计算面积”（毛面积）中依次扣除线状地物层的地类面积、零星地物层的地类面积、耕地图斑（地类图斑层的图斑）的田坎面积。这个作业顾及到空间判别问题，即线状地物是否在该地类图斑内或在地类界上、零星地物是否在该地类图斑内、田坎是否在该耕地图斑内。随着ArcGIS的日益普及与应用，为图斑地类面积量算的简单化和自动化提供了可能。

（2）问题的分析。

首先，如何把复杂的过程变为简单。ArcGIS平台具有建模功能，其把复杂的过程能设计为前后有序的工作流并构成一个系统的模型。这个模型中只要输入有关数据并运行即可输出想要的结果。

其次，空间判别问题的解决。ArcGIS平台具有强大地空间分析功能，其可完成空间判别的问题。本文主要运用了Intersect、Frequency 、Identity和Spatial Join等空间分析工具。

2.3.2构建图斑地类面积量算的图解模型

在ArcGIS中打开ArcMap，启动ArcToolbox，右击ArcToolbox，选择New toolbox命令建立Toolbox1，再右击Toolbox1，在New中选择Model命令创建Model，然后命名为“Area Calculator”（如图3-2所示）。

（1）输入数据。

在“Area Calculator”中右击，选择Create Variable，在变量列表中选择“Shapefile”数据类型，双击新建的变量，选择输入数据。输入数据有地类图斑、线状地物和零星地物等矢量图层，则新建三个变量并输入数据。导入这些数据前地类图斑属性表中地类面积、线状地物面积、零星地物面积、田坎面积等字段的值是未知的，线状地物属性表中地类面积和扣除系数字段的值是未知的。

（2）采用的空间处理工具。

“Area Calculator”所采用的空间处理工具包括：Identity、Multipart To Singlepart、Spatial Join、Calculate Field、Add Field等。

（3）设置连接与参数。

按照数据流的前后顺序，把输入数据、空间处理工具、输出数据依次连接相应图形要素，并设置模型参数。模型参数中主要设置输入数据和输出数据的路径。其好处在于当打开模型时就会出现参数输入的对话框，可直接从本地路径输入数据或输出数据（如图3-3所示）。

（4）运行与验证模型。

之后，选择Validate Entire Model对模型进行检查，若没有问题即可运行，输出数据结果[6]。其结果也是“Shape”格式的矢量数据，且属性表中有用户所需的图斑地类面积。图3-4显示了“Area

图3-4 "Area Calculator"图解模型流程图

Calculator”模型的整个流程。为了检核模型的量算结果的正确性，从模型量算结果中抽出地类面积大小不同典型的1000个图斑样本与北京苍穹国土数据处理系统计算结果进行比对。结果显示：两种方法量算结果较差值的94.9%为0值，其余较差值亦微乎甚微（如图3-5所示）。这说明此模型是可行的。

图3-5 模型验证结果散点图

2.3.3图斑地类面积量算图解模型关键技术说明

（1）“线状地物”与“地类图斑”进行“Identity”后生成“线状地物1”。其目的有两个，一是用地类图斑切割线状地物；二是判别线状地物是否在该地类图斑内或在地类图斑界上（如图3-6所示）。

图3-6 Identity前后线状地物

图3-7线状地物扣除系数计算程序

（2）对“线状地物1”进行“Multipart To Singlepart”处理后生成“线状地物2”。其目的是处理“线状地物1”的拓扑问题，即如图3-6所示，线状地物被地类图斑切割后悬挂在地类图斑上的线状地物切割成两个实体：1和3、2，其中1和3成了一个实体，显然不合逻辑需分离，“Multipart To Singlepart”正是处理此问题。

（3）由于经过（1）、（2）处理后线状地物的长度有变化，所以通过“Calculate Field”重新维护线状地物长度（DWCD），并输出“线状地物3”。

（4）从输入“线状地物3”到输出“线状地物6”的过程中，采用“Add Field”添加扣除系数“KCXS”字段，并通过“Calculate Field1”计算扣除系数。扣除系数就有0.5和1两个值，当线状地物在该地类图斑内，则扣除系数赋值为1，当线状地物在该地类图斑界上，则扣除系数赋值0.5（计算程序如图3-7所示）。在此基础上，通过“Calculate Field2”计算线状地物地类面积，即DLMJ=DWKD*DWCD*KCXS，并输出“线状地物6”。

（5）输入“地类图斑” 与“线状地物6”并进行“Spatial Join”处理，是为了计算从每个图斑内需扣除的线状地物总面积。此计算值维护在“地类图斑1”的线状地物面积“XZDWMJ”字段中。

（6）输入“地类图斑1”与“零星地物”并进行“Spatial Join1”处理，是为了计算从每个图斑内需扣除的零星地物总面积。此计算值维护在“地类图斑2”的零星地物面积“LXDWMJ”字段中。

（7）从输入“地类图斑2”到输出“地类图斑4”的过程中采用两次“Calculate Field”功能计算，即一是计算田坎面积，二是计算地类面积。

（8）输出的“地类图斑4”是最终图斑地类面积量算结果的矢量图层。其属性表中地类面积“DLMJ”字段的值就是用户所需数据。在此基础上，亦可以输出各种汇总报表，如按权属汇总地类面积、按地类汇总地类面积、按行政辖区汇总地类面积。

3.结语

图斑地类面积量算是土地利用现状调查的重要任务。本文以它为研究对象，根据其计算公式，在ArcGIS平台上实现了自动量算的图解模型。图斑地类面积量算与地类图斑、线状地物、零星地物等矢量图层有着密切关系。在量算过程中，由于判别线状地物是否在该地类图斑内或地类图斑界上，和零星地物是否在该地类图斑内，必须地类图斑层与线状地物层、零星地物层之间进行空间分析。本量算图解模型集成了复杂的空间分析过程，提高了工作效率。通过验证，该模型是可行的，从而在内蒙古土默特左旗土地利用总体规划项目中得到了应用。今后，在土地利用现状调查和土地利用总体规划重大项目中应将发挥极大的应用价值。

【参考文献】

[1]罗士军，廖发良等.土地利用总体规划[M].长沙：湖南师范大学出版社，2008：3.

[2]TD/T 1014-2007.第二次全国土地调查技术规程[S].北京：中国标准出版社，2007：3.

[3]李强，张可慧.基于生态理念的土地利用总体规划研究[J].地理与地理信息科学，2005，21（6）：69.

[4]刘洪江，曹玉香.基于ArcGIS实现地类图斑净面积的计算[J].城市勘测，2012（5）：114.

[5]汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2012：457.

[6]丁华祥，唐力明.空间处理建模技术的概念和应用——利用ArcGIS ModelBuilder工具实现空间数据的转换[J].测绘通报，2009（1）：67.