基于組件式GIS的土地利用分區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——以忻州市為例

陳 麗，郭青霞，荊耀棟，車(chē)愛(ài)平

基于組件式GIS的土地利用分區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——以忻州市為例

陳 麗1，郭青霞1，荊耀棟1，車(chē)愛(ài)平2

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太谷 030801;2.忻州市國(guó)土資源局，忻州 034000)

土地利用分區(qū)對(duì)于統(tǒng)籌區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義，而快速進(jìn)行土地利用分區(qū)則依賴于土地利用分區(qū)信息系統(tǒng)。基于可視化編程語(yǔ)言Visual Basic(VB)和GIS組件MapObjects(MO)，開(kāi)發(fā)了土地利用分區(qū)系統(tǒng)。將GIS技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，通過(guò)開(kāi)發(fā)層次聚類(lèi)分區(qū)模塊和主導(dǎo)因素分區(qū)模塊，實(shí)現(xiàn)了視圖、查詢統(tǒng)計(jì)以及土地利用分區(qū)、空間分析等功能，滿足了不同分區(qū)層面上的要求，并以忻州市為實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。該土地利用分區(qū)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)土地利用分區(qū)的快速計(jì)算及結(jié)果的可視化表達(dá)，不僅能滿足土地管理人員的多層次要求，而且便于操作使用，為區(qū)域土地協(xié)調(diào)利用與管理提供了有力支持。

GIS;MapObjects(MO);Visual Basic(VB);土地利用分區(qū)系統(tǒng);層次聚類(lèi)模型;忻州市

0 引言

土地利用是對(duì)土地進(jìn)行的長(zhǎng)期或周期性經(jīng)營(yíng)的過(guò)程，受自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)條件等多因素的影響。根據(jù)土地利用及其影響因素的區(qū)域差異性來(lái)劃分不同的土地利用區(qū)，對(duì)于統(tǒng)籌區(qū)域發(fā)展、協(xié)調(diào)解決區(qū)域發(fā)展和資源環(huán)境矛盾，防止重復(fù)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨同有重要意義［1－2］。劃分土地利用區(qū)是土地管理部門(mén)的一項(xiàng)重要工作，地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展為具有時(shí)空性、動(dòng)態(tài)性的土地管理信息的存儲(chǔ)、分析、可視化展示提供了良好的平臺(tái)［3］。在土地利用分區(qū)方面，目前國(guó)內(nèi)外主要是針對(duì)分區(qū)指標(biāo)因子、分區(qū)方法模型的研究［4－5］，主要是借助 SPSS、SAS等統(tǒng)計(jì)分析軟件，針對(duì)所選取的土地利用分區(qū)指標(biāo)，進(jìn)行土地利用分區(qū)。將GIS技術(shù)應(yīng)用在土地利用分區(qū)研究中，也主要是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分區(qū)界線切分及分區(qū)結(jié)果展示等方面［6－7］，而關(guān)于綜合應(yīng)用GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)研制智能化的土地利用分區(qū)系統(tǒng)的研究還比較少見(jiàn)［8－11］。

本研究采用可視化編程語(yǔ)言Visual Basic(VB)和GIS組件MapObjects(MO)，通過(guò)集成分區(qū)模型，開(kāi)發(fā)、構(gòu)建具有較強(qiáng)科學(xué)性和實(shí)用性的土地利用分區(qū)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)土地利用分區(qū)問(wèn)題的空間決策支持功能，為土地管理人員提供決策支持服務(wù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求與系統(tǒng)分析

土地利用分區(qū)是統(tǒng)籌規(guī)劃區(qū)域土地利用的有效措施，而劃分不同的土地利用區(qū)，結(jié)合實(shí)際、有的放矢、分類(lèi)指導(dǎo)，才能使區(qū)域土地利用發(fā)揮最大效益，使土地資源與基礎(chǔ)設(shè)施得到最大程度共享。

國(guó)外有關(guān)土地利用分區(qū)的研究最早始于18世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)則起步較晚，在20世紀(jì)20—30年代才真正把區(qū)劃作為一門(mén)學(xué)科進(jìn)行研究，但經(jīng)過(guò)80 a的系統(tǒng)研究，在分區(qū)理論、分區(qū)方法、指標(biāo)構(gòu)建和模型應(yīng)用上都取得了巨大進(jìn)步。用于土地利用分區(qū)的模型方法眾多，常用的有主成分分析模型、綜合指數(shù)模型、Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、聚類(lèi)分析模型等，不同的土地利用分區(qū)模型的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 不同土地利用分區(qū)模型的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 The advantages and disadvantages of different land－use zoning models

(續(xù)表)

其中聚類(lèi)分析模型以其直觀、結(jié)論形式簡(jiǎn)明、分區(qū)效果好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。針對(duì)其缺點(diǎn)，專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行的大量土地利用分區(qū)研究得知，從土地利用狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件以及生態(tài)環(huán)境條件3方面構(gòu)建的分區(qū)指標(biāo)體系能夠體現(xiàn)區(qū)域土地資源及其利用狀況的差異性，并能得到比較理想的土地利用分區(qū)結(jié)果。因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，如何提高土地利用分區(qū)工作的效率，已成為土地利用分區(qū)研究的一個(gè)重要趨勢(shì)。

土地利用分區(qū)主要是劃定不同用途的土地，以進(jìn)行土地利用管制。以村為土地分區(qū)單元，將分區(qū)單元內(nèi)土地的主導(dǎo)用途地類(lèi)作為用途管制主導(dǎo)方向。分區(qū)過(guò)程中，一方面要通過(guò)不同用地類(lèi)型間占地比重的比較，以確定分區(qū)單元內(nèi)的主導(dǎo)用途地類(lèi);另一方面要找出與主導(dǎo)用途地類(lèi)相同的分區(qū)單元在圖上進(jìn)行表達(dá)。無(wú)論是進(jìn)行市級(jí)還是縣級(jí)土地用途分區(qū)的研究中，以村為單元進(jìn)行土地利用分區(qū)，工作量都非常的巨大，而且需要專(zhuān)門(mén)的軟件才能進(jìn)行。

此外，如今土地利用分區(qū)方法已從定性分區(qū)發(fā)展到定量分區(qū)，以及通過(guò)二者相結(jié)合進(jìn)行分區(qū)，雖分區(qū)的結(jié)果更加準(zhǔn)確、合理，但過(guò)程卻更加復(fù)雜、難懂。專(zhuān)家學(xué)者雖具有運(yùn)用各種數(shù)學(xué)方法進(jìn)行土地利用分區(qū)的能力，但是對(duì)研究區(qū)域了解不足;土地管理人員雖對(duì)本區(qū)域的土地資源現(xiàn)狀、利用狀況及存在的問(wèn)題非常清楚，但未必能熟練應(yīng)用土地利用定量分區(qū)的各種數(shù)學(xué)模型和軟件。針對(duì)此問(wèn)題，開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用型土地利用分區(qū)軟件，將專(zhuān)家的知識(shí)、能力與進(jìn)行土地管理的一線工作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作來(lái)幫助土地管理人員提高土地利用分區(qū)能力，有一定的科學(xué)、實(shí)踐意義。

新一輪土地利用總體規(guī)劃工作的深入開(kāi)展，促使土地利用分區(qū)系統(tǒng)的建立迫在眉睫，在為土地利用規(guī)劃的實(shí)施提供科學(xué)保障的同時(shí)，還能方便土地管理人員操作、提高工作效率。

科學(xué)的土地利用分區(qū)應(yīng)選擇合適的分區(qū)單元，還應(yīng)建立合適的分區(qū)指標(biāo)體系和選擇合適的數(shù)學(xué)模型，并需對(duì)有關(guān)研究區(qū)域的各類(lèi)空間信息和屬性信息進(jìn)行系統(tǒng)的收集、處理和分析，最終對(duì)研究對(duì)象的空間信息、屬性信息及分區(qū)結(jié)果進(jìn)行空間展示、空間統(tǒng)計(jì)和分析。基于組件式GIS的土地利用分區(qū)系統(tǒng)從市級(jí)利用層面出發(fā)進(jìn)行考慮，實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)模型與GIS的集成，可應(yīng)用于土地利用分區(qū)的定量研究。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇

GIS的二次開(kāi)發(fā)有獨(dú)立開(kāi)發(fā)、單純二次開(kāi)發(fā)和集成二次開(kāi)發(fā)3種開(kāi)發(fā)形式，其中集成二次開(kāi)發(fā)又有OLE/DDE和GIS組件［12］兩種方式。GIS組件式開(kāi)發(fā)相對(duì)于獨(dú)立開(kāi)發(fā)和單純二次開(kāi)發(fā)具有以下4個(gè)特點(diǎn):①開(kāi)發(fā)方便，周期較短;②資金需求相對(duì)較小;③開(kāi)發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)，易于高效無(wú)縫集成;④可無(wú)限擴(kuò)展。GIS組件式開(kāi)發(fā)已成為當(dāng)前GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)的主流［13－15］。

ESRI公司開(kāi)發(fā)的具有制圖與空間分析功能的組件MapObjects是目前研究者常用的組件之一，雖然MO不具備地圖坐標(biāo)系投影、表面模型或網(wǎng)絡(luò)分析等高級(jí)空間分析功能，但其顯示、放大、縮小、漫游、SQL查詢、專(zhuān)題圖制作等一些基礎(chǔ)的制圖功能已能夠滿足本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的要求。因此，本系統(tǒng)選用Windows XP操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，同時(shí)選用簡(jiǎn)單易學(xué)的可視化編程語(yǔ)言VB和MO組件進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。同時(shí)，借鑒空間決策支持系統(tǒng)(SDSS)的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建［16－17］。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

進(jìn)行土地利用分區(qū)的研究需要大量的空間地理信息、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及文字資料，而三者的性質(zhì)完全不同，為了有效管理這3個(gè)方面的數(shù)據(jù)，建立了包含多種數(shù)據(jù)類(lèi)型以便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)分割為空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。空間數(shù)據(jù)庫(kù)按照邏輯分類(lèi)分成縣(市、區(qū))、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、村3層進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，包括通過(guò)掃描矢量化形成的各級(jí)行政區(qū)劃圖文件、各級(jí)行政區(qū)名稱(chēng)文件以及交通、水域等專(zhuān)題圖層文件(均為.shp格式)。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要記錄3個(gè)層次、兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)。3個(gè)層次指縣(市、區(qū))、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、村 3級(jí)行政單位;兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)分別是土地利用、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及按照分區(qū)指標(biāo)體系建立起來(lái)的土地利用分區(qū)指標(biāo)數(shù)據(jù)。研究區(qū)域不同，數(shù)據(jù)獲取的難易程度不同，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。土地利用分區(qū)指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容如表2所示。

表2 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容Tab.2 The content of attribute database

選用小型的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理。屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)鍵字段ID相關(guān)聯(lián)，并利用ActiveX Data Objects(ADO)建立數(shù)據(jù)庫(kù)與VB的接口。統(tǒng)計(jì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)與土地利用分區(qū)指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)相同，只是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容有所差別，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)如表3所示。對(duì)于與空間實(shí)體密切相關(guān)的、反映地物某一方面特征指標(biāo)的屬性數(shù)據(jù)，如面積、周長(zhǎng)等，放在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于實(shí)現(xiàn)屬性查詢、統(tǒng)計(jì)等操作［18－19］。

表3 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)表Tab.3 The basic structure of attribute database

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要開(kāi)發(fā)了層次聚類(lèi)分析、主導(dǎo)因素分析功能，同時(shí)輔助開(kāi)發(fā)了地圖瀏覽、空間查詢、屬性查詢、空間分析等通用的GIS功能，并實(shí)現(xiàn)了使用不同分區(qū)方法針對(duì)不同分區(qū)單元的土地利用分區(qū)。具體的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Function components of the system

2.1 基本GIS功能

本系統(tǒng)提供了一些不可缺少的基礎(chǔ)GIS功能，主要包括:①圖層的添加、刪除、放大、縮小、漫游、鷹眼、渲染等視圖瀏覽功能，全面直觀地顯示了不同行政單元的空間位置以及土地利用分區(qū)情況。②圖斑面積查詢、線狀地物長(zhǎng)度查詢、SQL查詢、距離量算、屬性統(tǒng)計(jì)與查看等查詢統(tǒng)計(jì)功能，該功能既可實(shí)現(xiàn)根據(jù)行政單元查看屬性信息與根據(jù)屬性信息查找行政單元的交互查詢，又可以對(duì)屬性信息中面積、長(zhǎng)度等數(shù)值型數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值、數(shù)目等進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，從而為管理者管理土地信息數(shù)據(jù)提供了便捷的技術(shù)支持。③緩沖區(qū)分析、疊加分析等空間分析功能，通過(guò)緩沖區(qū)分析，可以根據(jù)人為設(shè)定的一個(gè)范圍值，以待分析對(duì)象(河流、道路、行政區(qū)等)為中心，建立它們周?chē)欢ň嚯x的輻射區(qū)域，以便為某項(xiàng)分析或決策提供依據(jù);疊加分析包括圖層的交、差、并、異、或運(yùn)算，可以通過(guò)對(duì)河流、交通、各級(jí)行政區(qū)圖層之間進(jìn)行疊加操作來(lái)獲得更多的空間信息。

2.2 層次聚類(lèi)分區(qū)模塊實(shí)現(xiàn)

首先要建立土地利用分區(qū)指標(biāo)體系，然后將不同土地利用分區(qū)單元(即樣本)按照它們?cè)谒x土地利用分區(qū)指標(biāo)性質(zhì)上的親密程度進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)。度量分區(qū)單元(即樣本)之間親疏程度的方法有歐氏距離、歐氏距離的平方、切比雪夫距離、夾角余弦、相關(guān)系數(shù)等，聚類(lèi)方法有最短距離法、最長(zhǎng)距離法、重心法、中心距離法、離差平方和法等。下面給出該系統(tǒng)分析功能的算法與程序?qū)崿F(xiàn)。

2.2.1 算法分析

層次聚類(lèi)分區(qū)模塊使用的數(shù)學(xué)方法眾多，此處主要介紹衡量樣本間親疏程度的歐氏距離平方法和類(lèi)與類(lèi)之間聚類(lèi)采用的離差平方和法。歐氏距離的平方法的計(jì)算公式為

式中，dij為第i個(gè)樣本和第j個(gè)樣本之間的距離(i，j=1，2，…，k);xik、xjk分別為第 i個(gè)樣本和第 j個(gè)樣本在第k個(gè)指標(biāo)上的值;M為指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

該算法的思路如下:

(1)先將所有的樣本(N個(gè))各自作為一類(lèi)，然后分別對(duì)每個(gè)類(lèi)求歐氏距離的平方，形成一個(gè)N×N距離矩陣;

(2)計(jì)算一切可能合并的兩類(lèi)的離差平方，然后選擇離差平方和最小的兩類(lèi)合并，記為Gr(Gr=Gp∪Gq)，此時(shí)，已由原來(lái)的N類(lèi)變成N－1類(lèi);

(3)計(jì)算新類(lèi)Gr與其他任一類(lèi)之間的距離，即

式中，nk、nr、np、nq分別表示 k、r、p、q 類(lèi)中樣本的個(gè)數(shù);D2kp、D2kq、D2pq即為N×N距離矩陣中的距離。然后選擇離差平方和最小的兩類(lèi)合并;

(4)重復(fù)步驟(3)，直到所有樣本聚為一類(lèi)或者某個(gè)終結(jié)條件被滿足。

2.2.2 算法實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的歐氏距離平方法的核心代碼如下:

Public Sub M3(X()，r())

’X():數(shù)據(jù)數(shù)組;r():N×N距離矩陣

’歐氏距離的平方

Next J

Next I

End Sub

離差平方和法的核心代碼如下:

Public Sub Ward()

While T＜classcount

’選擇離差平方和最小的兩類(lèi)合并

For I=0 To N

For J=I+1 To N

’增量最小的樣本，首先合并為一類(lèi)

’計(jì)算新類(lèi)與其他任一類(lèi)之間的距離

’遞推公式

2.2.3 算法效率及效果分析

從算法效率上看，3種方法中，離差平方和算法的復(fù)雜度最大，運(yùn)行速度也稍慢，但經(jīng)過(guò)測(cè)試，在有較大數(shù)據(jù)信息量需要處理的情況下，本系統(tǒng)也能保證在2 s之內(nèi)得出聚類(lèi)結(jié)果，這樣的運(yùn)行時(shí)間也是在用戶可以接受的范圍之內(nèi)。與人工聚類(lèi)相比，用本系統(tǒng)進(jìn)行聚類(lèi)分區(qū)僅需要幾個(gè)操作便可得出結(jié)果，這顯然可以極大地降低用戶的工作量和提高工作效率，同時(shí)也能很好地避免人工計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的失誤。

從算法效果上看，最短距離法有鏈接聚合的趨勢(shì)，容易形成一個(gè)比較大的類(lèi)，對(duì)類(lèi)與類(lèi)的區(qū)分不明顯，且會(huì)受到奇異值的影響，聚類(lèi)效果不理想;最長(zhǎng)距離法雖然克服了最短距離法鏈接聚合的缺陷，對(duì)類(lèi)的區(qū)分也相對(duì)明顯，但對(duì)來(lái)自奇異值的影響更敏感;離差平方和法傾向于發(fā)現(xiàn)規(guī)模和形狀大致相同的類(lèi)，不僅類(lèi)內(nèi)離差平方和最小，而且類(lèi)間離差平方和較大。可見(jiàn)離差平方和法的聚類(lèi)效果較好。

2.3 主導(dǎo)因素分區(qū)模塊實(shí)現(xiàn)

2.3.1 算法分析

先根據(jù)研究區(qū)域的自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)情況等進(jìn)行系統(tǒng)分析，然后選取最具代表性，即占土地利用分區(qū)單元面積比例最大的地類(lèi)，作為土地利用分區(qū)單元的地類(lèi)用途類(lèi)型。具體的思路如下:首先，將所有指標(biāo)放入數(shù)組Arr();然后，選出每個(gè)土地利用分區(qū)單元內(nèi)面積比例最大的地類(lèi)作為該土地利用分區(qū)單元的主導(dǎo)地類(lèi);依此類(lèi)推，直到找出所有的土地利用分區(qū)單元的主導(dǎo)地類(lèi);最后，將與土地利用主導(dǎo)地類(lèi)相同的土地利用分區(qū)單元?jiǎng)澐譃橐活?lèi)。

2.3.2 算法實(shí)現(xiàn)

主導(dǎo)因素分區(qū)核心代碼為:

3 忻州市土地利用分區(qū)應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

忻州市位于山西省北中部，地理坐標(biāo)為E110°53'～113°58'，N38°08'～39°40'，忻州市土地總面積為25 150.68 km2。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，山地丘陵居多。全市轄忻府區(qū)、定襄縣、原平市、五臺(tái)縣、代縣、繁峙縣、寧武縣、靜樂(lè)縣、神池縣、五寨縣、岢嵐縣、河曲縣、保德縣及偏關(guān)縣14個(gè)縣(市、區(qū))，188個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(不含特殊用地區(qū))，4 971個(gè)行政村。

3.2 土地利用層次聚類(lèi)分區(qū)

根據(jù)忻州市自然生態(tài)條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等基礎(chǔ)信息及土地資源現(xiàn)狀特點(diǎn)，首先建立忻州市土地利用分區(qū)指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)了ID(主鍵)、行政區(qū)名稱(chēng)以及自然條件因素(包括土地總面積、耕地總量、人均耕地面積、復(fù)種指數(shù)、人均土地比重)、土地利用結(jié)構(gòu)(包括農(nóng)業(yè)用地(耕地+園地)比重、林地比重、牧草地比重、城鄉(xiāng)建設(shè)用地比重、交通運(yùn)輸用地比重、水利設(shè)施比重、未利用地比重)、地理環(huán)境因素(包括水域所占比例、濕地所占比例)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(包括人口密度、人均交通用地、人均建設(shè)用地、人均城鄉(xiāng)建設(shè)用地、人均農(nóng)村居民點(diǎn)用地、固定資產(chǎn)投資完成額、農(nóng)業(yè)投資完成額、農(nóng)民人均收入)等4個(gè)方面22項(xiàng)分區(qū)指標(biāo)，數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)ID與行政區(qū)區(qū)劃圖層文件建立關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)預(yù)處理方式選擇標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化，選擇歐氏距離的平方法進(jìn)行距離計(jì)算，選擇離差平方和法進(jìn)行聚類(lèi)，最終聚成6類(lèi)。通過(guò)GIS空間分級(jí)渲染表達(dá)功能實(shí)現(xiàn)土地利用分區(qū)結(jié)果空間可視化的直觀展現(xiàn)。其運(yùn)行過(guò)程及分區(qū)結(jié)果如圖2所示。

圖2 土地利用層次聚類(lèi)分區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig.2 The system operation result of land － use hierarchical clustering zoning

由圖2并結(jié)合專(zhuān)家知識(shí)可知，將忻州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)大體分為城鎮(zhèn)工礦用地區(qū)(綠色)、基本農(nóng)田區(qū)(粉色)、一般農(nóng)業(yè)區(qū)(黃色)和旅游生態(tài)用地區(qū)(藍(lán)色)4大主體功能區(qū)。雖然該土地利用分區(qū)結(jié)果中有個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)被單獨(dú)列在這4大主體功能區(qū)之外，但該土地利用分區(qū)結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和參考價(jià)值，達(dá)到了提供輔助決策的作用。

3.3 土地利用主導(dǎo)因素分區(qū)

根據(jù)忻州市土地資源現(xiàn)狀和特點(diǎn)，采用反映土地利用主導(dǎo)用途的區(qū)域差異性指標(biāo)作為土地利用分區(qū)的重點(diǎn)，建立忻州市土地利用分區(qū)指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式與層次聚類(lèi)分區(qū)指標(biāo)屬性庫(kù)相同。其運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。忻州市共有4 971個(gè)行政村，分區(qū)單元(即樣本)數(shù)量龐大，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)因素分區(qū)模塊使復(fù)雜、繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算變得簡(jiǎn)單、易于操作，大量抽象、枯燥的信息變得生動(dòng)、形象，便于土地管理人員使用并為其提供輔助決策。

圖3 土地利用主導(dǎo)因素分區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig.3 The system operation result of land－use leading factor zoning

3.4 討論

對(duì)忻州市4 971個(gè)行政村進(jìn)行土地利用主導(dǎo)因素分區(qū)，從計(jì)算到圖形顯示分區(qū)結(jié)果，僅需5步操作，工作效率大大提高。由于本系統(tǒng)具有將分區(qū)結(jié)果直接按分區(qū)單元進(jìn)行顯示的功能，從而省去了土地管理人員學(xué)習(xí)通用GIS軟件進(jìn)行制圖的麻煩，簡(jiǎn)化了土地管理人員的工作步驟。層次聚類(lèi)分區(qū)是目前最常用的分區(qū)方法，但數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，難以人工計(jì)算，雖然可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件來(lái)輔助計(jì)算，但由于相關(guān)軟件多為國(guó)外開(kāi)發(fā)，且價(jià)格昂貴，全英文操作，所以很難得到廣泛的推廣使用。本系統(tǒng)的層次聚類(lèi)分析模塊可以有效解決此問(wèn)題，同時(shí)還彌補(bǔ)了統(tǒng)計(jì)軟件所缺乏的空間顯示功能。由于本系統(tǒng)還具有通用軟件的查詢、統(tǒng)計(jì)及空間分析功能，因此對(duì)于土地管理人員管理海量土地?cái)?shù)據(jù)、制定決策方面具有重要作用。

4 結(jié)論

(1)在充分、全面研究已有土地利用分區(qū)理論與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理與數(shù)學(xué)建模技術(shù)，建立了對(duì)研究?jī)?nèi)容具有較強(qiáng)科學(xué)性與針對(duì)性的土地利用層次聚類(lèi)分區(qū)模型和主導(dǎo)因素分區(qū)模型。

(2)本系統(tǒng)將土地利用分區(qū)模型(主導(dǎo)因素和層次聚類(lèi)模型)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了土地利用分區(qū)的自動(dòng)化計(jì)算與空間顯示。分區(qū)結(jié)果的直觀顯示，有助于土地管理工作者根據(jù)分區(qū)單元的空間分布特征，挖掘數(shù)據(jù)資料之外的深層隱含信息。

(3)通過(guò)對(duì)忻州市土地利用分區(qū)的實(shí)例研究，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了初步測(cè)試檢驗(yàn)。結(jié)果表明，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和整體結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)代土地管理工作信息化的發(fā)展要求。更重要的是，本系統(tǒng)在基于GIS的土地利用空間布局與提供分區(qū)決策方面均表現(xiàn)出了較好的指導(dǎo)性和較強(qiáng)的簡(jiǎn)捷靈活性。但是，該系統(tǒng)還有一些不足之處，比如在分區(qū)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)匯總，進(jìn)而更詳細(xì)地對(duì)比各區(qū)域之間的差異性，以及分區(qū)結(jié)果以圖表形式展現(xiàn)等方面還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。

［1］ 陳百明，張鳳榮.中國(guó)土地可持續(xù)利用指標(biāo)體系的理論與方法［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2001，16(3):197 －203.

［2］ 蔡玉梅，鄭偉元.土地利用分區(qū)與差別化的土地利用政策［J］.農(nóng)村工作通訊，2009(1):35－36.

［3］ 單英杰，劉小軍，姜海燕，等.基于GIS和模型的種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(2):145 －149.

［4］ 周志躍，陳俐謀，張孝成.重慶市土地利用現(xiàn)狀分區(qū)研究［J］.西化師范大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2006，27(2):149－152.

［5］ 陳百明.中國(guó)土地利用與生態(tài)特征區(qū)劃［M］.北京:氣象出版社，2003:22－31.

［6］ 孫 偉，陳 雯，段學(xué)軍.GIS技術(shù)在區(qū)域土地開(kāi)發(fā)適宜性分區(qū)中的應(yīng)用——以江蘇省為例［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2006，23(12):220－223.

［7］ 甄 靜.基于GIS的西安市土地利用分區(qū)方法研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2006:1 －54.

［8］ 韓書(shū)成，濮勵(lì)杰.土地利用分區(qū)內(nèi)容及與其他區(qū)劃的關(guān)系［J］.國(guó)土資源科技管理，2008，25(3):11 －15.

［9］ 趙 麗，付梅臣，嚴(yán)學(xué)仕，等.河北永清縣土地利用功能分區(qū)研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(4):1562 －1565.

［10］高 茜，張振文.基于組件式GIS的土地潛力分區(qū)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.城市地質(zhì)，2009，4(1):36 －38.

［11］安衛(wèi)國(guó).基于GIS的農(nóng)用地分等信息系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2004:1－59.

［12］劉 光，地理信息系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)教程——組件篇［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:1－5.

［13］吳信才.地理信息系統(tǒng)的基本技術(shù)與發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.地球科學(xué)，1998，23(4):329 －333.

［14］吳信才，白玉琪，郭玲玲.地理信息系統(tǒng)(GIS)發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2000，36(4):8 －9.

［15］郭建文，蓋迎春，王雪梅，等.基于組件技術(shù)的張掖電子地圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2004，19(5):374－277.

［16］王家耀，周海燕，成 毅.關(guān)于地理信息系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)的探討［J］.測(cè)繪科學(xué)，2003，28(1):1 －4.

［17］常晉義，張淵智.空間決策支持系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，1996，11(1):33 －39.

［18］李志斌，陳佑啟，姚艷敏，等.基于ArcGIS Engine的區(qū)域性糧食生產(chǎn)安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.國(guó)土資源遙感，2010(3):136－142.

［19］周治國(guó)，曹衛(wèi)星，朱 艷，等.基于GIS的作物生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(1):114 －118.

Design and Implementation of the Land Use Partition System Based on COM GIS:A Case Study of Xinzhou City

CHEN Li1，GUO Qing－xia1，JING Yao－dong1，CHE Ai－ping2
(1.College of Resources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China;2.Xinzhou Municiple Bureau of State Land and Resources，Xinzhou 034000，China)

The land use partition is of important significance for regional concerted development，and the fast land use zoning relies on the land use zoning information system.Based on visual programming language Visual Basic(VB)and GIS components Map Objects(MO)，the authors developed a land use zoning system.The key modules composed of the hierarchical clustering partition module and the dominant use zoning module was combined with GIS technology，database technology and mathematical model.On such a basis，such functions as the view，the inquiry statistics，the land use zoning and the spatial analysis could be realized so as to meet the requirements of different division levels.Verification was made with Xinzhou city as an example.This system can realize the functions of fast calculation of land use zoning and the visualization expression of zoning results so as to fulfill the land managers’multi－ level requirements.In addition，it can facilitate the operation and help land managers’decision－making.

GIS;Map Objects(MO);Visual Basic(VB);Land－use partition system;Hierarchical clustering model;Xinzhou city

F 301.2;TP 311

A

1001－070X(2011)04－0140－07

2011－01－26;

2011－04－28

山西省忻州市國(guó)土資源局項(xiàng)目(編號(hào):2010HX08)資助。

陳 麗(1985－)，女，碩士研究生，主要從事土地信息技術(shù)方面的研究。

郭青霞(1969－)，女，博士，教授，主要從事土地利用與規(guī)劃，土地信息技術(shù)研究。

(責(zé)任編輯:李 瑜)