永久基本農田儲備區輔助建庫軟件設計與實現*

陳愛梅,羅燦培

(1.西南林業大學 土木工程學院，云南 昆明 650224；2.云南導視地理信息系統工程有限公司，云南 昆明 650056)

根據《自然資源部農業農村部關于加強和改進永久基本農田保護工作的通知》(自然資規〔2019〕1號)的要求，為切實提高重大建設項目占用永久基本農田的審查報批效率，確保補劃的永久基本農田數量不減少、質量不降低、布局更優化[1]，利用第三次全國國土調查成果開展永久基本農田儲備區劃定工作，將在永久基本農田之外相對質量較好的耕地劃入永久基本農田儲備區。其中，永久基本農田儲備區數據庫是該項工作重要的組成成分，是劃定工作的具體體現。永久基本農田儲備區數據庫包含了永久基本農田儲備區圖斑的空間位置布局、面積、形態、地類、質量等信息，該類信息來源于地形地貌、土地利用規劃、耕地質量等別、建設用地報批、生態紅線、林地保護和遙感正射影像等“分散存放、介質不一、格式不同”的多源異構數據。永久基本農田儲備區數據庫作為永久基本農田的“蓄水池”[2]，對提高重大建設項目占用永久基本農田的審查報批效率，確保補劃的永久基本農田數量不減少、質量不降低、布局更優化；對守住耕地保護紅線和永久基本農田邊界控制線，進一步鞏固永久基本農田劃定成果、完善保護措施、提高監管水平具有重要意義。

本文從永久基本農田儲備區劃定流程入手，緊緊圍繞永久基本農田儲備區潛力分析、質量、數據庫建設和應用的過程，以數據規范化、標準化、流程化等為目標，基于ArcGIS 10.2.2平臺，充分利用Python腳本語言構建了集“矢量數據、屬性數據、表格數據”為一體的數據庫建設方案，設計研發實現了永久基本農田儲備區輔助建庫軟件，通過該軟件在富源縣永久基本農田儲備區劃定數據庫建設中的實踐應用，提高了數據庫建設的效率，保證了劃定成果的質量。

1 數據庫建設的過程

永久基本農田儲備區劃定目標一般由省級自然資源主管部門確定，并逐級將指標分解到縣級自然資源主管部門，具體的永久基本農田儲備區劃定由縣級自然資源主管部門完成[2-3]。永久基本農田儲備區數據庫建設以第三次全國國土調查成果為基礎，其主要的工作流程如圖1所示。

圖1 永久基本農田儲備區數據庫建設過程

(1)準備階段：主要包括建庫方案制定、人員準備、數據源準備、軟硬件準備、管理制度建立等，收集涉及自然資源、農業農村、生態環境等有關部門最新的遙感正射影像圖、縣鄉級土地利用總體規劃(2010～2020年)成果、縣級永久基本農田劃定成果、耕地質量等別更新評價成果、耕地地力調查與質量評價成果、生態紅線、退耕還林還草和還濕還湖、第三次全國國土調查成果、糧食生產功能區和重要農產品生產保護區初步成果、建設項目用地審批和礦業權審批登記等成果相關資料，作為儲備區劃定的基礎數據。依據第三次全國國土調查的現狀地類圖斑，內業套合對比分析，按照永久基本農田儲備區劃定、國土空間管控等要求，初步提取出潛力圖斑，結合當地國民經濟發展現狀，形成劃定目標任務。

(2)數據采集與處理階段：主要包括基礎地理、土地利用、土地權屬、柵格、永久基本農田儲備區等各要素的采集、編輯、處理和檢查等，主要對潛力圖斑進行內業分析匯總，初步確定預劃入圖斑。并利用國家下發的核實軟件，對預劃入圖斑進行逐地塊核實，填寫實地核實情況，查清耕地利用現狀，拍攝上傳帶有定位信息和方位信息的實地照片、視頻等相關舉證材料。

(3)入庫匯交階段：主要包括矢量數據、柵格數據、屬性數據以及元數據等的檢查和入庫，并編制劃定方案，填寫劃定情況表。同時，按照要求對成果進行逐級審核上報，主要包括數據成果、文字成果、圖件成果和表格成果的匯交。

2 Python腳本簡介

Python具有簡單易學、可移植，以及跨平臺、可擴展、面向對象等特點，是數據分析、程序設計最受歡迎的語言，并廣泛應用于圖形圖像處理、文本文件處理、數據庫編程、網絡爬蟲編程、多媒體應用等各行各業。Python標準庫提供了系統管理、網絡通信、文本處理、數據庫接口、圖形系統、XML處理等額外的功能[4]。目前，使用Python語言進行ArcGIS的定制開發已經成為ESRI公司主推的開發方式。

ArcPy是一個Python站點包，可提供以實用高效的方式通過Python執行地理數據分析、數據轉換、數據管理和地圖自動化等，用戶可以在交互式環境中快速地創建腳本原型并進行測試[5]。在ArcGIS平臺通過ArcPy可訪問地理處理工具以及其它函數、類和模塊，從而創建簡單或復雜工作流[6]。永久基本農田儲備區輔助建庫軟件主要通過地理處理工具、文本處理模塊、Excel讀寫模塊、Word讀寫模塊、數據轉換以及制圖模塊實現劃定過程中數據的快速處理，綜合上述模塊快速建立腳本工具并集成為ArcGIS ToolBox工具箱。

3 功能的設計與實現

3.1 軟硬件環境

程序開發的軟硬件環境直接關系著程序運行的效率，本次開發主要的軟硬件環境如下：Intel酷睿i5處理器、4 GB內存、1 T機械硬盤、Windows 7 64位操作系統、ArcGIS 10.2.2、Python 2.7、Sublime Text等。

3.2 功能需求和設計

對于永久基本農田儲備區劃定工作的整個過程來說，其功能的分析應從建庫工作涉及的主要流程來進行分析設計[7-9]，主要包括數據整理、數據的規范化、數據的屬性檢查和屬性關聯、標準數據庫建立、數據入庫、數據庫檢查、拓撲檢查等步驟，分為準備階段、數據采集與處理階段和數據入庫匯交階段。

(1)準備階段的主要功能包括：收集資料數據格式轉換、數據坐標轉換、圖斑屬性檢查與填寫、字段批量添加、數據質量檢查等。

(2)數據采集與處理階段的主要功能包括：標準數據庫的建立與擴展、數據轉換、數據拓撲和屬性檢查、非空間數據的關聯、儲備區編號、儲備區屬性填寫等。

(3)數據入庫匯交階段的主要功能包括：數據符合性檢查、數據格式轉換、空間數據與非空間數據質量檢查、匯交數據成果輸出、數據匯總統計等。

永久基本農田儲備區劃定工作開展涉及基礎資料收集整理、內業套合提取分析、外業調查、數據庫建設、方案編制等多個環節，綜合要求較高、工作量較大、人才需求多樣化。為此，在設計過程中遵循“開放、操作簡便、規范、可擴展”等原則，不再局限于軟件開發者的硬件設施，滿足建庫人員的不同硬件環境需求；充分考慮了作業人員的技術水平，使其適應大部分的作業人員；充分考慮利用國家下發的數據質量檢查軟件進行數據檢查、省級數據庫建設要求等諸多方面；可在程序上增加自定義函數、模塊等[10]。本次永久基本農田儲備區劃定輔助建庫軟件基本功能設計框架如圖2所示。

圖2 永久基本農田儲備區輔助建庫軟件系統功能設計框架

3.3 功能實現

永久基本農田儲備區輔助建庫軟件應用Python腳本語言，在ArcGIS 10.2.2平臺上通過調用地理處理模塊、Openpyxl、制圖模塊、文本處理等相關模塊，完成了軟件的設計和開發。針對永久基本農田儲備區劃定的工作過程，主要的功能模塊如下：

(1)基礎數據處理模塊：劃定工作基礎數據來自于自然資源、林草、規劃、農業、水務等相關部門，存在坐標系、數據格式、介質等的不統一。針對以上問題，將基礎數據以ArcGIS文件地理數據庫格式存儲，設計實現了數據轉換為GDB、坐標轉換(導入參數)、TXT/XLS轉要素面、拓撲檢查等功能，如圖3所示。

圖3 基礎數據處理模塊功能

(2)劃入圖斑模塊：該模塊包含了潛力圖斑提取、儲備區調查圖斑提取、調查圖斑編號、與三調舉證GDB關聯、上傳圖斑導出等功能，如圖4所示。

圖4 劃入圖斑模塊功能

(3)儲備區建庫模塊：主要包含外業調查圖斑導入、圖斑屬性維護(如：坡度、質量等級、權屬、是否高標準農田、地力等級、儲備區分布、圖斑編號、標識碼和要素代碼)、橢球面積計算、圖斑面積計算、數據成果導出(如：面積匯總、表格導出、成果導出)等模塊，涵蓋了永久基本農田儲備區數據庫建設中屬性及其關聯的過程，如圖5所示。

圖5 儲備區建庫模塊

(4)制圖模塊：根據永久基本農田儲備區劃定實施方案中制圖的相關要求，結合第三次全國國土調查的有關制圖要求，實現了經緯網制作、色帶制作、邊框制作、批量MXD導出圖片、地類符號生成、行政界線分級等功能。

(5)其它功能模塊：為了解決以上過程中存在的部分問題，針對性的開發了如批量字段添加、要素節點距離處理、線面圖斑切割、矢量數據庫分割、多個數據庫合并、細小圖斑合并、圖斑間細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中可以直接調用，同時為了方便建庫人員調用，引入Add-In插件，通過Add-In創建按鈕加載項，完成項目設置與定義要創建的多種加載項，并在加載項內容選項卡中設置工具條，將相關腳本與加載項對應的腳本相結合，安裝加載項以后在ArcGIS 10.2.2中可直接調用自定義的工具條[5]。軟件界面如圖6、圖7所示。

圖6 Add-in 配置文件

圖7 永久基本農田儲備區輔助建庫軟件(Add-in)

3.4 實例應用

在云南省富源縣永久基本農田儲備區劃定中，共安裝使用了該軟件4套。劃定工作共收集自然資源、林業、農業、生態環境、城鄉規劃等基礎數據共計43項參考資料，含1954北京坐標系、1980西安坐標系、2000國家大地坐標系、2011城建坐標系等四類坐標系統，存儲格式大部分為電子資料矢量格式，部分為TXT或XLS格式。利用永久基本農田儲備區劃定輔助軟件對收集到的基礎數據進行標準化、規范化、統一化的分析整理；利用潛力圖斑提取功能，采用“優先分級”將富源縣除永久基本農田外的大量優質圖斑進行篩選，既保證了劃入永久基本農田儲備區圖斑的質量，又鞏固了前期永久基本農田劃定成果；同時建庫功能模塊貫穿了數據建庫和審查上報的整個過程，平均建庫時間從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告編制的時間，同時因前期部分資料如外業調查表存在不規范、不清晰等問題也得到了有效的解決。相比較采用人工完成建庫工作的其他單位速度提升了2～3倍，在項目生產中得到了良好的實踐應用，為后期重大建設項目占用永久基本農田的審查報批及其監管提供了可靠的數據支撐。

4 結 語

本文結合永久基本農田儲備區劃定工作的資料收集分析、劃入圖斑、儲備區建庫等關鍵步驟，以通過上級主管部門審查驗收為主要目標，基于ArcGIS Python腳本語言，在ArcGIS 10.2.2平臺上通過調用地理處理模塊、Openpyxl、制圖模塊、文本處理等，開發實現了基本農田儲備區輔助建庫軟件，包含了從資料收集整理、圖斑提取分析、儲備區建庫及其他通用的數據處理功能，并以富源縣永久基本農田儲備區劃定為實例應用，簡化了劃定的工作流程和實現了數據的自動化處理。軟件還存在許多的不足之處，還需進一步的研發以滿足重大建設項目占用永久基本農田的審查報批、永久基本農田保護監管等的實際需求，并為工作決策提供有力的支撐。