一种基于格网单元的规划自动化调整方法
2021-01-04易志辉范协裕
易志辉，张 涵，范协裕
(1.江西省煤田地质局普查综合大队,江西 南昌 330001；2.福建农林大学资源与环境学院,福建 福州 350002)
土地利用总体规划调整过程中，特别是调出过程中，涉及到多源地理空间数据，包括不局限于： 目标地块坐标，规划调整地块，建设用地管制区，县级行政区图层，建设用地管制区历史图层等。由于参与运算的地理空间数据的来源不一、比例尺也不同，在叠加和裁剪等空间分析操作过程中，易产生拓扑匹配误差，从而造成冗余多边形、拓扑不一致等数据质量问题，是阻碍建设用地规划局部调整自动化亟待解决的问题。
当前针对土地规划的研究主要集中在为提高土地利用效率的建设用地边界划分方法、规划模型及规划辅助决策系统等方面[1-4]，较少涉及规划调整自动化的研究。为进一步提高规划调整效率及成果数据的应用水平，在遵循土地利用总体规划中建设用地规模边界调整审批制度、数据规范和管理体系的前提下，全国各省市自然资源管理部门纷纷设计并构建了具备规划局部调整功能的图形化辅助信息管理系统。这些系统提供的图形功能往往局限于为业务人员提供录入、专业类空间数据服务叠加比对和空间分析的图形审查功能[5-6]。也有利用算法提供辅助调整的研究，如蔡栋采用0-1整数规划模型，通过图斑定积分割的方法，进行图斑的分割处理，运用逐步逼近法的原理，实现图斑的精确分割，从而实现建设用地的精确局部调整[7]。然而，无论是图形辅助人工调整还是使用算法精确调整，都未能提供解决规划调整时图斑分割造成的拓扑匹配误差问题。
因此，本文设计了一种基于最小格网单元的土地规划自动化调整方法,用于解决多次叠加和裁剪等空间分析操作过程中产生拓扑匹配误差的问题,并实现了操作的可追溯、可重放、可回滚。最后，使用实际数据对算法的可行性与效果进行了验证。
一 土地规划业务系统需求及问题分析
根据土地管理法规定，土地利用总体规划根据管理需要,划定城乡建设用地规模边界、扩展边界和禁止建设边界三条界限,形成允许建设区、有条件建设区、限制建设区和禁止建设区四个区域。当建设用地包含部分不符合当前土地利用总体规划时，需进行规划建设用地的调整，包括调入和调出两种调整方式。规划调整的原则是调入地块和调出地块面积相等，建设用地总量不增加，耕地面积不减少。规划修改的结果就是将调出地块的建设用地规模同等大小地置换到调入地块。
在实际操作中，有条件调整必须满足两个约束条件:(1)允许建设用地区调整为有条件建设用地区面积必须大于或等于有条件建设用地区调整为允许建设用地区面积；(2)允许建设用地区空间位置不能重复调整，不能与已经批准的地块重叠，土地利用现状不能含有建设用地。
在建设项目用地地块规划用途调整过程中为了保证调入、调出地块规模的一致，符合前面所述的约束条件，需要使用空间数据几何裁剪的方法，根据调出地块的规模，从原本符合规划用途的地块中裁剪出面积大于或等于项目调出的地块面积的地块，并相应修改对应的属性信息。
当前系统普遍采用半自动化的辅助调整方案，在相关图层(土地利用总体规划数据库管制区图层)上直接进行裁剪，存在规划调整地块的边界与管制区地块的边界不吻合，在进行规划调整之后，在管制区数据图层中产生碎图斑和间隙等拓扑一致性问题。图1和图2(参考坐标系：2000参考坐标系，40度带，X分辨率：0.0001 m，容差：0.001 m)展示了系统长期运行后产生的边界间隙和碎图斑问题。
图1 规划调整地块边界间隙
图2 规划系统存量的碎图斑问题
二 基于最小格网单元的规划自动化调整方法
(一)基于空间填充曲线的格网化划分与编码
针对以上问题，提出了使用最小单元格掩码图层将“有条件建设区”划分成规则格网单元，在建设用地项目调出的过程中，采用对规则格网组成的掩码图层进行标记的方法替代传统的直接在相关图层(土地利用总体规划数据库管制区图层)上进行裁剪的方案。
从以下三个方面，解决现有问题：(1)采用规则的正方形格网作为调整的最小单元，避免了由于不同比例尺和来源的数据源操作过程中，容易产生误差的问题；(2)设计调出记录表用于记录建设用地调出的过程，使得建设用地规划调整的过程可追溯，可重放，可回滚；(3)采用空间填充曲线对候选的规划调整格网的最小单元格格网进行编码，实现自动、快速、集中连片地查找“可用调出地块”候选集，从而高效实现建设用地规划调出地块的查找定位。
空间填充曲线将地理空间划分成大小相同的格网，并根据一定的规则对格网进行编码，根据空间填充曲线的空间临近性，即编码相近的格网其地理位置也相邻，因此经常被用于海量空间数据划分和并行查询优化[8-11], 图3展示了基于Hilbert空间填充曲线的空间编码规则。本文使用Hilbert填充曲线对待调整区地块进行编码，其具有以下特性：(1)地理位置临近格网，编码临近；(2)计算机操作系统原理中称存储器访问特性——“CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中”为局部性原理，分为时间局部性和空间局部性[12-13]，而通常在建设用地利用过程中也存在着类似的局部性特性，包括：①时间局部性，对建设用地的利用趋于在某个集中连续的时间内；②空间局部性，对建设用地的利用趋于聚集在一个连续的区域中。即在建设用地利用及调整过程中，具有空间上聚集，时间上连续调整的特性。因此，采用连续规则编码的格网作为最小调整单元，将使得调整结果更加整齐，提高后续土地规划利用效率，同时能避免地块边界间隙不一致等问题。
图3 基于Hilbert空间填充曲线的编码规则
(二) 算法详细设计
图4展示了算法的具体流程，分为三个部分。
图4 基于最小格网单元掩码的土地规划调出方法
1．可调整地块格网掩码图层(M)生成
(1)最小格网单元尺寸确定。统计已有的建设用地项目占地面积历史数据，选取已有建设用地项目中，需要调整的面积的最小值作为最小格网面积，开平方取整得到最小调整格网地块单元(正方形格网)的长度，据此得到最小单元格C的面积area(C)。
(2)可调整地块格网掩码图层(M)生成。根据计算得到的最小单元格网尺寸，将“有条件建设区“的最小外包矩形(MBX，Minimize Bounding Box)覆盖的区域划分成规则的格网，然后与“有条件建设区”矢量图层进行叠加，叠加生成的矢量图层即为可调整地块格网掩码图层，记为M，标记每个格网C=
2.调出记录表(T)设计
用于记录调出操作，其数据表字段(属性)如下：①Pid为项目编号；②Cellids为格网单元编号，用逗号作为分隔符分割，如“1，2，3”；③Date为调整时间；④PArea为需要调整的面积(正数为调出，负数为调入)。
3.调出调度方法
(1)设根据项目pi需要，在M中查找的可用格网集合。
首先定义需要调整的建设项目：pi；项目pi需要调出的面积：Area(pi), 简记为A；调整结果格网单元集合： F={Ci,i=1～n}，n为集合的大小。
具体流程如下：
①根据项目pi需要调整的面积A，计算需要的最小格网数量sum和面积的余数y。 其中， A=sum*area(C)+y， area(C)为格网单元的面积。
计算公式：sum= A/area(C) , 其中/表示整除；y = sum%area(C), 其中%表示求余运算。
②获取M中“S=0且T=1”的集合 FT=1={Ci, Si=0&&T=1}，作为备选集(即未调整的不完整格网单元);对FT=1集合使用Z值进行排序。
③获取M中“S=0且T=0”的集合 FT=0={Ci, Si=0&&T=0}(即未调整的完整格网单元)，对FT=0使用Z值对集合进行排序。
a. 如果“未调整完整格网备选集合”FT=0的大小Size(FT=0)小于sum，将FT=0所有单元格加入备选集合F中。然后，循环遍历Z值排序后的集合FT=1，并将遍历的格网单元加入备选集合F中退出循环，累加FT=1中格网单元的面积属性直到面积累加值SUM(FT=1) >= A-Size(FT=0)*area(C)，退出循环。 如果遍历结束后，Sum(FT=1)< A-Size(FT=0)*area(C),则返回调整失败，提示没有足够的可用地块用于项目规划调整，清空F。
b. 如果“未调整完整格网备选集合”FT=0的大小Size(FT=0)大于等于sum，将Z值排序后的FT=0的前sum个单元加入到备选集合F中。然后循环遍历排序后的集合FT=1，并将遍历的格网单元加入备选集合F中，累加FT=1中格网单元的面积属性值直到面积累加值SUM(FT=1) >= A-sum*area(C)，退出循环。如果遍历结束后，Sum(FT=1)< A-sum*area(C),则返回调整失败，提示没有足够的可用地块用于项目规划调整，清空F。
(2)如果F为空，则流程结束，提示没有足够的地块用于规划调整。否则，根据(1)结果集，生成调整记录r={pid,id(F), date(now)}，插入表T中，其中id(F)=id(C1),id(C2),…,id(Cn)， pid为项目的编码, date(now)指当前系统时间。
(3)遍历F中的格网单元，在M中设置对应的格网的状态S=1(即设置为已调整)。
(4)结果输出。
①当前规划调整全局专题图输出。查询掩码图层M，根据图层S字段，制作专题图层(S=0为绿色，S=1为红色)，输出当前规划调整全局专题图。
②指定项目pj调整情况图输出。根据pj的项目编号，查询“调出记录表(T)”，获取调整记录，得到记录中的Cellids属性，将Cellids中记录的格网单元作为查询条件，在M中查询相应格网单元，制作项目Pj的调整情况专题图。
③指定时间区间的地块调整历史演变图输出。以指定时间区间为查询条件，查询“调出记录表(T)”，获取调整记录集，制作延时动画专题图。
三 实验与讨论
为了对算法进行验证，以福建省晋江市为实验区域，采用100 m大小规则格网作为调整单元，格网划分效果如图5所示。
图5 格网划分实例
经过多轮模拟规划调整测试，有条件建设区调整效果如图6所示。
图6 基于规格格网规划调整多次模拟运行效果
如图5有条件建设区地块1-5，经过多轮的调整产生了图7所示效果，由图7可见：(1)总体上，地块间形成了比较规则的边界，而且随着规划调整的次数越多，边界越来越规则化。(2)由于采用最小正方形格网单元作为基本的调整单元，有效地避免了地块之间的间隙问题。(3)算法的自动化调整过程可有效提供业务系统的自动化水平，提升规划调整效率。
图7 格网划分导致的碎片化问题
在模拟过程中也存在一些问题，如一个格网跨越多个物理地块，导致更多的碎片。
针对以上问题，在实际应用过程中仍可从以下几方面进一步优化完善：(1)由于算法在调入调出时以空间填充曲线为序进行调整，因此在调出时，空间上临近的格网会有更大的概率(存在编码在临近地块突变的情况)在临近的时间内被调整使用，因此建议在每次调整完后，对临近格网进行合并，并更新涉及的土地单元的规划属性。(2)针对划分的最小单元格网粒度太小导致格网太多，造成的数据量太大的问题，由于空间填充曲线编码的计算简单，时间复杂度小，可使用虚拟格网代替生成实际格网。(3)调出时，优先以Hilbert曲线编码顺序调整处于同一地块单元内的格网，从而使得完整地块被优先用于调整。
四 结论
本文分析了当前建设用地局部规划系统图形辅助功能的不足及存在的碎片化、拓扑不一致等问题，基于建设用地利用的时间空间局部性特性，提出并设计了基于最小格网单元的规划调整算法。经过多轮调整测试实验，结果表明：基于最小格网的局部规划调整方法使得用于调整的有条件建设区域的地块整体区域整齐规则，并且有效避免了现有图形辅助系统直接裁剪导致的边界间隙及碎片化等拓扑一致性问题，有利于维护建设用地规划空间数据库的数据质量，避免数据质量退化。另外，对方法存在的问题及优化方案也进行了阐述。
