劉建華

（1.江西省國土空間調(diào)查規(guī)劃研究院，江西 南昌 330025）

2017-10-08，國務(wù)院下發(fā)《關(guān)于開展第三次全國土地調(diào)查的通知》（國發(fā)〔2017〕48號(hào)），通知中明確要求根據(jù)《中華人民共和國土地管理法》和《土地調(diào)查條例》，國務(wù)院決定自2017年起開展第三次全國土地調(diào)查（2018年修改為第三次全國國土調(diào)查）（以下簡稱三調(diào)），耕地調(diào)查是三調(diào)的重要任務(wù)。耕地凈面積計(jì)算是耕地調(diào)查的核心關(guān)鍵內(nèi)容，耕地坡度級(jí)別屬性是影響耕地凈面積計(jì)算準(zhǔn)確性和效率的重要環(huán)節(jié)。第二次土地調(diào)查以來，耕地坡度級(jí)別賦值方法研究較多，有最小面積分割法，定量融合指標(biāo)與軟件相結(jié)合的方法，基于柵格坡度分級(jí)數(shù)據(jù)完成耕地坡度級(jí)別賦值，但賦值速度都較慢[1-4]。江西省三調(diào)的地類圖斑數(shù)量與坡度圖圖斑數(shù)量在第二次土地調(diào)查的基礎(chǔ)上成倍增長，提升耕地坡度級(jí)別賦值速度和效率顯得尤為重要。本文重點(diǎn)研究耕地坡度級(jí)別賦值方法，并基于此，設(shè)計(jì)耕地坡度級(jí)別賦值技術(shù)流程和方法。

1 數(shù)據(jù)源分析

三調(diào)的精度是從第二次土地調(diào)查的1:10 000提升到1:5 000，最小上圖面積也有所減小，耕地的最小上圖面積從600 m2減小到400 m2[5]。耕地最小上圖面積的減小，使耕地的調(diào)查更加精確，導(dǎo)致地類圖斑的數(shù)量比第二次土地調(diào)查增長了一倍。三調(diào)耕地圖斑數(shù)量見表1（江西省第三次全國國土調(diào)查初步成果）。

為了使耕地坡度級(jí)別值更加符合耕地精細(xì)化調(diào)查要求，江西省第三次全國國土調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室決定基于最新的1:10 000萬高精度的DEM重新生產(chǎn)全省坡度圖，以滿足耕地調(diào)查的要求。重新生產(chǎn)的坡度圖圖斑數(shù)量與第二次土地調(diào)查使用的1:50 000萬DEM制作的坡度圖圖斑數(shù)量相比成幾何級(jí)數(shù)增加。三調(diào)坡度圖圖斑數(shù)量見表1。

表1 全省二調(diào)與三調(diào)耕地圖斑數(shù)量、坡度圖圖斑數(shù)量對比表

2 耕地坡度級(jí)別賦值原則

在《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和《國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上，充分考慮江西省三調(diào)實(shí)際情況，耕地坡度級(jí)別賦值主要遵循以下4個(gè)原則[6]。

1）不能打破三調(diào)調(diào)查地類圖斑的耕地圖斑界線，地類圖斑數(shù)據(jù)中的每個(gè)耕地圖斑只能賦一個(gè)坡度級(jí)別。

2）當(dāng)?shù)仡悎D斑數(shù)據(jù)中的耕地圖斑涉及2個(gè)以上坡度級(jí)別時(shí)，占比面積最大的坡度級(jí)別為該耕地圖斑的坡度級(jí)別。

3）當(dāng)耕地圖斑面積較大、含有2個(gè)以上坡度級(jí)，且各坡度級(jí)耕地面積相當(dāng)時(shí)，可參照坡度分級(jí)界線，依據(jù)調(diào)查底圖（DOM）上明顯地物界線，可將該耕地圖斑劃分為2個(gè)以上不同坡度級(jí)的圖斑。

4）對于破碎耕地，其整體視為一個(gè)圖斑，按上述要求確定坡度級(jí)別。

3 耕地坡度級(jí)別賦值流程設(shè)計(jì)

3.1 Arc GIS開發(fā)語言實(shí)驗(yàn)

ArcEngine（以下簡稱“AE”）具有簡潔、靈活、易用、可移植性強(qiáng)等的特點(diǎn)，大部分開發(fā)人員習(xí)慣用AE進(jìn)行二次開發(fā)。江西省三調(diào)耕地坡度級(jí)別賦值功能開發(fā)時(shí)，利用AE開發(fā)的耕地坡度級(jí)別賦值功能，在用實(shí)例數(shù)據(jù)測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，地類圖斑數(shù)據(jù)的圖斑個(gè)數(shù)和坡度圖圖斑個(gè)數(shù)較少時(shí)，功能運(yùn)行效率未顯示異常，圖斑個(gè)數(shù)增多時(shí)，運(yùn)行時(shí)間非常長，甚至死循環(huán)。通過反復(fù)測試分析發(fā)現(xiàn)，基于AE開發(fā)的耕地坡度級(jí)別賦值程序賦值之所以慢，主要是因?yàn)锳E所消耗的內(nèi)存極限僅為1 GB，在處理大數(shù)據(jù)量的坡度圖和地類圖斑空間賦值時(shí)，無法調(diào)用更多的內(nèi)存去處理數(shù)據(jù)，而且處理大數(shù)據(jù)量時(shí)經(jīng)常發(fā)生內(nèi)存溢出的情況。

全省三調(diào)平均每個(gè)縣的地類圖斑個(gè)數(shù)在110 000個(gè)左右，坡度圖圖斑個(gè)數(shù)在240 000個(gè)左右。有一半以上的縣地類圖斑個(gè)數(shù)超過200 000個(gè)，有1/4的縣超過300 000個(gè)。按照上述基于AE開發(fā)的耕地坡度級(jí)別賦值程序的賦值速度將嚴(yán)重影響耕地凈面積計(jì)算效率和三調(diào)數(shù)據(jù)庫建設(shè)進(jìn)程，AE本身的局限已無法滿足大數(shù)據(jù)量的處理，只能從底層接口上改變這種情況。

與AE相比，GeoProcessing（以下簡稱“GP”）運(yùn)算內(nèi)核是利用原生態(tài)語言C++直接編寫，計(jì)算時(shí)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)特點(diǎn)直接計(jì)算，而利用AE發(fā)布的接口再進(jìn)行調(diào)用時(shí)，中間多了一層，導(dǎo)致無法針對數(shù)據(jù)直接計(jì)算，所以只能封裝成對數(shù)據(jù)要素多重循環(huán)交互計(jì)算，時(shí)間效率成指數(shù)減少。同時(shí)，GP運(yùn)算時(shí)所能消耗的內(nèi)存為2 GB，是AE的兩倍，特別是在處理數(shù)據(jù)量比較大的空間賦值方面比AE優(yōu)越。利用GP開發(fā)的耕地坡度級(jí)別賦值功能，在與上述同等基礎(chǔ)條件下，地類圖斑和坡度圖20 000個(gè)圖斑以內(nèi)，2 min內(nèi)完成賦值；圖斑數(shù)50 000個(gè)時(shí)，4 min完成賦值；圖斑數(shù)80 000個(gè)時(shí)，8 min完成賦值；圖斑數(shù)100 000個(gè)時(shí)，9 min完成賦值；圖斑數(shù)150 000個(gè)時(shí)，14 min完成賦值。利用GP開發(fā)的耕地坡度級(jí)別賦值程序在耕地圖斑數(shù)量超過80 000個(gè)時(shí)明顯優(yōu)于AE，且隨著圖斑數(shù)量的增加，優(yōu)勢更加明顯，大大縮短了耕地坡度賦值時(shí)間，從而節(jié)省了三調(diào)縣級(jí)數(shù)據(jù)庫建設(shè)時(shí)間（如圖1）。

圖1 基于AE和GP耕地坡度級(jí)別賦值速度對比

3.2 多線程賦值方法實(shí)驗(yàn)

利用GP開發(fā)耕地坡度級(jí)別賦值程序顯著提升了賦值效率。為了進(jìn)一步加快耕地坡度級(jí)別賦值速度，縮短建庫時(shí)間。本文對賦值方法進(jìn)一步改進(jìn)探討，利用GP構(gòu)建多線程并行計(jì)算的賦值模式。

根據(jù)耕地圖斑的屬性坐落單位代碼，將耕地圖斑按照行政區(qū)劃分成多個(gè)組，這樣，按行政區(qū)劃分組后的耕地圖斑數(shù)據(jù)量減小，空間疊加效率提升。對分組后的耕地圖斑數(shù)據(jù)同時(shí)采用多線程并行計(jì)算的方式，多個(gè)組并行疊加計(jì)算。這樣充分利用計(jì)算機(jī)硬件資源，加快了賦值計(jì)算效率。通過實(shí)驗(yàn)，分組的個(gè)數(shù)為20個(gè)左右，線程數(shù)為4個(gè)左右為最佳選擇。以縣為單元建庫，按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)為組劃分最為合理。如某縣級(jí)單元有18個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，根據(jù)地類圖斑數(shù)據(jù)的坐落單位將耕地圖斑分成18個(gè)組，耕地坡度級(jí)別賦值程序同時(shí)運(yùn)行4個(gè)線程，多線程并行4個(gè)組的疊加分析計(jì)算，完成一批后再進(jìn)行下一批計(jì)算，直至所有組完成賦值計(jì)算。

3.3 賦值技術(shù)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)上述研究結(jié)果，基于ArcGIS GP服務(wù)，采用多線程、分鄉(xiāng)鎮(zhèn)并行技術(shù)的方式，針對地類圖斑和坡度圖大數(shù)據(jù)的耕地坡度級(jí)別賦值，研究制定高效完成耕地坡度級(jí)別賦值的技術(shù)路線圖，為全省三調(diào)國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供技術(shù)保障[10]（如圖2）。

圖2 全省耕地坡度級(jí)別賦值技術(shù)路線圖

1）耕地?cái)?shù)據(jù)提取。采用選取工具將縣級(jí)地類圖斑地類為“耕地”的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。耕地坡度級(jí)別賦值時(shí)，僅對耕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行加載，這樣，可以減少數(shù)據(jù)疊加分析的數(shù)據(jù)量，加快計(jì)算效率。

2）按鄉(xiāng)鎮(zhèn)多線程并行進(jìn)行疊加，為了避免分割耕地圖斑，生成耕地?cái)?shù)據(jù)與坡度圖數(shù)據(jù)的交集表，并將疊加結(jié)果填充相應(yīng)坡度級(jí)別和面積值。交集表見表2。

表2 耕地?cái)?shù)據(jù)與坡度圖數(shù)據(jù)生成的交集表

3）將按鄉(xiāng)鎮(zhèn)疊加計(jì)算的表格進(jìn)行合并，形成全縣耕地?cái)?shù)據(jù)與坡度圖數(shù)據(jù)的交集表排序表，見表3。

表3 耕地?cái)?shù)據(jù)與坡度圖數(shù)據(jù)生成的交集表排序表

4 應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)以上技術(shù)流程，在全省范圍內(nèi)，根據(jù)不同的地形、不同的地類圖斑數(shù)量選取數(shù)據(jù)量較大的6個(gè)縣級(jí)單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 6個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)采用不同賦值方法效率統(tǒng)計(jì)表

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，技術(shù)流程和方法切實(shí)可行，滿足全省三調(diào)耕地坡度級(jí)賦值及建庫要求[7-9]。在全省三調(diào)縣級(jí)國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫建設(shè)應(yīng)用中，平均每個(gè)縣耕地坡度級(jí)別賦值需要15 min，最快的縣只需1~2 min，最慢的縣需要30 min。與全省第二次土地調(diào)查耕地坡度級(jí)別賦值相比，在耕地圖斑數(shù)量增加2倍，坡度圖圖斑數(shù)量增加8倍的情況下，平均每縣的耕地坡度級(jí)別賦值減少約30 min，全省減少3 000 min；與其他地區(qū)三調(diào)耕地坡度級(jí)別賦值相比，也有明顯減少20 min的優(yōu)勢[6]。

5 結(jié)語

本文基于ArcGIS設(shè)計(jì)的三調(diào)耕地坡度級(jí)別賦值技術(shù)流程和方法，在江西省三調(diào)縣級(jí)級(jí)建庫工作中，運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)算準(zhǔn)確。提升了縣級(jí)三調(diào)數(shù)據(jù)庫建設(shè)速度，加快了全省第三次國土調(diào)查工作進(jìn)程。