浅谈GIS 空间建模在国土空间规划中的应用

何 红 石志伟

（1.辽宁省城乡地理信息科技有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.辽宁省自然资源事务服务中心，辽宁 沈阳 110000）

0.引言

国土空间规划，工作繁重，但是意义深远，是国家提出的一项重大改革，利国利民，为资源优化做强有力的铺垫。在国土空间规划前期，政府加大力度将自然资源部门整合到一起，为空间规划提供了便利条件。国土空间规划以城乡规划与土地规划为基础，以地理信息为技术手段，综合自然资源规范性文件管理规定，“多规合一”，得到具有科学性、前瞻性的规划成果。

省级空间规划内容涵盖了省级空间发展战略定位、目标和格局，需要分解到市县的三类空间比例、开发强度等控制指标，明确城镇体系、基础设施、公共服务、产业发展等，主要空间开发利用布局，重点任务，各类空间差异化管控措施规划实施保障措施等[1]。

国土空间规划主要功能区涵盖了林业规划、城乡规划和土地利用规划等。国土空间规划的最终目的是为了实现“多规合一”，从而达到国土空间规划“一张图”的目的。国土空间规划体系是围绕监督和实施的体系，它采用大数据和智慧平台等高科技手段，突破实际工作面临的技术障碍、管理障碍及制度障碍，实现一个市、一个县一本规划，一张蓝图[2]。

为了国土空间规划成果趋于完美，就需要收集全规划所需数据。收集的数据种类越多越全面，国土空间规划成果越科学，可用性越强。后期以此数据来进行空间分析，就越有参考价值。

1.国土空间规划涵盖的主要矢量数据

国土空间规划数据源多，数据种类繁杂，有文本格式、PDF 格式、数据库格式、CAD 格式、EXCEL 格式、图片格式等。从坐标角度而言，包括了1954 北京大地坐标、1980 西安坐标及2000 国家大地坐标。国土空间规划以2000 国家大地坐标为数据框，所有矢量数据都需根据公共点转换到此坐标系下，再进行空间分析。

国土空间规划涵盖的主要矢量数据，包括土地利用现状数据及规划数据。具体数据如下：（1）全国第三次国土调查数据；（2）生态红线；（3）永久基本农田；（4）耕地利用等；（5）林业小班面；（6）土地用途管制；（7）土地变更数据库；（8）土地供地数据；(9)土地利用规划数据；（10）城市总体规划数据；（11）城市控制规划数据；（12）城市弹性开发区；（13）矿产资源分布数据；（14）其他专项规划数据等。

2.“多规合一”在国土空间规划中的作用

由于各资源规划使用的图不统一，导致专业规划之间有矛盾，如城市规划与林业规划重叠地区有冲突，城市规划不符合土地管制区的限制等。为了更好整合资源，自然资源部将国土资源部、发改委、农业部、水利部、海洋局、林业局、住建部等，共8 个单位的职责进行了整合，管理对象包括土地、矿产、湖泊、河流、湿地、森林、草原、海洋等范围，将负责全国960 万平方公里陆地和300 万平方公里海洋上的所有自然资源的空间规划和数量监管，整合之后自然资源部履行全民所有土地、湿地、矿产、森林、水、草原、海洋等自然资源资产所有者职责，所有国土空间用途管制职责。

“多规合一”是国土空间规划的编制手段，国土空间规划提出五级三类体系，强化上下传导，其编制工作必须发挥“多规合一”的规划整合机制，将以往的城市总体规划、土地利用总体规划、主体功能区规划的合理内涵进行优势互补和继承发展，“多规合一”成为国土空间规划编制的核心手段。多规是“合一”而不是“拼一”，在吸取以往多规经验的基础上，知行合一，内外一致地指导规划编制[3]。

“多规合一”是未来发展的趋势，国土空间规划以“多规合一”为核心编制手段，是一门综合规划。预期在未来的各项专项规划中，如人防规划选址、商业选址及各专项规划中，“多规合一”都是最根本的手段。

3.GIS 空间建模简介

空间分析建模是解释有关空间现象及发现空间规律的过程模型，也可以解释为作用于派生数据与原始数据的一组顺序交互空间分析命令，是建立在对空间地图数据操作基础之上，所以也简称为“地图建模”，结果则得到一个“地图模型”，空间建模可以采用图形符号化表示空间分析过程和空间分析成果，能够协助数据分析人员快速具体地组织规划所要完成的空间分析过程，同时能够逐步获得指定完成空间分析过程所需数据[4]。

模型构建器是GIS 空间建模的有力工具，同时它也是一个用来管理空间分析工具、编辑工具参数和创建数据模型的应用程序。模型构建器能够简便快速地将一系列的地理空间分析处理工具，有逻辑地串联起来编成一个工具流。它也可以看作为可视化编程语言，模型构建器在建模过程中，具有很大优势。（1）模型构建器是一个用于创建与运行，是包括一系列工具的工作流，同时也可以称为一个相对简易的应用程序；（2）结合Python 脚本和模型构建器可以将其他应用程序如C#与ArcGIS 进行集成；（3）利用模型构建器，可以构建自己想要的工具，创建完成的工具可以同时在其他模型及Python 脚本中使用。

4.GIS 空间建模在“多规合一”中的一些应用

4.1 建立坐标转换模型

数据来源的部门多，数据格式各不相同，需要统一到同一坐标框架下。国土空间规划收集的数据存在坐标不统一的问题，根据规划需求，需将1954 北京大地坐标及1980 西安坐标的数据统一转换至2000 国家大地坐标。采用传统方式，逐步点击工具箱中的工具，直到找到数据管理下投影与变换工具，转换一次坐标需重复点击投影与变换工具一次，转换过程操作繁杂，同时还存在以下两个缺点：(1)ArcGIS 软件会默认第一次打开数据自带的坐标投影，所以采用传统方式，易产生数据坐标错误，导致后期空间分析成果不正确的情况；(2)在实际操作过程，时常需要生成新的要素，产生的新要素不带坐标，这个就需进行坐标投影，此过程，在操作中，经常容易产生遗漏，为后期数据处理造成困扰。

采用GIS 空间建模建立坐标转换模型。可以一次逻辑构思，成果可以多次重复利用。空间模型操作简单，使用方便，输出成果不出错，节省了操作步骤，思考过程，提高了工作效率，同时也保证了成果质量。

首先准备好转换坐标数据，进行“投影”操作，第二步输出成果进行结果分析，确认无误，成果输出。具体采用GIS 模型构建器的操作流程如下：

（1）左键单击ArcMap 标准工具条上的模型构建器工具，左键点击打开模型构建器，此时打开的模型为空；

（2）在搜索窗口中，输入投影，然后单击搜索按钮，“投影”工具将与其他搜索项一并列出；

（3）此时将搜索项中的投影（Coverage）（表示“投影”工具箱下的投影工具），按住左键拖动到“模型构建器”画布的空白区域中。成果（如图1 所示）：

图1 模型构建

此时将需要的工具和输出数据变量添加到模型中，输出变量将通过连接符连接到工具，工具和输出数据均没有颜色，因为工具等尚未输入任何工具参数；

(4)通过以上步骤已将工具添加到模型中，接下来便可以填入工具参数（如图2 所示）：

图2 导入模型参数

(5)将各个工具的所有参数都填入，就可以将模型点击下运行，然后单击左键“模型构建器”工具条上的保存工具（注意：建立的模型只能保存在工具箱中），模型运行后生成的成果直接输出至自行设置的文件夹。

4.2 多源数据的汇总模型

国土空间规划过程中，需要对各类专项数据进行专项汇总。在汇总的过程中，需进行其他空间分析，流程较复杂，稍微有疏漏，输出成果就是错误的，所以时常出现汇总数据不一的情况。此时采用构建模型方式，能够保证成果质量，杜绝重复操作，节省生产成本。具体操作，可根据需求，在构建模型中添加工具，丰富模型。在串联工具的时候，一定要注意参数的设置、数据的选择及输出的设置，保证前后不矛盾。下文构建的模型涵盖空间连接及汇总，流程如下：

(1)创建新模型,向模型中添加工具和数据；

(2)在搜索窗口中，输入叠加，然后单击搜索按钮，“空间连接”工具将与其他搜索项一并列出，然后将其拖动到“模型构建器”画布上。依次拖入“汇总统计数据”工具以便获得一个基于空间连接后区域的汇总表；

(3)通过以上步骤将工具添加到模型中，接下来便可以填入工具参数，空间连接参数包括目标要素、连接要素及匹配选择。汇总统计需设置好统计字段、分组字段和统计要素等。建立的模型运行后，效果图（如图3所示）：

图3 专项数据模型建立

(4)将各工具的所有参数均填入之后，点击模型运行，成果直接输出至保存的文件夹。成果（如图4 所示）：

图4 成果输出

右键单击表格，然后单击左键打开对应的表，表中显示的是对黑龙江各行政区域的面积汇总，由于采用的行政边界不是精确的边界，所以最终面积成果与实际数据有出入。

在国土空间规划过程中，还建立了许多类似的小模型，如集叠加分析、提取分析、邻域分析及统计分析为一体的空间模型。主要用于提取特殊条件的图斑，比如图斑需不位于生态红线与基本农田内等情况。

4.3 现状建设用地占用基本农田保护区情况分析

以沈抚新区为例，三调数据是到现在为止，具有现势性最强的土地利用现状数据。基本农田保护区，指对基本农田实行特殊保护，依据土地利用总体规划和依照法定程序确定的特定保护区域，是为了实现对基本农田实行特殊保护和保障未来的农业生产，所以规划建设项目的前提，必须保证建设项目避让永久基本农田及生态保护红线等，保障了国家农业生产及生态资源。

建模的具体流程如下：首先提取出三调图斑中的建设用地，利用筛选工具，设置好筛选工具参数，表达式设置是根据地类名称归为建设用地的图斑。建设用地包括工业用地、道路广场用地、居住用地、公共设施用地、物流仓储用地、特殊用地等。模型图形（如图5 所示）：

图5 三调数据模型建立

其次，将输出的汪家街道建设用地与沈抚新区基本农田2000 国家大地坐标进行叠加分析，采用相交工具，获得重叠图斑，输出成果为汪家街道占基本农田（如图6 所示）：

图6 叠加成果分析

最后，采用汇总工具，统计建设用地占基本农田总面积。注意在汇总之前，必须将图斑先拆分，拆分之后重新计算几何面积，计算之后统计总面积。上述分析成果，体现出现状与规划的矛盾，说明“多规合一”的必要性和重要性。

国土空间规划过程中，会发现许多专业种类的规划数据之间存在冲突，需要咱们一一去验证和分析，去证明“多规合一”的必要性和必然性。为祖国的资源整合和合理利用奠定坚实基础，保证资源长期有规划发展。

5.结束语

随着国土空间规划的推进，数据源趋于完善，数据在不断更新和补充，数据处理更加复杂。由于数据的补充和更新，前期处理的分析与数据统计，就需重新分析一次。此时采用模型构建器，构建经常使用的分析模型，保存模型可以重复多次使用。若数据有变化，只需重新更新数据，流程不变，点击运行，直接输出成果，大大节省了再次分析时间，提高了工作效率，数据成果质量有了保证。

通过空间建模的实践，证明建模方式在国土空间规划数据处理过程中有很大优势。（1）能节约工作时间，提高工作效率；（2）操作简单，保证成果质量；（3）重复操作，实用性强。随着GIS 空间建模使用，发现空间建模也有一定的局限性。比如空间建模流程长，设置参数过程复杂，功能衔接太过严谨，稍不注意容易出错，还不易找出错误点。

若是将模型构建器与Python 语言相结合，互相融合，让模型构建得更加完美、流畅。在实际操作过程中，单独使用Python 语言，对专业技术人员编程能力要求过高，两者有机结合起来，互惠互补，既能简化流程，又能简化编程。Python 语言功能非常强大，空间分析功能全，操作机动性强，是地理空间分析的最有力工具。