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王亞男
（天津市城市規劃設計研究院，天津，300041）
摘要：從項目區的劃定、DEM的構建，到項目區的適宜性評價，在此基礎上對項目區進行土地利用分區，布置土地利用布局，確定綜合規劃的方案，形成了基于DEM的小流域土地整理的綜合規劃探討。
關鍵詞：DEM；小流域；土地整理；綜合規劃
基于DEM的小流域土地整理的綜合規劃與設計，其研究主要技術路線分為土地整理項目區范圍的劃定、基于地形圖的DEM的構建、項目區適宜性評價、土地利用分區、土地利用布局、項目區規劃與設計方案和主要工程規劃與設計幾個方面，詳細流程如圖1所示。
圖1 小流域土地整理規劃設計技術流程
1 小流域土地整理的項目區的劃定
1.1 資料收集與實地踏勘
根據國土資源部頒發的《土地開發整理標準》及土地開發整理規劃編制要求，項目規劃所需資料一般包括：①項目區基本概況，包括行政轄區、地理位置、土地面積、人口等；②自然條件，包括項目區地形、地貌、氣候、土壤、水文、地質、植被及自然災害等情況；③社會經濟條件，包括產業發展、市場狀況、收入水平、民族習慣等；④土地利用現狀，包括各地類的數量、權屬、土地生產能力、土地利用中存在的主要問題等；⑤土地開發整理法規政策以及農業、水利、林業、環境保護等相關行業技術規范與標準；⑥土地資源、水資源調查報告、土地利用總體規劃、土地開發整理規劃等；⑦項目區的地形圖、土地利用現狀圖、土地權屬界線圖、項目所在縣（市）、鄉（鎮）土地利用總體規劃圖、土地開發整理規劃圖等。
與此同時，技術小組與當地有關領導必須多次到項目區進行實地踏勘，主要了解項目區的地貌、種植制度、水源、現狀設施等情況，具體劃定項目區邊界等，并就項目片規劃設計中可能涉及的具體問題向當地基層領導、農民征求意見，與當地農業、水利專家共同確定規劃思路。
1.2 劃定小流域土地整理項目區的原則
劃定小流域土地整理項目區時應遵循以下三個原則：①項目完整性原則。項目區的邊界不應只考慮行政區的邊界，還應該考慮項目區周圍自然地物的分布情況，例如以分水嶺、路、溝、渠等為界。②結合實測的地形圖，以生態系統為劃分基礎，從小流域生態系統角度劃定土地整理項目區邊界，然后把項目區的現狀圖與實測的地形圖進行疊加匹配，得到具有地形、地類等信息的電子圖件。③盡量保證土地的權屬在同一個鄉鎮管轄范圍內。
2 基于地形圖的 DEM 構建
2.1 數據源的獲取與轉換
本文主要根據數字化的地形圖來建立 DEM。下面以琉璃河土地整理項目為例，簡要說明一下測圖的過程。
首先在項目區進行實地控制測量，采用GPS靜態測量，沿線布設E級GPS網，采用點連接和邊連接相結合布網，平面坐標起算點采用北京市測繪院提供的位于北京市懷柔區琉璃廟鎮柏查子村附近的兩個GPS點作為起算點。然后利用全站經緯儀在野外實測。全站經緯儀可以自動記錄和顯示有關數據，外業采集數據后，用數據通訊線連接全站儀和計算機，把野外觀測數據傳輸到計算機中，再對野外采集的數據進行預處理，檢查可能出現的各種錯誤；把野外采集到的數據編碼，用測量數據轉化成繪圖系統所需要的編碼格式。數據計算是針對地貌關系的，當測量數據輸入計算機后，生成平面圖形，建立圖形文件，繪制等高線。對照外業的草圖，修改新生成的地形圖，補測重測存在漏測或測錯的地方，然后加注高程、注記等。進行室內和室外檢查；最后對地形圖進行圖框內外整飾。
測圖的成果是 AutoCAD 格式的文件，本文主要是應用MAPGIS 軟件建立數字高程模型，因而要進行必要的文件轉換。首先把 AutoCAD 格式的等高線和高程點的圖層另存為.dxf 格式。然后在MAPGIS 軟件應用“文件轉換”的模塊，把.dxf格式的等高線和高程點數據，分別轉換為MAPGIS軟件形式的點文件和線文件。點文件為包含高程點信息的數據；線文件為包含等高線信息的數據。
2.2 矢量數據的編輯與處理
在等高線數字化生產過程中，由于地貌形態復雜，數據量大、人機交互作業易出錯和圖像處理技術存在缺陷等原因，不可避免地造成等高線數據的幾何信息和屬性信息誤差。幾何信息誤差主要包括等高線的點位或線位誤差、等高線相交或自交和數據采集不均勻引起的數據冗余和等高線不光滑等。屬性信息誤差主要包括少量高程錯誤和系統高程錯誤。等高線矢量數據是建立數字高程模型的基礎數據，其質量直接影響其使用效果，因此必須對等高線數據進行檢查修改。
在等高線數據的處理中，可采用MAPGIS 軟件中的“DTM分析”應用模塊中等高線檢查工具進行處理。首先對等高線數據進行錯誤檢查，包括線自相交檢查、線封閉性檢查、線相交檢查、高程跳躍值檢查、高程賦值檢查等，然后找出產生錯誤的具體原因，對等高線文件進行線編輯處理，主要是對線數據的增加、刪除、移動、續線、閉合、分割、屬性修改等，另外還有對高程點數據的增加、刪除、移動等功能。
2.2.1 等高線賦以高程值的屬性
由 AutoCAD 格式轉換過來的等高線的文件，并沒有有關高程值的屬性，因而必須給每條等高線賦以高程值。首先，建立等高線文件的屬性結構，根據高程值選擇字段類型為雙精度型，字段長度為8，小數位數為2。其次，找到高程線之間的差值，接下來啟動自動賦高程值的工具，然后從已知高程點處向外引一條延長線，點擊后出現一個對話框。在對話框中分別輸入“當前高程”和“高程增量”，當前高程為起始點的高程值，高程增量為等高線之間的差，可正可負。從圖上推斷高程值是遞減的還是遞增的，遞減的即為正，反之為負。最后，用同樣的方法將所有的線屬性錄入。另存為“高程線”名稱的線文件。
2.2.2 高程點賦以高程值的屬性
由 AutoCAD 格式轉換過來的高程點的文件，同樣也沒有高程值的屬性，必須給每個高程點賦以高程值。與上述等高線賦以高程值屬性過程的不同之處，是把高程點的注釋賦為屬性，應該注意的是在賦完屬性之后，必須更改高程點的屬性結構，即把“字段類型”由字符串改為雙精度型，否則不能生成 DEM。
2.3 DEM 的生成
2.3.1 TIN 模型的生成
（1）線文件 TIN 模型的生成。首先啟動MAPGIS 軟件中“DTM 分析”功能模塊，裝入等高線文件。由線數據提取高程點。根據分辨率的要求選擇抽稀系數，然后生成三角剖分網。把生成的三角剖分網文件另存 TIN 格式的文件。
（2）點文件 TIN 模型的生成。同樣啟動MAPGIS 軟件中“DTM 分析”功能模塊，裝入高程點文件。由點數據提取高程點，選擇高程點屬性項，然后生成三角剖分網。圖2是由高程點數據建立的琉璃河土地整理項目區的 DEM 模型。
圖2 琉璃河土地整理項目區的 DEM 模型
圖3 琉璃河土地整理項目區典型地塊的 DEM 模型
2.3.2 GRID 模型的生成
與生成 TIN 模型不同，GRID 模型的生成主要是把等高線和高程點進行柵格化，把柵格化的結果保存 GRID 格式的文件。圖3為琉璃河典型地塊生成的 GRID 模型。從圖上可以清晰地看到三維地形信息，如山脊、山谷、分水嶺等，直觀地了解項目區的整體情況，對整個項目區的規劃有一個總體的把握和認識。
3 基于 DEM 的小流域土地適宜性評價
進行土地適宜性評價是小流域土地整理規劃的基礎，并為土地整理規劃提供科學依據，減少規劃的盲目性，使小流域生態經濟系統的物質循環、能量流動、信息傳遞、價值增值這四大基本功能得以充分發揮。影響土地適宜性的因素很多，對于小流域地區，坡度和坡向是土地適宜性評價的重要因子。坡度和坡向是地面接受日照、風吹、雨水沖刷的重要因素。
為了實現評價方法和過程的定量化和科學化，需要利用現代化的 GIS 分析技術。利用DEM 數據中地表形態結構的提取和表達，其技術手段已經成熟?？梢酝ㄟ^DEM 快速、簡便地提取高質量坡度和坡向信息，應用 GIS 疊加分析方法對土地利用現狀信息進行疊加、分組和統計分析。本文研究如何從地形地貌的角度建立評價模型，以北京市懷柔區琉璃河流域的土地適宜性評價為例，在 GIS 環境中實現定量評價。
3.1 小流域土地適宜性評價的評價指標及權重確定
通過研究懷柔區琉璃河流域的坡度和坡向地形地貌特征與該區農業生產條件的關系，并確定了各因子權重，見表1和表2。
表1 懷柔區琉璃河流域坡度分級權重表
表2 懷柔區琉璃河流域坡向分級權重表
3.2 坡度圖和坡向圖的生成
坡度是地形描述中一個常用的參數，是一個具有方向和大小的矢量?？臻g曲面的坡度是點位的函數，除非曲面是一個平面，否則曲面上不同位置的坡度是不相等的。給定點位的坡度是曲面上該點的法線方向與垂直方向之間的夾角。
本文中以懷柔區琉璃河地區1∶1000 地形圖為依據，把AutoCAD格式的等高線等地形特征的要素轉換為MAPGIS軟件的線文件和點文件，然后利用MAPGIS 軟件生成供分析用的DEM，依照上面的坡度分級權重表，在MAPGIS 軟件中的“坡度分級圖輸出設置”中把坡度分為五個級，分別輸入上下限，并把區參數設為上述表格中的參數值，然后生成坡度圖，最后把點、線、區文件另存。在“輸入編輯”中打開剛才生成的點、線、區文件，修改區文件的屬性結構，增加“坡度”和“坡度分值”兩項，并相應設置其字段類型和字段長度等。其中“坡度”一項的字段類型為字符串型，字段長度為10；“坡度分值”一項的字段類型為雙精度型，字段長度為2，小數位數為1。然后利用“參數賦屬性”的功能，依照坡度分級權重表，把“坡度”和“坡度分值”兩項屬性信息增加到坡度圖上，最后保存點、線、區文件。圖4、圖5分別是琉璃河流域土地整理項目區坡度圖和典型地塊的坡度圖。從圖上可以反映出項目區的整體坡度情況，可以清晰準確地獲得項目區的坡度信息。
圖4 琉璃河流域土地整理項目區坡度圖
圖5 琉璃河流域土地整理項目區典型地塊坡度圖
基于 DEM 計算坡向時通常定義為，過格網單元所擬合的曲面片上某點的切平面法線的正方向在平面上的投影與正北方的夾角，即法線方向在水平方向投影向量的方位角。
與上述坡度圖屬性賦值相似，把“坡向范圍”和“坡向分值”屬性賦值到坡向圖上，圖6、圖7分別是琉璃河流域土地整理項目區坡度圖和典型地塊的坡向圖，為下一步的適宜性評價做好了基礎。
圖6 琉璃河流域土地整理項目區典型地塊坡向圖
圖7 琉璃河流域土地整理項目區坡向圖
3.3 小流域土地適宜性評價結果
土地適宜性評價是在地理信息系統軟件支持下進行的。評價單元的劃分是在以MAP-GIS 軟件為工作平臺的基礎上，利用MAPGIS 軟件中的“空間分析”模塊進行空間疊加。首先把坡度圖和坡向圖的區文件添加到模塊中，然后利用“區對區合并”功能，把坡度圖和坡向圖疊加，最后另存生成綜合圖，即可得到土地適宜性評價單元圖，并對其進行調整，使每個單元達到自然條件、經營方式及經濟收益相似，最終形成評價單元。
本研究采用綜合指數評價模型進行土地適宜性評價，每一塊土地的綜合分級參數按下式確定：
綜合分級參數＝坡度分值＋坡向分值
采用等距裁取方法，將該區土地適宜性用途分為四類（見表3）。
表3 土地適宜性評價綜合分級表
利用MAPGIS 軟件的“屬性庫管理”模塊把疊加后生成的綜合圖的區屬性輸出.dbf格式的數據庫文件，然后用Excel 文檔打開，根據綜合分級公式，計算出各個評價單元的分值。最后把計算結果另存為.dbf 格式的數據庫文件。利用MAPGIS 軟件的“屬性庫管理”模塊的“屬性連接”把計算結果和綜合圖的區屬性連接起來，建立數據庫。
4 基于 DEM 的小流域土地整理的規劃方案
通過土地適宜性評價，加強了土地利用空間布局的研究。數字高程模型的發展為土地利用空間布局提供了理論依據，應用數字高程模型的有關理論和方法，確定各地類的土地利用空間布局，使土地整理規劃設計更合理。根據小流域土地適宜性評價的結果來規劃設計土地利用布局，主要有以下幾個方面。
4.1 基于 DEM 的土地利用分區
在“輸入編輯”模塊中，打開綜合圖，依據表4 土地利用分區各地類參數值，利用“屬性賦參數”的功能對項目區進行土地利用分區。得到以 DEM 為劃分基礎的土地利用分區，從圖上看，斑塊較為破碎，由于圖上沒有河線、居民點、道路和地類界等地形要素，因而需要進一步進行圖形處理。
表4 土地利用分區各地類參數值
圖8 琉璃河土地整理項目區典型地塊土地利用分區
圖9 琉璃河土地整理項目區土地利用分區
4.2 添加線狀地物和居民點
上面生成的土地利用分區圖中，主要是基于高程點和等高線生成，缺少河線、居民點、道路和地類界等地形要素。在下一步規劃設計時，應把這些地形要素添加到圖上。以琉璃河項目為例，首先把河線、居民點、道路和地類界等地形要素轉化為MAPGIS 軟件能識別的點、線文件；然后把這些地形要素添加到已經生成的分區圖上。最后調整各圖層的順序，以便各個要素都能顯示出來。
4.3 確定土地利用布局
土地利用布局是指按照土地的自然適宜性和社會經濟發展要求，將各類用地合理布置并落實到土地整理區域內的具體地塊上。根據實地踏勘的情況，在圖上對小斑塊進行合并處理。以道路、河線等顯著線狀地物為劃定的基本依據，調整土地利用布局，使之更加合理。
4.3.1 水土保持區
綜合分級參數小于0.4 的區域，是以水土保持為主，通過人工管理和自然恢復形成大型荒草地的自然斑塊，大型自然植被斑塊具有多種重要的生態功能，并為景觀帶來許多益處，如涵養水源、保持水土和保護生物多樣性等。
4.3.2 經濟林果區
綜合分級參數在0.4～0.9 之間的區域，主要執行生態經濟功能，該區景觀生態建設的重點是：大力發展經濟林果業和適當發展畜牧業，提高人民生活水平，同時兼顧生態環境保護功能。主要依據是本區坡度較大，不適合農業耕作開發，景觀過程也主要以水土流失、植被覆蓋率降低等生態退化過程為主，只是和生態環境保護功能區比較起來，程度稍為輕一點，因此必須將生態經濟功能和生態環境保護功能并重。
4.3.3 平緩坡耕地農業耕作區
綜合分級參數在0.9～1.3 之間的區域，主要執行農業耕作功能。該區景觀生態建設的重點是：以高產、高質、高效農業為主導方向，推行種植業開發，滿足人們的消費需求和提高經濟收入。為此，在規劃建設中要合理調整農、林、牧、副結構，以糧食為主，適當增加芝麻、油菜和棉花等油料作物和經濟作物，引進優良品種，適當安排作物輪作，逐步推廣套種面積，提高復種指數，同時由于降水不足的供需錯位，因此大力推廣應用地膜覆蓋、節水灌溉等旱作農業技術，積極發展節水、集水農業，有效提高土壤生產效率和農作物產量。依據是坡耕地土層較薄，土壤肥力低，發展集約型農業的條件還不成熟。
4.3.4 平坦的灘地和居民點
綜合分級參數在大于1.3 之間的區域，居民點的擴大、礦產資源的開發都會導致對生態環境的影響。因此，應該盡可能地限制居民點的擴張，大力提倡植樹造林，建設綠色村莊、田園村莊，提高環境的宜人性，促使人類與自然環境的協調。
4.3.5 漁業
山區小流域由于雨水資源和地下水資源短缺，漁業發展受到很大限制。小流域土地整理規劃建設的重點是：在條件許可的地區，充分利用小型水利工程的截留河水，適當發展漁業，增加農民的收入。
以 DEM 為基礎，以道路、河線等顯著線狀地物為劃定的基本依據，確定的土地利用布局。有可能與實地的地形不符合，因而要去實地核對土地利用布局是否符合實際，并根據實地的情況做出相應的調整。
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