基于DEM的小流域土地整理的综合规划探讨——以北京市怀柔区琉璃河流域为例
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发布时间：2022-04-28 23:26
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时间：2023-10-14 20:03
王亚男
（天津市城市规划设计研究院，天津，300041）
摘要：从项目区的划定、DEM的构建，到项目区的适宜性评价，在此基础上对项目区进行土地利用分区，布置土地利用布局，确定综合规划的方案，形成了基于DEM的小流域土地整理的综合规划探讨。
关键词：DEM；小流域；土地整理；综合规划
基于DEM的小流域土地整理的综合规划与设计，其研究主要技术路线分为土地整理项目区范围的划定、基于地形图的DEM的构建、项目区适宜性评价、土地利用分区、土地利用布局、项目区规划与设计方案和主要工程规划与设计几个方面，详细流程如图1所示。
图1 小流域土地整理规划设计技术流程
1 小流域土地整理的项目区的划定
1.1 资料收集与实地踏勘
根据国土资源部颁发的《土地开发整理标准》及土地开发整理规划编制要求，项目规划所需资料一般包括：①项目区基本概况，包括行政辖区、地理位置、土地面积、人口等；②自然条件，包括项目区地形、地貌、气候、土壤、水文、地质、植被及自然灾害等情况；③社会经济条件，包括产业发展、市场状况、收入水平、民族习惯等；④土地利用现状，包括各地类的数量、权属、土地生产能力、土地利用中存在的主要问题等；⑤土地开发整理法规*以及农业、水利、林业、环境保护等相关行业技术规范与标准；⑥土地资源、水资源调查报告、土地利用总体规划、土地开发整理规划等；⑦项目区的地形图、土地利用现状图、土地权属界线图、项目所在县（市）、乡（镇）土地利用总体规划图、土地开发整理规划图等。
与此同时，技术小组与当地有关领导必须多次到项目区进行实地踏勘，主要了解项目区的地貌、种植制度、水源、现状设施等情况，具体划定项目区边界等，并就项目片规划设计中可能涉及的具体问题向当地基层领导、农民征求意见，与当地农业、水利专家共同确定规划思路。
1.2 划定小流域土地整理项目区的原则
划定小流域土地整理项目区时应遵循以下三个原则：①项目完整性原则。项目区的边界不应只考虑行政区的边界，还应该考虑项目区周围自然地物的分布情况，例如以分水岭、路、沟、渠等为界。②结合实测的地形图，以生态系统为划分基础，从小流域生态系统角度划定土地整理项目区边界，然后把项目区的现状图与实测的地形图进行叠加匹配，得到具有地形、地类等信息的电子图件。③尽量保证土地的权属在同一个乡镇管辖范围内。
2 基于地形图的 DEM 构建
2.1 数据源的获取与转换
本文主要根据数字化的地形图来建立 DEM。下面以琉璃河土地整理项目为例，简要说明一下测图的过程。
首先在项目区进行实地控制测量，采用GPS静态测量，沿线布设E级GPS网，采用点连接和边连接相结合布网，平面坐标起算点采用北京市测绘院提供的位于北京市怀柔区琉璃庙镇柏查子村附近的两个GPS点作为起算点。然后利用全站经纬仪在野外实测。全站经纬仪可以自动记录和显示有关数据，外业采集数据后，用数据通讯线连接全站仪和计算机，把野外观测数据传输到计算机中，再对野外采集的数据进行预处理，检查可能出现的各种错误；把野外采集到的数据编码，用测量数据转化成绘图系统所需要的编码格式。数据计算是针对地貌关系的，当测量数据输入计算机后，生成平面图形，建立图形文件，绘制等高线。对照外业的草图，修改新生成的地形图，补测重测存在漏测或测错的地方，然后加注高程、注记等。进行室内和室外检查；最后对地形图进行图框内外整饰。
测图的成果是 AutoCAD 格式的文件，本文主要是应用MAPGIS 软件建立数字高程模型，因而要进行必要的文件转换。首先把 AutoCAD 格式的等高线和高程点的图层另存为.dxf 格式。然后在MAPGIS 软件应用“文件转换”的模块，把.dxf格式的等高线和高程点数据，分别转换为MAPGIS软件形式的点文件和线文件。点文件为包含高程点信息的数据；线文件为包含等高线信息的数据。
2.2 矢量数据的编辑与处理
在等高线数字化生产过程中，由于地貌形态复杂，数据量大、人机交互作业易出错和图像处理技术存在缺陷等原因，不可避免地造成等高线数据的几何信息和属性信息误差。几何信息误差主要包括等高线的点位或线位误差、等高线相交或自交和数据采集不均匀引起的数据冗余和等高线不光滑等。属性信息误差主要包括少量高程错误和系统高程错误。等高线矢量数据是建立数字高程模型的基础数据，其质量直接影响其使用效果，因此必须对等高线数据进行检查修改。
在等高线数据的处理中，可采用MAPGIS 软件中的“DTM分析”应用模块中等高线检查工具进行处理。首先对等高线数据进行错误检查，包括线自相交检查、线封闭性检查、线相交检查、高程跳跃值检查、高程赋值检查等，然后找出产生错误的具体原因，对等高线文件进行线编辑处理，主要是对线数据的增加、删除、移动、续线、闭合、分割、属性修改等，另外还有对高程点数据的增加、删除、移动等功能。
2.2.1 等高线赋以高程值的属性
由 AutoCAD 格式转换过来的等高线的文件，并没有有关高程值的属性，因而必须给每条等高线赋以高程值。首先，建立等高线文件的属性结构，根据高程值选择字段类型为双精度型，字段长度为8，小数位数为2。其次，找到高程线之间的差值，接下来启动自动赋高程值的工具，然后从已知高程点处向外引一条延长线，点击后出现一个对话框。在对话框中分别输入“当前高程”和“高程增量”，当前高程为起始点的高程值，高程增量为等高线之间的差，可正可负。从图上推断高程值是递减的还是递增的，递减的即为正，反之为负。最后，用同样的方法将所有的线属性录入。另存为“高程线”名称的线文件。
2.2.2 高程点赋以高程值的属性
由 AutoCAD 格式转换过来的高程点的文件，同样也没有高程值的属性，必须给每个高程点赋以高程值。与上述等高线赋以高程值属性过程的不同之处，是把高程点的注释赋为属性，应该注意的是在赋完属性之后，必须更改高程点的属性结构，即把“字段类型”由字符串改为双精度型，否则不能生成 DEM。
2.3 DEM 的生成
2.3.1 TIN 模型的生成
（1）线文件 TIN 模型的生成。首先启动MAPGIS 软件中“DTM 分析”功能模块，装入等高线文件。由线数据提取高程点。根据分辨率的要求选择抽稀系数，然后生成三角剖分网。把生成的三角剖分网文件另存 TIN 格式的文件。
（2）点文件 TIN 模型的生成。同样启动MAPGIS 软件中“DTM 分析”功能模块，装入高程点文件。由点数据提取高程点，选择高程点属性项，然后生成三角剖分网。图2是由高程点数据建立的琉璃河土地整理项目区的 DEM 模型。
图2 琉璃河土地整理项目区的 DEM 模型
图3 琉璃河土地整理项目区典型地块的 DEM 模型
2.3.2 GRID 模型的生成
与生成 TIN 模型不同，GRID 模型的生成主要是把等高线和高程点进行栅格化，把栅格化的结果保存 GRID 格式的文件。图3为琉璃河典型地块生成的 GRID 模型。从图上可以清晰地看到三维地形信息，如山脊、山谷、分水岭等，直观地了解项目区的整体情况，对整个项目区的规划有一个总体的把握和认识。
3 基于 DEM 的小流域土地适宜性评价
进行土地适宜性评价是小流域土地整理规划的基础，并为土地整理规划提供科学依据，减少规划的盲目性，使小流域生态经济系统的物质循环、能量流动、信息传递、价值增值这四大基本功能得以充分发挥。影响土地适宜性的因素很多，对于小流域地区，坡度和坡向是土地适宜性评价的重要因子。坡度和坡向是地面接受日照、风吹、雨水冲刷的重要因素。
为了实现评价方法和过程的定量化和科学化，需要利用现代化的 GIS 分析技术。利用DEM 数据中地表形态结构的提取和表达，其技术手段已经成熟。可以通过DEM 快速、简便地提取高质量坡度和坡向信息，应用 GIS 叠加分析方法对土地利用现状信息进行叠加、分组和统计分析。本文研究如何从地形地貌的角度建立评价模型，以北京市怀柔区琉璃河流域的土地适宜性评价为例，在 GIS 环境中实现定量评价。
3.1 小流域土地适宜性评价的评价指标及权重确定
通过研究怀柔区琉璃河流域的坡度和坡向地形地貌特征与该区农业生产条件的关系，并确定了各因子权重，见表1和表2。
表1 怀柔区琉璃河流域坡度分级权重表
表2 怀柔区琉璃河流域坡向分级权重表
3.2 坡度图和坡向图的生成
坡度是地形描述中一个常用的参数，是一个具有方向和大小的矢量。空间曲面的坡度是点位的函数，除非曲面是一个平面，否则曲面上不同位置的坡度是不相等的。给定点位的坡度是曲面上该点的法线方向与垂直方向之间的夹角。
本文中以怀柔区琉璃河地区1∶1000 地形图为依据，把AutoCAD格式的等高线等地形特征的要素转换为MAPGIS软件的线文件和点文件，然后利用MAPGIS 软件生成供分析用的DEM，依照上面的坡度分级权重表，在MAPGIS 软件中的“坡度分级图输出设置”中把坡度分为五个级，分别输入上下限，并把区参数设为上述表格中的参数值，然后生成坡度图，最后把点、线、区文件另存。在“输入编辑”中打开刚才生成的点、线、区文件，修改区文件的属性结构，增加“坡度”和“坡度分值”两项，并相应设置其字段类型和字段长度等。其中“坡度”一项的字段类型为字符串型，字段长度为10；“坡度分值”一项的字段类型为双精度型，字段长度为2，小数位数为1。然后利用“参数赋属性”的功能，依照坡度分级权重表，把“坡度”和“坡度分值”两项属性信息增加到坡度图上，最后保存点、线、区文件。图4、图5分别是琉璃河流域土地整理项目区坡度图和典型地块的坡度图。从图上可以反映出项目区的整体坡度情况，可以清晰准确地获得项目区的坡度信息。
图4 琉璃河流域土地整理项目区坡度图
图5 琉璃河流域土地整理项目区典型地块坡度图
基于 DEM 计算坡向时通常定义为，过格网单元所拟合的曲面片上某点的切平面法线的正方向在平面上的投影与正北方的夹角，即法线方向在水平方向投影向量的方位角。
与上述坡度图属性赋值相似，把“坡向范围”和“坡向分值”属性赋值到坡向图上，图6、图7分别是琉璃河流域土地整理项目区坡度图和典型地块的坡向图，为下一步的适宜性评价做好了基础。
图6 琉璃河流域土地整理项目区典型地块坡向图
图7 琉璃河流域土地整理项目区坡向图
3.3 小流域土地适宜性评价结果
土地适宜性评价是在地理信息系统软件支持下进行的。评价单元的划分是在以MAP-GIS 软件为工作平台的基础上，利用MAPGIS 软件中的“空间分析”模块进行空间叠加。首先把坡度图和坡向图的区文件添加到模块中，然后利用“区对区合并”功能，把坡度图和坡向图叠加，最后另存生成综合图，即可得到土地适宜性评价单元图，并对其进行调整，使每个单元达到自然条件、经营方式及经济收益相似，最终形成评价单元。
本研究采用综合指数评价模型进行土地适宜性评价，每一块土地的综合分级参数按下式确定：
综合分级参数＝坡度分值＋坡向分值
采用等距裁取方法，将该区土地适宜性用途分为四类（见表3）。
表3 土地适宜性评价综合分级表
利用MAPGIS 软件的“属性库管理”模块把叠加后生成的综合图的区属性输出.dbf格式的数据库文件，然后用Excel 文档打开，根据综合分级公式，计算出各个评价单元的分值。最后把计算结果另存为.dbf 格式的数据库文件。利用MAPGIS 软件的“属性库管理”模块的“属性连接”把计算结果和综合图的区属性连接起来，建立数据库。
4 基于 DEM 的小流域土地整理的规划方案
通过土地适宜性评价，加强了土地利用空间布局的研究。数字高程模型的发展为土地利用空间布局提供了理论依据，应用数字高程模型的有关理论和方法，确定各地类的土地利用空间布局，使土地整理规划设计更合理。根据小流域土地适宜性评价的结果来规划设计土地利用布局，主要有以下几个方面。
4.1 基于 DEM 的土地利用分区
在“输入编辑”模块中，打开综合图，依据表4 土地利用分区各地类参数值，利用“属性赋参数”的功能对项目区进行土地利用分区。得到以 DEM 为划分基础的土地利用分区，从图上看，斑块较为破碎，由于图上没有河线、居民点、道路和地类界等地形要素，因而需要进一步进行图形处理。
表4 土地利用分区各地类参数值
图8 琉璃河土地整理项目区典型地块土地利用分区
图9 琉璃河土地整理项目区土地利用分区
4.2 添加线状地物和居民点
上面生成的土地利用分区图中，主要是基于高程点和等高线生成，缺少河线、居民点、道路和地类界等地形要素。在下一步规划设计时，应把这些地形要素添加到图上。以琉璃河项目为例，首先把河线、居民点、道路和地类界等地形要素转化为MAPGIS 软件能识别的点、线文件；然后把这些地形要素添加到已经生成的分区图上。最后调整各图层的顺序，以便各个要素都能显示出来。
4.3 确定土地利用布局
土地利用布局是指按照土地的自然适宜性和社会经济发展要求，将各类用地合理布置并落实到土地整理区域内的具体地块上。根据实地踏勘的情况，在图上对小斑块进行合并处理。以道路、河线等显著线状地物为划定的基本依据，调整土地利用布局，使之更加合理。
4.3.1 水土保持区
综合分级参数小于0.4 的区域，是以水土保持为主，通过人工管理和自然恢复形成大型荒草地的自然斑块，大型自然植被斑块具有多种重要的生态功能，并为景观带来许多益处，如涵养水源、保持水土和保护生物多样性等。
4.3.2 经济林果区
综合分级参数在0.4～0.9 之间的区域，主要执行生态经济功能，该区景观生态建设的重点是：大力发展经济林果业和适当发展畜牧业，提高人民生活水平，同时兼顾生态环境保护功能。主要依据是本区坡度较大，不适合农业耕作开发，景观过程也主要以水土流失、植被覆盖率降低等生态退化过程为主，只是和生态环境保护功能区比较起来，程度稍为轻一点，因此必须将生态经济功能和生态环境保护功能并重。
4.3.3 平缓坡耕地农业耕作区
综合分级参数在0.9～1.3 之间的区域，主要执行农业耕作功能。该区景观生态建设的重点是：以高产、高质、高效农业为主导方向，推行种植业开发，满足人们的消费需求和提高经济收入。为此，在规划建设中要合理调整农、林、牧、副结构，以粮食为主，适当增加芝麻、油菜和棉花等油料作物和经济作物，引进优良品种，适当安排作物轮作，逐步推广套种面积，提高复种指数，同时由于降水不足的供需错位，因此大力推广应用地膜覆盖、节水灌溉等旱作农业技术，积极发展节水、集水农业，有效提高土壤生产效率和农作物产量。依据是坡耕地土层较薄，土壤肥力低，发展集约型农业的条件还不成熟。
4.3.4 平坦的滩地和居民点
综合分级参数在大于1.3 之间的区域，居民点的扩大、矿产资源的开发都会导致对生态环境的影响。因此，应该尽可能地*居民点的扩张，大力提倡植树造林，建设绿色村庄、田园村庄，提高环境的宜人性，促使人类与自然环境的协调。
4.3.5 渔业
山区小流域由于雨水资源和地下水资源短缺，渔业发展受到很大*。小流域土地整理规划建设的重点是：在条件许可的地区，充分利用小型水利工程的截留河水，适当发展渔业，增加农民的收入。
以 DEM 为基础，以道路、河线等显著线状地物为划定的基本依据，确定的土地利用布局。有可能与实地的地形不符合，因而要去实地核对土地利用布局是否符合实际，并根据实地的情况做出相应的调整。
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