基于DEM的小流域土地整理综合规划探讨——以北京市怀柔区刘立河流域为例

(天津市城市规划设计研究院，天津，300041)

从项目区的划定、DEM的构建到项目区适宜性评价，在此基础上进行项目区土地利用分区，安排土地利用布局，确定综合规划方案，从而形成了基于DEM的小流域土地整理综合规划探讨。

关键词:DEM；小流域；土地整理；综合规划

基于DEM的小流域土地整理综合规划设计，其研究的主要技术路线分为土地整理项目区的划定、基于地形图的DEM构建、项目区适宜性评价、土地利用分区、土地利用布局、项目区规划设计方案和重大工程规划设计，详细流程见图1。

图1小流域土地整理规划设计技术流程

1小流域土地整理项目区划定

1.1数据收集和实地调查

根据国土资源部发布的土地开发整理标准和土地开发整理规划要求，项目规划所需材料一般包括:①项目区基本情况，包括行政管辖、地理位置、土地面积、人口等；②自然条件，包括项目区的地形、地貌、气候、土壤、水文、地质、植被和自然灾害；(3)社会经济条件，包括产业发展、市场状况、收入水平、国民习惯等。；(4)土地利用现状，包括数量、权属、土地生产能力及土地利用中存在的主要问题；⑤土地开发整理的法律政策，农业、水利、林业、环保等相关行业的技术规范和标准；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。

同时，技术团队和当地相关领导必须多次到项目区进行实地勘测，主要是了解项目区的地形地貌、种植系统、水源和现有设施，并具体划定项目区的边界，就项目规划设计中可能涉及的具体问题征求当地基层领导和农民的意见，与当地农业和水利专家共同确定规划思路。

1.2小流域土地整理项目区划定原则

划定小流域土地整理项目区应遵循以下三个原则:①项目完整性原则。项目区的边界不仅要考虑行政区域的边界，还要考虑项目区周围的自然地貌分布，如流域、道路、沟渠、运河等。(2)以实测地形图为基础，从小流域生态系统的角度界定土地整理项目区边界，然后将项目区现状图与实测地形图进行叠加匹配，得到具有地形、地类等信息的电子地图。③尽量保证土地的权属在同一个乡镇的管辖范围内。

2基于地形图的DEM构建

2.1数据源获取和转换

本文主要根据数字地形图建立DEM。以刘立河河土地整理项目为例，简要说明制图过程。

首先在项目区进行外业控制测量，采用GPS静态测量，沿线布设E级GPS网，点连接与边连接相结合，平面坐标起点为北京市怀柔区琉璃庙镇白茶子村附近北京市测绘院提供的两个GPS点。然后用全站仪进行实地测量。全站经纬仪能自动记录和显示相关数据。野外采集数据后，全站仪与计算机通过数据通信线路连接，将野外观测数据传输到计算机，然后对野外采集的数据进行预处理，检查所有可能的误差。将现场采集的数据进行编码，并将测量数据转换成绘图系统要求的编码格式。数据计算针对的是地貌之间的关系。将测量数据输入计算机，生成平面图形，建立图形文件，绘制等高线。根据外业草图，修改新生成的地形图，补测或复测中的缺点或错点，再补充高程和注记。进行室内和室外检查；最后对地形图进行框内外装饰。

映射的结果是AutoCAD格式的文件。本文主要利用MAPGIS软件建立数字高程模型，因此需要对文件进行转换。首先，将AutoCAD格式的等高线和高程点另存为。dxf格式。然后，在MAPGIS软件中应用“文件转换”模块，将等高线和高程点数据转换成。在MAPGIS软件中将dxf格式转化为点文件和线文件。点文件是包含高程点信息的数据；线文件是包含轮廓信息的数据。

2.2矢量数据的编辑和处理

在等高线数字化生产过程中，由于地形复杂、数据量大、人机交互容易出错以及图像处理技术的缺陷，等高线数据的几何信息和属性信息误差不可避免。几何信息误差主要包括等高线的点或线误差，等高线相交或自交引起的数据冗余和等高线不平滑，数据采集不均匀等。属性信息误差主要包括少量高程误差和系统高程误差。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，因此需要对等高线数据进行检查和修改。

在等高线数据的处理中，可以使用MAPGIS软件的DTM分析应用模块中的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、线封闭、线相交、高度跳跃值和高度赋值等。然后找出错误的具体原因，对等高线文件进行编辑，主要包括线数据属性的添加、删除、移动、继续、闭合、分割和修改，以及高程点数据的添加、删除和移动。

2.2.1等高线被赋予了高程值的属性。

由AutoCAD格式转换的等高线文件没有关于高程值的属性，因此需要为每个等高线指定高程值。首先，建立等高线文件的属性结构。根据高程值，字段类型为双精度，字段长度为8，小数位数为2。其次，找出标高线的区别，然后启动自动赋值标高值的工具，再从已知的标高点画一条延长线，点击它出现一个对话框。在对话框中输入“当前高程”和“高程增量”，其中当前高程是起点的高程值，高程增量是等高线之间的差值，可以是正的，也可以是负的。从地图中推断高程值是减少还是增加，减少的值为正，反之亦然。最后，所有行属性都以相同的方式输入。以“立面线”的名称另存为线文件。

2.2.2高程点被赋予高程值的属性。

AutoCAD格式转换的高程点文件也没有高程值属性，所以每个高程点都必须指定高程值。与上述为等高线指定高程值的过程不同，高程点的注记被指定为属性。需要注意的是，赋值属性后，高程点的属性结构必须改变，即“字段类型”要由字符串改为双精度，否则无法生成DEM。

2.3 DEM生成

2.3.1 TIN模型生成

(1)线文件TIN模型的生成。首先，在MAPGIS软件中启动“DTM分析”功能模块，加载等高线文件。从线数据中提取高程点。根据分辨率要求选择稀疏系数，然后生成三角网。将生成的三角测量文件保存为TIN文件。

(2)点文件TIN模型的生成。同时启动MAPGIS软件中的“DTM分析”功能模块，加载高程点文件。从点数据中提取高程点，选择高程点的属性项，然后生成三角网。图2是基于高程点数据的刘立河土地整理项目区DEM模型。

图2刘立河土地整理项目区DEM模型

图3刘立河土地整理项目区典型地块DEM模型

2.3.2网格模型生成

与生成TIN模型不同，格网模型的生成主要是对等高线和高程点进行栅格化，并将栅格化的结果保存在一个格网格式文件中。图3显示了刘立河河典型区块生成的网格模型。从地图上可以清晰地看到山脊、山谷、分水岭等三维地形信息，从而直观地了解项目区域的整体情况，对整个项目区域的规划有一个整体的把握和了解。

3基于DEM的小流域土地适宜性评价

土地适宜性评价是小流域土地整理规划的基础，为土地整理规划提供科学依据，减少规划的盲目性，充分发挥小流域生态经济系统的物质循环、能量流动、信息传递和价值增值四大基本功能。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素。坡度和坡向是地面接受阳光、风雨侵蚀的重要因素。

为了实现定量化、科学化的评价方法和过程，需要现代GIS分析技术。利用DEM数据提取和表达地表形态结构，其技术手段已经成熟。利用DEM可以快速简便地提取高质量的坡度和坡向信息，利用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。研究如何从地形角度建立评价模型，并以北京市怀柔区刘立河河流域土地适宜性评价为例，实现GIS环境下的定量评价。

3.1小流域土地适宜性评价指标及权重确定

通过研究怀柔区刘立河河流域的坡度和坡面地形与该地区农业生产条件的关系，确定了各因素的权重，见表1和表2。

表1怀柔区刘立河河流域等级划分权重表

表2怀柔区刘立河河流域坡度分级权重表

3.2坡度图和坡向图的生成

坡度是地形描述中常用的参数，是一个有方向和大小的矢量。空间表面的斜率是点的函数。除非曲面是平面，否则曲面上不同位置的斜率不相等。给定点的斜率是曲面上该点的法线方向和垂直方向之间的角度。

以怀柔区刘立河地区1∶1000地形图为基础，在MAPGIS软件中将AutoCAD格式的等高线等地形要素转换成线文件和点文件，然后利用MAPGIS软件生成用于分析的DEM。根据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”中将坡度分为五级，分别输入上下限，输入面积参数。打开输入编辑中刚刚生成的点、线、面文件，修改面文件的属性结构，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。“坡度”的字段类型为字符串类型，字段长度为10；“斜率得分”字段类型为双精度，字段长度为2，小数位数为1。然后利用“参数归属”功能，根据坡度分级权重表，在坡度图中添加“坡度”和“坡度分值”两个属性信息，最后保存点、线、面文件。图4和图5分别是刘立河流域土地整理项目区和典型地块的坡度图。工程区域的整体坡度可以从地图上反映出来，可以清晰准确地获得工程区域的坡度信息。

图4刘立河流域土地整理项目区坡度图

图5刘立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，通常定义为网格元素拟合的曲面上一点的切面的法线方向在平面上的投影与真北的夹角，即法线方向在水平方向上的投影矢量的方位角。

类似于上述斜率映射的属性分配，将“斜率范围”和“斜率得分”的属性分配给斜率映射。图6和图7分别是刘立河流域土地整理项目区的坡度图和典型地块的坡度图，为下一步的适宜性评价打下了良好的基础。

图6刘立河流域土地整理项目区典型地块坡向图

图7刘立河流域土地整理项目区坡度图

3.3小流域土地适宜性评价结果

土地适宜性评价是在GIS软件的支持下进行的。评价单元的划分基于MAP-GIS软件，利用MAPGIS软件中的“空间分析”模块进行空间叠加。首先将坡度图和坡向图的面积文件添加到模块中，然后利用“面积到面积合并”功能将坡度图和坡向图进行叠加。最后保存生成综合图，可以得到土地适宜性评价单元图，并对其进行调整，使各个单元达到相似的自然条件、管理方法和经济效益，最终形成一个评价单元。

本研究采用综合指数评价模型对土地适宜性进行评价，每块土地的综合定级参数按以下公式确定:

综合评分参数=坡度分数+坡向分数

采用等距切割法，将本区土地适宜性划分为四类(见表3)。

表3土地适宜性评价综合评分表

利用MAPGIS软件的“属性库管理”模块，将叠加后的综合图的区域属性输出到一个dbf格式的数据库文件中，然后在Excel中打开。根据综合评分公式，计算出各评价单元的得分。最后，将计算结果作为数据库文件保存在。dbf格式。利用MAPGIS软件“属性库管理”模块的“属性连接”，将计算结果与综合图的区域属性连接起来，建立数据库。

4基于DEM的小流域土地整理规划方案

通过土地适宜性评价，加强了对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的空间布局提供了理论基础。应用数字高程模型的相关理论和方法，确定土地利用的空间布局，使土地整理的规划设计更加合理。根据小流域土地适宜性评价结果规划设计土地利用布局主要包括以下几个方面。

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，使用“属性赋值参数”功能，根据表4中各土地利用分区的参数值，对项目区进行土地利用分区。得到了基于DEM的土地利用分区。从地图上看，补丁比较碎。由于地图上没有河道线、居民区、道路、土地界线等地形要素，需要进一步的图形处理。

表4土地利用分区中各类别参数值

图8刘立河土地整理项目区典型地块土地利用分区

图9刘立河土地整理项目区土地利用分区

4.2添加线状要素和居民区

上面生成的土地利用区划图主要基于高程点和等高线生成，缺少河道线、居民点、道路、用地边界等地形要素。在下一步进行规划和设计时，应将这些地形元素添加到地图中。以刘立河项目为例，首先将河道线、居民点、道路、土地边界等地形要素转化为MAPGIS软件可以识别的点、线文件；然后将这些地形元素添加到已经生成的分区图中。最后，调整每个图层的顺序，使所有元素都能显示出来。

4.3确定用地布局

土地利用布局是指根据土地的自然适宜性和社会经济发展的要求，在土地整理区的特定地块上合理安排和实施各类土地。根据实地调查，小斑块在地图上合并。以道路、河道线等突出的线状地物作为划界的基本依据，调整用地布局，使之更加合理。

4.3.1水土保持区

综合评分参数小于0.4的区域以水土保持为主，通过人工管理和自然恢复形成大面积草地的自然斑块。大型自然植被斑块具有许多重要的生态功能，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之间的区域主要发挥生态和经济功能。该区景观生态建设的重点是:大力发展经济林果业，适当发展畜牧业，提高人民生活水平，兼顾生态和环保功能。主要原因是该地区坡度较大，不适合农业种植和发展。景观过程以水土流失、植被覆盖度降低等生态退化过程为主，但略轻于生态环境保护功能区，需要生态经济功能和生态环境保护功能并重。

4.3.3缓坡耕地耕作面积

综合分级参数在0.9 ~ 1.3之间的区域以农业耕作功能为主。该区景观生态建设的重点是:以高产优质高效农业为主导方向，促进种植业发展，满足人民消费需求，提高经济收入。因此，在规划建设中，要合理调整农林牧副作物结构，以粮食为主，适当增加油料作物和芝麻、油菜、棉花等经济作物，引进优良品种，合理安排轮作，逐步推广套种面积，提高复种指数。同时，由于降水不足导致供需错位，要大力推广地膜覆盖、节水灌溉等旱作农业技术应用，积极发展节水集水农业，切实提高土壤生产效率和效益。依据是坡耕地土层薄，土壤肥力低，发展集约农业的条件尚不成熟。

4.3.4平坦的海滩和住宅区

居民点的扩建和矿产资源的开发将导致综合分级参数大于1.3的区域对生态环境的影响。因此，我们应该尽可能地限制居住区的扩张，大力提倡植树造林，建设绿色村庄和田园村庄，提高环境的宜人性，促进人类与自然环境的协调。

4.3.5渔业

由于雨水资源和地下水资源的短缺，山区小流域渔业的发展受到很大限制。小流域土地整理规划建设的重点是:有条件的地区，充分利用小型水利工程拦截的河水，适当发展渔业，增加农民收入。

以DEM为基础，以道路、河道线等突出的线状要素为基本划界依据，确定土地利用布局。可能与实地地形不符，需要实地查看用地布局是否符合实际，并根据实地情况进行相应调整。

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