GIS在農(nóng)地整理土方計算及調(diào)配中的應用

李睿璞，盧新海，谷曉坤

（華中科技大學國土資源與不動產(chǎn)研究中心，湖北 武漢 430074）

1 引言

隨著“3S”技術的集成與發(fā)展，空間信息技術已經(jīng)與農(nóng)地整理工程相結(jié)合，GIS技術已經(jīng)大量應用于農(nóng)地整理工程，在土方量的輔助計算上已有成功先例。柳長順等在Arcview 3.2平臺下建立農(nóng)地整理的數(shù)字高程模型（DEM），通過拓撲相減獲得整理區(qū)的土方量［1］；胡振琪等利用方格網(wǎng)（Grid）法，借助ERDAS IMAGINE遙感圖像處理軟件，建立土方量計算模型，實現(xiàn)土方量的計算機輔助計算［2］；魯成樹等探討了GIS技術支持下格網(wǎng)法在農(nóng)地整理土方工程量計算和土方量矩陣調(diào)配的應用研究［3］，在上述研究中，土方調(diào)配的模式單一，方法復雜。本文以ArcGIS 9.2為平臺，以湖北省棗陽市熊集鎮(zhèn)土地整理項目為例，通過構建農(nóng)地整理區(qū)規(guī)劃前后的DEM，利用空間地圖代數(shù)法，求解田塊填、挖的土方量，將交替式定位—配置模型與農(nóng)地整理的土方調(diào)配相結(jié)合，尋求調(diào)配方案，實現(xiàn)土地資源在空間內(nèi)的合理、有效配置。圖1展示了本文的技術路線流程。

圖1 土方計算及調(diào)配的技術路線圖Fig.1 Technical route of earthwork calculation and distribution

2 農(nóng)地整理土方量的計算與調(diào)配

2.1 農(nóng)地整理土方計算原理

通過DEM，運用柵格相減的計算方法實現(xiàn)平整田塊土方量計算，其計算原理為二次積分求取體積。利用現(xiàn)狀Gridc（格網(wǎng)）的高程與規(guī)劃Gridp高程之差作為積分高度，以單位網(wǎng)格的面積為積分單元，再將開挖范圍內(nèi)的這些體積累加后即為所求田塊的開挖量，其數(shù)學表達式如下：

式1中，H（x，y）為規(guī)劃網(wǎng)格的高差；Gridc（x，y）為現(xiàn)狀地表網(wǎng)格點高程；Gridp（x，y）為整理后地面網(wǎng)格點高程；V為田塊累積開挖量。

2.2 基于GIS的土方量計算

（1）土地利用現(xiàn)狀DEM的建立與檢驗。DEM一般可由離散高程點、遙感影像以及等高線來生成。以離散高程點生成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），以連續(xù)三角面逼近地表，可在某一特定分辨率下用較少的空間表達復雜的表面。由于實測高程點數(shù)據(jù)存在測量誤差，對精度有較大影響，所以TIN存在數(shù)據(jù)異常結(jié)點，需要人機交互式檢查。通過TIN生成等高線文件L2，并疊加土地利用現(xiàn)狀圖中的等高線L1，觀察L1與L2的重合程度。選擇性地刪除數(shù)據(jù)異常點，反復重建DEM，直到滿足精度要求。

（2）農(nóng)地整理規(guī)劃DEM的構建。農(nóng)地整理規(guī)劃DEM是以土地利用現(xiàn)狀DEM為基礎，對其數(shù)據(jù)點的高程值進行修改后，再次建立的。遵循土地整理規(guī)劃原則，并結(jié)合現(xiàn)場踏勘資料，以現(xiàn)狀高程值和規(guī)劃平整田塊作為研究對象，通過已經(jīng)構建的土地利用現(xiàn)狀DEM采集高程點，采用散點法確定待平整田塊的設計高程。依據(jù)設計高程對現(xiàn)狀TIN模型上控制點高程值進行修改，重建TIN后，便得到農(nóng)地整理規(guī)劃設計DEM。

（3）基于GIS平臺土方量的計算。為便于地圖代數(shù)的計算與數(shù)據(jù)匯總，將矢量TIN轉(zhuǎn)化為Grid［4-5］，在GIS中以體積相減的原理求得待平整地塊的土方量。在ArcGIS 9.2平臺下，將TIN轉(zhuǎn)化為Grid，利用空間分析模塊的柵格計算器（Raster Calculator）功能，完成拓撲相減，其運算結(jié)果以屬性表形式加以存儲，再以設計田塊的編號為統(tǒng)計單元，從而得到待平整田塊的土方量。

2.3 交替式定位—配置模型的計算原理［6-7］

交替式定位—配置原理為有隨機m個供應點中選擇P個為n個需求點服務；供給者根據(jù)最短加權距離分配給這些資源供給者，使得為n個需求點服務的總距離最小，并獲得對應P個配置點的需求集合。

再求取每組資源配置集合中單個資源配置點的最佳位置（xj*，yj*）。將n個需求點分配到距離其最近的隨機選擇資源配置點上，劃分配置區(qū)域；再計算每個子區(qū)域中的配置點的最優(yōu)地址，即直線距離最短，這樣每個供應點都位于其所服務的需求點中央。

比較隨機產(chǎn)生的土方配置點與資源分配點直線距離的差別，如果差別明顯，最佳配置點（xj*，yj*）為新配置點的位置，返回目標函數(shù)重新分配；否則計算終止，此時的結(jié)果為最佳位置點。

2.4 農(nóng)地整理土方調(diào)配在GIS中的實現(xiàn)

把每個田塊需要開挖和回填的土方量抽象為供給點與需求點，以點文件的形式標注于田塊的重心。在ArcGIS 9.2的Workstation中調(diào)用Arc命令，找到Maptools工具，將抽象化的供給點與需求點調(diào)入系統(tǒng)，完成土方量點數(shù)據(jù)輸入。在Maptools中運用Location-allocation命令，輸入調(diào)配的直線距離，完成土方的自動調(diào)配。

3 應用分析

3.1 整理區(qū)規(guī)劃前后DEM的構建

湖北省棗陽市熊集鎮(zhèn)國家投資基本農(nóng)田土地整理項目位于棗陽市城區(qū)南18km處，東經(jīng)112°37′30″—112°41′15″，北緯31°58′20″—32°01′15″，圖2為經(jīng)ERDAS IMAMING裁剪后整理區(qū)2005年土地利用TM影像。收集到的基礎數(shù)據(jù)有棗陽市1：10000土地利用現(xiàn)狀圖，項目區(qū)GPS高程點、TM影像以及現(xiàn)場踏勘報告。

以ArcGIS 9.2中ArcMap、ArcSence模塊作為操作平臺，利用3D Analyst工具箱對GPS高程點內(nèi)插生成實驗區(qū)的TIN，并擬合生成等高線，并觀察擬合生成的等高線與原有等高線的重合程度，以判斷DEM的構建精度（圖3）。在此DEM上采集高程點，并查詢高程值，通過散點法計算待平整田塊的設計高程。依據(jù)設計高程對現(xiàn)狀DEM數(shù)據(jù)結(jié)點的高程值進行修改，重建DEM模型后就得到了規(guī)劃設計TIN（圖4）。為避免TIN邊界出現(xiàn)斷裂線，在建立DEM時，首先將DEM趨勢面的建立范圍大于實驗區(qū)邊界，再將實驗區(qū)的邊界線文件轉(zhuǎn)化為面文件進行切割，除去范圍以外的部分。

3.2 整理區(qū)土方量的計算

在ArcMap的3D功能模塊中選擇covert TIN to Raster功能，將規(guī)劃設計TIN與土地利用現(xiàn)狀TIN轉(zhuǎn)化為Grid，并進行相減運算。ArcGIS 9.2空間分析模塊柵格計算器將現(xiàn)狀Grid模型減去規(guī)劃設計后的Grid模型，得到待平整的田塊29塊。

以整理區(qū)的田塊圖斑為基礎，使用Spatial Analyst工具箱中Zonal Statistics工具按照田塊求和得到每個田塊內(nèi)的土方量，而GIS系統(tǒng)將以屬性表的形式，實現(xiàn)田塊編號、土方量等屬性值與圖形的自動連接。整個區(qū)域，需要開挖土方435120.86m3，需要回填土方307809.00m3，其結(jié)果如圖5與表1所示。

表1 實驗區(qū)土方量統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of earthwork quantities in experimental area

3.3 土方資源調(diào)配的實現(xiàn)

將需要開挖的土方抽象為供給點，回填的土方當作需求點，并標注于待平整田塊的重心位置。參照土地整理預算定額中人工裝機運土的定額子目，其運輸單位均控制在500m以內(nèi)，并且以百米為間隔，為實現(xiàn)調(diào)用客土時的直線運距最短，所以選擇500m、300m、200m、100m的調(diào)配距離，其調(diào)配結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過GIS計算后實際得供給點、有效供給點、需求點的個數(shù)等信息在GIS的屬性計算中完成，并給出運算結(jié)果，如表2所示。模式三（圖6）的調(diào)配方案不僅有效供給點最多，而且從直線調(diào)配距離最短的角度來看，200m的運輸路程也相對較短，所以選擇該模式為項目區(qū)土地平整土方調(diào)配方案。

圖6 土方調(diào)配方案圖（模式三）Fig.6 Earthwork distribution scheme（PatternⅢ）

4 結(jié)論與討論

文章通過高程點建立規(guī)劃整理區(qū)的DEM模型，運用地圖代數(shù)柵格相減原理，實現(xiàn)了土方量的計算。將交替式定位—配置模型與農(nóng)地整理土方調(diào)配結(jié)合，以GIS的網(wǎng)絡分析功能，完成了土方的調(diào)配與方案優(yōu)化。需要進一步研究的問題：（1）基礎數(shù)據(jù)的精度是實現(xiàn)土方計算與調(diào)配的基礎，如何便捷、高效檢驗DEM精度是需要進一步完善的內(nèi)容。（2）農(nóng)地整理土方調(diào)配盡量要做到填挖平衡以減少土石方倒運，需要與全場調(diào)配相協(xié)調(diào)，以避免任意填挖破壞全局平衡，但此類協(xié)調(diào)度在GIS中還未體現(xiàn)，只能考慮土方的全場配置，而忽略了內(nèi)部平衡。（3）在土方配置時未考慮車輛運行的實際路線，土方調(diào)配不會簡單地從一個田塊的中心到另一個田塊的中心，未來可以在道路系統(tǒng)網(wǎng)絡中，設置道路結(jié)點，建立農(nóng)地整理區(qū)土方調(diào)運的網(wǎng)絡路線圖，再依據(jù)新的調(diào)配模型完成資源的合理配置。

表2 土方調(diào)配模式表Tab.2 Pattern List of earthwork distribution

（References）：

［1］柳長順，杜麗娟.Arcview在土地整理項目土方量計算中的運用［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2003，3（2）：224-227.

［2］胡振琪，高永光，李江新，等.ERDAS在土地整理土方量計算中的運用［J］.中國土地科學，2006，20（1）：50-54.

［3］魯成樹，吳次芳，汪峰.農(nóng)地整理土方工程量計算及調(diào)配中地理信息系統(tǒng)的應用［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19（6）：289-292.

［4］李志林，朱慶.數(shù)字高程模型［M］.湖北：武漢大學出版社，2003：28-30.

［5］陳家贏.基于虛擬地理環(huán)境三維可視化模型的農(nóng)用地土地整理規(guī)劃設計［D］.武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2007.

［6］黎夏，劉凱.GIS與空間分析——原理與方法［M］.北京：科學技術出版社，2006：68-75.

［7］劉耀林.地理信息系統(tǒng)［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2004：142-143.