GIS 可視化在土地整治中的運(yùn)用研究綜述

李原存

一、引言

土地資源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是不可再生的自然資源。土地的總面積是有限的，同時(shí)，一定區(qū)域內(nèi)不同利用方式的土地也是有限的。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，人口眾多，土地資源分配不平衡，山地、丘陵多，平地較少，后備耕地資源不足且耕地質(zhì)量差。20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)城市化進(jìn)程加快，為了滿足城市發(fā)展用地的需求，大量耕地被征用轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，致使耕地流失嚴(yán)重，給我國(guó)的糧食安全和土地的可持續(xù)利用帶來(lái)了不利的影響。

土地整理能有效地增加耕地面積和提高耕地質(zhì)量，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，成為新時(shí)期協(xié)調(diào)人地關(guān)系，緩解人地矛盾，促進(jìn)土地利用動(dòng)態(tài)平衡的主要措施，受到政府的高度重視。土地整理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，可分為前期研究階段、規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、施工設(shè)計(jì)階段，以及工程施工階段。在整個(gè)過(guò)程中涉及自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等諸多因素，需要多技術(shù)支持。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者對(duì)土地整理及其規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了大量研究，改進(jìn)了傳統(tǒng)的整理方法，促進(jìn)了土地整理體系的建立和完善。

GIS 技術(shù)作為計(jì)算機(jī)空間科學(xué)的一個(gè)分支，在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的背景下也有了突破性的發(fā)展，其強(qiáng)大的空間分析功能，空間插值等功能，在土地評(píng)價(jià)、土地利用規(guī)劃、土地分等定級(jí)等方面得以廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，眾多學(xué)者開(kāi)始研究將GIS 技術(shù)引入到土地整理過(guò)程中，使土地整理在GIS 平臺(tái)上直接進(jìn)行，借助于GIS 技術(shù)的圖形編輯功能和空間分析功能建立虛擬地理環(huán)境可視化模型，使土地平整、農(nóng)田水利、道路、其他土地整理規(guī)劃設(shè)計(jì)直接在可視化模型下進(jìn)行并取得了良好的效果。

可視化技術(shù)作為一門(mén)新興的實(shí)用技術(shù)，由于能直觀、動(dòng)態(tài)、多角度地表達(dá)地學(xué)現(xiàn)象，已在城市設(shè)計(jì)、水土保持、土地監(jiān)督、土地整理等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。它不僅可以應(yīng)用到土地整理的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，還可以應(yīng)用到土地整理潛力評(píng)價(jià)和土地整理效益評(píng)價(jià)當(dāng)中。目前已有一部分學(xué)者研究將可視化技術(shù)運(yùn)用到這兩個(gè)方面并且取得了一些成就。本文是關(guān)于可視化技術(shù)在土地整理運(yùn)用方面成果的總結(jié)。作者希望，本文不僅為讀者提供有關(guān)土地整理可視化研究成果的綜述，讓讀者了解可視化技術(shù)在土地整理過(guò)程中運(yùn)用的方法，還能從中找出可視化技術(shù)在土地整理中運(yùn)用的新方法，拓寬可視化技術(shù)在土地整理中的運(yùn)用方式。

二、國(guó)內(nèi)外研究概況

(一)境外研究現(xiàn)狀概述

土地整理的概念首先出現(xiàn)于德國(guó)巴伐利亞王國(guó)的法律中，德國(guó)、法國(guó)、前蘇聯(lián)、加拿大沿用至今，日本稱(chēng)為土地整治(整備)、臺(tái)灣稱(chēng)為土地重劃。

各國(guó)學(xué)者從不同的角度對(duì)土地整理做出不同的定義，同時(shí)各國(guó)土地整理的任務(wù)與研究?jī)?nèi)容的側(cè)重點(diǎn)也有所區(qū)別。德國(guó)的土地整理工作在19 世紀(jì)主要是將分散、零碎的農(nóng)地集中連片，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和勞動(dòng)條件;20 世紀(jì)90 年代，土地整理趨于綜合化，以自然資源和人文景觀合理規(guī)劃協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)利益與自然保護(hù)和景觀保護(hù)集中于一體。在土地整理可視化技術(shù)方面，由于國(guó)外的GIS 技術(shù)發(fā)展較早，空間分析與圖形編輯功能改進(jìn)較快，德國(guó)在此基礎(chǔ)上以GIS 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)建立了土地整理信息系統(tǒng)，將土地整理各種數(shù)據(jù)、圖件和權(quán)屬狀況等資料存儲(chǔ)于該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土地整理數(shù)據(jù)與圖件的可視化查詢(xún)與編輯、分析等操作。此外，近年來(lái)三維GIS 概念的提出， 使可視化技術(shù)在土地整理中運(yùn)用趨于三維圖形的顯示，土地整理的各種數(shù)據(jù)也可以在三維GIS 技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)3D 分析。

(二)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀概述

我國(guó)是開(kāi)展土地整理最早的國(guó)家之一。我國(guó)殷周時(shí)期的井田制，以及后來(lái)的屯田制，北魏時(shí)期的均田制可以視為土地整理的雛形。國(guó)土資源部將土地整理定義為:按照土地利用總體規(guī)劃與城市規(guī)劃所確定的目標(biāo)和用途，采取行政、經(jīng)濟(jì)、法律、工程技術(shù)手段，對(duì)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行綜合整治、調(diào)整改造，以提高土地利用率，改善生產(chǎn)、生活條件與生態(tài)的過(guò)程。我國(guó)的土地整理工作的開(kāi)展主要集中在農(nóng)地整理，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的土地利用問(wèn)題，改善農(nóng)業(yè)的用地環(huán)境，從而提高農(nóng)業(yè)用地的利用率、產(chǎn)出率，維護(hù)景觀、生態(tài)環(huán)境的平衡。

目前我國(guó)可視化技術(shù)在土地整理的運(yùn)用主要是借助計(jì)算機(jī)輔助制圖(CAD)軟件實(shí)現(xiàn)的，單體設(shè)施施工圖主要是與相關(guān)行業(yè)的專(zhuān)家協(xié)同工作繪制的圖形。預(yù)算則是根據(jù)規(guī)劃和單體設(shè)施工程一起計(jì)算得到的結(jié)果。但是GIS 技術(shù)的成熟與快速發(fā)展及在交通、電力、電信、城市規(guī)劃等方面的成功運(yùn)用，使一些學(xué)者開(kāi)始研究把土地整理建立在GIS 平臺(tái)上實(shí)行操作。其中一部分學(xué)者把土地整理規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)劃成果，通過(guò)GIS 二次開(kāi)發(fā)建立特定的空間信息系統(tǒng)，分圖層、分區(qū)域，形象地顯示地理數(shù)據(jù)，并運(yùn)用空間分析可視化技術(shù)，直觀顯示分析過(guò)程，為土地整理提供了輔助決策。此外，國(guó)內(nèi)的一些先進(jìn)的學(xué)者在接觸到三維GIS 的理念后開(kāi)始研究土地整理的三維可視化，通過(guò)獲取的整理區(qū)的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行3D 分析建立整理區(qū)數(shù)字高程模型，再在此模型上進(jìn)行分析整理操作，最后重建數(shù)字高程模型，顯示整理后的土地利用狀況。這種技術(shù)目前來(lái)說(shuō)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還較少但卻是以后土地整理可視化的發(fā)展方向，并且這種可視化技術(shù)能很好地、直觀地、動(dòng)態(tài)地、真實(shí)地顯示整理后的狀態(tài)，對(duì)土地的整理工作提供了很大的幫助和支持。

三、相關(guān)文獻(xiàn)回顧

當(dāng)前可視化技術(shù)在土地整理中的應(yīng)用總體上可以分為兩個(gè)方面:即土地整理三維可視化和二維可視化顯示。其中三維可視化在土地整理中的應(yīng)用還處于剛剛起步階段。而二維可視化技術(shù)卻已經(jīng)應(yīng)用在了土地整理潛力評(píng)價(jià)、土地整理適宜性評(píng)價(jià)和土地整理規(guī)劃設(shè)計(jì)中，下面就對(duì)以上幾種可視化技術(shù)在土地整理中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)回顧。

(一)土地整理潛力評(píng)價(jià)可視化

這種整理潛力評(píng)價(jià)可視化的大致方法為先把土地整理綜合潛力分為三步進(jìn)行。第一是整理區(qū)景觀改善潛力可視化表達(dá)與分析。運(yùn)用ARCGIS 軟件的疊加分析將核心景觀區(qū)、一般景觀區(qū)、緩沖區(qū)需要整理的耕地進(jìn)行疊加，用遙感影響分析植被指數(shù)，根據(jù)設(shè)定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各區(qū)域耕地進(jìn)行景觀改善評(píng)分。第二是耕地提高潛力可視化表達(dá)與分析。耕地質(zhì)量提高評(píng)分體系根據(jù)實(shí)地調(diào)查的數(shù)據(jù)與預(yù)期理想糧食產(chǎn)量的差值來(lái)評(píng)分。運(yùn)用Field calculate 計(jì)算各村耕地質(zhì)量提高潛力分值，根據(jù)評(píng)分結(jié)果繪制耕地質(zhì)量提高潛力分析圖。第三是耕地面積增加潛力可視化表達(dá)與分析。按照耕地的坡度(＜2度，2 -5度，＞5度)分別選取典型樣區(qū)，調(diào)查耕地中其他農(nóng)用地之和占耕地面積的比例，以及整理后其他農(nóng)用地面積之和占耕地面積之比例，以耕地面積增加比例為依據(jù)設(shè)定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)評(píng)分結(jié)果繪制耕地面積增加潛力分析圖。隨后整理地塊的不同位置，引進(jìn)專(zhuān)家決策意見(jiàn)給各評(píng)價(jià)因子賦予權(quán)值，然后對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行加權(quán)疊加，結(jié)果為土地整理綜合潛力評(píng)分，根據(jù)評(píng)分結(jié)果繪制土地整理綜合潛力分析圖。最后提取整理區(qū)的高程點(diǎn)，運(yùn)用ARCGIS 中ARCTOOL BOX 模塊中的3D 分析功能，建立TIN 生成整理區(qū)DEM，選擇土地利用現(xiàn)狀圖，土地整理規(guī)劃圖遙感影像作為紋理，根據(jù)三維顯示需要設(shè)定顏色。這樣土地整理的綜合潛力就在三維地形圖顯示出來(lái)了。

(二)土地整理適應(yīng)性評(píng)價(jià)可視化

整理適應(yīng)性評(píng)價(jià)化的基本方法是將整理區(qū)的的等高線進(jìn)行柵格化處理，接著利用ARCGIS 對(duì)高程點(diǎn)文件進(jìn)行插值處理，然后用ACTOOL BOX 模塊下的3D 分析對(duì)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)插值過(guò)的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成整理區(qū)的數(shù)字高程模型，這就為土地整理適宜性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。根據(jù)整理區(qū)的現(xiàn)狀，對(duì)整理區(qū)進(jìn)行柵格化處理，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)劃分柵格單元，每個(gè)柵格單元作為土地整理潛力評(píng)價(jià)單元，接下來(lái)根據(jù)整理區(qū)的具體條件確定整理土地的主導(dǎo)制約因素，建立適宜性評(píng)價(jià)因子。對(duì)整理區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)字化，然后對(duì)數(shù)字化的數(shù)據(jù)柵格化，以便于加權(quán)評(píng)價(jià)。在獲得各評(píng)價(jià)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用ARCGIS 軟件根據(jù)評(píng)價(jià)模型對(duì)各評(píng)價(jià)單元進(jìn)行空間疊加運(yùn)算。利用ARCGIS 重分類(lèi)功能將土地整理的適宜性分為基本適宜(＞75)、度適宜(50-75)、臨界適宜(25-50)和不適宜(＜25)，根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)各評(píng)價(jià)單元土地整理適宜等級(jí)，并生成評(píng)價(jià)結(jié)果圖，這樣整理區(qū)內(nèi)不同適宜等級(jí)和不適宜的就可以顯示出來(lái)。

(三)三維可視化在土地整理規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

這種三維可視化的土地整理規(guī)劃設(shè)計(jì)可以模擬出整理規(guī)劃后的地物場(chǎng)景，具有較強(qiáng)的立體感、真實(shí)感。其主要的方法是提取整理區(qū)的高程點(diǎn)，在ARCGIS 的ARCTOOL BOX 模塊下用3D 分析創(chuàng)建TIN 生成整理區(qū)的數(shù)字高程模型，然后按照田、水、路、林、村分類(lèi)進(jìn)行整理規(guī)劃設(shè)計(jì)。在農(nóng)田平整中調(diào)用出已經(jīng)建立好的TIN 文件，以規(guī)劃后每個(gè)田塊的ID 號(hào)作為劃分TIN 文件的單位，從數(shù)字高程模型中讀取待平整田塊的高程值，計(jì)算平均高程作為田塊的理想高程，通過(guò)ID 號(hào)檢索待平整區(qū)域，以設(shè)計(jì)田塊的高程值對(duì)待平整區(qū)域的高程點(diǎn)的屬性值進(jìn)行修改，修改后重建TIN 就得到了農(nóng)田平整后的數(shù)字高程模型。道路與溝渠設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，在ARCTOOL BOX模塊下調(diào)用整理后的道路和溝渠的線數(shù)據(jù)，運(yùn)用空間分析的功能對(duì)線數(shù)據(jù)進(jìn)行加寬使其變?yōu)槊鏀?shù)據(jù)，然后在ARCSCENE中將緩沖區(qū)分析后的道路和溝渠數(shù)據(jù)加載到TIN 表面。這時(shí)要對(duì)道路的基礎(chǔ)高程進(jìn)行選擇，選擇TIN 作為它的基礎(chǔ)高程。然后生成整理后的數(shù)字高程模型，最后調(diào)用三維符號(hào)庫(kù)里的符號(hào)對(duì)重建的數(shù)字高程模型表面上的地物進(jìn)行替換，這樣就形成了整理規(guī)劃后的三維立體景觀圖。

四、結(jié)論

上述的三部文獻(xiàn)都建立了整理區(qū)的數(shù)字高程模型，很好地模擬出了整理區(qū)的地形狀態(tài)，為項(xiàng)目的進(jìn)行提供了可靠的依據(jù)。在第一部文獻(xiàn)中，作者將可視化的技術(shù)引入到了土地整理潛力評(píng)價(jià)當(dāng)中，不僅實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)過(guò)程的可視化，還實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)結(jié)果的可視化，不僅實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)結(jié)果的二維可視化，還實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)結(jié)果的三維可視化，這種設(shè)計(jì)方式很好地直觀地顯示了整理區(qū)內(nèi)整理潛力的高低，對(duì)整理工作具有重要的指導(dǎo)意義。在第二部文獻(xiàn)中，作者將整理區(qū)的三維平面圖形進(jìn)行柵格化的處理劃分成評(píng)價(jià)單元，并且通過(guò)實(shí)地調(diào)查選取了影響項(xiàng)目區(qū)整理工作的限制因素和主要的評(píng)價(jià)因子，并且通過(guò)評(píng)價(jià)模型對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分析，得出了每個(gè)評(píng)價(jià)單元的適宜程度，而且通過(guò)二維圖形顯示出來(lái)，這種方法很好地將整理區(qū)的適宜程度展現(xiàn)在二維平面圖上，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的三維可視化。因此，三維可視化技術(shù)在土地整理適宜性中的應(yīng)用是這方面的研究方向。上述的第三個(gè)文獻(xiàn)中作者打破了傳統(tǒng)的利用CAD 進(jìn)行整理設(shè)計(jì)，而是運(yùn)用ARCGIS 建立整理區(qū)的數(shù)字高程模型，在模型中進(jìn)行整理設(shè)計(jì)。特別是在田塊整理過(guò)程中打破了傳統(tǒng)的只能設(shè)計(jì)田塊形狀的束縛，在數(shù)字高程模型下進(jìn)行田塊的整理不僅可以整理其形狀還可以進(jìn)行田塊平整，并將結(jié)果以三維圖形的形式顯示出來(lái)，直觀動(dòng)態(tài)地看到整理后的田塊的形狀和高度。此外，對(duì)于道路溝渠的設(shè)計(jì)，通過(guò)空間分析將其轉(zhuǎn)換成了面狀文件并加載到數(shù)字高程模型中，打破了傳統(tǒng)中只能用線文件表示溝渠和道路的束縛，在數(shù)字高程模型中很真實(shí)地模擬出了道路的路面狀況。這些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)都是值得我們學(xué)習(xí)的地方。數(shù)字高程模型的建立可以很直觀、動(dòng)態(tài)地模擬出項(xiàng)目區(qū)的地形起伏狀況，為整理工作提供了可靠的依據(jù)，上述的三篇文獻(xiàn)中也都在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)構(gòu)建了數(shù)字高程模型，可見(jiàn)三維可視化技術(shù)在土地整理方面的應(yīng)用是今后此方面的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

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