高精度DEM數(shù)據(jù)支持下的田坎系數(shù)測算方法研究與典型應(yīng)用

徐娜 程偉亞 張登磊 李少朋 周揚 皮景花

摘要： 本文基于山東省基礎(chǔ)測繪最新的高精度DEM、坡度圖、第三次國土調(diào)查0.5m數(shù)字正射影像及第二次土地調(diào)查田坎系數(shù)測算資料，重新選取樣方測算了山東省的田坎系數(shù)。結(jié)果表明：耕地田坎系數(shù)與耕地類型、地貌類型之間存在一定規(guī)律性，魯東丘陵區(qū)和魯中南山區(qū)同坡度級坡地田坎系數(shù)均高于梯田田坎系數(shù)，魯東丘陵區(qū)梯田和坡地的田坎系數(shù)均高于魯中南山區(qū)的田坎系數(shù)。較第二次土地調(diào)查田坎系數(shù)、第三次國土調(diào)查田坎系數(shù)總體呈下降的趨勢。根據(jù)第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，山東省田坎面積約占耕地總面積的3.5%，依然有較大的挖潛潛力。研究結(jié)果可為國土調(diào)查、耕地保護、糧食面積估算等工作提供重要參考。

關(guān)鍵詞： 耕地；田坎系數(shù)；DEM；測算方法；國土調(diào)查

中圖分類號： ?TE822.01 ?????文獻標(biāo)識碼： ?A ???doi：10.12128/j.issn.1672 ?6979.2023.04.010

引文格式： 徐娜，程偉亞，張登磊，等.高精度DEM數(shù)據(jù)支持下的田坎系數(shù)測算方法研究與典型應(yīng)用［J］.山東國土資源，2023，39（4）：64 ?69. XU Na， CHENG Weiya， ZHANG Denglei， et al. Study and Typical Application of the Calculation Method of the Field Ridge Coefficient Supported by High ?precision DEM［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：64 ?69.

0 引言

耕地尤其是永久基本農(nóng)田是保障糧食安全的重要基礎(chǔ)［2 ?4］。然而，在快速化城鎮(zhèn)化進程中，耕地面積減少，違規(guī)占用耕地資源變得多樣化和復(fù)雜化，耕地“非糧化”“非農(nóng)化”問題日益突出，威脅著國家耕地資源及糧食安全［5 ?7］。田坎系數(shù)即耕地中田坎占耕地地塊面積的比重［8 ?10］，耕地地塊面積按照田坎系數(shù)扣除田坎面積之后能得到相對準確的耕地實面積［11 ?12］。山東省作為冬小麥的主產(chǎn)區(qū)之一，是全國重要的糧食生產(chǎn)基地。因此，準確測算山東省田坎系數(shù)是全面查清耕地凈面積的重要手段，也是第三次國土調(diào)查中必不可少的一項重要工作，對山東省糧食安全及耕地保護具有重要意義。

之前學(xué)者們主要是從測算方法［13 ?15］、分布特征［16］、影響因素［17］等進行研究。綜合來看，這些研究使用的大都是第二次土地調(diào)查的數(shù)據(jù)，距今已超過十年，期間國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平穩(wěn)步提高，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整量大，土地利用類型發(fā)生了很大的變化，原有的田坎系數(shù)已不再適用現(xiàn)狀。隨著基礎(chǔ)測繪的不斷發(fā)展，DEM數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于礦產(chǎn)調(diào)查［18］、影像處理［19］、動態(tài)監(jiān)測［20］等方面，部分學(xué)者也利用DEM實現(xiàn)了對田坎的提取［21 ?23］，但主要側(cè)重于地形單一的局部區(qū)域，缺乏省域?qū)用娴木唧w應(yīng)用。本文基于高精度DEM數(shù)據(jù)，從省級層面對測算田坎系數(shù)的方法進行研究，可為國土調(diào)查、耕地保護及農(nóng)作物種植面積監(jiān)測等工作提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

山東省陸域面積15.58萬km2，位于華北平原東部，屬黃河下游，臨黃海和渤海。境內(nèi)西南、西北平坦，中部山地突起，東部緩丘起伏，形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯環(huán)列其間的地形格局；地貌復(fù)雜，包括平原、臺地、丘陵、山地等基本地貌類型。山東省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值連續(xù)多年全國第一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)源包括遙感影像、DEM和坡度圖等。其中，覆蓋全省范圍的數(shù)字正射影像分辨率為0.5m，時相為2018年；DEM數(shù)據(jù)是“十二五”“十三五”期間山東省基礎(chǔ)測繪基于機載LiDAR點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)，2m格網(wǎng)，作為測算坡度圖的數(shù)據(jù)源；坡度圖數(shù)據(jù)作為參照資料確定耕地坡度級。

2 研究方法

將坡度圖與遙感影像、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫進行疊加分析，根據(jù)山東省地貌類型進行分區(qū)，按照耕地類型、耕地坡度分級對大于2°的耕地進行分組，內(nèi)業(yè)選取樣方、繪制田坎，外業(yè)量取田坎寬度，按照《第三次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》要求，計算田坎系數(shù)，生成山東省田坎系數(shù)成果（圖1）。

2.1 田坎系數(shù)測算分區(qū)

根據(jù)山東省地貌類型、耕地主要利用特點及土地利用分區(qū)情況，結(jié)合《山東省土地整治規(guī)劃》、《山東省自然資源圖集》中所述土地綜合分區(qū)情況，將山東省田坎系數(shù)測算分為3個區(qū)：魯西北平原區(qū)、魯中南山區(qū)和魯東丘陵區(qū)。其中魯西北平原區(qū)主要為平原，坡度級在2級以上的耕地數(shù)量少且分布零散，占平原區(qū)耕地面積比例較小，代表性不明顯，因此不在此分區(qū)進行田坎系數(shù)測算，樣方選擇集中在魯東丘陵區(qū)和魯中南山區(qū)。

2.2 田坎系數(shù)測算分組

在每個分區(qū)內(nèi)依據(jù)耕地坡度等級及耕地類型進行分組。第三次全國國土調(diào)查將耕地分為5個坡度級，坡度≤2°的為平地，其他分為梯田和坡地，采用系數(shù)扣除方法進行調(diào)查。根據(jù)耕地所在的地面坡度，坡度級≤2°的為Ⅰ級，2°＜Ⅱ級≤6°，6°＜Ⅲ級≤15°，15°＜Ⅳ級≤25°，Ⅴ級＞25°。除Ⅰ級外，每個坡度級耕地又分為梯田和坡耕地［24］。其中耕地坡度級根據(jù)山東省最新2m格網(wǎng)DEM制作的坡度圖獲取，耕地類型由外業(yè)調(diào)查確定。

2.3 樣方選擇

（1）樣方的面積應(yīng)大于0.4hm2。

（2）每個類型分組的有效樣方數(shù)量不少于30個，同一縣級行政單位內(nèi)同坡度級、同耕地類型組樣方數(shù)量相對均衡。

（3）一般應(yīng)以整個耕地圖斑作為樣方范圍，樣方內(nèi)部的地形、地貌、局域的地形條件一致；實地有明顯線狀地物的面積較大的圖斑，以此線狀地物分割成較小的圖斑。

（4）樣方應(yīng)能代表當(dāng)?shù)仄赂氐钠毡樘攸c，在測算區(qū)內(nèi)分散分布。

（5）已經(jīng)退耕還林，或長年不耕作的土地不能作為樣方。

（6）分析第二次土地調(diào)查田坎系數(shù)測算樣方，原則上未發(fā)生變化樣方耕地類型應(yīng)沿用第二次土地調(diào)查類型，確與實地不符的進行調(diào)整。

山東省在田坎系數(shù)測算分區(qū)分組的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的坡度分級圖和第三次國土調(diào)查遙感影像，在山地、丘陵區(qū)選擇11個市的43個縣（市、區(qū)）布設(shè)138兩個樣方，經(jīng)外業(yè)測量和整理，篩選出820個有效樣方。魯中南山區(qū)473個，其中坡地樣方175個，梯田樣方298個；魯東丘陵區(qū)347個，其中坡地樣方172個，梯田樣方175個，樣方個數(shù)滿足規(guī)程中每個分組不少于30個樣方的要求。由于沒有找到足夠數(shù)量符合要求的大于25°坡耕地樣方，所以沒有測算大于25°坡耕地的田坎系數(shù)（表1，圖2）。

2.4 測算方法

山東省田坎系數(shù)采取內(nèi)業(yè)采集、外業(yè)實地測量的方法進行測算。根據(jù)第三次國土調(diào)查的0.5m高分辨率正射影像，使用ArcGIS軟件內(nèi)業(yè)量取樣方內(nèi)田坎的長度；外業(yè)使用RTK進行田坎寬度的測量，寬度量取水平距離，每條田坎測量三組數(shù)據(jù)，求取平均寬度，測量精確至0.1m，當(dāng)田坎寬度不等時，分成若干分段進行量取，取平均值。

2.5 田坎系數(shù)的計算

計算每一個樣方的田坎系數(shù)，計算公式：樣方田坎系數(shù)=田坎面積合計/（樣方面積 ?其他線狀地物面積合計）×100％［24］。

根據(jù)《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》要求，同組內(nèi)樣方田坎系數(shù)應(yīng)滿足“最大值不超過最小值的30%”。根據(jù)正態(tài)分布模型原理，分析田坎系數(shù)測算實際情況，逐個剔除不具有代表性的樣方［24］。一組內(nèi)符合要求的樣方個數(shù)大于30時，計算平均田坎系數(shù)，平均田坎系數(shù)=同一坡度樣方田坎系數(shù)之和/同一坡度樣方數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡地和梯田田坎系數(shù)對比分析

從魯中南山區(qū)和魯東丘陵區(qū)的坡地和梯田平均田坎系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果來看，兩個分區(qū)的同坡度級坡地田坎系數(shù)均高于梯田田坎系數(shù)；不同坡度級中，坡地和梯田的田坎系數(shù)差異基本一致。魯中南山區(qū)2級坡地和梯田的田坎系數(shù)差值為0.013，3級坡地和梯田的田坎系數(shù)差值為0.017，4級坡地和梯田的田坎系數(shù)差值為0.029。魯東丘陵區(qū)2級坡地和梯田的田坎系數(shù)差值為0.015，3級坡地和梯田的田坎系數(shù)差值為0.017，4級坡地和梯田的田坎系數(shù)差值為0.018（圖3、圖4）。

對魯中南山區(qū)的梯田和魯東丘陵區(qū)的梯田、魯中南山區(qū)的坡地和魯東丘陵區(qū)的坡地分別進行折線圖疊加比較，結(jié)果顯示，魯東丘陵區(qū)相同坡度級梯田和坡地的田坎系數(shù)均高于魯中南山區(qū)的田坎系數(shù)。兩分區(qū)田坎系數(shù)的差異有多方面的原因，不同的地質(zhì)構(gòu)造、降水量、土壤類型、耕地排水條件、農(nóng)業(yè)限制性因素、土地開發(fā)整理工程的實施等均對田坎系數(shù)有一定的影響（圖5、圖6）。

3.2 耕地田坎分布地理特征

山東省耕地以水澆地和旱地為主，2°以下的耕地約占全省耕地總面積的82.5%，主要分布在魯西北平原區(qū)；2°～6°的耕地約占全省耕地總面積的10.3%，其中梯田約占63.3%，坡地約占36.7%，主要分布在臨沂、煙臺、威海等丘陵山地區(qū)；6°～15°的耕地約占全省耕地總面積的6.5%，其中梯田約占66.7%，坡地約占33.3%，分布在臨沂市、煙臺市、日照市等地；15°以上的耕地僅約占全省耕地總面積的0.7%，其中梯田約占64.1%，坡地約占35.9%，主要集中在沂水縣、臨朐縣等魯中山區(qū)。

3.3 兩次調(diào)查田坎系數(shù)對比分析

山東省第二次土地調(diào)查測算田坎系數(shù)時未進行分區(qū)，全省采用統(tǒng)一的平均田坎系數(shù)。通過與第二次土地調(diào)查田坎系數(shù)對比分析，第三次國土調(diào)查田坎系數(shù)總體呈下降的趨勢。第三次國土調(diào)查中魯中南山區(qū)2級坡地田坎系數(shù)降幅約為25.4%；3級坡地田坎系數(shù)降幅約為27.8%；4級坡地田坎系數(shù)降幅約為17.2%。魯中南山區(qū)2級梯田田坎系數(shù)減少率約為16.2%；3級梯田田坎系數(shù)減少率約為21.1%；4級梯田田坎系數(shù)減少率約為8%；5級梯田田坎系數(shù)減少率約為2.9%。與魯中南山區(qū)減少趨勢相同，魯東丘陵區(qū)坡地中降幅最大的是3級田坎，降幅約為20.5%；其次是2級田坎，降幅約為18.6%；4級田坎，降幅約為14.7%。魯東丘陵區(qū)2級梯田田坎系數(shù)減少率約為9.2%；3級梯田田坎系數(shù)減少率約為12.4%；4級梯田田坎系數(shù)減少率約為1.5%；5級梯田田坎系數(shù)減少率約為0.3%?？傮w來看，3級田坎系數(shù)降幅最大，魯中南山區(qū)坡地梯田和魯東丘陵區(qū)坡地降幅均超過20%；其次是2級田坎系數(shù)，兩個分區(qū)內(nèi)降幅基本超過10%。

利用2017年度變更調(diào)查耕地成果對兩輪田坎系數(shù)進行了測算，結(jié)果表明，利用第三次國土調(diào)查田坎系數(shù)重新測算，全省耕地面積增加，增幅約為1.3%。2010年以來，隨著山東省土地整理項目的實施，田坎的長度和寬度降低，土地質(zhì)量和利用效率有所提高，增加了有效耕地面積，在一定程度上對耕地的田坎系數(shù)產(chǎn)生了影響。山東省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)民對土地的利用非常重視，自主的土地整理也提高了耕地的土地利用率。坡度圖制作方式的變化，對田坎系數(shù)的測算也有一定的影響。

4 結(jié)論

（1）耕地田坎系數(shù)與耕地類型、地貌類型存在一定規(guī)律性。魯中南山區(qū)和魯東丘陵區(qū)同坡度級坡地田坎系數(shù)均高于梯田田坎系數(shù)；不同坡度級中，坡地和梯田的田坎系數(shù)差異基本一致。魯東丘陵區(qū)相同坡度級梯田和坡地的田坎系數(shù)均高于魯中南山區(qū)的田坎系數(shù)。

（2）通過與第二次土地調(diào)查田坎系數(shù)對比分析，第三次國土調(diào)查田坎系數(shù)總體呈下降的趨勢。這與近年來山東省土地整理項目的實施、農(nóng)民自主土地整理及坡度圖制作方式的變化密切相關(guān)。

（3）根據(jù)第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，山東省田坎面積約占耕地總面積的3.5%，依然有較大的挖潛潛力。從目前的利用情況看，平原、丘陵的田坎利用率較高，而山區(qū)尤其是坡地田坎受地理位置及氣候條件的限制，利用率較低。

5 建議

（1）建議平原區(qū)耕地不進行田坎系數(shù)扣除。針對魯西北平原區(qū)存在少量坡度大于2°的耕地圖斑，調(diào)查發(fā)現(xiàn)實地為公路、鐵路、河道、水工建筑、干渠等周邊的緩坡，這些耕地本身并不存在坡度，進行田坎系數(shù)扣除并不合理。

（2）建議對不同地區(qū)不同坡度等級的耕地采取不同的用地政策?；巨r(nóng)田補劃時，優(yōu)先補劃坡度3級以下的一般農(nóng)田；基本農(nóng)田調(diào)整為一般農(nóng)田時，優(yōu)先調(diào)整坡度4級以上的基本農(nóng)田；坡度5級耕地應(yīng)予以逐步退耕，保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

（3）建議下一步加大山區(qū)耕地土地整理項目的實施，充分利用田坎，提高土地生產(chǎn)力和土地利用率，促進糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，緩和人地矛盾。

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Study and Typical Application of the Calculation Method of ???the Field Ridge Coefficient Supported by High ?precision DEM

XU Na1， CHENG Weiya2，ZHANG Denglei2，LI Shaopeng3，ZHOU Yang4，PI Jinghua5

（1.Shandong Institute of Territorial Spatial Data and Remote Sensing， Shandong Ji'nan 250000， China; 2. Shandong Territorial Spatial Planning Institute， Shandong Ji'nan 250000， China; 3. Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250000， China; 4. Ji'nan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute， Shandong Ji'nan 250000， China;5. Shandong Geological Surveying and Mapping Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstract： ??Based on the latest high ?precision DEM， slope map， 0.5m digital orthophoto image of the third land survey and the measurement data of ridge coefficient in the second land survey of Shandong province， through re ?selecting samples， the ridge coefficient in Shandong province has been measured. It is showed that there is a certain regularity between the ridge coefficient of cultivated land and the types of cultivated land and landforms. The ridge coefficient of slopes with the same slope grade in the hilly region of eastern Shandong and the mountainous region of central and southern Shandong province is higher than that of terraced fields， and the ridge coefficient of terraced fields and slopes in the hilly region of eastern Shandong province is higher than that in the mountainous region of central and southern Shandong. Comparing with the ridge coefficient of the second land survey， the ridge coefficient of the third land survey generally shows a downward trend. According to the statistics of the third national land survey， the farmland area in Shandong province accounts for about 3.5% of the total cultivated land area. It still has great potential. It can provide important references for land survey， farmland protection and grain area estimation.

Key words： ?Cultivated land; field ridge coefficient; DEM; calculation method; land survey