榮燕美

（太原市國(guó)土資源勘測(cè)有限公司，山西 太原 030002）

0.引言

人類社會(huì)為了技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)土地進(jìn)行常年的有規(guī)律的周期性的種植、養(yǎng)殖、開發(fā)等工作，稱為土地利用[1]。通過科學(xué)合理地規(guī)劃和利用，能夠發(fā)揮土地的最大價(jià)值。一方面，受到自然環(huán)境的影響；另一方面，受到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步共同的作用，土地的合理利用必須與科學(xué)的社會(huì)生產(chǎn)方式相適應(yīng)[2]。

土地利用規(guī)劃是根據(jù)土地自然屬性，為達(dá)到一定的目標(biāo)，以一定的手段，對(duì)土地用途進(jìn)行方向性指導(dǎo)的工作。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，和社會(huì)生產(chǎn)需求的日益增長(zhǎng)，規(guī)劃好人與地的關(guān)系已經(jīng)成為現(xiàn)階段發(fā)展面臨的重要議題。

為了解決實(shí)際工作中的一些常見問題，我們嘗試使用一種地理信息系統(tǒng)技術(shù)上的空間分析[3]手段，通過基于DEM數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，研究出對(duì)農(nóng)村地區(qū)的土地利用規(guī)劃進(jìn)行簡(jiǎn)單分析的方法。

1.DEM理論概述

數(shù)字地形模型（DTM）是地球表面形態(tài)的空間和屬性的建模后的數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式，是涵蓋位置特征和屬性信息的數(shù)字表達(dá)[4]。數(shù)字高程模型（DEM）是DTM中最基本的部分，是地表信息的數(shù)字化表現(xiàn)方式。

20世紀(jì)50年代，美國(guó)科學(xué)家Chaires L Miller先生基于高速公路路網(wǎng)的設(shè)計(jì)而創(chuàng)建出了數(shù)字高程模型的概念也就是“DEM”，這種模型是為了解決地球表面形態(tài)的立體表達(dá)[4]。DEM是地表信息的數(shù)字化表現(xiàn)方式，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的各類空間分析與數(shù)學(xué)運(yùn)算，已經(jīng)將DEM的各種分析成果在各行各業(yè)中推廣應(yīng)用。

2.空間分析

空間分析能力是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于其他應(yīng)用系統(tǒng)最根本的特征，也是最主要的專業(yè)能力[5]?？臻g分析基于各類數(shù)據(jù)的空間關(guān)系而進(jìn)行的運(yùn)算分析，它可以清楚地描繪出目標(biāo)地物對(duì)象是什么、在哪里、怎么樣等最基本的問題，但并不能表現(xiàn)出為什么存在的原因。空間分析需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目臻g模型，其首要完成的是對(duì)空間構(gòu)成進(jìn)行數(shù)學(xué)化的描述和建模，實(shí)現(xiàn)空間的認(rèn)知。之后對(duì)其發(fā)展過程進(jìn)行模擬和預(yù)演，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)劃和調(diào)控。

空間分析是一種涵蓋多學(xué)科交叉關(guān)聯(lián)影響相互作用的學(xué)說，它包含了地理學(xué)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)、地球大氣學(xué)、地球物理學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)等等多種專門的學(xué)科為空間分析的各種顯現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)。

3.DEM空間分析提取的相關(guān)研究

地形因素是影響自然環(huán)境、水體地質(zhì)、地形地貌、動(dòng)植物分布等的重要原因，地形的空間分布特征一直是用來表達(dá)地球空間變化過程的顯著理論基礎(chǔ)。DEM是離散的高程模型數(shù)據(jù)，通過各種空間分析算法，就可以在DEM上開展各種定量和定性的分析。

DEM上的地形情況分析指的是直接或間接應(yīng)用DEM，對(duì)地形環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知化建模。以復(fù)雜程度所區(qū)分，分析方式有兩種（:1）基本地形分析。比如，高程坡度坡向采集等；（2）高級(jí)空間分析。例如，特征提取、變化推演等。

4.現(xiàn)階段土地利用特點(diǎn)

現(xiàn)階段土地的利用具備以下這些特點(diǎn)[1]：類型多、分布不均衡、人均量少、方式粗放。中國(guó)的土地利用各項(xiàng)指數(shù)均高于世界平均水平，但實(shí)際產(chǎn)出率很低，這說明我們國(guó)家的土地開發(fā)前景廣闊。

5.DEM土地現(xiàn)狀分析

5.1 基礎(chǔ)地形分析

DEM是地表起伏情況地表示數(shù)據(jù)，從中能夠抽樣提取出各種數(shù)學(xué)特征參數(shù)。利用空間分析DEM提取參數(shù)的坡度模型能夠作為土地利用規(guī)劃的參考。一般來說，平坦地區(qū)的坡度要有不小于0.3°的區(qū)域，這樣地表水的聚集和排出十分有利，從工程建設(shè)的立場(chǎng)為基礎(chǔ)，可以依據(jù)有利于城市開發(fā)的方便程度，將城市用地劃分為幾種不同的類型：一類用地類型是有利于建設(shè)的土地，有10°以下的坡度；二類用地類型是稍微差一些但是還是可以開發(fā)的土地，存在10～20°的坡度也是允許的；三類用地類型是沒有辦法建設(shè)的土地，存在大于20°的坡度。嚴(yán)格地來講，以上結(jié)論是從純理論的角度，對(duì)土地的適宜性進(jìn)行分類，在現(xiàn)實(shí)工作生產(chǎn)當(dāng)中，有更多更不可控的要素影響土地利用的情況，要考慮更多更全面的影響因子。除此之外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村建房、修建道路等工作都對(duì)坡度范圍都有一定的要求，農(nóng)村地區(qū)土地利用規(guī)劃對(duì)坡度區(qū)間劃分有很明顯的區(qū)分,可以說坡度是農(nóng)村土地利用的一個(gè)重要影響因素。

DEM分析可用于研究自然環(huán)境恢復(fù)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的規(guī)劃。如果在山區(qū)進(jìn)行土地利用規(guī)劃，就要首先考慮地球地形環(huán)境下的三要素，也就是高程、坡度和坡向的影響，因?yàn)榈匦稳啬軌驅(qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)三要素，即光、水、熱三個(gè)基本環(huán)境要素的獲取、貯藏、流動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。比如，高程能夠反映某一地區(qū)接受太陽(yáng)光照所能吸收到的能量，光照也同時(shí)帶來熱輻射，繼而會(huì)引起溫度和水環(huán)境的條件變化，是組成當(dāng)?shù)匦夂虻氖滓绊懸蛩?；區(qū)域的降水，以及降水后水流的走向就與坡向有了聯(lián)系；坡向與坡度相結(jié)合的環(huán)境不同，影響了水土流失的情況。坡度小，土地保留水的可能性大，容易聚集水源，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活工作。如果坡度大，只能考慮植樹造林為首的土地利用規(guī)劃，用來改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件。DEM所體現(xiàn)的地表情況，能夠直觀地反映出當(dāng)?shù)氐耐恋剡m合做什么，能夠做什么，不能做什么，是土地利用規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。

5.2 坡度對(duì)土地利用的影響

土地利用評(píng)價(jià)基本上能夠劃分成三種：

（1）一類用地。即適于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活的用地。坡度在土地基本標(biāo)準(zhǔn)的10%以下，土地承載能力大于每平方米15噸，地下水位在標(biāo)準(zhǔn)之下，一般為深度大于2米，沒有各種地質(zhì)災(zāi)害影響因素（如，沼澤、沖溝、滑坡、崩塌等）。若土壤等因素允許，可適宜農(nóng)業(yè)耕作等；

（2）二類用地。即部分可以適于人類生產(chǎn)、生活的用地。介于一類與三類用地之間；土地力學(xué)載重能力每平方米在10～15噸之間，地形坡度為10%－25%之間，地下水深度大于1米小于2米。人類若想利用上這類土地，會(huì)有部分地限制；

（3）三類用地。不適于生產(chǎn)生活的土地，土地力學(xué)承受能力每平方米小于10噸，土質(zhì)中有大量的泥炭層或者流沙層。坡度大于25%，有洪水沖擊隱患，地下水深小于1米或者無有效地下水，有地質(zhì)災(zāi)害隱患等。

因此，可通過一個(gè)地區(qū)DEM的建立，利用坡度圖對(duì)該地區(qū)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。若該地區(qū)已建設(shè)，則可通過坡度圖簡(jiǎn)單分析其建設(shè)是否合理。例如，若發(fā)現(xiàn)該地區(qū)坡度大于25%的一部分地段還有大量耕地，則不合理，建議退耕還林。若該地區(qū)準(zhǔn)備建設(shè)，也可通過坡度圖給出一些初步地建議。

5.3 高程對(duì)土地利用的影響

高程對(duì)自然環(huán)境最直觀地影響就是溫度，海拔越高，氣溫越低。在高程變化比較明顯的山區(qū)，就能直觀地看出，海拔越高，耐寒植物越多，農(nóng)作物越難生長(zhǎng)，闊葉林越少，針葉林越多，到一定高度，一般農(nóng)作物就難以存活。總的來說，就是高程影響植物的垂直分布，隨著高程值增加，耕地面積比例將逐漸減小，林地等面積比例將逐漸增大。

5.4 坡向?qū)ν恋乩玫挠绊?/h3>

坡向影響水流方向、背風(fēng)或迎風(fēng)、耕地灌溉、陽(yáng)光照射等，一般來說，經(jīng)過改造的農(nóng)田或建設(shè)用地并不會(huì)受坡向的太大影響，但是坡向過于特殊會(huì)增加土地利用的改造難度，這樣來看，越有利的坡向還是越有助于土地的良性運(yùn)用。耕地的走向應(yīng)和所處位置坡向一直，這樣利于灌溉和排水。

6.利用DEM進(jìn)行土地利用規(guī)劃分析

6.1 DEM生成坡度坡向圖

在本項(xiàng)目中，我們使用ESRI公司的ArcGIS系列軟件對(duì)DEM進(jìn)行空間分析。首先，在ArcMap軟件中打開研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)（如圖1所示）：

圖1 研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)

生成坡度圖：在ArcToolBox中選擇3D Analyst功能，之后點(diǎn)擊表面分析功能，再點(diǎn)擊Slope，根據(jù)功能向?qū)崾军c(diǎn)擊OK，生成的坡度圖（如圖2所示）：

圖2 研究區(qū)坡度圖

生成坡向圖：在ArcToolBox中選擇3D分析功能，然后選擇地表分析模塊，再點(diǎn)擊Aspect，點(diǎn)擊OK，生成的坡向圖（如圖3所示）：

圖3 研究區(qū)坡向圖

6.2 土地利用分析

在DEM模型上劃分1和2兩個(gè)區(qū)域（如圖4所示），除1、2淺色連接區(qū)域外，其他區(qū)域高低起伏變化較大，只有1、2區(qū)域比較平整。由此可見1、2區(qū)域適宜人類的生活和生產(chǎn)，即1、2白色連接區(qū)域可以直接土地利用，或建筑房屋，或種植耕地等。

圖4 DEM分區(qū)

在坡度圖上劃分4個(gè)區(qū)域（如圖5所示），1、2區(qū)域?yàn)槠露刃∮?0%的區(qū)域。在其他區(qū)域中，雖然也有坡度小于10%的地方，然而面積不大，且周圍坡度不斷變化，局限性很大。1、2區(qū)域之間淺綠色的3區(qū)域坡度略有加大，但在簡(jiǎn)單的土地整治之后還可以間接利用，為有條件的可利用土地。圖5中區(qū)域4的坡度較大，不適宜以生產(chǎn)生活用途來利用，可用于種植林木等。

圖5 坡度分區(qū)圖

6.3 分析結(jié)果驗(yàn)證

獲取當(dāng)?shù)?∶2000比例尺地形圖，截取試驗(yàn)區(qū)中的一部分（如圖6所示）：

圖6 部分區(qū)域地形圖

按照地形圖范圍截取部分坡度圖，利用ArcGIS的空間分析功能，在地形圖中標(biāo)出坡度大于25%的區(qū)域用白色色塊顯示（如圖7所示）：

把圖7坡度大于25%的白色區(qū)域設(shè)置為顯眼的紅色，將其疊加在地形圖上進(jìn)行進(jìn)一步地分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的房屋建筑、耕地等均在非紅色區(qū)域（如圖8所示）。這就說明在坡度大于25%的紅色區(qū)域，在實(shí)際生活中確實(shí)難以利用為建筑用地或耕地。

圖7 坡度大于25%的區(qū)域

圖8 在地形圖上驗(yàn)證

7.結(jié)束語(yǔ)

本文利用GIS空間分析手段，在某區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)為基底生成坡度圖，以此為基礎(chǔ)對(duì)該區(qū)域的農(nóng)村地區(qū)土地利用規(guī)劃及現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。經(jīng)過分析我們可以得出坡度小于10%的地方，適宜于建筑用地和耕地；坡度介于10%與25%之間，為受限制利用土地；坡度大于25%的地方，并不適宜于建筑用地和耕地。利用DEM進(jìn)行的空間分析可以簡(jiǎn)單地得出一個(gè)地區(qū)的建筑用地和耕地等方面是否合理，并以此結(jié)果給出一些初步的土地利用建議。

本文討論的只是DEM在土地利用中淺顯的初步分析與應(yīng)用。在今后的研究中，我們可以嘗試結(jié)合一些氣象、土壤、災(zāi)害等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步地研究開展氣候、土壤、地質(zhì)災(zāi)害、地形地貌和水文等專業(yè)分析。