基于GIS的土地区域整理项目规划辅助系统设计

杜律 李松

摘  要： 为提高土地区域整理项目规划效果图、空间区域规划质量和显示效果，设计基于GIS的土地区域整理项目规划辅助系统，其主要包括预操作子系统、规划布局子系统、单体工程子系统以及工程量汇总输出子系统。该系统通过图层管理功能收集地理信息，利用三维浏览和场景效果功能，对指定坐标快速定位并快速绘制土地区域整理项目规划场景图，通过土地规划功能对土地环境进行三维信息标注以及叠加展现。规划布局子系统通过土地利用布局优化模块，采用GIS技术优化布局土地空间，使用人口发展及土地需求预测模块预测人口增长数量和土地需求量，得到土地使用发展趋势。实验结果表明，该系统获取的土地区域整理项目规划效果图布局紧凑合理，俯瞰图轮廓明显，辅助效果佳。

关键词： 土地区域整理; 项目规划; 辅助系统; GIS; 布局优化; 预测分析

中图分类号： TN911?34; F301                         文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）20?0107?05

Design of GIS?based planning auxiliary system For land area arrangement project

DU Lü1， LI Song2

（1. College of Urban and Rural Planning and Architectural Engineering， Guiyang University， Guiyang 550002， China;

2. Institute of Resources， Environment and Disasters， Guizhou Normal University， Guiyang 550018， China）

Abstract： A GIS?based planning auxiliary system for land area arrangement project is designed to improve the quality and display effect of the effect picture of land area arrangement project planning and spatial area planning. It mainly includes pre?operation subsystem， planning layout subsystem， single project subsystem and output subsystem of project volumes summary. The system collects geographic information by its map management function. The designated coordinates is quickly located to quickly draw the land area arrangement project planning scene map by using 3D browsing and scene effect functions. The three?dimensional information labeling and overlapping display of land environment are carried out by using the land planning function. The GIS technology is used in the planning and layout subsystem to optimize the layout of land space by utilizing the land use layout optimization module. The population development and land demand forecasting module is used to predict the number of population growth and land demand to obtain the development trend of land use. The experimental results show that the layout of the land area arrangement project planning effect map obtained by this system is compact and reasonable， the outline of the overlook map is obvious， and the auxiliary effect is well.

Keywords： land area arrangement; project planning; auxiliary systems; GIS; layout optimization; predictive parsing

0  引  言

土地区域整理项目规划是对整体土地项目规划进一步填缺与分析的过程。该规划可用于扩大耕种面积、提高耕种质量、改善环境以及土地资源合理利用等[1]。土地区域整理项目规划编制、审批以及实施需要以相关图件等数据为基础，需分析计算土地的发展潜力并且绘制图件。以往运用手工操作完成土地规划项目管理、监督、规划绘图、数据存档等土地区域整理项目规划工作[2]，已经无法满足我国科技飞速进步的步伐。因此，目前将信息系统广泛应用于土地区域整理项目规划的管理、监督、规划前中后涉及的图形和数据存档等方面[3]。

计算机技术的不断飞跃也成为提高土地区域整理项目规划的高质量高效率管理必然要求。GIS由原始地图制图系统演变为当前集计算机网络技术、地图绘图技术、测绘技术等多功能于一体的地理信息系统。近年来，GIS技术被广泛应用于土地区域整理项目规划方面，不仅促进土地资源信息技术的发展，也转变了传统土地资源管理方法[4]，成为土地区域整理项目规划辅助配置的基础。本文设计基于GIS技术的土地区域整理项目规划辅助系统，将地理空间数据库、地图可视化和大量数据存储技术相融合，更好地完成土地区域整理项目规划的辅助工作，提高项目规划质量。

1  土地区域整理规划辅助系统设计

1.1  规划辅助体系结构图

在通用计算机环境下，选用XP系统、CiviL3d软件平台、Access数据库及Visual Studio 2005开发环境，设计基于GIS的土地区域整理规划辅助系统，其总体架构图如图1所示，其主要包括如下子系统：

1） 预操作子系统。采用分层模式分析导入地形数据;对影响因素及属性进行分析，创建数据库;对数据进行检查、修改，保证数据正确性;将正确数据放置在新空白数据库内。

2） 规划布局子系统。以模板库规划因素为基础完成整体绘制方案;以模板库规划要素的本质为前提创建新数据库;分析记录绘图特征以及相关数据。

3） 单体工程子系统。以布局要素单体工程设计模型库程序为基础，完成单体工程计算和断面图绘制;对单体工程相关量进行计算，将单体工程相关量数据填入要素代码对应字段中。

4） 工程量汇总输出子系统。以单体工程子系统提供的要素字段代码，对工程量进行分类统计并制表形成汇总统计，完成表格输出。

图1  基于GIS的土地区域整理项目规划辅助系统体系结构图

1.2  功能设计

该规划辅助系统功能主要为：图层管理、三维浏览、城市规划、高级功能及后台管理等[5]。规划辅助系统功能如图2所示。

图2  规划辅助系统功能图 

1） 图层管理：包含三维模型、基础地理信息数据、规划信息和其他。

2） 三维浏览：包含土地区域景象快速转换功能、三维景象多角度浏览功能及针对指定坐标快速定位功能。

3） 场景效果：可以查看多種天气城市图景以及天际线，也可以对在飞行慢游或者特定景观位置快速定位，并可以快速绘制土地区域整理项目规划场景图。

采用GIS技术中的ArcGIS 3D分析功能通过表面表示法构建三维模型，对项目区地形分析后，采用高程点数据或者等高线建立项目土地区域数字高程模型DEM，依据该模型运算项目土地区域的土方量。DEM构建流程为：选择三维分析模块的要素创建TIN命令，选择要素创建TIN需要使用的等高线图层中多段线要素;选择高程字段Elevation、隔断线为软隔断线;设置输出路径及名称，创建DEM和平面叠加三维显示DEM，并通过PS技术修饰，获取效果逼真、布局规划更明显突出的土地区域整理项目规划效果图。

4） 城市规划：城市规划是由模拟规划和规划编制浏览组成。控制性详细规划和土地总体规划的展现称为规划编制浏览;文本标注、三维标注、路网规划等组成了模拟规划，土地模拟规划基本目标是通过对土地环境进行三维信息标注以及叠加展现[6]，来对土地区域整理项目规划进行辅助决策。

5） 高级功能：二三维联动、用户数据、文档查看等组成高级功能。对用户标注、飞行路线、运动路线呈现是用户数据的作用;文档查看对部门向上级领导汇报时起到辅助规划作用。

1.3  系统模块设计

在辅助系统中规划布局子系统再进行规划布局时，通过土地利用布局优化模块提高土地空间优化布局客观性、准确性和高效性。采用人口发展及土地需求预测模块预测土地使用发展趋势[7]，有利于土地区域整理规划的实行。

1.3.1  土地利用布局优化模块

土地结构优化以利用数量为前提，土地利用布局则以土地结构优化为前提，其过程是配置规划区域土地使用状态图和土地资源质量图等。系统中规划布局子系统通过GIS技术优化布局土地空间，提高土地空间优化布局实时性、降低误差、提高可操作性，使其更具有客观性、准确性和高效性。

土地利用空间优化布局越来越完善，且其准确性对空间布局优化质量有重要的作用，土地利用优化布局的步骤如图3所示。采用遥感软件对土地遥感影像、土地利用现状图、地形图等图片资料和自然社会经济资料进行读解和分析[7]，遥感软件对空间优化布局的准确度和效果性具有补测作用，补测前需要采用GIS技术定位补测位置;收集到的土地使用状态图、土地使用布局优化图以及绘制好的土地资源质量分布图，三者进行图形叠加，构建成新的土地利用规划布局图。

图3  土地利用优化布局基本步骤

1.3.2  人口发展及土地需求预测模块

人口发展及土地需求预测模块具有预测判断功能。规划布局子系统对土地需求量和人口规模间的作用、需规划土地区域目前人口数量以及可预测未来发展数量进行分析。准确预测土地使用发展趋势[8]，有利于土地区域整理规划更好的实行。

1） 人口预测模块

人口预测决定了土地需求的有效性，也是土地需求量控制指标、调整土地布局优化的关键指标，人口预测不仅可改善土地供需平衡，也解决了多年以来的人地矛盾问题。该模块通过自然增长模型和双线性人口增长模型进行预测。

① 自然增长模型

以某一年的人口数作为参照进行未来人口数推算，按比例呈现上升趋势的规划区域人口数量是该模型使用的基础要求。使用几何级数求末项的办法对目标时期的人口数量进行推测。假设土地规划区域参照年人口数、预测年期、人口自然增長率、区规划期内迁入人口以及规划期内迁出人口分别为[Et0]，[t-t0]，[G]，[q]，[j]，则目标期人口预测[Et]的计算公式为：

人口数量会随着未来社会经济发展因素的变化而变化，因此在预测趋势基础上每隔一段时间对人口自然增长率[G]进行一次更改，实现人口分段预测[9]。

② 双线性人口增长模型

该模型对人口变化规律分析结果进行预测，假设第[t]年出生的婴儿数量表示为[vt]，第[t]年每个妇女在整个育龄期内生育的胎数，即妇女比生育率为[βt];第[t]年满[i]周岁的妇女生育模式为[hit];女性比例系数表示为[git];人口状态变量、第t年满i周岁的人口量、第t年满i周岁的人口机械增长率、市民年龄最大值以及妇女育龄最高和最低值分别为[eit]，[uit]，[fit]，[m]，[r1]和[r2]，则人口预测模型可描述为：

人口政策决定生育率的变化，我国计划生育提倡独生子女政策，因此生育率为[βt=1]，通常情况下只统计机械增长数。由于有关该方面的人口普查资料不够完整，因此运算式（2）中，[fit]较为困难。则应先计算自然增长人口，再对机械增长人口进行单独预测，此过程忽略[fit]这一项计算，大大降低人口预测工作的复杂性[10]。

2） 土地需求预测模块

耕地需求量、林业用地需求量、居民用地需求量、水利工程需求量等需求预测构成土地需求预测。本文系统中的土地需求预测模块只对居民用地需求量预测进行重点分析。确定居民人口数量和人均建设用地是居民用地需求量预测的前提，人口数量准确性是影响用地需求量预测的主要因素。居民用地需求量预测数据可以通过指标概率算法和需求推算法获取。

① 指标概率算法

指标分为每户宅基地指标、人均占地指标、按耕地面积概算指标，居民居住用地面积是通过将以上三种指标分别与总户数、总人口数以及总耕地面积数相乘得出的数据与生产区面积相加获取的。假设居民规划年人口数、人均用地标准量分别为[M1]和[V1]，则居民点用地面积[W1]计算公式为：

② 需求推算法

通过对规划期需建房数量的统计，计算获取建房需增加的面积，假设规划期个人建房需占用土地面积为[Q];居民规划目标年人口数为[M];每户平均人口数、规划基期农村总户数、规划周期、规划期间建房户所占比例以及每户住宅基地占地分配额度分别为[P]，[F0]，[m]，[d]和[e]，则[Q]的公式表示为：

假设人行路和中小企业生产占地系数为[Q′]，其取值一般在0.3～0.6的范围内。K表示人行路和中小企业生产占地权值，则预测新增点地面积W的计算公式为：

2  实验分析

选取某市平原土地开发为例，该地种植水稻、葡萄园和果园林，以土地平整工程、田间道路工程、农田水利工程以及农田防护工程为目标，采用本文系统对该地区进行土地区域整理项目规划建设。规划设计基础数据通过GIS技术以及现场测出高程点数据创建三维模型获取，并对高级测量工具测出的数据进行统计。通过水淹没分析判断土地适宜性，若仅依据二维地形图来对整体布局进行规划，会造成整体布局有偏差。由于三维模型在地形特点分析上具有客观性和全局性，因此本文系统采用GIS技术，依据三维模型对实验地区土地区域项目整理进行规划布局更简单有效。

2.1  水淹没分析

本文系统通过项目区的三维模型生成水淹没分析图，如图4所示。从图中可以看出，本文系统能准确提供该项目水淹没区域，可以在各种水灾害发生时有效评估出土地区域的淹没区域，发挥重要作用。

图4  水淹没分析图

2.2  土地区域整理项目规划效果图制作

2.2.1  图立方计算

土地平整工程完成效果的好坏直接关系到土地区域整理项目规划效果，该工程是土地区域整理项目规划中最为关键的部分。本文系统对项目区地形分析后，采用GIS技术中高程点数据或者等高线建立实验项目土地区域数字高程模型DEM计算土方量。图5为土方量计算图。

图5  土方量计算图

2.2.2  数字高程模型DEM的生成

本文系统采用GIS技术中的ArcGIS 3D分析功能，通过表面表示法构建三维模型，采用等高线实验项目土地区域数字高程模型DEM。由于模型构建时高程数据生成等高线变化较小，无法使表面形态发生改变，因此可作做软隔断线处理。

2.2.3  叠加要素层

将项目土地区域中的道路设计图和水渠平面图要素层与三维DEM相匹配，能提高土地区域图像真实感，对三维分析有重要作用，但在匹配期间，为确保平面图和三维DEM图空间坐标同向性，需要对坐标进行纠正。将要素图层叠加在DEM图层上，通过DEM在叠加的效果图上看到项目土地区域地形概貌。

2.2.4  PS修饰效果图

将三维模型保存成TIF格式，并对其进行PS修饰，将道路、山体、农田、建筑物等提高颜色亮度，使效果图更加逼真亮丽，布局规划更明显突出。图6为上述处理后本文系统获取的实验项目土地区域整理项目规划效果图。从图中可以看出通过PS技术修饰，对规划区域的耕种区域、居住区域、道路区域规划更为紧凑合理，俯瞰图轮廓明了，说明本文系统规划效果图可以为土地区域整理项目规划提供可靠的辅助作用。

3  结  论

由于GIS技术在地形模拟、空间数据分析、三维模型构建以及项目精准运算等方面具有较高的优势，因此，本文对基于GIS的土地区域整理项目规划辅助系统设计的实际应用进行深入研究，将GIS技术作为土地区域整理项目规划的基础，并将GIS技术与PS技术结合使用，构建土地区域整理项目规划三维模型，使土地区域整理项目规划布局更加紧凑、效果更加逼真。

图6  本文系统土地区域整理项目规划效果图

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