GIS 可视化在土地整治中的运用研究综述

李原存

一、引言

土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础，是不可再生的自然资源。土地的总面积是有限的，同时，一定区域内不同利用方式的土地也是有限的。我国是一个农业大国，人口众多，土地资源分配不平衡，山地、丘陵多，平地较少，后备耕地资源不足且耕地质量差。20 世纪90 年代，我国城市化进程加快，为了满足城市发展用地的需求，大量耕地被征用转为建设用地，致使耕地流失严重，给我国的粮食安全和土地的可持续利用带来了不利的影响。

土地整理能有效地增加耕地面积和提高耕地质量，改善农业生产条件，成为新时期协调人地关系，缓解人地矛盾，促进土地利用动态平衡的主要措施，受到政府的高度重视。土地整理是一项复杂的系统工程，可分为前期研究阶段、规划设计阶段、施工设计阶段，以及工程施工阶段。在整个过程中涉及自然、经济、社会等诸多因素，需要多技术支持。近年来，国内的一些学者对土地整理及其规划技术进行了大量研究，改进了传统的整理方法，促进了土地整理体系的建立和完善。

GIS 技术作为计算机空间科学的一个分支，在计算机技术快速发展的背景下也有了突破性的发展，其强大的空间分析功能，空间插值等功能，在土地评价、土地利用规划、土地分等定级等方面得以广泛的应用。近年来，众多学者开始研究将GIS 技术引入到土地整理过程中，使土地整理在GIS 平台上直接进行，借助于GIS 技术的图形编辑功能和空间分析功能建立虚拟地理环境可视化模型，使土地平整、农田水利、道路、其他土地整理规划设计直接在可视化模型下进行并取得了良好的效果。

可视化技术作为一门新兴的实用技术，由于能直观、动态、多角度地表达地学现象，已在城市设计、水土保持、土地监督、土地整理等领域发挥着日益重要的作用。它不仅可以应用到土地整理的规划设计阶段，还可以应用到土地整理潜力评价和土地整理效益评价当中。目前已有一部分学者研究将可视化技术运用到这两个方面并且取得了一些成就。本文是关于可视化技术在土地整理运用方面成果的总结。作者希望，本文不仅为读者提供有关土地整理可视化研究成果的综述，让读者了解可视化技术在土地整理过程中运用的方法，还能从中找出可视化技术在土地整理中运用的新方法，拓宽可视化技术在土地整理中的运用方式。

二、国内外研究概况

(一)境外研究现状概述

土地整理的概念首先出现于德国巴伐利亚王国的法律中，德国、法国、前苏联、加拿大沿用至今，日本称为土地整治(整备)、台湾称为土地重划。

各国学者从不同的角度对土地整理做出不同的定义，同时各国土地整理的任务与研究内容的侧重点也有所区别。德国的土地整理工作在19 世纪主要是将分散、零碎的农地集中连片，改善农业生产和劳动条件;20 世纪90 年代，土地整理趋于综合化，以自然资源和人文景观合理规划协调农业利益与自然保护和景观保护集中于一体。在土地整理可视化技术方面，由于国外的GIS 技术发展较早，空间分析与图形编辑功能改进较快，德国在此基础上以GIS 为开发平台建立了土地整理信息系统，将土地整理各种数据、图件和权属状况等资料存储于该系统，实现了对土地整理数据与图件的可视化查询与编辑、分析等操作。此外，近年来三维GIS 概念的提出， 使可视化技术在土地整理中运用趋于三维图形的显示，土地整理的各种数据也可以在三维GIS 技术的支持下实现3D 分析。

(二)国内研究现状概述

我国是开展土地整理最早的国家之一。我国殷周时期的井田制，以及后来的屯田制，北魏时期的均田制可以视为土地整理的雏形。国土资源部将土地整理定义为:按照土地利用总体规划与城市规划所确定的目标和用途，采取行政、经济、法律、工程技术手段，对土地利用现状进行综合整治、调整改造，以提高土地利用率，改善生产、生活条件与生态的过程。我国的土地整理工作的开展主要集中在农地整理，解决农业生产中的土地利用问题，改善农业的用地环境，从而提高农业用地的利用率、产出率，维护景观、生态环境的平衡。

目前我国可视化技术在土地整理的运用主要是借助计算机辅助制图(CAD)软件实现的，单体设施施工图主要是与相关行业的专家协同工作绘制的图形。预算则是根据规划和单体设施工程一起计算得到的结果。但是GIS 技术的成熟与快速发展及在交通、电力、电信、城市规划等方面的成功运用，使一些学者开始研究把土地整理建立在GIS 平台上实行操作。其中一部分学者把土地整理规划设计的基础数据、规划成果，通过GIS 二次开发建立特定的空间信息系统，分图层、分区域，形象地显示地理数据，并运用空间分析可视化技术，直观显示分析过程，为土地整理提供了辅助决策。此外，国内的一些先进的学者在接触到三维GIS 的理念后开始研究土地整理的三维可视化，通过获取的整理区的地理数据进行3D 分析建立整理区数字高程模型，再在此模型上进行分析整理操作，最后重建数字高程模型，显示整理后的土地利用状况。这种技术目前来说在国内应用还较少但却是以后土地整理可视化的发展方向，并且这种可视化技术能很好地、直观地、动态地、真实地显示整理后的状态，对土地的整理工作提供了很大的帮助和支持。

三、相关文献回顾

当前可视化技术在土地整理中的应用总体上可以分为两个方面:即土地整理三维可视化和二维可视化显示。其中三维可视化在土地整理中的应用还处于刚刚起步阶段。而二维可视化技术却已经应用在了土地整理潜力评价、土地整理适宜性评价和土地整理规划设计中，下面就对以上几种可视化技术在土地整理中的应用进行相关回顾。

(一)土地整理潜力评价可视化

这种整理潜力评价可视化的大致方法为先把土地整理综合潜力分为三步进行。第一是整理区景观改善潜力可视化表达与分析。运用ARCGIS 软件的叠加分析将核心景观区、一般景观区、缓冲区需要整理的耕地进行叠加，用遥感影响分析植被指数，根据设定的评分标准对各区域耕地进行景观改善评分。第二是耕地提高潜力可视化表达与分析。耕地质量提高评分体系根据实地调查的数据与预期理想粮食产量的差值来评分。运用Field calculate 计算各村耕地质量提高潜力分值，根据评分结果绘制耕地质量提高潜力分析图。第三是耕地面积增加潜力可视化表达与分析。按照耕地的坡度(＜2度，2 -5度，＞5度)分别选取典型样区，调查耕地中其他农用地之和占耕地面积的比例，以及整理后其他农用地面积之和占耕地面积之比例，以耕地面积增加比例为依据设定评分标准，根据评分结果绘制耕地面积增加潜力分析图。随后整理地块的不同位置，引进专家决策意见给各评价因子赋予权值，然后对各评价因子进行加权叠加，结果为土地整理综合潜力评分，根据评分结果绘制土地整理综合潜力分析图。最后提取整理区的高程点，运用ARCGIS 中ARCTOOL BOX 模块中的3D 分析功能，建立TIN 生成整理区DEM，选择土地利用现状图，土地整理规划图遥感影像作为纹理，根据三维显示需要设定颜色。这样土地整理的综合潜力就在三维地形图显示出来了。

(二)土地整理适应性评价可视化

整理适应性评价化的基本方法是将整理区的的等高线进行栅格化处理，接着利用ARCGIS 对高程点文件进行插值处理，然后用ACTOOL BOX 模块下的3D 分析对已经进行过插值过的高程数据进行处理生成整理区的数字高程模型，这就为土地整理适宜性评价提供了依据。根据整理区的现状，对整理区进行栅格化处理，按照一定的标准划分栅格单元，每个栅格单元作为土地整理潜力评价单元，接下来根据整理区的具体条件确定整理土地的主导制约因素，建立适宜性评价因子。对整理区土地利用现状图数字化，然后对数字化的数据栅格化，以便于加权评价。在获得各评价因子栅格数据的基础上利用ARCGIS 软件根据评价模型对各评价单元进行空间叠加运算。利用ARCGIS 重分类功能将土地整理的适宜性分为基本适宜(＞75)、度适宜(50-75)、临界适宜(25-50)和不适宜(＜25)，根据分级标准统计各评价单元土地整理适宜等级，并生成评价结果图，这样整理区内不同适宜等级和不适宜的就可以显示出来。

(三)三维可视化在土地整理规划设计中的应用

这种三维可视化的土地整理规划设计可以模拟出整理规划后的地物场景，具有较强的立体感、真实感。其主要的方法是提取整理区的高程点，在ARCGIS 的ARCTOOL BOX 模块下用3D 分析创建TIN 生成整理区的数字高程模型，然后按照田、水、路、林、村分类进行整理规划设计。在农田平整中调用出已经建立好的TIN 文件，以规划后每个田块的ID 号作为划分TIN 文件的单位，从数字高程模型中读取待平整田块的高程值，计算平均高程作为田块的理想高程，通过ID 号检索待平整区域，以设计田块的高程值对待平整区域的高程点的属性值进行修改，修改后重建TIN 就得到了农田平整后的数字高程模型。道路与沟渠设计的实现，在ARCTOOL BOX模块下调用整理后的道路和沟渠的线数据，运用空间分析的功能对线数据进行加宽使其变为面数据，然后在ARCSCENE中将缓冲区分析后的道路和沟渠数据加载到TIN 表面。这时要对道路的基础高程进行选择，选择TIN 作为它的基础高程。然后生成整理后的数字高程模型，最后调用三维符号库里的符号对重建的数字高程模型表面上的地物进行替换，这样就形成了整理规划后的三维立体景观图。

四、结论

上述的三部文献都建立了整理区的数字高程模型，很好地模拟出了整理区的地形状态，为项目的进行提供了可靠的依据。在第一部文献中，作者将可视化的技术引入到了土地整理潜力评价当中，不仅实现了评价过程的可视化，还实现了评价结果的可视化，不仅实现了评价结果的二维可视化，还实现了评价结果的三维可视化，这种设计方式很好地直观地显示了整理区内整理潜力的高低，对整理工作具有重要的指导意义。在第二部文献中，作者将整理区的三维平面图形进行栅格化的处理划分成评价单元，并且通过实地调查选取了影响项目区整理工作的限制因素和主要的评价因子，并且通过评价模型对评价因子进行分析，得出了每个评价单元的适宜程度，而且通过二维图形显示出来，这种方法很好地将整理区的适宜程度展现在二维平面图上，但是没有实现评价结果的三维可视化。因此，三维可视化技术在土地整理适宜性中的应用是这方面的研究方向。上述的第三个文献中作者打破了传统的利用CAD 进行整理设计，而是运用ARCGIS 建立整理区的数字高程模型，在模型中进行整理设计。特别是在田块整理过程中打破了传统的只能设计田块形状的束缚，在数字高程模型下进行田块的整理不仅可以整理其形状还可以进行田块平整，并将结果以三维图形的形式显示出来，直观动态地看到整理后的田块的形状和高度。此外，对于道路沟渠的设计，通过空间分析将其转换成了面状文件并加载到数字高程模型中，打破了传统中只能用线文件表示沟渠和道路的束缚，在数字高程模型中很真实地模拟出了道路的路面状况。这些创新的设计都是值得我们学习的地方。数字高程模型的建立可以很直观、动态地模拟出项目区的地形起伏状况，为整理工作提供了可靠的依据，上述的三篇文献中也都在项目开始时构建了数字高程模型，可见三维可视化技术在土地整理方面的应用是今后此方面的研究热点和重点。

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