基于GIS的土地區域整理項目規劃輔助系統設計

杜律 李松

摘 ?要： 為提高土地區域整理項目規劃效果圖、空間區域規劃質量和顯示效果，設計基于GIS的土地區域整理項目規劃輔助系統，其主要包括預操作子系統、規劃布局子系統、單體工程子系統以及工程量匯總輸出子系統。該系統通過圖層管理功能收集地理信息，利用三維瀏覽和場景效果功能，對指定坐標快速定位并快速繪制土地區域整理項目規劃場景圖，通過土地規劃功能對土地環境進行三維信息標注以及疊加展現。規劃布局子系統通過土地利用布局優化模塊，采用GIS技術優化布局土地空間，使用人口發展及土地需求預測模塊預測人口增長數量和土地需求量，得到土地使用發展趨勢。實驗結果表明，該系統獲取的土地區域整理項目規劃效果圖布局緊湊合理，俯瞰圖輪廓明顯，輔助效果佳。

關鍵詞： 土地區域整理; 項目規劃; 輔助系統; GIS; 布局優化; 預測分析

中圖分類號： TN911?34; F301 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

土地區域整理項目規劃是對整體土地項目規劃進一步填缺與分析的過程。該規劃可用于擴大耕種面積、提高耕種質量、改善環境以及土地資源合理利用等[1]。土地區域整理項目規劃編制、審批以及實施需要以相關圖件等數據為基礎，需分析計算土地的發展潛力并且繪制圖件。以往運用手工操作完成土地規劃項目管理、監督、規劃繪圖、數據存檔等土地區域整理項目規劃工作[2]，已經無法滿足我國科技飛速進步的步伐。因此，目前將信息系統廣泛應用于土地區域整理項目規劃的管理、監督、規劃前中后涉及的圖形和數據存檔等方面[3]。

計算機技術的不斷飛躍也成為提高土地區域整理項目規劃的高質量高效率管理必然要求。GIS由原始地圖制圖系統演變為當前集計算機網絡技術、地圖繪圖技術、測繪技術等多功能于一體的地理信息系統。近年來，GIS技術被廣泛應用于土地區域整理項目規劃方面，不僅促進土地資源信息技術的發展，也轉變了傳統土地資源管理方法[4]，成為土地區域整理項目規劃輔助配置的基礎。本文設計基于GIS技術的土地區域整理項目規劃輔助系統，將地理空間數據庫、地圖可視化和大量數據存儲技術相融合，更好地完成土地區域整理項目規劃的輔助工作，提高項目規劃質量。

1 ?土地區域整理規劃輔助系統設計

1.1 ?規劃輔助體系結構圖

在通用計算機環境下，選用XP系統、CiviL3d軟件平臺、Access數據庫及Visual Studio 2005開發環境，設計基于GIS的土地區域整理規劃輔助系統，其總體架構圖如圖1所示，其主要包括如下子系統：

1） 預操作子系統。采用分層模式分析導入地形數據;對影響因素及屬性進行分析，創建數據庫;對數據進行檢查、修改，保證數據正確性;將正確數據放置在新空白數據庫內。

2） 規劃布局子系統。以模板庫規劃因素為基礎完成整體繪制方案;以模板庫規劃要素的本質為前提創建新數據庫;分析記錄繪圖特征以及相關數據。

3） 單體工程子系統。以布局要素單體工程設計模型庫程序為基礎，完成單體工程計算和斷面圖繪制;對單體工程相關量進行計算，將單體工程相關量數據填入要素代碼對應字段中。

4） 工程量匯總輸出子系統。以單體工程子系統提供的要素字段代碼，對工程量進行分類統計并制表形成匯總統計，完成表格輸出。

圖1 ?基于GIS的土地區域整理項目規劃輔助系統體系結構圖

1.2 ?功能設計

該規劃輔助系統功能主要為：圖層管理、三維瀏覽、城市規劃、高級功能及后臺管理等[5]。規劃輔助系統功能如圖2所示。

圖2 ?規劃輔助系統功能圖?

1） 圖層管理：包含三維模型、基礎地理信息數據、規劃信息和其他。

2） 三維瀏覽：包含土地區域景象快速轉換功能、三維景象多角度瀏覽功能及針對指定坐標快速定位功能。

3） 場景效果：可以查看多種天氣城市圖景以及天際線，也可以對在飛行慢游或者特定景觀位置快速定位，并可以快速繪制土地區域整理項目規劃場景圖。

采用GIS技術中的ArcGIS 3D分析功能通過表面表示法構建三維模型，對項目區地形分析后，采用高程點數據或者等高線建立項目土地區域數字高程模型DEM，依據該模型運算項目土地區域的土方量。DEM構建流程為：選擇三維分析模塊的要素創建TIN命令，選擇要素創建TIN需要使用的等高線圖層中多段線要素;選擇高程字段Elevation、隔斷線為軟隔斷線;設置輸出路徑及名稱，創建DEM和平面疊加三維顯示DEM，并通過PS技術修飾，獲取效果逼真、布局規劃更明顯突出的土地區域整理項目規劃效果圖。

4） 城市規劃：城市規劃是由模擬規劃和規劃編制瀏覽組成。控制性詳細規劃和土地總體規劃的展現稱為規劃編制瀏覽;文本標注、三維標注、路網規劃等組成了模擬規劃，土地模擬規劃基本目標是通過對土地環境進行三維信息標注以及疊加展現[6]，來對土地區域整理項目規劃進行輔助決策。

5） 高級功能：二三維聯動、用戶數據、文檔查看等組成高級功能。對用戶標注、飛行路線、運動路線呈現是用戶數據的作用;文檔查看對部門向上級領導匯報時起到輔助規劃作用。

1.3 ?系統模塊設計

在輔助系統中規劃布局子系統再進行規劃布局時，通過土地利用布局優化模塊提高土地空間優化布局客觀性、準確性和高效性。采用人口發展及土地需求預測模塊預測土地使用發展趨勢[7]，有利于土地區域整理規劃的實行。

1.3.1 ?土地利用布局優化模塊

土地結構優化以利用數量為前提，土地利用布局則以土地結構優化為前提，其過程是配置規劃區域土地使用狀態圖和土地資源質量圖等。系統中規劃布局子系統通過GIS技術優化布局土地空間，提高土地空間優化布局實時性、降低誤差、提高可操作性，使其更具有客觀性、準確性和高效性。

土地利用空間優化布局越來越完善，且其準確性對空間布局優化質量有重要的作用，土地利用優化布局的步驟如圖3所示。采用遙感軟件對土地遙感影像、土地利用現狀圖、地形圖等圖片資料和自然社會經濟資料進行讀解和分析[7]，遙感軟件對空間優化布局的準確度和效果性具有補測作用，補測前需要采用GIS技術定位補測位置;收集到的土地使用狀態圖、土地使用布局優化圖以及繪制好的土地資源質量分布圖，三者進行圖形疊加，構建成新的土地利用規劃布局圖。

圖3 ?土地利用優化布局基本步驟

1.3.2 ?人口發展及土地需求預測模塊

人口發展及土地需求預測模塊具有預測判斷功能。規劃布局子系統對土地需求量和人口規模間的作用、需規劃土地區域目前人口數量以及可預測未來發展數量進行分析。準確預測土地使用發展趨勢[8]，有利于土地區域整理規劃更好的實行。

1） 人口預測模塊

人口預測決定了土地需求的有效性，也是土地需求量控制指標、調整土地布局優化的關鍵指標，人口預測不僅可改善土地供需平衡，也解決了多年以來的人地矛盾問題。該模塊通過自然增長模型和雙線性人口增長模型進行預測。

① 自然增長模型

以某一年的人口數作為參照進行未來人口數推算，按比例呈現上升趨勢的規劃區域人口數量是該模型使用的基礎要求。使用幾何級數求末項的辦法對目標時期的人口數量進行推測。假設土地規劃區域參照年人口數、預測年期、人口自然增長率、區規劃期內遷入人口以及規劃期內遷出人口分別為[Et0]，[t-t0]，[G]，[q]，[j]，則目標期人口預測[Et]的計算公式為：

人口數量會隨著未來社會經濟發展因素的變化而變化，因此在預測趨勢基礎上每隔一段時間對人口自然增長率[G]進行一次更改，實現人口分段預測[9]。

② 雙線性人口增長模型

該模型對人口變化規律分析結果進行預測，假設第[t]年出生的嬰兒數量表示為[vt]，第[t]年每個婦女在整個育齡期內生育的胎數，即婦女比生育率為[βt];第[t]年滿[i]周歲的婦女生育模式為[hit];女性比例系數表示為[git];人口狀態變量、第t年滿i周歲的人口量、第t年滿i周歲的人口機械增長率、市民年齡最大值以及婦女育齡最高和最低值分別為[eit]，[uit]，[fit]，[m]，[r1]和[r2]，則人口預測模型可描述為：

人口政策決定生育率的變化，我國計劃生育提倡獨生子女政策，因此生育率為[βt=1]，通常情況下只統計機械增長數。由于有關該方面的人口普查資料不夠完整，因此運算式（2）中，[fit]較為困難。則應先計算自然增長人口，再對機械增長人口進行單獨預測，此過程忽略[fit]這一項計算，大大降低人口預測工作的復雜性[10]。

2） 土地需求預測模塊

耕地需求量、林業用地需求量、居民用地需求量、水利工程需求量等需求預測構成土地需求預測。本文系統中的土地需求預測模塊只對居民用地需求量預測進行重點分析。確定居民人口數量和人均建設用地是居民用地需求量預測的前提，人口數量準確性是影響用地需求量預測的主要因素。居民用地需求量預測數據可以通過指標概率算法和需求推算法獲取。

① 指標概率算法

指標分為每戶宅基地指標、人均占地指標、按耕地面積概算指標，居民居住用地面積是通過將以上三種指標分別與總戶數、總人口數以及總耕地面積數相乘得出的數據與生產區面積相加獲取的。假設居民規劃年人口數、人均用地標準量分別為[M1]和[V1]，則居民點用地面積[W1]計算公式為：

② 需求推算法

通過對規劃期需建房數量的統計，計算獲取建房需增加的面積，假設規劃期個人建房需占用土地面積為[Q];居民規劃目標年人口數為[M];每戶平均人口數、規劃基期農村總戶數、規劃周期、規劃期間建房戶所占比例以及每戶住宅基地占地分配額度分別為[P]，[F0]，[m]，[d]和[e]，則[Q]的公式表示為：

假設人行路和中小企業生產占地系數為[Q′]，其取值一般在0.3～0.6的范圍內。K表示人行路和中小企業生產占地權值，則預測新增點地面積W的計算公式為：

2 ?實驗分析

選取某市平原土地開發為例，該地種植水稻、葡萄園和果園林，以土地平整工程、田間道路工程、農田水利工程以及農田防護工程為目標，采用本文系統對該地區進行土地區域整理項目規劃建設。規劃設計基礎數據通過GIS技術以及現場測出高程點數據創建三維模型獲取，并對高級測量工具測出的數據進行統計。通過水淹沒分析判斷土地適宜性，若僅依據二維地形圖來對整體布局進行規劃，會造成整體布局有偏差。由于三維模型在地形特點分析上具有客觀性和全局性，因此本文系統采用GIS技術，依據三維模型對實驗地區土地區域項目整理進行規劃布局更簡單有效。

2.1 ?水淹沒分析

本文系統通過項目區的三維模型生成水淹沒分析圖，如圖4所示。從圖中可以看出，本文系統能準確提供該項目水淹沒區域，可以在各種水災害發生時有效評估出土地區域的淹沒區域，發揮重要作用。

圖4 ?水淹沒分析圖

2.2 ?土地區域整理項目規劃效果圖制作

2.2.1 ?圖立方計算

土地平整工程完成效果的好壞直接關系到土地區域整理項目規劃效果，該工程是土地區域整理項目規劃中最為關鍵的部分。本文系統對項目區地形分析后，采用GIS技術中高程點數據或者等高線建立實驗項目土地區域數字高程模型DEM計算土方量。圖5為土方量計算圖。

圖5 ?土方量計算圖

2.2.2 ?數字高程模型DEM的生成

本文系統采用GIS技術中的ArcGIS 3D分析功能，通過表面表示法構建三維模型，采用等高線實驗項目土地區域數字高程模型DEM。由于模型構建時高程數據生成等高線變化較小，無法使表面形態發生改變，因此可作做軟隔斷線處理。

2.2.3 ?疊加要素層

將項目土地區域中的道路設計圖和水渠平面圖要素層與三維DEM相匹配，能提高土地區域圖像真實感，對三維分析有重要作用，但在匹配期間，為確保平面圖和三維DEM圖空間坐標同向性，需要對坐標進行糾正。將要素圖層疊加在DEM圖層上，通過DEM在疊加的效果圖上看到項目土地區域地形概貌。

2.2.4 ?PS修飾效果圖

將三維模型保存成TIF格式，并對其進行PS修飾，將道路、山體、農田、建筑物等提高顏色亮度，使效果圖更加逼真亮麗，布局規劃更明顯突出。圖6為上述處理后本文系統獲取的實驗項目土地區域整理項目規劃效果圖。從圖中可以看出通過PS技術修飾，對規劃區域的耕種區域、居住區域、道路區域規劃更為緊湊合理，俯瞰圖輪廓明了，說明本文系統規劃效果圖可以為土地區域整理項目規劃提供可靠的輔助作用。

3 ?結 ?論

由于GIS技術在地形模擬、空間數據分析、三維模型構建以及項目精準運算等方面具有較高的優勢，因此，本文對基于GIS的土地區域整理項目規劃輔助系統設計的實際應用進行深入研究，將GIS技術作為土地區域整理項目規劃的基礎，并將GIS技術與PS技術結合使用，構建土地區域整理項目規劃三維模型，使土地區域整理項目規劃布局更加緊湊、效果更加逼真。

圖6 ?本文系統土地區域整理項目規劃效果圖

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