基于DEM的農村地區土地利用規劃分析

榮燕美

（太原市國土資源勘測有限公司，山西 太原 030002）

0.引言

人類社會為了技術的進步和經濟的發展，對土地進行常年的有規律的周期性的種植、養殖、開發等工作，稱為土地利用[1]。通過科學合理地規劃和利用，能夠發揮土地的最大價值。一方面，受到自然環境的影響；另一方面，受到經濟社會發展、科學技術進步共同的作用，土地的合理利用必須與科學的社會生產方式相適應[2]。

土地利用規劃是根據土地自然屬性，為達到一定的目標，以一定的手段，對土地用途進行方向性指導的工作。隨著我國經濟社會的快速發展，和社會生產需求的日益增長，規劃好人與地的關系已經成為現階段發展面臨的重要議題。

為了解決實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技術上的空間分析[3]手段，通過基于DEM數據的分析技術，研究出對農村地區的土地利用規劃進行簡單分析的方法。

1.DEM理論概述

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

20世紀50年代，美國科學家Chaires L Miller先生基于高速公路路網的設計而創建出了數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的立體表達[4]。DEM是地表信息的數字化表現方式，隨著人工智能、大數據、云計算技術的飛速發展，以DEM數據為基礎進行的各類空間分析與數學運算，已經將DEM的各種分析成果在各行各業中推廣應用。

2.空間分析

空間分析能力是地理信息系統區別于其他應用系統最根本的特征，也是最主要的專業能力[5]。空間分析基于各類數據的空間關系而進行的運算分析，它可以清楚地描繪出目標地物對象是什么、在哪里、怎么樣等最基本的問題，但并不能表現出為什么存在的原因。空間分析需要嚴謹的空間模型，其首要完成的是對空間構成進行數學化的描述和建模，實現空間的認知。之后對其發展過程進行模擬和預演，從而實現規劃和調控。

空間分析是一種涵蓋多學科交叉關聯影響相互作用的學說，它包含了地理學、區域經濟學、地球大氣學、地球物理學、水文地質學等等多種專門的學科為空間分析的各種顯現提供理論基礎。

3.DEM空間分析提取的相關研究

地形因素是影響自然環境、水體地質、地形地貌、動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地球空間變化過程的顯著理論基礎。DEM是離散的高程模型數據，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用DEM，對地形環境進行認知化建模。以復雜程度所區分，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）高級空間分析。例如，特征提取、變化推演等。

4.現階段土地利用特點

現階段土地的利用具備以下這些特點[1]：類型多、分布不均衡、人均量少、方式粗放。中國的土地利用各項指數均高于世界平均水平，但實際產出率很低，這說明我們國家的土地開發前景廣闊。

5.DEM土地現狀分析

5.1 基礎地形分析

DEM是地表起伏情況地表示數據，從中能夠抽樣提取出各種數學特征參數。利用空間分析DEM提取參數的坡度模型能夠作為土地利用規劃的參考。一般來說，平坦地區的坡度要有不小于0.3°的區域，這樣地表水的聚集和排出十分有利，從工程建設的立場為基礎，可以依據有利于城市開發的方便程度，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的土地，存在大于20°的坡度。嚴格地來講，以上結論是從純理論的角度，對土地的適宜性進行分類，在現實工作生產當中，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，農業生產、農村建房、修建道路等工作都對坡度范圍都有一定的要求，農村地區土地利用規劃對坡度區間劃分有很明顯的區分,可以說坡度是農村土地利用的一個重要影響因素。

DEM分析可用于研究自然環境恢復和環境保護等領域的規劃。如果在山區進行土地利用規劃，就要首先考慮地球地形環境下的三要素，也就是高程、坡度和坡向的影響，因為地形三要素能夠對農業生產三要素，即光、水、熱三個基本環境要素的獲取、貯藏、流動產生關鍵性的影響。比如，高程能夠反映某一地區接受太陽光照所能吸收到的能量，光照也同時帶來熱輻射，繼而會引起溫度和水環境的條件變化，是組成當地小氣候的首要影響因素；區域的降水，以及降水后水流的走向就與坡向有了聯系；坡向與坡度相結合的環境不同，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，適合農業生產生活工作。如果坡度大，只能考慮植樹造林為首的土地利用規劃，用來改善當地環境條件。DEM所體現的地表情況，能夠直觀地反映出當地的土地適合做什么，能夠做什么，不能做什么，是土地利用規劃設計的重要參考依據。

5.2 坡度對土地利用的影響

土地利用評價基本上能夠劃分成三種：

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

（2）二類用地。即部分可以適于人類生產、生活的用地。介于一類與三類用地之間；土地力學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，會有部分地限制；

（3）三類用地。不適于生產生活的土地，土地力學承受能力每平方米小于10噸，土質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，有地質災害隱患等。

因此，可通過一個地區DEM的建立，利用坡度圖對該地區進行簡單分析。若該地區已建設，則可通過坡度圖簡單分析其建設是否合理。例如，若發現該地區坡度大于25%的一部分地段還有大量耕地，則不合理，建議退耕還林。若該地區準備建設，也可通過坡度圖給出一些初步地建議。

5.3 高程對土地利用的影響

高程對自然環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，就能直觀地看出，海拔越高，耐寒植物越多，農作物越難生長，闊葉林越少，針葉林越多，到一定高度，一般農作物就難以存活。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 坡向對土地利用的影響

坡向影響水流方向、背風或迎風、耕地灌溉、陽光照射等，一般來說，經過改造的農田或建設用地并不會受坡向的太大影響，但是坡向過于特殊會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用。耕地的走向應和所處位置坡向一直，這樣利于灌溉和排水。

6.利用DEM進行土地利用規劃分析

6.1 DEM生成坡度坡向圖

在本項目中，我們使用ESRI公司的ArcGIS系列軟件對DEM進行空間分析。首先，在ArcMap軟件中打開研究區域的DEM數據（如圖1所示）：

圖1 研究區DEM數據

生成坡度圖：在ArcToolBox中選擇3D Analyst功能，之后點擊表面分析功能，再點擊Slope，根據功能向導提示點擊OK，生成的坡度圖（如圖2所示）：

圖2 研究區坡度圖

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，再點擊Aspect，點擊OK，生成的坡向圖（如圖3所示）：

圖3 研究區坡向圖

6.2 土地利用分析

在DEM模型上劃分1和2兩個區域（如圖4所示），除1、2淺色連接區域外，其他區域高低起伏變化較大，只有1、2區域比較平整。由此可見1、2區域適宜人類的生活和生產，即1、2白色連接區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

在坡度圖上劃分4個區域（如圖5所示），1、2區域為坡度小于10%的區域。在其他區域中，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區域之間淺綠色的3區域坡度略有加大，但在簡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中區域4的坡度較大，不適宜以生產生活用途來利用，可用于種植林木等。

圖5 坡度分區圖

6.3 分析結果驗證

獲取當地1∶2000比例尺地形圖，截取試驗區中的一部分（如圖6所示）：

圖6 部分區域地形圖

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

把圖7坡度大于25%的白色區域設置為顯眼的紅色，將其疊加在地形圖上進行進一步地分析，發現該區域的房屋建筑、耕地等均在非紅色區域（如圖8所示）。這就說明在坡度大于25%的紅色區域，在實際生活中確實難以利用為建筑用地或耕地。

圖7 坡度大于25%的區域

圖8 在地形圖上驗證

7.結束語

本文利用GIS空間分析手段，在某區域的DEM數據為基底生成坡度圖，以此為基礎對該區域的農村地區土地利用規劃及現狀進行了簡單分析。經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進行的空間分析可以簡單地得出一個地區的建筑用地和耕地等方面是否合理，并以此結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用。在今后的研究中，我們可以嘗試結合一些氣象、土壤、災害等數據，進一步地研究開展氣候、土壤、地質災害、地形地貌和水文等專業分析。