基于DEM的农村地区土地利用规划分析

荣燕美

（太原市国土资源勘测有限公司，山西 太原 030002）

0.引言

人类社会为了技术的进步和经济的发展，对土地进行常年的有规律的周期性的种植、养殖、开发等工作，称为土地利用[1]。通过科学合理地规划和利用，能够发挥土地的最大价值。一方面，受到自然环境的影响；另一方面，受到经济社会发展、科学技术进步共同的作用，土地的合理利用必须与科学的社会生产方式相适应[2]。

土地利用规划是根据土地自然属性，为达到一定的目标，以一定的手段，对土地用途进行方向性指导的工作。随着我国经济社会的快速发展，和社会生产需求的日益增长，规划好人与地的关系已经成为现阶段发展面临的重要议题。

为了解决实际工作中的一些常见问题，我们尝试使用一种地理信息系统技术上的空间分析[3]手段，通过基于DEM数据的分析技术，研究出对农村地区的土地利用规划进行简单分析的方法。

1.DEM理论概述

数字地形模型（DTM）是地球表面形态的空间和属性的建模后的数学表现形式，是涵盖位置特征和属性信息的数字表达[4]。数字高程模型（DEM）是DTM中最基本的部分，是地表信息的数字化表现方式。

20世纪50年代，美国科学家Chaires L Miller先生基于高速公路路网的设计而创建出了数字高程模型的概念也就是“DEM”，这种模型是为了解决地球表面形态的立体表达[4]。DEM是地表信息的数字化表现方式，随着人工智能、大数据、云计算技术的飞速发展，以DEM数据为基础进行的各类空间分析与数学运算，已经将DEM的各种分析成果在各行各业中推广应用。

2.空间分析

空间分析能力是地理信息系统区别于其他应用系统最根本的特征，也是最主要的专业能力[5]。空间分析基于各类数据的空间关系而进行的运算分析，它可以清楚地描绘出目标地物对象是什么、在哪里、怎么样等最基本的问题，但并不能表现出为什么存在的原因。空间分析需要严谨的空间模型，其首要完成的是对空间构成进行数学化的描述和建模，实现空间的认知。之后对其发展过程进行模拟和预演，从而实现规划和调控。

空间分析是一种涵盖多学科交叉关联影响相互作用的学说，它包含了地理学、区域经济学、地球大气学、地球物理学、水文地质学等等多种专门的学科为空间分析的各种显现提供理论基础。

3.DEM空间分析提取的相关研究

地形因素是影响自然环境、水体地质、地形地貌、动植物分布等的重要原因，地形的空间分布特征一直是用来表达地球空间变化过程的显著理论基础。DEM是离散的高程模型数据，通过各种空间分析算法，就可以在DEM上开展各种定量和定性的分析。

DEM上的地形情况分析指的是直接或间接应用DEM，对地形环境进行认知化建模。以复杂程度所区分，分析方式有两种（:1）基本地形分析。比如，高程坡度坡向采集等；（2）高级空间分析。例如，特征提取、变化推演等。

4.现阶段土地利用特点

现阶段土地的利用具备以下这些特点[1]：类型多、分布不均衡、人均量少、方式粗放。中国的土地利用各项指数均高于世界平均水平，但实际产出率很低，这说明我们国家的土地开发前景广阔。

5.DEM土地现状分析

5.1 基础地形分析

DEM是地表起伏情况地表示数据，从中能够抽样提取出各种数学特征参数。利用空间分析DEM提取参数的坡度模型能够作为土地利用规划的参考。一般来说，平坦地区的坡度要有不小于0.3°的区域，这样地表水的聚集和排出十分有利，从工程建设的立场为基础，可以依据有利于城市开发的方便程度，将城市用地划分为几种不同的类型：一类用地类型是有利于建设的土地，有10°以下的坡度；二类用地类型是稍微差一些但是还是可以开发的土地，存在10～20°的坡度也是允许的；三类用地类型是没有办法建设的土地，存在大于20°的坡度。严格地来讲，以上结论是从纯理论的角度，对土地的适宜性进行分类，在现实工作生产当中，有更多更不可控的要素影响土地利用的情况，要考虑更多更全面的影响因子。除此之外，农业生产、农村建房、修建道路等工作都对坡度范围都有一定的要求，农村地区土地利用规划对坡度区间划分有很明显的区分,可以说坡度是农村土地利用的一个重要影响因素。

DEM分析可用于研究自然环境恢复和环境保护等领域的规划。如果在山区进行土地利用规划，就要首先考虑地球地形环境下的三要素，也就是高程、坡度和坡向的影响，因为地形三要素能够对农业生产三要素，即光、水、热三个基本环境要素的获取、贮藏、流动产生关键性的影响。比如，高程能够反映某一地区接受太阳光照所能吸收到的能量，光照也同时带来热辐射，继而会引起温度和水环境的条件变化，是组成当地小气候的首要影响因素；区域的降水，以及降水后水流的走向就与坡向有了联系；坡向与坡度相结合的环境不同，影响了水土流失的情况。坡度小，土地保留水的可能性大，容易聚集水源，适合农业生产生活工作。如果坡度大，只能考虑植树造林为首的土地利用规划，用来改善当地环境条件。DEM所体现的地表情况，能够直观地反映出当地的土地适合做什么，能够做什么，不能做什么，是土地利用规划设计的重要参考依据。

5.2 坡度对土地利用的影响

土地利用评价基本上能够划分成三种：

（1）一类用地。即适于农业生产、生活的用地。坡度在土地基本标准的10%以下，土地承载能力大于每平方米15吨，地下水位在标准之下，一般为深度大于2米，没有各种地质灾害影响因素（如，沼泽、冲沟、滑坡、崩塌等）。若土壤等因素允许，可适宜农业耕作等；

（2）二类用地。即部分可以适于人类生产、生活的用地。介于一类与三类用地之间；土地力学载重能力每平方米在10～15吨之间，地形坡度为10%－25%之间，地下水深度大于1米小于2米。人类若想利用上这类土地，会有部分地限制；

（3）三类用地。不适于生产生活的土地，土地力学承受能力每平方米小于10吨，土质中有大量的泥炭层或者流沙层。坡度大于25%，有洪水冲击隐患，地下水深小于1米或者无有效地下水，有地质灾害隐患等。

因此，可通过一个地区DEM的建立，利用坡度图对该地区进行简单分析。若该地区已建设，则可通过坡度图简单分析其建设是否合理。例如，若发现该地区坡度大于25%的一部分地段还有大量耕地，则不合理，建议退耕还林。若该地区准备建设，也可通过坡度图给出一些初步地建议。

5.3 高程对土地利用的影响

高程对自然环境最直观地影响就是温度，海拔越高，气温越低。在高程变化比较明显的山区，就能直观地看出，海拔越高，耐寒植物越多，农作物越难生长，阔叶林越少，针叶林越多，到一定高度，一般农作物就难以存活。总的来说，就是高程影响植物的垂直分布，随着高程值增加，耕地面积比例将逐渐减小，林地等面积比例将逐渐增大。

5.4 坡向对土地利用的影响

坡向影响水流方向、背风或迎风、耕地灌溉、阳光照射等，一般来说，经过改造的农田或建设用地并不会受坡向的太大影响，但是坡向过于特殊会增加土地利用的改造难度，这样来看，越有利的坡向还是越有助于土地的良性运用。耕地的走向应和所处位置坡向一直，这样利于灌溉和排水。

6.利用DEM进行土地利用规划分析

6.1 DEM生成坡度坡向图

在本项目中，我们使用ESRI公司的ArcGIS系列软件对DEM进行空间分析。首先，在ArcMap软件中打开研究区域的DEM数据（如图1所示）：

图1 研究区DEM数据

生成坡度图：在ArcToolBox中选择3D Analyst功能，之后点击表面分析功能，再点击Slope，根据功能向导提示点击OK，生成的坡度图（如图2所示）：

图2 研究区坡度图

生成坡向图：在ArcToolBox中选择3D分析功能，然后选择地表分析模块，再点击Aspect，点击OK，生成的坡向图（如图3所示）：

图3 研究区坡向图

6.2 土地利用分析

在DEM模型上划分1和2两个区域（如图4所示），除1、2浅色连接区域外，其他区域高低起伏变化较大，只有1、2区域比较平整。由此可见1、2区域适宜人类的生活和生产，即1、2白色连接区域可以直接土地利用，或建筑房屋，或种植耕地等。

图4 DEM分区

在坡度图上划分4个区域（如图5所示），1、2区域为坡度小于10%的区域。在其他区域中，虽然也有坡度小于10%的地方，然而面积不大，且周围坡度不断变化，局限性很大。1、2区域之间浅绿色的3区域坡度略有加大，但在简单的土地整治之后还可以间接利用，为有条件的可利用土地。图5中区域4的坡度较大，不适宜以生产生活用途来利用，可用于种植林木等。

图5 坡度分区图

6.3 分析结果验证

获取当地1∶2000比例尺地形图，截取试验区中的一部分（如图6所示）：

图6 部分区域地形图

按照地形图范围截取部分坡度图，利用ArcGIS的空间分析功能，在地形图中标出坡度大于25%的区域用白色色块显示（如图7所示）：

把图7坡度大于25%的白色区域设置为显眼的红色，将其叠加在地形图上进行进一步地分析，发现该区域的房屋建筑、耕地等均在非红色区域（如图8所示）。这就说明在坡度大于25%的红色区域，在实际生活中确实难以利用为建筑用地或耕地。

图7 坡度大于25%的区域

图8 在地形图上验证

7.结束语

本文利用GIS空间分析手段，在某区域的DEM数据为基底生成坡度图，以此为基础对该区域的农村地区土地利用规划及现状进行了简单分析。经过分析我们可以得出坡度小于10%的地方，适宜于建筑用地和耕地；坡度介于10%与25%之间，为受限制利用土地；坡度大于25%的地方，并不适宜于建筑用地和耕地。利用DEM进行的空间分析可以简单地得出一个地区的建筑用地和耕地等方面是否合理，并以此结果给出一些初步的土地利用建议。

本文讨论的只是DEM在土地利用中浅显的初步分析与应用。在今后的研究中，我们可以尝试结合一些气象、土壤、灾害等数据，进一步地研究开展气候、土壤、地质灾害、地形地貌和水文等专业分析。