高精度DEM数据支持下的田坎系数测算方法研究与典型应用

徐娜 程伟亚 张登磊 李少朋 周扬 皮景花

摘要： 本文基于山东省基础测绘最新的高精度DEM、坡度图、第三次国土调查0.5m数字正射影像及第二次土地调查田坎系数测算资料，重新选取样方测算了山东省的田坎系数。结果表明：耕地田坎系数与耕地类型、地貌类型之间存在一定规律性，鲁东丘陵区和鲁中南山区同坡度级坡地田坎系数均高于梯田田坎系数，鲁东丘陵区梯田和坡地的田坎系数均高于鲁中南山区的田坎系数。较第二次土地调查田坎系数、第三次国土调查田坎系数总体呈下降的趋势。根据第三次国土调查数据统计，山东省田坎面积约占耕地总面积的3.5%，依然有较大的挖潜潜力。研究结果可为国土调查、耕地保护、粮食面积估算等工作提供重要参考。

关键词： 耕地；田坎系数；DEM；测算方法；国土调查

中图分类号：  TE822.01      文献标识码：  A    doi：10.12128/j.issn.1672  6979.2023.04.010

引文格式： 徐娜，程伟亚，张登磊，等.高精度DEM数据支持下的田坎系数测算方法研究与典型应用［J］.山东国土资源，2023，39（4）：64  69. XU Na， CHENG Weiya， ZHANG Denglei， et al. Study and Typical Application of the Calculation Method of the Field Ridge Coefficient Supported by High  precision DEM［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：64  69.

0 引言

耕地尤其是永久基本農田是保障粮食安全的重要基础［2  4］。然而，在快速化城镇化进程中，耕地面积减少，违规占用耕地资源变得多样化和复杂化，耕地“非粮化”“非农化”问题日益突出，威胁着国家耕地资源及粮食安全［5  7］。田坎系数即耕地中田坎占耕地地块面积的比重［8  10］，耕地地块面积按照田坎系数扣除田坎面积之后能得到相对准确的耕地实面积［11  12］。山东省作为冬小麦的主产区之一，是全国重要的粮食生产基地。因此，准确测算山东省田坎系数是全面查清耕地净面积的重要手段，也是第三次国土调查中必不可少的一项重要工作，对山东省粮食安全及耕地保护具有重要意义。

之前学者们主要是从测算方法［13  15］、分布特征［16］、影响因素［17］等进行研究。综合来看，这些研究使用的大都是第二次土地调查的数据，距今已超过十年，期间国民经济持续快速发展，城镇化、工业化水平稳步提高，农业结构调整量大，土地利用类型发生了很大的变化，原有的田坎系数已不再适用现状。随着基础测绘的不断发展，DEM数据主要应用于矿产调查［18］、影像处理［19］、动态监测［20］等方面，部分学者也利用DEM实现了对田坎的提取［21  23］，但主要侧重于地形单一的局部区域，缺乏省域层面的具体应用。本文基于高精度DEM数据，从省级层面对测算田坎系数的方法进行研究，可为国土调查、耕地保护及农作物种植面积监测等工作提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

山东省陆域面积15.58万km2，位于华北平原东部，属黄河下游，临黄海和渤海。境内西南、西北平坦，中部山地突起，东部缓丘起伏，形成以山地丘陵为骨架、平原盆地交错环列其间的地形格局；地貌复杂，包括平原、台地、丘陵、山地等基本地貌类型。山东省是农业大省，农林牧渔业总产值连续多年全国第一。

1.2 数据来源

本研究数据源包括遥感影像、DEM和坡度图等。其中，覆盖全省范围的数字正射影像分辨率为0.5m，时相为2018年；DEM数据是“十二五”“十三五”期间山东省基础测绘基于机载LiDAR点云数据生产，2m格网，作为测算坡度图的数据源；坡度图数据作为参照资料确定耕地坡度级。

2 研究方法

将坡度图与遥感影像、土地利用现状数据库进行叠加分析，根据山东省地貌类型进行分区，按照耕地类型、耕地坡度分级对大于2°的耕地进行分组，内业选取样方、绘制田坎，外业量取田坎宽度，按照《第三次全国土地调查技术规程》要求，计算田坎系数，生成山东省田坎系数成果（图1）。

2.1 田坎系数测算分区

根据山东省地貌类型、耕地主要利用特点及土地利用分区情况，结合《山东省土地整治规划》、《山东省自然资源图集》中所述土地综合分区情况，将山东省田坎系数测算分为3个区：鲁西北平原区、鲁中南山区和鲁东丘陵区。其中鲁西北平原区主要为平原，坡度级在2级以上的耕地数量少且分布零散，占平原区耕地面积比例较小，代表性不明显，因此不在此分区进行田坎系数测算，样方选择集中在鲁东丘陵区和鲁中南山区。

2.2 田坎系数测算分组

在每个分区内依据耕地坡度等级及耕地类型进行分组。第三次全国国土调查将耕地分为5个坡度级，坡度≤2°的为平地，其他分为梯田和坡地，采用系数扣除方法进行调查。根据耕地所在的地面坡度，坡度级≤2°的为Ⅰ级，2°＜Ⅱ级≤6°，6°＜Ⅲ级≤15°，15°＜Ⅳ级≤25°，Ⅴ级＞25°。除Ⅰ级外，每个坡度级耕地又分为梯田和坡耕地［24］。其中耕地坡度级根据山东省最新2m格网DEM制作的坡度图获取，耕地类型由外业调查确定。

2.3 样方选择

（1）样方的面积应大于0.4hm2。

（2）每个类型分组的有效样方数量不少于30个，同一县级行政单位内同坡度级、同耕地类型组样方数量相对均衡。

（3）一般应以整个耕地图斑作为样方范围，样方内部的地形、地貌、局域的地形条件一致；实地有明显线状地物的面积较大的图斑，以此线状地物分割成较小的图斑。

（4）样方应能代表当地坡耕地的普遍特点，在测算区内分散分布。

（5）已经退耕还林，或长年不耕作的土地不能作为样方。

（6）分析第二次土地调查田坎系数测算样方，原则上未发生变化样方耕地类型应沿用第二次土地调查类型，确与实地不符的进行调整。

山东省在田坎系数测算分区分组的基础上，根据现有的坡度分级图和第三次国土调查遥感影像，在山地、丘陵区选择11个市的43个县（市、区）布设138两个样方，经外业测量和整理，筛选出820个有效样方。鲁中南山区473个，其中坡地样方175个，梯田样方298个；鲁东丘陵区347个，其中坡地样方172个，梯田样方175个，样方个数满足规程中每个分组不少于30个样方的要求。由于没有找到足够数量符合要求的大于25°坡耕地样方，所以没有测算大于25°坡耕地的田坎系数（表1，图2）。

2.4 测算方法

山东省田坎系数采取内业采集、外业实地测量的方法进行测算。根据第三次国土调查的0.5m高分辨率正射影像，使用ArcGIS软件内业量取样方内田坎的长度；外业使用RTK进行田坎宽度的测量，宽度量取水平距离，每条田坎测量三组数据，求取平均宽度，测量精确至0.1m，当田坎宽度不等时，分成若干分段进行量取，取平均值。

2.5 田坎系数的计算

计算每一个样方的田坎系数，计算公式：样方田坎系数=田坎面积合计/（样方面积  其他线状地物面积合计）×100％［24］。

根据《第三次全国国土调查技术规程》要求，同组内样方田坎系数应满足“最大值不超过最小值的30%”。根据正态分布模型原理，分析田坎系数测算实际情况，逐个剔除不具有代表性的样方［24］。一组内符合要求的样方个数大于30时，计算平均田坎系数，平均田坎系数=同一坡度样方田坎系数之和/同一坡度样方数。

3 结果与分析

3.1 坡地和梯田田坎系数对比分析

从鲁中南山区和鲁东丘陵区的坡地和梯田平均田坎系数统计结果来看，两个分区的同坡度级坡地田坎系数均高于梯田田坎系数；不同坡度级中，坡地和梯田的田坎系数差异基本一致。鲁中南山区2级坡地和梯田的田坎系数差值为0.013，3级坡地和梯田的田坎系数差值为0.017，4级坡地和梯田的田坎系数差值为0.029。鲁东丘陵区2级坡地和梯田的田坎系数差值为0.015，3级坡地和梯田的田坎系数差值为0.017，4级坡地和梯田的田坎系数差值为0.018（图3、图4）。

对鲁中南山区的梯田和鲁东丘陵区的梯田、鲁中南山区的坡地和鲁东丘陵区的坡地分别进行折线图叠加比较，结果显示，鲁东丘陵区相同坡度级梯田和坡地的田坎系数均高于鲁中南山区的田坎系数。两分区田坎系数的差异有多方面的原因，不同的地质构造、降水量、土壤类型、耕地排水条件、农业限制性因素、土地开发整理工程的实施等均对田坎系数有一定的影响（图5、图6）。

3.2 耕地田坎分布地理特征

山东省耕地以水浇地和旱地为主，2°以下的耕地约占全省耕地总面积的82.5%，主要分布在鲁西北平原区；2°～6°的耕地约占全省耕地总面积的10.3%，其中梯田约占63.3%，坡地约占36.7%，主要分布在临沂、烟台、威海等丘陵山地区；6°～15°的耕地约占全省耕地总面积的6.5%，其中梯田约占66.7%，坡地约占33.3%，分布在临沂市、烟台市、日照市等地；15°以上的耕地仅约占全省耕地总面积的0.7%，其中梯田约占64.1%，坡地约占35.9%，主要集中在沂水县、临朐县等鲁中山区。

3.3 两次调查田坎系数对比分析

山东省第二次土地调查测算田坎系数时未进行分区，全省采用统一的平均田坎系数。通过与第二次土地调查田坎系数对比分析，第三次國土调查田坎系数总体呈下降的趋势。第三次国土调查中鲁中南山区2级坡地田坎系数降幅约为25.4%；3级坡地田坎系数降幅约为27.8%；4级坡地田坎系数降幅约为17.2%。鲁中南山区2级梯田田坎系数减少率约为16.2%；3级梯田田坎系数减少率约为21.1%；4级梯田田坎系数减少率约为8%；5级梯田田坎系数减少率约为2.9%。与鲁中南山区减少趋势相同，鲁东丘陵区坡地中降幅最大的是3级田坎，降幅约为20.5%；其次是2级田坎，降幅约为18.6%；4级田坎，降幅约为14.7%。鲁东丘陵区2级梯田田坎系数减少率约为9.2%；3级梯田田坎系数减少率约为12.4%；4级梯田田坎系数减少率约为1.5%；5级梯田田坎系数减少率约为0.3%。总体来看，3级田坎系数降幅最大，鲁中南山区坡地梯田和鲁东丘陵区坡地降幅均超过20%；其次是2级田坎系数，两个分区内降幅基本超过10%。

利用2017年度变更调查耕地成果对两轮田坎系数进行了测算，结果表明，利用第三次国土调查田坎系数重新测算，全省耕地面积增加，增幅约为1.3%。2010年以来，随着山东省土地整理项目的实施，田坎的长度和宽度降低，土地质量和利用效率有所提高，增加了有效耕地面积，在一定程度上对耕地的田坎系数产生了影响。山东省是农业大省，农民对土地的利用非常重视，自主的土地整理也提高了耕地的土地利用率。坡度图制作方式的变化，对田坎系数的测算也有一定的影响。

4 结论

（1）耕地田坎系数与耕地类型、地貌类型存在一定规律性。鲁中南山区和鲁东丘陵区同坡度级坡地田坎系数均高于梯田田坎系数；不同坡度级中，坡地和梯田的田坎系数差异基本一致。鲁东丘陵区相同坡度级梯田和坡地的田坎系数均高于鲁中南山区的田坎系数。

（2）通过与第二次土地调查田坎系数对比分析，第三次国土调查田坎系数总体呈下降的趋势。这与近年来山东省土地整理项目的实施、农民自主土地整理及坡度图制作方式的变化密切相关。

（3）根据第三次国土调查数据统计，山东省田坎面积约占耕地总面积的3.5%，依然有较大的挖潜潜力。从目前的利用情况看，平原、丘陵的田坎利用率較高，而山区尤其是坡地田坎受地理位置及气候条件的限制，利用率较低。

5 建议

（1）建议平原区耕地不进行田坎系数扣除。针对鲁西北平原区存在少量坡度大于2°的耕地图斑，调查发现实地为公路、铁路、河道、水工建筑、干渠等周边的缓坡，这些耕地本身并不存在坡度，进行田坎系数扣除并不合理。

（2）建议对不同地区不同坡度等级的耕地采取不同的用地政策。基本农田补划时，优先补划坡度3级以下的一般农田；基本农田调整为一般农田时，优先调整坡度4级以上的基本农田；坡度5级耕地应予以逐步退耕，保持生态系统稳定。

（3）建议下一步加大山区耕地土地整理项目的实施，充分利用田坎，提高土地生产力和土地利用率，促进粮食的高产稳产，缓和人地矛盾。

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Study and Typical Application of the Calculation Method of    the Field Ridge Coefficient Supported by High  precision DEM

XU Na1， CHENG Weiya2，ZHANG Denglei2，LI Shaopeng3，ZHOU Yang4，PI Jinghua5

（1.Shandong Institute of Territorial Spatial Data and Remote Sensing， Shandong Ji'nan 250000， China; 2. Shandong Territorial Spatial Planning Institute， Shandong Ji'nan 250000， China; 3. Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250000， China; 4. Ji'nan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute， Shandong Ji'nan 250000， China;5. Shandong Geological Surveying and Mapping Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstract：   Based on the latest high  precision DEM， slope map， 0.5m digital orthophoto image of the third land survey and the measurement data of ridge coefficient in the second land survey of Shandong province， through re  selecting samples， the ridge coefficient in Shandong province has been measured. It is showed that there is a certain regularity between the ridge coefficient of cultivated land and the types of cultivated land and landforms. The ridge coefficient of slopes with the same slope grade in the hilly region of eastern Shandong and the mountainous region of central and southern Shandong province is higher than that of terraced fields， and the ridge coefficient of terraced fields and slopes in the hilly region of eastern Shandong province is higher than that in the mountainous region of central and southern Shandong. Comparing with the ridge coefficient of the second land survey， the ridge coefficient of the third land survey generally shows a downward trend. According to the statistics of the third national land survey， the farmland area in Shandong province accounts for about 3.5% of the total cultivated land area. It still has great potential. It can provide important references for land survey， farmland protection and grain area estimation.

Key words：  Cultivated land; field ridge coefficient; DEM; calculation method; land survey