李原存

一、引言

土地資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，是不可再生的自然資源。土地的總面積是有限的，同時，一定區(qū)域內不同利用方式的土地也是有限的。我國是一個農業(yè)大國，人口眾多，土地資源分配不平衡，山地、丘陵多，平地較少，后備耕地資源不足且耕地質量差。20 世紀90 年代，我國城市化進程加快，為了滿足城市發(fā)展用地的需求，大量耕地被征用轉為建設用地，致使耕地流失嚴重，給我國的糧食安全和土地的可持續(xù)利用帶來了不利的影響。

土地整理能有效地增加耕地面積和提高耕地質量，改善農業(yè)生產條件，成為新時期協(xié)調人地關系，緩解人地矛盾，促進土地利用動態(tài)平衡的主要措施，受到政府的高度重視。土地整理是一項復雜的系統(tǒng)工程，可分為前期研究階段、規(guī)劃設計階段、施工設計階段，以及工程施工階段。在整個過程中涉及自然、經濟、社會等諸多因素，需要多技術支持。近年來，國內的一些學者對土地整理及其規(guī)劃技術進行了大量研究，改進了傳統(tǒng)的整理方法，促進了土地整理體系的建立和完善。

GIS 技術作為計算機空間科學的一個分支，在計算機技術快速發(fā)展的背景下也有了突破性的發(fā)展，其強大的空間分析功能，空間插值等功能，在土地評價、土地利用規(guī)劃、土地分等定級等方面得以廣泛的應用。近年來，眾多學者開始研究將GIS 技術引入到土地整理過程中，使土地整理在GIS 平臺上直接進行，借助于GIS 技術的圖形編輯功能和空間分析功能建立虛擬地理環(huán)境可視化模型，使土地平整、農田水利、道路、其他土地整理規(guī)劃設計直接在可視化模型下進行并取得了良好的效果。

可視化技術作為一門新興的實用技術，由于能直觀、動態(tài)、多角度地表達地學現(xiàn)象，已在城市設計、水土保持、土地監(jiān)督、土地整理等領域發(fā)揮著日益重要的作用。它不僅可以應用到土地整理的規(guī)劃設計階段，還可以應用到土地整理潛力評價和土地整理效益評價當中。目前已有一部分學者研究將可視化技術運用到這兩個方面并且取得了一些成就。本文是關于可視化技術在土地整理運用方面成果的總結。作者希望，本文不僅為讀者提供有關土地整理可視化研究成果的綜述，讓讀者了解可視化技術在土地整理過程中運用的方法，還能從中找出可視化技術在土地整理中運用的新方法，拓寬可視化技術在土地整理中的運用方式。

二、國內外研究概況

(一)境外研究現(xiàn)狀概述

土地整理的概念首先出現(xiàn)于德國巴伐利亞王國的法律中，德國、法國、前蘇聯(lián)、加拿大沿用至今，日本稱為土地整治(整備)、臺灣稱為土地重劃。

各國學者從不同的角度對土地整理做出不同的定義，同時各國土地整理的任務與研究內容的側重點也有所區(qū)別。德國的土地整理工作在19 世紀主要是將分散、零碎的農地集中連片，改善農業(yè)生產和勞動條件;20 世紀90 年代，土地整理趨于綜合化，以自然資源和人文景觀合理規(guī)劃協(xié)調農業(yè)利益與自然保護和景觀保護集中于一體。在土地整理可視化技術方面，由于國外的GIS 技術發(fā)展較早，空間分析與圖形編輯功能改進較快，德國在此基礎上以GIS 為開發(fā)平臺建立了土地整理信息系統(tǒng)，將土地整理各種數據、圖件和權屬狀況等資料存儲于該系統(tǒng)，實現(xiàn)了對土地整理數據與圖件的可視化查詢與編輯、分析等操作。此外，近年來三維GIS 概念的提出， 使可視化技術在土地整理中運用趨于三維圖形的顯示，土地整理的各種數據也可以在三維GIS 技術的支持下實現(xiàn)3D 分析。

(二)國內研究現(xiàn)狀概述

我國是開展土地整理最早的國家之一。我國殷周時期的井田制，以及后來的屯田制，北魏時期的均田制可以視為土地整理的雛形。國土資源部將土地整理定義為:按照土地利用總體規(guī)劃與城市規(guī)劃所確定的目標和用途，采取行政、經濟、法律、工程技術手段，對土地利用現(xiàn)狀進行綜合整治、調整改造，以提高土地利用率，改善生產、生活條件與生態(tài)的過程。我國的土地整理工作的開展主要集中在農地整理，解決農業(yè)生產中的土地利用問題，改善農業(yè)的用地環(huán)境，從而提高農業(yè)用地的利用率、產出率，維護景觀、生態(tài)環(huán)境的平衡。

目前我國可視化技術在土地整理的運用主要是借助計算機輔助制圖(CAD)軟件實現(xiàn)的，單體設施施工圖主要是與相關行業(yè)的專家協(xié)同工作繪制的圖形。預算則是根據規(guī)劃和單體設施工程一起計算得到的結果。但是GIS 技術的成熟與快速發(fā)展及在交通、電力、電信、城市規(guī)劃等方面的成功運用，使一些學者開始研究把土地整理建立在GIS 平臺上實行操作。其中一部分學者把土地整理規(guī)劃設計的基礎數據、規(guī)劃成果，通過GIS 二次開發(fā)建立特定的空間信息系統(tǒng)，分圖層、分區(qū)域，形象地顯示地理數據，并運用空間分析可視化技術，直觀顯示分析過程，為土地整理提供了輔助決策。此外，國內的一些先進的學者在接觸到三維GIS 的理念后開始研究土地整理的三維可視化，通過獲取的整理區(qū)的地理數據進行3D 分析建立整理區(qū)數字高程模型，再在此模型上進行分析整理操作，最后重建數字高程模型，顯示整理后的土地利用狀況。這種技術目前來說在國內應用還較少但卻是以后土地整理可視化的發(fā)展方向，并且這種可視化技術能很好地、直觀地、動態(tài)地、真實地顯示整理后的狀態(tài)，對土地的整理工作提供了很大的幫助和支持。

三、相關文獻回顧

當前可視化技術在土地整理中的應用總體上可以分為兩個方面:即土地整理三維可視化和二維可視化顯示。其中三維可視化在土地整理中的應用還處于剛剛起步階段。而二維可視化技術卻已經應用在了土地整理潛力評價、土地整理適宜性評價和土地整理規(guī)劃設計中，下面就對以上幾種可視化技術在土地整理中的應用進行相關回顧。

(一)土地整理潛力評價可視化

這種整理潛力評價可視化的大致方法為先把土地整理綜合潛力分為三步進行。第一是整理區(qū)景觀改善潛力可視化表達與分析。運用ARCGIS 軟件的疊加分析將核心景觀區(qū)、一般景觀區(qū)、緩沖區(qū)需要整理的耕地進行疊加，用遙感影響分析植被指數，根據設定的評分標準對各區(qū)域耕地進行景觀改善評分。第二是耕地提高潛力可視化表達與分析。耕地質量提高評分體系根據實地調查的數據與預期理想糧食產量的差值來評分。運用Field calculate 計算各村耕地質量提高潛力分值，根據評分結果繪制耕地質量提高潛力分析圖。第三是耕地面積增加潛力可視化表達與分析。按照耕地的坡度(＜2度，2 -5度，＞5度)分別選取典型樣區(qū)，調查耕地中其他農用地之和占耕地面積的比例，以及整理后其他農用地面積之和占耕地面積之比例，以耕地面積增加比例為依據設定評分標準，根據評分結果繪制耕地面積增加潛力分析圖。隨后整理地塊的不同位置，引進專家決策意見給各評價因子賦予權值，然后對各評價因子進行加權疊加，結果為土地整理綜合潛力評分，根據評分結果繪制土地整理綜合潛力分析圖。最后提取整理區(qū)的高程點，運用ARCGIS 中ARCTOOL BOX 模塊中的3D 分析功能，建立TIN 生成整理區(qū)DEM，選擇土地利用現(xiàn)狀圖，土地整理規(guī)劃圖遙感影像作為紋理，根據三維顯示需要設定顏色。這樣土地整理的綜合潛力就在三維地形圖顯示出來了。

(二)土地整理適應性評價可視化

整理適應性評價化的基本方法是將整理區(qū)的的等高線進行柵格化處理，接著利用ARCGIS 對高程點文件進行插值處理，然后用ACTOOL BOX 模塊下的3D 分析對已經進行過插值過的高程數據進行處理生成整理區(qū)的數字高程模型，這就為土地整理適宜性評價提供了依據。根據整理區(qū)的現(xiàn)狀，對整理區(qū)進行柵格化處理，按照一定的標準劃分柵格單元，每個柵格單元作為土地整理潛力評價單元，接下來根據整理區(qū)的具體條件確定整理土地的主導制約因素，建立適宜性評價因子。對整理區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖數字化，然后對數字化的數據柵格化，以便于加權評價。在獲得各評價因子柵格數據的基礎上利用ARCGIS 軟件根據評價模型對各評價單元進行空間疊加運算。利用ARCGIS 重分類功能將土地整理的適宜性分為基本適宜(＞75)、度適宜(50-75)、臨界適宜(25-50)和不適宜(＜25)，根據分級標準統(tǒng)計各評價單元土地整理適宜等級，并生成評價結果圖，這樣整理區(qū)內不同適宜等級和不適宜的就可以顯示出來。

(三)三維可視化在土地整理規(guī)劃設計中的應用

這種三維可視化的土地整理規(guī)劃設計可以模擬出整理規(guī)劃后的地物場景，具有較強的立體感、真實感。其主要的方法是提取整理區(qū)的高程點，在ARCGIS 的ARCTOOL BOX 模塊下用3D 分析創(chuàng)建TIN 生成整理區(qū)的數字高程模型，然后按照田、水、路、林、村分類進行整理規(guī)劃設計。在農田平整中調用出已經建立好的TIN 文件，以規(guī)劃后每個田塊的ID 號作為劃分TIN 文件的單位，從數字高程模型中讀取待平整田塊的高程值，計算平均高程作為田塊的理想高程，通過ID 號檢索待平整區(qū)域，以設計田塊的高程值對待平整區(qū)域的高程點的屬性值進行修改，修改后重建TIN 就得到了農田平整后的數字高程模型。道路與溝渠設計的實現(xiàn)，在ARCTOOL BOX模塊下調用整理后的道路和溝渠的線數據，運用空間分析的功能對線數據進行加寬使其變?yōu)槊鏀祿缓笤贏RCSCENE中將緩沖區(qū)分析后的道路和溝渠數據加載到TIN 表面。這時要對道路的基礎高程進行選擇，選擇TIN 作為它的基礎高程。然后生成整理后的數字高程模型，最后調用三維符號庫里的符號對重建的數字高程模型表面上的地物進行替換，這樣就形成了整理規(guī)劃后的三維立體景觀圖。

四、結論

上述的三部文獻都建立了整理區(qū)的數字高程模型，很好地模擬出了整理區(qū)的地形狀態(tài)，為項目的進行提供了可靠的依據。在第一部文獻中，作者將可視化的技術引入到了土地整理潛力評價當中，不僅實現(xiàn)了評價過程的可視化，還實現(xiàn)了評價結果的可視化，不僅實現(xiàn)了評價結果的二維可視化，還實現(xiàn)了評價結果的三維可視化，這種設計方式很好地直觀地顯示了整理區(qū)內整理潛力的高低，對整理工作具有重要的指導意義。在第二部文獻中，作者將整理區(qū)的三維平面圖形進行柵格化的處理劃分成評價單元，并且通過實地調查選取了影響項目區(qū)整理工作的限制因素和主要的評價因子，并且通過評價模型對評價因子進行分析，得出了每個評價單元的適宜程度，而且通過二維圖形顯示出來，這種方法很好地將整理區(qū)的適宜程度展現(xiàn)在二維平面圖上，但是沒有實現(xiàn)評價結果的三維可視化。因此，三維可視化技術在土地整理適宜性中的應用是這方面的研究方向。上述的第三個文獻中作者打破了傳統(tǒng)的利用CAD 進行整理設計，而是運用ARCGIS 建立整理區(qū)的數字高程模型，在模型中進行整理設計。特別是在田塊整理過程中打破了傳統(tǒng)的只能設計田塊形狀的束縛，在數字高程模型下進行田塊的整理不僅可以整理其形狀還可以進行田塊平整，并將結果以三維圖形的形式顯示出來，直觀動態(tài)地看到整理后的田塊的形狀和高度。此外，對于道路溝渠的設計，通過空間分析將其轉換成了面狀文件并加載到數字高程模型中，打破了傳統(tǒng)中只能用線文件表示溝渠和道路的束縛，在數字高程模型中很真實地模擬出了道路的路面狀況。這些創(chuàng)新的設計都是值得我們學習的地方。數字高程模型的建立可以很直觀、動態(tài)地模擬出項目區(qū)的地形起伏狀況，為整理工作提供了可靠的依據，上述的三篇文獻中也都在項目開始時構建了數字高程模型，可見三維可視化技術在土地整理方面的應用是今后此方面的研究熱點和重點。

[1]李睿璞，盧新海，馬才學.基于GIS 的農用地整理三維可視化[J].農業(yè)工程學報，2010，(5).

[2]許榕焓，張海濤，陳家贏.基于GIS 與虛擬現(xiàn)實技術的土地整理規(guī)劃研究[J].數學的實踐與認識，2010，(4).

[3]李睿璞.基于RS、GIS 土地整理的應用研究[D].武漢：華中農業(yè)大學，2008.

[4]孫華生，郭熙，李耀蘭.基于GIS 的耕地整理潛力分析[J].廣東土地科學，2004，(2).

[5]陳家贏.基于虛擬地理環(huán)境三維可視化模型的農用地土地整理規(guī)劃設計[D].武漢：華中農業(yè)大學，2007.

[6]賈明超，李滿春，王宋輝，符海月，陳振杰.可視化技術在土地整理規(guī)劃中運用—— 以韶山市為例[J].安徽農業(yè)科學，2007，(21).

[7]王慎敏，金曉斌，張培剛，周寅康.江西南康市地形破碎區(qū)土地整理規(guī)劃設計—— 以鳳崗鎮(zhèn)土地整理項目為例[J].資源科學，2008，(2).