GIS在農地整理土方計算及調配中的應用

李睿璞，盧新海，谷曉坤

（華中科技大學國土資源與不動產研究中心，湖北 武漢 430074）

1 引言

隨著“3S”技術的集成與發展，空間信息技術已經與農地整理工程相結合，GIS技術已經大量應用于農地整理工程，在土方量的輔助計算上已有成功先例。柳長順等在Arcview 3.2平臺下建立農地整理的數字高程模型（DEM），通過拓撲相減獲得整理區的土方量［1］；胡振琪等利用方格網（Grid）法，借助ERDAS IMAGINE遙感圖像處理軟件，建立土方量計算模型，實現土方量的計算機輔助計算［2］；魯成樹等探討了GIS技術支持下格網法在農地整理土方工程量計算和土方量矩陣調配的應用研究［3］，在上述研究中，土方調配的模式單一，方法復雜。本文以ArcGIS 9.2為平臺，以湖北省棗陽市熊集鎮土地整理項目為例，通過構建農地整理區規劃前后的DEM，利用空間地圖代數法，求解田塊填、挖的土方量，將交替式定位—配置模型與農地整理的土方調配相結合，尋求調配方案，實現土地資源在空間內的合理、有效配置。圖1展示了本文的技術路線流程。

圖1 土方計算及調配的技術路線圖Fig.1 Technical route of earthwork calculation and distribution

2 農地整理土方量的計算與調配

2.1 農地整理土方計算原理

通過DEM，運用柵格相減的計算方法實現平整田塊土方量計算，其計算原理為二次積分求取體積。利用現狀Gridc（格網）的高程與規劃Gridp高程之差作為積分高度，以單位網格的面積為積分單元，再將開挖范圍內的這些體積累加后即為所求田塊的開挖量，其數學表達式如下：

式1中，H（x，y）為規劃網格的高差；Gridc（x，y）為現狀地表網格點高程；Gridp（x，y）為整理后地面網格點高程；V為田塊累積開挖量。

2.2 基于GIS的土方量計算

（1）土地利用現狀DEM的建立與檢驗。DEM一般可由離散高程點、遙感影像以及等高線來生成。以離散高程點生成不規則三角網（TIN），以連續三角面逼近地表，可在某一特定分辨率下用較少的空間表達復雜的表面。由于實測高程點數據存在測量誤差，對精度有較大影響，所以TIN存在數據異常結點，需要人機交互式檢查。通過TIN生成等高線文件L2，并疊加土地利用現狀圖中的等高線L1，觀察L1與L2的重合程度。選擇性地刪除數據異常點，反復重建DEM，直到滿足精度要求。

（2）農地整理規劃DEM的構建。農地整理規劃DEM是以土地利用現狀DEM為基礎，對其數據點的高程值進行修改后，再次建立的。遵循土地整理規劃原則，并結合現場踏勘資料，以現狀高程值和規劃平整田塊作為研究對象，通過已經構建的土地利用現狀DEM采集高程點，采用散點法確定待平整田塊的設計高程。依據設計高程對現狀TIN模型上控制點高程值進行修改，重建TIN后，便得到農地整理規劃設計DEM。

（3）基于GIS平臺土方量的計算。為便于地圖代數的計算與數據匯總，將矢量TIN轉化為Grid［4-5］，在GIS中以體積相減的原理求得待平整地塊的土方量。在ArcGIS 9.2平臺下，將TIN轉化為Grid，利用空間分析模塊的柵格計算器（Raster Calculator）功能，完成拓撲相減，其運算結果以屬性表形式加以存儲，再以設計田塊的編號為統計單元，從而得到待平整田塊的土方量。

2.3 交替式定位—配置模型的計算原理［6-7］

交替式定位—配置原理為有隨機m個供應點中選擇P個為n個需求點服務；供給者根據最短加權距離分配給這些資源供給者，使得為n個需求點服務的總距離最小，并獲得對應P個配置點的需求集合。

再求取每組資源配置集合中單個資源配置點的最佳位置（xj*，yj*）。將n個需求點分配到距離其最近的隨機選擇資源配置點上，劃分配置區域；再計算每個子區域中的配置點的最優地址，即直線距離最短，這樣每個供應點都位于其所服務的需求點中央。

比較隨機產生的土方配置點與資源分配點直線距離的差別，如果差別明顯，最佳配置點（xj*，yj*）為新配置點的位置，返回目標函數重新分配；否則計算終止，此時的結果為最佳位置點。

2.4 農地整理土方調配在GIS中的實現

把每個田塊需要開挖和回填的土方量抽象為供給點與需求點，以點文件的形式標注于田塊的重心。在ArcGIS 9.2的Workstation中調用Arc命令，找到Maptools工具，將抽象化的供給點與需求點調入系統，完成土方量點數據輸入。在Maptools中運用Location-allocation命令，輸入調配的直線距離，完成土方的自動調配。

3 應用分析

3.1 整理區規劃前后DEM的構建

湖北省棗陽市熊集鎮國家投資基本農田土地整理項目位于棗陽市城區南18km處，東經112°37′30″—112°41′15″，北緯31°58′20″—32°01′15″，圖2為經ERDAS IMAMING裁剪后整理區2005年土地利用TM影像。收集到的基礎數據有棗陽市1：10000土地利用現狀圖，項目區GPS高程點、TM影像以及現場踏勘報告。

以ArcGIS 9.2中ArcMap、ArcSence模塊作為操作平臺，利用3D Analyst工具箱對GPS高程點內插生成實驗區的TIN，并擬合生成等高線，并觀察擬合生成的等高線與原有等高線的重合程度，以判斷DEM的構建精度（圖3）。在此DEM上采集高程點，并查詢高程值，通過散點法計算待平整田塊的設計高程。依據設計高程對現狀DEM數據結點的高程值進行修改，重建DEM模型后就得到了規劃設計TIN（圖4）。為避免TIN邊界出現斷裂線，在建立DEM時，首先將DEM趨勢面的建立范圍大于實驗區邊界，再將實驗區的邊界線文件轉化為面文件進行切割，除去范圍以外的部分。

3.2 整理區土方量的計算

在ArcMap的3D功能模塊中選擇covert TIN to Raster功能，將規劃設計TIN與土地利用現狀TIN轉化為Grid，并進行相減運算。ArcGIS 9.2空間分析模塊柵格計算器將現狀Grid模型減去規劃設計后的Grid模型，得到待平整的田塊29塊。

以整理區的田塊圖斑為基礎，使用Spatial Analyst工具箱中Zonal Statistics工具按照田塊求和得到每個田塊內的土方量，而GIS系統將以屬性表的形式，實現田塊編號、土方量等屬性值與圖形的自動連接。整個區域，需要開挖土方435120.86m3，需要回填土方307809.00m3，其結果如圖5與表1所示。

表1 實驗區土方量統計表Tab.1 Statistical table of earthwork quantities in experimental area

3.3 土方資源調配的實現

將需要開挖的土方抽象為供給點，回填的土方當作需求點，并標注于待平整田塊的重心位置。參照土地整理預算定額中人工裝機運土的定額子目，其運輸單位均控制在500m以內，并且以百米為間隔，為實現調用客土時的直線運距最短，所以選擇500m、300m、200m、100m的調配距離，其調配結果如圖6所示。經過GIS計算后實際得供給點、有效供給點、需求點的個數等信息在GIS的屬性計算中完成，并給出運算結果，如表2所示。模式三（圖6）的調配方案不僅有效供給點最多，而且從直線調配距離最短的角度來看，200m的運輸路程也相對較短，所以選擇該模式為項目區土地平整土方調配方案。

圖6 土方調配方案圖（模式三）Fig.6 Earthwork distribution scheme（PatternⅢ）

4 結論與討論

文章通過高程點建立規劃整理區的DEM模型，運用地圖代數柵格相減原理，實現了土方量的計算。將交替式定位—配置模型與農地整理土方調配結合，以GIS的網絡分析功能，完成了土方的調配與方案優化。需要進一步研究的問題：（1）基礎數據的精度是實現土方計算與調配的基礎，如何便捷、高效檢驗DEM精度是需要進一步完善的內容。（2）農地整理土方調配盡量要做到填挖平衡以減少土石方倒運，需要與全場調配相協調，以避免任意填挖破壞全局平衡，但此類協調度在GIS中還未體現，只能考慮土方的全場配置，而忽略了內部平衡。（3）在土方配置時未考慮車輛運行的實際路線，土方調配不會簡單地從一個田塊的中心到另一個田塊的中心，未來可以在道路系統網絡中，設置道路結點，建立農地整理區土方調運的網絡路線圖，再依據新的調配模型完成資源的合理配置。

表2 土方調配模式表Tab.2 Pattern List of earthwork distribution

（References）：

［1］柳長順，杜麗娟.Arcview在土地整理項目土方量計算中的運用［J］.農業工程學報，2003，3（2）：224-227.

［2］胡振琪，高永光，李江新，等.ERDAS在土地整理土方量計算中的運用［J］.中國土地科學，2006，20（1）：50-54.

［3］魯成樹，吳次芳，汪峰.農地整理土方工程量計算及調配中地理信息系統的應用［J］.農業工程學報，2003，19（6）：289-292.

［4］李志林，朱慶.數字高程模型［M］.湖北：武漢大學出版社，2003：28-30.

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

［6］黎夏，劉凱.GIS與空間分析——原理與方法［M］.北京：科學技術出版社，2006：68-75.

［7］劉耀林.地理信息系統［M］.北京：中國農業出版社，2004：142-143.