基于DEM的地形因素在城镇土地定级中的量化——以通化县城区为例

华中农业大学学报（社会科学版），（总９１期）２０１１（１）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｏｃｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　基于Ｄ　Ｅ　Ｍ的地形因素在城镇土地定级中的量化　——以通化县城区为例　王建国　，殷海燕　，董会和　，李大伟　，高光伟　（１．吉林大学地球科学学院，吉林长春１３００６１；２．通化县国土资源局，吉林通化１３４１００）　摘要在城镇土地定级中地形地貌因素对土地质量空间分布产生着深刻的影响。以土地定级技术为依　托，结合通化县城区土地定级，采用ＧＩＳ手段，建立区域ＤＥＭ数据模型，以坡度、坡向数据模型的建立及量化为　例，提出地形因素在城镇土地定级中量化应用的新方法。按照城市规划对地形的要求，利用栅格数据空间分析　功能，快速求取海量栅格单元的要素作用分及其总分，对地形地貌因素进行科学量化，揭示基于地形地貌因素定　级下的城镇土地质量空间分布差异性规律。　关键词ＤＥＭ（数字高程模型）；地形；量化；城镇土地；定级　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—３４５６（２０１１）０１—００６１—０４　中图分类号：Ｆ２９３　２　自然条件对城镇土地特别是山区城镇土地的利　Ｓｙｓｔｅｍ，ＧＩＳ）强大的空间分析功能和数据管理能　用方式具有很大的影响。其中地形地貌因素，对城　力，采集、存储、管理、分析研究地区的土地资源在时　址选择、用地选择、功能区组织到道路、工程管网以　空上的分布特征，是土地评价领域的主要发展趋　３］。应用ＧＩＳ技术，建立定级区域数字高程数据　及城市景观的组织都有显著影响。在城市总体规划　势［ｇｉｔａｌ　Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ，ＤＥＭ）可以真实客观　中考虑较多的地形影响因素有：高程、坡度、坡向　模型（Ｄｉ等＿１］。通化县县城处于低山地区，如图ｌ所示，地形　地对自然条件中的地形条件，即地形坡度、坡向、洪　　坡度、坡向、微地貌、洪水淹没等地形条件是配置城　水淹没、微地貌等定级因子进行客观有效的量化。区各业用地时重要条件，直接影响城区土地功能和　本文以地形坡度、坡向为例，分析地形地貌因素在城　　城区土地的级别水平。在城镇土地分等定级规程　镇土地定级中的量化过程。（ＧＢ／Ｔ　１８５０７—２００１）中，设定“自然条件优劣度”这　一一、ＤＥＭ数据模型的建立　城镇土地定级因素，即“自然条件包括土地的工程　ＤＥＭ是地理数据库中的核心数据，是进行地形　地质、地形、地下水、洪水淹没等状况，按各城镇内部　　自然条件差异，选择指标，确定评分标准，并确定区　分析的基础，广泛应用于测绘、遥感以及资源、环境、城市规划、农林、灾害、水电工程、军事等领域ｌ４］。带　域作用分值”ｌ２］。　有空问位置特征和地形属性特征的数字地形模型　中，地形属性为高程时即称为数字高程模型，是地形　表面形态属．胜信息的数字表达，是表示区域上地形　的三维向量有限序列，即：　Ｐ一　ＥＥＦ￣Ｗ，｛　一（五，　，　），ｉ一１　２…　｝：ｌ（１）　其中（　，Ｙ　∈Ｄ）是平面坐标，　是（１ｚ　，Ｙ　），　对应的高程。ＤＥＭ表现形式主要包括规则矩形格　网（Ｇｒｉｄ）和不规则三角网（Ｔｉｎ）等。　图１通化县城区空间分布图　１．ＤＥＭ数据采集　利用地理信息系统（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　收稿日期：２０１０—１０—２８　ＤＥＭ数据的采集主要有以下３种方式：一是野　＊吉林省ＩＮ＋资源厅城镇土地定级更新项目“通化县城镇土地定级及基准地价更新研究”（２００８１０）。　作者简介：王建国（１９７６一），男，讲师，博士研究生；研究方向：国土资源利用与评价。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｇ０９＠ｍａｉｌｓ．ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．　６２　华中农业大学学报　（总９１期）　外实地测量，实地选择地形特征点、线作为采样点，　面的夹角，是高度的变化的最大值比率。地表上某　利用野外测量仪器，测量其大地三维坐标，记录并存　点的坡度Ｓ是地表曲面函数Ｓ一厂（ｚ，　）在东西、南　储数据，在计算机中通过专业软件生成ＤＥＭ。二是　北方向上的高程变化率的函数，即坡度算法的数学　航空摄影测量，它是利用航空、航天技术获取的航空　表达式为：　遥感像片在解析测图仪或全数字摄影测量系统上根　据摄影测量原理进行匹配、采样，自动或半自动直接　Ｓ—ａｒｃｔａｎ　Ｊｐ＋ｑ×１８０／７ｃ　（２）　式中Ｓ指坡度，户是３２方向高程变化率，ｇ是Ｙ　获取高精度ＤＥＭ数据。三是地形图扫描矢量化，　方向高程变化率。因此，求解某一点的坡度，关键是　将地形图扫描成数字图像，经变换纠正后利用专业　求解Ｐ和ｇ。栅格ＤＥＭ是以离散形式表示地面曲　软件将其转换为矢量数据，赋予其属性编码，最终获　面，在栅格ＤＥＭ上对　和ｑ求解，是在局部范围　取ＤＥＭ［　。其中，地形图扫描矢量化，是提取　内，通过数值微分方法或局部曲面拟合方法进行Ｌ８］。　ＤＥＭ数据的常用方法之一，可以按照不同的精度　提取坡度可在ＡｒｃＧＩＳ内直接用菜单“Ｓｐａｔｉａｌ　要求选用不同比例尺的地形图来满足设计要求，　Ａｎａｌｙｓｔ”下的命令“Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ”中的“Ｓｌｏｐｅ”　其主要工作量集中在等高线的矢量化上，技术上　实现坡度专题层的提取。研究区地面坡度的栅格数　简单可行。　２．ＤＥＭ的生成　据空间分布如图３所示。　目前我国最为常用的是以地形图为数据源生成　ＤＥＭ。本文采取等高线数字化后提取高程数据，通　过将地形图扫描、地图配准后进行矢量化，形成数字　地形图，将地形图等高线赋与高程值后，选用二元多　项式拟合内插算法ｌ－６］构建ＤＥＭ。首先确定最佳分　辨率（本文为５０　ｍ），然后选择构建ＤＥＭ的方式。　比较构建ＤＥＭ的两种主要方式的优缺点，结合　ＡｒｃＧＩＳ软件本身的特性，选择规则格网（Ｇｒｉｄ）建立　ＤＥＭ。　在ＡｒｃＧＩＳ中生成ＤＥＭ是在Ａｒｃｔｏｏｌｂｏｘ下　Ｓｐｅｔｉｏｌ　Ａｎａｌｙｓｔ　ｔｏｏｌｓ工具中Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ下的Ｔｏ—　图３通化县城区地面坡度空间分布图　２．坡向数据模型建立及空间分布特点　ｐｏ　ｔｏ　Ｒａｓｔｅｒ命令完成［７］，得到研究区的数字高程的　栅格数据如图２所示。　地面任何一点切平面的法线在水平面的投影与　过该点的正北方向的夹角称为该点的坡向。按顺时　针方向计算，坡向值范围为Ｏ。～３６０。。对于每一个　栅格来说，即确定ｚ值改变量为最大变化的方向。　坡向的数学表达公式为：　ｆＯｄｉｒｅｃｔｉｏｎ￣ａｒｃｔａｎ（詈）　（３）　式中，Ｐ、ｑ的含义和坡度中的解释一致。公式　是在曲面为平面的特定条件下所提出的，但实际的　地形表面往往都是不规则的曲面，分析时引入差分　的算法。即：坡向在ｚ轴为东西方向，　轴为南北方　向的坐标系中。ＤＥＭ坡向计算数学模型为：　一图２通化县城区数字高程图　１８０￣－ａｒｃｔａｎ（　）＋９０　Ｔ　（４）　二、地形地貌因素模型的建立　１．坡度数据模型建立及空间分布特点　提取坡向可在ＡｒｃＧＩＳ内直接用菜单“Ｓｐａｔｉａｌ　Ａｎａｌｙｓｔ”下的命令“Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ”中的“Ａｓｐｅｃｔ”　实现坡向专题层的提取。研究区地面坡向空间的栅　　地面坡度可以表述为过该点的切平面与水平地　格数据分布如图４所示。第１期　王建国等：基于ＤＥＭ的地形因素在城镇土地定级中的量化——以通化县城区为例　６３　不同坡向用地：即东坡面、东南坡面、南坡面、西南坡　面、西坡面、西北坡面、北坡面、东北坡面。不同区域　不同坡向对建筑的总体布局有较大影响，如南坡面　接受日照量大于北坡面，因而更适合于居住Ｌ１　。　根据地面坡向对城市建设的影响，以及ＤＥＭ　模型下的坡向分布图，将定级区域划分为９级不同　的地面坡向区域，其作用分值见表４。　表４通化县城区定级地面坡向因子作用分值表　坡向　平地正南东南西南正西正东北西北东正北　旦坌笪　图４通化县城区地面坡向空间分布图　！　！　３．通化县城区土地级别的确定　坡度、坡向等地形地貌因素分值量化后，即可根　三、地形地貌因素分值的量化　在山地城市中，地形对土地质量产生着深刻的　影响，只有揭示地形与土地质量、城市经济活动之间　据城镇土地分等定级规程的技术要求，采用空间叠　加分析、缓冲区分析、最短路径分析等空间数据分析　方法提取各定级单元地形因素分值和其他因素分　值，采用多因素加权求和法等方法计算定级单元总　分值，依据单元总分频率对城镇土地级别进行初步　划分。　的关系，将定性描述变成定量计算，才能准确地评估　土地级别，达到为城市经济服务的目的Ｌ９］。参与城　镇土地定级的定级因子根据其空间的分布类型可分　为点状因子、线状因子、面状因子。各种定级因子其　作用分值的计算方法不尽相同，主要取决于因子的　类型［１。。。通过ＤＥＭ形成坡度、坡向的栅格数据为　通化县城区土地定级中，综合用地和工业用地　分别划分为３个级别。其中地形因素在城镇土地定　级中作用显著。１级用地区域坡度范围介于Ｏ～１８。　之间，坡向多介于７０。～２９０。之间的南坡向或偏南坡　向；３级区域坡度介于２５。～４５。之间，坡向多介于　３１０。～５０。之间的北坡向或偏北坡向；２级区域中相　应因素处于１级和３级因素的中间水平。　面状要素。面状要素的单元作用分值就是各要素本　身功能分，即将面状要素覆盖范围内的所有单元都　赋予相同的值，该值其功能分相等。利用栅格数据　空间分析模块中的栅格计算能够简便快速地求取海　量栅格单元的要素作用分及其总分口　。　１．坡度定级因子分值置化　四、结　语　通过通化县城区土地定级实践表明，在城镇土　地定级中，采用ＧＩＳ手段，建立ＤＥＭ数据模型提取　不同坡度对城市建设、城市规划具有不同的影　响，间接影响城镇土地质量水平。李德华［　］详细地　阐述了不同坡度条件对土地使用、建筑形态、工程活　地形信息，确定基于地形地貌因素定级中的地面坡　度、坡向等因子的分布空间，根据城镇建设用地规划　动、道路建设、及城市交通和水土保持等的影响；王　万茂等［１。］对工业、居住、城市交通、对外交通的适用　坡度进行了论述。参考以上成果中不同坡度对城市　建设的影响、各项建筑适用坡度和城市排水的要求，　以及ＤＥＭ模型下的坡度分布图，将通化县城区定　级区域划分为６级不同的地面坡度区域，各级区域　地形地貌条件及作用分值如表３所示。　表３通化县城区土地定级地面坡度因子作用分值表　坡度　作用分值Ｏ。～３。　３。～７。　７。～１１。１１。～２８。２８。～３４。３４。～４６。　８ｏ　１００　８０　６Ｏ　４０　２０　等对地形条件的要求及城镇土地分等定级规程的技　术要求，对地形地貌因素进行科学量化，划分城镇土　地级别，能够更加真实客观地反映城镇土地质量空　间的差异性分布规律。　参考文献　［１］兰寅，武锋强，夏清．ＡｒｃＧＩＳ软件在地形分析中的应用［Ｊ］．北　京测绘，２００８（１）：２３—２９．　［２］中华人民共和国．城镇土地分等定级规程（ＧＢ／Ｔ１８５Ｏ７—２００１）　［ｓ］．北京：国土资源部，２００１：２５．　［３］邱炳文，周勇，李学垣，等．ＧＩＳ在土地资源和生态环境研究中　２．坡向定级因子分值量化　根据地形图顺时针方向，可将地面划分为八个　的应用、问题与展望口］．华中农、　大学学报：社会科学版，　华中农业大学学报　（总９１期）　１９９９，１８（６）：３４９　３５５．　Ｅ９］刘明皓，邱道持，汪红群．山城土地定级地形因素评价方法探讨　［４］　汤国安，李发源，刘学军．数字高程模型教程［Ｍ］．北京：科学出　［Ｊ］．河北师范大学学报：自然科学版，２００２，２６（３）：３０９—３１５．　版社，２０１０：１．　［１ｏ］张艳，郭新城，李世平．基于ＧＩＳ的城镇土地定级因素因子定　［５］　张冬．基于ＤＥＭ的地形分析与实现［Ｄ］．南京理工大学信息学　量化模型研究ｒＪ］．资源环境与工程，２００５，１９（３）：２２５—２３０．　院，２００３：７．　［１１］林先成，杨武年．基于栅格数据空间分析的城镇土地定级研究　［６］　刘耀林．土地信息系统［Ｍ］．北京：中国农业出版社，２００３：１５４．　［Ｊ］．国土资源遥感，２００８，７６（２）：９９—１０８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