CN104281912B - 土地利用山地地形变更方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土地利用变化数据分析领域，公开了一种土地利用山地地形变更方法。本发明中，通过对获取的DEM数据，进行栅格和矢量空间运算，生成等高线；并应用生成的等高线对山地进行切割，得到新生成的山地条带面；计算山地条带面相邻的两根等高线的值，从而确定山地条带面的高程值，然后将山地条带面的数据转变为与DEM等单元尺寸的栅格数据；并进行栅格计算，获取最终梯田与环境相融的DEM数据，也就是，根据山地的地理空间分布，按照一定的等高标准将山地的DEM数据修正成阶梯状，可以使得部分适宜的坡地在空间形态上改为梯田，从而进行有效的田间管理。
Description
技术领域
本发明涉及土地利用变化数据分析领域，特别涉及土地利用山地地形变更方法。
背景技术
当前研究农村生态环境问题主要依据比较成熟的面源污染模型(SWAT等)。这些计算机环境模拟工具虽然强大，但是并没有响应区域土地利用变化给生态调控带来的现实和潜在的影响。在流域生态系统中，生态调控涉及多种环境要素。其中土地利用的变化与人类活动是生态调控密切相关的主要要素。而生态调控是建立在对未来的准确估计和评价之上的现有经验成果的一种先验性假设。因此，利用计算机软件和环境模拟是研究有效的流域生态调控的关键和重要技术手段。
农业面源污染控制一直是我国生态环境领域研究热点。不同田间管理模式、土地利用方式等人类活动对流域尺度下的面源污染控制的影响，是当前研究的热点之一。地理信息系统技术与面源污染模型相结合，一方面将新开发的模型用于农业面源污染预测，以及各种农业管理措施对流域水质及负荷的影响；另一方面应用现有模型对流域的面源污染进行评估，开展了一系列研究并被引入到实际应用中，取得了一定成果。
面源污染模型通过对整个流域系统及其内部发生的复杂过程进行定量描述，识别其污染物主要来源、传输和迁移路径，分析面源污染产生的时间和空间特征，计算和预报污染产生的消减和负荷及其对水体的影响，评估土地利用变化以及不同管理与技术措施对面源污染负荷和水质的影响，为开展农业生态系统的生态调控提供依据。国外面源污染模型的发展过程大致经历了4个阶段，即经验统计模型、机理模型、功能模型，以及引入3S技术和不确定性的改进版模型。美国国家环保局网站2013年列出93模型。其中，SWAT(Soil andWater Assessment Tool)模型是一种比较常用的功能模型。
SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型由美国农业部开发的适用于较大流域尺度的面源污染负荷计算模型，在水文循环模拟的基础上，将参与和影响水文循环的各要素变化过程进行模拟和分析。它由SWRRB模型逐步发展起来，并吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC、ROTO的主要特征，可应用在水文分析、面源污染模拟、环境变化下水文响应、最佳管理措施(BMPs)对流域环境的影响评价等方面，同时也可扩展到作物产量模拟和与其他模型连用方面。模型也模拟河流内的生物和营养物的变化过程，包括藻类的生长、死亡和沉积、水中的溶解氧、通气和光合作用、水温变化等，模型可以模拟5种形态的氮和磷，包括矿质态和有机态氮磷，但所需的参数较多。近年来SWAT模型以其强大的功能、先进的模块结构、高效的计算、免费的程序源代码、友好的输入输出模式和界面、专门的网络交流平台等优势，在北美、欧洲、亚洲、非洲等地区都得到了快速推广与应用。
土地利用/覆被变化(Land use and land cover change，LUCC)会引起地表各种地理过程以及地表景观结构的变化，是水文、水环境变化的重要因素。不合理的土地利用方式及其导致的土地利用管理措施和土地覆被类型的变动，将会改变污染物在土壤、生物、水等圈层中的运移和传输途径，增加营养元素流失量，加强流域水土流失并影响水文循环的所有环节，导致面源污染加剧，引发水体水质恶化。此外，土地利用类型结构对面源污染的产生和形成的影响不仅表现在数量结构上，也表现在土地利用空间格局上。空间格局的差异会导致面源污染有不同产生和形成过程。在同一流域内，相同土地利用类型结构的不同空间配置格局会对面源污染物的输出产生不同影响。
大部分坡地茶园在开垦时未整修为水平梯田，且超坡度开垦和顺坡种植现象比较常见。茶农在管理茶园时通常采取清耕作业，使得表土裸露，施肥方式多为地表撒施化肥，极少开沟施肥和施用有机肥。由于没有采用坡地的方式进行有效田间管理模式，茶园施肥所产生的面源污染成为保护环境中的一个难题。由于梯田是在坡地上分段沿等高线建造的阶梯式农田，是治理坡耕地水土流失的有效措施，蓄水、保土、增产作用十分显著。梯田的通风透光条件较好，有利于作物生长和营养物质的积累。对减少因降雨所产生的地表径流导致营养物质的流失所产生的面源污染具有显著的作用。因此，可以将坡地(或山地)的茶园进行地形变更，变成梯田，但如何进行变更(也就是以何种方式将坡地变更成梯田较为合理)是目前较难解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土地利用山地地形变更方法，使得部分适宜的坡地在空间形态上改为梯田，从进行有效的田间管理。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种土地利用山地地形变更方法，包含以下步骤：
获取数字高程模型DEM数据，进行栅格和矢量空间运算，对所述获取的DEM数据生成等高线；
获取山地空间数据，选择需要改造的山地地理要素，构成需要改造的山地要素集；
应用所述生成的等高线对山地要素集里的山地地理要素进行切割，得到新生成的山地条带面；
计算与所述新生成的山地条带面相邻的等高线的值，并确定所述新生成的山地条带面的高程值；
在确定所有山地条带面的高程值后，将山地条带面的数据转变为与DEM等单元尺寸的栅格数据；
进行栅格计算，获取最终梯田与环境相融的DEM数据。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过对获取的DEM数据，进行栅格和矢量空间运算，生成等高线；并应用生成的等高线对山地进行切割，得到新生成的山地条带面；计算山地条带面相邻的两根等高线的值，从而确定山地条带面的高程值，然后将山地条带面的数据转变为与DEM等单元尺寸的栅格数据；并进行栅格计算，获取最终梯田与环境相融的DEM数据，也就是，根据山地的地理空间分布，按照一定的等高标准将山地的DEM数据修正成阶梯状，可以使得部分适宜的坡地在空间形态上改为梯田，从进行有效的田间管理。
另外，在对所述获取的DEM数据生成等高线的步骤中，生成的等高线的间隔距离为实际梯田的垂直投影宽度。根据实际山地的地理空间分布，确定等高线的间隔距离，可以使模型模拟得到的数据更准确，从而可以用于指导实际山地地形变更，尽可能使山地地形变更合理化。
另外，在进行栅格和矢量空间运算的步骤中，包含以下子步骤：
对所述获取的DEM数据，进行不规则三角网TIN加密的重生成处理，得到浮点型栅格数据；
对所述浮点型栅格数据进行山地矢量空间运算。
另外，所述浮点型栅格数据的像元精度为0.1～0.5米，可尽可能的适应精细化的梯田形态。
另外，在所述选择需要改造的山地地理要素，构成需要改造的山地要素集的步骤中，以选定山地的最小外接多边形为范围，切割复制一份同一区域的DEM数据，作为需要改造的山地要素集。
另外，在计算与所述新生成的山地条带面相邻的等高线的值，并确定所述新生成的山地条带面的高程值的步骤中，
对新生成的山地条带面要素进行遍历，在每一个遍历到的条带面要素中，取条带面相邻两等高线中值小的一条对应的值赋值给所述条带面要素，作为所述新生成的山地条带面的高程值。
另外，在所述将山地条带面的数据转变为与DEM等单元尺寸的栅格数据步骤中，采用以下公式进行转变：
TerracesDEM＝Con(IsNull(BandRaster),BandRaster,TeaZoneDEM)
其中，TerracesDEM为梯田的数字高程模型数据；Con为栅格计算时的判断函数；IsNull为栅格计算时识别是否有值的函数；BandRaster为等单元尺寸的原地形栅格数据；TeaZoneDEM为原始坡度形态下的茶园区域数字高程模型数据。
另外，在所述选择需要改造的山地地理要素的步骤中，根据规划需要，选择所述山地空间数据中的一个子区域作为需要改造的山地地理要素。
另外，在所述选择需要改造的山地地理要素的步骤中，根据规划需要，选择所述山地空间数据中的同一种类的若干个子区域作为需要改造的山地地理要素。
另外，在所述获取数字高程模型DEM数据的步骤中，所述DEM数据为公开的全球DEM卫星数据，或者高精度的测绘数据。
附图说明
图1是根据本发明一较佳实施方式的土地利用山地地形变更方法的流程图；
图2是坡地茶园变更为梯田茶园的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明的实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的一较佳实施方式涉及一种土地利用山地地形变更方法，其流程如图1所示，具体包含以下步骤：
步骤101，获取数字高程模型DEM数据，进行栅格和矢量空间运算，对获取的DEM数据生成等高线。
在本步骤中，DEM数据可以为公开的全球DEM卫星数据，或者高精度的测绘数据。并且，在对获取的DEM数据生成等高线时，生成的等高线的间隔距离为梯田的垂直投影。
此外，进行栅格和矢量空间运算时，可以先对获取的DEM数据，进行TIN的重生成加密处理，得到浮点型栅格数据；再对浮点型栅格数据进行山地矢量空间运算。从而可以避免由于DEM数据的像元精度过低，而导致难于进行栅格和矢量空间运算。浮点型栅格数据的像元精度可提高至0.1～0.5米m，使得在山地种植植株冠幅较小时，也能进行栅格和矢量空间运算。
步骤102，获取山地空间数据，选择需要改造的山地地理要素，构成需要改造的山地要素集。
根据规划需要，可以选择山地空间数据中的一个子区域作为需要改造的山地地理要素，也可以选择山地空间数据中的同一种类的若干个子区域作为需要改造的山地地理要素。在具体进行选择时，以选定山地的最小外接多边形为范围，切割复制一份同一区域的DEM数据，作为需要改造的山地要素集。
步骤103，应用生成的等高线对山地要素集里的山地地理要素进行切割，得到新生成的山地条带面。
步骤104，计算与新生成的山地条带面相邻的等高线的值，并确定新生成的山地条带面的高程值。
在本步骤中，对新生成的山地条带面要素进行遍历，在每一个遍历到的条带面要素中，取条带面相邻两等高线中值小的一条对应的值赋值给所述条带面要素，作为所述新生成的山地条带面的高程值。
步骤105，在确定所有山地条带面的高程值后，将山地条带面的数据转变为与DEM等单元尺寸的栅格数据。
步骤106，对转变得到的与DEM等单元尺寸的栅格数据进行栅格计算，获取最终梯田与环境相融的DEM数据。
与现有技术相比，本实施方式通过对获取的DEM数据，进行栅格和矢量空间运算，生成等高线；并应用生成的等高线对山地进行切割，得到新生成的山地条带面；计算山地条带面相邻的两根等高线的值，从而确定山地条带面的高程值，然后将山地条带面的数据转变为与DEM等单元尺寸的栅格数据；并进行栅格计算，获取最终梯田与环境相融的DEM数据，也就是，根据山地的地理空间分布，按照一定的等高标准将山地的DEM数据修正成阶梯状，可以使得部分适宜的坡地在空间形态上改为梯田，从进行有效的田间管理。
以下以茶园要素为例进行详细阐述。
本实施方式的方法使用GIS工具将坡地地形数据在茶园要素所在的范围内改变地表形态。最直接的做法是根据茶园的地理空间分布，按照一定的等高标准将茶园的DEM数据修正成阶梯状。在本实施方式中，主要分为两大步骤，一个是DEM的数据准备，另外一个就是应用GIS软件开发工具实现基于栅格化的DEM进行的栅格和矢量空间运算。
(1)DEM的获取
当前提供DEM的获取方式主要有两种，一种是公开的全球DEM卫星数据，当前可以公开获取的DEM数据为90m像元的SRTM3、30m像元的ASTERGDEM、1000m的GTOPP30，当前公开的DEM数据对比如表1所示。另一种是精度比较高的测绘数据，例如，GSI的10m间隔的等高线和国内国土部分和测绘部门的5～10m间隔的等高线，在特定的地区，例如水库库容分析时，国内还会用到1m间隔的等高线。
(2)栅格和矢量空间运算
在修正过程中，充分利用DEM生成等高线，并用等高线进行等高切割DEM。在生成过程中，由于茶园植株冠幅较小，因此每层梯田的宽度也较小，因此，常用的30m等高线和90mDEM是难以进行。在进行栅格和矢量空间运算时，先进行不规则三角形TIN(Triangulated)加密的重生成处理的浮点型栅格数据，像元精度提高到0.1～0.5m，以便尽可能的适应精细化的梯田形态。然后，对新生成的栅格数据进行茶园矢量空间运算。此外，值得说明的是，栅格计算与矢量空间运算是两种不同的GIS计算方法，在计算方法中栅格计算与矢量空间计算是不同的过程，但共同构成整体。而TIN(Triangulated)加密的重生成处理采用现有的通用GIS平台即可完成。
将坡地茶园变更为梯田茶园的流程图如图2所示，具体步骤如下：
(1)数据准备
在本步骤中，除了上述DEM获取中提到的DEM数据的准备外，还需要提前生成等高线间隔距离以梯田的垂直投影间距为宽度的等高线(contour)。
此外，需要说明的是，梯田内种植的植物种类和山地的坡度影响最后形成的梯田的宽度，主要是以实际地形来确定，最小不应小于植株冠幅；也就是说，等高线的间隔距离通过植物种类和地形确定。根据实际山地的地理空间分布，确定等高线的间隔距离，可以使模型模拟得到的数据更准确，从而可以用于指导实际山地地形变更，尽可能使山地地形变更合理化。
(2)选择需要改造的茶园
根据规划需要，对区域内的茶园进行选择，可以选择多个茶园，也可以仅选择一个，图2的流程中本部分算法仅考虑了一个茶园的情况，多茶园将加层循环即可。在选定茶园的最小外接多边形为范围切割复制一份同一区域的DEM数据用于算法修改(TeaZoneDEM)。同时应用第(1)步已经生成的等高线对茶园面要素进行切割。
(3)梯田形成及高程获取
对新生成的茶园条带面要素进行遍历，在每一个遍历到的条带面要素中，取相应相邻两等高线中值小的一条的值赋值给茶园条带面要素，作为其高程值。
在这一步骤中，高程值的获取过程可视为模型中梯田的形成过程。现实中的梯田也就是将坡地进行平整，变成阶梯状平地的过程。在这一过程中，最关键的是如何确定梯田的宽度，反应在模型中则是如何确定高程值，因此，确定了高程值，则可指导现实中将坡地平整成梯田时梯田的宽度。
(4)对DEM数据的修改
在所有茶园条带数据赋值后，将条带数据转变为与DEM等cell size的栅格(raster)数据(BandRaster)。并下述应用公式进行栅格计算，获取最终梯田与环境相融的DEM数据：
TerracesDEM＝Con(IsNull(BandRaster),BandRaster,TeaZoneDEM)
其中，TerracesDEM为梯田的数字高程模型数据；Con为栅格计算时的判断函数；IsNull为栅格计算时识别是否有值的函数；BandRaster为等单元尺寸的原地形栅格数据；TeaZoneDEM为原始坡度形态下的茶园区域数字高程模型数据。
如图2所示流程图一共涉及2层循环嵌套，对于一个需要改造n个茶园用地实例时，整个算法实现步骤共需要执行时间耗度为：
Cmaxi和Cmini分别为第i个茶园要素的最大等高线和最小等高线的值。
由上述公式可以看出，整个方法执行速度非常快，便于多次对参数进行调整，以便于找到最合适的将坡地茶园变更为梯田茶园的参数，从而便于进一步进行有效的田间管理。
此外，值得说明的是，实验表明，将坡地茶园变更为梯田茶园，采用等高种植可以明显降低茶园的总氮流失率，其中0～2°可以降低4.72％，2～6°可以降低48.2％，6～15°可以降低24.61％，15°以上可以降低33.17％。结果发现2～6°时实施等高种植降低总氮流失率效果显著，研究其原因是因为研究区域内2～6°时主要为低山丘陵，上部少有其它土地利用，而6～15°、15～53°两种坡度分类是在坡地，其上部林地产生的地表径流对茶园的影响明显，同时由于2m宽度的等高种植在此种坡度时效果不显著。
上面方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本领域的普通技术人员可以理解，上述实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (5)
1.一种土地利用山地地形变更方法，其特征在于，包含以下步骤：
获取数字高程模型DEM数据，对所述获取的DEM数据，进行不规则三角网TIN加密的重生成处理，得到浮点型栅格数据，对所述浮点型栅格数据进行山地矢量空间运算，对所述获取的DEM数据生成等高线；
获取山地空间数据，选择需要改造的山地地理要素，构成需要改造的山地要素集；其中，根据规划需要，选择所述山地空间数据中的一个子区域作为所述需要改造的山地地理要素，或选择所述山地空间数据中的同一种类的若干个子区域作为所述需要改造的山地地理要素；以选定山地的最小外接多边形为范围，切割复制一份同一区域的DEM数据，作为需要改造的山地要素集；
应用所述生成的等高线对山地要素集里的山地地理要素进行切割，得到新生成的山地条带面；
计算与所述新生成的山地条带面相邻的等高线的值，并确定所述新生成的山地条带面的高程值；其中，对新生成的山地条带面要素进行遍历，在每一个遍历到的条带面要素中，取条带面相邻两等高线中值小的一条对应的值赋值给所述条带面要素，作为所述新生成的山地条带面的高程值；
在确定所有山地条带面的高程值后，将山地条带面的数据转变为与DEM等单元尺寸的栅格数据；
对所述转变得到的与DEM等单元尺寸的栅格数据进行栅格计算，获取最终梯田与环境相融的DEM数据。
2.根据权利要求1所述的土地利用山地地形变更方法，其特征在于，在对所述获取的DEM数据生成等高线的步骤中，生成的等高线的间隔距离为实际梯田的垂直投影宽度。
3.根据权利要求1所述的土地利用山地地形变更方法，其特征在于，所述浮点型栅格数据的像元精度为0.1～0.5米。
4.根据权利要求1所述的土地利用山地地形变更方法，其特征在于，在所述将山地条带面的数据转变为与DEM等单元尺寸的栅格数据步骤中，采用以下公式进行转变：
TerracesDEM＝Con(IsNull(BandRaster),BandRaster,TeaZoneDEM)
其中，TerracesDEM为梯田的数字高程模型数据；Con为栅格计算时的判断函数；IsNull为栅格计算时识别是否有值的函数；BandRaster为等单元尺寸的原地形栅格数据；TeaZoneDEM为原始坡度形态下的茶园区域数字高程模型数据。
5.根据权利要求1至4任一项所述的土地利用山地地形变更方法，其特征在于，在所述获取数字高程模型DEM数据的步骤中，所述DEM数据为公开的全球DEM卫星数据，或者高精度的测绘数据。
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