CN105825003B - 一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法 - Google Patents

一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法。基于地理设计思想，综合运用GIS、数据挖掘与知识发现等技术，对农地整理工程进行地理抽象和相关知识规则提取与表示，完成农地整理规划中农田灌排子系统、水工建筑子系统、道路与防护林子系统的参数化设置，并探索农地整理工程地理对象空间关系、方位信息、属性信息、设计参数、知识规则等统一组织与管理方法，实现农地整理规划智能化设计；在此基础上，综合利用GIS空间查询、空间分析和三维建模技术，实现农地整理规划工程三维建模与三维可视化分析等操作。本发明能够有效提高农地整理规划设计的效率，可以为农田土地资源高效利用、农田信息化管理及精准农业提供技术支撑与决策依据。

Description

一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法
技术领域
本发明涉及一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法，技术应用领域为农用地土地整理规划。
背景技术
土地整理对增加耕地面积、提高土地质量、改善农业生产条件与生态环境具有重要意义，对农田灌排水量、地表水文结构、灌溉水质量以及区域水资源分配等均有一定的影响。利用地理信息技术、规划设计、水利工程学及地理设计等理论与方法对土地资源进行整理及对农田灌排进行合理规划设计可以提升农田质量、提高农业生产率。
近年来，GIS、GPS、摄影测量与遥感等现代空间信息技术被应用到土地整理、农田灌排系统设计、耕地资源评价等领域。如利用GIS技术，采取系统分析法与实证分析法，结合农地整理区DEM和TM影像纹理数据，构建三维景观模型，为三维可视化分析奠定基础；基于GIS耦合模型的Checkbook农田灌溉方法，并将其应用于研究区农田作物水分需求量评估中，可以提高作物产量；运用地理设计思想，构建3S技术支持下的研究区规划地理设计模型，为区域城乡规划多方参与讨论提供可视化空间重构虚拟模型及相关信息支撑。这些研究成果为GeoDesign支持下的农村土地整理规划设计新方法研究提供了借鉴和参考。
当前农地整理规划设计主要借助于CAD等专业软件的二维绘图功能，依据专家经验知识，手动绘制而成，由于各种设计参数和约束条件没有进行有效地归纳和集成，缺乏地理空间对象的抽象，因此当前规划设计工作效率较低且缺乏三维设计和分析。近年来，地理设计已经逐渐成为城乡规划、数字城市、风景园林和建筑设计等领域的研究热点，但将地理设计的思想应用于农地整理规划智能化设计与分析方法的研究较为鲜见。
发明内容
本发明的目的是提供一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法，该方法以地理设计为指导思想，综合运用GIS、虚拟地理环境、地理建模等技术，探索了农地整理规划中农田灌排子系统、水工建筑物子系统、道路与防护林子系统的地理抽象与地理建模方法，实现了基于GeoDesign的农地整理规划智能化设计方法；在此基础上，实现了农地整理规划工程三维建模与三维可视化分析等操作。
本发明的解决方案是：
一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法，具体步骤如下：
(1)农田灌排子系统设计，包括农地整理区灌溉流量设计、农地整理区排涝流量设计和农田灌排区沟渠断面设计：
(1.1)农地整理区灌溉流量设计分为灌溉渠规划设计和排水沟规划设计，其中，灌溉渠包括支渠、斗渠和农渠，排水沟包括支沟、斗沟和农沟；首先，根据农地整理区域生成支渠和支沟；其次，根据支沟的距离以及支沟和沟渠之间的间距生成斗渠，根据斗沟的起始位置和斗沟间距生成斗沟；最后，根据农渠的间距、农渠与前条斗渠的距离、以及农渠与前条支渠的距离生成农渠，根据农沟与农渠的距离和与斗渠的距离生成农沟；采用农渠→斗渠→支渠逐级汇流方法，依次完成农渠、斗渠和支渠的灌溉需水量设计；
(1.2)农地整理区排涝流量设计：利用平均排除法实现农地整理区排涝流量设计；
(1.3)农田灌排区沟渠断面设计，包括沟渠横断面设计与纵断面设计：根据经验知识和约束规则先假设沟渠的下底宽和沟渠水深值，输入沟渠理论推算流量和理论推算流速物理指标计算模型，采用迭代计算方法，计算沟渠理论推算流量和理论推算流速的初始值，并利用各自相应的验证模型，检验初始计算值是否满足要求，若不满足则修改沟渠下底宽和沟渠水深的设计值，再次输入计算模型进行迭代计算，直至满足验证模型的要求；沟渠进水口处设计水位指标直接根据各参数的物理指标计算模型得出；
(2)道路及防护林子系统设计，包括田间道、生产道、道路防护林及农田防护林设计；
(3)水工建筑物子系统设计，包括公路桥、管涵、节水闸与分水闸设计；
(4)农地整理规划智能化设计实现：根据(1)至(3)各子系统的设计方法，运用地理设计的思想对农田灌排子系统、水工建筑物子系统、道路及防护林子系统的组成要素进行地理抽象处理，利用Sketchup软件分别构建地理对象的三维模型库，利用ArcGIS API提供的三维模型转换接口，实现Sketchup三维模型与ArcGIS三维模型的转换；在此基础上，以二维的农地整理工程规划设计控制地图为背景底图，运用ArcGIS三维符号化、三维可视化及三维地理处理功能，实现农地整理工程三维虚拟地理场景的构建。
所述步骤(1.3)的沟渠纵断面设计中，水渠从进口处开始需每隔50m统计一次高程，所述高程包括地面高程、设计沟底高程及设计地面高程。
所述步骤(2)中，田间道设计原则是保证每块田地都有路可进，且道路互联成网，具体方法为：沿沟渠布置，遇斗沟或斗渠、农沟或农渠修涵洞，遇干沟或干渠、支沟或支渠、天然河道修桥。
本发明的有益效果：本发明对农地整理规划智能化设计与分析方法的研究，可以实现并能提升农田灌排系统利用率、提高农业生产管理效率、改善土地利用率等目的，为农业管理信息化及智能化提供可靠的技术支撑，进而可以有效提高农地整理工程规划设计的工作效率，可以为农田土地资源高效利用、农田信息化管理及精准农业提供技术支撑与决策依据。
附图说明
图1为本发明设计方法的流程图；
图2为农地整理工程规划设计地图；
图3为农地整理规划工程三维可视化场景。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
本发明以地理设计为指导思想，综合运用GIS、数据挖掘与知识发现等技术，对农地整理工程进行地理抽象和相关知识规则提取与表示，完成农地整理规划中农田灌排子系统、水工建筑物子系统、道路与防护林子系统的参数化设置，并探索农地整理工程地理对象空间关系、方位信息、属性信息、设计参数、知识规则等统一组织与管理方法，实现农地整理规划智能化设计；在此基础上，综合利用GIS空间查询、空间分析和三维建模技术，实现了农地整理规划工程三维建模与三维可视化分析等操作。具体为：
1.农地整理规划智能化设计方法实现
如图1所示，运用地理设计思想，利用GIS空间数据模型、地理建模、空间分析和可视化表达功能服务，借助于面向对象程序设计和GIS二次开发技术，实现农地整理工程农田灌排子系统、道路与防护林子系统、水工建筑物子系统中的地理对象空间布局设计、空间关系描述、方位信息与几何信息的描述与表达，构建农地整理工程规划设计控制地图，如图2所示。通过设计模块实现农地整理工程各子系统地理对象属性信息与设计参数设置、知识规则绑定和地理模型嵌入等操作，实现农地整理工程规划设计控制地图各个地理要素属性设置。
(1)农田灌排子系统要素属性设计
农田灌排子系统中的农渠(沟)、斗渠(沟)、支渠(沟)的属性设计都包括流量设计、横断面设计、纵断面设计。
(1.1)通过对作物种植比例、灌水定额、渠床土壤渗透系数、渠床透水指数、每次灌水延续时间、每天灌水延续时间、渗水量折减系数、田间水利用系数、渠道流量加大系数及安全超高等设计参数进行关联规则提取，采用农渠→斗渠→支渠逐级汇流方法，依次完成农渠、斗渠、支渠的灌溉需水量设计。
具体设计过程描述为：首先，根据农渠控制田块面积、农作物种植比例、灌水定额等因素，利用公式(1)计算农渠的设计流量。
其次，根据斗渠下设农渠数量、渠床土壤透水系数、渗水量折减系数等因素，利用公式(2)计算斗渠设计流量。
最后，根据支渠下设斗渠数量、渠床土壤透水系数、渗水量折减系数等因素，利用公式(3)计算支渠设计流量。
其中公示(1)、(2)、(3)中各参数名称、单位、约束规则、计算规则等描述，如表1所示。
表1农地整理区灌溉流量设计参数描述表
(1.2)考虑种植作物含水率、作物要求排水时间及作物地下水埋深等农地整理区排涝量影响因素，依据《农田排水工程技术规范》对排水沟设计径流深与规定排涝时间参数进行计算，利用公式(4)实现农地整理区农沟、斗沟、支沟的排涝流量设计。
其中，R为设计径流深，单位为mm；t为规定排涝时间，单位为d；S为排水沟控制面积，单位为m2。
(1.3)农渠(沟)、斗渠(沟)、支渠(沟)的断面设计包括横断面设计和纵断面设计。通过农田灌排子系统沟渠断面设计物理指标计算模型和验证模型，进行沟渠理论推算流量、理论推算流速、进水口处设计水位等物理指标的设计和沟渠宽度、深度、断面形状、设计渠(沟)底高程、设计地面高程、坡度比等几何属性的确定。
其中沟渠理论推算流量计算模型：
沟渠理论推算流量验证模型：
沟渠理论推算流速计算模型：
沟渠理论推算流速验证模型：
沟渠进水口处设计水位设计模型：
其中公示(5)、(6)、(7)、(8)、(9)中相关参数说明如表2所示。
表2农田灌排区沟渠断面设计物理指标计算模型参数说明
注1：支渠(沟)一般取值0.8～1.0m，斗渠(沟)0.5～0.8m，农渠(沟)0.3～0.6m；
注2：排水沟的比降也具有相同的约束规则，即农沟>斗沟>支沟。
基于上述物理指标计算模型和验证模型，根据经验知识和约束规则先假设沟渠的下底宽和沟渠水深值，输入理论推算流量和理论推算流速物理指标计算模型，采用迭代计算方法，计算沟渠理论推算流量和理论推算流速初始值，并利用相应的验证模型，检验初始计算值是否满足要求，若不满足则修改沟渠下底宽和沟渠水深的设计值，再次输入计算模型进行迭代计算，直至满足验证模型的要求。沟渠进水口处设计水位指标主要由控制点的田块高程、渠道长度、渠道比降及水流通过渠系建筑物的水头损失等参数确定，可以直接根据该物理指标的计算模型得出。
农田灌排子系统沟渠断面设计的沟渠宽度、深度、断面形状、设计渠(沟)底高程、设计地面高程、坡度比等几何属性主要通过地理计算、地理查询、设计窗口输入等方式确定。
(2)道路与防护林子系统要素属性设计
本发明设计方法中将农田灌排区道路子系统分为田间道和生产道，其中田间道又包含一级田间道和二级田间道。道路设计是依据《基本农田设计规范》中给定的指导标准，进行田间道和生产道横断面设计及纵断面设计的路面宽度、路基宽度、路床宽度、高出地面高度、路面厚度、变宽比参数、田间地面高程、设计路床高程、设计路基高程、设计路面高程等参数进行关联知识规则提取及设置，实现农田灌排区道路子系统地理对象的几何属性和设计参数的统一描述与表达。
本发明中将防护林分为道路防护林和农田防护林，并按照树木株数与长度的标准进行分类设计。每种类型的防护林设计又包括平面设计和断面设计，防护林平面设计是对行距、行数、株距及第一行距路边距离等进行关联知识规则提取及设置，实现防护林平面设计的参数化设置；防护林断面设计是通过对行距、行数、所在道路路面宽度、所在道路路面高程及所在道路路床宽度等进行知识规则提取及设置，实现防护林断面设计知识规则的参数化表示。
(3)水工建筑物子系统要素属性设计
水工建筑物子系统主要作用是输水、泄水及挡水。水工建筑物中公路桥的设计参数主要包括涵净垮、涵长、道路宽度及沟渠上口宽等。管涵设计参数主要包括横断面设计参数、纵断面设计参数、平面设计参数、结构设计及配筋设计等；节制闸设计参数主要包括平面设计参数、断面设计参数、钢筋布置设计参数及闸板横剖面设计参数等；分水闸的设计参数与节制闸相同。通过对水工建筑物设计参数设置，并进行相关关联规则的控制，实现公路桥、管涵、节制闸及分水闸等水工建筑物子系统的设计。表3以管涵为例说明水工建筑物设计参数与关联规则。
表3管涵设计参数与关联规则表
注1：管内径常用0.6与0.3两种规格，对应壁厚分别为0.065和0.035；
注2：开挖深度顺序为从最下部开始各层结构的名称，依次为：砂石垫层厚度、管底部混凝土基础厚度、壁厚、管内径、填土厚度。
2.农地整理规划工程三维建模与可视化分析
根据农地整理工程地理对象设计参数，利用Sketchup软件分别构建灌溉渠、排水沟、节制闸、分水闸、管涵、道路和防护林等地理对象三维模型库。利用ArcGIS API提供的三维模型转换接口，实现Sketchup三维模型与ArcGIS三维模型的转换。在此基础上，以二维的农地整理工程规划设计控制地图为背景底图，运用ArcGIS三维符号化、三维可视化及三维地理处理等功能，实现农地整理工程三维虚拟地理场景的构建，如图3所示。
在农地整理工程三维虚拟地理场景中，可以通过三维导航、漫游、放大、缩小及飞行等功能，实现灌溉渠、排水沟、公路桥、管涵、分水闸、节水闸、道路、防护林等地理对象的属性信息进行三维空间查询与三维可视化分析等操作，从而可以从全局、立体的角度对农地整理工程对象进行对比分析，为农地整理工程规划设计提供有效地指导。

Claims (2)

1.一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)农田灌排子系统设计，包括农地整理区灌溉流量设计、农地整理区排涝流量设计和农田灌排区沟渠断面设计：
(1.1)农地整理区灌溉流量设计分为灌溉渠规划设计和排水沟规划设计，其中，灌溉渠包括支渠、斗渠和农渠，排水沟包括支沟、斗沟和农沟；首先，根据农地整理区域生成支渠和支沟；其次，根据支沟的距离以及支沟和沟渠之间的间距生成斗渠，根据斗沟的起始位置和斗沟间距生成斗沟；最后，根据农渠的间距、农渠与前条斗渠的距离、以及农渠与前条支渠的距离生成农渠，根据农沟与农渠的距离和与斗渠的距离生成农沟；采用农渠→斗渠→支渠逐级汇流方法，依次完成农渠、斗渠和支渠的灌溉需水量设计；
农渠的设计流量利用以下公式计算
其次，斗渠的设计流量利用以下公式计算
最后，支渠的设计流量利用以下公式计算
上述公式中，S（亩）为农渠控制田地面积，α（无量纲）为作物种植比例，M（m3/亩）为灌水定额，t（H）为每天灌水延续时间，T（D）为每次灌水延续时间，L（Km）为渠道长度，A（无量纲）为渠床土壤透水系数，m（无量纲）为渠床透水系数，β（无量纲）为渗水量折减系数，ηf（无量纲）为田间水利用系数，n为斗渠下设农渠数量及支渠下设斗渠数量；
(1.2)农地整理区排涝流量设计：利用平均排除法实现农地整理区排涝流量设计；
(1.3)农田灌排区沟渠断面设计，包括沟渠横断面设计与纵断面设计：根据经验知识和约束规则先假设沟渠的下底宽和沟渠水深值，输入沟渠理论推算流量和理论推算流速物理指标计算模型，采用迭代计算方法，计算沟渠理论推算流量和理论推算流速的初始值，并利用各自相应的验证模型，检验初始计算值是否满足要求，若不满足则修改沟渠下底宽和沟渠水深的设计值，再次输入计算模型进行迭代计算，直至满足验证模型的要求；沟渠进水口处设计水位指标直接根据各参数的物理指标计算模型得出；
(2)道路及防护林子系统设计，包括田间道、生产道、道路防护林及农田防护林设计；
(3)水工建筑物子系统设计，包括公路桥、管涵、节水闸与分水闸设计；
(4)农地整理规划智能化设计实现：根据(1)至(3)各子系统的设计方法，运用地理设计的思想对农田灌排子系统、水工建筑物子系统、道路及防护林子系统的组成要素进行地理抽象处理，利用Sketchup软件分别构建地理对象的三维模型库，利用ArcGIS API提供的三维模型转换接口，实现Sketchup三维模型与ArcGIS三维模型的转换；在此基础上，以二维的农地整理工程规划设计控制地图为背景底图，运用ArcGIS三维符号化、三维可视化及三维地理处理功能，实现农地整理工程三维虚拟地理场景的构建；
所述步骤(1.3)的沟渠纵断面设计中，水渠从进口处开始需每隔50m统计一次高程，所述高程包括地面高程、设计沟底高程及设计地面高程。
2.根据权利要求1所述的一种GeoDesign支持下的农地整理规划智能化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，田间道设计原则是保证每块田地都有路可进，且道路互联成网，具体方法为：沿沟渠布置，遇斗沟或斗渠、农沟或农渠修涵洞，遇干沟或干渠、支沟或支渠、天然河道修桥。
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