（地图学与地理信息系统专业论文）田坎系数测算的新技术与方法研究.pdf

摘要 2 0 0 6 年，国务院关于开展第二次全国土地调查的通知( 国发 【2 0 0 6 1 3 8 号) 下发，正式吹响了第二次土地调查的号角。我国有大面 积的山区，轻微的耕地田坎系数差异会对耕地土地总面积产生较大影 响，因此科学、客观、准确测算耕地田坎系数，对土地调查数据的准 确性具有至关重要的作用。第一次土地详查时测算的田坎系数至今沿 用至今，已经不能够满足当前实际工作的需求，因此需要重新对全国 耕地的田坎系数进行统一测算。 田坎系数可以理解为耕地中田坎所占耕地地块面积的比重，耕地 地块面积按照田坎系数扣除田坎面积之后能得到相对准确的耕地实 际面积。根据现有的科学技术及经济水平，第二次土地调查只能采用 坡度与区域土地利用类型相结合的统计分析方法求取田坎系数。国务 院对全国耕地进行了统一的分类，测算耕地坡度称为需要解决的首要 问题。 随着遥感技术、数字摄影测量技术、g i s 技术以及计算机软硬件 的发展，通过对数字高程模型( d e m ) 分析处理直接获取耕地坡度 已经成为获取耕地田坎系数最主要的技术手段。本文在已有的田坎系 数与坡度关系研究的基础上，通过已获得的d e m 数据以及土地利用 图数据，结合计算机技术与a r c g i s 和m a p g i s 软件，运用g i s 空间 以及属性查询、分析、处理的方法，计算耕地的坡度等级，为计算坡 度田坎系数提供理论和方法上的支持。 关键词：第二次土地调查，田坎系数，d e m ，坡度，g i s a b s t r a c t i n2 0 0 6 ，t h en o t i c eo ft h es t a t ec o u n c i l i s s u e d ， w h i c hm e a nt h e s t a r t i n go ft h es e c o n dn a t i o n a ll a n ds u r v e y c a r r y i n go u tr u r a ll a n d s u r v e yt oi d e n t i f yv a r i o u su s i n gt y p e so fl a n d si nt h er u r a la r e a si sa n i m p o r t a n tt a s ko ft h es e c o n dn a t i o n a ll a n ds u r v e y t h e r ea r el a r g ea r e a so f m o u n t a i ni no u rc o u n t r y m i n o rd i f f e r e n c eo fc o e f f i c i e n to fr a i s e dp a t h t h r o u g hf i e l d s ( c r p f ) h a v eg r e a ti n f l u e n c ei nc a l c u l a t i n gt h et o t a ll a n d a r e ao fa r a b l el a n d s os c i e n t i f i c ， o b j e c t i v ea n da c c u r a t ee s t i m a t e so f c r p fi sv e r yi m p o r t a n tf o r t h ea c c u r a c yo fl a n ds u r v e yd a t a t h ec r p f g o ti nt h ef i r s tn m i o n a ll a n ds u r v e yi sn ol o n g e ra b l et om e e tt h ec u r r e n t n e e d so ft h ea c t u a lw o r k s ow en e e dt or e - c a l c u l a t et h e c i 冲fb y u n i f i e dr u l e s c i 冲fc a nb ei n t e r p r e t e da sap e r c e n t a g eo fn o n f a r m i n gc l o di n a r a b l el a n d a f t e rd e d u c t i n gc r p f ， a r a b l el a n da r e ac a nb er e l a t i v e l y a c c u r a t e l yt h ea c t u a la r e ao fa r a b l el a n d m e t h o d so fc i 冲fd e d u c t i o na r e n o r m a l l yo n l yu s e di nt h es u r v e ya r e ai sn o tl e s st h a nl ：2 0 0 0s c a l e f o r l a r g e - s c a l er e g i o n a ls u r v e ya r e a ， a c t u a lm e a s u r e m e n tm e t h o ds h o u l db e u s e d t h e r eh a v em a n yf a c t o r so fi m p a c t i n gt h ec i 冲f ， o fw h i c ht h e s l o p ew i t hc r p fe s p e c i a l l yc l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w oc l e a r l ya r e r e l a t e d t h e o r e t i c a l l y ， a sl o n ga st h ea n a l y s i so fd i f f e r e n tt y p e so fl a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec r p fa n ds l o p eg r a d i e n tc a nb eo b t a i n e d t h r o u g ht h ec o r r e s p o n d i n gc r p ft y p e so fa r a b l el a n d 晰t l lr e m o t e s e n s i n gt e c h n o l o g y ，d i g i t a lp h o t o g r a m m e t r y t e c h n o l o g y ，g i st e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs o f t w a r e a n dh a r d w a r e ，t h r o u g ht h e a n a l y s i so fd i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l ( d e m ) t oo b t a i nd i r e c t l ya r a b l el a n ds l o p eh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t t e c h n i c a lm e a n s i nt h i s p a p e r ， r e s e a r c hb a s e do ni nt 1 1 er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ee x i s t i n gc r p fa n ds l o p e ，t h r o u g ho b t a i n e dt h ed e md a t a a n dl a n d u s em a pd a t a ，c o m b i n e dw i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d m a p g i sa n da r c g i ss o f t w a r e ，t h eu s eo fg i ss p a t i a la n da t t r i b u t e q u e r y ，a n a l y s i s ，p r o c e s s i n gm e t h o d s ， c a l c u l a t i o no ft h es l o p er a t i n g o fa r a b l el a n d ，f o rc a l c u l a t i o nc r p fo f s l o p et op r o v i d et h e o r e t i c a la n d m e t h o d o l o g i c a ls u p p o r t ， a n da c h i e v e dv e r yg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：t h es e c o n dl a n ds u r v e y ，c o e f f i c i e n to fr a i s e dp a t h t h r o u g hf i e l d s ，d e m ，s l o p e ，g i s h i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：孽魏 日期：塑l 年上月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使川学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：竺l 年月卫e l 硕士学位论文绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 土地是人类赖以生存和发展的物质基础，是立国的基本要素之一，真实、准 确的土地调查数据是国家进行宏观经济调控和国土资源管理工作的基础和重要 依据。1 9 8 4 年至1 9 9 6 年开展的第一次全国土地利用现状调查( 以下简称第一次 土地调查) ，全面查清了当时我国的土地利用类型、面积、分布、权属和利用状 况等土地资源家底。为保持第一次土地调查成果的现势性，从1 9 9 6 年开始每年 在全国开展土地变更调查工作。第一次土地调查和年度土地变更调查成果，在政 府和部门规划、计划、国土资源管理、农业普查、行政勘界、工程建设等方面得 到广泛应用，为编制国民经济和社会发展计划、制定有关政策、科学决策等提供 了重要依据。 但随着社会、经济的快速发展，现有土地调查成果难以满足新形势下国民经 济宏观调控和国土资源管理工作的客观需要。主要表现在：一是调查指标和数据 的真实性满足不了新形势发展的需求。二是计划经济时期的土地调查机制、运行 模式已经难以适应当前市场经济发展的现实需要。三是传统的土地调查技术体系 已经难以满足高技术、信息化建设的实际需要。 2 0 0 4 年， 国务院关于深化改革严格土地管理的决定( 国发 2 0 0 4 1 2 8 号) 中及时提出了“启动新一轮土地调查，保证土地数据的真实性”。为贯彻国发 【2 0 0 4 1 2 8 号文的有关精神，国土资源部提出开展第二次全国土地调查工作，全面 查清全国城乡每块土地的类型、范围、面积、分布、权属以及利用状况等，获取 准确客观翔实的土地数据，夯实国土资源管理的基础，充分履行参与经济宏观调 控的职能。2 0 0 6 年，国务院关于开展第二次全国土地调查的通知( 国发 2 0 0 6 1 3 8 号) 下发，正式吹响了第二次土地调查的号角。 按照国务院的要求，第二次全国土地调查主要任务包括：开展农村土地调查， 查清全国农村各类土地的利用状况；开展城镇土地调查，掌握城市建成区、县城 所在地建制镇的城镇土地状况；开展基本农田状况调查，查清全国基本农田状况； 建设土地调查数据库，实现调查信息的互联共享。在调查的基础上，建立土地资 源变化信息的调查统计、及时监测与快速更新机制。 其中，农村土地调查是指对城市、建制镇以外的土地进行调查。农村土地调 查是第二次土地调查的重点任务。按照调查内容，农村土地调查又可以分为农村 土地利用现状调查、农村土地权属调查、基本农田调查三部分。农村土地利用现 硕士学位论文绪论 状调查是指，以1 ：1 0 0 0 0 比例尺为主，以县区为基本单位，按照统一的土地调查 技术标准，以正射影像图为基础，实地调查城镇以外的每块土地的地类、位置、 范围、面积、分布等利用状况，查清全国耕地、园地、草地、林地、农村居民点 等各类土地的分布和利用现状。 作为一项重大的国情国力调查，第二次全国土地调查的目的是全面查清全国 土地利用状况，掌握真实的土地基础数据，并对调查成果实行信息化、网络化管 理。耕地是最基本的农业生产资源，是第二次全国土地调查中最重要的基础数据 之一。准确掌握全国耕地的数量、分布。开展基本农田状况调查，将基本农田上 图、登记上证、造册，是落实最严格的耕地保护制度的根本前提，是监督、考核 各地耕地和基本农田保护任务目标完成情况、保障国家粮食生产能力的重要内容 【l 】 o 我国有大面积的山区，轻微的耕地田坎系数差异会对耕地土地总面积产生较 大影响，因此科学、客观、准确测算耕地田坎系数，对土地调查数据的准确性具 有至关重要的作用。国务院印发的第二次全国土地调查实施方案对与测算田 坎系数与坡度分级的方案有关的问题做了严格的规定： ( 1 ) 关于耕地坡度分级 为了评价耕地质量、测算田坎系数，需要对耕地坡度进行分级。耕地坡度指 耕地所处位置的地面坡度。根据 农村土地调查规程，耕地分为小于或等于2 度、大于2 度小于或等于6 度、大于6 度小于或等于1 5 度、大于1 5 度小于或等 于2 5 度、大于2 5 度五个坡度级。 每个坡度级再分为梯田和坡地两种耕地类型。其中，耕地类型由外业调查确 定，耕地坡度级根据数字高程模型( d e m ) 测定。全国土地调查办提供l ：5 万 d e m 供各地使用，或使用已有的l ：l 万d e m ，由此生成坡度图。将坡度图与 农村土地调查数据库叠加，确定耕地图斑的坡度级。进行坡度分级时，一般不打 破图斑界线，一个图斑确定一个坡度级。当一个图斑含有两个以上坡度级时，一 般以面积大的坡度级为该图斑坡度级。当一个耕地图斑面积较大、含有两个以上 坡度级，且不同坡度级之间的界线明显时，可将该耕地图斑划分为两个以上不同 坡度级。 坡度图由省级土地调查办公室统一组织制作。 ( 2 ) 关于田坎系数测算- 田坎系数测算的基本要求是：省级土地调查办公室统一组织测算本省田坎系 数，测算结果是检查验收内容之一；只测算坡度( 地面坡度) 大于2 度的耕地田 坎系数；田坎系数按耕地图斑扣除，不允许以村、县等为单位扣除；一次土地调 查时测算的田坎系数，经过检查资料完整、符合 农村土地调查规程要求的， 2 硕士学位论文绪论 可继续使用。 省级土地调查办公室应制定本省( 区、市) 的田坎系数测算方案，根据农 村土地调查规程提出具体方法和步骤，报全国土地调查办审批。由此可见测算 田坎系数是第二次土地调查一项重要的技术内容。 1 2 本文研究的内容和技术路线 本文主要在现有对田坎系数与坡度关系研究得出结论的基础上，通过已获得 的d e m 数据以及土地利用图数据，结合计算机技术与a r c g i s 和m a p g i s 专业 软件，运用g i s 空间以及属性查询、分析、处理的方法，计算耕地的坡度等级， 为计算坡度田坎系数提供理论和方法上的支持，取得了很好的效果。本研究主要 工作流程如下图所示： 图1 1 主要工作示意图 以上示意图中，单框矩形表示外部实体，双框矩形表示处理过程。 3 硕士学位论文 田坎系数的概念与测算方法研究 第二章田坎系数的概念与测算方法研究 2 1 田坎系数的概念 在土地的实际生产过程中，耕地肯定不会无缝地连接成块，其间必定夹杂诸 如农村道路、沟渠、田坎和零星的建设用地、老化果园、未利用地【2 h 9 1 等非耕地。 很多这样的非耕地在进行工程勘测时因为面积过小往往不能在地图上准确地表 示出来。若忽略所有的非耕地面积必然导致统计所得的耕地面积大于实际面积， 所以当需要知道耕地的准确或相对准确面积时，就需要扣除这些非耕地面积。一 般说来，耕地内普遍存在、数量众多且不适合在图面及数据库内记录的非耕地就 是田坎，所以通常把耕地内田坎面积与耕地面积之比称为田坎系数。耕地图斑面 积扣除了田坎系数之后就能得到实际的比较准确的耕地面积。 2 2 影响田坎系数的因素 影响田坎系数的因素有很多，总体来说，主要有以下几个方面 一、气候与降水 气候与降水量影响农作物的品质和产量，影响耕作水平，从而影响地类和各 地类田坎系数的变化倾向。 二、母岩及土壤 种类繁多的沉积岩、火山岩和变质岩在长期的地史发展过程中，成为土壤发 育的母岩，在山丘坡地上，露出地表的岩石因风化剥蚀而发育成为风化壳及在盆 地、河谷和低洼地区，由于外来泥沙物质的堆积，在这些地区形成平原、河流、 阶地等，其表层物质经生物作用等改造为各种类型的土壤，不同的土壤母质对田 坎系数的影响不同，一般而言母岩含石英颗粒较多。其土壤透水性较好，但粘性 较差，因而田坎系数较大，反之则较小。 三、耕作水平 由于地理位置不同及经济发展的不平衡，各地的耕作水平地也明显差异。耕 作水平的高低，对田坎系数的影响也不尽相同。经济较为发达，农业集约化、机 构化生产水平高的地区，地类图斑相对较大，田坎系数较小，反之亦然。 四、地形地貌 地形地貌对田坎系数的影响巨大，一般而言，盆地、谷地田坎系数小，丘陵、 山地田坎系数大【1 0 1 。 4 硕士学位论文田坎系数的概念与测算方法研究 2 3 坡度与田坎系数的关系 坡度是衡量耕地陡缓的程度。坡度的陡缓不仅直接制约着水土流失的程度， 也影响着农业机械化和农田基本建设的难易。一般认为，小于3 0 的缓坡耕地无 侵蚀危害，对机械化作业影响极小；坡度大于等于3 0 ，则各项影响随之增大，因 此坡度对耕地的利用现状影响较大。一般平原区由于耕作田块规模较大，农村道 路、沟渠较为规整，田坎较小，其沟路渠田坎系数要小于山区的沟路渠田坎系数 i i h l 2 。 目前研究的坡度对田坎系数影响的方法是通过对不同坡度梯田坡耕地抽样 实测、统计分析，得出梯田坎面积的变化规律，求出田坎系数与坡度的对应关系 【1 3 1 。对于样点的选取需要遵循以下原n - ( 1 ) 根据耕地分布状况、地貌类型分成若干区域。 ( 2 ) 在不同区域，按不同坡度级和坡地、梯田类型分组选择耕地样点，样点 应均匀分布，每个组合类型样点数量不少于指定数量；每个样点面积不应小于 1 0 亩。 ( 3 ) 当同一组测定的田坎系数最大值、最小值相差小于3 0 时，取其算术平 均数。 ( 4 ) 样点、田坎面积量算以乡为单位进行，耕地面积、净耕地面积汇总以村 为单位。 因为是抽样实测，所以在测算田坎系数的时候都是用实测法得出实际田坎面 积然后再计算求得。得出样点田坎系数后再与其坡度数值进行回归分析，就能得 出坡度与田坎系数之间的方程关系。已经有很多工作人员和学者对两者之间关系 做了大量的观测实验，得出的结论也大致相同。现总结如下： ( 1 ) 地面坡度越大田坎系数越大，两者的关系达到显著正相关水平。 ( 2 ) 土质田坎系数与地面坡度相关关系显著，且较之于综合田坎系数对地面 坡度的回归关系好；而石质田坎系数与地面坡度的关系不显著，可见土质对石质 具有掩盖性，从而使综合田坎系数对地面坡度的相关性达到显著水平。土质田坎 与石质田坎有一定的差异，前者系数大，后者系数小，即土质田坎宽，石质田坎 窄，这与实际是一致的。 ( 3 ) m 坎系数除与地面坡度、田坎质地关系很密切外，与田面坡面的大小也 有密切关系。在地面坡度相同的情况下，田面坡度与田坎系数成极显著的负相关， 田面坡度越大，田坎系数越小。 ( 4 ) 由样点得出的回归方程当地面坡度为平坡、微坡时，田坎系数的误差较 大。 5 硕士学位论文田坎系数的概念与测算方法研究 这些研究成果给第二次土地调查田坎系数的测算提供了理论依据，证明了以 地面坡度确定田坎系数从而扣除田坎的占地面积的做法是可行的；在以坡度作为 自变量计算田坎系数时，要考虑田面坡面对田坎系数的影响，即区分坡耕地与梯 田；在扣除田坎时最好将土坎石坎却别对待，分开扣除；对坡度很小的耕地，不 能用坡度计算田坎系数【1 4 1 。 2 4 计算实际耕地面积的常用方法 耕地中扣除非耕地面积通常通过实测法和系数扣除法两种方法来获得阍。 通常，只有在l ：1 0 0 0 0 、l ：5 0 0 0 比例尺调查区中才允许用田坎系数扣除田坎面 积。在比例尺不小于1 ：2 0 0 0 比例尺调查区中所有非耕地均用实测法扣除，不设 田坎系数【1 6 】。 2 4 1 实测法 实测法主要包括外业测图法、丈量法和航测内业测图法三种。 一、外业测图法 外业测图法是在测量人员施测大比例尺“土地详查 地图的过程中，根据田 坎形状逐个实测其边界，形成封闭图块，并在大比例尺“土地详查 图上表示出 来，经内业量算、统计和汇总而得田、土坎的面积。此方法适合于小面积的独立 征地图，如大坝、隧洞、渡槽、桥梁等建筑物，且测图比例尺应大于l ：5 0 0 。 对于大面积区域来说，由于田、土坎的形状复杂多样，数量较多且成线状，要将 田坎逐条施测在大比例尺“土地详查 地图上，并进行量算与统计，工作量非常 大。当测图比例尺小于l ：1 0 0 0 时，宽度较小的田坎要在地图上用双线就无法表 示出来，也就无法统计其宽度较小田坎的面积。因此最终的田坎面积精度不可靠 二、丈量法 丈量法是利用皮尺在实地对田坎的长度和宽度逐个进行丈量登记，然后进行 统计和汇总而得田、土坎的总面积。该方法所得田坎面积精度较高；但方法原始， 消耗大量的人力、物力，内外业工作量也非常大，目前已基本上不以采用。 三、航测内业测图法 航测内业测图法则指利用航空摄影像片的像片，在室内建立起立体模型，按 一定比例尺，将田坎边界及形状绘制在大比例尺“土地详查 地图上，经内业量 算、统计和汇总而得田、土坎的面积。该方法与外业测图法有相似之处，不同点 是外业工作量小，而内业工作量很大。当测图比例尺小于l ：1 0 0 0 时，宽度较小 的田坎要在地图上用双线就无法表示出来，也就无法统计其宽度较小田坎的面 积。因此最终的田坎面积精度也就不可靠。 6 硕士学位论文田坎系数的概念与测算方法研究 2 4 2 系数扣除法 一、坡度与区域土地利用类型相结合的统计分析方法 真正在实际生产过程中广泛应用，得到全国测绘行业认可的田坎系数测算方 法在全国各个地区虽然并不完全一致，但也大同小异。通常的做法是在一个乡或 村或者更大的范围内将需要测算田坎系数的区域分为几个类型区( 各地划分类型 区的方法有很大差异，如河南省将全省按地貌分为低山、丘陵、平地等地貌类型 区；福建的一些地区将区域范围内的耕地分为旱地和水田两种类型区) ，在每一 个类型区中，按照实测坡度大小，划分一定的等级区，在每个等级区内抽取1 0 以上的面积，选取一定数量的点位，求算一个田埂系数，用实测的方法求算田埂 系数后应用回归方法进行检验所求系数的可靠性。 该方法简便可行，解决了很多地区耕地田坎系数测算问题，但原耕地田坎系 数沿用至今，已经存在了一些问题，原耕地田坎系数存在的问题主要有如下几个 方面： ( 1 ) 原坡度测算分区比较多，不便于利用。按乡或村进行分区测算耕地田 坎系数，产生了相当多的琐碎耕地田坎系数，不便于使用，计算机管理也有难度。 ( 2 ) 所掌握的尺度不统一。原田坎系数有多个承担单位进行测算，使得作 业单位之间、同一作业单位的小组之间均存在尺度掌握上的差异。 二、利用高分辨率遥感影像测算的方法 因为第二次全国土地调查绝大部分地区都是使用卫星遥感影像图作为外业 调查的工作底图，所以有的学者对直接利用高分辨率遥感影像测算田坎系数的方 法进行了研究探讨。 刘常娟、杨敏华、张秀英探索了一个方法是通过对高分辨率遥感影像中耕地 和田坎的光谱特征、几何特征和纹理特征进行深入分析，结合高分辨率影像的特 点，运用面向对象的精细分类思想，提出的一种获取田坎和耕地面积，从而计算 田坎系数的方法l i 。该方法测算田坎系数的本质原理是通过对高分辨的遥感影 像的分析判读，从耕地中提取非耕地影像( 主要是田坎) ，然后再计算出田坎系 数。在高分辨率遥感影像上提取非耕地的传统方法以往一般是采用人工目视勾 绘，即作业人员目视计算机屏幕上显示的影像，人工勾绘非耕地范围。如果是人 工勾绘范围，那么这种传统的工作方法本质上跟航测内业测图法一样，只是把底 图由航片换成了卫片，内业工作量依然很大，且人工矢量化的作业精度受人为因 素影响较大。但是该方法与航测内业测图法的区别在于，在提取非耕地影像的过 程中可以采用专业的遥感图像分析软件，利用面向对象的分类方法快速区分耕地 与非耕地。 7 硕士学位论文田坎系数的概念与测算方法研究 面向对象的分类方法是影像分析、信息提取技术的重大突破，是一种智能化 的自动影像分析方法，其分类的基本单元是具有实际意义的“地块 对象，而不 是传统意义上的单个像素。该分类方法不仅利用了影像丰富的光谱信息，也充分 利用了影像的纹理和空间特征，如对象信息( 色调、形状、纹理、层次) 和类间信 息( 与临近对象、子对象、父对象的相关特征) 。它是人类大脑认知原理与计算 机处理能力有机结合的产物，即计算机自动分类的速度加上人工判读解译的知 识，能更智能、精确、有效地将对地观测影像数据转为所需专题信息。目前已有 的专业遥感影像分析软件e c o g n i t i o n 就是采用面向对象的信息提取技术来 进行影像分类和分析的遥感影像的，该软件采用一种独特的影像多尺度分割法 则，以任意尺度生成光谱和纹理结构相似的“均质多边形对象一，运用模糊逻辑 方法获得每个“均质对象”的属性信息，以“均质对象为基本单元，实现自动 聚类( 即分类) 。应用专业软件实现了耕地中非耕地信息的快速提取，能大幅提 高工作效率，既减少外业测量的工作量，也能减少内业的工作量。 使用该方法进行测算田坎系数还存在一些亟待完善和提高的问题。获取田坎 的精度直接依赖于影像质量。影像分辨率与质量越高，得到的田坎越细致，结果 越精确，反之则精确性越低。另外影像的时相对田坎获取精度也有一定影响。在 田坎与耕地及其周边地物反差较大的季节获取影像，精度更高一些。若耕地周围 的非耕地行覆盖了与耕地色彩类似的地物，则精确度也会大幅降低。 随着遥感技术发展，遥感影像的质量与分辨率必将日益提升，再加上绝大部 分地区进行外业调查采用的底图也是卫星遥感影像，因此这种测算田坎系数的方 法理论上来说是一种用比较新颖也比较有前途的方法。但是在进行第二次土地调 查的现阶段，各地所采用的遥感影像图的精度和分辨率还不能达到该方法对精度 的要求，因此该方法在第二次土地调查中还无法应用。 综上所述，第二次全国土地调查根据其特点只能采用坡度与区域土地利用类 型相结合的统计分析方法，根据耕地的坡度与类型来测算田坎系数。第二次全国 土地调查技术规程规定，在测算田坎系数时，将耕地分为坡耕地与梯田，统一了 全国范围内测算时耕地分类的问题，那么如何测算耕地坡度就是需要解决的首要 问题。 8 硕士学位论文计算坡度的方法研究 第三章计算坡度的方法研究 地面坡度( 简称坡度) 是对地面倾斜程度的定量描述，也是一个基本的地貌形 态指标【1 引。地面坡度影响着地表物质流动与能量转换的规模和强度，也是制约 生产力空间布局的重要因子。了解土地坡度情况，是客观地制定区域土地利用和 农业规划的关键，同时也有利于进行合理的开发和保护工作【1 9 1 。 3 1 传统的计算坡度的方法 在以往土地调查数据库建设中，耕地坡度的获取是通过对纸质的地形图或者 是电子地形图的量测得出的。它的工作流程一般是在土地调查数据库完成后，将 耕地图斑打印出来与纸质的地形图套合，再量测地面距离和高差，然后利用公式 t a na - - d h d s 计算出地面倾角，或者利用电子地形图在电脑上重复操作也可以得 出耕地的坡度。利用传统方法获取耕地坡度虽然很直观，但是存在很多缺陷。首 先，由于纸质地形图更新时间较长，因此现有的地形图基本上是2 0 世纪8 0 年代 的图纸，其现势性较差，基本反映不了现有地表形态，由此得出的耕地坡度也不 准确。其次由于传统方法获取的耕地坡度基本上由手工操作完成，工作效率低、 准确度不高，使土地调查数据库的成果存在欠缺。 3 2 通过d e m 计算坡度 随着遥感技术、数字摄影测量技术、g i s 技术以及计算机软硬件的发展，通 过对数字高程模型( d e m ) 分析处理直接获取耕地坡度已经成为获取耕地田坎 系数最主要的技术手段。所谓从数字高程模型( d e m ) 直接获取耕地坡度的方法， 就是遥感方法，即在室内通过空中三角测量加密方法，重现地表模型，然后从地 表模型中生成纯高程模型( d e 旧，再由d e m 模型生成用于耕地坡度值的等高线 图。此方法由于是直接从像对获取耕地坡度，而航飞更新的速度又较快，因此能 较好地保持其现势性。同时随着卫星技术的发展，可以利用卫片生成的立体像对 获取耕地坡度，这样就能使耕地坡度保持很好的现势性，为耕地、农田保护提供 更为准确的科学依据。另外，该方法从像对生成到耕地坡度的获得基本不用人工 干涉，提高了工作效率和准确度1 2 0 。 9 硕士学位论文计算坡度的方法研究 3 2 1d t m 与d e m 简介 数字地形模型( d t m ，d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ) 最初是为了高速公路的自动设 计提出来的。此后它被用于各种线路选线( 铁路、公路、输电线) 的设计以及各 种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图的绘制。 从数学的角度，高程模型是高程z 关于平面坐标x 、y 两个自变量的连续函 数，数字高程模型( d e m ) 只是它的一个有限的离散表示。高程模型最常见的 表达是相对于海平面的海拔高度，或某个参考平面的相对高度，所以高程模型又 叫地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其他的地表形态属性， 如坡度、坡向等。 数字地形模型是地形表面形态属性的数字表达，是带有空间位置特征和地形 属性特征的数字描述。数字地形模型中的地形属性为高程时称为数字高程模型 ( d e m ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 。高程模型是地理空间中的第三维坐标。由于 传统的地理信息系统的数据结构都是二维的，数字高程模型时建立的一个必要补 充。d e m 通常用地表规则网格单元构成的矩阵表示，广义的d e m 还包括等高 线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。d e m 主要的表示模型有三种，它 们分别是规则网格模型、等高线模型、不规则三角网( 1 1 n ) 模型。三种模型各 有优缺点。其中规则网格模型因为可以很容易地用计算机进行处理，还可以很容 易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形特征而成为d e m 最 广泛的使用格式。 规则格网通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则格网。规则格网将区 域空间切分为规则的格网单元。每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为 一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素 对应一个高程值。 对于每个格网的数值有两种不同的解释。第一种是格网栅格观点，认为该格 网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一 高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。第二种是栅格观点，认为该网格 单元的数值是网络中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样就需要使用一 种插值方法来计算每个点的高程。规则格网d e m 的优点是很容易用计算机进行 处理，也很容易计算等高线、坡度、坡向、山坡阴影和自动提取流域特征等等， 缺点是不能准确表达地形的结构和细部；数据量过大，还有通视问题比较难以计 算，而且在地形平坦的地方容易产生数据冗余【2 i j 。我们测算田坎系数时用到的 原始的d e m 数据都是用规则格网模型表示的。 l o 硕士学位论文 计算坡度的方法研究 3 2 2 常见格网d e m 数据格式 由于矩形格网d e m 存储量最小，并且还可以压缩存储，非常便于使用且易 管理，因而是目前运用最广泛的一种形式。目前尚没有一种通用的格式，各类软 件根据格网d e m 的结构特点设置了不同的存储格式1 2 2 1 - , 1 2 r i 。常见的d e m 格式有 下列几种： ( 1 ) v i r t u o z o - - - d e m v i r t u o z o - - d e m 数据以纯文本( a s c i i 码) 方式存贮。整个数据文件包含两部 分：文件头和数据体。其中主要属性信息放在文件头内。数据部分存储矩形格网 的值，代表该格网的高程，格网数据的存贮采取从南到北、从西到东的顺序存贮， 内容均匀排列、严格对齐。文件头的域值信息见表3 1 。 表3 1v i r t u o z o - - d e m 阈值信息 d e m 格式头文件信息( 项目名)说明 x o ，y o平面左下x ，y 方向坐标 v e r s i o n 版本信息 v i r t u o z 矿d e m d x ，d y 平面分辨率 r o w 行数 c o l u m n 列数 ( 2 ) c n s d l r i - - d e m 格式 c n s d t f - - d e m 是一种国家标准空间数据的交换格式，后缀一般是d e m ， 全称中华人民共和国国家标准地球空间数据交换格式，主要适用于数字高程模型 d e m 的数据以及网格化的g i s 层的数据。数据文件包含两部分：文件头和数据 体。文件头分两类数据：一类是基本的必需的数据；另一类是扩充的附加信息， 附加部分可以省略。文件头的基本组成单元是项目，格式为“项目名：项目值 ， 每个项目单独占一行。数据部分中存储矩形格网的值。为该格网的高程或地物类 型编码。格网数据的存贮，采取从北到南，从西到东的顺序存贮，并以纯文本 ( a s c i i 码) 方式存贮。内容按照行、列均匀排列、严格对齐。，使用记事本打开 会发现它是明码。如下所示： 硕士学位论文计算坡度的方法研究 * r l j 一w u j b | i ! jm 日u j d 瞎日吕& * 电邑一咚 n s d t fd e 鹤。 10 e 00 0 口 48 1 8 0 25 0 0 3 3 1 0 9 6 75 0 0 5 口0 0 50 0 0 9 5 9 1 2 4 2 ld 口 6 7 2 7 06 7 6 1 06 7 9 0 d6 8 2 0 86 8 5 8 06 8 7 5 06 8 9 2 86 9 i 6 06 9 5 0 08 9 7 i 口 6 9 8 7 07 0 8 4 87 8 20 07 0 3 0 87 0 3 9 07 0 4 7 8 4 6 0t 0 4 t 07 0 4 7 07 c 4 6 0 7 8 4 8 07 0 4 9 0 70 5 口07 0 5 2 07 0 5 5 0 t 0 6 3 0t 0 7 4 07 0 8 7 0t 1d 1 0t 1 2 1 0 7 1 4 3 07 16 8 0 7 1 9 4 07 2 2 9 0 7 2 5 5 0t 2 6 5 0 7 2 1 4 07 2 8 4 07 2 9 3 07 3 0 2 0 7 3 10 07 3 17 0 13 2 1 口 7 3 2 2 07 3 2 2 07 3 2 1 07 3 i9 07 3 16 0t 3 13 07 3 1 0 0 1 3 0 7 07 3 0 3 87 2 96 0t2 8 0 07 2 6 4 0t 2 4 9 87 2 3 7 07 2 2 4 07 2 1 2 07 2 0 0 0 硫 囤3 1 d 蛐的文件内謇 其中头文件每行数据对应的含义为： 瑾曲m a r 卜中国地球空间数据交换格式格阿数据交换格式 ( c n s d t f - l 8 或c - n s d t f - d e m ) 的标志。基本部分，不可缺省 v 豇萄o n 一该空阃数据交换格式的版本号，如l 0 基本部分，不可缺省。 u i t _ 坐标单位。k 表示公里，m 表示米，d 表示以度为单位的经纬度， s 表示以度分秒表示的经纬度( 此时坐标格式为d d d i m 4 s s s s s s 。d d d 为度， 删为分，s s 铝嚣为秒) 基本部分，不可缺省。 a l 曲卜方向角。基本部分，不可缺省。 c o m 舯镕卜压缩方法。0 表示不压缩，1 表示游程编码。基本部分，不可 缺省。 ) b 左上角原点x 坐标。基本部分，不- - f 缺省。 y ( 卜- 左上角原点y 坐标。基本部分，不可块省。 d 1 0 x 方向的间距。基本部分，不可缺省。 d y _ y 方向的问距。基本部分，不可缺省。 r o 肾行数。基本部分，不可缺省。 c o 卜列数。基本部分。不可缺省 磁h 廿一高程放大倍率。基本部分，不可缺省。设置高程的放大倍宰， 使高程数据可以整数存贮，如高程精度精确到厘米。高程的放大倍率为1 0 0 。如 果不是d l m 则l 配为t 。 ( 3 ) u s g s - - d d m 格式 硕士学位论文计算坡度的方法研究 u s g s d e m ，即美国地质测绘d e m 类型，其格式主要分为t y p e a ，b ，c 3 个部分，其中t y p e a 为文件头、t y p e b 为数据体及t y p e c 为对d e m 精度的说 明，默认为无精度说明，因此t y p e 为空。表3 3 为t y p e a ，t y p e b 域值信息。 表3 2u s g s - d e m 阈值信息 d e m 格式 头文件信息( 项目名)说明 u s g s - d e mt y p e ac o d ed e f i n i n gu n i to fm e a s u r e地平面坐标单位高程单位，取 g r o u n dp l a n i m e t r i cc o o r d i n a t e值m 或者英尺 t h r o u g h o u tt h ef i l e a4 ，2a r r a yc o n t a i n i n gt h e表示d e m 区域四角坐标 g r o u n dc o o r d i n a t e so ft h ef o u r c o m e r so ft h ed e m at h r e e e l e m e n tc o n t a i n i n g 表示d e m 中x ，y ，z ，方向 d e m 的空间分辨率 s p a t i a lr e s o l u t i o n ( x ，y ，z ) u s g s - d e mt y p e bat w o e l e m e n t a r r a y表示当前坡面中行列数，这个 c o n t a i n i n gt h er o wa n dc o l u n m行列数的是按照顺序进行标 i d e n t i f i c a t i o nn u m b e ro ft h e号，其中r o w 通常被设置问为 d e m p r o f i l ec o n t a i n e di nt h i s1 ，其列表示从l n 范围内的 r e c o r d 变换 at w o -e l e m e n t a r r a y 表示d e m 坡面的行列号，但 c o n t a i n i n gt h en u m b e r ( m ，n ) o f是这里不同，是将第二个元素 e l e v a t i o n si nt h ed e m p r o f i l e 列数n 设置为1 ，m 为表示的 行数 t w o -e l e m e n t a r r a y表示当前坡面第一高程对应 c o n t a i n i n g t h e g r o u n d的平面坐标x ，y p l a n i m e t r i cc o o r d i n a t e s ( x g p ， y g p ) o ff i r s te l e v a t i o ni n t h e p r o f i l e at w o e l e m e n ta r r a yo fm i n表示当前坡面内高程极值 a n dm a xe l e v a t i o i l sf o r t h e p r o f i l e 当前坡面内m * l 高程信息 ( 4 ) b i l ， b i p ，a n db s q 矗峪t e ff i l e s b a n di n t e r l e a v e db yl i n e ( b i l ) 线波段交叉，b a n di n t e r l e a v e db yp i x e l ( b i p ) 像素 1 3 硕士学位论文计算坡度的方法研究 波段交叉，a n db a n ds e q u e n t i a l0 3 s q ) 顺序波段是三种常见的多波段图像组织图 像的方法。b i l 、b i p 、和b s q 并本身并不是图像格式，而是为了减少图像像素 的实际像素值的文件大小而采用的一种手段。它们支持单、多波段图像的显示， 可以用来处理二值图