GPS在土地开发整理中的应用以辽阳市弓长岭区汤河镇瓦子村土地整理为例.docx
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GPS在土地开发整理中的应用以辽阳市弓长岭区汤河镇瓦子村土地整理为例
GPS在土地开发整理中的应用
—以辽阳市弓长岭区汤河镇瓦子村土地整理为例
摘要
土地测量是运用测量学以及遥感技术等方法对各类土地的地形、分布、数量等特征进行测量并绘图的工作。
土地测量是土地管理中的重要工作，包括地籍测量、地形测量、土地利用现状测量、土地平整度测量、荒山荒地等后备土地资源调查等方面。
土地测量工作有着碎部点数量多、精度要求高等作业特点，并且对作业区域内整体的精度平衡有一定要求。
在不同的环境下，土地测量工作有着不同的难点。
对于农村的土地测量工作，由于其作业区域面积较大，关系复杂，测量工作任务繁重，采用常规的测量手段很难在较短的时间内完成测量工作，对于城市的土地测量工作，由于其建筑物较为密集，交通繁忙，对土地的应用种类多，利用常规手段进行土地测量难以取得较好的效益。
基于全球定位系统的实时动态监测技术的出现，为解决上述问题提供了可能。
GPS实时动态技术相比传统的土地测量技术，具有其独特的优点。
本文以辽阳市弓长岭区汤河镇瓦子村为例来探讨GPS技术在土地开发整理中的应用。
首先阐述了实施本次项目背景，其次,分析了GPS技术在土地测量工作中的依据、测量方法及内容。
最后,就土地测量提出了自己的看法和体会,具有一定的参考价值。
关键词：
GPS技术 土地整理 应用
前言
土地测量是惠及人民群众的民心工程,既可增加耕地有效面积、确保耕地点补平衡,又能提高耕地质量,促进农业增效、农民增收。
而GPS测量的技术设计是进行GPS测量定位的最基础性工作,它是根据国家现行的规范、规程,针对GPS控制网的用途及用户要求,提出对GPS测量的网形、精度及基准等的具体设计。
本文就GPS技术在土地测量工作中的作用进行探讨。
1综合说明
1.1项目概述
1.1.1项目名称
辽阳市弓长岭区汤河镇瓦子村土地整理项目。
1.1.2项目性质
该项目为土地整理项目。
1.1.3项目建设规模
辽阳市弓长岭区汤河镇瓦子村土地整理项目总面积为36.75公顷，建设规模为36.59公顷。
1.1.4地貌类型
项目区整体地形变化较大，高程介于114.0～134.0米之间。
地势由中间较低，两边较高。
局部的其他草地，由于乱挖乱掘，个别地块，农民无序的开垦，使得地形变化较复杂，高低不平。
1.1.5建设目标
根据项目区内土地资源、水资源、电力资源和土地利用现状的特点，该项目重点为土地整理，即整治中、低产耕地，同时兼顾对未利用地的开发，对整理的土地实施土地平整工程、田间道路工程以及其他工程等的规划。
综合规划分层布局，通过上述工程，全面提高土地质量，有效增加耕地数量，进而达到地平整、路相连，基础设施较为完备，整体功能较强的高产农业区。
为农业生产规模化、集约化创造良好的条件，确保耕地总量动态平衡的效果。
1.2项目背景
1.2.1弓长岭区地理位置
弓长岭区地处辽宁省中部，辽阳市东南。
地处北纬41°02′45″～41°15′54″、东经123°14′32″～123°33′10″，东与辽阳县河栏镇和下达河乡相连，西与辽阳县兰家乡为邻，西北与辽阳县小屯镇相依，东北与灯塔县鸡冠山接壤。
区域东西宽24.45km，南北长25.78km,边界长110.6km，总面积292.07km
1.2.2弓长岭区自然条件
a）地形地貌
弓长岭区地势南高北低，山峦起伏，成带状走向，为典型的山区丘陵地带，属长白山余脉，海拔多在350m以上，极高点海拔804.6m，其中海拔小于350m的面积约176.7km2，，占面积的13%。
b）气象
弓长岭区属北亚温带大陆性季风气候。
总的气候特点是:
季风气候显著，雨热同期，干冷同期，寒冷期长，雨量集中，日照充足，温差较大，四季分明。
春季干燥风大，气温回暖较快;夏季雨量充沛，高温高湿;秋季雨量骤减，气温速降;冬季气候干冷，为期漫长。
年均气温为7.8℃，变化温度为7.6-7.9℃。
1月份为全年气温最低月，平均气温为-11.5℃，7月份为全年最热月，平均气温24.8℃。
1.2.3项目提出理由
土地整理是提高土地质量、促进土地集约化利用和保证土地资源可持续利用的重要措施和手段，是实现耕地总量动态平衡战略的重要保障。
土地整理不仅可以增加耕地面积，对改善农业生产条件和生态环境，促进农村现代化建设、农村经济发展和农民增收也具有重要意义。
1.2.4生态效益
土地整理的生态效益就是土地整理投资行为主体的经济活动影响了自然生态系统的结构与功能，从而使得自然生态系统对人类的生产、生活条件和质量产生直接和间接的生态效应。
对土地的局部平整，土壤的改良，改善了土壤的团粒结构，提高了土壤肥力，生物资源得到保护和繁衍增殖；建设健全该区的道路与水利排灌系统，从而达到增加有效灌溉耕地，提高土壤的利用率；通过对坑塘水面的整理，有效增加水域面积，可以有效改善项目区局部小气候，增加湿度；植树46320棵，完成道路绿化林带、农田防护林网的建设，使林带、林网的配置方向、林带防护间距等均符合当地的自然条件及林业行政管理部门颁布的相关标准，林木覆盖率达到3.91％。
加上附近山林，将大大增加项目区内生态系统的容量。
从而，使项目区进一步提高了防风固沙、防治水土流失、抗御自然灾害的能力，大大降低了项目区内土地水侵、风蚀、水土流失的可能，更加可以起到调节气温，净化空气，美化环境的作用。
最终使区内生态环境进入良性循环，并逐步改善。
使项目区实现人口、资源、环境的协调、持续发展。
1.2.5社会效益
土地整理的社会效益指土地整理实施后，对社会环境系统的影响及其产生的宏观社会效应。
即土地整理在获得经济效益、生态效益的基础上，从社会角度出发，为实现社会发展目标（促进农村经济发展、增加就业机会、缩小城乡差别、公平分配等）所作贡献与影响的程度。
2土地开发整理中的测量内容和方法
2.1GPS定位方法分类
GPS的定位方法，若按用户接收机天线在测量中所处的状态来分，可分为静态定位和动态定位；若按定位的结果来分，可分为绝对定位和相对定位。
静态定位，即在定位过程中，接收机天线（观测站）的位置相对于周围地面点而言，处于静止状态；而动态定位则正好相反，即在定位过程中，接收机天线处于运动状态，定位结果是连续变化的。
绝对定位亦称单点定位，是利用GPS独立确定用户接收机天线（观测站）在WGS-84坐标系中的绝对位置。
相对定位则是在WGS-84坐标系中确定收机天线（观测站）与某一地面参考点之间的相对位置，或两观测站之间相对位置的方法。
各种定位方法还可有不同的组合，如静态绝对定位、静态相对定位、动态绝对定位、动态相对定位等。
目前工程、测绘领域，应用最广泛的是静态相对定位和动态相对定位。
按相对定位的数据解算，是否具有实时性，又可将其分为后处理定位和实时动态定位（RTK），其中，后处理定位又可分为静态（相对）定位和动态（相对）定位。
2.2GPS定位原理
2.2.1绝对定位原理
利用GPS进行绝对定位的基本原理为：
以GPS卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量
为基础，并根据卫星的瞬时坐标（XS,YS,ZS），以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。
设接收机天线的相位中心坐标为（X,Y,Z），则有：
卫星的瞬时坐标（XS,YS,ZS）可根据导航电文获得，所以式中只有X、Y、Z三个未知量，只要同时接收3颗GPS卫星，就能解出测站点坐标（X,Y,Z）。
可以看出，GPS单点定位的实质就是空间距离的后方交会。
GPS绝对定位图
2.2.2相对定位原理
GPS相对定位，亦称差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。
其基本定位原理为：
如图7-22所示，用两台GPS用户接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点（测站点）在WGS-84坐标系中的相对位置或称基线向量。
GPS相对定位图
2.3GPS的后处理定位方法
目前在工程中，广泛应用的是相对定位模式。
其后处理定位方法有：
静态定位和动态定位。
2.3.1静态相对定位
（1）方法
将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。
可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。
最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。
（2）用途
是精度最高的作业模式。
主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。
（3）精度
可达到（2-5mm+1ppm）
2.3.2动态相对定位
（1）方法
先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。
最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。
动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。
（2）用途
适用于精度要求不高的碎部测量。
（3）精度
可达到（10-20mm+1ppm）
图一：
静态相对定位模式 图二：
动态相对定位模式
2.4GPS实时动态定位（RTK）方法
2.4.1RTK工作原理及方法
与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。
RTK定位图
2.4.2RTK用途
适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。
2.4.3作业范围
目前一般为10km左右。
2.4.4精度
可达到（10-20mm+1ppm）
2.5 GPS技术的特点
GPS又称为全球定位系统（GlobalPositioningSystemGPS）是美国从上世纪70年代开始研制历时20年耗资200亿美元于1994年3月完成其整体部署实现其全天候、高精度和全球的覆盖能力现在GPS于现代通信技术相结合使得测定地球表面三维坐标的方法丛静态发展到动态丛数据后处理发展到实时的定位与导航极大地扩展了它地应用广度和深度。
载波相位差分法GPS技术可以极大提高相对定位精度。
在小范围内可以达到厘米级精度。
此外由于GPS测量技术对测点间地通视和几何图形等方面地要求比常规测量方法灵活、方便已完全可以用来施测各种等级地控制网。
GPS全站仪的反展在地形和土地测量以及各种工程、变形;地表沉陷监测中已经得到广泛应用在精度、效率、成本等方面显示出巨大的优越性。
2.6测量内容
在以往的地形测量中，所反映的内容主要有两大类：
一种是地物，即用特定的符号表示地物的平面位置；另一种是地貌，即把地面的高低起伏形状用规定的符号表示出来。
而土地开发整理的勘测内容不仅涵盖地形测量的两大要素，还需要表示地块的范围、面积、权属及地类等。
具体如下：
1.应按照国家有关地形测绘的要求与标准，进行地形要素测绘；
2.项目区内土地权属界限必须实测并标注清楚，须标注行政村；
3.要求测绘项目区内地类界，地类界须封闭，并标注地类符号；
4.涉及基本农田保护区的项目，应测绘标注出基本农田保护区的界限；
5.道路测绘应表示类别、等级和建设标准，公路应根据实际宽度按比例尺表示，道路经过村庄时不得中断，应按实际位置测绘。
对于主要道路，沿中心线每40米标注路面高程；
6.电力线、通信线应准确表示，电线杆、铁塔位置应实测，不连线，但在杆架处绘出线路方向。
电力线路要区分高低压线线路并注明电压等级，标注项目区附近可利用的变电站及相关参数。
电力线路应做到类别、等级分明，走向连贯；
7.村庄居民点只实测外围，并标注村庄名称，居民点内与项目区有关的沟、渠、路、桥、水系等应标注；
8.池塘、河道应测注塘底、河道底的高程；河道每隔30米测注一个高程点；同时，要能反映塘、河的断面形状；
9.所有水闸应测闸顶高程并注明水闸的孔数及水闸的宽和高，用n-A-B表示（n为孔数，A为宽度，B为高度）；所有涵洞应测注涵洞底高程，并应表示涵洞的宽度及高度（即孔径）用A-B表示（A为宽度，B为高度）；
10.沟渠测绘应至少每隔30米测注一个高程，转弯处必须测注一个高程）；宽度不能依比例尺表示的，在沟渠旁标注宽度；沟渠的材质、流向、深度应明确标注；
11.水田应逐块测绘，不允许综合，并测注高程；
12.项目区内的零星建筑物及主要附属设施应测绘实地外围轮廓；
13.项目区内的坟墓群应测绘其范围，并标注坟墓个数。
对于散坟应逐一测绘，不得取舍；
14.项目区内的空地、草地、荒地等均应测绘，不得综合；
15.高于1米的陡坎应表示，并标注坎高；
16.图上宽度大于2mm独立林带，应实测其范围并标注植被类别；
17.依地形绘制等高线，地形图高程按相应比例尺和精度要求实测，精确至0.01m。
图上100cm2，平原地区的高程点不少于20个，丘陵地区不少于40个。
特别应注意标注道路中心、交叉路中心、独立地物、涵洞、桥面、山顶、鞍部、各类坎顶、坎底的高程；
辽阳市弓长岭区汤河镇瓦子村土地整理项目区位于弓长岭区西南部的汤河镇境内，涉及汤河镇的瓦子1个行政村。
项目区土地整理总面积为36.75公顷，其中不动工的风景名胜及特殊用地占地面积0.16公顷。
扣除不动工面积0.16公顷后，项目区项目建设规模为36.59公顷。
土地利用现状为旱田占地面积34.33公顷，占项目区建设规模的93.82%；其他草地占地面积1.60公顷，占项目区建设规模的4.37%；农村道路占地面积0.66公顷，占项目区建设规模的1.81%。
表3-2项目区现状土地利用结构表
二级类
总范围
建设规模
面积
所占比例
面积
所占比例
编码
名称
编码
名称
（公顷）
（%）
（公顷）
（%）
01
耕地
013
旱田
34.33
93.41
34.33
93.82
小计
34.33
93.41
34.33
93.82
04
草地
043
其他草地
1.60
4.35
1.60
4.37
小计
1.60
4.35
1.60
4.37
10
交通运输用地
104
农村道路
0.66
1.80
0.66
1.81
小计
0.66
1.80
0.66
1.81
20
城镇村及工矿用地
205
风景名胜及特殊用地
0.16
0.44
——
——
小计
0.16
0.44
——
——
合计
36.75
100.00
36.59
100.00
根据弓长岭区政府关于加快土地生产条件改善，强化农业基础建设的总体要求和部署，市委、市政府责成辽阳市国土资源局弓长岭区分局根据国土资源部和省国土资源厅关于土地整理的有关政策，计划分期、分批对弓长岭区的未利用土地及现状耕地进行土地开发整理。
将调整种植作物结构，使现有农田由粗放性的耕作向集约转化，实施综合开发和“三个效益”统一为目标的高效农业区，促进传统农业向现代化农业转变。
根据辽宁省国土资源厅土地开发整理工作的统一部署，为增加有效耕地面积，提高耕地质量，改善农业生产条件和农业生态环境，增强农业生产的稳定性，确保当地农业经济的可持续发展及耕地总量平衡。
按照《关于组织申报国家投资项目有关问题的通知》[国土资厅发（2001）64号]文件的要求及《辽阳市土地利用总体规划》确定的土地利用方向，选择辽阳市弓长岭区汤河镇的中、低产田、荒草地为土地整理申报项目，当地群众要求改变落后的农业生产现状的愿望非常强烈，参与热情十分高涨，希望给予资金支持。
2.7测量方法与成图
土地开发整理所使用的勘测图，是进行工程规划设计和施工的重要依据。
为完成这项工作，有条件的，需在国家大地控制网的基础上建立测区基本控制点，并在此基础上进行加密来满足测图需要。
一般情况下，顾及到作业的方便、经济合理、条件的限制及其适用意义的考虑。
近几年勘测的面积大多数在1000亩以下，所以土地开发整理中心自开展这项业务以来均未联测国家控制网。
只是采用“自由定位”的方法使用GPS全球定位系统布设一定数量的控制点，再利用RTK进行测量。
本次测量中主要利用RTK采集高程点，首先把基准站架设在控制点附近，利用流动站和手簿进行校正，其次校正完成后，利用流动站在测区均匀采集高程点，对一些特殊的地物比如（沟、坎等）需多采集些高程点以便内业成图时能准确地表示出来。
在利用RTK仪器的同时还使用了trimble手持GPS机，利用手持机对地类和地物边界、面积等进行确定。
2.7.1坐标系
由于GPS的普及，在实施单位不作特殊要求的情况下，测量单位一般都采用“自由定位”的方法来确定坐标。
若今后根据需要被整理地块的“自由定位”点坐标换算到1954年北京坐标系，只需要在原来三个“自由定位”点上与国家网联测，计算出旋转角度、平移增量以及缩放比例，就可以实现全部点的换算。
2.7.2比例尺问题
近几年来，在土地开发整理地块勘测的过程中，比例尺一般不作
具体规定。
只要不跨幅测量，根据土地开发整理地块面积的大小，图幅的清晰程度以及图纸幅面，自行调整安排比例尺。
从以往测量情况看，比例尺大致在1：
500—1：
3000之间，个别比例尺达到了1：
5000。
2.7.3成图方法
近几年，由于计算机的大量普及，再加上测绘技术的不断升级，目前的成图方法高效、快速、美观，只要将野外采集到的数据输入到计算机，然后利用专业绘图软件进行编辑，就可以根据用户需要在绘图仪中输出彩色或黑白图件。
本次内业成图主要利用南方CASS软件，首先把外业数据导入电脑中，利用南方CASS软件打开外业测量数据，用多段线把相同的地物点连在一起，填充相应的地类符号，同时利用DTM方法，根据外业高程点绘制等高线，再根据给定的高程计算出土方量，为施工提供有力的依据。
下面主要介绍下土方测量与计算方法。
2.7.4土方测量方法
不同土方测量方法比较试验设水准仪法、经纬仪法和RTK法等测量方法。
（1）水准仪法：
用5m塔尺将现场划分成若干个边长是5m的正方形方格，用水准仪测量每个方格顶点的高程，按照40m的设计高程用方格法计算土方量。
（2）经纬仪法：
用经纬仪按照地形测量（比例尺为1∶500）的要求，将现场测绘成地形图，在地形图上用方格法（边长为5m）手工计算土方量。
（3）RTK法：
用RTK代替经纬仪测量地形，生成数字化地形图，在数字化地形图上用方格法（边长为5m）由计算机计算土方量。
2.7.5土方量计算方法
土方量的计算是建筑工程施工的一个重要步骤。
工程施工前的设计阶段必须对土石方量进行预算,它直接关系到工程的费用概算及方案选优。
在现实中的一些工程项目中，因土方量计算的精确性而产生的纠纷也是经常遇到的。
如何利用测量单位现场测出的地形数据或原有的数字地形数据快速准确的计算出土方量就成了人们日益关心的问题。
比较经常的几种计算土方量的方法有：
方格网法、等高线法、断面法、DTM法、区域土方量平衡法和平均高程法等。
1、断面法
当地形复杂起伏变化较大，或地狭长、挖填深度较大且不规则的地段，宜选择横断面法进行土方量计算。
上图为一渠道的测量图形，利用横断面法进行计算土方量时，可根据渠LL，按一定的长度L设横断面A1、A2、A3……Ai等。
断面法的表达式为
在
（1）式中，Ai-1，Ai分别为第i单元渠段起终断面的填（或挖）方面积；Li为渠段长；Vi为填（或挖）方体积。
土石方量精度与间距L的长度有关，L越小，精度就越高。
但是这种方法计算量大,尤其是在范围较大、精度要求高的情况下更为明显;若是为了减少计算量而加大断面间隔，就会降低计算结果的精度;所以断面法存在着计算精度和计算速度的矛盾。
2、方格网法计算
对于大面积的土石方估算以及一些地形起伏较小、坡度变化平缓的场地适宜用格网法。
这种方法是将场地划分成若干个正方形格网，然后计算每个四棱柱的体积，从而将所有四棱柱的体积汇总得到总的土方量。
在传统的方格网计算中，土方量的计算精度不高。
现在我们引入一种新的高程内插的方法，即杨赤中滤波推估法。
2.1挖（填）土方量区域面积的计算
如果，土方量计算的面积为不规则边界的多边形。
那么在面积进行计算时，先对判断方格网中心点是否在多边形内，如果在，那么就要计算该格网的面积，否则可以将该格网面积略去。
如图3所示，首先对格网中心点P进行判断，可以采用垂线法，即过P（）点作平行于y轴向下的射线
设多边形任意一边的端点为，
令
3、DTM法（不规则三角网法）
不规则三角网（TIN）是数字地面模型DTM表现形式之一，该法利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网，对计算区域按三棱柱法计算土方。
基于不规则三角形建模是直接利用野外实测的地形特征点（离散点）构造出邻接的三角形，组成不规则三角网结构。
相对于规则格网，不规则三角网具有以下优点：
三角网中的点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调，直接利用原始资料作为网格结点;不改变原始数据和精度;能够插入地性线以保存原有关键的地形特征,以及能很好地适应复杂、不规则地形，从而将地表的特征表现得淋漓尽致等。
因此在利用T1N算出的土方量时就大大提高了计算的精度。
3.1三角网的构建
对于不规则三角网的构建在这里采用两级建网方式。
第一步，进行包括地形特征点在内的散点的初级构网。
一般来说，传统的TIN生成算法主要有边扩展法,点插入法,递归分割法等,以及它们的改进算法。
在此仅简单介绍一下边扩展法。
所谓边扩展法，就是指先从点集中选择一点作为起始三角形的一个端点，然后找离它距离最近的点连成一个边,以该边为基础,遵循角度最大原则或距离最小原则找到第三个点,形成初始三角形。
由起始三角形的三边依次往外扩展,并进行是否重复的检测，最后将点集内所有的离散点构成三角网，直到所有建立的三角形的边都扩展过为止。
在生成三角网后调用局部优化算法,使之最优。
3.2三角网的调整
第二步，根据地形特征信息对初级三角网进行网形调整。
这样可使得建模流程思路清晰，易于实现。
⑴地性线的特点及处理方法
所谓地性线就是指能充分表达地形形状的特征线地性线不应该通过TIN中的任何一个三角形的内部,否则三角形就会“进入”或“悬空”于地面,与实际地形不符,产生的数字地面模型（DTM）有错。
当地性线与一般地形点一道参加完初级构网后，再用地形特征信息检查地性线是否成为了初级三角网的边，若是，则不再作调整；否则，按图6作出调整。
总之要务必保证TIN所表达的数字地面模型与实际地形相符。
图4在TIN建模过程中对地性线的处理
如图4（a）所示，为地性线，它直接插入了三角形内部，使得建立的TIN偏离了实际地形，因此需要对地性线进行处理，重新调整三角网。
图4（b）是处理后的图形，即以地性线为三角边，向两侧进行扩展，使其符合实际地形。
⑵地物对构网的影响及处理方法
等高线在遭遇房屋、道路等地物时需要断开，这样在地形图生成TIN时，除了要考虑地性线的影响之外，更应该顾及到地物的影响。
一般方法是：
先按处理地形结构线的类似方法调整网形；然后，用“垂线法”判别闭合特征线影响区域内的三角形重心是否落在多边形内，若是，则消去该三角形（在程序中标记该三角形记录）；否则保留该三角形。
经测试后，去掉了所有位于地物内部之三角形，从而在特征线内形成“空白地”。
⑶陡坎的地形特点及处理方法
遭遇陡坎时，地形会发生剧烈的突变。
陡
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