基于模糊證據權模型的基本農田保護區空間布局合理性評價

龔建鳳, 王占岐, 蔡恩香, 王海誠

(1.中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074; 2.地質過程與礦產資源國家重點實驗室, 武漢430073)

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基于模糊證據權模型的基本農田保護區空間布局合理性評價

龔建鳳1, 王占岐1, 蔡恩香1, 王海誠2

(1.中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074; 2.地質過程與礦產資源國家重點實驗室, 武漢430073)

以長陽土家族自治縣的基本農田保護圖斑為研究對象，對基本農田保護區布局的合理性進行評價，為科學編制新一輪土地整治規劃和建設高標準基本農田提供指導和參考。采用知識與數據驅動一體化的模糊證據權模型的研究方法。結果表明：(1)模糊證據權模型能夠充分利用先驗知識，克服了因子篩選、權重計算的主觀性，算法簡單，可操作性強，使得評價結果客觀、合理；(2) 86.52%的樣本點落在修正后驗概率分級圖中度合理及以上的級別，與已知的信息吻合性較高，表明了模糊證據權能科學，有效的進行基本農田保護區空間布局合理性的評價；(3)依據修正后驗概率將研究區域劃分為4個等級，高度合理、中度合理、臨近合理、不合理，其中合理區域占到基本農田保護區的96.79%，表明了長陽土家族自治縣基本農田保護區劃定較合理。研究結果為后期快速有效的開展基本農田保護區合理性評價提供了方法借鑒，并對布局優化調整和可持續發展提供指導意義。

基本農田保護區； 模糊證據權模型； 空間布局； 合理性評價； 長陽土家族自治縣

基本農田作為耕地中的精華,保持一定數量和質量的基本農田是確保我國糧食安全、經濟安全和社會穩定的關鍵,更是貫徹和落實“十分珍惜和合理利用土地，切實保護耕地”這一基本國策的重要保障。基本農田保護區是為基本農田實行特殊保護而依據土地利用總體規劃和依照法定程序確定的特殊保護區域[1]。因而，基本農田保護區空間布局合理性評價對于保護耕地、穩定農業生產、促進區域經濟可持續發展以及實現糧食安全都有著十分重大的意義。當前，為提升基本農田保護區空間布局的科學性和合理性，國內許多學者從基本農田劃定方法的研究[2-3]，基本農田保護區的探索[4]，耕地質量的評價[5]，農用地分等應用[6-8]，基于農用地集中連片性的分析[9]，等方面有了積極的探索，極大的豐富了基本農田保護研究體系。但這些研究的方法多是基于知識和規則的數理邏輯推理或是數據驅動機制，例如多因素綜合評價法、逼近理想點法、主層次分析法和LEAS法，對知識的依賴性較高并且受人的主觀影響較大。模糊證據權模型是集知識驅動和數據驅動一體化模型，通過篩選指標因子構建證據圖層，計算各證據層的權重，最后綜合各證據圖層的權重參數得出后驗概率并修正得到基本農田保護區空間布局合理性的劃分等級，能充分發揮先驗知識和原始數據中的信息，計算簡便、可操作性強，在很大的程度上克服了傳統評價方法中因子權重的主觀隨意性，使得評價結果更加客觀、準確、科學。

在實際基本農田保護區劃定工作中，由于實用方法較少，主觀隨意性較強，導致規劃方案缺少科學依據，同時受地方經濟發展及新型城鎮化等影響，基本農田保護區布局存在較多不合理之處：如一些自然條件好的大片優質耕地未劃入保護區內，而部分地區將質量較差的耕地或其他農地劃入保護區。因此，本文以長陽土家族自治縣上一輪土地利用規劃所確定的基本農田保護圖斑為研究對象，引入模糊證據權模型對基本農田保護區的空間布局的合理性進行評價，為后期科學、快速的進行基本農田保護區布局的評價和修改提供了有效的方法和手段，同時為后期基本農田的調整和高標準基本農田的建設提供參考。

1　研究區概況

長陽土家族自治縣位于鄂西清江中下游武陵山區，地處東經110°21′—111°21′，北緯30°12′—30°46′，縣域東西長94.5 km，南北寬63 km。東與宜都市接壤，南與五峰土家族自治縣相連，西與巴東縣交界，北與秭歸縣、宜昌市點軍區毗鄰。2012年，長陽土家族自治縣總人口達到42萬人，總土地面積341 981.18 hm2，耕地面積53 379.38 hm2，占總土地面積15.7%，其中規劃確定基本農田面積36 864.40 hm2。隨著經濟發展與城鎮建設影響，優質耕地被占用的現象屢有發生，使得城鎮化與基本農田的保護矛盾日益突出，糧食安全保障受到嚴重的威脅。

2　方法與數據

2.1模糊證據權法

模糊證據權法(fuzzy weight of evidence)是由證據權法發展而來，最初應用于醫學領域專家系統GLADYS。20世紀80年代末，加拿大數學地質學家F.P.Agterberg和G.F.Bonham-Carter等將該方法進行改進，引入到礦產資源定量預測與評價[10]。由于該模型具有形式直觀、推理規則透明，建模過程易于解釋，并能很好地與GIS空間分析功能相結合，且易于編程實現。因此近年來被廣泛應用于礦產資源評價、地質災害危險度評價和土地適宜性評價中[11-15]。

2.1.1基本原理證據權方法是一種貝葉斯概率準則下的對數線性模型[16-17]，即通過先驗概率，計算在某種地學證據模式條件下的條件概率。原理如下：

(1) 先驗概率計算。假設D為所要預測的事件，研究區T的總面積為A(T)km2，被劃分成固定面積為u(km2)的單元格，則研究區T內共有N(T)=A(T)/u個單元格，D表示在A(T)內事件已經出現的訓練層，N(D)表示每個單元發生該事件的總數。P(D)為先驗概率,則事件D發生的概率為：

(1)

(2) 證據權重計算。任意一個證據權因子(圖層)x離散成二值圖，其權重定義為

(2)

(3)

(4)

2.1.2主要步驟根據模糊證據權的原理，在進行基本農田保護區空間布局合理性的評價時應遵循以下的步驟：(1) 合理的選擇訓練樣本，完成先驗概率的計算；(2) 提取與目標相關證據圖層，計算證據圖層權重；(3) 綜合所有證據圖層，計算后驗概率并修正，以滿足獨立性條件的假設；(4) 劃分合理性等級與驗證評價結果。

2.2數據

2.2.1數據來源本次基本農田保護區空間布局合理性評價中涉及的主要數據有：長陽土家族自治縣農用地分等定級成果(2012)、2012年長陽土家族自治縣土地利用變更調查的數據，(2010—2020)土地利用規劃數據、長陽土家族自治縣地形圖(1∶5萬)、第二次土壤普查剖面數據。

2.2.2數據處理在ArcGIS10.0平臺下，將研究區的地形圖生成高程模型(DEM)坡度、坡向圖。在農用地分等定級的成果中提取有機質含量，土壤厚度的數據，借助ArcGIS平臺生成有機質含量柵格圖和土壤厚度柵格圖。對城鎮、居民點、水源做緩沖處理得到它們各自的距離圖。對基本農田保護圖斑做50m的緩沖處理并融合得到基本農田的聚合圖。在ArcGIS轉換功能下將(2010—2020)土地利用規劃數據中規劃分區的數據轉換成柵格圖；繼而將每個評價因子圖層都轉化為Grid格式，同時將該區域的土地利用規劃中確定的基本農田保護區，以及農用地分等定級中經濟等和級別比較高的耕地也轉為同上的Grid格式。結合研究對象的最小圖斑面積和形狀，以影響自然質量的關鍵因素為依據，確定采樣間距為30m×30m的像元為評價單元。

3　結果與分析

3.1選擇訓練樣本和計算先驗概率

根據長陽土家族自治縣2012年土地利用變更調查數據，研究區域共有10 002塊基本農田保護圖斑劃分為461 352個單元格。耕地入選基本農田是實現基本農田保護的一個重要環節，將農用地經濟等作為判斷耕地入選基本農田的依據比自然等和利用等更可靠[19]。所以，在長陽土家族自治縣2012年農用地分等成果中，經濟等主要有六等、七等、八等、九等、十等。所以選擇經濟等比較高的六等1 245塊耕地含66 959單元格，以落在耕地圖斑中心的124個單元格為樣本點，由式(1)得出的先驗概率為0.002 7。

3.2篩選評價因子與權重計算

從基本農田保護區劃定的原則“優質高效、集中連片、永久穩定”出發，依據長陽土家族自治縣自然與社會經濟條件差異，遵循評價因子的全面性、主導性、獨立性、差異性和可獲取性等原則[20]，從適應性、協調性、穩定性等三個方面構建指標因子。適宜性，反映了自然條件對基本農田本身質量的影響，目前把基本農田布局與自然條件相結合的研究較多，如董秀茹[5]等將土地評價方法應用于基本農田布局的劃定，評價指標選取了坡度、農用地等別、水利設施條件等；結合長陽土家族自治縣丘陵山區農業發展的的特點，選用了有效土層厚度、有機質含量、坡度、坡向、到水源的距離；協調性，源于系統論觀點，將基本農田保護區的劃定看作是復雜系統工程，除了自然條件，也是其他相關因素共同作用的結果，協調性反映了系統內外因素相結合、整體和諧有序的狀態[21]，協調性指標選取主要考慮的因素包括：幾何特征，構成要素、主導功能等，所選指標包括圖斑聚集度、田塊規整度、規劃分區重疊比例等，聚合圖斑面積大小反映了基本農田保護區布局的集中程度，其面積越大，規模化與集約化利用程度越高，形狀特征越趨于協調；規劃分區重疊比例，體現了基本農田保護區劃定與區域統籌發展戰略及整體規劃導向的一致程度[22]。穩定性直接關系到糧食安全問題和社會穩定，所選的影響因子包括基本農田到城鎮的距離、到居民點的距離、道路的通達度；距離城鎮近的區域基本農田被占用的可能性很大，居民點的距離和道路的通達度放映耕作便利性，表示影響基本農田的穩定性。繼而參照長陽土家族自治縣國土、農牧、水利、環境和氣候等相關行業標準，劃分單個因子分類值。

在式(1)的基礎上，借助GeoDAS平臺確定各因子分類值的模糊權重及相關參數，可以得出單個因子對事件發生的影響效果，客觀判別其能否作為影響基本農田保護區空間布局合理性評價的因子。由計算結果可知，田塊規整度對樣本點的影響顯著性水平T及有利于事件發生的權重W+不具備明顯差異性，即結果為0值，表明其作為此次評價因子沒有意義，結合長陽土家族自治縣的實際情況進行分析，丘陵地區的地形的特殊性，導致基本農田斑塊的形狀大多為不規則的圖形，斑塊規整度并沒有顯著差異性；與此同時在計算中因子顯著性較大的，都被作為證據圖層的評價因子，所以最終選擇了土層厚度、有機質含量、坡度、坡向、到水源距離、圖斑聚合程度、規劃分區重疊比例、到農村居民點距離、到城鎮距離、道路通達度等10個因子作為評價指標，式(2)、式(3)和多值模糊隸屬度函數確定各因子分類值的模糊權重及相關參數如表1所示。

表1　證據層模糊證據層參數

續表1

證據圖層分級值W+W-CSdevTMSFFWS(FW)T(FW)0～37．8410-4．921．05-4．67道路通達度/(°)37．84～68．920．14-4．935．071．064．790．25-0．760．79-0．9668．92～87．570．31-0．761．070．0812．690．75-0．050．27-0．20>87．570．08-0．040．120．071．7210．080．061．44<0．50．17-0．040．210．092．4110．150．043．70到居民點距離/km0．5～10．12-0．080．200．072．9910．150．043．701～1．50．15-0．250．400．075．6610．150．043．70≥1．50．16-0．610．780．098．3600．210．082．64<20．07-0．160．230．073．110．50．150．027．242～40．15-0．260．400．075．6410．150．043．62到城鎮距離/km4～60．15-0．160．310．074．6510．150．043．626～8-0．040．02-0．060．07-0．8610．150．043．62≥8-0．370．06-0．430．10-4．2910．150．043．62

注：W+為正加權值；W-為負加權值；C為對比度，其值等于W+-W-；STDEV為C的標準差；T為顯著性水平；MSF為隸屬度；FW為模糊權重值；S(FW)為模糊權重值的標準差；T(FW)為模糊權重值的顯著性。

3.3后驗概率及修正

綜合上述10個證據圖層，由式(4)計算后驗概率，該圖反映了已知合理點和預測合理點的空間分布概率。后驗概率值大小受評價單元大小設置的影響，但評價單元大小并不影響后驗概率的分布形態，因此其大小并不代表事件發生的幾率，而是表示事件發生后的分布形態[14]。后驗概率見圖1。

由于顯示案例很難滿足模糊證據權模型的證據層條件獨立性假設，導致無法對適宜點進行準確估計，因此需要修正后驗概率來克服因證據層不滿足條件獨立性所造成的后驗概率偏差。由此，借助GeoDAS 進行多次數據試驗，最終確定冪指數函數Y=1.184x1.179對后驗概率進行修正。

3.4合理性等級劃分

分析修正后驗概率頻率分布直方圖，采用GIS系統中的自然斷裂法，將研究對象劃分為4個等級，得到長陽土家族自治縣基本農田空間布局合理性分區圖(圖2),研究區域基本農田保護區空間布局合理性評價的結果可分為高度合理、中度合理、臨近合理和不合理4個區域。基本農田保護區空間布局合理性分級如表2所示。

圖1　后驗概率分布

(1) 高度合理區，表現為在適宜性、協調性、穩定性三方面綜合最優，是區域基本農田保護的核心，也可作為高標準基本農田直接備選的方案。該類型的基本農田18 243.46 hm2，占基本農田面積的49.49%，居4大類型保護區之首；主要分布在大堰鄉、火燒坪鄉、漁峽口鎮、都鎮灣鎮、資丘鎮等鄉鎮；該區域地處亞熱帶，陽光充足，垂直氣候明顯，地面坡度不超多5°，平均厚度約為80 cm甚至更厚，有機質含量大多在4%左右，距水源的距離較近，基本農田分布相對比較集中，離城鎮較遠，交通與耕作較便利。同時該區耕種歷史悠久，適宜農作物的生長和發展多種經濟是發展農業的重點區域。

該區域的主要管理措施，充分利用現有的自然條件和區位條件優勢，制定和實施一系列的優先優惠經濟和財政政策，增加農民種植的積極性；廣開資金籌集渠道，加大投入建設力度，開展土地整理和農村居民點整治，改善基本農田的生產條件，保證可持續發展的基礎上提高經濟效益。

圖4　基本農田保護區空間布局合理性分區

(2) 中度合理區，在適宜性、協調性、穩定性方面相對于高度合理區相對削弱，但是經過部分調整可向高度合理區轉化。該類型的基本農田14 342.73 hm2，占基本農田面積的38.91%，大多分布在高度基本農田的周圍。該區域地面坡度一般不超過8°熱量充足，基本農田多分布在半陽坡面，比較適合農作物的生長；土壤相對肥沃，土層厚度60—80 cm，該類型的基本農田分布較高度合理區分散；有機質含量3%左右，水資源相對充足，水利設施齊全，灌排方便；該區域的管制措施，加強基本農田保護區的建設與保護、防止優質耕地隨著城鎮發展而被占用，充分與城鎮發展相結合，維護基本農田的穩定性；開展土地平整工程或權屬調整等途徑對該類型的連片性加以改造，提升基本農田的適應性和協調性。

(3) 臨近合理區，該類型的基本農田保護區3 093.37 hm2，占基本農田面積的8.39%，該區域基本農田的坡度基本在15°左右，土層厚度約為40 cm，有機質含量1%～3%，距離水源在1～2 km，陽坡面基本農田面積的數量很少，能基本滿足作物生長需求；灌排設施不齊全，年久失修，且農作物抵御自然災害的能力弱；基本農田的分布多以“插花”形態分布，田塊條帶狀、不規則性顯著增強，因此該區的基本農田具有較大的整治潛力。該區域的管制措施，采取平整工程、設施完善、移土培肥、土壤改良、增大投入及空間置換等多維度、多樣式、多元化手段調整耕地地理水平、優化耕地空間布局、提高耕地綜合質量；有計劃地落實農用地整理重點工程項目，強調基本農田保護區的良性有序發展，增加農業綜合產出效益。

(4) 不合理區，該類型的基本農田保護區1 184.83 hm2，占基本農田面積的3.21%，分布在榔坪鎮和高家堰鎮內。基本農田在適應性、協調性和穩定性方面綜合最差，該區域的基本農田坡度多在15°以上，分布多在陰面，且分布零星，距離清江的距離較遠，不利于基本農田的灌溉，距離城鎮的距離較近極易被占用。該區域的主要管理措施：要結合自身與周邊的情況，確定適宜的利用類型，調出基本農田保護區，并在合適的位置補劃相應面積。

進一步，將已知1 245個圖斑樣本點與基本農田保護區空間布局合理性分級圖進行疊加分析：處于中度合理及該級別以上的樣本點在基本農田保護區空間布局合理性分級圖占到了86.52%，其中高度合理占到了48.44%，中度合理占到38.08%，可見，已知信息體現了較大的吻合性，充分發揮了原始數據的作用，這表明了模糊證據權模型能夠客觀、準確的反映基本農田保護區空間布局合理性真實程度。

4　結論與討論

(1) 采取多信息源相結合，利用GIS 空間分析、GeoDAS數據統計與分析，綜合考慮自然適宜性、系統協調性和區位穩定性3個方面，引入模糊證據權模型提出了基本農田布局合理性評價的理論與方法體系。

(2) 知識與數據驅動一體化的模糊證據權模型進行基本農田保護區空間布局合理性評價是有效的。它在某種程度上克服了因子權重確定主觀性太強或純粹的數據驅動上的不足，評價分級結果中96.79%的基本農田處于修正后驗概率分級圖的臨近合理及以上級別，說明了該模型方法的有效性。

(3) 研究區域36 864.40 hm2基本農田保護區空間布局中，高度合理區、中度合理區、臨近合理區、不合理區等分別占基本農田保護區的面積49.49%，38.91%，8.39%，3.21%，對應其空間分布情況，基本農田的重點保護就集中在大堰鄉、火燒坪鄉、漁峽口鎮、都鎮灣鎮、資丘鎮、賀家坪等鄉鎮；評價結果臨近合理及以上級別占到基本農田保護區96.79%，也表明了長陽土家族自治縣當前規劃方案下基本農田保護區的劃定具有一定合理性。

(4) 針對基本農田保護區不同類型及分布特點，提出相應管理措施，為基本農田保護區布局的優化調整和制定相關決策提供一定的科學依據。

以下問題需要進一步探討：(1) 訓練樣本的選擇。模糊證據權模型選取的訓練樣本必須是選擇公認度高的適宜點，這樣才能保證評價結果的科學性，因此如何保證已知信息來源的多樣化和提高已知信息的精度、公認度是后續研究需要加強的地方；(2) 評價指標的選擇。本研究中評價指標選擇，主要從自然適宜性、區位穩定性和系統協調性等三個方面選取指標，沒有涉及經濟方面的指標，是今后待完善的地方；(3) 展開動態評價研究。本研究主要從靜態的角度展開分析，缺少動態關聯與趨勢預測，基本農田保護區與城鎮演變時空變化規律、地方經濟的發展趨勢結合不緊密。可在后續研究中，結合歷年來基本農田保護區變化情況，建立動態評價決策體系，提升評價的客觀時效性。

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Evaluation of Spatial Distribution of Basic Farmland Conservation Area Based on Fuzzy Weight of Evidence Model

GONG Jianfeng1, WANG Zhanqi1, CAI Enxiang1, WANG Haicheng2

(1.School of Public Administration, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;2.StateKeyLaboratoryofGeologIcalProcessesandMineralResources,Wuhan430074,China)

The purpose of this research is to conduct evaluation of spatial distribution of basic farmland conservation area in order to provide guidance and reference for a new round of land reclamation planning and high-standard basic farmland construction carried out scientifically. Methods are based on fuzzy weight of evidence model. The results showed that: (1) fuzzy weight of evidence model, which is both data-driven and knowledge-driven, could give full play to the prior knowledge and information in the raw data, could overcome the subjectivity factor screening and weight calculation, simple algorithm, easy to operate, making the evaluation results objective and reasonable;(2) 86.52% of the known suitable points were above moderately suitable level in the grading figure of modified posterior probability, reflecting the high coherency, which indicated that the fuzzy weight of evidence connecting with modified posterior probability could evaluate the suitability of the spatial distribution of basic farmland protection areas scientifically and effectively; (3) based on the fixed obvious turning points of posteriori probability frequency distribution, the study area was divided into four levels: highly rational zone, moderate rational zone, approaching reasonable zone, unreasonable zone, reasonable area accounted for 94.73% of basic farmland protection areas, which meant that the current planning scheme was basically rational. This paper provided a method for the evaluation of basic farmland protection areas and the basis for the adjustment of the late prime farmland. The research results could provide a method reference to carry out the quick and effective evaluation of the reasonableness of the basic farmland protection areas latter, improve the basic farmland protection area layout rationality, and promote sustainable development.

basic farmland protection; fuzzy weight of evidence model; areas spatial layout; evaluation; Changyang Tujia Autonomous County

2014-08-26

2014-09-22

龔建鳳(1986—),女,湖北省麻城市人,碩士研究生，研究方向為國土資源評價與土地利用規劃研究。E-mail:724286234@qq.com

王占岐(1965—),男,陜西岐山人,教授,博士生導師，研究方向為土地經濟與土地規劃。E-mail:wzqwgp@126.com

F301.23

A

1005-3409(2015)04-0161-07