基于土地利用數據的多維度耕地演變分析

童秋英，遲 彬，汪如民

（1.武漢市國土資源和規劃信息中心，湖北 武漢 430014）

基于土地利用數據的多維度耕地演變分析

童秋英1，遲 彬1，汪如民1

（1.武漢市國土資源和規劃信息中心，湖北 武漢 430014）

采用GIS的空間分析和空間統計方法，從耕地變化的幅度、結構、空間布局和質量特征等多維度，對武漢市蔡甸區2009～2014年土地利用現狀數據庫中的耕地變化進行分析，揭示其變化規律和分布特征，為新型城鎮化發展背景下制定耕地保護制度和科學利用耕地資源提供科學依據。

土地利用數據；耕地；多維度分析；空間分析

耕地是土地資源中的精華[1-3]，是人類獲取農產品的最基本的物質條件，也是農村可持續發展的根本。耕地保護已成為保障我國經濟社會可持續發展的重要支撐，同時也是區域經濟社會發展中的“兩難”問題。耕地保護不夠會危及糧食安全，過度的耕地保護又會影響建設用地的供應，進而影響到經濟社會的發展[4,5]。隨著工業化和城鎮化進程的加快，建設用地需求不斷增大，導致耕地、林地和草地等農業用地被大量侵占，其中尤以耕地流失最為嚴重。在新型城鎮化下，如何規避耕地的流失和保護耕地資源，有必要科學認識和把握耕地變化的規律和趨勢，為區域耕地保護提供依據。

1 研究區數據

蔡甸區位于武漢市西南部，長江和漢江交匯的三角地帶，江漢平原末端，京港澳高速、瀘蓉高速和318國道交匯于此，形成全國唯一的“金十字”經濟地理中心。下轄蔡甸、侏儒、大集、張灣、奓山、永安、軍山、沌口8個街道辦事處，索河、玉賢2個鎮，消泗鄉，桐湖辦事處和洪北管委會，沌口和軍山由武漢經濟技術開發區托管。截至2014年，蔡甸區（含武漢經濟技術開發區托管區域）轄區土地面積109 316.66 hm2，其中耕地占土地面積的37.33%，水田占耕地的37.77%、水澆地占耕地的61.17%、旱地占耕地的1.06%，全區耕地主要以水田和水澆地為主，并主要分布于轄區西南平原崗地上。

按照第二次全國土地調查技術規程和土地利用現狀分類（GB/T 20010-2007）標準，蔡甸區建立了2009年全區1：10 000土地利用現狀數據庫，并按照國土資源部年度土地變更調查與遙感監測工作要求，建立了2010～2014年年度土地利用現狀數據庫。根據數據獲取尺度一致性、連續性和權威性原則，利用2009～2014年土地利用現狀數據庫，提取研究區該時段內每年耕地現狀圖斑數據，并收集研究區2010年耕地質量等級補充完善成果數據以及轄區坡度數據庫，同時收集研究區土地利用總體規劃數據庫（2010～2020年）和基礎地理數據庫，為多維度耕地演變分析提供依據。

2 耕地演變分析

采用GIS的空間分析和統計分析方法，從耕地變化動態度、變化去向、變化趨勢和質量情況等方面對研究區耕地時空演變進行多維度分析，以此探索區域耕地演變趨勢和規律。

2.1 耕地變化動態度分析

耕地變化動態度是指某研究區在一段時期內耕地數量的變化情況[6]。利用研究區2009年和2014年土地利用現狀數據庫中的耕地圖斑計算耕地變化幅度：

利用研究區2009～2014年土地利用現狀數據庫中每年的耕地圖斑，計算年度耕地變化動態度：

式中，D表示耕地變化率[7]；K表示耕地的動態度；Ua和Ub分別表示耕地在研究初期和末期的數量；T為初期到末期的時長[6]。K＞0時，表示某時期內耕地數量增加；K＜0時，表示耕地數量減少。

由式（1）、式（2）計算發現研究區6 a內耕地總體變化率為-5.36%，表明研究區耕地總體減少。由圖 1可知，研究區每年耕地變化動態度在-0.68%～-1.77%之間，年均耕地變化動態度為-1.1%，表明研究區耕地每年都在減少，且每年減少的幅度不同。

2.2 耕地變化結構分析

利用GIS空間分析工具，對研究區2009～2014年耕地變化進行分析，統計發現近6 a內研究區耕地增加與減少的數量比為1：101，說明耕地減少量遠遠大于耕地增加量。在此基礎上，統計分析年度耕地的流向，利用土地利用變化圖譜和耕地轉移空間可視化技術，對減少耕地的結構進行空間分析，研究各種土地利用類型變化的空間分布情況，發現耕地大量流向了建設用地（如圖2所示），而建設用地主要分布在研究區規劃劃定的交通干線沿線及建設用地預留區。增加的耕地主要來源于城鎮村及工礦用地和林地等地類，其空間主要分布在研究區西部離現狀交通干線較遠區域（如圖3所示）。

2.3 耕地變化趨勢分析

圖1 研究區耕地變化動態度

圖2 研究區耕地流向圖

圖3 研究區耕地變化信息圖譜

在耕地變化動態度分析結果和耕地變化結構特征分析的基礎上，進一步分析研究區減少耕地的空間分布特征和地貌分布特征，從耕地保護的視角，解析耕地變化趨勢。

2.3.1 耕地變化空間分布模式

基于空間關聯的視角，利用ArcGIS熱點分析工具分析耕地變化的空間分布模式（離散、隨機還是聚合）。ArcGIS熱點分析工具可對數據集中每個要素進行Getis-Ord Gi*統計計算（見式（3）～（5）），得到z得分和p值。Gi*統計的結果是z得分，z得分的絕對值越大，說明要素周圍聚集的程度越高，即形成熱點區域；z得分越接近0，則表示要素沒有聚集情況，呈隨機分布。p值表示變化要素的空間模式是由某一隨機過程造成的概率，用于確認Gi*統計是否顯著，p值和z得分都呈正態分布，在出現極高或極低（負值）z得分時，這些得分與非常小的p值關聯。一般當z得分≥2.58或≤-2.58 時，p值小于0.01，表示置信度為99%以上[8,9]。

式中，xj是要素j的屬性值；wi,j是要素i和j之間的空間權重；n為要素總數，且

按照上述模型，將研究區2009～2014年年度減少耕地圖斑，轉換為200 m×200 m尺度的矢量規則網格，基于歷年耕地是否發生變化對網格進行0、1賦值（1表示發生耕地變化，0表示未發生耕地變化），對賦值后的網格進行熱點分析（見圖4）。計算出的z得分均大于-0.63，說明蔡甸區內只存在耕地變化次數高值的熱點地區，不存在耕地變化次數低值的熱點地區。從圖4可知，無論置信度為90%、95%還是99%，耕地變化次數的高值聚集區域主要分布在研究區的東北部，京港澳高速沿線和武漢市都市發展區內的街鎮范圍內。表明上述耕地變化頻率較高的地區呈現出一定的聚集性，在空間分布模式上呈現出連片式和擴展式。

圖4 耕地減少的熱點分布圖

2.3.2 耕地變化區域地貌特征

根據第二次全國土地調查的耕地坡度分級，耕地分5個坡度級（上含下不含），坡度級1代表坡度在0°～2°；坡度級2代表坡度在2°～6°；坡度級3代表坡度在6°～15°；坡度級4代表坡度在15°～25°；大于25°為坡度等級5。對研究區減少耕地進行坡度賦值分析發現，減少耕地的46.53%發生在坡度0°～2°地區；49.01%發生在坡度2°～6°地區；4.44%發生在坡度6°～15°地區；0.02%發生在15°～25°地區（見圖5）。由此可見，研究區95.54%的減少耕地處于坡度低于6°的平坦地區，說明耕地在地勢較平緩地方容易被占用。

2.4 變化耕地質量分析

耕地質量是各種自然因素、利用因素、經濟因素綜合作用的結果[10]，全國耕地質量分為15個等別，1 等最好，15等最差。根據2010年度湖北省武漢市蔡甸區耕地質量等級成果補充完善成果分析，研究區耕地自然等別為2～4等、利用等別為4～7等、經濟等別為4～7等，說明研究區耕地質量普遍較好。

依據2010年度湖北省蔡甸區耕地質量等級成果補充完善數據庫成果和評價體系，對研究區2009～2010年減少的耕地，采用因素法，進行自然質量、利用系數和經濟系數修正，得到耕地的地方自然質量等別指數、利用等別指數和經濟等別指數，并按照《農用地質量分等規程》中湖北省等指數與國家等指數的轉換公式（見式（6）～（8））進行省等指數轉換，按照單元指數所在等別范圍劃分變化耕地的國家自然質量等別、利用等別和經濟等別[10]。同時提取研究區2011～2014年減少耕地圖斑，通過空間賦值將2010年研究區耕地質量等級成果補充完善數據庫中的國家自然質量等別、利用等別和經濟等別轉賦到減少耕地圖斑上，綜合兩 個時段變化耕地的質量信息，統計得出研究區近6 a減少耕地的質量情況（見圖6）。國家級自然等指數=省級自然等指數×1.971-2 732.528 (6)國家級利用等指數=省級利用等指數×1.144 4-1 151.18 (7)

圖5 減少耕地的坡度級別分布

圖6 2009～2014年減少耕地的質量等別占比情況

國家級經濟等指數=省級經濟等指數×1.431 4-1 233.68 (8)

由圖6可知，減少耕地中99.58%的耕地國家自然等為2等或3等；86.71%的耕地國家利用等為4～6等；89.16%的耕地國家經濟等為4～6等。綜合分析，發現研究區近6 a被占用耕地的自然質量較好，且耕地減少普遍發生在耕地質量較好地區。

3 結 語

本文采用定量與定性相結合的思路，從耕地變化的幅度、結構、布局、地貌形態和質量特征等多維度對研究區域耕地演變進行了分析，客觀地揭示了耕地減少趨勢和變化規律。研究表明：耕地變化呈減少趨勢時，其幅度和動態度正相關；耕地減少的數量遠大于耕地增加的數量，且主要流向了城鎮建設用地；耕地減少主要發生在交通干線及城鎮村用地周邊，且地勢平緩、質量較好的耕地占用比例較高。鑒于耕地演變特征和規律，結合耕地占補平衡制度落實表明在新型城鎮化進程中，地區耕地保護壓力巨大。因此，建議一方面加大技術、資金和政策供給，提升耕地質量和產能；另一方面，必須加強建設用地集約節約利用考核，強化控增量、挖存量，確保合理高效用地，把節約集約用地轉變為經濟發展的新動力。

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[10] GB/T 28407-2012.農用地質量分等規程[S].

P208

B

1672-4623（2016）03-0085-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.027

童秋英，正高職高級工程師，主要從事國土規劃信息化及信息咨詢工作。

2015-12-04。

項目來源：國家科技支撐計劃資助項目（2012BAJ23B00）。