基于綜合質量空間自相關性分析的耕地保護分區方法

楊建宇 徐 凡 趙 龍 張 超 趙冬玲 張 欣

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室， 北京 100035)

基于綜合質量空間自相關性分析的耕地保護分區方法

楊建宇1,2徐 凡1趙 龍1張 超1,2趙冬玲1,2張 欣1

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室， 北京 100035)

從耕地的自然條件、利用情況和經濟水平出發，結合耕地的空間屬性，借助空間自相關性分析方法，提出了科學、合理的耕地保護分區方法。首先運用全局空間自相關的方法，探究高平市耕地質量在空間上整體的分布情況，以便進行下一步更細致的分析；再運用局部空間自相關的方法，以耕地質量指數為變量，探究高平市耕地質量的空間分布規律，最終基于綜合質量的分析結果提出耕地保護分區方案。研究結果表明：整體分析顯示，高平市耕地的自然條件、利用情況和經濟水平皆表現出顯著聚集性；局部分析得出，高平市耕地從自然條件、利用情況和經濟水平3方面呈現出一定的規律性，HH(高-高)型和LL(低-低)型耕地表現為聚集分布；HL(高-低)型和LH(低-高)型耕地呈零星分布。最終從耕地的3方面分別進行局部分析，并依據3個局部分析結果組合，結合實際，提出耕地保護分區的方法及思路。

耕地質量指數； 空間自相關； 耕地保護分區； 高平市

引言

耕地作為國家特殊的公共資源，其數量、質量與糧食安全密切聯系，耕地數量能達標，質量有保證，糧食安全才有保障[1-2]。為了更好地保障國家糧食安全，國土資源部1999—2009 年在全國范圍內組織了分省的農用地分等調查評價任務，并于2009 年完成了全國農用地分等工作[3-4]。中國早在2013年底就劃定了18億畝耕地的“紅線”，經過近幾年的努力，中國耕地保護工作開始逐步由單純的數量保障向數量、質量并重轉變。然而長期以來，與數量保障相比，忽視了耕地質量的保護[5-6]，因此亟待對這方面進行研究，進一步制定明確的政策使耕地質量得到應有的保護。

自然條件、利用情況、經濟水平是耕地評價的三大屬性，目前大多數的耕地保護研究都是圍繞這三大屬性進行綜合考慮的[7-8]。在這3方面的基礎上再結合耕地質量空間特性分析的研究正在逐漸增加。孔祥斌等[9]依據農用地利用等別，對平原區和山區具有的差異性耕地生產能力區別對待，以有限劃定高等別的耕地資源作為基礎，為區縣尺度的基本農田劃定提供了科學依據；孟斌等[10]通過空間自相關分析揭示了中國區域經濟格局的時空變化規律；韋仕川等[11]通過局部空間自相關的方法分析廣寧縣耕地質量指數劃定了具體耕地保護分區方案；黨國鋒等[12]通過局部空間自相關和Moran散點圖相結合的方法，對隴南市武都區山區耕地質量等級指數進行分析，為山區耕地保護提供了依據和思路；熊昌盛等[13]引入Moran’sI指數的空間自相關分析方法，以廣寧縣的耕地圖斑為研究單元對其自然等指數、利用等指數和等別指數進行空間自相關分析，據此探討在縣級和鄉鎮級尺度上的變化情況及相關應用。與以前的研究相比，近來的研究開始考慮空間特性，但大多數研究是基于耕地評價的三大屬性對耕地分別進行分區。

本文依據山西省高平市的農用地分等成果，對高平市耕地質量指數采用空間自相關的方法，分析高平市耕地質量指數的空間分布特征，并綜合自然條件、利用情況和經濟水平對耕地進行統一分區劃定，以期為高平市耕地保護分區提供科學依據。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

高平市位于山西省的東南部，澤州盆地北端，太行山西南邊緣。地理坐標為東經112°00′～113°10′、北緯30°40′～36°00′，跨度分別為45 km和40 km，整個行政轄區范圍內的平面圖形基本上呈正方形。高平市下轄北城街道、北詩鎮、陳區鎮等16個鎮，村級行政單元共456個。全市多年平均氣溫9.8℃，極端最低氣溫-24℃，極端最高氣溫38.6℃。多年平均日照時數2 532.5 h，平均無霜期180 d，年平均降水量624 mm。高平市土地面積98 034.89 hm2，其中，耕地面積46 387.46 hm2，占高平市土地總面積的47.32%。高平市是國家級商品糧生產基地，機械化旱地農業基地。

1.2 數據來源

主要數據包括：高平市2011年農用地分等成果、2011年土地利用現狀圖、高平市行政區劃圖、地形圖等成果文件以及相關農業統計資料。

2 數據處理與分析方法

2.1 處理流程

本研究過程分為3部分：數據準備、耕地綜合質量分析和耕地保護區劃定。首先將選取的研究區剔除異常值進行預處理；繼而通過面積加權的方法得到耕地村級質量指數，并以此數據為基礎，借助空間自相關方法，分析耕地質量指數的空間分布模式；最終將耕地各質量局部空間自相關類型進行組合，依據分區原則：空間隨機分布、異常分布、高值聚集分布、低值聚集分布，劃定高平市耕地保護區。具體方法流程見圖1。

圖1 方法流程圖Fig.1 Method process

2.2 全局空間自相關分析

全局自相關是對屬性值在整個區域空間特征的描述，能夠反映空間鄰域單元屬性值的相似程度，側重對空間數據中某一屬性在整個區域中的分布狀態以及趨勢進行分析。空間自相關有許多表現形式，主要有全局Moran’sI、全局Geary’sC和全局Getis-OrdG統計量[14-15]判斷空間數據的相似性和相異性特征，具體計算過程表達式為

(1)

I表示空間位置i和j的鄰近關系，當i和j符合鄰近這一空間位置關系時，wij賦值為1；反之，wij賦值為0。全局空間自相關中Moran指數I的取值范圍為[-1,1]，可以通過標準化統計量Z來對某一個區域編號為n的區域確定是否存在空間系相關性，Z值的計算公式為

(2)

其中E(I)=-1/(n-1)

式中E(I)——理論期望 Var(I)——理論方差

當Z值為正且這一區域呈顯著性時，說明區域n存在正的空間自相關性，即鄰近的觀測值有空間聚集的趨勢；當Z值為負且這一區域又有顯著性時，說明區域n存在負的空間自相關性，即鄰近的觀測值有分散的分布趨勢；當Z為零時，說明區域n的觀測點都為獨立隨機的分布趨勢。

2.3 局部空間自相關分析

空間自相關分析是指某空間單元與其周圍空間單元，通過計算某特征值下的空間自相關程度，以此發現研究區內空間單元的空間分布現象的特征。計算空間自相關的方法最常見的有：Moran’sI、Geary’sC等[16-19]。本文主要通過局部Moran’sI進行分析。

目前,局部統計量常用LISA (Local indicator of spatial association)統計量的局部Moran’sI系數表達，計算式為

(3)

式中Ii——第i個行政村的局部Moran’sI

Ii為正值表示該空間單元與鄰近單元的屬性值相似，Ii為負值表示該空間單元與鄰近單元的屬性值相異。在隨機分布假設下，局部Moran’sI系數需要在標準形式檢驗其顯著性水平。

利用ArcMap中的局部自相關的工具對研究數據進行計算，得到的新圖層將數據分為5類表示，分別為：HH、HL、LH、LL和非顯著型。其中HH是高值與高值關聯的聚焦點，表示該對象及周圍對象的屬性指數都較高；LL是低值與低值關聯的聚焦點，表示該對象及周圍對象的屬性指數都較低； LH和HL是異常值關聯區，表示該對象與周圍對象的屬性的指數有較強的異質性；非顯著型是空間呈隨機分布的區域，表示沒有通過局部的Moran’sI顯著性檢驗,空間集聚性不強。

2.4 空間權重

空間自相關的確定是由ANSELIN[17]提出的，主要把空間位置的相鄰關系劃分為3類：鄰接、距離和最近K點。本文運用其中的鄰接關系，鄰接關系是根據空間單元之間是否相鄰來賦空間權重值，若相鄰，則wij=1；否則wij=0。鄰接關系又可分為Rook、Queen和Bishop3種鄰接標準。

2.5 數據處理

2.5.1 數據預處理

結合高平市縣級分等單元數據和行政區劃數據，發現東城街道小北莊村沒有耕地，為了避免異常值對分析的影響，因此將小北村莊從行政區劃中剔除。最終確定高平市涉及鄉鎮級行政單元有北城街道、北詩鎮等16個，村級行政單元共455個。

2.5.2 空間權重的確定

對耕地質量進行全局、局部空間自相關分析時，分別采用由GeoDa和ArcMap軟件生成的空間權重文件來描述研究單元之間的鄰接關系，分別計算基于Rook、Queen和Bishop鄰接原則的一階鄰接空間鄰接性，經計算對比，Rook鄰接關系的空間鄰接性頻率直方圖更符合正態分布特征。故選擇以Rook鄰接原則確定空間權重。

2.5.3 研究單元的選擇

查閱相關文獻發現有相當一部分的研究者在對縣域范圍進行研究時，將研究單元設定為鄉或者鎮，這樣做可以解決因圖斑面積過小導致局部空間自相關分析結果辨識性差的問題[20]。為了盡可能降低對耕地實際情況的破壞程度，分別基于耕地圖斑(國家)、鎮級和村級3個層次，計算其均值以及方差。若將行政村作為研究單元，則村級耕地質量指數計算式為

(4)

式中Po——第o個行政村的平均耕地質量(自然等、利用等、經濟等)指數

Pio——第o個行政村中第i塊耕地圖斑的(自然等、利用等、經濟等)指數

Sio——第o個行政村中第i塊耕地圖斑的面積，hm2

鎮級耕地質量指數采用類比的方式得到。

將耕地圖斑融入到鄉鎮后，村級自然等指數、利用等指數和經濟等指數的均值和方差較鎮級的更接近于圖斑(國家)本身的均值和方差，即村級耕地質量指數更接近實際，結果見表1。因此，將研究單元定為村級較為合理。

圖2 高平市耕地質量國家等指數分布圖Fig.2 National distributions of cultivated land index in Gaoping City表1 高平市耕地質量指數均值、方差Tab.1 Cultivated land quality index statistics of mean and variance in Gaoping City

研究單元自然等指數利用等指數經濟等指數均值方差均值方差均值方差國家2446.89279628.17760.5521384.04439.839594.20鎮級2407.27193485.59791.787504.04460.793233.43村級2447.09261012.69777.7418017.15450.848615.91

3 結果與分析

3.1 耕地質量空間分布特征

國家耕地質量指數有國家質量等別與之對應，因此為了分析高平市整體的耕地質量在空間上的分布特征，選擇國家質量等指數更為合適。將國家耕地質量指數數據加載到ArcMap中，并依據規范中分等原則，將國家耕地質量指數及其對應等別制成專題圖，如圖2中3種國家耕地質量空間分布圖所示：高平市耕地質量國家自然等指數與國家利用等指數的空間分布特征相似，在縣域中指數整體較高，自西南部至東北部指數呈下降趨勢；但耕地的國家經濟等指數整體較低，在高平市中部偏東北部小部分地區的耕地質量國家經濟等指數較高，由此判斷高平市對耕地的資金投入不足。

3.2 全局空間自相關結果分析

在Moran散點圖中(圖3)，村級耕地自然等指數、利用等指數和經濟等指數全局自相關Moran’sI值分別為0.84、0.77和0.72，均趨于1。因此村級耕地質量指數在全局上都呈現出顯著的正相關性，其正相關顯著程度由大到小依次為：村級耕地自然等指數、村級耕地利用等指數、村級耕地經濟等指數。

3.3 局部空間自相關結果

圖3 高平市村級耕地質量指數Moran散點圖Fig.3 Moran’s scatter diagrams of cultivated land quality index in scale of village in Gaoping City

通過對研究區進行全局自相關性分析得出，村級耕地質量指數在整體上都呈現出較顯著的正相關性，在此基礎上，局部自相關分析能夠更深入地發現局部的集聚和變異特征，通常用Moran散點圖、LISA的聚類圖來判定。而局部Moran’sI是對全局Moran’sI的分解，反映的是空間對象的空間集聚程度。結合表2的統計結果，3種村級耕地質量指數在局部的空間分布模式為：在95%的置信度下，大部分空間對象的局部空間自相關類型表現為非顯著型；呈HH型和LL型的行政村個數和占比反映了耕地質量指數的正相關顯著程度，其正相關顯著程度由大到小依次為：村級耕地自然等指數、村級耕地利用等指數、村級耕地經濟等指數，此結果與全局空間自相關結果分析一致。與表2對應的還有各自相對應的局部空間關聯聚集圖(圖4～6)。

表2 高平市耕地質量指數局部空間自相關類型與 行政村個數統計Tab.2 Types of local spatial autocorrelation and statistics summary of rural committee in Gaoping City

3.3.1 村級耕地質量自然等指數局部自相關分析

表2中村級耕地質量自然等指數的局部自相關結果顯示，聚集分布的HH型和LL型行政村個數和占總行政村個數的50.77%，超過1/2行政村的村級耕地自然等指數呈聚集分布；不存在空間上呈現異常分布的HL型和LH型；非顯著型行政村個數占行政村總數的49.23%，該類型行政村沒有通過顯著性檢驗，呈空間隨機分布。結合圖4，HH型行政村主要“組團”出現在野川鎮東南部、原村鄉、馬村鎮、河西鎮西部以及南城街道西南部，聚集分布于高平市的西南部；LL型則主要沿寺莊鎮北部、永錄鄉北部、神農鎮、陳區鎮、建寧鄉、北詩鎮北部以及東部6鎮連線分布，聚集分布于高平市的北部。

結合高平市實際地形地勢分析，HH型“組團”出現在縣域西南部區域，該區域地勢平坦、雨水充足、土壤肥沃，且有丹河及其支流貫穿，與局部控件關聯圖基本符合；LL型沿寺莊鎮北部、永錄鄉北部、神農鎮、陳區鎮、建寧鄉、北詩鎮北部以及東部6鎮“連線”分布，該區域地形起伏較大，群山環繞，平地較少，礦藏資源豐富，自然條件較差，這也與局部空間關聯圖基本符合。

圖4 村級自然等指數局部空間關聯聚集圖Fig.4 Local saptial agglomeration of cultivated land quality index in scale of village

3.3.2 村級耕地質量利用等指數局部自相關分析

表2中村級耕地質量利用等指數的局部自相關結果顯示，聚集分布的HH型和LL型行政村個數共占高平市行政村總數的25.05%；在空間上呈現異常分布的HL型和LH型分別有2個和1個行政村，分別占高平市行政村總數的0.44%和0.22%；非顯著型行政村個數占行政村總數的74.29%。結合圖5，HH型主要分布在寺莊鎮東南部、野川鎮中部、北城街道西北部、南城街道中部及其以南及以西部分、河西鎮中部及其以西地區，構成了自寺莊鎮往南至河西鎮這一連線聚集分布模式，即寺莊鎮—北城街道—東城街道—南城街道—河西鎮；LL型主要分布在寺莊鎮的北部及西部、野川鎮西北部、陳區鎮北部、北詩鎮東部，LL型主要分布在高平市的較靠近邊界部分。HL型分布在寺莊鎮中部及野川鎮北部。LH型分布在野川鎮的西部。

結合實際，寺莊鎮—北城街道—東城街道—南城街道—河西鎮這一連線的耕地多分布于鐵路公路附近，地勢平緩，耕地條件較好，距離居民點較近，能得到較好的管理，因此在耕地利用情況上表現出高值的聚集分布，這與HH型在局部空間關聯聚集圖相符；而高平市整體東、西、北三面環山，寺莊鎮—野川鎮“組團”以及陳區鎮—北詩鎮“組團”部分地形起伏較大，耕作作業難以連片化進行，因此耕地的利用情況較差，而呈現出典型的LL型分布，與局部空間關聯聚集圖相符；HL型和LH型都是零散分布在寺莊鎮的中部、野川鎮北部及野川鎮的西部，只有3個行政村分別呈現出這2種現象。

圖5 村級利用等指數局部空間自相關關聯聚集圖Fig.5 Local spatial agglomeration of cultivated land use index in scale of village

3.3.3 村級耕地質量經濟等指數局部自相關分析

表2中村級耕地質量經濟等指數的局部自相關結果顯示，聚集分布的HH型和LL型的行政村個數共占高平市行政村總數的23.3%；不存在空間上呈現異常分布的HL型；異常分布的LH型有1個行政村；非顯著型的行政村個數占高平市行政村總數的76.48%。結合圖6，發現HH型主要分布在寺莊鎮東南部、永錄鄉西南部、南城街道中部及東部、米山鎮的中部及西部，出現了寺鎮莊—永錄鄉和南城街道—米山鎮2“組團”聚集分布的現象；LL型主要分布在寺莊鎮北部及西部、陳區鎮中部、北詩鎮東部，與村級耕地質量利用等指數的空間分布基本一致；LH型分布在寺莊鎮西部。

結合實際，寺莊鎮、永錄鄉、南城街道、米山鎮境內皆地勢相對平緩，高平市內鐵路、公路穿插其中，因此這幾個鄉鎮的耕地的投入產出較周邊幾個鄉鎮相對較好，即為HH型分布，與局部空間關聯聚集圖在空間分布上基本相符；而高平市整體東、西、北三面環山，屬于LL型的寺莊鎮、陳區鎮—北詩鎮“組團”部分地形起伏較大，鐵路公路在這些地區難以普及，道路通達度較低，耕地的投入產出相對較差，經濟狀況較差；表現為LH型的寺莊鎮西部地形起伏較大，多為山區，對耕地的資金投入相對較少。

圖6 村級經濟等指數局部空間自相關關聯聚集圖Fig.6 Local spatial agglomeration of cultivated land economic index in scale of village

3.3.4 耕地保護分區

本文先對耕地村級自然等指數、經濟等指數和利用等指數的局部空間自相關結果進行順序組合，統計得出：本文涉及17種組合，其中絕大部分組合為非，非，非(表3)。最終基于耕地村級質量指數局部空間自相關類型組合，結合相關管護規范，按照以下規則進行分區：局部空間自相關類型組合呈空間隨機分布、異常分布、高值聚集分布、低值聚集分布對應將耕地保護劃分為農業結構調整區域、土地整治重點區域、永久農業建設區域和非農建設理想區域(表4)。本文對高平市耕地進行如下劃分并提出相應管護措施(表5，對應的還有分區結果圖7)：

(1)農業結構調整區域：對北城街道、三甲鎮、東城街道等區域耕地，根據各自實際情況實施適應各自獨特的綜合性地調整措施，突出特色，改善布局，形成“一鄉一業”、“一村一品”的特色經濟，從而“提高”本區域的耕地質量，達到投入產出最大化的目的。

表3 高平市耕地質量指數局部空間自相關類型組合Tab.3 Combination of types of local spatial autocorrelation and statistics in Gaoping City

表4 耕地保護分區規則Tab.4 Zoning rules for cultivated land protection

(2)土地整治重點區域：本區域的耕地質量呈異常情況，對野川鎮與寺莊鎮交匯處以及寺莊鎮東部小部分地區，可根據實際情況重點改善當地耕地的利用情況以及投入產出現狀，結合土地整治相關規范對本區域耕地進行相應整治。

(3)永久農業建設區域：本區域的耕地自然條件優越，對寺莊鎮、野川鎮、原村鄉、馬村鎮、河西鎮、南城街道與米山鎮一線的耕地維持其現狀，并嚴禁非農建設，繼續加強對耕地的保護，以期對周邊質量較低的耕地產生擴散效應[21]。

(4)非農建設理想區域：本區域的耕地自然條件較差，地勢起伏較大，道路通達度較低，耕地的投入產出相對較差，對寺莊鎮、永錄鄉、神農鎮、陳區鎮、建寧鄉與北詩鎮沿縣域邊境一線的耕地，結合實際綜合性改良措施。此外，如若進行退耕還林等農地非農化整治，該區域是較為理想的區域。

表5 基于局部空間自相關類型組合的高平市 耕地綜合質量分區Tab.5 Zoning of cultivated land protection based on combination of local spatial autocorrelation in Gaoping City

圖7 高平市耕地保護分區Fig.7 Cultivated land protection zoning in Gaoping City

4 結論

(1)針對耕地質量局部自相關結果類型的組合，將耕地保護區劃定為農業結構調整區域、土地整治重點區域、永久農業建設區域和非農建設理想區域4類。在耕地全局空間自相關分析結果呈整體聚集現象的基礎上，對耕地進行局部空間自相關分析，并綜合耕地綜合質量局部空間分析結果提出了耕地保護分區的方案。

(2)縣域耕地質量在空間分布上呈現出一定的規律。耕地質量在空間上呈現出正相關類型(HH型和LL型)多以“組團”或者連線的形式存在，聚集性較為明顯；空間上負相關類型(LH型和HL型)多為零星分布，聚集性不明顯。

(3)本研究方法考慮了耕地的綜合質量，同時從空間角度出發，依據耕地綜合質量的局部自相關結果的組合，結合實際情況，劃定了針對性的保護區，為耕地保護分區和管護拓寬了思路。

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Protection Zoning of Cultivated Land Comprehensive Quality Based on Spatial Autocorrelation

YANG Jianyu1,2XU Fan1ZHAO Long1ZHANG Chao1,2ZHAO Dongling1,2ZHANG Xin1

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.KeyLaboratoryforAgriculturalLandQualityMonitoringandControl,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

A scientific and reasonable protection zoning scheme of cultivated land was given by using the spatial autocorrelation analysis method, which combined the natural condition, utilize situation and economic level with the spatial characteristics of cultivated land. Firstly, the global autocorrelation was used to explore the global distribution of cultivated land quality in Gaoping City for further analysis. Then the local autocorrelation was used to study the local distribution of cultivated land quality in Gaoping City, regarding the cultivated land quality index as vitiate. Finally, a protection scheme was formulated based on the analysis results of the comprehensive quality. The main results were as follows: firstly, the cultivated land quality which included the natural condition, utilize situation and economic level exhibited significant aggregation of global spatial distribution in Gaoping City. Besides, the local distribution of cultivated land quality showed a regular pattern, which contained the HH type (high-high) and LL type (low-low) emerged as the shape of cluster, while the HL type (high-low) and LH type (low-high) were barely sporadic distributed in Gaoping City. At last, kinds of protection zoning were put forward according to the combination of comprehensive cultivated land quality index based on local spatial autocorrelation and actual situation, which would provide a reference for cultivated land protection in Gaoping City.

cultivated land quality index; spatial autocorrelation; regional protection of cultivated land; Gaoping City

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.020

2016-07-18

2016-08-04

國土資源部公益性行業科研專項(201511010-06)

楊建宇(1974—)，男，教授，博士生導師，主要從事3S技術及其土地應用研究，E-mail： ycjyyang@cau.edu.cn

F301.21

A

1000-1298(2017)03-0156-08