基于TOPSIS和熱點分析的高標準農田建設優先區選擇

趙冬玲 何珊珊 林尚緯 張婷婷 楊建宇，2 張 超，2

(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TOPSIS和熱點分析的高標準農田建設優先區選擇

趙冬玲1何珊珊1林尚緯1張婷婷1楊建宇1，2張 超1，2

(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)

高標準農田建設是保護優質耕地，保障糧食安全的戰略部署，合理規劃建設時序和空間布局是科學、高效進行高標準農田建設的前提。以河北省涿州市為研究區，按照國家對高標準農田建設區域的基本要求，構建了耕地綜合質量評價指標體系，以規則網格為評價單元，基于TOPSIS模型對高標準農田建設優先度進行了綜合評價計算，并采用熱點分析方法劃定了高標準農田建設一級優先區、二級優先區和不宜建設區。研究結果表明:涿州市中部和西南部區域耕地立地條件較優，基礎設施較好，適宜建設高標準農田，列入一級優先建設區和二級優先建設區，面積占比分別為38.4%和31.8%;西部和東部部分鄉鎮不宜建設高標準農田。研究結果可為高標準農田建設優先區選擇提供指導，為下一步的整治方向提供依據。

高標準農田建設;優先區;網格;TOPSIS;熱點分析

引言

近幾年國家高度重視高標準農田建設，建設高標準農田是新形勢下對耕地保護制度的一個創新，是實現耕地保護向數量質量并重保護的一個重要途徑，是改造傳統農業、發展現代農業的重要途徑，有利于發揮組織效應，實現規?；洜I［1］。高標準農田建設優先區空間布局是農用地整治的空間布局和時序安排，是編制土地整治規劃的基礎和依據，可為高標準農田建設項目實施提供參考。

眾多學者已經從土地整治戰略設計、土地整治實踐和對策、理論發展與實踐創新等角度進行了分析研究［2］，并且取得了諸多成果。在國家政策的大背景下，高標準農田建設的研究已陸續出現，但與耕地保護、耕地整理相比，高標準農田建設的研究尚處于起步階段，相關研究主要集中在政策標準［3］、理論研究［1－2］以及建設區域劃定［4－6］等方面。耕地入選高標準農田建設區域的評價體系還處于探索階段，評價指標不夠客觀、標準，建設時序與空間布局的研究較少;在實踐中，地方政府和耕地管理部門在高標準農田建設中，往往出現主觀性大，重數量輕質量的問題，將一些破碎、質量差、整治難度大的耕地劃為優先建設區，導致建設難度和成本大幅增加，建成后難以達到高標準農田的基本要求［7］。在評價模型與方法上，多采用 LESA［8］、多因素綜合評價法［9］、物元分析法［10］等，TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)是一種常用的多目標決策分析法，具有計算簡便，分析結果較合理，應用靈活等特點，得到了廣泛應用［11－12］，但該方法在耕地評價中鮮有涉及，本文選用該方法進行高標準農田建設優先度評價。在高標準農田建設布局中，耕地質量空間屬性越來越受到重視，常采用空間聚類［13－14］和空間自相關分析［7，15－16］等方法，但這些研究多以行政區為單元，難以進行層次化管理，不利于信息檢索與更新，而網格是對地理空間的規則劃分，具有打破行政單元，提高管理效率的優點［17］。本文以空間網格為評價單元，采用TOPSIS模型和熱點分析方法，解決高標準農田建設優先區空間布局問題，并以河北省涿州市為研究區，對本文的研究方法進行實驗，以期為涿州市土地整治規劃與高標準農田建設提供支撐。

1 研究思路與方法

高標準農田指土地平整、集中連片、設施完善、農電配套、土壤肥沃、生態良好、抗災能力強，與現代農業生產和經營方式相適應的旱澇保收、高產穩產，劃定為永久基本農田的耕地［3］。依據高標準農田標準，本文考慮高標準農田建設優先在耕地立地條件較優、基礎設施較完備、區位條件較好的區域開展，這些區域稍加整治就可以達到高標準農田要求?；谝陨戏治觯疚膶⒏刈匀粭l件、耕地空間形態、基礎設施水平、區位條件的綜合定為耕地綜合質量，耕地綜合質量的評價結果可作為高標準農田建設優先度評價的標準，即耕地綜合質量越高，越優先建設成為高標準農田。

首先，進行網格劃分與編碼并對原數據進行網格化預處理，其次，構建耕地綜合質量評價指標體系，以網格為評價單元程序計算各指標值，采用層次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)對各指標賦權，并采用TOPSIS模型對耕地質量進行綜合評價即整治優先度評價。最后，采用熱點分析方法對優先度進行局部聚類分析，依據聚類結果劃定高標準農田建設優先區。如圖1所示。

圖1 研究框架Fig．1 Research framework

1.1 優先區劃分

1.1.1 評價指標體系

定義耕地綜合質量是耕地自然條件、空間形態、基礎設施水平和區位條件的綜合，該定義以高標準農田標準為依據、以農用地分等思想［18］為基礎，增添了表征耕地空間形態、利用設施條件、區位的指標，完善了高標準農田標準中有要求但農用地分等沒有體現的指標。自然條件主要指耕地的光溫、氣候條件、土壤、地形地貌等自然因素，是耕地質量在一定的地理環境中最本質的體現，是比較穩定的自然屬性。本文運用已有分等成果中耕地省級自然等指數表征耕地自然質量;耕地空間形態反映了區域內耕地的集中連片性、田塊形狀復雜度等，是現代規?；r業生產的重要影響因素，選用耕地面積比、田塊形狀指數、耕地集中連片度3個指標表征耕地空間形態;基礎設施水平主要包括灌排設施、田間道路條件等，體現人們對耕地的改造和利用程度;區位條件主要包括耕作距離和農貿市場影響度等，反映了耕作便利度以及實施整治工程時的便利程度。運用AHP方法確定各指標權重，指標及其權重見表1。

表1 耕地綜合質量評價指標體系及權重Tab．1 Indicators and their weighs of cultivated land comprehensive quality evaluation

1.1.2 TOPSIS方法

TOPSIS是一種逼近于理想解的排序法，由HWANG等［11］于1981年首次提出，是多目標決策分析中一種常用的有效方法，又稱為優劣解距離法。其基本原理是，通過檢測評價對象與最優解、最劣解的距離來進行排序，若評價對象最靠近最優解同時又最遠離最劣解，則為最好，評價過程［12］如下:

(1)構建規范化評價矩陣。以n個規則網格單元作為評價對象集，每個網格有m個評價指標，采用極差歸一化法對各指標去量綱處理，實現數值規范化，構建規范化評價矩陣

(2)構建加權評價矩陣B，其元素為

式中 wj——各個評價指標的權重

zij——加權指標值

(3)確定每個指標的正理想解B+和負理想解B－，即

式中 J——正向指標集 J'——負向指標集

Zj+——正理想指標值，j=1，2，…，m

Zj－——負理想指標值，j=1，2，…，m

(5)計算每個網格接近于理想解的相對貼近度

Ci∈［0，1］，若某網格與正理想解重合，則相應的Ci= 1;若某網格與負理想解重合，則相應的Ci=0。

1.1.3 熱點分析

熱點分析(Getis-Ord Gi)可分析得到高值和低值要素在空間上發生局部聚類的位置。顯著的熱點區域是為本文中所要尋找的聚類區域，即某網格內耕地綜合質量較高，并被質量高的網格包圍的局部聚類區域，這些區域耕地綜合質量較高，稍加整治就能達到高標準農田要求，應進行優先建設。

采用Getis-Ord Gi局部統計來指導劃分高標準農田建設優先區，公式為

xj——網格j的指標得分

wij——網格i和j之間的空間權重

n——網格總數

S——指標得分標準差

2 研究區與數據預處理

涿州市位于河北省中部，地處太行山山前平原北部，東經115°44'～116°15'、北緯39°21'～39°36'，東臨固安，西接淶水，北通北京，南到高碑店。東西橫距36.5 km，南北縱距25.5 km。全區總面積739.67 km2，其中耕地面積443.54 km2，耕地面積占區域總面積的60%，區域地勢平坦，起伏較小，處于暖溫帶半濕潤季風氣候區，四季分明。區域內河流較多，有永定河、白溝河、小清河、玻璃河、北據馬河、胡良河等，適宜小麥、玉米、水稻種植，是黃淮海平原重要糧食產區。涿州市耕地土地利用系數變化幅度較大，證明全市整體水平差異較大，質量較好的耕地分布在中南部，質量較差的耕地分布在東北部和西南部。

涿州市區位特殊，位于京、津、保三角區中心地帶，處于太行山山地丘陵區至華北平原區的過渡帶，同時處于北京都市城區至保定貧困區的過渡帶(圖2)，資源整合和治理是京津冀協同發展的先決條件［19］，涿州市在京津冀一體化發展中位于特殊位置。《河北省土地整治規劃(2011—2020年)》指出涿州市是土地整治重點區和示范縣，選擇該區域進行高標準農田建設優先區布局與整治模式研究，具有較強的典型性和代表性。

所用數據包括2011年涿州市耕地質量監測數據庫和涿州市1∶10 000行政區劃圖，數據均為shp格式，包括耕地縣級分等單元、面狀地物、線狀地物、行政區數據等。對以上數據資料進行嚴格的檢查，剔除異常值，確保數據的可靠性。

本文選擇400m×400m尺度［20］劃分規則網格單元，并進行網格權屬確定和網格編碼。隨后進行耕地質量數據和土地利用數據的網格化預處理，以建立起網格與圖斑數據之間的空間關系，從而為之后評價指標的網格化計算做準備。涿州市共劃分出包含耕地的4 644個網格單元，每個網格中耕地面積平均為9.55 hm2，占網格單元面積的59.7%。

圖2 涿州市區位及空間網格單元Fig．2 Geographical position of Zhuozhou City and space grid unit

3 結果與分析

按照TOPSIS方法綜合評價涿州市耕地綜合質量，計算出每個網格的土地整治優先度得分，按自然斷點法并輔助手動調整將優先度得分分成5個等級(圖3)，優先度得分整體分布(圖3b)與省級自然等指數的分布(圖3a)大致相同，涿州市中部地區耕地綜合質量較好，西部地區和東部區域綜合質量較差。熱點分析方法對優先度得分做局部聚類的結果共分為7個級別，99%置信度冷點聚類區(低低相鄰)，95%置信度冷點聚類區(低中相鄰)，90%置信度冷點聚類區(高低相鄰)，無顯著性聚類，90%置信度熱點聚類區(中中相鄰)，95%置信度熱點聚類區(高中相鄰)，99%置信度熱點聚類區(高高相鄰)，見圖3c。其中低低相鄰，低中相鄰聚類區劃定為不宜進行高標準農田建設的區域，高低相鄰、中中相鄰聚類區和無顯著性聚類區劃定為高標準農田建設二級優先區;高中相鄰、高高相鄰聚類區劃定為高標準農田建設一級優先區，一級優先區的優先程度大于二級優先區。

高標準農田建設一級優先區優先度得分為0.185～0.765，平均得分0.585，空間上具有顯著高值聚集性，共有網格單元1784個，占網格單元總數的38.4%。主要分布于研究區中部的碼頭鎮、刁窩鄉、豆莊鄉，西南部部分地區松林店鎮，研究區的東北部義和莊鄉的西南部。這些區域土壤肥沃，地勢較低平，交通便利，并且距離市區較近，經濟條件優，是高標準農田建設的理想區域。且該區域耕地空間形態得分等級較高，耕地規整、連片性好，利于大規模機械化作業和集中管理，基礎設施完善，多位于農業和經濟發達的地區，區位條件好，且耕地質量自然等級中高等地聚集分布，耕地產能高，土地整治難度小，因此優先劃入高標準農田建設區域，嚴格禁止非農建設，在最短的時間內建成高標準農田，保障糧食安全。

高標準農田建設二級優先區優先度得分為0.128～0.749，平均得分0.473，空間上高值聚集性不夠顯著，共有網格單元1478個，占網格單元總數的31.8%。在空間上主要分布于研究區中部的東仙坡鎮、雙塔街道辦事處、林家屯鄉，該區域具有一定的整治潛力，應該根據高標準農田建設方向進行土地整治，從而使高標準農田的范圍進一步擴大。但是該區域相比一級優先區，土地整治難度大，需要投入更多的人力、物力和財力，在建設時序安排上應該靠后，可在完成對一級優先區高標準農田的建設后，綜合考慮財政支撐和實際需要等進行建設。

高標準農田不宜建設區優先度得分最低，為0.126～0.627，平均得分0.313，共有網格單元1 382個，占網格總數的29.8%。主要分布于研究區西部的東城坊鎮、百尺竿鎮，和研究區東北部義和莊鄉的東部，以及研究區東南部狹長地帶。這些區域耕地綜合質量較差，集中連片性不高，基礎設施不夠完善，且耕地自然等指數值較小，立地水平差。因此，該區域土地整治投入大，不宜建設高標準農田。另外，該區域在區位上離市區和重點鄉鎮較遠，比較偏僻，交通不便，短期內可通過發展特色農業，以農戶為主，種植經濟作物，提高農民經濟收入，并注重生態保護，兼顧耕地的生產和生態功能。

圖3 高標準農田建設優先區劃定Fig．3 Zoning results of construction area of high standard farmland

4 結論

(1)構建了耕地綜合質量評價指標體系，客觀評價了研究區的耕地綜合質量，為高標準農田建設優先區選擇提供依據，試驗表明TOPSIS方法和熱點分析能夠科學合理選擇高標準農田建設優先區;將網格化方法應用于高標準農田建設優先區選擇中，為現代農田管理與監管問題提供一種解決方案。

(2)采用TOPSIS方法，以網格為單元評價了涿州市耕地綜合質量，按照得分從高到低劃分為5級，綜合質量較好的耕地分布在中部地區，較差的耕地分布在西部和東部。

(3)采用熱點分析方法對優先度進行局部聚類分析，劃分了高標準農田建設一級優先區、二級優先區和不宜建設區。一級優先區分布于中部的碼頭鎮等地區，占區域面積的38.4%;二級優先區分布于中部的東仙坡鎮等地區，占區域面積的31.8%;不宜建設區分布于西部東城坊鎮等和東部義和莊鄉等地區，占區域面積的29.8%。

參 考 文 獻

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Selection of High-standard Farm land Construction Priority Area Based on TOPSIS and Hotspot Analysis

ZHAO Dongling1HE Shanshan1LIN Shangwei1ZHANG Tingting1YANG Jianyu1，2ZHANG Chao1，2
(1．College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China 2．Key Laboratory for Agricultural Land Quality Monitoring and Control，Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China)

High-standard farmland construction is a strategic deployment to protect the high quality cultivated land and ensure food security．It is a prerequisite for scientific and efficient construction of high-standard farmland to set rational planning of construction sequence and spatial layout．According to the requirements of high-standard farmland construction，firstly，an index system was established to response to cultivated land comprehensive quality．Secondly，TOPSISmodel was chosen to evaluate the high-standard farmland construction priority in the grid environment．Thirdly，hotspot analysis method was adopted to zone high-standard farmland construction priority areas into top priority areas，the secondary priority areas and the unfavorable construction areas．The results showed that itwas suitable to construct high-standard farmland in the central and southwestern areas of Zhuozhou City，where cultivated land site condition and infrastructure condition were better．These areas were zoned into top priority construction areas and the secondary priority areas，with area proportions of 38.4%and 31.8%．Itwas unsuitable to construct high-standard farmland in some township of western and eastern regions．The results can provide scientific guidance for zoning high-standard farmland construction priority areas and indicate the direction of land consolidation．

high-standard farmland construction;priority area;grid;TOPSIS;hotspot analysis

F301.21

A

1000-1298(2017)07-0153-06

2016-10-27

2016-12-27

國土資源部公益性行業科研專項(201511010-06)

趙冬玲(1961—)，女，副教授，主要從事工程測量及航空攝影測量研究，E-mail:zhaodongling@cau．edu．cn

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

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．019