基于TOPSIS和局部空間自相關的永久基本農田劃定方法

楊建宇　張　欣　徐　凡　馬瑞明　朱德海

(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)

0　引言

針對我國耕地資源及糧食安全面臨的嚴峻形勢，黨中央和國務院頒布了一系列有關耕地保護的法規政策[1-2]，強調嚴格執行永久基本農田[3-4]劃定和保護。永久基本農田劃定是保護優質耕地、嚴格控制建設用地占用優質耕地的重要手段，也是高標準農田建設的基礎[5-7]。

我國基本農田保護理論的研究起步較早[8-9]，國家也十分重視耕地保護[10-12]；近年來，國務院和國土資源部等各級主管部門對基本農田保護政策進行了完善，陸續頒布了相關法律法規，已經構成了有中國特色配套的法律保障體系[13-14]。隨著“3S”技術的不斷發展，永久基本農田的保護及劃定的理論研究不斷地得到豐富和深化。我國永久基本農田劃定方法的相關研究開始較晚，現有研究主要從土地評價[15-16]、農用地分等[17-20]、空間聚類[21-23]及地形地貌類型[19-20]等角度進行考量，較少融入如生態景觀價值等耕地功能價值方面的評價，且空間聚類分析對永久基本農田的劃定不夠深入，這有可能造成優質農田快速流失、空間布局散亂等問題。因此，我國對于永久基本農田劃定的相關研究急需進一步加強，以此將所有符合劃定要求的耕地劃入永久基本農田，為永久基本農田保護提供基礎。

本文提出一種基于TOPSIS法和局部空間自相關的永久基本農田劃定方法，圍繞永久基本農田的特征，在自然稟賦、區位條件、建設水平基礎上加入生態景觀條件作為評價指標，借助TOPSIS法對耕地綜合質量進行評價；引入空間聚類的思想，依據各區域的耕地綜合質量及空間聚類特征，將符合要求的耕地劃入永久基本農田。

1　研究區域概況與數據來源

1.1　研究區域概況

高碑店市隸屬河北省保定市，位于河北省中部，地理坐標為東經115°47′24″～116°12′40″，北緯39°5′53″～39°23′17″。地勢自西北向東南徐緩傾斜，平均坡降比為0.06%，海拔高度11.4～39.4 m，構成地勢平坦的平原地貌。高碑店市地處北京、天津、保定三角腹地，東與永清縣、霸州市相連，北與涿州市、固安縣接壤，西與淶水縣、定興縣毗鄰，南接雄縣、容城縣，地理位置重要。下轄4個街道辦事處，7個鎮，3個鄉。全年四季分明，年平均氣溫17.4℃，年平均降水量600 mm。全市面積672 km2，耕地面積415.43 km2，林地面積86.67 km2，森林覆蓋率為13%。

1.2　數據來源及評價單元確定

以2013年高碑店市農用地分等數據庫為研究數據基礎，主要采用高碑店市2013年農用地分等成果、高碑店市1∶10 000行政區劃圖、地形圖等成果文件以及相關農業統計資料。

本文將評價單元選取耕地圖斑[19,24]、耕地格網[25-26]、行政村[23,27]等的永久基本農田劃定結果進行對比，為反映耕地真實情況，并期望劃定結果能與實際耕地圖斑對應，最終選擇以耕地圖斑為永久基本農田的評價單元。經過融合、幾何修復等數據預處理，確定高碑店市耕地評價單元7 599個，耕地總面積415.43 km2。

2　研究方法

本文系統地開展永久基本農田劃定方法的研究：①通過對相關理論知識和資料的系統學習，明確永久基本農田的內涵與其劃定政策要求，構建涵蓋自然稟賦、區位條件、建設水平和生態景觀條件等多方面的耕地綜合質量評價指標體系。②通過對比分析法，選取合適的評價方法得到耕地綜合質量評價結果。③引入空間聚類的思想對耕地綜合質量進行局部空間自相關分析，制定耕地分區規則，劃定永久基本農田，為永久基本農田劃定提供科學、合理的路徑。具體方法流程見圖1。

圖1　永久基本農田劃定技術流程圖Fig.1　Technology roadmap of permanent basic farmland designation

2.1　耕地綜合質量評價體系的構建及權重確定

依據TD/T 1032—2011《基本農田劃定技術流程》、《土地管理法》、農用地分等規程及相關規定，并參照土地利用總體規劃及相關文獻，最終從耕地自然稟賦、區位條件、建設水平和生態景觀條件4個方面構建針對縣域耕地綜合質量的評價體系(表1)。縣域內光溫、氣候等其他對耕地質量產生必然影響的自然因素在縣域評價中指標參數唯一，未作為必要評價指標列入評價體系。

常用確定指標權重的方法包括：層次分析法[28-29]、德爾菲法[30-31]、熵權法[32-33]等。耕地綜合質量評價是一個復雜的問題，對比發現層次分析法通過將復雜問題分解成目標、準則等多個層次，并結合問題的本質、影響因子及其內在關系等，可以為耕地綜合質量評價這一復雜的決策問題提供簡便的決策方法，最終本文選取層次分析法確定指標權重。

2.2　耕地綜合質量評價方法

目前學者們對于多對象、多目標的綜合評價提出了許多綜合評價方法[20,34-35]，TOPSIS法能充分利用原始數據，客觀真實地反映實際情況，具有普遍適用性等優點，本研究的評價方法選取逼近理想點排序的TOPSIS法。

TOPSIS法根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序。其基本原理是通過計算評價對象與最優解、最劣解的相對貼切度實現排序。評價對象與最優(劣)解的距離為

(1)

表1　耕地綜合質量評價指標體系Tab.1　Index system of cultivated land comprehensive quality evaluation

注：*依據GB/T 28407—2012《農用地質量分等規程》和相關文獻資料進行分級。

(2)

Wj——第j個決策指標的組合權重

kij——第i個評價單元的第j個評價指標分值

評價單元對理想單元的相對貼切度Ci為

(3)

Ci越大表明該評價單元與理想解越接近，即Ci越大的耕地圖斑綜合質量越高。

2.3　局部空間自相關

空間自相關分析作為研究空間自相關與空間異質的重要方法，主要包括全局空間自相關和局部空間自相關[23,27,36-37]。ANSELIN[38]對全局空間自相關進行了改進，提出空間關聯的局部指標LISA(Local indicators of spatial association)，本文通過局部自相關Moran’sI的方法[26,39]，探究耕地質量在空間上的聚集、異質或隨機的分布特征。計算公式為

(4)

式中wij——空間權重矩陣中的元素

空間權重矩陣則用來表達研究對象之間的空間位置關系，可反映一個空間單元對鄰近空間單元的貢獻程度。

本文結合空間單元的面積建立改進的反距離權重矩陣，首先對面積數據進行標準化處理，即

(5)

式中Qij——面積矩陣Q的元素

Qi——研究單元i的面積

構建改進的反距離空間權重矩陣，矩陣元素為

Wij=wijexp(Qij)

(6)

局部空間自相關分析將數據分為5類表示，分別為：HH、HL、LH、LL和非顯著型。HH是高值與高值關聯的聚焦點，表示該研究單元及周圍單元的屬性值都較高；LL是低值與低值關聯的聚焦點，表示該研究單元及周圍單元的屬性值都較低；LH和HL是異常值關聯區，表示該研究單元與周圍單元的屬性值有較強異質性；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。

為了準確得到研究對象的局部空間自相關結果，進行局部空間自相關分析除了構建空間權重矩陣，還需要確定最優距離閾值。

3　結果與分析

3.1　高碑店市指標體系及權重確定

高碑店市是地勢平坦的平原地貌，平均坡降比為0.06%，參考耕地綜合質量評價指標體系(表1)剔除坡度這一決策因子，本文最終選取10個決策因子構成高碑店市耕地質量評價體系。高碑店市耕地綜合質量的評價指標分級標準是在耕地綜合質量評價指標體系(表1)的一般分級標準基礎上，結合《中國耕地質量等級調查與評定》(河北卷)確定高碑店市耕地綜合質量指標的分級標準(表2)。

權重確定選用層次分析法[40-42]，對劃定指標體系分層分別兩兩比較得出相應判斷矩陣，對層次分析結果進行一致性檢驗，通過計算判斷矩陣的特征向量，最大特征根為λmax=4.031，檢驗系數為CR=0.035 7<0.1，因此判斷矩陣具有滿意的一致性。耕地綜合質量評價指標權重見表2。

3.2　基于TOPSIS的高碑店市耕地綜合質量評價

高碑店市耕地相對貼切度C空間分布如圖2所示。C的高值(>0.61)主要聚集分布于高碑店市西北部，在東部及南部部分城鎮中心周圍呈小范圍聚集分布；C的低值(≤0.61)主要聚集分布于高碑店市的東北部及東部。整體呈西高東低的分布特征。

3.3　基于局部空間自相關的高碑店市耕地綜合質量分析

局部空間自相關方法通過將每個研究單元與“相鄰”單元進行比較分析，不僅能夠得到具有統計顯著性的熱點、冷點，還能發現一些空間異常值點，為耕地劃定分區提供更加科學、合理的依據。

表2　高碑店市耕地綜合質量評價指標分級標準及權重Tab.2　Classification standard and weights of cultivated land comprehensive quality evaluation in Gaobeidian City

圖2　高碑店市耕地相對貼切度C空間分布圖Fig.2　Spatial distribution map of appropriate relative degree C of cultivated land in Gaobeidian City

(1)確定最佳距離閾值

研究運用ArcGIS軟件平臺近鄰點距離計算工具對高碑店市耕地圖斑進行計算，得到最小距離為591.02 m，該距離保證每個要素至少有一個要素與之相鄰即增量自相關的起始距離。相關研究表明，實驗數據已呈聚集分布時，局部空間自相關分析的空間權重矩陣的最優閾值確定，依據Moran’sI指數判定。研究通過步長的變化觀察Moran’sI指數的變化趨勢，最終確定以591.02 m作為反距離空間權重矩陣的最佳距離閾值距離。

圖3　高碑店市局部空間自相關類型空間分布圖Fig.3　Spatial distribution map of local spatial autocorrelation in Gaobeidian City

(2)構建改進的反距離權重矩陣

以高碑店市耕地圖斑的相對貼切度C為統計量，以591.02 m為閾值距離、結合研究單元面積建立改進反距離權重矩陣，通過改進的反距離權重矩陣進行局部空間自相關分析。

局部空間自相關結果(圖3)表明，HH、LL耕地空間上都呈顯著的聚集分布，HH型耕地主要分布于高碑店市西北部及各鄉鎮中心附近；LL主要分布于高碑店市的東北部及東部；HL、LH耕地呈零星分布，HL耕地在肖官營鎮、泗莊鎮各有一塊，LH耕地在新城鎮、泗莊鎮各有一塊。非顯著型主要分布于高碑店市中部、東部。

3.4　高碑店市永久基本農田劃定分區

3.4.1高碑店市耕地劃定分區規則

查閱相關規程及文獻資料，結合局部空間自相關的含義，本文將耕地劃分為4個區，由優到劣分別為：永久保護區、調整建設區、重點整治區和后備調控區。詳細分區規則見表3。

表3　基于局部空間自相關的耕地劃定分區規則Tab.3　Zoning rules of cultivated land delimitation based on local spatial autocorrelation

依據局部空間自相關結果，HH耕地依據其高值聚集分布特征，劃入永久保護區。統計表明，非顯著型耕地既有與HH接近的高值、也有在LL范圍內的低值，因此對該類型耕地不能一概而論，本文通過自然斷點法對非顯著型進一步劃分為3類(高、中、低)，該類型耕地雖有高值耕地，但是由于空間上呈隨機分布，因此將高值劃入調整建設區，并依次將中值、低值劃入重點整治區、后備調控區。同理，LL耕地中存在中等值，也存在低值，該類型耕地雖然是低值，但是空間上呈聚集分布，易于重點統一整治，因此對LL耕地進一步劃分為兩類(中、低)，并依次將中值、低值劃入重點整治區、后備調控區。針對LH和HL耕地，依據其本身耕地質量及周邊耕地質量分布情況，分別劃入調整建設區和重點整治區。

3.4.2高碑店市耕地劃定分區結果

依據上述劃定分區規則，將高碑店市耕地進行劃定分區，分區結果如圖4、表4所示。

(1)永久保護區

永久保護區內的耕地的自然稟賦、區位條件、建設水平、生態景觀條件均最接近理想目標，與最差目標距離最遠，綜合評價最優，且高值連片聚集分布，因此該區域內的耕地優先劃入永久基本農田。高碑店市該類型耕地面積占比為28.89%，永久保護區耕地均分布于高碑店市各鄉鎮中心附近，靠近城鎮周邊且與交通沿線距離近，與永久基本農田劃定政策相符。主要分布于方官鎮，以及市中心附近的和平辦事處、軍城辦事處、北城辦事處，西部的梁家營鎮、新城鎮，南部的泗莊鎮、張六莊鄉、東馬營鄉。

圖4　高碑店市耕地劃定分區結果Fig.4　Zoning results of cultivated land in Gaobeidian City

表4　高碑店市各鄉鎮耕地分區情況Tab.4　Cultivated land partition case in towns of Gaobeidian City

(2)調整建設區

調整建設區的耕地較永久保護區相比，綜合評價相對較低，但各項指標值較理想，只需要通過適當的調整建設，就能劃入永久基本農田。因此調整建設區耕地適宜入選為永久基本農田。高碑店市耕地的調整建設區的面積為60.38 km2，面積占比為14.54%，該部分耕地位于永久保護區耕地附近，建設水平較為優越，集中連片分布。其中存在耕地圖斑本身質量較低，但周圍其他耕地質量較高的情況，本文將這一類耕地劃入該區域，以期通過差別化的土地整治，在空間極化效應的影響下，被同化成高值耕地，進而使耕地從HL演化成HH。該類型耕地主要分布于新城鎮、張六莊鄉、方官鎮及辛立莊鎮。

(3)重點整治區

重點整治區耕地主要分布于城鎮附近，耕地質量相較于前兩種區域較差，但分布較為集中，因此通過對限制因素的甄選實現差別化土地整治，可以顯著提升耕地質量，整治后可劃入永久基本農田。高碑店市耕地屬于重點整治區的面積占比為38.32%，超過高碑店市耕地總面積的1/3，因此這一區域是高碑店市永久基本農田的重要組成部分。其中存在耕地圖斑本身質量較高，但周圍其他耕地質量較低的情況，本文將這一類耕地劃入該區域以期通過適當的調整建設，防止其發生擴散效應，被同化成低值耕地。主要分布于中部的新城鎮，東部的張六莊鄉、辛立莊鎮、辛橋鄉，及北部的肖官營鎮。

(4)后備調控區

后備調控區的耕地綜合質量評價水平較其他3類區域耕地質量更低，各評價指標值較差，該區域耕地面積占比為18.25%。主要分布遠離城鎮中心、河道及縣域邊境附近，區位條件較差，基礎設施難以配備，耕作難度大，耕地的投入產出比低。該區域耕地不適宜劃入永久基本農田，是非農建設的首選區域。主要分布于南部的白溝鎮、東馬營鄉，東部的辛立莊鎮、辛橋鄉。

3.4.3高碑店市永久基本農田劃定結果

依據永久基本農田的概念及內涵，本文最終將永久保護區、調整建設區及重點整治區的耕地劃為永久基本農田(圖5)。

圖5　高碑店市永久基本農田分布圖Fig.5　Permanent basic farmland distribution map in Gaobeidian City

以河北省高碑店市開展的實證研究結果表明，該方法劃定的永久基本農田較合理，劃定的高碑店市永久基本農田面積為339.61 km2，占全市耕地面積的81.75%，符合該縣發展實際情況，劃定比例達到國家相關規程要求。劃入的耕地自然稟賦較優越，大多位于城鎮中心周圍及交通沿線附近，區位條件較好，集中連片性強，易于投入資金統一完善基礎設施。高碑店市劃入永久基本農田劃分結果中超過半數的耕地經過調控建設或重點整治可達到永久基本農田的要求。

4　結論

(1)在農用地分等成果的基礎上，融入耕地生態景觀價值，借助TOPSIS法評價耕地綜合質量。耕地綜合質量評價體系的構建在考慮耕地的基礎評價指標自然稟賦、區位條件、建設水平的基礎上，加入生態景觀條件等因素的影響，融入了耕地的功能價值，使耕地綜合質量評價結果更貼切于數量、質量、生態“三位一體”保護的目標，并借助TOPSIS評價方法客觀、全面地評價耕地質量，為永久基本農田的劃定提供了新思路。

(2)通過確定最佳距離閾值等參數，結合局部空間自相關分析劃定永久基本農田。在耕地綜合質量評價結果的基礎上，結合空間聚類的思想，深入研究并確定了最佳距離閾值及改進的反距離空間權重矩陣，最終依據耕地的綜合質量及局部空間自相關分析結果，將集中連片且滿足基本農田劃定要求的耕地劃入永久基本農田，能更好地解決優質農田流失、空間布局散亂等問題。

(3)對于我國不同區域的永久基本農田劃定需要切合當地實際情況，可在本文基礎上構建有當地特色、科學的耕地綜合質量評價指標體系。

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