基于物元模型的高標準農田建設優先區劃定方法

趙冬玲 林尚緯 張 瑛 周振旭 杜振博 楊建宇,3

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.臺州科技職業學院汽車與信息工程學院， 臺州 318020； 3.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室， 北京 100035)

0 引言

高標準農田建設對發展現代農業、確保糧食安全和促進農村可持續發展具有重要意義，是保障國家糧食安全的必然要求，是推進農業供給側結構性改革的重要內容[1]，科學合理地劃定優先區時序是高標準農田建設的重要前提。2009—2013年連續5個中央1號文件都強調要加快推進高標準農田建設，《全國高標準農田建設總體規劃》指出：到2020年，全國建成集中連片、旱澇保收的高標準農田5 000萬hm2，每公頃糧食綜合生產能力提高1 500 kg以上，其中，“十二五”期間建成2 600萬hm2。但是，在我國人口數量持續增多、耕地壓力不斷加大趨勢下，“十三五”期間，我國高標準農田建設面臨著更加嚴峻的挑戰，《國土綱要十三五規劃》明確指出：大力推進土地整治和高標準農田建設，到2020年經整治的基本農田質量平均提高1個等級，2017年2月8日，國務院常務會議強調：要健全規劃、資金等統籌機制，按照集中連片、整體推進的要求，協調開展土地平整、灌排溝渠、田間道路、生態保護等建設。《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》中提出全面劃定永久基本農田，大規模推進農田水利、土地整治、中低產田改造和高標準基本農田建設。由此可見，高標準農田建設在“十三五”時期仍然受到國家的高度重視，而如何科學合理的對高標準農田建設優先區進行劃定是其研究的重要基礎。

國內眾多學者已經從土地整治潛力分析[2-6]、高標準農田建設潛力及區域分布[7-10]、基本農田劃定及建設分區研究[11-15]、高標準農田建設規范體系[16-17]等多方面對高標準農田建設進行了研究。綜合分析已有成果可以發現大多數研究主要是通過從耕地自然質量、經濟效益、社會效益等方面選取多個影響指標，建立一套評價指標體系，根據熵權法[18-19]等進行賦權，采用不同的評價方法計算得到耕地綜合質量，進而對其進行分級和分區。然而，這些研究都將重心集中在指標體系計算的綜合得分，而忽略了結果的真實性和準確性，缺乏對評價指標限制程度的分析，例如在生產實踐中，地方政府和耕地管理部門在高標準農田建設優先區劃定過程中，為了達到預期數量目標，忽略耕地質量的本質和農田建設的限制條件，從而導致劃定的高標準農田出現了部分區域地形破碎、整治難度大、質量不達標等情況。

本文以河北省涿州市為例，通過構建高標準農田建設條件評價指標體系并依此劃分建設條件等級，同時通過物元模型等對影響高標準農田建設的限制因子條件進行關聯度綜合計算，根據計算結果劃分隸屬度和統計限制因素等級及個數，并與建設條件等級進行疊加對比分析，從而得到最終優先區劃分結果。

1 研究區域概況與數據

1.1 研究區域概況

河北省涿州市位于河北省中部，保定市北部，太行山東麓平原，經緯坐標范圍分別是：115°44′～116°15′E、39°21′～39°36′N，東西相距36.5 km，南北相距25.5 km，總面積742.5 km2，人口59.4萬；境內地形總體特征是西高東低，全境地處太行山前傾斜區，由西北向東南傾斜，全市地勢平坦，起伏較小；大陸性季風氣候特點顯著，屬暖溫帶半濕潤季風區，四季分明，年平均降水量547.3 mm。市內河流較多，有永定河、白溝河、小清河等，屬海河流域，大清河水系；2014年全市耕地共分為8個國家級自然質量等別，為8～15等，其中水田469.45 hm2、水澆地36 991.36 hm2、旱地8 106.53 hm2。《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劃定研究具有較強的代表性和象征性。涿州市地理位置如圖1所示。

1.2 數據來源及處理

圖1 涿州市位置圖Fig.1 Position map of Zhuozhou City

研究數據主要包括：2014年涿州市1∶10 000耕地質量等別數據；涿州市土地利用現狀數據和部分行政區邊界數據，主要用來計算道路、溝渠等距離耕地圖斑的通達度；《涿州市土地利用總體規劃(2010—2020年)》、《河北省涿州市2014年度耕地質量等別年度更新評價分析報告》、GB/T 28407—2012《農用地質量分等規程》(以下簡稱《規程》)[20]、林業部門統計數據等輔助分析資料；涿州市2014年統計年鑒。

為確保數據的真實性、有效性和一致性，首先檢查數據來源及格式，以及數據屬性表是否完整；其次進行計量單位的統一和規范，并進行地圖投影和坐標轉換等操作；分類提取線狀地類數據中的道路以及溝渠等作為后續指標計算的基礎數據。

2 研究思路與方法

2.1 研究思路

以網格為評價單元具有打破行政單元約束、易于空間定位、提高信息檢索與更新效率、切實反映耕地綜合質量狀況，相對更加準確，指標獲取和衡量相對容易等優點[21]，因此本文利用ArcGIS 10.2中的生成漁網功能，選擇1 km×1 km尺度進行網格單元劃分，將耕地圖斑和線狀地類進行相關疊加分析，最后涿州市共劃分為838個網格單元。TD/T 1033—2012《高標準基本農田建設標準》中提到：高標準農田建設是以建設高標準基本農田為目標，在本區域開展的土地整治活動，建設內容主要包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程、農田防護與生態環境保持工程以及其他工程等[1]。因此本文嚴格按照標準中提到的建設要求與內容，以評價分析研究區高標準基本農田建設條件和按照建設內容選取評價指標、查找限制因素兩方面為出發點，首先選取平均自然等指數、灌溉保證率、排水條件、道路通達度、耕地面積比、分維數、景觀破碎度、防護林比例8個指標構建高標準農田建設條件評價指標體系，利用AHP法[22]對各指標賦權，通過計算綜合評價得分分析涿州市高標準農田建設條件情況，并進行等級劃分；其次，利用物元分析[23-25]法，對耕地立地條件、基礎設施條件、空間布局條件、生態保護條件4個限制因素進行物元分析計算，評價各單元的隸屬度，根據隸屬度高低劃分等級，通過因素組合法統計所有單元的限制因素等級個數組合，并將統計結果與高標準農田建設條件等級進行疊加對比分析，進而確定最終的高標準農田建設優先區。具體研究流程見圖2。

圖2 研究流程圖Fig.2 Flow chart of study

2.2 構建評價指標體系

首先嚴格按照高標準農田建設標準要求中提到的地面坡度大于25°的區域為禁止區域，對研究區進行坡度分析，結合研究區實際情況，涿州市耕地起伏較小，因此忽略地形坡度方面的因素。其次，綜合考慮影響高標準農田建設條件的各類影響因素，盡量彌補前人研究中評價指標體系遺漏以及剔除冗余的指標。標準中提到：全國農用地質量分等成果中的優等、高等、中等級耕地是高標準農田的重要組成部分，因此本文的耕地立地條件通過選取平均自然等指數這一指標進行評判；空間布局條件通過選取耕地面積比、分維數兩個指標進行表征，依次反映建設區的土地利用結構與地塊形狀復雜度；高標準農田須具備建設必需的水利、交通等骨干工程設施，同時還需耕作條件便利，耕作距離適中，本文選取灌溉保證率、排水條件、道路通達度3個指標反映田間基礎設施建設條件；農田防護與生態環境保持工程也是高標準農田建設內容之一，本文的生態保護條件包括景觀破碎度和防護林比率，綜合反映生態環境和抗災能力大小；然后利用AHP法計算各指標權重，結果如表1所示。

表1 涿州市高標準農田建設條件評價指標體系及權重Tab.1 Evaluation index system and weight of high standard farmland construction conditions in Zhuozhou City

2.3 指標計算及優先區等級劃定

2.3.1耕地立地條件

由于耕地立地條件代表了耕地的自然稟賦屬性，耕地整體質量越高，越有利于高標準農田建設，已有的耕地自然等別數據能很好地反映每個地區的耕地自然質量，因此本研究選取涿州市耕地自然等別數據，采用面積加權法計算每個評價單元內的平均自然等指數，以此反映耕地自然條件的高低。計算公式為

(1)

式中Ti——地塊i的平均自然等指數

n——評價單元內的地塊數量

Si——地塊i的面積，m2

Ri——地塊i的自然等指數

2.3.2基礎設施條件

灌溉保證率T2：參照涿州市農用地分等數據、統計年鑒及灌區分布圖、水井有效控制灌溉面積等，依據充分滿足、基本滿足、一般滿足、無灌溉條件，對每個地塊進行相應的指標分值打分，并進行數據標準化處理，采用面積加權法計算每個評價單元的平均得分。

排水條件T3：根據線狀溝渠數據，通過ArcMap10.2中ArcToolBox工具的近鄰分析功能，計算每一地塊和周圍溝渠的最近距離，以此表征農田的排水條件高低，距離越近，排水條件越好，計算公式為

(2)

式中Di——地塊i到最近溝渠的距離，m

道路通達度T4：此指標是影響田間基礎設施的重要影響因素，本文根據每一地塊到農村道路的最近距離表達，借助上述近鄰分析功能計算，距離越近，道路通達度越高，以此表征農田的道路通達情況。

2.3.3空間布局條件

耕地面積比T5：耕地面積直接影響高標準農田建設的資金投入以及建設方式選擇，本文通過統計每一評價單元內耕地面積占比來綜合反映耕地面積比。

(3)

式中A——評價單元的面積，m2

分維數T6：分維數描述耕地田塊形狀的復雜程度，其值越大，說明形狀越復雜，T6越小，代表越有規律、幾何形狀趨于簡單，形狀越簡單的田塊對高標準農田建設越有利。

(4)

式中Ai——田塊i的面積，m2

Li——田塊i的周長，m

2.3.4生態保護條件

景觀破碎度T7：景觀破碎程度高低不僅反映地塊破碎化程度，而且破碎度高的地塊生態性脆弱，直接影響了農田的抗災能力。

T7=n/A

(5)

防護林比率T8:防護林密度高的地區能明顯增強農田抵御自然災害的能力，改善生態景觀，提高糧食生產保障能力。

T8=F/A

(6)

式中F——評價單元內的防護林面積，m2

2.4 物元模型

物元的概念是將事物的質和量完美的結合在一起，當可拓集合的元素是物元時，構成的可拓集合就是可拓物元集，在可拓物元集上建立的模型就是物元模型。本文利用物元模型對影響高標準農田建設的4個條件進行分析，通過計算關聯函數確定各評價單元的隸屬度，根據隸屬度高低劃分各評價單元等級。具體計算過程如下：

(1)建立待判物元矩陣

給定事物的名稱M、特征C及特征向量X，以有序三元組R=(M，C，X)作為描述該事物的基本物元。如果該事物有多個特征，M以n個特征C1，C2，…，Cn和相應的向量X1，X2，…，Xn來描述，則可表示為

(7)

式中R——待判物元矩陣

(2)確定經典域矩陣和節域矩陣為

(8)

(9)

式中Rp——經典域矩陣MP——評價等級

RB——節域矩陣B——全體評價等級

apn——特征Cn對應經典域矩陣的最小值

bpn——特征Cn對應經典域矩陣的最大值

aBn——特征Cn對應節域矩陣的最小值

bBn——特征Cn對應節域矩陣的最大值

(3)確定關聯函數，計算關聯度為

(10)

其中

(11)

(12)

式中ρ(X,X0)——點X與待判物元R的經典域區間距離

ρ(X,X1)——點X與待判物元R的節域區間距離

Kj(Xi)——待判物元R各指標關于各評價等級的歸屬程度，并以此數值的大小來確定該物元的等級，關聯函數的值域為(-∞，+∞)

若Kj(Xi)=maxKj(Xi)(j=1，2，…，m)，則待判物元第i個指標隸屬于等級j。

(4)計算綜合關聯度并確定等級

(13)

式中wi——對應指標Ci的權重

Kj(Mi)——土地利用系數指標單元關于等級j的綜合關聯度

若Kj(Mi)=maxKj(Mi)(j=1，2，…，m)，則Mi屬于等級j。

2.5 限制因素等級修正

通過建立高標準農田建設條件評價指標體系計算綜合得分并劃分等級的方法存在一定的誤差和局限性，比如等級劃分依據不合理、缺乏對限制因素的考慮等情況，因此本研究從限制條件的限制程度角度對高標準農田建設條件評價等級結果進行二次修正。即以2.4節中物元分析結果為基礎，通過統計分析每一評價單元4個準則層建設條件中1級、2級、3級的個數，其中1級代表建設條件為高限制性，2級代表建設條件為中等限制水平，3級代表低限制性水平，采用限制因素組合法，按照順序對個數進行組合，如表2所示，“004”表示評價單元4個建設條件中包含0個高限制條件，0個中限制條件，4個低限制條件，從而依據評價單元內各限制因素占高、中、低限制條件的個數并結合建設條件評價等級進行涿州市高標準農田建設優先區最終劃定，具體劃分規則如表2所示。

表2 優先區劃定規則Tab.2 Rule of priority area delimit

3 結果與分析

3.1 建設條件等級劃分

通過ArcGIS 10.2中的FishNet工具創建網格，并經網格和耕地數據的空間連接、空間疊加，依據表3所示的指標賦分規則進行打分，根據建設條件綜合得分，采用自然間斷點法將涿州市高標準農田建設條件等級由低到高依次劃分為1級、2級、3級3個等級，等級分值區間分別為[48，64)，[64，80)，[80，92)，空間可視化結果如圖3所示。

表3 評價單元賦分規則Tab.3 Rule of evaluation unit value

3.2 物元分析計算

通過對耕地立地條件、基礎設施條件、空間布局條件、生態保護條件這4類綜合指標進行物元分析計算，經典域矩陣和節域矩陣設置為

圖3 建設條件等級分布Fig.3 Grade distribution map of construction conditions

然后按照式(10)～(12)進行綜合關聯度計算，并對結果進行等級劃分，結果如表4所示。

3.3 限制因素等級修正

根據3.2節計算結果，對涿州市838個評價單元的立地條件、空間布局、基礎設施、生態保護4個限制因素進行分析，分別統計每個單元隸屬于1級、2級、3級不同限制程度等級的因素個數，例如表4中的評價單元1：生態保護條件等級為1，空間布局條件為2，耕地立地條件和基礎設施條件均為3，則1、2、3級(高、中、低)個數分別為1、1、2。

表4 高標準農田建設條件限制等級組合Tab.4 Restricted level combination of high standard farmland construction conditions

然后統計得到所有單元的限制因素等級個數組合，經統計，涿州市限制因素等級個數組合一共有14種類型，如表2所示，其中004、013、022、031、040高限制因素均為0個，說明開展高標準農田建設難度不高，應優先考慮進行劃定，301、310高限制因素均為3個，代表建設難度較大，應最后考慮。最后，結合限制因素等級個數情況和建設條件評價等級兩方面考慮，經修正后的涿州市高標準農田建設優先區劃定結果如圖4所示。

圖4 涿州市高標準農田建設優先區分布圖Fig.4 Distribution map of high standard farmland construction priority area in Zhuozhou City

為了將最終劃分結果落實到耕地圖斑上，本文通過ArcGIS 10.2中的分類導出數據、疊加分析等操作，通過一一對應關系，將評價網格單元內的耕地圖斑按照面積占優法、堅持保留圖斑原始邊界的原則分別賦以相應的等級，最后顯示結果如圖5所示。

圖5 優先區圖斑等級分布圖Fig.5 Grade distribution plaque map of priority area

3.4 優先區結果分析

優先劃入區是涿州市整體建設條件最佳區域，建設條件綜合得分在80以上，總面積8 008.72 hm2，占涿州市耕地總面積的17.58%。主要分布在涿州市自東北向西南一帶，涉及碼頭鎮、刁窩鄉、豆莊鄉北部、松林店鎮地區，這些地區耕地自然質量等別高、田塊連片性好、耕地產能優良，圍繞在涿州市中心城鎮周邊，交通便利，經濟條件優越，建設條件均為最高級別(3級)，且限制因素以低限制水平為主，無高限制性因素，相對于其他地區來說進行土地整治工程所需投入少且難度低，收益持續穩定升高。因此該地區應優先劃定為高標準農田建設區，嚴禁非農建設，加大對其保護力度以確保糧食安全。

適宜調入區分布范圍較為廣泛，主要分布在百尺竿鎮東部、東城坊鎮、義和莊鄉西部、刁窩鄉以及涿州市南部大部分地區。該地區耕地自然本底質量較高，且灌溉排水、道路通達度等田間基礎設施完善，建設條件得分在64～92之間，具有理想的高標準農田建設條件基礎，且限制因素以中低限制水平為主，部分地區有1個高限制因素，稍加整治就可達到高標準農田標準，該地區總面積22 145.34 hm2，占涿州市耕地總面積的48.60%，不僅占地面積多而且分布較為集中，利于大規模機械化和規模化生產，同時在空間分布上與優先劃入區緊密相鄰，具備連片開發建設的基礎，可通過自上而下全方位的開展高標準農田建設條件改進工程，主要開展集中連片工程、修復老舊設施、增加防護林提高耕地生態環境和抗災能力等為主，與已劃定的高標準農田區形成設施配套一體化、高產穩產的建設格局。

土地整治重點地區總面積為14 907.20 hm2，占涿州市耕地總面積的32.70%，分布相對集中，主要以百尺竿鎮、東城坊鎮為主，此外義和莊鄉以及其它鄉鎮少有分布，這些地區耕地自然等別較低，與東部具有明顯的差距，且基礎設施老舊、損毀嚴重，地勢較高，水資源短缺，生態環境脆弱，抗災能力不足，建設基礎條件較差，且大部分有1或2個高限制性水平因素，土地整治難度相對較大，但面積相對較多，是土地整治高難度地區，可以在建設完適宜調入區之后，進行基礎設施、資金、人力、物力等基礎投入，充分調動農村集體經濟及組織和農民的積極性，整治和保護協同并進。

后備調控區耕地面積共506.10 hm2，占涿州市耕地面積的1.12%，主要分布在東城坊鎮北部以及其它涿州市邊緣地區，這些地區不僅建設條件綜合得分較低，平均在60分以下，而且限制因素條件大于等于3個，土地整治投入大，不適宜進行高標準農田建設。隨著城市未來發展建設速度的加快，該地區耕地穩定性持續下降，極易被占用。因此該區域可作為后備開發區，可考慮作為其他建設用地開發對象。

4 結論

(1)以網格為評價單元對涿州市進行了高標準農田建設條件評價，打破了行政邊界的限制，通過網格計算影響高標準農田建設條件的評價指標使計算結果更加客觀合理，并且將最后優先區劃定結果落實到耕地圖斑上，可視化效果更為直觀、逼真。通過引用物元模型對影響建設條件的因素進行限制因素等級個數組合分析，并將分析結果應用到優先區時序劃分上，建設條件綜合得分結合限制性因素難度個數組合的劃分優先區方法，使耕地數量、質量、生態以及整治難度4個特性結合在一起，使劃分結果更加科學合理。

(2)涿州市高標準農田建設條件整體較高，其中適宜劃定為高標準農田建設區(優先劃入區和適宜調入區)的面積之和占了涿州市耕地總面積的66.18%，耕地自然質量以及田間基礎設施、空間布局、生態保護等條件均處于中上水平，優先區等級呈現中部高、四周偏低，東部南部高、西部低的規律。其中優先劃入區以中等生態條件限制因素為主，今后應在現有優越農田質量的基礎上加強環境保護和生態建設工程為主，促進可持續發展；適宜調入區以高限制生態保護條件和中高限制空間形態、基礎設施條件為主，該區域應繼續加強防護林等生態保護工程，同時翻新破舊基礎設施，進行復雜地塊的外形規整、連片建設工程等；重點整治區空間形態、基礎設施、生態保護條件均為高限制性，可進行土地綜合整治，力爭提高整體建設條件和質量；后備調控區均為高限制因素，可結合土地利用規劃進行適宜開發和建設，為其它地區提供資源后備存儲。

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