RS與GIS在基本農田布局優化中的應用

劉彥文，周 霞，韓冰華，陳 志，陳銳凱

(湖北科技學院資源環境科學與工程學院，湖北咸寧 437100)

農田是糧食作物生產的主要陣地，是一種不可替代的不可再生的自然資源[1]，農田利用的轉變引發了人們對糧食安全的擔憂[2]。國外很多學者對耕地和重要農地保護必要性、政策變化、規劃制定、保護方法等方面進行了諸多研究[3-7]。國內農地保護意識的覺醒始于1978年，但直到1986年耕地作為一項基本國策被第一次明確提出后才開始了真正意義上的立法保護[8]。1999年實施的《基本農田保護條例》中明確要求，各級人民政府在土地利用總體規劃中必須明確基本農田保護的布局安排、數量指標和質量要求。同年實施的《中華人民共和國土地管理法》第四章“耕地保護”第三十一條明確嚴格控制耕地轉為非耕地、非農建設占用的按數量和質量相當的原則進行開墾補償。但根據中國國家統計局(National Bureau of Statistics of China，2010)和文獻[2]公布的數據統計：自1979年至2008年，耕地仍然減少2 282萬hm2，其中缺乏科學有效的保護方法是耕地持續減少的一個重要原因。為了有效保護耕地與農田，國內有關學者結合土地評價理論[9]、LESA綜合評價體系[10-11]、小波理論[12-13]、人工免疫系統[14]等，采用遙感與地理信息技術，從耕地的自然條件、連片性等角度出發，選擇質量等別、坡度坡向、道路通達度、水利設施狀況以及與相鄰土地利用類型的適宜性等因素作為評價指標[15-18]，對農田土地利用變化、遙感動態監測、基本農田劃定及布局優化、數據庫建設等進行了相關研究[19-21]。基本農田作為耕地的重要組成部分，如何選擇合適的耕地作為基本農田涉及到諸多因素，已有文獻多注重劃定方法的理論研究，筆者從工程化應用角度出發，探討了RS與GIS技術在基本農田布局優化中的應用。

1 材料與方法

1.1研究區概況嘉魚縣位于湖北省東南部、長江中游南岸，地理坐標為113°39′～114°22′E，29°48′～30°19′N，地處江漢沖積平原，屬副熱帶濕潤季風氣候，日照充足，雨量充沛，土地肥沃，全縣轄8個鄉鎮1個農場，2013年總人口37.07萬，是長江經濟帶重要開發區之一，也是國家食品安全示范縣和全國首屆國土資源節約集約模范縣。地勢自西南丘崗向東北平原交迭過渡，總體海拔較低，大部分在19～50 m，全縣大體形成“一山三水四分田，兩分道路與莊園”的地貌格局。近年來，嘉魚縣嘉魚農業種植發生了很大的改變，農民由單一種糧邁向糧菜瓜果交織、多季多種種植，其中蔬菜和瓜果的種植與經營形成規模，成為特色，享譽全國。

1.2數據來源數據來源主要包括遙感數據平臺下載、國土部門提供和圖書館查閱等，收集的資料主要包括研究區社會經濟數據、自然環境數據、土地利用數據、衛星遙感數據以及Google Earth影像合成加工數據。獲取方式包括向有關部門搜集和購買、通過文獻綜合研究等手段收集和整理，以及通過實地考察與調研進行資料分析判斷與綜合取舍。通過與已有相關數據、互聯網收集資料等進行交叉驗證，以檢驗數據來源的真實可靠性。

1.3研究方法收集原有的相關遙感影像資料和現成地類資料成果，以遙感技術為主要手段，利用多時相的衛星遙感資料，根據地類的可解譯程度，對工作區的土地利用類型進行監督與非監督分類解譯。在DEM上提取坡度、坡向、流域水系等相關數據，對解譯出的地類與上述信息進行疊置分析，初步判斷最適宜的農田布局。對土地利用總體規劃庫、土地利用現狀數據庫、基本農田基期數據庫綜合分析提取的基本農田邊界，將此邊界與最適宜耕地布局進行空間疊置分析，人工目視劃定最終基本農田分布(圖1)。

圖1 技術路線Fig.1 Technical route

2 結果與分析

2.1遙感數據處理結果對Landsat OLI多光譜數據進行圖像增強、幾何校正、矩形裁剪，采用5×5濾波處理消除微地形、地物陰影、地貌差異以及成像過程等在遙感影像上造成的噪聲，再進行輻射校正與大氣校正，大氣校正參數設置為single scale factor：1，研究區平均高程為0.028 km，從ENVI自帶OLI光譜庫中制作多光譜對應波譜曲線庫LC8MultilSli.sli。依據《土地利用現狀分類》標準，將土地利用類型分為草地、林地、耕地、建設用地、水域和其他6種類型，分類結果見圖2A，表1是對分類信息的統計，由地理空間云獲取研究區DEM數據，將研究區坡度分為≤2°、>2°～6°、>6°～15°、>15°～25°、>25° 5個坡度級，生成研究區坡度見圖2B，對應坡度統計見表2。

注：A.OLI數據解譯結果；B.坡度分布Note：A.OLI data interpretation results；B.Gradient distribution圖2 遙感數據處理結果Fig.2 Remote sensing data processing results

土地類型Soil type編碼Code像元數The number of pixel像元累積The cumulative pixel百分比Percent∥%累積百分比Cumulative percent∥%草地Grass191 28091 2808.048.04耕地Arable land2249 054340 33421.9429.98建設用地Construction land3104 605444 9399.2239.20林地Woodland4373 632818 57132.9272.12水域Water area5237 6471 056 21820.9493.06其他Others678 7921 135 0106.94100

表2 坡度統計結果

由表1可知，在地類構成中，林地占比為32.92%，比重最大，由圖2解譯結果可知主要分布在縣域西南角，縣域西南角在坡度圖上起伏明顯，該區是縣域內主要的丘陵分布區，常年有大量植被覆蓋，耕地與水域分別排在第二位和第三位，占比分別為21.94%和20.94%，耕地成連片狀，自縣域中部延伸分布至東北角，該區地勢低平，平均坡度在6°以下，是全縣主要的糧食作物和蔬菜主產區。長江水域自縣域西側由北向南貫穿始終，斧頭湖、西涼湖緊鄰其右，蜀茶湖、三湖連江水庫、蜜泉湖、大巖湖等主要湖泊水庫星羅分布期間，為便捷灌溉提供了根本保障。

2.2基本農田布局優化

2.2.1基本農田布局優化流程。基本農田劃定以二調基本農田上圖成果為基礎，套合新一輪土地利用總體規劃基本農田保護區范圍，先確定基本農田基期邊界，再將基本農田基期邊界與遙感影像上解譯坡度信息、土地利用分類信息、Google Earth人工解譯的路網信息等進行疊加分析，評價基期基本農田劃定的合理性。運用解譯信息等對基期劃定結果進行布局優化，劃定基本農田保護布局初步方案，通過數據庫導出全縣及分鄉鎮匯總面積，將該套數據與全縣及各鄉鎮基本農田保護數量指標進行對比，確定基本農田補劃數量；最后根據外業底圖調查結果，在ArcGIS中確定最終調入地塊、調出地塊和繼續保留為基本農田地塊的空間位置、面積、地類、質量等級等現狀信息，優化生成最終成果。

2.2.2基本農田調出分析。嘉魚縣調出的基本農田主要優先考慮由于自然原因(如旱、澇)不能繼續作為基本農田的地塊、由于地類改變不適宜作為基本農田的地塊等多個方面。例如，現狀用途為坑塘、林地、村莊等的地塊，共調出地類圖斑51個。丘陵地區基本農田調出主要是由于地類改變所致，以陸溪鎮、高鐵嶺鎮最為典型。濱湖地勢較低的地區，湖區水位的季節性變化使得土地不適宜作為基本農田，進而將土地利用類型規劃為水塘；丘陵坡地地勢較高的地區，交通水利設施不健全，且分布零星，進而將土地利用類型規劃為林地。嘉魚縣平原地區基本農田調出主要是由于建設用地占用、二調地類調繪錯誤，以新街鎮、高鐵嶺鎮最為典型。為了保證城鎮后備用地的儲備，促進當地經濟的長遠發展，對部分城鎮周邊的土地做出了置換，保證等質等量對換、增減達到平衡。嘉魚縣在“各鄉(鎮)2010—2020年土地利用總體規劃”劃定的基本農田的基礎上，共調出基本農田23.62 hm2，其中村莊為1.42 hm2，公路用地為9.13 hm2，果園為1.47 hm2，旱地為0.01 hm2，建制鎮為1.47 hm2，坑塘水面為5.95 hm2，其他林地為3.98 hm2，有林地為0.21 hm2。

2.2.3基本農田調入分析。為了保證基本農田“數量不減少、質量不降低”，就要調入一部分質量較高的耕地。依據集中連片、質量由高到低基本原則，調入的基本農田全部為質量等級較好的耕地，如現狀為良好的水田、旱地等。基本農田調入區優先安排在已實施完成的土地開發整理項目區域內，數量不夠時則安排在交通便利、灌溉設施較齊備的城鎮擴展區外圍，以保證嘉魚縣基本農田從分布區域到耕作質量都更趨于合理和提高。數量方面在保證調出調入平衡的基礎上，部分村鎮調整后的基本農田面積有所增加。全縣在“各鄉(鎮)2010—2020年土地利用總體規劃”劃定的基本農田的基礎上，共調入地類圖斑47個，調入基本農田139.18 hm2，其中水田為41.56 hm2，水澆地為89.69 hm2，旱地為7.92 hm2。

2.3基本農田優化面積對比分析嘉魚縣基本農田基期面積為25 696.52 hm2，新一輪規劃修編下達的保護指標為25 435.03 hm2，優化前基本農田劃定面積為25 478.35 hm2。調出基本農田面積為23.62 hm2，全部從非耕地中調出；調入基本農田面積為139.18 hm2，一般耕地占調入面積的比例為100%，因此，基本農田上圖面積最終為25 593.90 hm2，略高于本輪規劃確定的基本農田保護目標。

2.4基本農田優化質量對比分析變動地塊質量首先要滿足現狀庫質量等別統計要求，但已有相關成果中劃劣不劃優等現象排除不易，該研究運用變化地塊同地類面積差值進行衡量，減少說明質量下降，增加說明質量上升。嘉魚縣基本農田優化過程中，調出的基本農田中無耕地，而調入的基本農田全部為耕地，其中水田占40.45%，水澆地占51.92%，旱地占7.57%，該次基本農田優化凈調入耕地139.18 hm2，參照嘉魚縣農用地分等技術報告，因補劃的基本農田都是優質耕地，優化后的基本農田平均質量等別高于優化前的平均質量等別(表3)。

表3 基本農田優化質量對比情況

2.5基本農田優化地類構成分析從基本農田構成上看，優化前基本農田面積為25 478.35 hm2，其中耕地面積為25 429.05 hm2，占基本農田面積的99.81%(表4)，其他農用地面積為47.61 hm2，占基本農田面積的0.19%。在耕地中，水田占48.32%、水澆地占39.81%，旱地占11.87%。調整后基本農田面積為25 593.90 hm2，其中耕地面積為25 561.36 hm2，占基本農田面積的99.87%，其他農用地面積32.54 hm2，占基本農田面積的0.13%。在耕地中，水田占48.32%、水澆地占39.81%，旱地占11.87%。調整后的基本農田中耕地所占的比重有所提高，該次基本農田調整中，無基本農田調出，除了官橋鎮、魚岳鎮、簰洲灣鎮無基本農田調入外，嘉魚縣其他5個鎮均有不同規模的耕地調入，尤其以渡普鎮和潘家灣鎮調入的基本農田面積最多，分別調入為20.87和92.93 hm2。

表4基本農田布局優化地類構成變化分析

Table4Analysisonchangeofcompositionofbasicfarmlandlayoutoptimization

地類Land type占比Proportion∥%優化前Before optimization優化后After optimization耕地Arable land99.8199.87園地Garden00其他農用地Other agricultural land0.190.13

2.6基本農田調布局優化集中連片性分析優化前基本農田布局比較分散，主要分布在嘉魚縣東南部地勢較平緩、水利設施完善的平原地區和西北部地區，在全縣西南部地區和中南部地區，因自然條件和灌溉條件差、土地利用率低，基本農田分布較少，集中連片程度總體不高。優化后刪除了面積較小的零星像元213個(多分布在丘陵區)，基本農田布局得到改善，補充的像元主要分布在魚岳鎮以北的地區，基本農田總體集中連片程度有所提高(圖3)。

圖3 基本農田分布Fig.3 Basic farmland distribution

3 結論與討論

在RS與GIS支持下，利用土地利用現狀數據庫、土地利用總體規劃數據庫和基本農田劃定專題數據庫中提取的基本農田保護邊界進行空間疊加分析，以工程化應用為基礎，結合自然生態特點與人文社會發展，進行了嘉魚縣基本農田劃定與布局優化，優化后研究區共劃定基本農田保護區1 748個，基本農田保護片(塊)2 281個，保護圖斑11 617個，面積25 593.90 hm2，經現場調查核實，所劃成果與實地現狀一致吻合。

我國目前對基本農田的劃定，主要是上級對下級按照一定的比例將基本農田指標分解到各個省、市、縣、鄉鎮，由于經費有限、時間緊迫等主客觀方面的原因，為了完成上級下達的目標并按時完成劃定任務，基本農田劃定過程中的實地調研等環節往往強度不足，具體劃定時未經過全面細致的調查思考就將現有耕地中的絕大部分劃為基本農田。這可能

存在確實把較為肥沃作物產量較高的土地劃為基本農田，但也存在將類似丘陵、易旱易澇等不適合作為基本農田的地塊劃入其中的情況，用統一的基本農田劃定數量來要求全部的地區是不科學的，在一定程度上也致使基本農田的保護往往有名無實。具體劃定過程中人為因素影響較大，基本農田首先是耕地，但耕地不可能全部是基本農田，決策層一般給出發展戰略導向，具體劃定時由于籠統的戰略導向缺乏工程化具體步驟支持，在保證數量的前提下，空間定位選擇隨意性較大。草率劃定使區域發展短期內的部分利益可以有效滿足，但對區域的可持續發展不利。深入挖掘遙感數據的潛在信息，利用時序遙感數據蘊藏的物候信息、NDVI及其他植被指數與土地利用的關聯信息等，制定土地質量客觀性衡量指標與工程性步驟化優化方法，為后續提升基本農田保護質量、建設高層級的高標準農田區提供參考。

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