基于元胞自動機模型的耕地規劃模擬研究

葉 丹，郜魯濤，麻之潤，彭 琳*

(1.云南農業大學 大數據學院(信息工程學院)，云南 昆明 650201；2.云南農業大學 云南省高校農業信息技術重點實驗室，云南 昆明 650201)

1 材料與方法

1.1 研究區概況

選擇昆明市尋甸回族彝族自治縣為研究區域，該地位于東經102°41′～103°33′，北緯25°20′～26°01′，地形復雜地貌多變，屬于低緯度高原季風氣候，年均溫14～15.2 ℃，年均降水量為1045 mm，全縣土地總面積3598 km2，東西長約80 km，南北長60 km。全縣發展農副產品以及生態旅游業，是一個農業大縣。

1.2 數據來源

數據來自尋甸縣基礎地理數據，2010和2015年土地利用現狀數據，全縣土壤數據及2008-2016年尋甸縣統計年鑒和《尋甸回族彝族自治縣土地利用總體規劃(2010-2020年)》。

1.3 研究方法

1.3.1 元胞自動機模型原理 元胞自動機(Cellular Automata)是一種時間、空間、狀態都離散的模型，具有強大的空間建模和計算能力，能夠模擬具有時空特征的復雜動態系統[15]，每個變量狀態有限，而且狀態改變的規則在時間和空間上均為局部特征。以下是CA模型表達式：

S(t+1)=f(S(t)，N)

(1)

式中，S為元胞有限、離散的狀態集合；t、t+1為不同時刻，N為元胞的鄰域；f為局部空間的元胞轉化規則。

1.3.2 元胞轉換規則 由表達式(1)可以看出，元胞轉換規則f是元胞自動機模型的算法核心[16]。采用常用的元胞轉換策略-最大概率選擇策略，作為元胞轉換策略。優先轉換概率最大的元胞，直到達到最初設定的目標值。

(2)

式中，SP表示元胞狀態轉換為耕地的綜合概率；P、NP、C分別表示土地適宜性概率、土地空間發展限制性、土地未來發展競爭優勢；state為元胞狀態；plowland為耕地；CV為耕地規劃模擬中耕地的規模指標；IND為耕地規劃模擬中可占用為耕地的其他用地的總體數量。

BIM技術應運而生，上海中心、鳥巢都成功“試水”，但是，BIM在中國的建筑業市場的應用依然相對狹窄，住房和城鄉建設部發布的《關于2017年二季度全國工程質量安全提升行動進展情況的通報》中提到：在部分地區推動工程技術進步工作進展較為緩慢。

1.3.3 耕地規劃模擬系統工具開發方法 為了在地理空間分析中高效地應用CA模型，基于ArcGIS 10.2平臺，利用 Python腳本語言，結合Arcpy和Numpy類庫，開發耕地規劃模擬系統腳本工具。該工具共有5個參數。

(1)土地適宜性柵格：基于耕地地力等級的柵格圖，用來定義元胞狀態轉變為耕地的概率。

(2)土地限制性柵格：主要受城鎮發展區、生態林地、草地等條件約束，柵格值取0或1,0表示對耕地發展無約束，1表示對耕地發展有約束。用來定義耕地的空間發展約束條件。

(3)競爭優勢柵格：在土地利用類型轉換過程中，轉化為其他地類的優勢性圖層。柵格取值為0或1，0表示轉化為其他地類無競爭優勢，1表示轉化為其他地類有競爭優勢。用來定義土地利用轉換過程中的競爭優勢。

(4)規模指標：耕地實際用地規模指標，用來定義耕地規劃的占地規模數量。

(5)輸出結果：輸出耕地規劃模擬結果，用來定義耕地規劃模擬結果的輸出文件存放路徑和輸出文件名稱。

表1 耕地地力評價指標及其權重

圖1 灌溉保證率Fig.1 Irrigation guarantee rate

圖2 排澇能力Fig.2 Drainage capacity

2 結果與分析

2.1 尋甸縣土地適宜性分析

主要從耕地地力狀況和空間鄰域適宜性來分析土地適宜性。綜合尋甸縣的實際情況，耕地地力狀況主要考慮土壤管理、立地條件和理化性狀3個方面，而土地適宜性還包括耕地的穩定性。耕地穩定主要受城鎮用地變化影響，因此，將空間鄰域適宜性考慮進來，能降低劃定的耕地在未來用地變化中受影響的程度，以提高耕地規劃模擬系統工具的穩定性。

2.1.1 評價因子選擇及權重確定 結合尋甸縣的現有數據和相關研究，評價指標體系由目標層、準則層和指標層三層構成。目標層即耕地地力評價結果，準則層由土壤管理、立地條件和理化性狀組成。土壤管理主要由灌溉保證率和排澇能力分級組成。立地條件主要包括坡度和坡向2個因子。而理化性狀主要考慮對土壤養分影響較為重要的有機質、pH、全氮、有效磷、速效鉀。權重計算采用特爾斐法和層次分析法相結合，并參考大量相關文獻[17-20]，確定評價指標的權重(表1)。

圖3 坡度分級Fig.3 Slope grading

圖4 坡向分布Fig.4 Slope distribution

圖5 土壤有機質含量Fig.5 Soil organic matter content

2.1.2 耕地地力評價 針對尋甸縣的云貴高原特性，主要選取灌溉保證率、排澇能力、坡度、坡向、有機質、pH、全氮、有效磷和速效鉀等有代表性的評價因子。灌溉保證率、排澇能力、坡度、坡向、有機質、pH、全氮、有效磷和速效鉀等評價因子主要從云南省測土配方施肥數據中獲取(圖1～9)。按照表1中各因子所占權重，對其進行疊加分析，得到尋甸縣耕地地力評價圖。

圖6 土壤pH值含量Fig.6 Soil pH value content

圖7 土壤全氮含量Fig.7 Soil total nitrogen content

2.1.3 空間鄰域適宜性評價 利用ArcGIS的地理處理功能對2010年的土地利用現狀圖進行重分類。其中，建設用地為1，非建設用地為0，并對其進行鄰域分析，得到城鎮建設用地鄰域圖[21]。對得到的建設用地鄰域圖進行分析，土地單元3×3鄰域窗口內的城鎮建設用地單元數越多，其空間鄰域適宜性越低，則評價得分越低，轉化為耕地的概率越低；反之，其評價得分就越高[22]，轉化為耕地的概率也越高，評價得分在5.94119～61.0413。

根據耕地地力評價圖及空間鄰域適宜性的評價結果，結合相關文獻[22]，給耕地地力評價結果賦權重值0.8，給空間鄰域適宜性評價結果賦權重值0.2，再運用疊加分析功能得到土地適宜性評價柵格圖(圖10)。尋甸縣由于其特殊的地形地貌原因，適宜做耕地的區域較為分散。

圖8 土壤有效磷含量Fig.8 Soil effective phosphorus content

圖9 土壤速效鉀含量Fig.9 Soil available potassium content

圖10 土地適宜性綜合評價得分Fig.10 Comprehensive evaluation score of land suitability

圖11 2020年耕地模擬結果Fig.11 Simulation results of cultivated land in 2020

2.2 土地限制性約束分析

隨著社會的發展，在土地利用類型轉換過程中，耕地發展主要受城鎮建設用地、生態林地、草地以及建筑水工用地等條件的限制約束。基于上述土地限制性約束條件將尋甸縣2010年的土地利用現狀圖重分類，有約束的地類為1，其他為0。

2.3 競爭優勢分析

在土地利用類型轉換過程中，城鄉建設用地相較于其他地類有很大的競爭優勢。利用尋甸縣2015年的土地利用現狀圖和《尋甸回族彝族自治縣土地利用總體規劃(2010-2020年)》，提取城鎮建設用地的圖斑，并對其進行緩沖區分析，然后再進行重分類，允許建設區為1，轉換為其他地類有競爭優勢；否則為0，轉換為其他地類無競爭優勢。

2.4 模擬精度驗證

以2010年為基期，結合2015年的土地利用現狀數據，利用上述方法模擬2015年耕地規劃狀況，并與2015年實際耕地分布狀況進行對比，驗證模擬結果的Kappa系數為 96 %，

當Kappa系數大于80 %時，預測結果的一致性就達到了最佳的水平[23-24]。說明開發的耕地規劃模擬工具具有一定的準確性，可以用來輔助相關部門調整土地利用總體規劃中的耕地規劃項。

2.5 耕地規劃模擬

尋甸縣2020年耕地規劃指標為63 277 hm2。由于元胞柵格大小統一設置為100 m×100 m，所以到2020年，尋甸縣的元胞規模指標設置為63 277個。經元胞自動機的運算，得到尋甸縣2020年耕地規劃模擬圖，如圖11所示。

為了研究尋甸縣2020年耕地結構相較于2010年的組成變化，將模擬的2020年的耕地規劃結果與2010年的土地利用現狀進行疊加分析，預分析出耕地的增減變化，土地利用類型轉換狀況，如表2所示。分析表2可知，與2010年相比，2020年尋甸縣耕地面積預計增加8277 hm2，其他用地約有30 598 hm2會轉為耕地，主要是由林地(未成林造林地、跡地、疏林地等)、草地(覆蓋度在5 %～20 %的天然草地)、水工建設用地(灘涂、坑塘水面等)、村莊、未利用地(砂地、裸土地、裸巖石礫地等)等轉化而來。尋甸縣地處中國西南片區，且尋甸縣曾是國家級貧困縣，在2018年10月6號由云南省政府公開發布批準其退出貧困縣。尋甸縣的經濟發展，產業結構變化較大，因而其土地利用變化較大。尋甸縣目前還是一個以特色農業發展為主、生態旅游發展齊頭并進的農業大縣，因此其耕地面積仍在逐年上升。

從耕地的自然條件出發，耕地發展對土壤養分、地勢條件灌溉排澇能力有很大的依靠。所以，此次模擬的2020年耕地，更好的結合了耕地地力條件。合理轉化內陸灘涂等地類，選擇具有良好的土壤質地和水分條件的地類轉化，可以有效的提高耕地產值，為研究區的農業發展提供更好的前景規劃。

3 討 論

利用Python將元胞自動機模型開發成小工具嵌入到Arcgis平臺對尋甸縣耕地利用情況進行模擬，探索考慮了耕地適宜性、限制性以及約束性的元胞自動機模型在耕地規劃上的應用前景。

(1)尋甸縣地處中國西南地區地形地貌較為復雜，高山低谷，地形起伏不定。受灌溉保證率、排洪排澇能力、坡度、坡向、有機質、pH、全氮、速效鉀、有效磷等土地利用演變驅動因素分布不均的影響，采用層次分析法確定各因素的權重并繪制出土地適宜性評價圖，最終發現尋甸縣適宜作耕地的區域較為分散。

表2 2020年模擬耕地與2010年土地利用現狀疊加分析

Table 2 Overlay analysis of simulated cultivated land in 2020 and land use in 2010

土地類型Land type面積(hm2)Area耕地32 679林地15 376草地13 202水工建設用地234村莊1395未利用地391合計63 277

(2)尋甸縣曾長達30多年是國家級貧困縣，現在終于脫貧。這離不開當地經濟的迅速發展及其產業結構的升級。對尋甸縣2020年耕地規劃模擬的結果進行分析，其與2010年尋甸縣土地利用現狀圖相比，2020年尋甸縣耕地數量有所上升，其中僅有32 679 hm2是2010年現有耕地，約30 589 hm2是由林地、草地、水工建筑用地、村莊和未利用地轉換而來的耕地。

(3)研究的耕地規劃模擬工具受前景政策影響較大，若不考慮相關前景政策，在允許建設區規劃了耕地，最后會導致規劃失誤再重新規劃，浪費人力物力。故而不僅要充分考慮研究區的土地利用總體規劃還需要時刻關注尋甸縣新出臺的相關政策。

4 結 論

適宜性CA耕地規劃模擬工具不僅可以體現“自下而上”的規劃原則，而且研究的耕地規劃模擬工具考慮了耕地的自然地理條件、社會經濟條件以及政策因素，因此更加具有穩定性。并且，該模型可以進一步拓展到“三線劃定”中的生態保護紅線劃定以及城市邊界劃定。