基于GIS的黃土高原地區(qū)農(nóng)村居民點用地整理潛力綜合評價

撒利偉，孫業(yè)鵬，谷 寧

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西燃氣集團工程有限公司，陜西 西安 710016)

土地資源作為人類的勞動對象和賴以生存的基本資料，對社會發(fā)展有著不可替代的重要意義，長期以來，我國一直面臨著人多地少、土地資源匱乏的國情[1].人口城鎮(zhèn)化減少了對農(nóng)村居民點用地的需求，但農(nóng)村建設(shè)用地粗放的發(fā)展模式和環(huán)境問題的集中爆發(fā)，使得農(nóng)村人口減少的情況下居民點用地總量不減反增，土地污染和浪費嚴(yán)重，耕地的質(zhì)量和數(shù)量不斷下降[2]，土地資源形勢不容樂觀.中央農(nóng)村工作小組為此專門提出了科學(xué)劃定農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)等各類空間和生態(tài)保護紅線的“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃”.

農(nóng)村居民點用地整理對促進土地的優(yōu)化配置和開發(fā)利用、保護和修復(fù)具有重要的現(xiàn)實意義，在相關(guān)研究中，國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注角度有所不同.國外學(xué)者Olivia J[3]、W. Fleming[4]等認(rèn)為居民對土地整理的支持度是實施土地整理重要評價指標(biāo)之一；Musisi Nkambwe[5]、Demetris D[6]等則分別利用土地利用預(yù)測模型、土地資源調(diào)查、GIS工具等，對計劃進行居民點整理區(qū)域的土地面積和環(huán)境狀況、土地資源管理效果以及用地適宜性進行了分析研究.國內(nèi)學(xué)者在關(guān)注民意[7]、國家政策[8]以及相關(guān)技術(shù)[9]對農(nóng)村居民點用地整理的影響基礎(chǔ)上，通過對我國不同自然環(huán)境區(qū)域、不同經(jīng)濟發(fā)展條件下的農(nóng)村居民點整理潛力測算及現(xiàn)實整理潛力修正的研究認(rèn)為：不同區(qū)位及環(huán)境條件下農(nóng)村居民點整理的最適宜的評價方法有所差異，居民點用地整理受人口變動、社會經(jīng)濟條件、自然環(huán)境狀況等因素的影響程度也大不相同[10-11]；經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展條件、規(guī)劃及相關(guān)政策對農(nóng)村居民點整理影響較大，而地形地貌等自然環(huán)境條件影響相對較小[12]；農(nóng)村居民用地整理影響因素評價指標(biāo)體系中除自然、社會、經(jīng)濟因素外，農(nóng)居點的利用因素也占重要比重[13].總的來說，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的土地整理研究要多于落后區(qū)域，但就整理難度和迫切性看，經(jīng)濟落后地區(qū)的農(nóng)村居民點用地更為迫切、整理難度更大.此外，上述部分研究中雖對地理信息系統(tǒng)(GIS)有所應(yīng)用，但多限于數(shù)據(jù)存儲與空間表達，對GIS的數(shù)據(jù)管理與計算、空間分析、決策支持等功能應(yīng)用較少.

黃土高原作為地球上黃土區(qū)分布最集中的地區(qū)，總面積64萬km2，缺乏植被保護和雨季暴雨沖刷使得該地區(qū)水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱[14]，居民點用地及其他建設(shè)用地增加，人地關(guān)系緊張程度加劇.志丹縣作為黃土高原中西部，黃土丘陵溝壑特征明顯，農(nóng)村居民點用地整理工作開展較早，但整理效果不夠顯著.本文以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，以志丹縣為案例研究對象，通過建立農(nóng)村居民點用地整理修正模型以及進行縣域農(nóng)村建設(shè)用地現(xiàn)實整理潛力的分級與分區(qū)，對農(nóng)村居民點用地整理進行潛力測算評價，以提高農(nóng)村居民點用地整理的科學(xué)性和可操作性，進而為整個黃土高原地區(qū)農(nóng)村居民點用地整理提供借鑒和指導(dǎo).

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究主要使用的數(shù)據(jù)有地形數(shù)據(jù)、經(jīng)濟和社會環(huán)境數(shù)據(jù)以及土地利用狀況數(shù)據(jù).在實證案例中，地形數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站免費獲取的DEM高程數(shù)據(jù)；財政收入、二三產(chǎn)總值、搬遷人口比重等經(jīng)濟和社會環(huán)境數(shù)據(jù)，主要來源于研究區(qū)域統(tǒng)計年鑒、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報；道路交通數(shù)據(jù)通過交通總體規(guī)劃矢量圖中提取道路要素，獲取道路等級至鄉(xiāng)級道路.

1.2 研究方法

本文研究過程主要是在ArcGIS10.3的操作平臺上進行的，利用GIS的數(shù)據(jù)處理與校正、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)提取、分析建模等功能，對各類數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和整理；結(jié)合黃土高原地區(qū)農(nóng)村居民點用地土地整理現(xiàn)實潛力評價模型，計算土地整理現(xiàn)實潛力，并與理論潛力進行對比；最后再借助ArcGIS的分級和空間表達功能，進行整理潛力分級和分區(qū)，指導(dǎo)土地整理工作的開展.

2 農(nóng)村居民點用地現(xiàn)實潛力綜合評價

根據(jù)研究成果的可操作性，農(nóng)村居民點用地土地整理潛力可分為理論潛力和現(xiàn)實潛力.理論潛力是指在僅人口數(shù)、戶口數(shù)或規(guī)劃指標(biāo)等單一因素影響下，通過簡單的潛力評價計算得到的農(nóng)村居民點用地整理面積值[15].而現(xiàn)實潛力評價是綜合整理區(qū)域的實際情況，對理論潛力所進行的修正；相比而言，現(xiàn)實整理潛力對農(nóng)村居民點整理工作的開展更具指導(dǎo)意義.

2.1 理論潛力評價模型說明

在不考慮未來人口變動的情況下，本次研究采用人均建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)法作為農(nóng)村居民點用地整理理論潛力評價模型，以求得區(qū)域內(nèi)農(nóng)居點用地整理最大潛力值.計算公式如下：

ΔS=S現(xiàn)狀-BiQi

(1)

式中：ΔS為農(nóng)村居民點用地整理潛力；S現(xiàn)狀為現(xiàn)狀農(nóng)村居民點用地面積；Bt為人均用地標(biāo)準(zhǔn)；Qi為農(nóng)村現(xiàn)狀人口數(shù).根據(jù)《村鎮(zhèn)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)(GB50188-93)》，結(jié)合土地整理潛力效益與評價[16]以及黃土高原地區(qū)自然環(huán)境狀況，確定模型中人均用地標(biāo)準(zhǔn)為 150 m2/人.

2.2 現(xiàn)實潛力綜合評價模型構(gòu)建

2.2.1 綜合評價模型的構(gòu)建

農(nóng)村居民點用地整理現(xiàn)實潛力測算是在理論潛力的基礎(chǔ)上，通過自然、社會、經(jīng)濟等多種現(xiàn)實影響因素的量化分析，實現(xiàn)對理論潛力評價的修正和完善.基于此思路和相關(guān)研究成果，構(gòu)建農(nóng)村居民點用地整理潛力多因素綜合評價模型，如公式(2)所示.

(2)

式中：Yj為j單元農(nóng)村居民點修正潛力數(shù)值；ΔY為j潛力評價區(qū)農(nóng)居點理論潛力值；Kj為對應(yīng)的j單元的潛力修正系數(shù)；n為指標(biāo)總個數(shù)；Zj為無量綱差異的指標(biāo)量化值；Wj為單項指標(biāo)的權(quán)重值.

2.2.2 修正指標(biāo)體系的選擇

遵循合理性、完整性、地域性、可量算等原則，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[12-13]，采用理論分析和專家咨詢相結(jié)合的方式，從自然因素、經(jīng)濟條件、社會環(huán)境和土地資源狀況4個因素層中選取了9個評價指標(biāo)，作為農(nóng)村居民點用地整理現(xiàn)實潛力評價的修正指標(biāo)體系(如圖1).

自然因素中的平均坡度影響著農(nóng)村居民點的分布和土地整理的的工程成本，坡度越大限制性越強；經(jīng)濟條件中各項指標(biāo)都對土地整理有正向推動作用，指標(biāo)值越高，土地整理的限制性就越小；社會條件中城鎮(zhèn)化的推進通過增加土地需求來推動土地整理，農(nóng)村對遷出的認(rèn)可程度一定層面上也是對農(nóng)村居民點整理的認(rèn)可程度，而路網(wǎng)密度則反映了區(qū)域的基礎(chǔ)建設(shè)情況和對土地的需求量，路網(wǎng)密度越高則土地整理限制性就越小；土地資源中的人均耕地面積是土地后備資源的反映，人均耕地越少則土地整理越迫切，居民點規(guī)模則直接反映土地整理潛力來源和水平.

圖1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建Fig.1 Construction of Evaluation Index System

2.2.3 計算各指標(biāo)權(quán)重

綜合考慮修正指標(biāo)體系中各影響因子對現(xiàn)實潛力評價的作用大小以及樣本數(shù)量等因素，采用層次分析法(AHP法)來確定各指標(biāo)權(quán)重.結(jié)合層次分析法的相關(guān)步驟，依次通過專家打分法構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序以及一致性檢驗等計算過程，最終在符合條件下農(nóng)村居民點用地整理潛力修正指標(biāo)體系各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1.

表1 修正指標(biāo)權(quán)重
Tab.1Weightofcorrectionindex

目標(biāo)層(A)準(zhǔn)則層(B)權(quán)重指標(biāo)層(C)權(quán)重整理潛力修正自然因素(B1)0.09經(jīng)濟發(fā)展條件(B2)0.48社會環(huán)境(B3)0.27土地資源利用現(xiàn)狀(B4)0.16平均坡度(C1)1財政收入(C2)0.614二三產(chǎn)總值(C3)0.268農(nóng)民人均純收入(C4)0.118城鎮(zhèn)化率(C5)0.62搬遷人口比重(C6)0.24路網(wǎng)密度(C7)0.14人均耕地面積(C8)0.75居民點規(guī)模(C9)0.25

2.2.4 指標(biāo)賦值及疊加分析

農(nóng)村居民點用地整理現(xiàn)實潛力計算在理論潛力的基礎(chǔ)上，依據(jù)潛力修正模型，通過計算潛力修正系數(shù)得到的；因此，建立修正指標(biāo)量化數(shù)據(jù)庫并對各指標(biāo)進行量化賦值是獲得理論潛力衰減度的基礎(chǔ).借助公式(3)和公式(4)將現(xiàn)實整理潛力指標(biāo)初始量化值轉(zhuǎn)化為0～1之間的相對值，以此消除指標(biāo)量綱差異.

正向指標(biāo)：

(3)

負(fù)向指標(biāo)：

(4)

式中：Xni為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化之后的值；Xij為指標(biāo)原始值；Ximin為單項指標(biāo)中的最小值；Ximax為是單項指標(biāo)中的最大值.其中，平均坡度、人均耕地面積為負(fù)向指標(biāo)，其余指標(biāo)正向指標(biāo).

通過ArcGIS的柵格計算器進行疊加分析.利用數(shù)學(xué)計算的方式將柵格要素中地理坐標(biāo)相同的像元進行融合，并將計算結(jié)果賦值到新的輸出圖層的像元中.通過疊加分析，使輸出圖層融合了各單項指標(biāo)的空間特征；將具體研究區(qū)域的修正系數(shù)的數(shù)值及權(quán)重代入加權(quán)模型，通過數(shù)學(xué)運算得到各個評價單元潛力的限制性綜合修正系數(shù).

2.3 現(xiàn)實潛力分級與分區(qū)評價

農(nóng)村居民點用地土地整理潛力分級評價是在潛力值明確的前提下，對研究區(qū)域土地整理潛力實現(xiàn)的空間特征進行分析，簡化潛力的空間分布信息，根據(jù)土地整理狀況劃分不同的潛力區(qū)，整理狀況相似的項目歸為同一區(qū)域.

2.3.1 分級評價標(biāo)準(zhǔn)和方法

耕地增加系數(shù)法通常為土地潛力分級的基本方法，在土地利用數(shù)據(jù)的特殊性和新增耕地數(shù)量難以完全統(tǒng)計的情況下，以綜合潛力系數(shù)作為整理潛力等級劃分依據(jù)，即通過農(nóng)村建設(shè)用地整理能夠增加的用地面積占現(xiàn)狀建設(shè)用地面積的百分比，計算公式如下.

(5)

式中：ai為整理綜合潛力系數(shù)，ΔSi為整理增加面積，Si為現(xiàn)狀用地面積.

在此基礎(chǔ)上采用GIS自然間斷點分級法進行分級和表達，該方法不僅可以充分利用之前分析過程中所建立的地理數(shù)據(jù)庫，同時可以避免數(shù)軸法和總分頻率曲線法等方法樣本數(shù)量難以滿足要求、分級結(jié)果的可靠性低的缺點，潛力分級不少于三級.

2.3.2 整理潛力分區(qū)

農(nóng)村居民點用地整理潛力估算及分級是整理工作的基礎(chǔ)內(nèi)容，整治分區(qū)為工作的關(guān)鍵步驟[17].采用綜合指標(biāo)法在分級評價的基礎(chǔ)上利用GIS的綜合疊加對區(qū)域進行了整理潛力分區(qū)，在分區(qū)指標(biāo)的選取時，為避免與上述社會經(jīng)濟及用地現(xiàn)狀等因素重復(fù)，從整理的重要性、整理的迫切性和區(qū)位條件3個方面分別進行潛力分區(qū).為方便指標(biāo)的疊加分析，首先計算各項指標(biāo)值及指標(biāo)權(quán)重，計算公式如下：

(6)

式中：Mi為i單元整理分區(qū)綜合指數(shù)；n為指標(biāo)個數(shù)；Xi為各指標(biāo)量化數(shù)值；Wi為各指標(biāo)權(quán)重.分區(qū)指標(biāo)的賦權(quán)方法采用的是層次分析法，以主客觀結(jié)合的方式確定權(quán)重，具體步驟與修正指標(biāo)權(quán)重的確定一致，得出的各指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果如表2所示.在獲得各指標(biāo)的量化值得基礎(chǔ)上，將各指標(biāo)值添加到GIS數(shù)據(jù)庫中屬性表的相應(yīng)字段下，以各指標(biāo)值作為分析字段，生成各指標(biāo)的空間量化分布圖，進行分析結(jié)果的空間表達.

表2 潛力分區(qū)各指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Weight of each index of potential partition

3 實證案例

志丹縣土地整理工作開展較早，經(jīng)驗相對豐富，有一定的代表性.以研究區(qū)縣域鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃為基本評價單元，分別對農(nóng)村居民點用地理論潛力和現(xiàn)實潛力進行測算，在此基礎(chǔ)上比較評價結(jié)果，并進行潛力分級和分區(qū)評價.

3.1 研究區(qū)域概況

志丹縣位于陜西省北部黃土高原丘陵溝壑區(qū)，全縣土地總面積3 802 km2，其中農(nóng)用地367 737.35 hm2，占土地總面積的 96.72%；建設(shè)用地5 388.21 hm2，占土地總面積的1.42%；其它土地7 076.15 hm2，占土地總面積的1.86%；2017年常住人口14.71萬人，農(nóng)村總?cè)丝?0.17萬人，農(nóng)村建設(shè)用地2 906.58 hm2，農(nóng)村人均建設(shè)用地285.71 m2；2017年全年地區(qū)生產(chǎn)總值132.99億元，糧食總產(chǎn)量5.66萬t.

3.2 居民點用地整理理論潛力與現(xiàn)實潛力評價

3.2.1 理論潛力評價

志丹縣農(nóng)村居民點用地整理理論潛力評價以縣域鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基礎(chǔ)評價單元，采用人均建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)法評價模型(公式(1))，將相關(guān)規(guī)劃和統(tǒng)計數(shù)據(jù)帶入評價模型，即可得到縣域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點用地理論整理潛力，所得結(jié)果在GIS中進行分級表達如圖2所示.

圖2 理論整理潛力分布Fig.2 Quantitative distribution of theoretical potentia

3.2.2 現(xiàn)實潛力綜合評價

依托于修正模型將潛力的綜合修正系數(shù)作用于理論潛力，依據(jù)綜合加乘法，將各單元的理論潛力數(shù)值分別與綜合潛力修正系數(shù)相乘，得到各單元的現(xiàn)實潛力的面積數(shù)值.受理論潛力基數(shù)和綜合潛力系數(shù)大小的雙重影響，各單元修正前后潛力數(shù)值的變化程度不同，變化程度表明了潛力的衰減程度即潛力實現(xiàn)受現(xiàn)實條件的制約程度，最終計算所得到修正后潛力值及GIS分級表達的結(jié)果分別如表3和圖3所示.

圖3 現(xiàn)實整理潛力分布Fig.3 The distribution of real potential

表3 現(xiàn)實潛力計算結(jié)果Tab.3 Realistic Potential calculation results

3.2.3 理論潛力與現(xiàn)實潛力對比

志丹縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點用地整理理論潛力與現(xiàn)實潛力進行對比如圖4所示.總體來看，案例中理論潛力與現(xiàn)實潛力存在較大差距，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)理論潛力在多種因素的影響下都存在不同程度的衰減，理論潛力與現(xiàn)實潛力之間差距越大說明衰減程度越大.結(jié)合圖2、圖3，從地域空間上來看，志丹縣農(nóng)村居民點用地整理理論潛力較大的單元主要為分布在縣域西北部的順寧鎮(zhèn)和杏河鎮(zhèn)；而經(jīng)過潛力修正后，現(xiàn)實潛力較大的單元則主要為分布在縣域東南部的永寧鎮(zhèn)和雙河鎮(zhèn).由此可知，在農(nóng)村居民點用地土地整理方面，現(xiàn)實條件的差異對整理潛力存在較大的影響.

圖4 理論整理潛力與現(xiàn)實整理潛力對比Fig.4 Comparison between theoretical potential and realistic potential area change

3.3 土地整理潛力分級與分區(qū)評價

3.3.1 整理潛力分級結(jié)果分析

依據(jù)現(xiàn)實整理潛力評價標(biāo)準(zhǔn)和方法對志丹縣縣域內(nèi)各評價單元進行分級，綜合潛力系數(shù)所在區(qū)間即為該單元的潛力級別，志丹縣縣域潛力分級評價的結(jié)果如表4.在GIS中利用自然間斷點分級法分為三級顯示的結(jié)果如圖5所示.

表4 整理潛力分級Tab.4 The classification result of each unit′s arrange potential

根據(jù)分析結(jié)果，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)整理潛力存在較大差別，永寧鎮(zhèn)整理潛力系數(shù)最大，為32%，金丁鎮(zhèn)整理潛力系數(shù)最小，僅為8%.在空間分布上，I級潛力區(qū)主要集中在縣域的東南，與縣域西高東低的地形特征、東南良好的植被覆蓋及用地適宜性密切相關(guān)；II級潛力區(qū)集中在縣域中西部，在自然特征上較I級潛力區(qū)差，但憑借較好的工業(yè)條件以及土地需求的迫切程度，在農(nóng)村居民點整理方面依然存在一定的優(yōu)勢；III潛力區(qū)分布在縣域北部和縣域西南地區(qū)，目前這些區(qū)域農(nóng)村居民點整理條件還相對較差，整理效率較低.

3.3.2 整理潛力分區(qū)結(jié)果分析

將整理重要性、整理迫切度和區(qū)位條件分別用各因子量化的分值綜合后的結(jié)果表示，并以圖層表示指標(biāo)量化的空間分布狀況，最后基于各圖層的疊加結(jié)果得到分區(qū)結(jié)果.在研究區(qū)域評價單元數(shù)量不大的前提下，依據(jù)疊加分析及重分類結(jié)果可將縣域內(nèi)農(nóng)居點整理潛力區(qū)大致分為優(yōu)先整理區(qū)、次要整理區(qū)、一般整理區(qū)3 類，見圖6.

根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)先整理區(qū)(藍色區(qū)域)現(xiàn)實潛力最大，可整理面積為301.37 hm2，占縣域農(nóng)村居民點現(xiàn)實整理潛力總面積的58%；次要整理區(qū)(綠色區(qū)域)可整理面積為197.45 hm2，占縣域農(nóng)村居民點現(xiàn)實整理潛力總面積的38%；一般整理區(qū)(橙色區(qū)域)可整理面積為20.78 hm2，僅占縣域農(nóng)村居民點現(xiàn)實整理總面積的4%.從空間分布來看，優(yōu)先整理區(qū)主要位于縣域東南部，包含了保安鎮(zhèn)、雙河鄉(xiāng)、旦八鎮(zhèn)及永寧鎮(zhèn)在內(nèi)的 4 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些區(qū)域自然基礎(chǔ)條件良好、糧食產(chǎn)量高、經(jīng)濟和政策支持力度普遍較高；次要整理區(qū)包含了縣域北部、西北和西南的順寧鎮(zhèn)、杏河鎮(zhèn)及義正鄉(xiāng) 3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些區(qū)域在自然環(huán)境條件和經(jīng)濟發(fā)展水平上都要弱于優(yōu)先整理區(qū)；作為一般整理區(qū)的金丁鎮(zhèn)位于縣域西部，該鎮(zhèn)經(jīng)濟和社會發(fā)展較緩慢，用地壓力小，居民點用地整理的重要性和緊迫性都較低，可在土地整理后期予以考慮.

圖5 整理潛力分級結(jié)果Fig.5 Classification of arrange potential of residential area

圖6 整理潛力分區(qū)結(jié)果Fig.6 partitions of arrange potential

4 結(jié)論

(1)基于GIS的農(nóng)村居民點用地土地整理潛力綜合評價，實現(xiàn)了評價過程及結(jié)果的數(shù)字化和可視化，提高了評價的準(zhǔn)確性和工作效率.

(2)現(xiàn)實條件對農(nóng)村建設(shè)用地土地整理有明顯的限制和影響，黃土高原地區(qū)特殊的地理特征和自然環(huán)境條件、地區(qū)的經(jīng)濟和社會發(fā)展水平等因素，都使其現(xiàn)實整理潛力遠遠小于理論整理潛力；因此，建立多種影響因素評價模型進行理論潛力修正，對黃土高原地區(qū)農(nóng)村建設(shè)用地土地整理有重要意義.

(3)志丹縣農(nóng)村居民點用地整理的理論總潛力為 1 380.59 hm2，現(xiàn)實潛力為519.57 hm2，開展農(nóng)村建設(shè)用地土地整理必要性強，建議按照潛力分級和分區(qū)結(jié)果科學(xué)安排整理順序，節(jié)約物力財力，提高土地整理效率.