高分辨率遙感影像在土地整治項目可研階段的應用

耿黎娜 朱蘭艷 徐燕 黃志堅

摘要：依托于云南省昆明市尋甸縣某地土地整治項目，利用高分辨率遙感數據與第二次全國土地調查數據相結合的方法為土地整治項目可行性研究階段進行了應用研究。通過遙感影像對二調數據進行更新，獲取符合項目區實際情況的基礎數據，對比分析二調數據與經影像更新后數據，分析土地利用現狀及限制性因素，深挖土地整治的潛力;且在可研階段有效控制建設規模，避免可研階段和規劃設計階段出現較大調整。通過高分辨率遙感影像對項目區耕地圖斑進行分割并引入景觀格局指標，分析發現，項目區耕地細碎化程度嚴重，且耕地分割成地塊產生的非有效耕地面積較大，造成了耕地資源的浪費，降低了耕地的利用率、產出率，嚴重制約著農業現代化發展。結果表明，將高分辨率遙感影像應用于土地整治項目可行性研究階段，能夠為分析結果的準確性提供現實性較強的基礎數據保障，從而為土地整治項目的可行性提供切實可靠的依據。

關鍵詞：土地整治;可行性研究階段;遙感;土地利用現狀;景觀格局;耕地細碎化

中圖分類號： TP79;F321.1;S127文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0240-06

收稿日期：2018-12-16

基金項目：國家自然科學基金（編號：41261043）。

作者簡介：耿黎娜（1989—），女，云南宣威人，碩士研究生，主要從事遙感監測、土地資源管理等研究。E-mail：371637891@qq.com。

通信作者：朱蘭艷，碩士，副教授，主要從事測量數據處理及誤差分析、GPS和GIS的質量評估、土地資源管理等研究。E-mail：kmoy2222@sina.com。

近年來，隨著我國建設用地占用耕地問題的日益突出，耕地后備資源愈加不足，耕地資源安全問題受到各級政府和廣大學者的高度關注。國務院在關于《全國土地整治規劃（2016—2020年）》的批復中提到，要大力推進土地整治和高標準農田建設，夯實農業現代化基礎[1-3]。土地整治是指對未利用、不合理利用或低效利用的土地進行整理、復墾和開發，以提高土地利用效率，是補充耕地數量、提高耕地質量、實現耕地占補平衡的重要手段[4-5]。土地整治過程包括可行性研究、規劃設計、工程施工和驗收等階段。其中可行性研究階段（以下簡稱可研階段）是項目前期工作的重要內容，它從項目土地利用現狀、限制性因素、整治潛力等方面分析項目的可行性，論證項目建設必要性以及建設方案的合理性，為項目的投資決策提供科學依據[6]。一般情況下，在土地整治項目中規劃設計階段不能改變可研階段已經批復的內容，但在實際工作中，可研階段所用的土地利用現狀圖等基礎圖件數據往往更新不及時，現勢性較差，而項目區內實際土地利用方式已發生很大的變化，例如村莊的增加，導致不動工面積隨之增加，使得在規劃設計階段實測所得的建設規模與可研階段相比發生變化。隨著遙感技術的普及、影像分辨率的逐漸提高[5]，高分辨率遙感影像數據越來越多地被應用在土地整治項目中，尤其是在可研階段，為土地整治可行性研究提供現勢性的土地利用數據，有利于研究人員深入挖掘土地整治潛力，從而分析項目的可行性，在項目前期對土地整治進行合理有效地管控。目前，有不少學者提出了用遙感影像輔助土地整治項目，主要將遙感影像應用于監測、監管土地整治項目實施情況方面。楊清華等利用遙感影像提取路、渠、井等相關信息，結合規劃圖，監測土地整治規劃的執行情況[7]。李少帥等以多時相高分辨率遙感數據為數據源，提取土地整治工程地物，構建進度評價模型，評價項目進展情況，監測管理項目實施[5]。

本研究基于高分辨率遙感影像，以云南省昆明市尋甸縣某土地整治項目為例，利用遙感影像對二調數據進行更新，獲取符合項目區實際現狀的土地利用數據，分析項目的整治潛力;提取耕地圖斑，并利用遙感影像對耕地圖斑進行分割，以獲得更為精細的耕地地塊數據，從景觀格局角度定量評價耕地細碎化問題，探討耕地細碎化對耕地利用的影響，分析通過土地整治項目優化耕地利用結構和提高耕地質量，旨在為項目區土地整治可研分析提供切實可靠的依據。

1?研究區概況和數據

1.1?研究區概況

本研究中的土地整治項目位于云南省昆明市尋甸縣某鄉鎮，丘陵地貌，海拔為1 960～2 040 m，地形坡度為0°～15°，平均坡度為5°，地勢相對較平緩，便于組織機械和人工施工。項目區自然條件良好，利于糧食作物、經濟作物的種植。該項目為中、低產田地改造項目，其重心是改造集中連片、水利條件較好、耕地增加潛力較大的中、低產田地，從單純的耕地數量增加向質量提高轉變，從而達到既增加耕地有效利用面積，又提高耕地質量的目的。

1.2?數據

本研究以項目區第二次全國土地調查數據（2015年變更）、2017年4月份的空間分辨率為0.5 m 的World View-1遙感影像數據為主要數據源。從圖1可以看出，該遙感影像清晰，無大面積噪聲和條紋，云量少，便于對土地利用信息進行提取，使用遙感影像數據前先對其進行正射糾正、配準融合、鑲嵌與裁剪等預處理，以消除誤差，改善影像質量。此外，本研究還收集了與項目區土地整治工作有關的土地利用總體規劃、水文地質、地理國情監測等數據資料。

2?研究方法

在ArcGIS軟件平臺上，利用高分辨率遙感影像采用人機交互方式對項目區二調數據進行更新，獲取符合項目區實際情況的土地利用現狀數據;對更新前后的數據進行疊加，分析土地利用的實際情況，研究項目區建設規模和各地類數量的變化，結合土地利用程度指標，探討土地整治的潛力及限制性因素;利用ArcGIS軟件的空間分析功能從更新后的土地利用數據中提取耕地圖斑數據，并進行影像分割，從影像的光譜差異性、田埂紋理特征、是否統一耕作、耕作方向一致性等多個方面將耕地圖斑分割成耕地地塊，即在耕地圖斑的內部再分割出更為精細的符合項目區農業生產實際情況的耕地地塊，然后利用景觀格局的方法，構建耕地細碎化程度評價指標，分析耕地利用限制性因素和整治潛力。

2.1?土地利用程度指標

通過對項目區土地資源的種類、數量、結構和分布進行分析，明確項目區內土地資源的整體優勢和劣勢，挖掘土地整治潛力，可為土地整治的方向和重點以及制定合理規劃方案提供科學依據。本研究選取土地利用率和土地墾殖率2個指標進行分析。

土地利用率：U=LA×100%。（1）

式中：U為土地利用率，%;L為項目區已利用土地面積，hm2;A為項目總面積，hm2。

土地墾殖率：R=CA×100%。（2）

式中：R為土地墾殖率，%;C為項目區耕地面積，hm2;A為項目總面積，hm2。

2.2?耕地地塊細碎化評價指標

傳統意義上的耕地圖斑是根據溝渠、道路等線狀地物以及地類界線劃分而成的基本單元，但在實際農業生產生活中，由于農村土地施行家庭聯產承包責任制等原因，使得耕地更加分散、破碎[8-9]。耕地細碎化的土地利用格局制約著耕地規模化經營，降低了耕地的利用率，提高了農業經營成本，限制了農業生產生活規模化和現代化的推進[10-11]。很多學者采用多種方法，從多種視角對耕地細碎化問題展開了探討和研究。薛劍等基于地理信息系統（GIS）平臺和景觀指數法分析現代農業和傳統農業的土地利用景觀格局差異，旨在為土地整治項目布局提供依據[12]。張超等基于高分辨率遙感影像，采用面向對象分類法識別田塊后，利用景觀格局的方法以土地整治實例項目為試驗區，通過客觀評價得出，經過土地整治，研究區田塊形態得到了較大的提升[8]。因此，可利用景觀格局分析法對土地整治項目可研階段的耕地細碎化問題進行分析，以此考量土地整治對耕地細碎化所帶來的影響，為今后土地整治項目的規劃設計提供依據。

在以上述數據的基礎上，本研究結合項目區耕地情況，選取耕地地塊的平均面積、密度指數、形狀指數以及斑塊邊界密度指數等4個景觀格局指數指標來分析項目區內耕地細碎化程度[8，12-13]，具體過程見圖2。

2.2.1?耕地地塊平均面積?耕地地塊平均面積是最基本的空間特征，地塊平均面積越大，細碎化程度越低，計算公式如下：

Ma=An。（3）

式中：Ma為地塊平均面積，hm2;n為地塊數，個。

2.2.2?耕地地塊密度指數?耕地地塊密度指數是指耕地被分割成地塊的破碎程度，在一定程度上反映了農業耕作習慣以及農民擁有零散地塊對耕地的干擾程度，其值>0，且值越大，表示細碎化程度越高，計算公式如下：

C=nA。（4）

式中：C為地塊密度指數，個/hm2。

2.2.3?耕地地塊形狀指數?在土地整治的相關研究中，多采用耕地地塊形狀指數來度量耕地形狀規整度，本研究中以正方形（形狀指數為1）為幾何形狀參照，計算公式如下：

Si=0.25PiAi。（5）

式中：Si為研究區內第i個地塊形狀指數;Pi為第i個地塊周長，m;Ai為第i個地塊面積，hm2。

2.2.4?耕地地塊邊界密度指數?耕地地塊邊界密度指數是指項目區內單位面積耕地地塊的邊界度，邊界長度越大，分割程度、破碎化程度越高，同時耕地地塊邊界密度也反映了因地塊邊界的存在而造成的耕地浪費程度，計算公式如下：

B=LA。（6）

式中：B為地塊邊界密度指數，km/hm2;L為研究區內地塊邊界總長度，km。

3?結果與分析

3.1?土地利用現狀分析

依據GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》，研究區主要由耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他用地、城鎮村及工礦用地8種土地利用類型構成（表1）。

3.1.1?主要土地利用轉化及現狀特征分析

由表1可知，項目區總面積為576.513 1 hm2。無論是從更新前還是更新后的土地利用數據均可看出，耕地都是項目區內所占比例最高的土地利用類型，且集中連片分布。對更新前后的土地利用數據進行疊加分析發現，耕地和林地面積變化較為明顯，耕地面積由496.064 2 hm2減少為443.256 8hm2，土地墾殖率隨著耕地面積的減少而降低，由86.05%降低到76.89%，田坎面積也隨著耕地面積減少而減少。減少的耕地主要變成了林地、草地、村莊等，這些變化多集中在項目區地勢較高的西部、水庫溝渠周圍以及鄰近村莊的區域。林地面積由0.204 6 hm2 增加到50.659 7 hm2，增加面積主要來自耕地的轉化，此外還來自裸地、特殊用地等的轉化。項目區總體地勢雖然較為平緩，但存在零散的局部微地貌，地勢凸起不利于耕作以及區內道路、水域周圍的耕地疏于管理等，使得部分耕地變成草地，因此草地面積由10.634 0 hm2增加到19.932 3 hm2。草地、裸地面積的變化使得項目區土地利用率由97.88%減小為96.54%。此外道路、水域的伸縮變化、滅失、新生等使其面積也發生了變化。建設規模是指項目區內動工面積，根據二調數據統計出的建設規模為558.376 8 hm2，而經過影像更新后，項目區實際建設規模為508.209 8 hm2，建設規模減少了50.167 0 hm2，項目建設規模的減小將影響項目的規劃方案以及項目總投資等。

3.1.2?耕地內部轉化及現狀特征分析

項目區內耕地的種類和空間分布格局也發生了明顯變化，如圖3所示，項目區內中部的部分旱地轉變成了水田和水澆地，中部偏東和東南區域旱地大片轉化成水澆地。由表1可知，項目區水田和水澆地面積分別增加了35.046 4、100.489 6 hm2，旱地面積減少了 188.343 4 hm2，除部分旱地轉化為其他地類外，其余135.536 0 hm2 旱地轉化成水田和水澆地，且旱地和水澆地之間的變化相當明顯，更新后主要耕地類型也由旱地變成了水澆地。旱地轉化成水田和水澆地的主要原因是項目區本身具有良好的地勢、水熱條件，當地農民通過自發開挖箐溝和修建臨時噴灌設施來引水灌溉，但缺乏系統的規劃和建設，雖然使得部分旱地轉化成水澆地，但轉化不穩定，且灌溉面積小。一般而言，水田和水澆地的單位面積產量和經濟效益高于旱地，從耕地內部的變化可以發現，項目區耕地整治潛力大，通過開展土地整治項目進行合理的規劃設計建設，項目區耕地的利用率能夠大大提高，同時耕地質量可明顯提高。

3.2?耕地細碎化分析

利用高分辨率遙感影像對耕地圖斑進行識別切割后得到，耕地地塊數為10 195個（圖4）。

如圖5所示，項目區耕地地塊面積在0.004 9～0.492 0 hm2之間，平均面積為0.046 9 hm2，標準差為0.037 2 hm2，差異系數為79.4%，面積大小分布不均;面積在0.300 0 hm2之上的耕地地塊數量僅占0.2%，這嚴重制約著機械化耕作的發展。耕地地塊密度指數為21.3，即項目區內平均每1 hm2耕地面積上分割有21個耕地地塊。地塊面積越大，地塊數量越少，本研究中面積較大的地塊分布在項目區中部道路條件較好的區域，而在項目區溝渠等周圍分布的耕地地塊面積都普遍偏小。

耕地地塊形狀指數在0.9～2.8之間，平均形狀指數為1.2，差異差系數為16.7%，其中形狀指數近似為1.0的地塊數占24.9%;隨著形狀指數的增大，地塊數量比例呈下降趨勢。由于項目區總體地勢較為平緩，因此大部分地塊形狀較為規整，在對項目區進行實地踏勘時發現，項目區存在很多地勢凸起的微地貌以及溝渠分布較為密集和雜亂的區域，它們周圍的耕地地塊形狀均不規整。

耕地圖斑分割程度越高，地塊越破碎，邊界密度越大。 項目區地塊邊界長度為558.07km?耕地地塊邊界密度指數為1.26 km/hm2，且據實地踏勘發現，項目區內邊界寬度（田埂）均在0.4 m左右，因此耕地在被分割成地塊時產生了22.322 9 hm2的耕地資源浪費，即1 hm2耕地因被分割成地塊而會產生非有效耕地面積0.05 hm2，因此可以看出，耕地越細碎，對耕地資源的浪費越嚴重，這會在一定程度上降低耕地的利用率。

在項目區東邊4 km處有一片經過土地整治項目且取得良好效果的耕地，對比分析項目區和該區域耕地地塊，結果如表2所示。

從表2可以看出，經過土地整治后，地塊平均面積為1.292 2 hm2，是未經整治的27.55倍，按照云南省《土地開發整理工程建設標準》，根據耕作機械工作效率、田塊平整度、渠道布設以及地勢等因素所確定的丘陵地區地塊面積標準在1 hm2以上，因此經過整治后的耕地地塊適合機械化耕作，有利于提高耕地的產出率和經濟效益。經過土地整治的耕地地塊密度指數為0.8，地塊密度指數越大，表示耕地地塊細碎化程度越高，本研究中項目區的地塊密度指數為21.3，說明其線狀耕地地塊分布十分零碎，而整治后耕地地塊密度指數可以提高到0.8，說明項目區內耕地整治潛力大。經過土地平整之后，地塊形狀基本上都很規整。整治后的耕地地塊邊界密度指數為0.2 km/hm2，按邊界寬度為0.4 m 來計算，則1 hm2耕地因耕地分割成地塊只產生非有效耕地面積0.01 hm2，相比未整治的區域，1 hm2耕地減少了0.04 hm2的非有效耕地浪費。對比2個研究區可以看出，經過整治后的耕地地塊空間形態得到十分明顯的改善，地塊破碎程度有所好轉。

綜上，項目區雖然地勢較為平緩，但區內耕地處于比較嚴重的細碎化狀態，不利于機械化耕作，這嚴重制約著耕地的利用率和產出率，耕地分割產生的非有效耕地造成了耕地資源的浪費，且項目區內耕地有較大的整治潛力。

4?討論與結論

將高分辨率遙感影像應用到土地整治項目可研階段，更新現勢性較差的土地利用數據，分析發現，各地類面積和位置均發生了變化，其中耕地和林地面積變化較為明顯;區內土地疏于管理，在一定程度上造成了耕地資源的浪費;區內未利用地已發生變化，不宜開發，對這些有良好環境水熱條件的中、低產田地進行改造，可在保護耕地資源的同時提高耕地質量，挖掘有限耕地資源的產出潛力。項目區內村莊和道路周圍的居民點數量有所增加，同時林地面積大幅度增加，使得項目區建設規模由二調數據統計的558.376 8 hm2變成了符合實際情況的508.209 8 hm2，建設規模大小影響著項目的建設方案和總投資等。

耕地內部發生了明顯的變化，部分旱地變成了水田和水澆地，說明耕地整治潛力大。通過影像切割獲取耕地地塊單元，構建耕地細碎化評價指標，結果發現，在項目區耕地雖然集中連片分布，但細碎化程度十分嚴重，地塊面積較小，耕地分割成地塊產生的非有效耕地面積較大，造成了耕地資源的浪費，嚴重制約耕地的機械化耕作，降低耕地利用率，較為樂觀的是由于項目區地勢整體平緩，因此耕地地塊形狀較為規整，可通過土地整治來改善耕地地塊空間格局，從而提高耕地的有效利用率和耕地質量。

將高分辨率影像應用到土地整治項目可研階段獲得現勢性土地利用現狀數據，可為土地整治項目可研階段提供真實可靠的數據和分析依據，促進項目立項;還可以在可研階段對項目范圍、建設規模進行把控，從而有效避免規劃設計階段與原可行性研究的相關方案發生較大調整，有利于提高項目工程建設的經濟性、合理性和可行性。

遙感技術在土地整治項目領域的應用還可以進一步拓寬到項目立項審批、范圍劃定、審核項目立項時基礎調查工作的真實性等方面;同時可結合數字高程模型（DEM）數據輔助規劃設計，監測項目施工進度和工程驗收，對比土地整治項目實施前后的遙感影像，評價項目建設的成效[14]。

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