基于語義規則的耕地質量定級單元劃分方法改進及綜合尺度研究
——以青海省湟源縣為例

賈琛琛，馬昊翔

（廣東國地規劃科技股份有限公司，廣州 510000）

0 引言

農用地分等定級開始于20 世紀80 年代末，經歷了等、級為整體，等、級定義逐漸分離，等、級定義邊界明確的3 個階段[1]。分等成果體現了以自然質量為主長期穩定的農田質量差異；而定級成果是在分等成果基礎上，主要反映以農田綜合質量、集約利用水平、經濟特性為主的差異，在縣域內對農田實際質量差異進一步細化[2-4]。在第三次全國國土調查（以下簡稱“三調”）中，耕地分等定級是專項用地調查中的重要內容[5]，定級單元的劃分是農田定級工作開展的基礎[2]，科學劃分定級單元對于精確掌握農田的現實質量具有重要意義。

近年來，隨著地理信息系統（geographic information system，GIS）技術、遙感（remote sensing，RS）技術、全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）技術、地圖自動制圖技術的發展，眾多學者對單元劃分的定量化研究也在不斷深入。例如，從20 世紀80 年代起，地理學界從土地適宜性角度、農學界從土地經濟角度分別對土地分等定級進行研究：文獻[6]對土地類型單元、土壤分類單元、土地資源分類單元進行研究；文獻[7]和[8]對單因素圖疊置、矢量疊置、綜合圖疊置進行研究；文獻[9]～[11]對地理網格、動態網格、遙感柵格等劃分方法進行研究；文獻[12]和[13]對定性定量相結合、GIS 空間分析等進行研究。單元劃分理論也由單一的土地利用、行政管理向多重因素綜合考慮、精細化研究轉變，綜合分析農田單元的土地利用方式、土壤性狀、地形地貌等因素。目前，單元劃分的疊置研究雖然可以綜合考慮影響農田質量的多種因素，但疊置分析后也往往會產生大量細碎單元[9]。常規的“疊加—多邊形碎塊刪除”、制圖綜合等操作，會損失大量的信息，難以客觀判定單元綜合的效果[14]，這不利于開展實際評價工作。本文在疊置法基礎上進行方案改進，探究研究區耕地定級單元劃分的最優方案。

1 研究區概況

青海省西寧市湟源縣位于青藏高原與黃土高原交界處，全域總面積為1 489.74 km2，屬于典型的大陸性季風氣候，耕地的平均海拔為2 900 m。根據“三調”結果，全縣耕地面積為270.93 km2，占土地總面積18.18%，共有耕地單元6 018 個，以中部低山丘陵區耕地面積居多，其中，最大的耕地單元面積為242.74 hm2。根據1982 年土壤普查結果，全縣共有9 個土類、36 個土種，主要包括高山草甸土、高山灌叢草甸土、黑鈣土、栗鈣土等。

2 研究方法

2.1 疊置底圖選擇

基于耕地質量定級的應用場景，本文以湟源縣“三調”中的耕地圖斑為基礎底圖。耕地質量定級以縣級行政轄區為基本評價區域，因此，疊置底圖應盡可能選擇較大比例尺圖件。黃土高原區耕地的質量受地形、氣候、溫度等因素影響較大，各地形區的耕地質量差異明顯。疊置底圖選擇也需要綜合考慮地形、氣候、溫度因素。綜上，本文選取湟源縣“三調”成果中的耕地圖斑、1：30 萬土壤圖、數字高程模型（digital elevation model，DEM）、氣候分界線、等溫線進行疊置分析[12]。

2.2 基于語義規則的定級單元劃分改進方法

基于語義規則的定級單元劃分改進方法，需要對地物語義屬性的重要性和相似性進行優先級和鄰近度排序[14]，在疊置分析的基礎上篩選出小于閾值的單元。根據語義鄰近優先規則、拓撲規則[15]等，選擇最鄰近、同權屬的鄰接單元進行綜合，最大限度保留單元內部信息，提高定級單元內部屬性的均一程度。

2.2.1 單元綜合幾何約束規則

（1）最小單元面積。參考“三調”中地類的最小調查上圖面積，其中，超過400 m2的農用地（不含設施農用地）實地面積需調查上圖，部分地區可適當降低精度。基于湟源縣的特殊地理位置，本文對疊置后的單元進行多組對比實驗，分析得到最優的綜合尺度。

（2）拓撲關系定義。拓撲關系約束[14-16]是單元綜合過程中的一個重要依據。假設，圖層疊置后單元面積St小于最小單元面積Smin的多邊形集合為{Ft}，Bt為單元邊界，Dmin為最小單元間距，D（F1，F2）為單元F1、F2的距離，L（F1，F2）為單元F1、F2的共享邊長，則多邊形集合{Ft}內F1、F2的拓撲關系如下：若Bi∩Bj≠?，則F1、F2拓撲鄰接，即F1、F2為共享邊界單元；若Bi∩Bj=?且D（F1，F2）≤Dmin，則F1、F2拓撲鄰近。

由于地類單元不重疊，對于小單元集合{Ft}而言，只有鄰接和鄰近2 種情況[15]。為避免綜合過程中將單元間的非耕地區域轉化為耕地，本文只綜合空間鄰接的單元。空間位置上的鄰接可以以單元間共享邊界的長度為量化指標，表達式為ddis（F1，Fi）=r，r表示小單元與鄰接單元Fi共享邊長L占F1周長的比率。

2.2.2 語義優先級規則

在單元綜合過程中，確定最鄰近單元不僅需要考慮空間關系上的拓撲鄰近度，還要綜合考慮專題屬性上的語義鄰近度。為保證農田定級成果的科學性和準確性，耕地地類屬性不能發生改變。但是小單元周邊可能會存在很多同地類的單元，研究人員需要綜合考慮各單元土壤屬性、地形氣候、村級行政區劃的語義鄰近程度。

2.2.3 語義鄰近度規則

（1）土壤屬性鄰近度。土種是土壤分類的基本單元，土種語義鄰近度可以通過青海土種[17]體系中的語義相關性規則并參照本體理論的相似性計算方法得到。設考察單元X與某單元Yi的語義鄰近度為dsem1（X，Yi）。在土壤體系中，按照土屬、土種劃分排序，得到其他土種與考察單元X的語義鄰近等級。按照土壤分類標準量化不同土壤屬性的語義鄰近度，根據《青海土種志》[18]分類體系確定“等級量”的鄰近級別并對其等級的“差異量”進行定量計算。對排序的語義類型集{Yi}，規定相鄰兩元素的語義距離為1 個單位，則語義距離為（1，2，3，4，…，i，…），語義距離的總和為∑，則第i個語義的鄰近度dsem1（X，Yi）=1-i/∑（距離越遠則值越小）。

（2）地形屬性鄰近度。青海高原地區溫度對春小麥生長的影響較大，海拔每降低150 m，春小麥生育期縮短10.5 天[17]。本文以湟源縣30 m DEM 為底圖，提取150 m 等高線并以此作為劃分耕地質量差異的地形代表因素，與耕地單元圖、土壤圖進行疊置分析，對疊置產生的單元進行海拔賦值，得到疊置后各單元的平均海拔。通過小于閾值單元與鄰接單元的語義鄰近度dsem2（X，Yi）=1-|Δh|/150（Δh為海拔高差），判斷不同海拔的單元語義鄰近度。經過咨詢專家學者，青海高原地區海拔和土壤對耕地質量的影響程度相同，則土壤因素和地形因素的語義鄰近度dsem（X，Yi）=0.5×dsem1（X，Yi）+0.5×dsem2（X，Yi）。

（3）綜合鄰近度。空間位置的鄰近度ddis（F1，Fi）與語義鄰近度dscm（X，Yi）確定后，本文需要綜合考慮兩者對鄰近度的影響，找出與考察單元X的最鄰近單元Yi。Yi與X的綜合鄰近度被定義為dadj（X，Yi）=ddis（X，Yi）×W1+dsem（X，Yi）×W2（W1、W2為兩者的權重值）。根據兩種類型具體討論W1、W2的取值：如{Yi}中存在小于或等于1 個同地類單元，則直接選擇鄰接的同地類單元，即W1=1、W2=0；如不存在鄰接同地類單元，則可以保留小單元。若{Yi}存在多個同地類單元，此時語義綜合鄰近更為重要，即W1=0.2、W2=0.8，綜合選出X的最鄰近單元。

2.2.4 單元劃分質量評價

（1）單元內部屬性均一。內部屬性均一、單元間屬性差異是驗證定級單元合理性的重要依據[6]。以研究縣土壤肥力監測點數據為驗證基礎，本文通過克里金插值形成全域20 m×20 m 有機質含量的柵格圖，分別用疊置法、改進法對有機質柵格進行分區統計，計算各單元的土壤肥力指標。對比分析各方法單元內部的均一程度，單元內部屬性的方差越小，單元劃分效果越理想。

（2）單元間屬性差異。以定級單元內部柵格有機質含量的平均值為單元有機質含量的值，對比分析單元間有機質值的差異程度，單元間土壤有機質的方差越大，單元劃分效果越理想。當兩者綜合屬性達到最優時，其面積被認為單元綜合最優的最小單元面積。

本方法基于改進的疊置法，以疊置法單元內、單元間方差的基本情況為標準，計算不同最小單元面積實驗下的綜合分值，綜合分值越大說明實驗效果越好。內部一致性、外部差異性對綜合結果具有反向影響，本文對兩類指標采取不同的計算方法。劃分的定級單元如果過于破碎會影響實際評價工作，當綜合分值相同時，單元的破碎度指數可被作為輔助決策的重要指標，即

2.2.5 單元自動綜合模型構建

基于以上規則，本文建立基于語義規則的單元劃分模型，如圖1 所示。最小單元面積關系單元循環的結果，直接影響單元劃分情況，分別選取400 m2、600 m2、800 m2作為最小單元面積進行實驗對比。

圖1 定級單元改進法技術路線

3 數據來源

本研究涉及“三調”地類圖斑、土壤數據、地形數據、氣候數據、土壤肥力數據，具體數據獲取方式如下。

（1）耕地圖斑數據取自湟源縣“三調”成果；

（2）地形海拔數據取自地理空間數據云中的湟源縣30 m DEM；

（3）土壤圖取自青海省第二次土壤普查數據；

（4）氣候分界線、等溫線取自國家氣象科學數據中心的青海省氣象環境專題數據；

（5）有機質數據取自湟源縣農業局的土壤質量監測點數據。

4 結果與分析

湟源縣共有耕地單元6 018 個，耕地總面積270.93 km2，平均單元面積為4.50 hm2，最大單元面積為242.74 hm2。其中，全縣小于0.1 hm2的單元總數為1 024 個，占單元總數的17.02%，其耕地面積僅占耕地總面積的0.48%；大于100 hm2的耕地單元總數為18 個，占單元總數的0.30%，耕地面積為2476.69 hm2，占總面積9.14%，單元間面積相差懸殊。

疊置法劃分的單元總數為6 702 個，最大單元面積為185.16 hm2，小于700 m2的單元總數增加了88.48%，面積增加了48.88%；面積大于或等于100 hm2的單元總數減少了27.78%，單元總面積減少了28.42%，這說明疊置法在有效分割較大單元的同時也產生了大量的細碎單元。改進方法后分別將最小單元面積定為400 m2、600 m2、800 m2進行對比實驗，如表1 所示。

表1 定級單元劃分數量與面積統計對比

湟源縣的實驗結果表明：耕地圖斑的單元內部均方差為0.823，疊置法劃分的單元內部均方差為0.511、外部方差為8.781，這說明單元外部差異性較大，疊置分析后其外部差異性沒有較大改變；但單元破碎度提高，由0.134 增長至0.166。與疊置法相比，改進法的單元內部方差、單元間方差基本呈增長趨勢，單元破碎度有所降低，實驗中最小單元面積600 m2的綜合分值最高，如圖2 和表2 所示。

圖2 疊置法與改進法（600 m2）定級單元對比

表2 定級單元劃分質量評價指標

5 討論與結論

本文將制圖綜合的思路引入農田定級單元劃分，構建單元綜合模型，實現同地類單元間的最鄰近綜合，與“疊加—多邊形碎塊刪除”的傳統方法相比，最大限度地保留了單元信息；與機械的綜合方法相比，提升了單元屬性的均一程度。分別以400 m2、600 m2、800 m2為最小單元面積進行3 組對照實驗，并構建單元劃分的質量評價標準。結果顯示：與疊置法相比，改進方法的最優結果小于700 m2的單元總數減少了54.98%，單元破碎度降低了4.82%；單元間的內部均方差比地塊法降低了36.82%；單元間方差幾乎一致。這說明改進后的定級單元方法有效地解決了單元內部土壤性狀差異較大的問題，同時減少了疊置法產生的細碎圖斑，降低了后期定級評價的工作難度。