基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的耕地規(guī)劃模擬研究

葉 丹，郜魯濤，麻之潤(rùn)，彭 琳*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 大數(shù)據(jù)學(xué)院(信息工程學(xué)院)，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650201)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇昆明市尋甸回族彝族自治縣為研究區(qū)域，該地位于東經(jīng)102°41′～103°33′，北緯25°20′～26°01′，地形復(fù)雜地貌多變，屬于低緯度高原季風(fēng)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(zhǎng)約80 km，南北長(zhǎng)60 km。全縣發(fā)展農(nóng)副產(chǎn)品以及生態(tài)旅游業(yè)，是一個(gè)農(nóng)業(yè)大縣。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)自尋甸縣基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，2010和2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，全縣土壤數(shù)據(jù)及2008-2016年尋甸縣統(tǒng)計(jì)年鑒和《尋甸回族彝族自治縣土地利用總體規(guī)劃(2010-2020年)》。

1.3 研究方法

1.3.1 元胞自動(dòng)機(jī)模型原理 元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata)是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散的模型，具有強(qiáng)大的空間建模和計(jì)算能力，能夠模擬具有時(shí)空特征的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[15]，每個(gè)變量狀態(tài)有限，而且狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上均為局部特征。以下是CA模型表達(dá)式：

S(t+1)=f(S(t)，N)

(1)

式中，S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t、t+1為不同時(shí)刻，N為元胞的鄰域；f為局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

1.3.2 元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則 由表達(dá)式(1)可以看出，元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則f是元胞自動(dòng)機(jī)模型的算法核心[16]。采用常用的元胞轉(zhuǎn)換策略-最大概率選擇策略，作為元胞轉(zhuǎn)換策略。優(yōu)先轉(zhuǎn)換概率最大的元胞，直到達(dá)到最初設(shè)定的目標(biāo)值。

(2)

式中，SP表示元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)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(fā)展限制性、土地未來(lái)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；state為元胞狀態(tài)；plowland為耕地；CV為耕地規(guī)劃模擬中耕地的規(guī)模指標(biāo)；IND為耕地規(guī)劃模擬中可占用為耕地的其他用地的總體數(shù)量。

BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，上海中心、鳥巢都成功“試水”，但是，BIM在中國(guó)的建筑業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用依然相對(duì)狹窄，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《關(guān)于2017年二季度全國(guó)工程質(zhì)量安全提升行動(dòng)進(jìn)展情況的通報(bào)》中提到：在部分地區(qū)推動(dòng)工程技術(shù)進(jìn)步工作進(jìn)展較為緩慢。

1.3.3 耕地規(guī)劃模擬系統(tǒng)工具開發(fā)方法 為了在地理空間分析中高效地應(yīng)用CA模型，基于ArcGIS 10.2平臺(tái)，利用 Python腳本語(yǔ)言，結(jié)合Arcpy和Numpy類庫(kù)，開發(fā)耕地規(guī)劃模擬系統(tǒng)腳本工具。該工具共有5個(gè)參數(shù)。

(1)土地適宜性柵格：基于耕地地力等級(jí)的柵格圖，用來(lái)定義元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐母怕省?/p>

(2)土地限制性柵格：主要受城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)、生態(tài)林地、草地等條件約束，柵格值取0或1,0表示對(duì)耕地發(fā)展無(wú)約束，1表示對(duì)耕地發(fā)展有約束。用來(lái)定義耕地的空間發(fā)展約束條件。

(3)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)柵格：在土地利用類型轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)化為其他地類的優(yōu)勢(shì)性圖層。柵格取值為0或1，0表示轉(zhuǎn)化為其他地類無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，1表示轉(zhuǎn)化為其他地類有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。用來(lái)定義土地利用轉(zhuǎn)換過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

(4)規(guī)模指標(biāo)：耕地實(shí)際用地規(guī)模指標(biāo)，用來(lái)定義耕地規(guī)劃的占地規(guī)模數(shù)量。

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

表1 耕地地力評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)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(jié)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(lái)分析土地適宜性。綜合尋甸縣的實(shí)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(gè)方面，而土地適宜性還包括耕地的穩(wěn)定性。耕地穩(wěn)定主要受城鎮(zhèn)用地變化影響，因此，將空間鄰域適宜性考慮進(jìn)來(lái)，能降低劃定的耕地在未來(lái)用地變化中受影響的程度，以提高耕地規(guī)劃模擬系統(tǒng)工具的穩(wěn)定性。

2.1.1 評(píng)價(jià)因子選擇及權(quán)重確定 結(jié)合尋甸縣的現(xiàn)有數(shù)據(jù)和相關(guān)研究，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層三層構(gòu)成。目標(biāo)層即耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果，準(zhǔn)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(jí)組成。立地條件主要包括坡度和坡向2個(gè)因子。而理化性狀主要考慮對(duì)土壤養(yǎng)分影響較為重要的有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、有效磷、速效鉀。權(quán)重計(jì)算采用特爾斐法和層次分析法相結(jié)合，并參考大量相關(guān)文獻(xiàn)[17-20]，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表1)。

圖3 坡度分級(jí)Fig.3 Slope grading

圖4 坡向分布Fig.4 Slope distribution

圖5 土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.5 Soil organic matter content

2.1.2 耕地地力評(píng)價(jià) 針對(duì)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(jī)質(zhì)、pH、全氮、有效磷和速效鉀等有代表性的評(píng)價(jià)因子。灌溉保證率、排澇能力、坡度、坡向、有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、有效磷和速效鉀等評(píng)價(jià)因子主要從云南省測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)中獲取(圖1～9)。按照表1中各因子所占權(quán)重，對(duì)其進(jìn)行疊加分析，得到尋甸縣耕地地力評(píng)價(jià)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(píng)價(jià) 利用ArcGIS的地理處理功能對(duì)2010年的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行重分類。其中，建設(shè)用地為1，非建設(shè)用地為0，并對(duì)其進(jìn)行鄰域分析，得到城鎮(zhèn)建設(shè)用地鄰域圖[21]。對(duì)得到的建設(shè)用地鄰域圖進(jìn)行分析，土地單元3×3鄰域窗口內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地單元數(shù)越多，其空間鄰域適宜性越低，則評(píng)價(jià)得分越低，轉(zhuǎn)化為耕地的概率越低；反之，其評(píng)價(jià)得分就越高[22]，轉(zhuǎn)化為耕地的概率也越高，評(píng)價(jià)得分在5.94119～61.0413。

根據(jù)耕地地力評(píng)價(jià)圖及空間鄰域適宜性的評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[22]，給耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果賦權(quán)重值0.8，給空間鄰域適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果賦權(quán)重值0.2，再運(yùn)用疊加分析功能得到土地適宜性評(píng)價(jià)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(qū)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(píng)價(jià)得分Fig.10 Comprehensive evaluation score of land suitability

圖11 2020年耕地模擬結(jié)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(huì)的發(fā)展，在土地利用類型轉(zhuǎn)換過(guò)程中，耕地發(fā)展主要受城鎮(zhèn)建設(shè)用地、生態(tài)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(xiàn)狀圖重分類，有約束的地類為1，其他為0。

2.3 競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)分析

在土地利用類型轉(zhuǎn)換過(guò)程中，城鄉(xiāng)建設(shè)用地相較于其他地類有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。利用尋甸縣2015年的土地利用現(xiàn)狀圖和《尋甸回族彝族自治縣土地利用總體規(guī)劃(2010-2020年)》，提取城鎮(zhèn)建設(shè)用地的圖斑，并對(duì)其進(jìn)行緩沖區(qū)分析，然后再進(jìn)行重分類，允許建設(shè)區(qū)為1，轉(zhuǎn)換為其他地類有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；否則為0，轉(zhuǎn)換為其他地類無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.4 模擬精度驗(yàn)證

以2010年為基期，結(jié)合2015年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，利用上述方法模擬2015年耕地規(guī)劃狀況，并與2015年實(shí)際耕地分布狀況進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)為 96 %，

當(dāng)Kappa系數(shù)大于80 %時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果的一致性就達(dá)到了最佳的水平[23-24]。說(shuō)明開發(fā)的耕地規(guī)劃模擬工具具有一定的準(zhǔn)確性，可以用來(lái)輔助相關(guān)部門調(diào)整土地利用總體規(guī)劃中的耕地規(guī)劃項(xiàng)。

2.5 耕地規(guī)劃模擬

尋甸縣2020年耕地規(guī)劃指標(biāo)為63 277 hm2。由于元胞柵格大小統(tǒng)一設(shè)置為100 m×100 m，所以到2020年，尋甸縣的元胞規(guī)模指標(biāo)設(shè)置為63 277個(gè)。經(jīng)元胞自動(dòng)機(jī)的運(yùn)算，得到尋甸縣2020年耕地規(guī)劃模擬圖，如圖11所示。

為了研究尋甸縣2020年耕地結(jié)構(gòu)相較于2010年的組成變化，將模擬的2020年的耕地規(guī)劃結(jié)果與2010年的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行疊加分析，預(yù)分析出耕地的增減變化，土地利用類型轉(zhuǎn)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(yù)計(jì)增加8277 hm2，其他用地約有30 598 hm2會(huì)轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)化而來(lái)。尋甸縣地處中國(guó)西南片區(qū)，且尋甸縣曾是國(guó)家級(jí)貧困縣，在2018年10月6號(hào)由云南省政府公開發(fā)布批準(zhǔn)其退出貧困縣。尋甸縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化較大，因而其土地利用變化較大。尋甸縣目前還是一個(gè)以特色農(nóng)業(yè)發(fā)展為主、生態(tài)旅游發(fā)展齊頭并進(jìn)的農(nóng)業(yè)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(fā)，耕地發(fā)展對(duì)土壤養(yǎng)分、地勢(shì)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(jié)合了耕地地力條件。合理轉(zhuǎn)化內(nèi)陸灘涂等地類，選擇具有良好的土壤質(zhì)地和水分條件的地類轉(zhuǎn)化，可以有效的提高耕地產(chǎn)值，為研究區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供更好的前景規(guī)劃。

3 討 論

利用Python將元胞自動(dòng)機(jī)模型開發(fā)成小工具嵌入到Arcgis平臺(tái)對(duì)尋甸縣耕地利用情況進(jìn)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(dòng)機(jī)模型在耕地規(guī)劃上的應(yīng)用前景。

(1)尋甸縣地處中國(guó)西南地區(qū)地形地貌較為復(fù)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(jī)質(zhì)、pH、全氮、速效鉀、有效磷等土地利用演變驅(qū)動(dòng)因素分布不均的影響，采用層次分析法確定各因素的權(quán)重并繪制出土地適宜性評(píng)價(jià)圖，最終發(fā)現(xiàn)尋甸縣適宜作耕地的區(qū)域較為分散。

表2 2020年模擬耕地與2010年土地利用現(xiàn)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(shè)用地234村莊1395未利用地391合計(jì)63 277

(2)尋甸縣曾長(zhǎng)達(dá)30多年是國(guó)家級(jí)貧困縣，現(xiàn)在終于脫貧。這離不開當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)。對(duì)尋甸縣2020年耕地規(guī)劃模擬的結(jié)果進(jìn)行分析，其與2010年尋甸縣土地利用現(xiàn)狀圖相比，2020年尋甸縣耕地?cái)?shù)量有所上升，其中僅有32 679 hm2是2010年現(xiàn)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(zhuǎn)換而來(lái)的耕地。

(3)研究的耕地規(guī)劃模擬工具受前景政策影響較大，若不考慮相關(guān)前景政策，在允許建設(shè)區(qū)規(guī)劃了耕地，最后會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃失誤再重新規(guī)劃，浪費(fèi)人力物力。故而不僅要充分考慮研究區(qū)的土地利用總體規(guī)劃還需要時(shí)刻關(guān)注尋甸縣新出臺(tái)的相關(guān)政策。

4 結(jié) 論

適宜性CA耕地規(guī)劃模擬工具不僅可以體現(xiàn)“自下而上”的規(guī)劃原則，而且研究的耕地規(guī)劃模擬工具考慮了耕地的自然地理?xiàng)l件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件以及政策因素，因此更加具有穩(wěn)定性。并且，該模型可以進(jìn)一步拓展到“三線劃定”中的生態(tài)保護(hù)紅線劃定以及城市邊界劃定。