基于GIS技術(shù)的永久基本農(nóng)田劃定方法研究

齊俊，梁勇，崔傳寶，蔡永寧，王長(zhǎng)鵬，吳凱

(1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南市自然資源和規(guī)劃局，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

耕地是我國(guó)最為寶貴的資源，是農(nóng)村發(fā)展和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的根基命脈，是農(nóng)民最重要的生產(chǎn)生活資料，是國(guó)家糧食安全的基石[1]。黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視耕地保護(hù)，要求嚴(yán)守耕地保護(hù)紅線，劃定永久基本農(nóng)田，習(xí)近平總書(shū)記指出要像保護(hù)大熊貓一樣保護(hù)耕地。為了貫徹落實(shí)最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，進(jìn)一步加強(qiáng)基本農(nóng)田管理，國(guó)土資源部、農(nóng)業(yè)部研究決定，在已有劃定基本農(nóng)田的基礎(chǔ)上，將城鎮(zhèn)周邊、交通沿線易被占用的優(yōu)質(zhì)耕地優(yōu)先劃為永久基本農(nóng)田，進(jìn)一步嚴(yán)格劃定永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線。全面劃定永久基本農(nóng)田是保障國(guó)家糧食安全、實(shí)施“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的重大舉措，是推動(dòng)節(jié)約集約用地、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑，是推動(dòng)農(nóng)村發(fā)展和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)、維護(hù)農(nóng)民權(quán)益的重要保障。

不少學(xué)者對(duì)基本農(nóng)田劃定進(jìn)行了研究，孫祥龍等[2]用ArcGIS空間分析結(jié)合農(nóng)用地分等資料劃定基本農(nóng)田，王曉燕等[3]采用模糊優(yōu)選模型結(jié)合GIS空間分析劃定永久基本農(nóng)田，這些研究對(duì)基本農(nóng)田劃定問(wèn)題具有積極的推動(dòng)作用，但往往對(duì)GIS的空間分析功能應(yīng)用不夠深入。本研究以長(zhǎng)清區(qū)為例，運(yùn)用ArcGIS空間分析技術(shù)方法，綜合分析影響永久基本農(nóng)田劃定的多種評(píng)價(jià)因子，生成了耕地圖斑在每一種評(píng)價(jià)因子作用下的空間分布圖，直觀展示了耕地的評(píng)價(jià)情況，探討了永久基本農(nóng)田劃定的有效方式，達(dá)到將優(yōu)質(zhì)耕地劃為永久基本農(nóng)田，保護(hù)耕地的目的。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)清區(qū)位于濟(jì)南市西南部，東與歷城區(qū)、市中區(qū)接壤，西與德州市齊河縣隔黃河相望，南與平陰縣相鄰，北鄰槐蔭區(qū)，是山東省會(huì)濟(jì)南西部新城區(qū)。長(zhǎng)清區(qū)東依泰山，西濱黃河，南北長(zhǎng)50.3 km，東西寬50.8 km，總面積1178 km2，轄7個(gè)街道辦事處、3個(gè)鎮(zhèn)，人口約60萬(wàn)人。長(zhǎng)清區(qū)地處泰山隆起邊緣，東南為山區(qū)，境內(nèi)河流較多，主要有黃河、南北大沙河、玉符河等。氣候?qū)儆跍嘏瘞Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫13.8°，年平均降水量623.1 mm。長(zhǎng)清區(qū)為地勢(shì)東南高，西北低的傾斜地勢(shì)，由東南向西北依次是山區(qū)、丘陵、山前平原和黃河洼區(qū)。區(qū)內(nèi)土質(zhì)主要為棕壤土、褐土和沙風(fēng)土。

2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

該文主要數(shù)據(jù)有長(zhǎng)清區(qū)第二次土地調(diào)查的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、長(zhǎng)清區(qū)2015年變更調(diào)查數(shù)據(jù)、長(zhǎng)清區(qū)2 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)、長(zhǎng)清區(qū)2015年耕地質(zhì)量等別成果、濟(jì)南市城市總體規(guī)劃圖、長(zhǎng)清區(qū)2015年基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)、長(zhǎng)清區(qū)2015年居民點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

根據(jù)本次永久基本農(nóng)田劃定的具體要求，需要對(duì)原有基本農(nóng)田中符合本次劃定要求的基本農(nóng)田保留，對(duì)不符合本次劃定要求的劃出基本農(nóng)田，對(duì)一般耕地中優(yōu)質(zhì)耕地劃入永久基本農(nóng)田，最終達(dá)到“優(yōu)進(jìn)劣出、提升質(zhì)量”的劃定要求。該文將對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)耕地圖斑進(jìn)行綜合等級(jí)評(píng)定，根據(jù)綜合等級(jí)情況進(jìn)行“劃入劃出”。

根據(jù)長(zhǎng)清區(qū)耕地現(xiàn)狀及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，以2015年耕地現(xiàn)狀圖斑為基礎(chǔ)單元，綜合考慮影響永久基本農(nóng)田劃定的各種因素，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)因子，并采用特爾菲法即充分征求相關(guān)專(zhuān)家意見(jiàn)，判斷因素的重要程度，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，運(yùn)用ArcGIS的空間分析功能獲取各評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間屬性數(shù)據(jù)，采用多因素加權(quán)分析法對(duì)耕地劃入永久基本農(nóng)田進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合得分排序，結(jié)合永久基本農(nóng)田劃定劃入劃出原則，將集中連片、質(zhì)量等別高、自身聚集度高、規(guī)模較大有良好水利與水土保持設(shè)施的耕地優(yōu)先劃為永久基本農(nóng)田，并利用GIS空間分析技術(shù)[4]得到長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田空間分布圖。

3 技術(shù)路線

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

永久基本農(nóng)田評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)科學(xué)合理，并且可以衡量整個(gè)研究區(qū)域的耕地質(zhì)量。結(jié)合本次永久基本農(nóng)田劃定的相關(guān)要求，永久基本農(nóng)田的劃入因素主要包括：①耕地質(zhì)量等別：綜合多種因素的耕地質(zhì)量等別評(píng)價(jià)情況，包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、耕作層厚度、表層土壤質(zhì)地、灌溉保證率、灌溉水質(zhì)、排水條件等；②耕地連片度[5-6]：“優(yōu)質(zhì)集中”作為永久基本農(nóng)田的標(biāo)準(zhǔn)之一，就是要將集中連片的優(yōu)質(zhì)耕地優(yōu)先劃為永久基本農(nóng)田；③耕地坡度大小：一般分為2°以下、2°～6°、6°～15°、15°～25°和25°以上；④交通便利性：交通沿線易耕作的優(yōu)質(zhì)耕地應(yīng)優(yōu)先劃為永久基本農(nóng)田；⑤居民點(diǎn)輻射度：農(nóng)村、城鎮(zhèn)等居民點(diǎn)周邊易于耕作的優(yōu)質(zhì)耕地應(yīng)優(yōu)先劃為永久基本農(nóng)田。⑥政策因素：永久基本農(nóng)田劃定受各種政策因素影響，包括已批準(zhǔn)的城市總體規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃、片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃等。由于在政策影響范圍內(nèi)的耕地不應(yīng)劃入永久基本農(nóng)田，故該文不將政策因素作為永久基本農(nóng)田劃定的影響因子，而是直接采用GIS方法，將研究區(qū)內(nèi)耕地圖斑直接與規(guī)劃數(shù)據(jù)套合，除去規(guī)劃范圍內(nèi)的耕地圖斑。因此，該文選擇耕地質(zhì)量等別、耕地連片度、耕地坡度、耕地交通便利性和耕地居民點(diǎn)輻射度5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子。

3.2 確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重

確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重的方法很多，主要有特爾菲法、主成分分析法[7]、層次分析法[8]等，綜合考慮各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，該文采用特爾菲法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，即在充分征求相關(guān)專(zhuān)家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況和永久基本農(nóng)田劃定技術(shù)要求，得到該文所研究的各指標(biāo)權(quán)重。

表1 耕地劃入永久基本農(nóng)田評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重

3.3 耕地坡度及分析方法

按照永久基本農(nóng)田劃定技術(shù)要求，坡度大于25°的耕地和坡度在15°～25°之間且無(wú)水土保持條件的耕地不能劃入永久基本農(nóng)田，結(jié)合已有的DEM數(shù)據(jù)，采用GIS手段[9]對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，在DEM模型的基礎(chǔ)上使用Slope工具生成坡度模型，然后根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)坡度模型進(jìn)行重新分級(jí)，以2°、6°、15°和25°為分界點(diǎn)，制作整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的坡度分布圖，分別統(tǒng)計(jì)坡度在2°以下、2°～6°、6°～15°、15°～25°和25°以上的耕地面積。

通過(guò)疊加2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS運(yùn)算處理，計(jì)算出長(zhǎng)清區(qū)范圍內(nèi)所有耕地的坡度情況。

3.4 耕地連片度及分析方法

本次永久基本農(nóng)田劃定，國(guó)家有明確規(guī)定，與已有劃定基本農(nóng)田集中連片，質(zhì)量等別達(dá)到所在縣(市、區(qū))域平均水平以上的耕地，要優(yōu)先劃入永久基本農(nóng)田?？梢?jiàn)基本農(nóng)田劃定不能只追求耕地的數(shù)量、質(zhì)量，而忽略“集中連片”的要求，使基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的耕地地塊分布零散，不便于規(guī)模作業(yè)，該文使用耕地連片度來(lái)表示耕地集中連片的情況。

(1)耕地連片度判斷

綜上所述，對(duì)當(dāng)前的電氣工程及其自動(dòng)化控制而言，PLC技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)。為進(jìn)一步提高技術(shù)創(chuàng)新水平，需要技術(shù)人員不斷總結(jié)，并提出實(shí)踐應(yīng)用策略，以確保電氣工程自動(dòng)化控制技術(shù)不斷發(fā)展，同時(shí)加強(qiáng)安全控制策略研究，更好的促進(jìn)工程的可持續(xù)發(fā)展。

耕地連片度為耕地中同一耕地質(zhì)量范圍內(nèi)，地塊的相連程度[9-0]，兩個(gè)地塊空間距離小于《第二次全國(guó)土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》線狀地物分割圖斑的標(biāo)準(zhǔn)，即地塊間距20 m以?xún)?nèi)相通、相連的，地塊間地類(lèi)界線、行政界線、水渠、田埂、田間道路等不作為集中連片的分割物。一般來(lái)說(shuō)縣級(jí)(含)以上公路、鐵路相隔的地塊不視為集中連片，特殊情況如公路、鐵路以高架形式貫通，高架下面水利、交通保持暢通的視為集中連片。耕地地塊與可調(diào)整地類(lèi)、確定為名優(yōu)特新農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地的其他農(nóng)用地相通、相連的，視為集中連片。

(2)耕地連片性在ArcGIS軟件中的分析

根據(jù)長(zhǎng)清區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合《第二次全國(guó)土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)要求，本研究連片度閾值設(shè)定為20 m。利用ArcGIS軟件中的緩沖區(qū)分析工具，將閾值設(shè)為20 m，所得到的融合后的連片區(qū)域即為該區(qū)域內(nèi)所包含的連片地塊的連片區(qū)域[11-12]，該文采用融合后連片區(qū)域的面積大小作為衡量耕地連片性的主要指標(biāo)，認(rèn)為融合后的連片區(qū)域面積在整個(gè)研究區(qū)域的總面積中的比例越大，其連片性越好，表達(dá)公式如下：

B=S/S總

(1)

式中：B為耕地地塊的連片性得分；S為融合后連片區(qū)域面積；S總為研究區(qū)域總面積。

3.5 耕地交通便利性分析

本次永久基本農(nóng)田劃定，要求將城市周邊、交通沿線易被占用的優(yōu)質(zhì)耕地優(yōu)先劃為永久基本農(nóng)田，這就要把耕地的交通便利性作為本次永久基本農(nóng)田劃定的衡量因素，耕地地塊離交通線路的遠(yuǎn)近直接影響著耕地的投入成本，在其他條件相同的情況下，距離交通干線越近的耕地所需投入的勞動(dòng)和時(shí)間成本也較小[13]。

本研究將長(zhǎng)清區(qū)范圍內(nèi)的主要交通干線矢量數(shù)據(jù)與耕地圖斑相疊加，采用GIS技術(shù)分析耕地圖斑到最近的交通干線的距離，認(rèn)為耕地圖斑離最近的交通干線的距離越近，則耕地的交通便利性越好。采用以下公式計(jì)算：

D=1-Li/Lmax

(2)

使用ArcGIS軟件中Near工具，計(jì)算出每個(gè)耕地圖斑到最近的交通干線的距離，并根據(jù)公式(2)得到耕地的交通便利性得分。

3.6 居民點(diǎn)輻射度分析

和耕地的交通便利性類(lèi)似，耕地的居民點(diǎn)輻射度也在一定程度上影響著耕地的投入成本，在其他條件相同的情況下，耕地的居民點(diǎn)輻射度越高，則投入的勞動(dòng)和時(shí)間成本越少。本研究以耕地地塊離居民點(diǎn)的遠(yuǎn)近來(lái)表示該地塊的居民點(diǎn)輻射程度，認(rèn)為離居民點(diǎn)越近，居民點(diǎn)輻射度越高。采用以下公式計(jì)算耕地的居民點(diǎn)輻射度：

D=1-Li/Lmax

(3)

式中：D為耕地居民點(diǎn)輻射度得分；Li為耕地圖斑到最近居民點(diǎn)的距離；Lmax為長(zhǎng)清區(qū)內(nèi)所有耕地圖斑中到最近居民點(diǎn)的最大值。

使用ArcGIS軟件中Near工具，計(jì)算出每個(gè)耕地圖斑到最近的居民點(diǎn)的距離，并根據(jù)上述公式得到耕地的居民點(diǎn)輻射度得分。

3.7 永久基本農(nóng)田劃定綜合評(píng)價(jià)

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值范圍和量綱不一致，需要先將各評(píng)價(jià)指標(biāo)得分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，為了便于統(tǒng)計(jì)和表達(dá)，該文將各評(píng)價(jià)指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)化為0～10。由于連片度、交通便利性和居民點(diǎn)輻射度三個(gè)指標(biāo)因子得分越大，耕地地塊劃入永久基本農(nóng)田概率越大，故采用公式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；而坡度和耕地質(zhì)量等別兩個(gè)指標(biāo)則相反，故采用公式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化后指標(biāo)因子大小都與劃入永久基本農(nóng)田概率成正比。

(4)

(5)

式中：hij為第i個(gè)地塊在第j個(gè)評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)化后的得分；aij是第i個(gè)地塊在第j個(gè)評(píng)價(jià)因子下的得分；aimax和aimin分別是在第j個(gè)評(píng)價(jià)因子下的最大值和最小值。

該文采用加權(quán)求和的方法確定耕地地塊的綜合得分，加權(quán)求和的表達(dá)式為：

(6)

式中：Hi為第i個(gè)地塊的綜合得分；m為影響因子個(gè)數(shù)，即m=5;hij為標(biāo)準(zhǔn)化后的第i個(gè)地塊第j個(gè)影響因子得分；fj為第j個(gè)影響因子的權(quán)重。

4 結(jié)果與分析

4.1 數(shù)據(jù)分析

耕地坡度采用耕地地塊的平均坡度來(lái)定義，使用ArcGIS軟件中Slope工具對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，Output measurement輸出因子選擇DEGREE，Z factor=1，生成坡度后與耕地圖斑疊加分析并柵格化得到長(zhǎng)清區(qū)耕地坡度分布圖。把長(zhǎng)清區(qū)內(nèi)耕地圖斑Buffer處理，Linear unit設(shè)為20 m，并按照公式(1)計(jì)算每個(gè)圖斑的連片度得分，新建連片度得分地段，以“LPD得分”作為柵格化字段對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，得到長(zhǎng)清區(qū)耕地連片度和坡度空間分布圖(圖1)。

圖1 長(zhǎng)清區(qū)耕地連片度和坡度空間分布圖

依據(jù)上文分別新建交通便利性字段“JTBLX得分”和居民點(diǎn)輻射度得分字段“JMDFSD得分”，根據(jù)ArcGIS軟件中near工具結(jié)合公式計(jì)算出“JTBLX得分”和“JMDFSD得分”，利用GIS空間分析方法分別得到長(zhǎng)清區(qū)耕地交通便利性分布圖和居民點(diǎn)輻射度分布圖(圖2)。

圖2 長(zhǎng)清區(qū)耕地交通便利性分布圖和居民點(diǎn)輻射度分布圖

4.2 綜合得分及評(píng)價(jià)

根據(jù)耕地地塊各指標(biāo)因子的得分和權(quán)重，由加權(quán)求和的方法計(jì)算出耕地地塊的綜合得分[14]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)清區(qū)耕地地塊的綜合得分介于1.6～6.4之間(表2)，根據(jù)綜合得分的直方圖分布(圖3)，將綜合得分劃分為6個(gè)區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)耕地面積，如表2所示，可以看出一等級(jí)耕地占長(zhǎng)清區(qū)耕地總量為41.31%，比例最大，長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田保護(hù)目標(biāo)為38700.00 hm2，按照綜合得分由高到低篩選耕地，直到滿(mǎn)足長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田保護(hù)任務(wù)。

表2 長(zhǎng)清區(qū)耕地地塊綜合得分統(tǒng)計(jì)

圖3 長(zhǎng)清區(qū)耕地地塊綜合得分頻次直方圖

4.3 永久基本農(nóng)田劃定

本次研究將長(zhǎng)清區(qū)內(nèi)綜合得分較高的耕地地塊劃入永久基本農(nóng)田，將各指標(biāo)因子空間分布柵格圖疊加分析，可以得到綜合評(píng)價(jià)后長(zhǎng)清區(qū)耕地空間分布柵格圖(圖4)，結(jié)合長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田保護(hù)目標(biāo)，考慮到政策因素及長(zhǎng)清區(qū)發(fā)展用地需求[15]等影響，擬將Hi>4.4的37300.00 hm2耕地劃為永久基本農(nóng)田，由于長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田保護(hù)目標(biāo)為38700.00 hm2，需將3.6

5 結(jié)論

該文總結(jié)了基于GIS技術(shù)的永久基本農(nóng)田劃定方法，即綜合考慮影響永久基本農(nóng)田劃定的各種因素，確定耕地質(zhì)量等別[16]、連片度、坡度[17]、交通便利性和居民點(diǎn)輻射度5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子作為本研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用特爾菲法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)多因素加權(quán)分析法計(jì)算耕地的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)得分，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)和長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田保護(hù)任務(wù)，得到長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田劃定成果。

圖4 長(zhǎng)清區(qū)耕地綜合得分空間分布圖

圖5 長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田分布圖

從長(zhǎng)清區(qū)永久基本農(nóng)田的劃定結(jié)果看，本研究方法可有效地對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)的耕地進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以直觀地展示綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)研究基本農(nóng)田劃定具有一定的參考意義，顯示了GIS技術(shù)在永久基本農(nóng)田劃定中的廣闊前景。

永久基本農(nóng)田劃定涉及多個(gè)方面，是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，由于各方面的限制，本研究包含的評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠全面，如政策因素，該文只是將政策因素涉及到的耕地直接劃出，沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行更深入的研究；對(duì)于研究區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地增加和人口增長(zhǎng)因素對(duì)于永久基本農(nóng)田布局的影響還有待深入的研究。