基于土地适宜性的耕地规划CA模拟及验证

房阿曼，陈伟强，董霁红※



基于土地适宜性的耕地规划CA模拟及验证

房阿曼1，陈伟强2，董霁红1※

(1. 中国矿业大学环境与测绘学院，徐州 221116；2. 河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002)

为探究科学合理的耕地规划方法，以河南省兰考县为例，从影响耕地规划的适宜性、限制性及竞争性3个方面对土地适宜性进行分析，并运用CA（cellular automata）模拟系统，模拟2020年兰考县指标控制下的耕地规划情况。结果表明，兰考县2020年耕地面积为76 411.32 hm2，其中因城镇发展导致耕地面积减少226.44 hm2，村庄、内陆滩涂及果园等其他土地转化为耕地的面积为8 227.13 hm2。结合耕地适宜性评价结果对比发现，质量上模拟规划的耕地高于现行的土地利用规划中的耕地，空间分布上同时避开城镇发展、生态保护及其他因素的影响，具有稳定性。该研究为管理者制定耕地规划提供重要的方法参考。

土地利用；整治；模型；耕地规划；土地适宜性；CA模拟系统；规划模拟；兰考县

0 引 言

耕地问题是政府和社会各界广泛关注的问题。现阶段土地利用总体规划的模式是“指标约束+分区控制”，目标是保证耕地总量不减少，但经研究发现，一些省份耕地保有量等指标下达不尽合理[1]，且随着工业化、城市化的发展，建设用地占用耕地指标已严重不足[2]，耕地占补平衡制度的实施一定程度上也会由于自然条件等因素带来耕地质量的下降，导致省相关部门不得不对土地利用总体规划做出相应调整。因此，如何合理的规划耕地，规避城镇发展、生态用地及其他地类因素的影响，保证规划的耕地在满足目标数量的前提下，实现耕地的高质量及空间分布的稳定性是现阶段亟需探究的问题。

耕地规划是土地利用规划的重要组成部分。由于社会制度、土地产权及土地基本国情等的差异性导致世界各国土地利用规划的方法不尽相同。联合国粮食与农业组织（FAO）指出土地评价是规划方案编制和选择的科学基础。美国采用公众参与方法，运用地理信息系统技术、遥感和自动制图等现代空间分析技术及制图工具完成规划编制的分析及方案的调整。英国通过土地测量提出土地利用规划的方针、政策及发展框架[3-6]。中国对于土地利用规划方法的研究集中在目标的合理性及规划的技术方面[7-12]，灰色预测、多目标决策、元胞自动机模型及地理信息系统作为常用的规划预测模型及技术[13-26]，只能单一模拟未来土地利用在数量上或空间上的变化，并不能模拟规划目标数量控制下未来各类用地在空间上的合理分布。CA（cellular automata）模拟系统从“自下而上”的角度出发，在实现规划目标控制的前提下，从土地适宜性出发，结合城镇发展、生态保护，模拟未来耕地空间分布状况，为耕地的规划提供新的思路及方法。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

兰考县位于河南省东北部，地处豫东平原，具体位置见图1所示；作为农业大县，2009年全县耕地面积为68 410.43 hm2，占土地总面积的62.01%，其中水田、水浇地、旱地的面积分别为2 700.74、65 691.29、18.40 hm2。主要农作物有小麦、玉米、大豆、花生等，粮、棉、油产量居全国百强，是全国商品粮基地县，也是全国唯一“超级小麦育种示范推广基地”，被确定为河南省平原绿化高级标准县，享有环境综合治理优秀县城称号。2016年，全县生产总值257.6亿元，工业呈加速发展趋势，第三产业也有了进一步发展。

1.2 数据来源

土地利用总体规划期限为15 a，为保证模拟基础数据的准确性及模拟时间间隔接近规划期限，选取兰考县2009年土地利用现状数据为模拟基期数据，并结合《土地利用总体规划（2010-2020年）》、2011年耕地地力评价数据、2009-2014年兰考县统计年鉴、《城市总体规划（2013-2030年）》及第二次土壤普查数据。

图1 研究区位置图

2 CA模拟系统开发

本文主要研究指标控制下的耕地规划分布状况。土地是否规划作为耕地，主要考虑土地的自然条件及空间分布状况，即土地作为耕地的适宜性。本研究通过耕地自然条件适宜性、空间限制性及竞争性3个影响因素对土地进行适宜性分析，并以此作为元胞转换规则，以规划指标作为规模约束条件，采用最优概率选择策略，建立CA模拟系统，实现耕地规划模拟。

耕地规划CA模拟系统基于ArcGIS10.2平台，利用Python语言，结合Arcpy与Numpy类库，开发CA模拟系统脚本工具，作为ArcGIS的ArcToolbox工具使用，模型脚本工具界面如图2所示。工具共设有5个参数，含义与功能分别为：

图2 CA模拟系统界面

1）土地适宜性图层：土地的适宜性栅格图层，功能是定义耕地元胞状态转变的规则。

2）土地限制性图层：土地限制性栅格图层，栅格取值为1或0，分别表示限制区和无限制，功能是定义耕地规划的空间约束。

3）竞争优势图层：地类竞争栅格图层，栅格取值为1或0，分别表示有竞争和无竞争，功能是定义地类演变的竞争优势。

4）规模指标（元胞数）：耕地规模与元胞实地大小之比，取整数，功能是定义耕地规划的数量指标约束。

5）输出结果：输出文件名，功能是定义元胞自动机模拟结果存放路径和文件名。

3 耕地适宜性分析

3.1 耕地适宜性综合分析

本文对于耕地的适宜性综合分析，主要从耕地适宜性及空间邻域适宜性2方面考虑。能否规划为耕地的前提是土壤的质地、有机质、有效土层厚度、灌溉保证率等自然条件适宜作为耕地[27-28]，这是耕地的基本条件；同时耕地规划受其他用地类型，尤其是城镇建设用地变化的影响。城镇建设用地的扩张主要是在城镇周边地区，因此对耕地变化的影响较大，将空间邻域适宜性作为耕地适宜性的评价要素，能降低划定的耕地在未来受建设用地变化影响程度，保证耕地的空间稳定性。

3.1.1 耕地适宜性评价

1）评价单元的划分 评价单元具有明显的界线，是耕地适宜性评价最小且最基本的单元。本文用ArcGIS将兰考县整个区域面积划为100 m×100 m的栅格，即每个栅格作为一个评价单元，这样降低了主观性，提高数据的精度。

2）评价因子选择及权重确定 影响耕地适宜性的因素很多，本文结合兰考县的实际情况，选取影响耕地适宜性的评价因素，归纳为3个方面的指标：立地条件，包括土壤质地、土壤有机质、有效土层厚度、灌溉保证率4个指标；耕作便利度，包括到道路的距离、到村庄的距离2个指标；地块适宜性，包括坡度、现状地类2个指标。权重的计算采用特尔斐法和层次分析法相结合，通过建立层次结构、构造判断矩阵及一致性检验，得到评价指标的权重（表1）。

表1 耕地适宜性评价指标分值化标准及权重

注：括号内数值为各指标隶属度。

Note: Values in parentheses are the index membership degree.

3）评价指标量化处理 分值化标准中，土壤质地、土壤有机质及灌溉保证率采用2011年兰考县耕地地力评价标准，有效土层厚度、距道路距离、距村庄距离及现状地类的标准则通过专家讨论得到（表1）。

①土壤质地、土壤有机质、有效土层厚度、灌溉保证率、土壤质地和有效土层厚度从第二次土壤普查资料中获取，范围覆盖全域，土壤有机质通过空间插值法得到，灌溉保证率是从耕地地力评价数据库中灌溉分区图提取得到，其中土壤有机质、灌溉保证率空间分布图见图3。利用ArcGIS对指标依据表1进行相应的分值化处理，制成100 m×100 m单因子栅格图。

②到道路的距离、到村庄的距离从2009年兰考县土地利用现状图中提取线状公路、村庄，对道路、村庄的距离分析如图3所示。运用ArcGIS空间分析功能进行距离分析，依据表1进行分值化处理，制成100 m×100 m单因子栅格图。

图3 部分评价因子及综合评价结果图

③坡度、现状地类坡度图来源于地理空间数据云下载的Slope数据，现状地类以2009年土地利用现状图为基础，参考表1对指标进行分值化处理，制成100 m× 100 m单因子栅格图。

④ 耕地适宜性评价 运用ArcGIS对多因子进行加权求和，通过计算得到，耕地适宜性评价结果的分值是从0.46～0.91之间的连续变化值。同时，本次针对耕地的适宜性评价是全域覆盖的，这样在进行元胞自动机模拟时，可以进行全域搜索。

3.1.2 空间邻域适宜性评价

运用ArcGIS对2009年土地利用现状图转化为100 m× 100 m的栅格图层，然后进行重分类，城镇建设用地为1，其他各类用地为0；对2009年土地利用现状图进行3×3像元邻域分析[29]，得到城镇建设用地邻域图，如图3所示。对邻域适宜性进行评价，土地单元3×3邻域窗口内的城镇建设用地单元数越多，评价得分越低，单元数越少，评价得分越高，评价得分在0～0.9之间。城镇建设用地影响下的耕地适宜性，距城镇越近的地类元胞，耕地适宜性越低，转化为耕地的概率越小，距城镇越远，地类元胞的耕地适宜性越高，转化为耕地的概率越大。

根据耕地适宜性及空间邻域适宜性的评价结果，考虑因素的影响程度及重要性，结合专家打分法，对影响耕地适宜性综合评价的两个因素权重赋值，其中耕地适宜性权重为0.8，空间邻域适宜性权重为0.2，运用ArcGIS空间分析，对两个因素加权求和得到耕地适宜性综合评价得分在0.49～0.90之间，从图3耕地适宜性综合评价结果图中看出，现状为城镇建设用地的适宜性得分偏低，因为城镇建设用地作为耕地的适宜性较低，且在空间分布上，不适宜转化为耕地；西北部地区，由于土地利用现状为河流，不适宜作为耕地，因此耕地适宜性综合评价得分较低。

3.2 限制性约束分析

3.2.1 城镇发展区条件约束

随着经济的发展，人口的增加，建设用地的需求量也在不断增加，城镇建设用地的扩张是当前土地利用变化的主要特征，城镇建设用地的扩张与耕地保护之间存在着很大的矛盾。在保护耕地的同时，需要满足不断增加的人口对建设用地的需求。因此，对于城镇规划发展区，要作为耕地变化的空间限制条件。将兰考县城市总体规划（2013—2020年）矢量数据转化为100 m×100 m栅格图层，然后进行重分类，乡镇建设发展区为1，表示对耕地空间发展有约束；其他地区为0，对耕地发展没有约束。

3.2.2 生态条件约束

1）黄河及兰考县境内的其他河流水系，不仅提供居民生活饮水、农业灌溉用水及工业用水，而且具有调蓄洪水和净化水质等功能[30-31]，因此，要严格保护兰考县具有生态功能的河流，保证居民生产生活正常用水，通过数据转换及重分类，生态河流为1，限制其转化为耕地；其他非河流水系为0，对耕地发展无限制。

2）泡桐作为兰考县的主要林地，发挥重要的生态服务价值。兰考县的生态环境曾遭受风沙、涝渍、盐碱危害，泡桐具有生长速度快、生命力顽强，能够在极其贫瘠的土壤中成活的优点，成为绿色屏障，尤其靠近河流的泡桐更具有防风固沙、涵养水源、保持水土的作用，有效地阻挡了风沙，改善了农田的生态环境，提高粮食产量。因此，靠近河流的林地虽然评价具有耕地适宜性的特点，但其生态功能价值远大于作为耕地的农业生产价值，根据蒋琛、徐有钢等关于河流生态环境敏感性分析研究表明，河流生态环境敏感区分布在距离河流20～50 m的缓冲区内[32-33]，依据兰考县绿地系统规划，并结合兰考县林地分布现状，以50 m距离为阈值，运用ArcGIS对河流图斑且在面外部做缓冲区分析，在2009年土地利用现状图中选择与缓冲区相交的林地作为生态林地，通过数据转换及重分类，生态林地为1，限制转化为耕地；其他非生态林地为0，对耕地发展无限制。

3.2.3 地类条件约束

土地利用现状地类中，铁路、公路、风景名胜、水工建筑及建制镇用地在未来不会转化为耕地，因此作为限制条件。对2009年兰考县土地利用现状图进行转换及重分类，铁路、公路、风景名胜、水工建筑及建制镇用地为1，对耕地发展有约束；其他地类为0，对耕地发展无约束。

3.3 竞争优势分析

在本文开发的CA模拟系统中，竞争优势是重要的元胞演变规则。《中华人民共和国土地管理法》第四十二条中明确提出复垦的土地当优先用于农业，这充分落实了最严格的耕地保护制度。作为土地利用总体规划中的允许建设区，是指城乡建设用地规模边界所包含的范围，是规划期内新增城镇、工矿、村庄建设用地规划选址的区域，也是规划确定的城乡建设用地指标落实到空间上的预期用地区，因此，不能转化为耕地的允许建设区转化为其他地类具有优势；而作为有条件建设区、限制建设区及禁止建设区转化为其他地类的优势较弱。根据分析，对规划数据库中的建设用地管制图层进行数据转换及重分类，其中允许建设区为1，转化为其他地类具有竞争优势，其他建设区为0，转化为其他地类无竞争优势。

4 耕地规划模拟

4.1 基于CA模拟系统的耕地规划模拟

根据土地适宜性分析结果，得到适宜性、限制性以及竞争优势3个栅格图层参数，根据兰考县2020年耕地规划指标为76 411.32 hm2，作为模拟系统的规模控制指标。由于本文划分的元胞栅格为100 m´100 m，因此，每个元胞栅格为10 000 m2，所以将研究的元胞规模指标设置为76 412个。经元胞自动机的迭代计算，得到2020年的耕地规划分布图，如图4所示。

图4 2020年耕地模拟结果

经统计结果显示，2020年模拟的耕地总规模为76 412个元胞。由于每个元胞栅格面积为10 000 m2，因此，模拟2020年兰考县耕地总面积为76 412 hm2，即满足2020年76 411.32 hm2的耕地规划指标。从图中地类空间分布可以看出，通过元胞转换规则的设置，实现了2020年兰考县河流及部分林地作为生态用地的目标，并没有转化为耕地，体现了生态用地及城镇发展变化对耕地规划的限制性影响；城镇建设用地基本上作为非耕地存在，因为从耕地适宜性及空间邻域性因素考虑，建设用地不适宜作为耕地；作为2020年土地利用总体规划的允许建设区转化为其他地类具有优势。

4.2 模拟结果分析

为了研究2020年耕地结构变化，将2020年模拟结果与2009年土地利用现状叠加，分析耕地的增减变化如表2所示。分析表2得到，与2009年相比，2020年兰考县耕地面积增加了8 000.69 hm2。其中，有8 227.13 hm2其他土地转化为耕地，且主要由村庄、内陆滩涂及果园等地类转化而来。由于城镇发展规划，建设用地占用耕地，使得2020年兰考县水田、水浇地及旱地总面积相比较2009年减少226.44 hm2。

从耕地的自然条件角度考虑，村庄通过空心村整治，节约的土地能够满足作为耕地需要的灌溉、质地等自然条件，土地的适耕性较好；内陆滩涂作为耕地后备资源具有较好的土壤质地及水源条件，耕地适宜性较好，转化为耕地的可能性比较大。因此，从2020年转化为耕地的地类可以看出，此次耕地变化的模拟结果更好的考虑了土地的适耕性的自然条件。

表2 2020年模拟耕地与2009年土地利用现状叠加分析

4.3 模拟结果验证

土地适宜性CA模拟规划的耕地是否能满足预期的目标，需要对模拟结果进行验证。对模拟结果的验证主要是对模拟的耕地及现行规划的耕地进行质量差异性分析，耕地的质量主要体现在适宜性评价结果中。通过ArcGIS的分析统计功能，分别统计模拟耕地和现行规划中耕地的适宜性评价分值状况，结果见表3。

表3 耕地适宜性评价分值对比分析

从表3中平均值看出，模拟的耕地适宜性评价得分平均值为0.77，现行规划耕地适宜性得分平均值为0.73，低于模拟的平均值，说明用本次元胞自动机模拟的耕地，土地适宜性分值高于现行规划中的耕地。从最小值、最大值和标准差3个指标可以看出，模拟耕地的自然基础条件较高于现行规划中耕地的现状，且状况更加均一。因此，用本文开发的土地适宜性CA模拟系统进行土地利用总体规划中的耕地模拟，可以得到更优的结果。

5 结 论

通过对土地进行适宜性分析，运用土地适宜性CA模拟系统对河南省兰考县2020年的耕地规划进行模拟，得到如下结论：

1）兰考县耕地适宜性综合评价得分在0.49～0.90之间，其中城镇建设用地区及西北部的河流区域适宜性得分偏低，不适宜作为耕地。

2）对耕地规划模拟结果进行分析得到：2020年耕地空间分布基本上避开城镇发展、河流及林地生态用地及其他地类因素的影响；数量上有226.44 hm2的耕地变为其他用地，8 227.13 hm2的其他土地转变为耕地，主要由村庄、内陆滩涂及果园等地类转化而来。

3）对耕地规划模拟结果进行验证得到：通过CA模拟系统模拟规划的耕地在质量及自然基础条件方面都高于现行规划的耕地。

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房阿曼，陈伟强，董霁红.基于土地适宜性的耕地规划CA模拟及验证[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：219－225. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.030 http://www.tcsae.org

Fang Aman, Chen Weiqiang, Dong Jihong. CA simulation and verification of cultivated land planning based on land suitability [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 219－225. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.030 http://www.tcsae.org

CA simulation and verification of cultivated land planning based on land suitability

Fang Aman1, Chen Weiqiang2, Dong Jihong1※

(1.221116,;2.450002,)

CA simulation system of cultivated land planning can be used for planning cultivated land scientifically and rationally, so as to provide a reference for managers to make the general land use planning. Indices constraining and partitions controlling, as the existing pattern of general land use planning, is to ensure the total amount stable of cultivated land. However, phenomenon such as the unreasonable index of land quantity, the inadequate index of building land occupation, and the decline of cultivated land quality from ‘Dynamic Balance of Total Amount of Cultivated Land’, leads to the relevant departments cannot but make adjustments to the planning. Previous research of cultivated land is mainly focused on its protection, evaluation as well as change. There is a little literature on cultivated land planning. CA simulation system is a user-defined tool of ArcGIS, which is easy to be invoked in Geographic Information System (GIS). In the CA simulation system, the land suitability and planning indicators are taken as the cell transformation rule and constraint condition respectively, and optimal probability is used to select strategy. The paper taking Lankao County in Henan Province as example, selected the natural factors which affect the distribution of cultivated land, including soil texture, soil organic matter, effective thickness of soil layer, irrigation guarantee rate, distance to roads, distance to villages and slope; the ecological limiting factors of river and forest land that restrict the spatial distribution of cultivated land; and competitive factors for the conversion of other land to cultivated land from the three aspects of suitability, limitation and competition. Delphi method and expert scoring method were applied to calculating the weights of those factors. The evaluation score of cultivated land suitability is 0.46-0.91, while that of land suitability is 0.49-0.90 combining with spatial neighborhood analysis. The research result shows that in 2020 the area of cultivated land in Lankao County will increase by 8 000.69 hm2and reach to 76 411.32 hm2by overlaying with the land use status map in 2009. Because the urban development made the area of cultivated land decreased by 226.44 hm2, while the utilization conversion of village, inland beach, orchard land and other land made the area of cultivated land increased by 8 227.13 hm2. The results show that the quality of cultivated land in 2020 is relatively higher than that of the cultivated land in current land use planning, and the space distribution is stable by avoiding the town development, ecological protection and other factors. The study has important guiding significance for the future land planning.

land use; consolidation; models; cultivated land planning; land suitability; CA simulation system; planning simulation; Lankao County

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.030

F301.23

A

1002-6819(2017)-08-0219-07

2016-08-29

2017-03-28

国家自然科学基金面上项目（51374208）；国家自然科学基金项目（41501189）

房阿曼（汉族），女，河南邓州人，博士生，主要从事矿山生态与景观生态规划方面的研究。徐州中国矿业大学环境与测绘学院，221116。Email：fangaman123@163.com

董霁红（汉族），女，山西芮城人，教授，博士生导师，主要从事矿山生态与景观生态规划方面的研究。徐州中国矿业大学环境与测绘学院，221116。Email：dongjihong@cumt.edu.cn