基于TOPSIS和热点分析的高标准农田建设优先区选择

赵冬玲 何珊珊 林尚纬 张婷婷 杨建宇，2 张 超，2

(1．中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083;2．国土资源部农用地质量与监控重点实验室，北京100035)

基于TOPSIS和热点分析的高标准农田建设优先区选择

赵冬玲1何珊珊1林尚纬1张婷婷1杨建宇1，2张 超1，2

(1．中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083;2．国土资源部农用地质量与监控重点实验室，北京100035)

高标准农田建设是保护优质耕地，保障粮食安全的战略部署，合理规划建设时序和空间布局是科学、高效进行高标准农田建设的前提。以河北省涿州市为研究区，按照国家对高标准农田建设区域的基本要求，构建了耕地综合质量评价指标体系，以规则网格为评价单元，基于TOPSIS模型对高标准农田建设优先度进行了综合评价计算，并采用热点分析方法划定了高标准农田建设一级优先区、二级优先区和不宜建设区。研究结果表明:涿州市中部和西南部区域耕地立地条件较优，基础设施较好，适宜建设高标准农田，列入一级优先建设区和二级优先建设区，面积占比分别为38.4%和31.8%;西部和东部部分乡镇不宜建设高标准农田。研究结果可为高标准农田建设优先区选择提供指导，为下一步的整治方向提供依据。

高标准农田建设;优先区;网格;TOPSIS;热点分析

引言

近几年国家高度重视高标准农田建设，建设高标准农田是新形势下对耕地保护制度的一个创新，是实现耕地保护向数量质量并重保护的一个重要途径，是改造传统农业、发展现代农业的重要途径，有利于发挥组织效应，实现规模化经营［1］。高标准农田建设优先区空间布局是农用地整治的空间布局和时序安排，是编制土地整治规划的基础和依据，可为高标准农田建设项目实施提供参考。

众多学者已经从土地整治战略设计、土地整治实践和对策、理论发展与实践创新等角度进行了分析研究［2］，并且取得了诸多成果。在国家政策的大背景下，高标准农田建设的研究已陆续出现，但与耕地保护、耕地整理相比，高标准农田建设的研究尚处于起步阶段，相关研究主要集中在政策标准［3］、理论研究［1－2］以及建设区域划定［4－6］等方面。耕地入选高标准农田建设区域的评价体系还处于探索阶段，评价指标不够客观、标准，建设时序与空间布局的研究较少;在实践中，地方政府和耕地管理部门在高标准农田建设中，往往出现主观性大，重数量轻质量的问题，将一些破碎、质量差、整治难度大的耕地划为优先建设区，导致建设难度和成本大幅增加，建成后难以达到高标准农田的基本要求［7］。在评价模型与方法上，多采用 LESA［8］、多因素综合评价法［9］、物元分析法［10］等，TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)是一种常用的多目标决策分析法，具有计算简便，分析结果较合理，应用灵活等特点，得到了广泛应用［11－12］，但该方法在耕地评价中鲜有涉及，本文选用该方法进行高标准农田建设优先度评价。在高标准农田建设布局中，耕地质量空间属性越来越受到重视，常采用空间聚类［13－14］和空间自相关分析［7，15－16］等方法，但这些研究多以行政区为单元，难以进行层次化管理，不利于信息检索与更新，而网格是对地理空间的规则划分，具有打破行政单元，提高管理效率的优点［17］。本文以空间网格为评价单元，采用TOPSIS模型和热点分析方法，解决高标准农田建设优先区空间布局问题，并以河北省涿州市为研究区，对本文的研究方法进行实验，以期为涿州市土地整治规划与高标准农田建设提供支撑。

1 研究思路与方法

高标准农田指土地平整、集中连片、设施完善、农电配套、土壤肥沃、生态良好、抗灾能力强，与现代农业生产和经营方式相适应的旱涝保收、高产稳产，划定为永久基本农田的耕地［3］。依据高标准农田标准，本文考虑高标准农田建设优先在耕地立地条件较优、基础设施较完备、区位条件较好的区域开展，这些区域稍加整治就可以达到高标准农田要求。基于以上分析，本文将耕地自然条件、耕地空间形态、基础设施水平、区位条件的综合定为耕地综合质量，耕地综合质量的评价结果可作为高标准农田建设优先度评价的标准，即耕地综合质量越高，越优先建设成为高标准农田。

首先，进行网格划分与编码并对原数据进行网格化预处理，其次，构建耕地综合质量评价指标体系，以网格为评价单元程序计算各指标值，采用层次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)对各指标赋权，并采用TOPSIS模型对耕地质量进行综合评价即整治优先度评价。最后，采用热点分析方法对优先度进行局部聚类分析，依据聚类结果划定高标准农田建设优先区。如图1所示。

图1 研究框架Fig．1 Research framework

1.1 优先区划分

1.1.1 评价指标体系

定义耕地综合质量是耕地自然条件、空间形态、基础设施水平和区位条件的综合，该定义以高标准农田标准为依据、以农用地分等思想［18］为基础，增添了表征耕地空间形态、利用设施条件、区位的指标，完善了高标准农田标准中有要求但农用地分等没有体现的指标。自然条件主要指耕地的光温、气候条件、土壤、地形地貌等自然因素，是耕地质量在一定的地理环境中最本质的体现，是比较稳定的自然属性。本文运用已有分等成果中耕地省级自然等指数表征耕地自然质量;耕地空间形态反映了区域内耕地的集中连片性、田块形状复杂度等，是现代规模化农业生产的重要影响因素，选用耕地面积比、田块形状指数、耕地集中连片度3个指标表征耕地空间形态;基础设施水平主要包括灌排设施、田间道路条件等，体现人们对耕地的改造和利用程度;区位条件主要包括耕作距离和农贸市场影响度等，反映了耕作便利度以及实施整治工程时的便利程度。运用AHP方法确定各指标权重，指标及其权重见表1。

表1 耕地综合质量评价指标体系及权重Tab．1 Indicators and their weighs of cultivated land comprehensive quality evaluation

1.1.2 TOPSIS方法

TOPSIS是一种逼近于理想解的排序法，由HWANG等［11］于1981年首次提出，是多目标决策分析中一种常用的有效方法，又称为优劣解距离法。其基本原理是，通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序，若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解，则为最好，评价过程［12］如下:

(1)构建规范化评价矩阵。以n个规则网格单元作为评价对象集，每个网格有m个评价指标，采用极差归一化法对各指标去量纲处理，实现数值规范化，构建规范化评价矩阵

(2)构建加权评价矩阵B，其元素为

式中 wj——各个评价指标的权重

zij——加权指标值

(3)确定每个指标的正理想解B+和负理想解B－，即

式中 J——正向指标集 J'——负向指标集

Zj+——正理想指标值，j=1，2，…，m

Zj－——负理想指标值，j=1，2，…，m

(5)计算每个网格接近于理想解的相对贴近度

Ci∈［0，1］，若某网格与正理想解重合，则相应的Ci= 1;若某网格与负理想解重合，则相应的Ci=0。

1.1.3 热点分析

热点分析(Getis-Ord Gi)可分析得到高值和低值要素在空间上发生局部聚类的位置。显著的热点区域是为本文中所要寻找的聚类区域，即某网格内耕地综合质量较高，并被质量高的网格包围的局部聚类区域，这些区域耕地综合质量较高，稍加整治就能达到高标准农田要求，应进行优先建设。

采用Getis-Ord Gi局部统计来指导划分高标准农田建设优先区，公式为

xj——网格j的指标得分

wij——网格i和j之间的空间权重

n——网格总数

S——指标得分标准差

2 研究区与数据预处理

涿州市位于河北省中部，地处太行山山前平原北部，东经115°44'～116°15'、北纬39°21'～39°36'，东临固安，西接涞水，北通北京，南到高碑店。东西横距36.5 km，南北纵距25.5 km。全区总面积739.67 km2，其中耕地面积443.54 km2，耕地面积占区域总面积的60%，区域地势平坦，起伏较小，处于暖温带半湿润季风气候区，四季分明。区域内河流较多，有永定河、白沟河、小清河、玻璃河、北据马河、胡良河等，适宜小麦、玉米、水稻种植，是黄淮海平原重要粮食产区。涿州市耕地土地利用系数变化幅度较大，证明全市整体水平差异较大，质量较好的耕地分布在中南部，质量较差的耕地分布在东北部和西南部。

涿州市区位特殊，位于京、津、保三角区中心地带，处于太行山山地丘陵区至华北平原区的过渡带，同时处于北京都市城区至保定贫困区的过渡带(图2)，资源整合和治理是京津冀协同发展的先决条件［19］，涿州市在京津冀一体化发展中位于特殊位置。《河北省土地整治规划(2011—2020年)》指出涿州市是土地整治重点区和示范县，选择该区域进行高标准农田建设优先区布局与整治模式研究，具有较强的典型性和代表性。

所用数据包括2011年涿州市耕地质量监测数据库和涿州市1∶10 000行政区划图，数据均为shp格式，包括耕地县级分等单元、面状地物、线状地物、行政区数据等。对以上数据资料进行严格的检查，剔除异常值，确保数据的可靠性。

本文选择400m×400m尺度［20］划分规则网格单元，并进行网格权属确定和网格编码。随后进行耕地质量数据和土地利用数据的网格化预处理，以建立起网格与图斑数据之间的空间关系，从而为之后评价指标的网格化计算做准备。涿州市共划分出包含耕地的4 644个网格单元，每个网格中耕地面积平均为9.55 hm2，占网格单元面积的59.7%。

图2 涿州市区位及空间网格单元Fig．2 Geographical position of Zhuozhou City and space grid unit

3 结果与分析

按照TOPSIS方法综合评价涿州市耕地综合质量，计算出每个网格的土地整治优先度得分，按自然断点法并辅助手动调整将优先度得分分成5个等级(图3)，优先度得分整体分布(图3b)与省级自然等指数的分布(图3a)大致相同，涿州市中部地区耕地综合质量较好，西部地区和东部区域综合质量较差。热点分析方法对优先度得分做局部聚类的结果共分为7个级别，99%置信度冷点聚类区(低低相邻)，95%置信度冷点聚类区(低中相邻)，90%置信度冷点聚类区(高低相邻)，无显著性聚类，90%置信度热点聚类区(中中相邻)，95%置信度热点聚类区(高中相邻)，99%置信度热点聚类区(高高相邻)，见图3c。其中低低相邻，低中相邻聚类区划定为不宜进行高标准农田建设的区域，高低相邻、中中相邻聚类区和无显著性聚类区划定为高标准农田建设二级优先区;高中相邻、高高相邻聚类区划定为高标准农田建设一级优先区，一级优先区的优先程度大于二级优先区。

高标准农田建设一级优先区优先度得分为0.185～0.765，平均得分0.585，空间上具有显著高值聚集性，共有网格单元1784个，占网格单元总数的38.4%。主要分布于研究区中部的码头镇、刁窝乡、豆庄乡，西南部部分地区松林店镇，研究区的东北部义和庄乡的西南部。这些区域土壤肥沃，地势较低平，交通便利，并且距离市区较近，经济条件优，是高标准农田建设的理想区域。且该区域耕地空间形态得分等级较高，耕地规整、连片性好，利于大规模机械化作业和集中管理，基础设施完善，多位于农业和经济发达的地区，区位条件好，且耕地质量自然等级中高等地聚集分布，耕地产能高，土地整治难度小，因此优先划入高标准农田建设区域，严格禁止非农建设，在最短的时间内建成高标准农田，保障粮食安全。

高标准农田建设二级优先区优先度得分为0.128～0.749，平均得分0.473，空间上高值聚集性不够显著，共有网格单元1478个，占网格单元总数的31.8%。在空间上主要分布于研究区中部的东仙坡镇、双塔街道办事处、林家屯乡，该区域具有一定的整治潜力，应该根据高标准农田建设方向进行土地整治，从而使高标准农田的范围进一步扩大。但是该区域相比一级优先区，土地整治难度大，需要投入更多的人力、物力和财力，在建设时序安排上应该靠后，可在完成对一级优先区高标准农田的建设后，综合考虑财政支撑和实际需要等进行建设。

高标准农田不宜建设区优先度得分最低，为0.126～0.627，平均得分0.313，共有网格单元1 382个，占网格总数的29.8%。主要分布于研究区西部的东城坊镇、百尺竿镇，和研究区东北部义和庄乡的东部，以及研究区东南部狭长地带。这些区域耕地综合质量较差，集中连片性不高，基础设施不够完善，且耕地自然等指数值较小，立地水平差。因此，该区域土地整治投入大，不宜建设高标准农田。另外，该区域在区位上离市区和重点乡镇较远，比较偏僻，交通不便，短期内可通过发展特色农业，以农户为主，种植经济作物，提高农民经济收入，并注重生态保护，兼顾耕地的生产和生态功能。

图3 高标准农田建设优先区划定Fig．3 Zoning results of construction area of high standard farmland

4 结论

(1)构建了耕地综合质量评价指标体系，客观评价了研究区的耕地综合质量，为高标准农田建设优先区选择提供依据，试验表明TOPSIS方法和热点分析能够科学合理选择高标准农田建设优先区;将网格化方法应用于高标准农田建设优先区选择中，为现代农田管理与监管问题提供一种解决方案。

(2)采用TOPSIS方法，以网格为单元评价了涿州市耕地综合质量，按照得分从高到低划分为5级，综合质量较好的耕地分布在中部地区，较差的耕地分布在西部和东部。

(3)采用热点分析方法对优先度进行局部聚类分析，划分了高标准农田建设一级优先区、二级优先区和不宜建设区。一级优先区分布于中部的码头镇等地区，占区域面积的38.4%;二级优先区分布于中部的东仙坡镇等地区，占区域面积的31.8%;不宜建设区分布于西部东城坊镇等和东部义和庄乡等地区，占区域面积的29.8%。

参 考 文 献

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18 GB/T 28407—2012 农用地分等规程［S］．2012．

19 李鹏山，吕雅慧，张超，等．基于核密度估计的京津冀地区耕地破碎化分析［J/OL］．农业机械学报，2016，47(5):281－287．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20160538＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2016．05．038．LIPengshan，LYahui，ZHANG Chao，etal．Analysis of cultivated land fragmentation in Beijing-Tianjin-Hebei region based on kernel density estimation［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery，2016，47(5):281－287．(in Chinese)

20 陈彦清．网格环境下基于多尺度指标体系的耕地质量评价方法研究［D］．北京:中国农业大学，2015．CHEN Yanqing．Cultivated land quality evaluation method based on multi-scale indicators'system in grid environment［D］．Beijing:China Agricultural University，2015．(in Chinese)

Selection of High-standard Farm land Construction Priority Area Based on TOPSIS and Hotspot Analysis

ZHAO Dongling1HE Shanshan1LIN Shangwei1ZHANG Tingting1YANG Jianyu1，2ZHANG Chao1，2
(1．College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China 2．Key Laboratory for Agricultural Land Quality Monitoring and Control，Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China)

High-standard farmland construction is a strategic deployment to protect the high quality cultivated land and ensure food security．It is a prerequisite for scientific and efficient construction of high-standard farmland to set rational planning of construction sequence and spatial layout．According to the requirements of high-standard farmland construction，firstly，an index system was established to response to cultivated land comprehensive quality．Secondly，TOPSISmodel was chosen to evaluate the high-standard farmland construction priority in the grid environment．Thirdly，hotspot analysis method was adopted to zone high-standard farmland construction priority areas into top priority areas，the secondary priority areas and the unfavorable construction areas．The results showed that itwas suitable to construct high-standard farmland in the central and southwestern areas of Zhuozhou City，where cultivated land site condition and infrastructure condition were better．These areas were zoned into top priority construction areas and the secondary priority areas，with area proportions of 38.4%and 31.8%．Itwas unsuitable to construct high-standard farmland in some township of western and eastern regions．The results can provide scientific guidance for zoning high-standard farmland construction priority areas and indicate the direction of land consolidation．

high-standard farmland construction;priority area;grid;TOPSIS;hotspot analysis

F301.21

A

1000-1298(2017)07-0153-06

2016-10-27

2016-12-27

国土资源部公益性行业科研专项(201511010-06)

赵冬玲(1961—)，女，副教授，主要从事工程测量及航空摄影测量研究，E-mail:zhaodongling@cau．edu．cn

杨建宇(1974—)，男，教授，博士生导师，主要从事3S技术及其土地应用研究，E-mail:ycjyyang@cau．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．019