基于物元模型的高标准农田建设优先区划定方法

赵冬玲 林尚纬 张 瑛 周振旭 杜振博 杨建宇,3

(1.中国农业大学信息与电气工程学院， 北京 100083； 2.台州科技职业学院汽车与信息工程学院， 台州 318020； 3.国土资源部农用地质量与监控重点实验室， 北京 100035)

0 引言

高标准农田建设对发展现代农业、确保粮食安全和促进农村可持续发展具有重要意义，是保障国家粮食安全的必然要求，是推进农业供给侧结构性改革的重要内容[1]，科学合理地划定优先区时序是高标准农田建设的重要前提。2009—2013年连续5个中央1号文件都强调要加快推进高标准农田建设，《全国高标准农田建设总体规划》指出：到2020年，全国建成集中连片、旱涝保收的高标准农田5 000万hm2，每公顷粮食综合生产能力提高1 500 kg以上，其中，“十二五”期间建成2 600万hm2。但是，在我国人口数量持续增多、耕地压力不断加大趋势下，“十三五”期间，我国高标准农田建设面临着更加严峻的挑战，《国土纲要十三五规划》明确指出：大力推进土地整治和高标准农田建设，到2020年经整治的基本农田质量平均提高1个等级，2017年2月8日，国务院常务会议强调：要健全规划、资金等统筹机制，按照集中连片、整体推进的要求，协调开展土地平整、灌排沟渠、田间道路、生态保护等建设。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中提出全面划定永久基本农田，大规模推进农田水利、土地整治、中低产田改造和高标准基本农田建设。由此可见，高标准农田建设在“十三五”时期仍然受到国家的高度重视，而如何科学合理的对高标准农田建设优先区进行划定是其研究的重要基础。

国内众多学者已经从土地整治潜力分析[2-6]、高标准农田建设潜力及区域分布[7-10]、基本农田划定及建设分区研究[11-15]、高标准农田建设规范体系[16-17]等多方面对高标准农田建设进行了研究。综合分析已有成果可以发现大多数研究主要是通过从耕地自然质量、经济效益、社会效益等方面选取多个影响指标，建立一套评价指标体系，根据熵权法[18-19]等进行赋权，采用不同的评价方法计算得到耕地综合质量，进而对其进行分级和分区。然而，这些研究都将重心集中在指标体系计算的综合得分，而忽略了结果的真实性和准确性，缺乏对评价指标限制程度的分析，例如在生产实践中，地方政府和耕地管理部门在高标准农田建设优先区划定过程中，为了达到预期数量目标，忽略耕地质量的本质和农田建设的限制条件，从而导致划定的高标准农田出现了部分区域地形破碎、整治难度大、质量不达标等情况。

本文以河北省涿州市为例，通过构建高标准农田建设条件评价指标体系并依此划分建设条件等级，同时通过物元模型等对影响高标准农田建设的限制因子条件进行关联度综合计算，根据计算结果划分隶属度和统计限制因素等级及个数，并与建设条件等级进行叠加对比分析，从而得到最终优先区划分结果。

1 研究区域概况与数据

1.1 研究区域概况

河北省涿州市位于河北省中部，保定市北部，太行山东麓平原，经纬坐标范围分别是：115°44′～116°15′E、39°21′～39°36′N，东西相距36.5 km，南北相距25.5 km，总面积742.5 km2，人口59.4万；境内地形总体特征是西高东低，全境地处太行山前倾斜区，由西北向东南倾斜，全市地势平坦，起伏较小；大陆性季风气候特点显著，属暖温带半湿润季风区，四季分明，年平均降水量547.3 mm。市内河流较多，有永定河、白沟河、小清河等，属海河流域，大清河水系；2014年全市耕地共分为8个国家级自然质量等别，为8～15等，其中水田469.45 hm2、水浇地36 991.36 hm2、旱地8 106.53 hm2。《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划定研究具有较强的代表性和象征性。涿州市地理位置如图1所示。

1.2 数据来源及处理

图1 涿州市位置图Fig.1 Position map of Zhuozhou City

研究数据主要包括：2014年涿州市1∶10 000耕地质量等别数据；涿州市土地利用现状数据和部分行政区边界数据，主要用来计算道路、沟渠等距离耕地图斑的通达度；《涿州市土地利用总体规划(2010—2020年)》、《河北省涿州市2014年度耕地质量等别年度更新评价分析报告》、GB/T 28407—2012《农用地质量分等规程》(以下简称《规程》)[20]、林业部门统计数据等辅助分析资料；涿州市2014年统计年鉴。

为确保数据的真实性、有效性和一致性，首先检查数据来源及格式，以及数据属性表是否完整；其次进行计量单位的统一和规范，并进行地图投影和坐标转换等操作；分类提取线状地类数据中的道路以及沟渠等作为后续指标计算的基础数据。

2 研究思路与方法

2.1 研究思路

以网格为评价单元具有打破行政单元约束、易于空间定位、提高信息检索与更新效率、切实反映耕地综合质量状况，相对更加准确，指标获取和衡量相对容易等优点[21]，因此本文利用ArcGIS 10.2中的生成渔网功能，选择1 km×1 km尺度进行网格单元划分，将耕地图斑和线状地类进行相关叠加分析，最后涿州市共划分为838个网格单元。TD/T 1033—2012《高标准基本农田建设标准》中提到：高标准农田建设是以建设高标准基本农田为目标，在本区域开展的土地整治活动，建设内容主要包括土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程、农田防护与生态环境保持工程以及其他工程等[1]。因此本文严格按照标准中提到的建设要求与内容，以评价分析研究区高标准基本农田建设条件和按照建设内容选取评价指标、查找限制因素两方面为出发点，首先选取平均自然等指数、灌溉保证率、排水条件、道路通达度、耕地面积比、分维数、景观破碎度、防护林比例8个指标构建高标准农田建设条件评价指标体系，利用AHP法[22]对各指标赋权，通过计算综合评价得分分析涿州市高标准农田建设条件情况，并进行等级划分；其次，利用物元分析[23-25]法，对耕地立地条件、基础设施条件、空间布局条件、生态保护条件4个限制因素进行物元分析计算，评价各单元的隶属度，根据隶属度高低划分等级，通过因素组合法统计所有单元的限制因素等级个数组合，并将统计结果与高标准农田建设条件等级进行叠加对比分析，进而确定最终的高标准农田建设优先区。具体研究流程见图2。

图2 研究流程图Fig.2 Flow chart of study

2.2 构建评价指标体系

首先严格按照高标准农田建设标准要求中提到的地面坡度大于25°的区域为禁止区域，对研究区进行坡度分析，结合研究区实际情况，涿州市耕地起伏较小，因此忽略地形坡度方面的因素。其次，综合考虑影响高标准农田建设条件的各类影响因素，尽量弥补前人研究中评价指标体系遗漏以及剔除冗余的指标。标准中提到：全国农用地质量分等成果中的优等、高等、中等级耕地是高标准农田的重要组成部分，因此本文的耕地立地条件通过选取平均自然等指数这一指标进行评判；空间布局条件通过选取耕地面积比、分维数两个指标进行表征，依次反映建设区的土地利用结构与地块形状复杂度；高标准农田须具备建设必需的水利、交通等骨干工程设施，同时还需耕作条件便利，耕作距离适中，本文选取灌溉保证率、排水条件、道路通达度3个指标反映田间基础设施建设条件；农田防护与生态环境保持工程也是高标准农田建设内容之一，本文的生态保护条件包括景观破碎度和防护林比率，综合反映生态环境和抗灾能力大小；然后利用AHP法计算各指标权重，结果如表1所示。

表1 涿州市高标准农田建设条件评价指标体系及权重Tab.1 Evaluation index system and weight of high standard farmland construction conditions in Zhuozhou City

2.3 指标计算及优先区等级划定

2.3.1耕地立地条件

由于耕地立地条件代表了耕地的自然禀赋属性，耕地整体质量越高，越有利于高标准农田建设，已有的耕地自然等别数据能很好地反映每个地区的耕地自然质量，因此本研究选取涿州市耕地自然等别数据，采用面积加权法计算每个评价单元内的平均自然等指数，以此反映耕地自然条件的高低。计算公式为

(1)

式中Ti——地块i的平均自然等指数

n——评价单元内的地块数量

Si——地块i的面积，m2

Ri——地块i的自然等指数

2.3.2基础设施条件

灌溉保证率T2：参照涿州市农用地分等数据、统计年鉴及灌区分布图、水井有效控制灌溉面积等，依据充分满足、基本满足、一般满足、无灌溉条件，对每个地块进行相应的指标分值打分，并进行数据标准化处理，采用面积加权法计算每个评价单元的平均得分。

排水条件T3：根据线状沟渠数据，通过ArcMap10.2中ArcToolBox工具的近邻分析功能，计算每一地块和周围沟渠的最近距离，以此表征农田的排水条件高低，距离越近，排水条件越好，计算公式为

(2)

式中Di——地块i到最近沟渠的距离，m

道路通达度T4：此指标是影响田间基础设施的重要影响因素，本文根据每一地块到农村道路的最近距离表达，借助上述近邻分析功能计算，距离越近，道路通达度越高，以此表征农田的道路通达情况。

2.3.3空间布局条件

耕地面积比T5：耕地面积直接影响高标准农田建设的资金投入以及建设方式选择，本文通过统计每一评价单元内耕地面积占比来综合反映耕地面积比。

(3)

式中A——评价单元的面积，m2

分维数T6：分维数描述耕地田块形状的复杂程度，其值越大，说明形状越复杂，T6越小，代表越有规律、几何形状趋于简单，形状越简单的田块对高标准农田建设越有利。

(4)

式中Ai——田块i的面积，m2

Li——田块i的周长，m

2.3.4生态保护条件

景观破碎度T7：景观破碎程度高低不仅反映地块破碎化程度，而且破碎度高的地块生态性脆弱，直接影响了农田的抗灾能力。

T7=n/A

(5)

防护林比率T8:防护林密度高的地区能明显增强农田抵御自然灾害的能力，改善生态景观，提高粮食生产保障能力。

T8=F/A

(6)

式中F——评价单元内的防护林面积，m2

2.4 物元模型

物元的概念是将事物的质和量完美的结合在一起，当可拓集合的元素是物元时，构成的可拓集合就是可拓物元集，在可拓物元集上建立的模型就是物元模型。本文利用物元模型对影响高标准农田建设的4个条件进行分析，通过计算关联函数确定各评价单元的隶属度，根据隶属度高低划分各评价单元等级。具体计算过程如下：

(1)建立待判物元矩阵

给定事物的名称M、特征C及特征向量X，以有序三元组R=(M，C，X)作为描述该事物的基本物元。如果该事物有多个特征，M以n个特征C1，C2，…，Cn和相应的向量X1，X2，…，Xn来描述，则可表示为

(7)

式中R——待判物元矩阵

(2)确定经典域矩阵和节域矩阵为

(8)

(9)

式中Rp——经典域矩阵MP——评价等级

RB——节域矩阵B——全体评价等级

apn——特征Cn对应经典域矩阵的最小值

bpn——特征Cn对应经典域矩阵的最大值

aBn——特征Cn对应节域矩阵的最小值

bBn——特征Cn对应节域矩阵的最大值

(3)确定关联函数，计算关联度为

(10)

其中

(11)

(12)

式中ρ(X,X0)——点X与待判物元R的经典域区间距离

ρ(X,X1)——点X与待判物元R的节域区间距离

Kj(Xi)——待判物元R各指标关于各评价等级的归属程度，并以此数值的大小来确定该物元的等级，关联函数的值域为(-∞，+∞)

若Kj(Xi)=maxKj(Xi)(j=1，2，…，m)，则待判物元第i个指标隶属于等级j。

(4)计算综合关联度并确定等级

(13)

式中wi——对应指标Ci的权重

Kj(Mi)——土地利用系数指标单元关于等级j的综合关联度

若Kj(Mi)=maxKj(Mi)(j=1，2，…，m)，则Mi属于等级j。

2.5 限制因素等级修正

通过建立高标准农田建设条件评价指标体系计算综合得分并划分等级的方法存在一定的误差和局限性，比如等级划分依据不合理、缺乏对限制因素的考虑等情况，因此本研究从限制条件的限制程度角度对高标准农田建设条件评价等级结果进行二次修正。即以2.4节中物元分析结果为基础，通过统计分析每一评价单元4个准则层建设条件中1级、2级、3级的个数，其中1级代表建设条件为高限制性，2级代表建设条件为中等限制水平，3级代表低限制性水平，采用限制因素组合法，按照顺序对个数进行组合，如表2所示，“004”表示评价单元4个建设条件中包含0个高限制条件，0个中限制条件，4个低限制条件，从而依据评价单元内各限制因素占高、中、低限制条件的个数并结合建设条件评价等级进行涿州市高标准农田建设优先区最终划定，具体划分规则如表2所示。

表2 优先区划定规则Tab.2 Rule of priority area delimit

3 结果与分析

3.1 建设条件等级划分

通过ArcGIS 10.2中的FishNet工具创建网格，并经网格和耕地数据的空间连接、空间叠加，依据表3所示的指标赋分规则进行打分，根据建设条件综合得分，采用自然间断点法将涿州市高标准农田建设条件等级由低到高依次划分为1级、2级、3级3个等级，等级分值区间分别为[48，64)，[64，80)，[80，92)，空间可视化结果如图3所示。

表3 评价单元赋分规则Tab.3 Rule of evaluation unit value

3.2 物元分析计算

通过对耕地立地条件、基础设施条件、空间布局条件、生态保护条件这4类综合指标进行物元分析计算，经典域矩阵和节域矩阵设置为

图3 建设条件等级分布Fig.3 Grade distribution map of construction conditions

然后按照式(10)～(12)进行综合关联度计算，并对结果进行等级划分，结果如表4所示。

3.3 限制因素等级修正

根据3.2节计算结果，对涿州市838个评价单元的立地条件、空间布局、基础设施、生态保护4个限制因素进行分析，分别统计每个单元隶属于1级、2级、3级不同限制程度等级的因素个数，例如表4中的评价单元1：生态保护条件等级为1，空间布局条件为2，耕地立地条件和基础设施条件均为3，则1、2、3级(高、中、低)个数分别为1、1、2。

表4 高标准农田建设条件限制等级组合Tab.4 Restricted level combination of high standard farmland construction conditions

然后统计得到所有单元的限制因素等级个数组合，经统计，涿州市限制因素等级个数组合一共有14种类型，如表2所示，其中004、013、022、031、040高限制因素均为0个，说明开展高标准农田建设难度不高，应优先考虑进行划定，301、310高限制因素均为3个，代表建设难度较大，应最后考虑。最后，结合限制因素等级个数情况和建设条件评价等级两方面考虑，经修正后的涿州市高标准农田建设优先区划定结果如图4所示。

图4 涿州市高标准农田建设优先区分布图Fig.4 Distribution map of high standard farmland construction priority area in Zhuozhou City

为了将最终划分结果落实到耕地图斑上，本文通过ArcGIS 10.2中的分类导出数据、叠加分析等操作，通过一一对应关系，将评价网格单元内的耕地图斑按照面积占优法、坚持保留图斑原始边界的原则分别赋以相应的等级，最后显示结果如图5所示。

图5 优先区图斑等级分布图Fig.5 Grade distribution plaque map of priority area

3.4 优先区结果分析

优先划入区是涿州市整体建设条件最佳区域，建设条件综合得分在80以上，总面积8 008.72 hm2，占涿州市耕地总面积的17.58%。主要分布在涿州市自东北向西南一带，涉及码头镇、刁窝乡、豆庄乡北部、松林店镇地区，这些地区耕地自然质量等别高、田块连片性好、耕地产能优良，围绕在涿州市中心城镇周边，交通便利，经济条件优越，建设条件均为最高级别(3级)，且限制因素以低限制水平为主，无高限制性因素，相对于其他地区来说进行土地整治工程所需投入少且难度低，收益持续稳定升高。因此该地区应优先划定为高标准农田建设区，严禁非农建设，加大对其保护力度以确保粮食安全。

适宜调入区分布范围较为广泛，主要分布在百尺竿镇东部、东城坊镇、义和庄乡西部、刁窝乡以及涿州市南部大部分地区。该地区耕地自然本底质量较高，且灌溉排水、道路通达度等田间基础设施完善，建设条件得分在64～92之间，具有理想的高标准农田建设条件基础，且限制因素以中低限制水平为主，部分地区有1个高限制因素，稍加整治就可达到高标准农田标准，该地区总面积22 145.34 hm2，占涿州市耕地总面积的48.60%，不仅占地面积多而且分布较为集中，利于大规模机械化和规模化生产，同时在空间分布上与优先划入区紧密相邻，具备连片开发建设的基础，可通过自上而下全方位的开展高标准农田建设条件改进工程，主要开展集中连片工程、修复老旧设施、增加防护林提高耕地生态环境和抗灾能力等为主，与已划定的高标准农田区形成设施配套一体化、高产稳产的建设格局。

土地整治重点地区总面积为14 907.20 hm2，占涿州市耕地总面积的32.70%，分布相对集中，主要以百尺竿镇、东城坊镇为主，此外义和庄乡以及其它乡镇少有分布，这些地区耕地自然等别较低，与东部具有明显的差距，且基础设施老旧、损毁严重，地势较高，水资源短缺，生态环境脆弱，抗灾能力不足，建设基础条件较差，且大部分有1或2个高限制性水平因素，土地整治难度相对较大，但面积相对较多，是土地整治高难度地区，可以在建设完适宜调入区之后，进行基础设施、资金、人力、物力等基础投入，充分调动农村集体经济及组织和农民的积极性，整治和保护协同并进。

后备调控区耕地面积共506.10 hm2，占涿州市耕地面积的1.12%，主要分布在东城坊镇北部以及其它涿州市边缘地区，这些地区不仅建设条件综合得分较低，平均在60分以下，而且限制因素条件大于等于3个，土地整治投入大，不适宜进行高标准农田建设。随着城市未来发展建设速度的加快，该地区耕地稳定性持续下降，极易被占用。因此该区域可作为后备开发区，可考虑作为其他建设用地开发对象。

4 结论

(1)以网格为评价单元对涿州市进行了高标准农田建设条件评价，打破了行政边界的限制，通过网格计算影响高标准农田建设条件的评价指标使计算结果更加客观合理，并且将最后优先区划定结果落实到耕地图斑上，可视化效果更为直观、逼真。通过引用物元模型对影响建设条件的因素进行限制因素等级个数组合分析，并将分析结果应用到优先区时序划分上，建设条件综合得分结合限制性因素难度个数组合的划分优先区方法，使耕地数量、质量、生态以及整治难度4个特性结合在一起，使划分结果更加科学合理。

(2)涿州市高标准农田建设条件整体较高，其中适宜划定为高标准农田建设区(优先划入区和适宜调入区)的面积之和占了涿州市耕地总面积的66.18%，耕地自然质量以及田间基础设施、空间布局、生态保护等条件均处于中上水平，优先区等级呈现中部高、四周偏低，东部南部高、西部低的规律。其中优先划入区以中等生态条件限制因素为主，今后应在现有优越农田质量的基础上加强环境保护和生态建设工程为主，促进可持续发展；适宜调入区以高限制生态保护条件和中高限制空间形态、基础设施条件为主，该区域应继续加强防护林等生态保护工程，同时翻新破旧基础设施，进行复杂地块的外形规整、连片建设工程等；重点整治区空间形态、基础设施、生态保护条件均为高限制性，可进行土地综合整治，力争提高整体建设条件和质量；后备调控区均为高限制因素，可结合土地利用规划进行适宜开发和建设，为其它地区提供资源后备存储。

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