RS与GIS在基本农田布局优化中的应用

刘彦文，周 霞，韩冰华，陈 志，陈锐凯

(湖北科技学院资源环境科学与工程学院，湖北咸宁 437100)

农田是粮食作物生产的主要阵地，是一种不可替代的不可再生的自然资源[1]，农田利用的转变引发了人们对粮食安全的担忧[2]。国外很多学者对耕地和重要农地保护必要性、政策变化、规划制定、保护方法等方面进行了诸多研究[3-7]。国内农地保护意识的觉醒始于1978年，但直到1986年耕地作为一项基本国策被第一次明确提出后才开始了真正意义上的立法保护[8]。1999年实施的《基本农田保护条例》中明确要求，各级人民政府在土地利用总体规划中必须明确基本农田保护的布局安排、数量指标和质量要求。同年实施的《中华人民共和国土地管理法》第四章“耕地保护”第三十一条明确严格控制耕地转为非耕地、非农建设占用的按数量和质量相当的原则进行开垦补偿。但根据中国国家统计局(National Bureau of Statistics of China，2010)和文献[2]公布的数据统计：自1979年至2008年，耕地仍然减少2 282万hm2，其中缺乏科学有效的保护方法是耕地持续减少的一个重要原因。为了有效保护耕地与农田，国内有关学者结合土地评价理论[9]、LESA综合评价体系[10-11]、小波理论[12-13]、人工免疫系统[14]等，采用遥感与地理信息技术，从耕地的自然条件、连片性等角度出发，选择质量等别、坡度坡向、道路通达度、水利设施状况以及与相邻土地利用类型的适宜性等因素作为评价指标[15-18]，对农田土地利用变化、遥感动态监测、基本农田划定及布局优化、数据库建设等进行了相关研究[19-21]。基本农田作为耕地的重要组成部分，如何选择合适的耕地作为基本农田涉及到诸多因素，已有文献多注重划定方法的理论研究，笔者从工程化应用角度出发，探讨了RS与GIS技术在基本农田布局优化中的应用。

1 材料与方法

1.1研究区概况嘉鱼县位于湖北省东南部、长江中游南岸，地理坐标为113°39′～114°22′E，29°48′～30°19′N，地处江汉冲积平原，属副热带湿润季风气候，日照充足，雨量充沛，土地肥沃，全县辖8个乡镇1个农场，2013年总人口37.07万，是长江经济带重要开发区之一，也是国家食品安全示范县和全国首届国土资源节约集约模范县。地势自西南丘岗向东北平原交迭过渡，总体海拔较低，大部分在19～50 m，全县大体形成“一山三水四分田，两分道路与庄园”的地貌格局。近年来，嘉鱼县嘉鱼农业种植发生了很大的改变，农民由单一种粮迈向粮菜瓜果交织、多季多种种植，其中蔬菜和瓜果的种植与经营形成规模，成为特色，享誉全国。

1.2数据来源数据来源主要包括遥感数据平台下载、国土部门提供和图书馆查阅等，收集的资料主要包括研究区社会经济数据、自然环境数据、土地利用数据、卫星遥感数据以及Google Earth影像合成加工数据。获取方式包括向有关部门搜集和购买、通过文献综合研究等手段收集和整理，以及通过实地考察与调研进行资料分析判断与综合取舍。通过与已有相关数据、互联网收集资料等进行交叉验证，以检验数据来源的真实可靠性。

1.3研究方法收集原有的相关遥感影像资料和现成地类资料成果，以遥感技术为主要手段，利用多时相的卫星遥感资料，根据地类的可解译程度，对工作区的土地利用类型进行监督与非监督分类解译。在DEM上提取坡度、坡向、流域水系等相关数据，对解译出的地类与上述信息进行叠置分析，初步判断最适宜的农田布局。对土地利用总体规划库、土地利用现状数据库、基本农田基期数据库综合分析提取的基本农田边界，将此边界与最适宜耕地布局进行空间叠置分析，人工目视划定最终基本农田分布(图1)。

图1 技术路线Fig.1 Technical route

2 结果与分析

2.1遥感数据处理结果对Landsat OLI多光谱数据进行图像增强、几何校正、矩形裁剪，采用5×5滤波处理消除微地形、地物阴影、地貌差异以及成像过程等在遥感影像上造成的噪声，再进行辐射校正与大气校正，大气校正参数设置为single scale factor：1，研究区平均高程为0.028 km，从ENVI自带OLI光谱库中制作多光谱对应波谱曲线库LC8MultilSli.sli。依据《土地利用现状分类》标准，将土地利用类型分为草地、林地、耕地、建设用地、水域和其他6种类型，分类结果见图2A，表1是对分类信息的统计，由地理空间云获取研究区DEM数据，将研究区坡度分为≤2°、>2°～6°、>6°～15°、>15°～25°、>25° 5个坡度级，生成研究区坡度见图2B，对应坡度统计见表2。

注：A.OLI数据解译结果；B.坡度分布Note：A.OLI data interpretation results；B.Gradient distribution图2 遥感数据处理结果Fig.2 Remote sensing data processing results

土地类型Soil type编码Code像元数The number of pixel像元累积The cumulative pixel百分比Percent∥%累积百分比Cumulative percent∥%草地Grass191 28091 2808.048.04耕地Arable land2249 054340 33421.9429.98建设用地Construction land3104 605444 9399.2239.20林地Woodland4373 632818 57132.9272.12水域Water area5237 6471 056 21820.9493.06其他Others678 7921 135 0106.94100

表2 坡度统计结果

由表1可知，在地类构成中，林地占比为32.92%，比重最大，由图2解译结果可知主要分布在县域西南角，县域西南角在坡度图上起伏明显，该区是县域内主要的丘陵分布区，常年有大量植被覆盖，耕地与水域分别排在第二位和第三位，占比分别为21.94%和20.94%，耕地成连片状，自县域中部延伸分布至东北角，该区地势低平，平均坡度在6°以下，是全县主要的粮食作物和蔬菜主产区。长江水域自县域西侧由北向南贯穿始终，斧头湖、西凉湖紧邻其右，蜀茶湖、三湖连江水库、蜜泉湖、大岩湖等主要湖泊水库星罗分布期间，为便捷灌溉提供了根本保障。

2.2基本农田布局优化

2.2.1基本农田布局优化流程。基本农田划定以二调基本农田上图成果为基础，套合新一轮土地利用总体规划基本农田保护区范围，先确定基本农田基期边界，再将基本农田基期边界与遥感影像上解译坡度信息、土地利用分类信息、Google Earth人工解译的路网信息等进行叠加分析，评价基期基本农田划定的合理性。运用解译信息等对基期划定结果进行布局优化，划定基本农田保护布局初步方案，通过数据库导出全县及分乡镇汇总面积，将该套数据与全县及各乡镇基本农田保护数量指标进行对比，确定基本农田补划数量；最后根据外业底图调查结果，在ArcGIS中确定最终调入地块、调出地块和继续保留为基本农田地块的空间位置、面积、地类、质量等级等现状信息，优化生成最终成果。

2.2.2基本农田调出分析。嘉鱼县调出的基本农田主要优先考虑由于自然原因(如旱、涝)不能继续作为基本农田的地块、由于地类改变不适宜作为基本农田的地块等多个方面。例如，现状用途为坑塘、林地、村庄等的地块，共调出地类图斑51个。丘陵地区基本农田调出主要是由于地类改变所致，以陆溪镇、高铁岭镇最为典型。滨湖地势较低的地区，湖区水位的季节性变化使得土地不适宜作为基本农田，进而将土地利用类型规划为水塘；丘陵坡地地势较高的地区，交通水利设施不健全，且分布零星，进而将土地利用类型规划为林地。嘉鱼县平原地区基本农田调出主要是由于建设用地占用、二调地类调绘错误，以新街镇、高铁岭镇最为典型。为了保证城镇后备用地的储备，促进当地经济的长远发展，对部分城镇周边的土地做出了置换，保证等质等量对换、增减达到平衡。嘉鱼县在“各乡(镇)2010—2020年土地利用总体规划”划定的基本农田的基础上，共调出基本农田23.62 hm2，其中村庄为1.42 hm2，公路用地为9.13 hm2，果园为1.47 hm2，旱地为0.01 hm2，建制镇为1.47 hm2，坑塘水面为5.95 hm2，其他林地为3.98 hm2，有林地为0.21 hm2。

2.2.3基本农田调入分析。为了保证基本农田“数量不减少、质量不降低”，就要调入一部分质量较高的耕地。依据集中连片、质量由高到低基本原则，调入的基本农田全部为质量等级较好的耕地，如现状为良好的水田、旱地等。基本农田调入区优先安排在已实施完成的土地开发整理项目区域内，数量不够时则安排在交通便利、灌溉设施较齐备的城镇扩展区外围，以保证嘉鱼县基本农田从分布区域到耕作质量都更趋于合理和提高。数量方面在保证调出调入平衡的基础上，部分村镇调整后的基本农田面积有所增加。全县在“各乡(镇)2010—2020年土地利用总体规划”划定的基本农田的基础上，共调入地类图斑47个，调入基本农田139.18 hm2，其中水田为41.56 hm2，水浇地为89.69 hm2，旱地为7.92 hm2。

2.3基本农田优化面积对比分析嘉鱼县基本农田基期面积为25 696.52 hm2，新一轮规划修编下达的保护指标为25 435.03 hm2，优化前基本农田划定面积为25 478.35 hm2。调出基本农田面积为23.62 hm2，全部从非耕地中调出；调入基本农田面积为139.18 hm2，一般耕地占调入面积的比例为100%，因此，基本农田上图面积最终为25 593.90 hm2，略高于本轮规划确定的基本农田保护目标。

2.4基本农田优化质量对比分析变动地块质量首先要满足现状库质量等别统计要求，但已有相关成果中划劣不划优等现象排除不易，该研究运用变化地块同地类面积差值进行衡量，减少说明质量下降，增加说明质量上升。嘉鱼县基本农田优化过程中，调出的基本农田中无耕地，而调入的基本农田全部为耕地，其中水田占40.45%，水浇地占51.92%，旱地占7.57%，该次基本农田优化净调入耕地139.18 hm2，参照嘉鱼县农用地分等技术报告，因补划的基本农田都是优质耕地，优化后的基本农田平均质量等别高于优化前的平均质量等别(表3)。

表3 基本农田优化质量对比情况

2.5基本农田优化地类构成分析从基本农田构成上看，优化前基本农田面积为25 478.35 hm2，其中耕地面积为25 429.05 hm2，占基本农田面积的99.81%(表4)，其他农用地面积为47.61 hm2，占基本农田面积的0.19%。在耕地中，水田占48.32%、水浇地占39.81%，旱地占11.87%。调整后基本农田面积为25 593.90 hm2，其中耕地面积为25 561.36 hm2，占基本农田面积的99.87%，其他农用地面积32.54 hm2，占基本农田面积的0.13%。在耕地中，水田占48.32%、水浇地占39.81%，旱地占11.87%。调整后的基本农田中耕地所占的比重有所提高，该次基本农田调整中，无基本农田调出，除了官桥镇、鱼岳镇、簰洲湾镇无基本农田调入外，嘉鱼县其他5个镇均有不同规模的耕地调入，尤其以渡普镇和潘家湾镇调入的基本农田面积最多，分别调入为20.87和92.93 hm2。

表4基本农田布局优化地类构成变化分析

Table4Analysisonchangeofcompositionofbasicfarmlandlayoutoptimization

地类Land type占比Proportion∥%优化前Before optimization优化后After optimization耕地Arable land99.8199.87园地Garden00其他农用地Other agricultural land0.190.13

2.6基本农田调布局优化集中连片性分析优化前基本农田布局比较分散，主要分布在嘉鱼县东南部地势较平缓、水利设施完善的平原地区和西北部地区，在全县西南部地区和中南部地区，因自然条件和灌溉条件差、土地利用率低，基本农田分布较少，集中连片程度总体不高。优化后删除了面积较小的零星像元213个(多分布在丘陵区)，基本农田布局得到改善，补充的像元主要分布在鱼岳镇以北的地区，基本农田总体集中连片程度有所提高(图3)。

图3 基本农田分布Fig.3 Basic farmland distribution

3 结论与讨论

在RS与GIS支持下，利用土地利用现状数据库、土地利用总体规划数据库和基本农田划定专题数据库中提取的基本农田保护边界进行空间叠加分析，以工程化应用为基础，结合自然生态特点与人文社会发展，进行了嘉鱼县基本农田划定与布局优化，优化后研究区共划定基本农田保护区1 748个，基本农田保护片(块)2 281个，保护图斑11 617个，面积25 593.90 hm2，经现场调查核实，所划成果与实地现状一致吻合。

我国目前对基本农田的划定，主要是上级对下级按照一定的比例将基本农田指标分解到各个省、市、县、乡镇，由于经费有限、时间紧迫等主客观方面的原因，为了完成上级下达的目标并按时完成划定任务，基本农田划定过程中的实地调研等环节往往强度不足，具体划定时未经过全面细致的调查思考就将现有耕地中的绝大部分划为基本农田。这可能

存在确实把较为肥沃作物产量较高的土地划为基本农田，但也存在将类似丘陵、易旱易涝等不适合作为基本农田的地块划入其中的情况，用统一的基本农田划定数量来要求全部的地区是不科学的，在一定程度上也致使基本农田的保护往往有名无实。具体划定过程中人为因素影响较大，基本农田首先是耕地，但耕地不可能全部是基本农田，决策层一般给出发展战略导向，具体划定时由于笼统的战略导向缺乏工程化具体步骤支持，在保证数量的前提下，空间定位选择随意性较大。草率划定使区域发展短期内的部分利益可以有效满足，但对区域的可持续发展不利。深入挖掘遥感数据的潜在信息，利用时序遥感数据蕴藏的物候信息、NDVI及其他植被指数与土地利用的关联信息等，制定土地质量客观性衡量指标与工程性步骤化优化方法，为后续提升基本农田保护质量、建设高层级的高标准农田区提供参考。

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