基于GIS的耕地地力評價

張志宏，任 晶

(1.內蒙古大學環境與資源學院，內蒙古呼和浩特 010000；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 610003)

基于GIS的耕地地力評價

張志宏1，任 晶2

(1.內蒙古大學環境與資源學院，內蒙古呼和浩特 010000；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 610003)

基于GIS平臺，運用其空間分析功能采用模糊柵格疊置方法進行耕地地力評價。采用層次分析法確定評價指標權重，模糊數學方法確定指標隸屬度，加權求和模型計算耕地地力綜合指數，最終得出耕地地力綜合指數最大值最小值，利用等間隔法將綜合指數分為4級，并對評價結果進行可視化。評價過程是GIS技術方法在農業領域的成功運用，彌補了矢量過程存在的評價單元大小差別太大導致疊加誤差大，計算地力綜合指數需要在其他信息系統中進行或另外編程實現的缺陷。

耕地地力評價；柵格數據；GIS

1 研究綜述

近年來，我國耕地質量和面積都不斷下降[1]，耕地資源已成為關系國民經濟持續發展的重要的限制因素，如何利用好現有耕地，使其實現高產、可持續發展是關系國計民生的重大課題[2]。國內外存在不少利用GIS手段進行土地方面的工作，第一個土地評價系統是從土壤的特征出發進行耕地潛力評價[3]，之后遙感技術的發展使土地評價走向定量化、計算綜合化、精確化[4]，且評價由一般目的走向特定目，研究方法也更實用化[5]。Davidson.D.A[6]、V.J.Kollias[7]、T.R.Nisar Ahamed[8]等在GIS技術支持下用模糊數學方法進行了一系列土地評價。1984年農業部建立了土地地力評價數據庫[9]，之后耕地評價研究向綜合化、多元化、定量化等方向發展[10]。2006年建立起了各類型區耕地等級范圍及基礎地力要素指標體系，旨在利用“3S”技術為農業資源的合理布局與可持續發展提供技術支持。

以往多數學者是將矢量圖疊加，以疊加產生的圖斑為基礎劃分評價單元，之后再與其他柵格圖疊加進行耕地地力評價。由于研究區的面積很大，不同類型的矢量圖疊加產生的評價單元圖斑太多并且大小不一，與其他柵格圖疊加時，誤差比較大；耕地地力綜合指數的計算要通過其他信息系統或另外編程實現，評價單元的管理也比較復雜。基于GIS的空間分析功能，采用模糊數學方法和柵格疊置方法進行耕地地力評價，由于評價單元一致便于管理，且參評指標不完全是定量指標，采用模糊數學方法進行定量化，在GIS軟件中建立模型來進行評價，具有可行性。

2 基于GIS的耕地地力評價

2.1 柵格疊置分析 柵格圖層疊置分析是利用某種計算模型對不同柵格圖層相同位置的像元值進行計算，得到新的柵格圖層[11]。耕地地力評價也是用多個因素圖層來進行評價，采用加權求和模型計算耕地地力綜合指數，參與模型計算的具體圖層指標由專家給出。層次分析法是一種進行系統分析的數學工具，在耕地評價這個復雜系統過程中被用來確定不同參評指標的權重。模糊數學方法是用來對模糊事物進行定量化的方法，這里用來確定評價因素不同值對應的隸屬度。

2.2 研究區情況與評價指標體系的建立 研究區位于陜西關中平原西部，總面積超過1 000多km2，地區地形總體上為北山南塬，土地資源豐富，屬半濕潤、半干旱暖溫帶季風氣候。以該縣土地利用等圖件、第二次土地調查及政府相關部門的文字、統計資料、實地采樣數據為實驗數據來進行評價工作。

由省、市、縣農業方面專家組根據當地實際情況，據對耕地地力影響較大等原則且在全國耕地地力評價指標體系框架下投票選取了14個因素建立起當地耕地地力評價指標體系(圖1)。

圖1 耕地地力評價指標體系

2.3 指標權重及隸屬度的確定

2.3.1 指標權重計算。根據層次分析法給出準則層A相對于目標層Z和指標層B相對于準則層A的對比較矩陣，由矩陣的權向量計算出每個因素組合權重。當矩陣一致性檢驗均通過時，說明權重分配是合理的。由此方法得出所有指標的權重(表1)。

表1 評價因素組合權重計算結果

2.3.2 隸屬度確定。由專家給出數量型指標的隸屬度評估值，由此擬合出隸屬函數，用來計算隸屬度。隸屬函數有3種類型，戒上型、直線型，概念性。有機質、堿解氮等養分指標與耕地地力之間的關系是戒上型，而海拔、坡度與耕地地力之間的關系是線性的，坡向、地貌類型、灌溉能力、土壤構型、農田基礎設施、質地、土體構型的隸屬類型為概念型。概念型指標隸屬度由專家打分直接給出。戒上型和直線型由隸屬函數計算出隸屬度。戒上型隸屬函數表達式為：

以有機質為例，其隸屬函數為：Y=1/[1+0.017 653×(ui-c)2]，其中c=24.373 04。

2.4 數據庫建立及數據預處理

2.4.1 數據庫建立。評價數據庫的建立在ArcGIS中進行，耕地評價涉及十幾種圖件，數據量較大，ArcGIS為其提供良好的存儲管理及運算平臺。

2.4.2 數據預處理。評價中養分柵格圖采用點位圖進行克里金插值得到；海拔、坡度、坡向柵格圖由DEM生成；質地、土壤結構、剖面構型是依不同土屬而定，因此將土壤柵格圖重分類得到這幾個指標的柵格圖；灌溉能力、基礎設施配備隨著地貌類型的不同而不同，由地貌類型柵格圖重分類得到這兩個指標柵格圖。計算綜合指數時的柵格值為指標的隸屬度，養分指標的隸屬度得出需要根據隸屬函數在ArcGIS中進行柵格計算得到；海拔、坡度的隸屬函數類型為線性，在軟件中進行線性變換可得其隸屬度；其他概念型指標在獲取柵格圖的重分類過程中直接將新值重分類為專家給出的隸屬度即可。

2.5 基于ArcGIS的實現過程及結果可視化 由“2.4.2”可得到所有參與評價的指標的柵格圖層如圖2(由于版面有限不一一列舉所有圖層)。每個柵格圖經過柵格計算或重分類將柵格值變為指標值對應的隸屬度，之后進行綜合指數的計算，這2個過程都通過ArcGIS的建模工具建立模型來進行，計算模型見圖3。

圖2 各評價指標的柵格圖層

圖3 耕地地力綜合指數計算模型

計算結果的綜合指數分值為20～80，采用等間距來進行等級的劃分，制作評價結果專題圖。專題地圖主要有7種表示方法，在這里采取質底法來表示不同耕地地力等級的空間分布，遵循專題地圖的圖面配置原則設計地圖符號、圖例、注記、說明等。由于ArcGIS自帶的地圖符號不是很理想，采取系統本身圖形編輯功能對符號進行二次設計，制作的耕地地力等級專題圖如圖4。

圖4 耕地地力等級專題圖

3 結語

研究采用GIS的空間分析技術對地處黃土高原地貌復雜區的某縣進行了耕地地力評價，最終得出了該縣的耕地地力綜合指數，采取等間隔法將地力等級分為了4級(不同分級方法有著不同的結果)，據此可以統計不同等級耕地面積。利用ArcGIS制作地力等級專題圖，從而可以看出不同等級耕地的空間分布，由于資料收集及整個評價過程都是在國家現有標準下進行的，評價結果具有較高的科學性，可以為當地政府土地方面的政策制定提供參考。

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[11] 劉南，劉仁義.地理信息系統[M].北京：高等教育出版社，2002.

Evaluation of Cultivated Land Productivity Based on GIS

ZHANG Zhi-hong et al

(School of Environment and Resource, Inner Mongolia University, Hohhot, Inner Mongolia 010000)

Using the spatial analysis function of GIS platform to evaluate the cultivated land fertility of Fengxiang County. AHP was used to determine the weights of evaluation indexes, fuzzy mathematics method was adopted to determine the index membership, weighted sum model was used to calculate the composite index of the fertility of arable land. The result shows the maximum and the minimum index of the farmland. The composite index is divided into four grades according to equal interval method. Also making a visualization about different grades of arable land distribution. The whole process is a successful use of GIS means in the field of agriculture. It’s a make up for the evaluation unit size difference in vector process which can cause great errors. It can also avoid programming or using other system to compute the integrated fertility index.

Evaluation of cultivated land fertility; Raster data; GIS

張志宏(1991- )，男，內蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，研究方向：生態環境。

2014-04-28

S 28

A

0517-6611(2014)15-04813-03