基于TOPSIS算法的基本農田劃定關鍵技術

葉 勝，金賢鋒，何 宗， 曾 攀

（1.重慶市地理信息中心，重慶 400020）

基本農田是依據土地利用總體規劃而確定的不得隨便占用的耕地，它的確定參照了一個國家或地區一定時期內的人口和社會經濟發展對農業產品的需求[1]。為了確保國家糧食安全，穩定農業的正常生產，加大對耕地的保護力度，客觀科學地劃定基本農田則顯得十分重要[2]。

在國外并沒有基本農田的說法，他們稱之為重要農地。在20世紀60年代，美國、日本等國家都提出了重要農地的科學劃定和保障體系，去應對城市擴張的壓力、環境破壞以及糧食安全等一系列問題。其中1982美國提出的“土地評價和立地分析系統”，可以說是國際上農地保障的楷模[3]。我國以前的耕地保護體系更多地關注于數量指標，雖然近些年來國內專家開始關注耕地質量、立地條件、宏觀政策以及數學模型對基本農田劃定的作用，但大多數評價指標過于簡單，缺乏系統性的評價且都是定性的研究，缺乏實際案例的相關研究[4]。在基本農田數據庫建立的實踐中，拿一些零散的、劣等的耕地充數的現象非常普遍[5]。不能忽視的因素有基本農田評價指標體系缺乏客觀性、科學性，主觀性較強，給基本農田保護的工作造成了困難[6]。

基于對以上問題的思考，本文嘗試從農用地等級質量、環境條件以及政策方針等方面考慮建立基本農田綜合評價指標體系。同時將GIS技術，特別是空間分析技術引入到基本農田劃定工作中，為永久性基本農田的劃定提供有效的辦法，為以后的基本農田等相關工作提供客觀的參考依據。

1 研究區域概況

選擇重慶市南川區作為本文的研究區域，主要考慮了南川區境內山地丘陵地貌典型、農業發展水平等，具有一定的代表性。南川區坐落于重慶南部與貴州省接壤，具有熱量充足、降水多、無霜期長等氣候特征，屬于亞熱帶濕潤季風性氣候區。研究區域內地形起伏度較大，相對高差1 905 m，整體地勢由東南向西北傾斜。水稻土為主要的土壤類型，區域面積2 601.92 km2，管轄3個街道和31個鄉鎮，總人口約為66萬人。

2 基礎數據來源及預處理

1）基礎數據來源。本文數據主要來源于2009年第二次全國土地調查數據；南川區土地利用總體規劃圖（2006～2020）；南川區農用地分等定級數據及社會經濟等相關數據。

2）基礎數據預處理，劃分評價單元。圖斑法、疊置法以及地塊法是常用的3種評價單元的劃分方法。鑒于本研究的情況，采用圖斑法來進行評價單元劃分。從二調現狀數據中提取研究區域的耕地，將其作為評價對象。借用ArcGIS和Excel對每一塊耕地圖斑進行編號排序，確保編號的唯一性。

3 研究方法及過程

3.1 研究方法

按照基本農田工作相關的規定和數據庫建庫的要求，從農用地等級質量、環境條件以及政策方針3大方面，綜合考慮各影響因子，依據專家的經驗采用層次分析法確定各個因子的權重，建立基本農田指標評價體系。對評價指標值用Z-Score 方法進行標準化處理，然后利用TOPSIS算法對其進行排序。最后，依據研究區域基本農田的保護任務，從高分到低分的原則，確定基本農田保護圖斑。

3.2 評價指標體系的建立以及權重的確定

1）評價指標體系。1982年，原美國農業部提出的“土地評價和立地分析”系統（簡稱LESA），主要由土地評價模塊和立地分析模塊組成。土地評價模塊主要針對農地的自然條件進行分析，立地分析模塊主要針對農地的社會經濟條件進行分析。我國的《土地管理法》規定優質、連片、永久、穩定的耕地，既具有良好的質量條件，又具有較優立地條件的耕地才能夠劃入基本農田。在實際工作中，基本農田的劃定應該適當地考慮政策方面的因素。

2）指標權重的確定。指標的權重，主要是用來判斷指標作用的大小。主觀賦權法、德爾菲法和層次分析法是確定權重常用的3種分析方法。權重的確定，主要是利用層次分析法進行計算，如表1所示。

表1 評價指標體系

3.3 各影響因子評價

1）土壤肥力。土壤肥力對農作物的影響主要有2 種方式：T型效應和S型效應。

T型效應：

式中，Ci為指標因子的分值；X為指標因子的測定值；S型效應第1、2個拐彎點對應的值是X1和X2，T型效應的第3、4個拐彎點對應的值是X3和X4。

2）耕地坡度。耕地的坡度和土層的厚度、土壤的肥力往往呈現出負相關。根據經驗，坡度在6°以下的耕地，一般適宜耕作和農作物生長；當坡度大于25°，一般不適宜進行耕作，容易造成水土流失等災害。所以以6°和25°作為2個分界點。圖斑分值為：

式中，S為某農地坡度得分值；X為某農地坡度。

3）地貌類型。地形地貌對農作物的生長也存在很大的影響。依據地形地貌，各耕地圖斑得分值如表2所示。

表2 耕地地形地貌分值表

4）水利設施條件。在水利工程設施中，灌溉條件和排水條件是2個重要因子，根據其不同的情況判定分值如表3所示。

表3 水利工程設施分值表

5）連片性。耕地地塊的連片性越好，耕地圖斑面積越大，越利于土地的規模經營。南川區主要以山地為主，山高坡陡，耕地的破碎度較大。該文采用耕地圖斑地類面積10 hm2和100 hm2作為臨界值，其指標分值為：

式中，P為某農地連片性得分值；X為某農地圖斑地類面積。

6）交通通達度。交通通達度主要反映耕地周邊的交通狀況，一般靠近交通線的耕地具有優勢。首先，為農村道路（機耕道）設500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m的緩沖區。交通通達度分值為：

式中，T為某農地交通通達度分值；X為某農地交通線緩沖距離。

7）耕作半徑。耕作半徑即耕地到周邊場鎮或居民點的遠近。由于研究區域在山地丘陵地區，對農村居民點設500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m的緩沖區。標準化分值為：

式中，R為某農地耕作半徑標準化分值；X為某農地附近居民點緩沖區半徑。

8）政策因素。因為政策原因劃為基本農田的耕地，其分值判斷為100，否則判為0；被規劃為城鎮建設區的耕地，分值判斷為0，否則判斷為100。

4 圖斑綜合評價分值及綜合分數排序

4.1 圖斑綜合評價分值計算

添加代表各指標的屬性字段，為各指標設置不同的緩沖區。Lable點屬性追加，確定各圖斑所屬的緩沖區范圍。導出屬性數據，利用標準化公式，計算各個圖斑的得分值。利用屬性數據的鏈接工具，將“分數”追加給相應的圖斑。

將整個研究區域內的耕地看做是一個集合體A，A={a1，a2，…，an}。式中，aj表示某一塊耕地，前文計算出來的所有指標當作是一個指標集F，F={f1，f2，…，fn}。式中，fi表示為某一個指標。每一個地塊aj，在每一個指標fi下都會有一個值xij，這些取值組成一個決策矩陣R。正向指標采用式（7）計算，逆向指標采用式（8）計算。對決策矩陣進行標準化，可得到一個標準化的決策矩陣R={Rij}m×n，R∈[0,1]且無量綱[7,8]。

4.2 采用TOPSIS法進行排序

TOPSIS算法的思想是確定一個理想值，然后將評價對象與之進行比較，從而評價對象值與理想值的遠近，判斷出評價對象值的好壞。一般理想值有兩個，一個是正向理想值，一個是負向理想值，理想的方案應該是接近正向理想值同時又遠離負向理想值。

正向理想值和負向理想值的計算：

式中，r+是正向理想值；r-為負向理想值。

計算評價對象值到正向理想值和負向理想值的距離。一般采用n維歐幾里德距離表示：

式中，wi為指標fi的權重；S+為評價對象與正向理想值的距離；S-為評價對象到負向理想值的距離。最佳的方案應該是S+最小，而S-最大。

最后，計算理想值的靠近度Cj：

式中，0≤Cj≤1。當Cj=0時，表示該目標為最差對象；當Cj=1時，表示該目標為最佳對象，根據Cj的值按從小到大的順序對各評價目標進行排列，排序結果貼近度Cj值越大，該目標越優[9,10]。

采用TOPSIS算法法對重慶市南川區69 912.67 hm2耕地按評價單元進行排序，再綜合考慮整個區的規劃指標。最后，得到南川區的基本農田保護區圖。根據基本農田劃定規程要求，基本農田要占耕地面積80%以上，本輪規劃基本農田面積為56 111.52 hm2，占南川區全部耕地的80.26%，符合規劃要求。

5 結 語

為了使劃定的基本農田在數量和質量上達標，在空間布局上更加科學合理，綜合考慮農地質量、環境條件、政策等因素，同時還借鑒了美國LESA體系思想。將GIS技術，特別是將空間分析理論引入到基本農田劃定研究中，大大提高了效率，使基本農田劃定向科學化、人工智能化邁進。

[1]黃建平，柳建軍.永久性基本農田概念探析[N].中國國土資源報，2009-04-14(6)

[2]TD/T 1025-2010.鄉（鎮）級土地利用總體規劃編制規程[S].

[3]錢鳳魁.基于耕地質量及其立地條件評價體系的基本農田劃定研究——以遼寧省凌源市為例[D].沈陽:沈陽農業大學，2011

[4]林依標.劃定永久基本農田路徑思考[J].中國國土資源經濟，2009(3):4-6

[5]程鋒，鄖文聚，蘇強，等.新一輪土地利用總體規劃修編中基本農田布局調整與管制分區的幾點思考[J].資源與產業,2008,10(5):122-123

[6]鄭新奇，楊樹佳，象偉寧，等.基于農用地分等的基本農田保護空間規劃方法研究[J].農業工程學報,2007(1):66-67

[7]吳飛、濮勵杰、許艷，等.耕地入選基本農田評價與決策[J].農業工程學報，2009(12):270-277

[8]董秀茹,尤明英,王秋兵.基于土地評價的基本農田的劃定方法[J].農業工程學報，2011(4):336-339

[9]李軼平.基于GIS 技術的濟南歷城區基本農田的確定與空間定位[D].濟南:山東師范大學,2008

[10]楊樹佳，鄭新奇，杜軍.基于土地適宜性評價的基本農田布局方法研究[J].山東師范大學學報: 自然科學版，2007(3):99-102