基于正態云模型與熵權法的景泰縣耕地后備資源開發潛力評價*

葉　達，吳克寧， 2※，劉霈珈

(1.中國地質大學土地科學技術學院，北京　100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京　100035)

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·技術方法·

基于正態云模型與熵權法的景泰縣耕地后備資源開發潛力評價*

葉達1，吳克寧1， 2※，劉霈珈1

(1.中國地質大學土地科學技術學院，北京100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京100035)

耕地后備資源開發是關乎糧食安全的重要議題，耕地后備資源開發潛力評價是耕地后備資源開發的基礎性工作。針對傳統土地評價綜合指數法、模糊綜合法無法同時兼顧評價指標模糊性與隨機性以及特爾菲法、層次分析法確定權重主觀性過強的問題，研究以景泰縣為例，將正態云模型與熵權法引入區域耕地后備資源開發潛力評價，建立綜合考慮生態、自然、社會經濟3方面的評價指標體系，對區域耕地后備資源開發潛力進行定量測度，并提出了針對性的政策建議。研究結果表明：景泰縣各鄉鎮耕地后備資源開發潛力從2.2003到3.9880不等，潛力等別包括較低、中等和較高，對潛力等別為較高的上沙沃鎮、寺灘鄉、蘆陽鎮可作為耕地后備資源開發優先區域，對潛力等別為較低的五佛鄉建議暫不考慮進行耕地后備資源開發。正態云模型與熵權法有效降低了偶然誤差，提高了耕地后備資源開發潛力評價的準確性，該研究可為區域耕地后備資源開發潛力評價提供一定借鑒與參考。

耕地后備資源開發潛力正態云模型熵權法景泰縣

0　引言

人多地少是我國的基本國情，糧食安全和耕地資源安全已引起我國政府及學術界的廣泛關注。隨著我國經濟的快速發展、人口的持續增加、城鎮化步伐的不斷加快，我國耕地資源面臨的形勢愈趨嚴峻。耕地后備資源開發則是有效補充耕地數量、確保耕地紅線目標、保障國家糧食安全的重要途徑[1-3]。耕地后備資源開發潛力評價是土地評價的重要組成部分，也是耕地后備資源開發的基礎性工作。當前我國對耕地后備資源的研究多集中于未利用地作為耕地后備資源的適宜性評價，較少涉及開發潛力，且僅有的一些耕地后備資源開發潛力評價在指標體系上多關注于自然及社會經濟條件，對生態限制性考慮不足； 在指標權重的確定上多采用特爾菲法、層次分析法等，主觀性較強； 在評價方法上則以綜合指數法、模糊綜合法等相關模型方法為主，無法同時兼顧對象的模糊性與隨機性[4-7]。在對耕地后備資源開發潛力作定量測度時，這些傳統方法已難以獲得最終的準確結果。

為解決上述問題，可將正態云模型及熵權法引入耕地后備資源開發潛力評價中。正態云是一種用語言值來表示定性與定量相互發生不確定性轉換的新模型，可以較好克服傳統方法在對評價過程中定性與定量轉換時產生的模糊性與不確定性問題[8-9]。熵是物理學中的重要概念，可以表示一個體系的混亂程度，用熵權表示評價指標的相對重要程度，其基本思想是認為評價指標的差異程度越大則越重要，權重也相應越大[10-11]。文章將正態云模型及熵權法應用于區域耕地后備資源開發潛力評價及其指標權重的確定上，綜合考慮生態、自然、社會經濟條件對耕地后備資源開發潛力的影響，對甘肅省景泰縣耕地后備資源開發潛力進行評價，以期為景泰縣耕地后備資源的開發及土地開發整理規劃的編制提供依據。

1　研究區概況及數據來源

1.1研究區概況

景泰縣位于甘肅省中部，隸屬白銀市，位于東經103°33′～104°43′，北緯36°43′～37°38′之間，東臨黃河，與靖遠縣隔河相望，西部與古浪縣、天祝藏族自治縣相接，南與永登縣、皋蘭縣及白銀市白銀區接壤，北與寧夏中衛市、內蒙古阿拉善左旗接壤。縣境南北長70～102km，東西寬56～84km，總面積5432km2。景泰縣轄6鎮5鄉及1農場，總人口24.10萬人。2012年末，全縣土地總面積54.852120萬hm2，耕地總面積6.879951萬hm2，耕地后備資源總面積5.521087萬hm2，占全縣土地總面積的10.07%。從耕地后備資源的構成來看，景泰縣耕地后備資源類型包括可開墾其他草地、可開墾裸地、可開墾沙地、可開墾鹽堿地、可開墾內陸灘涂及可復墾采礦用地，類型豐富； 從空間分布情況來看，景泰縣耕地后備資源在除正路鄉外的其他鄉鎮均有廣泛分布。因此，利用耕地后備資源開發潛力評價，以耕地后備資源為評價對象，鄉鎮為評價單元，對景泰縣復雜多樣的耕地后備資源進行定性定量描述，劃定景泰縣耕地后備資源開發重點鄉鎮，可以最小的生態及社會成本最有效地補充耕地數量，維護區域糧食安全，具有重要的現實意義。

1.2數據來源

文中研究數據資料主要來源于各類統計資料、土地調查數據庫及實地調查資料，其中，植被覆蓋資料來源于景泰縣第一次土地詳查成果； 水土流失資料來源于景泰縣防沙治沙規劃(2011-2020)； 土壤資料來源于景泰縣土壤圖； 耕地后備資源面積及集中連片度資料來源于2014年景泰縣耕地后備資源調查成果； 坡度資料來源于景泰縣地形坡度圖； 交通、耕作便利、灌溉及新增耕地資料來源于《景泰縣統計年鑒2012》。

2　研究方法

2.1正態云模型

正態云模型是云模型的一種，由于社會和自然科學中大量事物的分布曲線都近似服從正態或半正態分布，所以正態云模型具有較高的普適性，其主要用期望(Ex)、熵(En)和超熵(He)來表征[9， 12]。該模型的運算理念可以分為以下幾步：

1)生成正態隨機數Eni′=NORM(En，He2)

(1)

式中，En和He2分別表示期望和方差，NORM表示為正態隨機分布函數；

2)生成正態隨機數xi=NORM(Ex，Eni′2)

(2)

式中，Ex和Eni′2分別表示為期望與方差；

(3)

4)(xi，μi)即構成數域中任意一個云滴；

5)重復1～4步，直到產生設定的n個云滴為止，云模型中的各個云滴組合即構成了云像。

2.2基于熵權的權重確定方法

目前常用的評價指標權重確定方法有德爾菲法(DELPHI)、層次分析法(AHP)、成本比較法及熵權法。為避免權重確定的主觀性過強，降低不可控因素引起的不確定性，進而提高評價結果的科學性和準確性，該研究通過引入信息熵的概念，運用熵權法來確定各評價指標的權重[10]。其主要計算步驟如下：

1)設有m個評價對象，每個評價對象有n個指標，構建歸一化判斷矩陣：R=(rij)m×n；

(4)

(5)

(6)

2.3評價指標體系構建

基于景泰縣自然、生態條件及社會經濟的發展特點，根據耕地后備資源評價所遵循的層次性、科學性、完備性、可比性、數據可得性和可操作性等原則，充分考慮耕地后備資源開發潛力評價中各評價因子的復雜關系，借鑒國內外最新的相關研究成果[13～15]，在景泰縣耕地后備資源開發潛力評價中建立了目標層、準則層、指標層3個層次， 13個指標的評價指標體系，具體結果及指標解釋見表1。

表1景泰縣耕地后備資源開發潛力評價指標體系

目標層準則層指標層指標解釋指標性質耕地后備資源開發潛力生態適宜性植被覆蓋率C1(%)有植被覆蓋的面積占總面積的比例正水土流失風險系數C2(%)易發生水土流失的面積占總面積的比例負鹽漬化風險系數C3(%)易出現鹽漬化的面積占總面積的比例負自然適宜性土層厚度C4(cm)有效土層厚度是地力水平的一個重要指標正有機質質量分數C5(%)每千克土壤中有機質質量比例正耕地后備資源面積C6(hm2)反映評價單元內耕地后備資源的數量正表土石礫含量C7(%)反映土壤的表土質量水平負集中連片程度C8(%)最大連片面積占總面積的比例正地形坡度C9(°)反映耕作的便利及難易程度負社會經濟適宜性交通便捷度C10(m)與最近有效道路的距離正耕作距離C11(m)與最近居民點的距離正灌溉保證率C12(%)能保障灌溉的面積占總面積的比例正新增耕地系數C13(%)新增耕地面積占開發面積的比例正

2.4基于正態云與熵權的綜合評價模型

為避免評價指標權重確定的主觀性，考慮到評價指標定量描述的模糊性與隨機性，將正態云模型及熵權確定權重法有效融合，建立景泰縣耕地后備資源開發潛力綜合評價模型，具體步驟如下：

1)建立耕地后備資源開發潛力評價對象的因素論域U={u1，u2，u3，…，un}，評價論域V={v1，v2，v3，…，vn}。

2)利用Matlab軟件，采用熵權法計算各個評價指標的權重W={w1，w2，w3，…，wn}，計算結果如表2所示。

(7)

由于邊界值是從一種級別到另一種級別的過渡值，有一定的模糊性。因此，耕地后備資源開發潛力評價中的邊界值應同時屬于與其臨界的兩種級別，故有：

(8)

(9)

超熵Heij表示對熵的不確定性度量，反映出云滴的凝聚程度，一般為試驗取值。在取值過程中，超熵的取值越小，則正態云的厚度越薄。在該研究中，超熵經驗取值為0.01，正態云模型下各個評價指標所對應的評價等級劃分結果如表2所示。

表2景泰縣耕地后備資源開發潛力評價指標權重及評價標準

評價指標評價標準權重低潛力Ⅰ較低潛力Ⅱ中等潛力Ⅲ較高潛力Ⅳ高潛力ⅤC1<0.42≥0.42～0.56≥0.56～0.70≥0.70～0.84>0.840.0617C2>10≥8～10≥6～8≥4～6<40.0863C3>20≥15～20≥10～15≥5～10<50.0802C4<60≥60～70≥70～80≥80～90>900.0708C5<0.8≥0.8～1.2≥1.2～1.6≥1.6～2.0>2.00.0823C6<1000≥1000～2000≥2000～5000≥5000～10000>100000.1227C7>15≥10～15≥6～10≥2～6<20.0611C8<30≥30～40≥40～50≥50～60>600.0842C9>15≥10～15≥6～10≥2～6<20.0614C10>4000≥2500～4000≥1500～2500≥500～1500<5000.0608C11>2500≥2000～2500≥1500～2000≥1000～1500<10000.0544C12<60≥60～70≥70～80≥80～90>900.0713C13<0.62≥0.62～0.70≥0.70～0.78≥0.78～0.86>0.860.1028綜合標準1～1.51.5～2.52.5～3.53.5～4.54.5～51.0000

4)依據耕地后備資源開發潛力評價指標體系的各個指標值，利用正向云發生器，確定出各個指標對應每個等級的云模型隸屬度矩陣Z=(zij)n×m。由于云模型得出的隸屬度矩陣不同于傳統模糊數學中的隸屬矩陣，因此，為提高評估的可信度，需要重復多次運行正向云發生器，并計算在不同隸屬度情況下的平均綜合評估值：

圖1　景泰縣耕地后備資源潛力評價綜合評判正態云模型

(10)

5)評價權重集W屬于U在V內的模糊子集，利用權重集W與隸屬度矩陣Z進行模糊轉換得出評價集V上的模糊子集B：

B=W×Z=(b1,b2,b3,…,bm)

(11)

3　結果與分析

利用已經建立的景泰縣耕地后備資源開發潛力評價指標體系與評價標準，對應景泰縣各鄉鎮耕地后備資源開發潛力評價指標數據，計算得出各鄉鎮各單因子的分值。再根據評價指標權重，計算得出各鄉鎮的耕地后備資源開發潛力評價綜合分值。基于綜合評判正態云模型，可得出景泰縣耕地后備資源開發潛力評價結果：具有較高耕地后備資源開發潛力的是上沙沃鎮、寺灘鄉及蘆陽鎮，具有中等耕地后備資源開發潛力的是紅水鎮、漫水灘鄉、條山農場、草窩灘鎮、一條山鎮、中泉鄉、喜泉鎮，五佛鄉的耕地后備資源開發潛力較低。具體評價結果如表3所示。

表3基于正態云模型與熵權法的景泰縣耕地后備資源開發潛力評價

評價結果一條山鎮蘆陽鎮上沙沃鎮喜泉鎮草窩灘鎮紅水鎮中泉鄉寺灘鄉五佛鄉漫水灘鄉條山農場單因子分值C11.37622.67424.42931.86722.53864.23644.32283.85381.72933.88612.7863C23.27243.27244.44822.43282.78324.22374.13833.93241.48373.73862.5207C32.38094.29424.32533.85823.72073.77263.57824.08692.75633.57322.9637C42.41332.76253.23122.62172.33652.06721.62844.50761.57222.65633.1126C53.04283.79463.73383.27303.32453.59333.36493.86033.06323.23402.8468C61.92654.87634.65432.50472.45273.00562.84564.73402.99592.00521.2556C74.14273.86483.95743.64184.10222.86062.67283.83252.01353.87424.0213C81.64954.53523.63282.42762.05322.43954.36383.64222.27422.84273.6927C92.68382.36223.86312.57493.70124.22802.06254.32881.83023.63183.4628C104.83254.24624.01342.78923.93783.86222.31472.83641.83524.22184.6782C114.92362.53823.48612.77183.32703.46212.46852.73462.01733.28144.6726C124.62933.06274.28312.66243.86303.73292.08232.73921.88243.85254.5834C133.02862.84293.43272.83243.26503.63222.13263.73262.24833.13893.4288綜合分值2.97583.56793.98802.78333.11753.44182.95233.82952.20033.28093.2231潛力劃分ⅢⅣⅣⅢⅢⅢⅢⅣⅡⅢⅢ

景泰縣耕地后備資源總體上為中等開發潛力，但存在一定的區域差異。由表3可以得出，景泰縣各鄉鎮中有3個鄉鎮具有較高的耕地后備資源開發潛力，有7個鄉鎮具有中等耕地后備資源開發潛力，有1個鄉鎮耕地后備資源開發潛力較低，沒有出現高潛力或低潛力的評價結果，其開發潛力主要集中于中等潛力級，這與景泰縣自然、生態及社會經濟條件是相符合的； 再比較綜合分值最高的上沙沃鎮和綜合分值最低的五佛鄉，兩者的綜合分值分別為3.9880和2.2003，潛力等別也從較高變化到較低，具有一定的區域差異性。對導致景泰縣耕地后備資源開發潛力差異的主要因素進行分析，有以下三方面。

(1)生態因素。景泰縣屬黃土高原區，受干旱氣候的影響，降水不足，有灌溉保障地區如上沙沃鎮，其地表植被覆蓋度較高，而無灌溉保障地區如五佛鄉，其植被覆蓋度較低； 由于土壤具有一定的含鹽量，長期灌溉的情況下灌區下游會出現不同程度的鹽漬化情況，因此，鹽漬化也是限制景泰縣如一條山鎮等部分鄉鎮耕地后備資源開發潛力的主要因素。

(2)自然因素。景泰縣西南部、東北部多為山區，地形坡度較大，這使得評價結果中潛力較高的耕地后備資源主要分布在中部、北部的平坦地區，而位于景泰縣西北部山區的五佛寺耕地后備資源開發潛力為較低，位于景泰縣西南部的正路鄉則無耕地后備資源； 根據景泰縣土壤普查資料，景泰縣地帶性土壤為灰鈣土，有機質含量較低，山區土壤類型較為豐富，分布有亞高山草甸土、黑鈣土、栗鈣土、灰棕荒漠土等，土壤有機質的差異性影響著各鄉鎮的耕地后備資源潛力等別。

(3)社會經濟因素。景泰縣耕地灌溉主要依靠電力提灌，灌渠覆蓋的地區，如上沙沃鎮，其耕地后備資源比較適宜開發利用，而無灌溉保障的地區，如五佛鄉，其耕地后備資源開發潛力就會受到較大影響； 景泰縣村莊一般沿交通主干網布局，農民樂于耕種離住所較近的土地，因此偏遠地區、周圍無農村居民點的耕地后備資源的開發潛力受到一定影響，該項目中中泉鄉、五佛鄉的耕地后備資源面臨著這樣的情況。

4　政策與建議

4.1宏觀政策建議

(1)加強頂層設計，設定耕地后備資源開發與保護差別化目標。我國地域遼闊，耕地后備資源開發有著區域差異顯著的基本特征，可以通過開展耕地后備資源開發潛力評價了解區域差異化情況，并在此基礎上設定耕地后備資源開發與保護差別化目標，明確開發重點區域和重大工程，從而制定更有針對性的政策，發揮資金投入的最佳效益，實現區域協調發展。

(2)重視生態保護，建立耕地后備資源開發科學管理機制。耕地后備資源開發的前提應該是能夠保障區域的生態安全，可以通過對耕地后備資源潛力評價中潛力等別較低的生態因子進行重點治理，并依據“在開發中保護，在保護中開發”的基本原則，建立耕地后備資源開發科學管理機制以保證土地開發項目的科學性和順利實施，防止土地開發的短期行為，確保土地開發資金的專款專用和工程質量。

(3)提升補充耕地質量，實現耕地“占補雙平衡”戰略目標。針對當前耕地“占補平衡”中存在占優補劣現象，在耕地后備資源開發時，優先開發在潛力評價中評價結果較好的耕地后備資源，提升技術投入，提高補充耕地的質量等級和產能，努力實現國家耕地“占補雙平衡”的戰略目標。

(4)吸引社會資本，完善耕地后備資源開發利益分配制度。耕地后備資源開發是一項耗資巨大的工程，可嘗試吸引社會資本投入，通過公布耕地后備資源開發潛力評價結果讓市場意識到開發項目的可行性及預期收益，充分調動社會各界參與的積極性。按照“誰投入、誰受益”的原則，完善適應市場經濟要求的耕地后備資源開發利益分配制度。

(5)擴大公眾參與，強化耕地后備資源開發監督約束體系。充分利用媒體宣傳，提高全社會對耕地后備資源開發利用的認識，增強公眾參與和監督意識，促進耕地后備資源開發利用項目規劃的可行性。此外，可在不同時點對耕地后備資源開發潛力進行評價，以此監測耕地后備資源開發潛力的變化情況。

4.2重點區域建議

(1)在景泰縣耕地后備資源開發潛力評價中，上沙沃鎮開發潛力綜合分值為3.9880，潛力最大，建議對其耕地后備資源優先進行開發，需要注意的是該區域距離景電二期總干渠直線距離約3.5km，高差約60m，通過興建提灌工程可將該區域土地開發為耕地，但考慮到景電二期灌溉水總量和土壤微含鹽的特點，應采用噴灌等節水灌溉方式以防止土壤次生鹽漬化。

(2)寺灘鄉耕地后備資源開發潛力綜合分值為3.8295，在景泰縣中潛力位居第二，由評價結果可知該區域目前開發利用的制約因素是水資源，未來一方面可鋪壓砂田，利用泉水、天然降水和挖集雨窖蓄水等方式實現灌溉，另一方面可使用景電一期富余水量解決永泰村、寺灘村部分荒地的灌溉。灌溉時應實施節水滴灌工程，結合傳統旱作栽培技術和滴灌方式，充分利用本區域的光、熱、水、土資源，種植在砂田適宜生長的籽瓜等經濟作物，發揮特色農業經濟效益。

(3)蘆陽鎮耕地后備資源開發潛力綜合分值為3.5679，在景泰縣中潛力位居第三，由評價結果可知該區域耕地后備資源開發潛力的制約因素是耕作距離，可通過建設田間道路進行改善。此外，該區域距離黃河約5.5km，高差約100m，利用黃河水源修建小型提灌工程可將區域內土地開發為水澆地。根據其相對封閉、隔離條件較好的特殊地勢條件，可發展農作物良種繁育產業和林果業。

5　結論與討論

在總結國內外相關耕地后備資源潛力評價研究及土地評價方法的基礎上，基于正態云模型和熵權法對景泰縣耕地后備資源開發潛力進行了定量測度，研究結果顯示：景泰縣耕地后備資源開發潛力最高的鄉鎮為上沙沃鎮，開發潛力綜合指數為3.9880，與寺灘鄉、蘆陽鎮同為較高潛力等別，在進行耕地后備資源開發時可作為重點區域優先考慮； 開發潛力最低的鄉鎮為五佛鄉，開發潛力綜合指數2.2003，可考慮近期內不對其進行開發。

耕地后備資源開發潛力評價指標體系及評價標準的確定涉及面廣，對象比較復雜，目前學界也未形成統一的理論。因此，對于如何保證耕地后備資源開發潛力評價更加科學規范并符合研究區域的實際情況，需要再進行深入的探討。此外，正態云模型較多地應用于生態安全評價，該文將其創新性地引入耕地后備資源開發潛力評價并以景泰縣為例形成了評價成果，驗證了其具有一般適宜性，但鑒于國內外相關研究較少，如何使正態云模型與實際更好結合，并進一步提高耕地后備資源開發潛力評價的準確性亦需繼續探索。

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DEVELOPMENTAL POTENTIALITY EVALUATION OF CULTIVATED LAND RESERVE IN JINGTAI BASED ON NORMAL CLOUD AND ENTROPY WEIGHT

Ye Da1，Wu Kening1， 2※，Liu Peijia1

(1.School of land Science and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.Key Laboratory of land Regulation，Ministry of land and Resources，Beijing 100035，China)

The development of cultivated land reserve is an important issue related to food security, and the evaluation of development potential is the foundation of cultivated land development. Currently, studies on cultivated land reserve in China largely concern with the land suitability evaluation which takes unused land as cultivated land reserve. However, there are few studies discussing the developmental potentiality of cultivated land reserve, which often paid much more attention to natural, social or economic conditions but focused less on ecological condition. Besides, the index weight determined by the traditional studies is always subjective, and the traditional evaluative methods are often incapable of expressing the fuzziness and randomness of the evaluative object precisely. The purpose of this study is to establish a feasible evaluating indication system and method for the developmental potentiality of cultivated land reserve based on the statistical data in Jingtai. Methods of entropy weight and the Normal Cloud model are employed. Normal Cloud is a new model using language value to express the uncertain conversion between qualitative description and quantitative description. It can overcome the ambiguity and uncertainty existing in the conversion from qualitative description to quantitative description when using traditional methods to make evaluations. Entropy can be used to express the confusion of a system. The weight of evaluation index is greater when the difference between evaluation index is bigger, and it is the basic idea that uses entropy to express the relative importance of evaluation index. Methods of entropy weight and Normal Cloud model can effectively reduce the errors caused by the traditional method. The results indicated that the cultivated land reserve developmental potentiality could be evaluated based on three aspects-ecological environment, natural conditions and social economic conditions.The evaluation score of each town in Jingtai ranged from 2.2003 to 3.9880, and the potential degree of each town could be categorized as high, middle and low potentiality according to the ecological environment, natural conditions and social conditions. What′s more, the towns as Shangshawo, Sitan and Luyang with high potentiality could be given priority to the development of cultivated land reserve. On the contrary, the Wufo town as low potentiality area could not develop as a cultivated land in the future. It concluded that the Normal Cloud model and entropy weight could reduce the error in the developmental potentiality evaluation of cultivated land reserve, and improve the accuracy of the evaluation effectively. This research could provide

for the developmental potentiality evaluation of regional cultivated land reserve.

cultivated land reserve; developmental potentiality; Normal Cloud model; entropy weight; Jingtai County

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160604

2015-05-04

葉達(1992—)，男，浙江臺州人，碩士研究生。研究方向：土地評價與土地規劃、土地政策。※通訊作者：吳克寧(1963—)，男，北京人，教授、博士生導師。研究方向：土地評價與利用規劃。Email：knwu@163.com

十三五科技支撐課題“環渤海經濟區基本農田建設技術研究與示范”(編號：2015BAD06B01)

F301.24

A

1005-9121[2016]06-0022-07

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