基于土地適宜性的耕地規劃CA模擬及驗證

房阿曼，陳偉強，董霽紅※

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基于土地適宜性的耕地規劃CA模擬及驗證

房阿曼1，陳偉強2，董霽紅1※

(1. 中國礦業大學環境與測繪學院，徐州 221116；2. 河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002)

為探究科學合理的耕地規劃方法，以河南省蘭考縣為例，從影響耕地規劃的適宜性、限制性及競爭性3個方面對土地適宜性進行分析，并運用CA（cellular automata）模擬系統，模擬2020年蘭考縣指標控制下的耕地規劃情況。結果表明，蘭考縣2020年耕地面積為76 411.32 hm2，其中因城鎮發展導致耕地面積減少226.44 hm2，村莊、內陸灘涂及果園等其他土地轉化為耕地的面積為8 227.13 hm2。結合耕地適宜性評價結果對比發現，質量上模擬規劃的耕地高于現行的土地利用規劃中的耕地，空間分布上同時避開城鎮發展、生態保護及其他因素的影響，具有穩定性。該研究為管理者制定耕地規劃提供重要的方法參考。

土地利用；整治；模型；耕地規劃；土地適宜性；CA模擬系統；規劃模擬；蘭考縣

0 引 言

耕地問題是政府和社會各界廣泛關注的問題。現階段土地利用總體規劃的模式是“指標約束+分區控制”，目標是保證耕地總量不減少，但經研究發現，一些省份耕地保有量等指標下達不盡合理[1]，且隨著工業化、城市化的發展，建設用地占用耕地指標已嚴重不足[2]，耕地占補平衡制度的實施一定程度上也會由于自然條件等因素帶來耕地質量的下降，導致省相關部門不得不對土地利用總體規劃做出相應調整。因此，如何合理的規劃耕地，規避城鎮發展、生態用地及其他地類因素的影響，保證規劃的耕地在滿足目標數量的前提下，實現耕地的高質量及空間分布的穩定性是現階段亟需探究的問題。

耕地規劃是土地利用規劃的重要組成部分。由于社會制度、土地產權及土地基本國情等的差異性導致世界各國土地利用規劃的方法不盡相同。聯合國糧食與農業組織（FAO）指出土地評價是規劃方案編制和選擇的科學基礎。美國采用公眾參與方法，運用地理信息系統技術、遙感和自動制圖等現代空間分析技術及制圖工具完成規劃編制的分析及方案的調整。英國通過土地測量提出土地利用規劃的方針、政策及發展框架[3-6]。中國對于土地利用規劃方法的研究集中在目標的合理性及規劃的技術方面[7-12]，灰色預測、多目標決策、元胞自動機模型及地理信息系統作為常用的規劃預測模型及技術[13-26]，只能單一模擬未來土地利用在數量上或空間上的變化，并不能模擬規劃目標數量控制下未來各類用地在空間上的合理分布。CA（cellular automata）模擬系統從“自下而上”的角度出發，在實現規劃目標控制的前提下，從土地適宜性出發，結合城鎮發展、生態保護，模擬未來耕地空間分布狀況，為耕地的規劃提供新的思路及方法。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

蘭考縣位于河南省東北部，地處豫東平原，具體位置見圖1所示；作為農業大縣，2009年全縣耕地面積為68 410.43 hm2，占土地總面積的62.01%，其中水田、水澆地、旱地的面積分別為2 700.74、65 691.29、18.40 hm2。主要農作物有小麥、玉米、大豆、花生等，糧、棉、油產量居全國百強，是全國商品糧基地縣，也是全國唯一“超級小麥育種示范推廣基地”，被確定為河南省平原綠化高級標準縣，享有環境綜合治理優秀縣城稱號。2016年，全縣生產總值257.6億元，工業呈加速發展趨勢，第三產業也有了進一步發展。

1.2 數據來源

土地利用總體規劃期限為15 a，為保證模擬基礎數據的準確性及模擬時間間隔接近規劃期限，選取蘭考縣2009年土地利用現狀數據為模擬基期數據，并結合《土地利用總體規劃（2010-2020年）》、2011年耕地地力評價數據、2009-2014年蘭考縣統計年鑒、《城市總體規劃（2013-2030年）》及第二次土壤普查數據。

圖1 研究區位置圖

2 CA模擬系統開發

本文主要研究指標控制下的耕地規劃分布狀況。土地是否規劃作為耕地，主要考慮土地的自然條件及空間分布狀況，即土地作為耕地的適宜性。本研究通過耕地自然條件適宜性、空間限制性及競爭性3個影響因素對土地進行適宜性分析，并以此作為元胞轉換規則，以規劃指標作為規模約束條件，采用最優概率選擇策略，建立CA模擬系統，實現耕地規劃模擬。

耕地規劃CA模擬系統基于ArcGIS10.2平臺，利用Python語言，結合Arcpy與Numpy類庫，開發CA模擬系統腳本工具，作為ArcGIS的ArcToolbox工具使用，模型腳本工具界面如圖2所示。工具共設有5個參數，含義與功能分別為：

圖2 CA模擬系統界面

1）土地適宜性圖層：土地的適宜性柵格圖層，功能是定義耕地元胞狀態轉變的規則。

2）土地限制性圖層：土地限制性柵格圖層，柵格取值為1或0，分別表示限制區和無限制，功能是定義耕地規劃的空間約束。

3）競爭優勢圖層：地類競爭柵格圖層，柵格取值為1或0，分別表示有競爭和無競爭，功能是定義地類演變的競爭優勢。

4）規模指標（元胞數）：耕地規模與元胞實地大小之比，取整數，功能是定義耕地規劃的數量指標約束。

5）輸出結果：輸出文件名，功能是定義元胞自動機模擬結果存放路徑和文件名。

3 耕地適宜性分析

3.1 耕地適宜性綜合分析

本文對于耕地的適宜性綜合分析，主要從耕地適宜性及空間鄰域適宜性2方面考慮。能否規劃為耕地的前提是土壤的質地、有機質、有效土層厚度、灌溉保證率等自然條件適宜作為耕地[27-28]，這是耕地的基本條件；同時耕地規劃受其他用地類型，尤其是城鎮建設用地變化的影響。城鎮建設用地的擴張主要是在城鎮周邊地區，因此對耕地變化的影響較大，將空間鄰域適宜性作為耕地適宜性的評價要素，能降低劃定的耕地在未來受建設用地變化影響程度，保證耕地的空間穩定性。

3.1.1 耕地適宜性評價

1）評價單元的劃分 評價單元具有明顯的界線，是耕地適宜性評價最小且最基本的單元。本文用ArcGIS將蘭考縣整個區域面積劃為100 m×100 m的柵格，即每個柵格作為一個評價單元，這樣降低了主觀性，提高數據的精度。

2）評價因子選擇及權重確定 影響耕地適宜性的因素很多，本文結合蘭考縣的實際情況，選取影響耕地適宜性的評價因素，歸納為3個方面的指標：立地條件，包括土壤質地、土壤有機質、有效土層厚度、灌溉保證率4個指標；耕作便利度，包括到道路的距離、到村莊的距離2個指標；地塊適宜性，包括坡度、現狀地類2個指標。權重的計算采用特爾斐法和層次分析法相結合，通過建立層次結構、構造判斷矩陣及一致性檢驗，得到評價指標的權重（表1）。

表1 耕地適宜性評價指標分值化標準及權重

注：括號內數值為各指標隸屬度。

Note: Values in parentheses are the index membership degree.

3）評價指標量化處理 分值化標準中，土壤質地、土壤有機質及灌溉保證率采用2011年蘭考縣耕地地力評價標準，有效土層厚度、距道路距離、距村莊距離及現狀地類的標準則通過專家討論得到（表1）。

①土壤質地、土壤有機質、有效土層厚度、灌溉保證率、土壤質地和有效土層厚度從第二次土壤普查資料中獲取，范圍覆蓋全域，土壤有機質通過空間插值法得到，灌溉保證率是從耕地地力評價數據庫中灌溉分區圖提取得到，其中土壤有機質、灌溉保證率空間分布圖見圖3。利用ArcGIS對指標依據表1進行相應的分值化處理，制成100 m×100 m單因子柵格圖。

②到道路的距離、到村莊的距離從2009年蘭考縣土地利用現狀圖中提取線狀公路、村莊，對道路、村莊的距離分析如圖3所示。運用ArcGIS空間分析功能進行距離分析，依據表1進行分值化處理，制成100 m×100 m單因子柵格圖。

圖3 部分評價因子及綜合評價結果圖

③坡度、現狀地類坡度圖來源于地理空間數據云下載的Slope數據，現狀地類以2009年土地利用現狀圖為基礎，參考表1對指標進行分值化處理，制成100 m× 100 m單因子柵格圖。

④ 耕地適宜性評價 運用ArcGIS對多因子進行加權求和，通過計算得到，耕地適宜性評價結果的分值是從0.46～0.91之間的連續變化值。同時，本次針對耕地的適宜性評價是全域覆蓋的，這樣在進行元胞自動機模擬時，可以進行全域搜索。

3.1.2 空間鄰域適宜性評價

運用ArcGIS對2009年土地利用現狀圖轉化為100 m× 100 m的柵格圖層，然后進行重分類，城鎮建設用地為1，其他各類用地為0；對2009年土地利用現狀圖進行3×3像元鄰域分析[29]，得到城鎮建設用地鄰域圖，如圖3所示。對鄰域適宜性進行評價，土地單元3×3鄰域窗口內的城鎮建設用地單元數越多，評價得分越低，單元數越少，評價得分越高，評價得分在0～0.9之間。城鎮建設用地影響下的耕地適宜性，距城鎮越近的地類元胞，耕地適宜性越低，轉化為耕地的概率越小，距城鎮越遠，地類元胞的耕地適宜性越高，轉化為耕地的概率越大。

根據耕地適宜性及空間鄰域適宜性的評價結果，考慮因素的影響程度及重要性，結合專家打分法，對影響耕地適宜性綜合評價的兩個因素權重賦值，其中耕地適宜性權重為0.8，空間鄰域適宜性權重為0.2，運用ArcGIS空間分析，對兩個因素加權求和得到耕地適宜性綜合評價得分在0.49～0.90之間，從圖3耕地適宜性綜合評價結果圖中看出，現狀為城鎮建設用地的適宜性得分偏低，因為城鎮建設用地作為耕地的適宜性較低，且在空間分布上，不適宜轉化為耕地；西北部地區，由于土地利用現狀為河流，不適宜作為耕地，因此耕地適宜性綜合評價得分較低。

3.2 限制性約束分析

3.2.1 城鎮發展區條件約束

隨著經濟的發展，人口的增加，建設用地的需求量也在不斷增加，城鎮建設用地的擴張是當前土地利用變化的主要特征，城鎮建設用地的擴張與耕地保護之間存在著很大的矛盾。在保護耕地的同時，需要滿足不斷增加的人口對建設用地的需求。因此，對于城鎮規劃發展區，要作為耕地變化的空間限制條件。將蘭考縣城市總體規劃（2013—2020年）矢量數據轉化為100 m×100 m柵格圖層，然后進行重分類，鄉鎮建設發展區為1，表示對耕地空間發展有約束；其他地區為0，對耕地發展沒有約束。

3.2.2 生態條件約束

1）黃河及蘭考縣境內的其他河流水系，不僅提供居民生活飲水、農業灌溉用水及工業用水，而且具有調蓄洪水和凈化水質等功能[30-31]，因此，要嚴格保護蘭考縣具有生態功能的河流，保證居民生產生活正常用水，通過數據轉換及重分類，生態河流為1，限制其轉化為耕地；其他非河流水系為0，對耕地發展無限制。

2）泡桐作為蘭考縣的主要林地，發揮重要的生態服務價值。蘭考縣的生態環境曾遭受風沙、澇漬、鹽堿危害，泡桐具有生長速度快、生命力頑強，能夠在極其貧瘠的土壤中成活的優點，成為綠色屏障，尤其靠近河流的泡桐更具有防風固沙、涵養水源、保持水土的作用，有效地阻擋了風沙，改善了農田的生態環境，提高糧食產量。因此，靠近河流的林地雖然評價具有耕地適宜性的特點，但其生態功能價值遠大于作為耕地的農業生產價值，根據蔣琛、徐有鋼等關于河流生態環境敏感性分析研究表明，河流生態環境敏感區分布在距離河流20～50 m的緩沖區內[32-33]，依據蘭考縣綠地系統規劃，并結合蘭考縣林地分布現狀，以50 m距離為閾值，運用ArcGIS對河流圖斑且在面外部做緩沖區分析，在2009年土地利用現狀圖中選擇與緩沖區相交的林地作為生態林地，通過數據轉換及重分類，生態林地為1，限制轉化為耕地；其他非生態林地為0，對耕地發展無限制。

3.2.3 地類條件約束

土地利用現狀地類中，鐵路、公路、風景名勝、水工建筑及建制鎮用地在未來不會轉化為耕地，因此作為限制條件。對2009年蘭考縣土地利用現狀圖進行轉換及重分類，鐵路、公路、風景名勝、水工建筑及建制鎮用地為1，對耕地發展有約束；其他地類為0，對耕地發展無約束。

3.3 競爭優勢分析

在本文開發的CA模擬系統中，競爭優勢是重要的元胞演變規則。《中華人民共和國土地管理法》第四十二條中明確提出復墾的土地當優先用于農業，這充分落實了最嚴格的耕地保護制度。作為土地利用總體規劃中的允許建設區，是指城鄉建設用地規模邊界所包含的范圍，是規劃期內新增城鎮、工礦、村莊建設用地規劃選址的區域，也是規劃確定的城鄉建設用地指標落實到空間上的預期用地區，因此，不能轉化為耕地的允許建設區轉化為其他地類具有優勢；而作為有條件建設區、限制建設區及禁止建設區轉化為其他地類的優勢較弱。根據分析，對規劃數據庫中的建設用地管制圖層進行數據轉換及重分類，其中允許建設區為1，轉化為其他地類具有競爭優勢，其他建設區為0，轉化為其他地類無競爭優勢。

4 耕地規劃模擬

4.1 基于CA模擬系統的耕地規劃模擬

根據土地適宜性分析結果，得到適宜性、限制性以及競爭優勢3個柵格圖層參數，根據蘭考縣2020年耕地規劃指標為76 411.32 hm2，作為模擬系統的規模控制指標。由于本文劃分的元胞柵格為100 m′100 m，因此，每個元胞柵格為10 000 m2，所以將研究的元胞規模指標設置為76 412個。經元胞自動機的迭代計算，得到2020年的耕地規劃分布圖，如圖4所示。

圖4 2020年耕地模擬結果

經統計結果顯示，2020年模擬的耕地總規模為76 412個元胞。由于每個元胞柵格面積為10 000 m2，因此，模擬2020年蘭考縣耕地總面積為76 412 hm2，即滿足2020年76 411.32 hm2的耕地規劃指標。從圖中地類空間分布可以看出，通過元胞轉換規則的設置，實現了2020年蘭考縣河流及部分林地作為生態用地的目標，并沒有轉化為耕地，體現了生態用地及城鎮發展變化對耕地規劃的限制性影響；城鎮建設用地基本上作為非耕地存在，因為從耕地適宜性及空間鄰域性因素考慮，建設用地不適宜作為耕地；作為2020年土地利用總體規劃的允許建設區轉化為其他地類具有優勢。

4.2 模擬結果分析

為了研究2020年耕地結構變化，將2020年模擬結果與2009年土地利用現狀疊加，分析耕地的增減變化如表2所示。分析表2得到，與2009年相比，2020年蘭考縣耕地面積增加了8 000.69 hm2。其中，有8 227.13 hm2其他土地轉化為耕地，且主要由村莊、內陸灘涂及果園等地類轉化而來。由于城鎮發展規劃，建設用地占用耕地，使得2020年蘭考縣水田、水澆地及旱地總面積相比較2009年減少226.44 hm2。

從耕地的自然條件角度考慮，村莊通過空心村整治，節約的土地能夠滿足作為耕地需要的灌溉、質地等自然條件，土地的適耕性較好；內陸灘涂作為耕地后備資源具有較好的土壤質地及水源條件，耕地適宜性較好，轉化為耕地的可能性比較大。因此，從2020年轉化為耕地的地類可以看出，此次耕地變化的模擬結果更好的考慮了土地的適耕性的自然條件。

表2 2020年模擬耕地與2009年土地利用現狀疊加分析

4.3 模擬結果驗證

土地適宜性CA模擬規劃的耕地是否能滿足預期的目標，需要對模擬結果進行驗證。對模擬結果的驗證主要是對模擬的耕地及現行規劃的耕地進行質量差異性分析，耕地的質量主要體現在適宜性評價結果中。通過ArcGIS的分析統計功能，分別統計模擬耕地和現行規劃中耕地的適宜性評價分值狀況，結果見表3。

表3 耕地適宜性評價分值對比分析

從表3中平均值看出，模擬的耕地適宜性評價得分平均值為0.77，現行規劃耕地適宜性得分平均值為0.73，低于模擬的平均值，說明用本次元胞自動機模擬的耕地，土地適宜性分值高于現行規劃中的耕地。從最小值、最大值和標準差3個指標可以看出，模擬耕地的自然基礎條件較高于現行規劃中耕地的現狀，且狀況更加均一。因此，用本文開發的土地適宜性CA模擬系統進行土地利用總體規劃中的耕地模擬，可以得到更優的結果。

5 結 論

通過對土地進行適宜性分析，運用土地適宜性CA模擬系統對河南省蘭考縣2020年的耕地規劃進行模擬，得到如下結論：

1）蘭考縣耕地適宜性綜合評價得分在0.49～0.90之間，其中城鎮建設用地區及西北部的河流區域適宜性得分偏低，不適宜作為耕地。

2）對耕地規劃模擬結果進行分析得到：2020年耕地空間分布基本上避開城鎮發展、河流及林地生態用地及其他地類因素的影響；數量上有226.44 hm2的耕地變為其他用地，8 227.13 hm2的其他土地轉變為耕地，主要由村莊、內陸灘涂及果園等地類轉化而來。

3）對耕地規劃模擬結果進行驗證得到：通過CA模擬系統模擬規劃的耕地在質量及自然基礎條件方面都高于現行規劃的耕地。

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Fang Aman, Chen Weiqiang, Dong Jihong. CA simulation and verification of cultivated land planning based on land suitability [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 219－225. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.030 http://www.tcsae.org

CA simulation and verification of cultivated land planning based on land suitability

Fang Aman1, Chen Weiqiang2, Dong Jihong1※

(1.221116,;2.450002,)

CA simulation system of cultivated land planning can be used for planning cultivated land scientifically and rationally, so as to provide a reference for managers to make the general land use planning. Indices constraining and partitions controlling, as the existing pattern of general land use planning, is to ensure the total amount stable of cultivated land. However, phenomenon such as the unreasonable index of land quantity, the inadequate index of building land occupation, and the decline of cultivated land quality from ‘Dynamic Balance of Total Amount of Cultivated Land’, leads to the relevant departments cannot but make adjustments to the planning. Previous research of cultivated land is mainly focused on its protection, evaluation as well as change. There is a little literature on cultivated land planning. CA simulation system is a user-defined tool of ArcGIS, which is easy to be invoked in Geographic Information System (GIS). In the CA simulation system, the land suitability and planning indicators are taken as the cell transformation rule and constraint condition respectively, and optimal probability is used to select strategy. The paper taking Lankao County in Henan Province as example, selected the natural factors which affect the distribution of cultivated land, including soil texture, soil organic matter, effective thickness of soil layer, irrigation guarantee rate, distance to roads, distance to villages and slope; the ecological limiting factors of river and forest land that restrict the spatial distribution of cultivated land; and competitive factors for the conversion of other land to cultivated land from the three aspects of suitability, limitation and competition. Delphi method and expert scoring method were applied to calculating the weights of those factors. The evaluation score of cultivated land suitability is 0.46-0.91, while that of land suitability is 0.49-0.90 combining with spatial neighborhood analysis. The research result shows that in 2020 the area of cultivated land in Lankao County will increase by 8 000.69 hm2and reach to 76 411.32 hm2by overlaying with the land use status map in 2009. Because the urban development made the area of cultivated land decreased by 226.44 hm2, while the utilization conversion of village, inland beach, orchard land and other land made the area of cultivated land increased by 8 227.13 hm2. The results show that the quality of cultivated land in 2020 is relatively higher than that of the cultivated land in current land use planning, and the space distribution is stable by avoiding the town development, ecological protection and other factors. The study has important guiding significance for the future land planning.

land use; consolidation; models; cultivated land planning; land suitability; CA simulation system; planning simulation; Lankao County

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.030

F301.23

A

1002-6819(2017)-08-0219-07

2016-08-29

2017-03-28

國家自然科學基金面上項目（51374208）；國家自然科學基金項目（41501189）

房阿曼（漢族），女，河南鄧州人，博士生，主要從事礦山生態與景觀生態規劃方面的研究。徐州中國礦業大學環境與測繪學院，221116。Email：fangaman123@163.com

董霽紅（漢族），女，山西芮城人，教授，博士生導師，主要從事礦山生態與景觀生態規劃方面的研究。徐州中國礦業大學環境與測繪學院，221116。Email：dongjihong@cumt.edu.cn