基于GIS技術的永久基本農田劃定方法研究

齊俊，梁勇，崔傳寶，蔡永寧，王長鵬，吳凱

(1.濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101；2.濟南市自然資源和規劃局，山東 濟南 250101)

0 引言

耕地是我國最為寶貴的資源，是農村發展和農業現代化的根基命脈，是農民最重要的生產生活資料，是國家糧食安全的基石[1]。黨中央、國務院高度重視耕地保護，要求嚴守耕地保護紅線，劃定永久基本農田，習近平總書記指出要像保護大熊貓一樣保護耕地。為了貫徹落實最嚴格的耕地保護制度，進一步加強基本農田管理，國土資源部、農業部研究決定，在已有劃定基本農田的基礎上，將城鎮周邊、交通沿線易被占用的優質耕地優先劃為永久基本農田，進一步嚴格劃定永久基本農田保護紅線。全面劃定永久基本農田是保障國家糧食安全、實施“藏糧于地、藏糧于技”戰略的重大舉措，是推動節約集約用地、促進生態文明建設的重要途徑，是推動農村發展和農業現代化建設、維護農民權益的重要保障。

不少學者對基本農田劃定進行了研究，孫祥龍等[2]用ArcGIS空間分析結合農用地分等資料劃定基本農田，王曉燕等[3]采用模糊優選模型結合GIS空間分析劃定永久基本農田，這些研究對基本農田劃定問題具有積極的推動作用，但往往對GIS的空間分析功能應用不夠深入。本研究以長清區為例，運用ArcGIS空間分析技術方法，綜合分析影響永久基本農田劃定的多種評價因子，生成了耕地圖斑在每一種評價因子作用下的空間分布圖，直觀展示了耕地的評價情況，探討了永久基本農田劃定的有效方式，達到將優質耕地劃為永久基本農田，保護耕地的目的。

1 研究區概況

長清區位于濟南市西南部，東與歷城區、市中區接壤，西與德州市齊河縣隔黃河相望，南與平陰縣相鄰，北鄰槐蔭區，是山東省會濟南西部新城區。長清區東依泰山，西濱黃河，南北長50.3 km，東西寬50.8 km，總面積1178 km2，轄7個街道辦事處、3個鎮，人口約60萬人。長清區地處泰山隆起邊緣，東南為山區，境內河流較多，主要有黃河、南北大沙河、玉符河等。氣候屬于溫暖帶大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫13.8°，年平均降水量623.1 mm。長清區為地勢東南高，西北低的傾斜地勢，由東南向西北依次是山區、丘陵、山前平原和黃河洼區。區內土質主要為棕壤土、褐土和沙風土。

2 數據基礎與研究方法

2.1 數據基礎

該文主要數據有長清區第二次土地調查的土地利用現狀數據、長清區2015年變更調查數據、長清區2 m格網DEM數據、長清區2015年耕地質量等別成果、濟南市城市總體規劃圖、長清區2015年基礎路網數據、長清區2015年居民點數據。

2.2 研究方法

根據本次永久基本農田劃定的具體要求，需要對原有基本農田中符合本次劃定要求的基本農田保留，對不符合本次劃定要求的劃出基本農田，對一般耕地中優質耕地劃入永久基本農田，最終達到“優進劣出、提升質量”的劃定要求。該文將對研究區范圍內耕地圖斑進行綜合等級評定，根據綜合等級情況進行“劃入劃出”。

根據長清區耕地現狀及社會經濟發展情況，以2015年耕地現狀圖斑為基礎單元，綜合考慮影響永久基本農田劃定的各種因素，確定評價指標因子，并采用特爾菲法即充分征求相關專家意見，判斷因素的重要程度，確定評價指標的權重，運用ArcGIS的空間分析功能獲取各評價指標的空間屬性數據，采用多因素加權分析法對耕地劃入永久基本農田進行綜合評價，根據各評價指標的綜合得分排序，結合永久基本農田劃定劃入劃出原則，將集中連片、質量等別高、自身聚集度高、規模較大有良好水利與水土保持設施的耕地優先劃為永久基本農田，并利用GIS空間分析技術[4]得到長清區永久基本農田空間分布圖。

3 技術路線

3.1 評價指標選擇

永久基本農田評價指標的選取應科學合理，并且可以衡量整個研究區域的耕地質量。結合本次永久基本農田劃定的相關要求，永久基本農田的劃入因素主要包括：①耕地質量等別：綜合多種因素的耕地質量等別評價情況，包括土壤有機質含量、耕作層厚度、表層土壤質地、灌溉保證率、灌溉水質、排水條件等；②耕地連片度[5-6]：“優質集中”作為永久基本農田的標準之一，就是要將集中連片的優質耕地優先劃為永久基本農田；③耕地坡度大小：一般分為2°以下、2°～6°、6°～15°、15°～25°和25°以上；④交通便利性：交通沿線易耕作的優質耕地應優先劃為永久基本農田；⑤居民點輻射度：農村、城鎮等居民點周邊易于耕作的優質耕地應優先劃為永久基本農田。⑥政策因素：永久基本農田劃定受各種政策因素影響，包括已批準的城市總體規劃、土地利用總體規劃、片區控制性詳細規劃等。由于在政策影響范圍內的耕地不應劃入永久基本農田，故該文不將政策因素作為永久基本農田劃定的影響因子，而是直接采用GIS方法，將研究區內耕地圖斑直接與規劃數據套合，除去規劃范圍內的耕地圖斑。因此，該文選擇耕地質量等別、耕地連片度、耕地坡度、耕地交通便利性和耕地居民點輻射度5個評價指標因子。

3.2 確定評價因子權重

確定評價因子權重的方法很多，主要有特爾菲法、主成分分析法[7]、層次分析法[8]等，綜合考慮各種方法的優缺點，該文采用特爾菲法確定評價指標的權重，即在充分征求相關專家意見的基礎上，結合研究區域的實際情況和永久基本農田劃定技術要求，得到該文所研究的各指標權重。

表1 耕地劃入永久基本農田評價指標因子權重

3.3 耕地坡度及分析方法

按照永久基本農田劃定技術要求，坡度大于25°的耕地和坡度在15°～25°之間且無水土保持條件的耕地不能劃入永久基本農田，結合已有的DEM數據，采用GIS手段[9]對DEM數據進行空間分析，在DEM模型的基礎上使用Slope工具生成坡度模型，然后根據相關技術要求，對坡度模型進行重新分級，以2°、6°、15°和25°為分界點，制作整個研究區內的坡度分布圖，分別統計坡度在2°以下、2°～6°、6°～15°、15°～25°和25°以上的耕地面積。

通過疊加2015年土地利用現狀數據，通過ArcGIS運算處理，計算出長清區范圍內所有耕地的坡度情況。

3.4 耕地連片度及分析方法

本次永久基本農田劃定，國家有明確規定，與已有劃定基本農田集中連片，質量等別達到所在縣(市、區)域平均水平以上的耕地，要優先劃入永久基本農田。可見基本農田劃定不能只追求耕地的數量、質量，而忽略“集中連片”的要求，使基本農田保護區范圍內的耕地地塊分布零散，不便于規模作業，該文使用耕地連片度來表示耕地集中連片的情況。

(1)耕地連片度判斷

綜上所述，對當前的電氣工程及其自動化控制而言，PLC技術是一項先進的技術。為進一步提高技術創新水平，需要技術人員不斷總結，并提出實踐應用策略，以確保電氣工程自動化控制技術不斷發展，同時加強安全控制策略研究，更好的促進工程的可持續發展。

耕地連片度為耕地中同一耕地質量范圍內，地塊的相連程度[9-0]，兩個地塊空間距離小于《第二次全國土地調查技術規程》線狀地物分割圖斑的標準，即地塊間距20 m以內相通、相連的，地塊間地類界線、行政界線、水渠、田埂、田間道路等不作為集中連片的分割物。一般來說縣級(含)以上公路、鐵路相隔的地塊不視為集中連片，特殊情況如公路、鐵路以高架形式貫通，高架下面水利、交通保持暢通的視為集中連片。耕地地塊與可調整地類、確定為名優特新農產品生產基地的其他農用地相通、相連的，視為集中連片。

(2)耕地連片性在ArcGIS軟件中的分析

根據長清區的實際情況，結合《第二次全國土地調查技術規程》中的相關要求，本研究連片度閾值設定為20 m。利用ArcGIS軟件中的緩沖區分析工具，將閾值設為20 m，所得到的融合后的連片區域即為該區域內所包含的連片地塊的連片區域[11-12]，該文采用融合后連片區域的面積大小作為衡量耕地連片性的主要指標，認為融合后的連片區域面積在整個研究區域的總面積中的比例越大，其連片性越好，表達公式如下：

B=S/S總

(1)

式中：B為耕地地塊的連片性得分；S為融合后連片區域面積；S總為研究區域總面積。

3.5 耕地交通便利性分析

本次永久基本農田劃定，要求將城市周邊、交通沿線易被占用的優質耕地優先劃為永久基本農田，這就要把耕地的交通便利性作為本次永久基本農田劃定的衡量因素，耕地地塊離交通線路的遠近直接影響著耕地的投入成本，在其他條件相同的情況下，距離交通干線越近的耕地所需投入的勞動和時間成本也較小[13]。

本研究將長清區范圍內的主要交通干線矢量數據與耕地圖斑相疊加，采用GIS技術分析耕地圖斑到最近的交通干線的距離，認為耕地圖斑離最近的交通干線的距離越近，則耕地的交通便利性越好。采用以下公式計算：

D=1-Li/Lmax

(2)

使用ArcGIS軟件中Near工具，計算出每個耕地圖斑到最近的交通干線的距離，并根據公式(2)得到耕地的交通便利性得分。

3.6 居民點輻射度分析

和耕地的交通便利性類似，耕地的居民點輻射度也在一定程度上影響著耕地的投入成本，在其他條件相同的情況下，耕地的居民點輻射度越高，則投入的勞動和時間成本越少。本研究以耕地地塊離居民點的遠近來表示該地塊的居民點輻射程度，認為離居民點越近，居民點輻射度越高。采用以下公式計算耕地的居民點輻射度：

D=1-Li/Lmax

(3)

式中：D為耕地居民點輻射度得分；Li為耕地圖斑到最近居民點的距離；Lmax為長清區內所有耕地圖斑中到最近居民點的最大值。

使用ArcGIS軟件中Near工具，計算出每個耕地圖斑到最近的居民點的距離，并根據上述公式得到耕地的居民點輻射度得分。

3.7 永久基本農田劃定綜合評價

由于評價指標的取值范圍和量綱不一致，需要先將各評價指標得分進行標準化，為了便于統計和表達，該文將各評價指標得分標準化為0～10。由于連片度、交通便利性和居民點輻射度三個指標因子得分越大，耕地地塊劃入永久基本農田概率越大，故采用公式(1)進行標準化；而坡度和耕地質量等別兩個指標則相反，故采用公式(2)進行標準化。標準化后指標因子大小都與劃入永久基本農田概率成正比。

(4)

(5)

式中：hij為第i個地塊在第j個評價因子標準化后的得分；aij是第i個地塊在第j個評價因子下的得分；aimax和aimin分別是在第j個評價因子下的最大值和最小值。

該文采用加權求和的方法確定耕地地塊的綜合得分，加權求和的表達式為：

(6)

式中：Hi為第i個地塊的綜合得分；m為影響因子個數，即m=5;hij為標準化后的第i個地塊第j個影響因子得分；fj為第j個影響因子的權重。

4 結果與分析

4.1 數據分析

耕地坡度采用耕地地塊的平均坡度來定義，使用ArcGIS軟件中Slope工具對DEM數據進行處理，Output measurement輸出因子選擇DEGREE，Z factor=1，生成坡度后與耕地圖斑疊加分析并柵格化得到長清區耕地坡度分布圖。把長清區內耕地圖斑Buffer處理，Linear unit設為20 m，并按照公式(1)計算每個圖斑的連片度得分，新建連片度得分地段，以“LPD得分”作為柵格化字段對矢量數據進行柵格化，得到長清區耕地連片度和坡度空間分布圖(圖1)。

圖1 長清區耕地連片度和坡度空間分布圖

依據上文分別新建交通便利性字段“JTBLX得分”和居民點輻射度得分字段“JMDFSD得分”，根據ArcGIS軟件中near工具結合公式計算出“JTBLX得分”和“JMDFSD得分”，利用GIS空間分析方法分別得到長清區耕地交通便利性分布圖和居民點輻射度分布圖(圖2)。

圖2 長清區耕地交通便利性分布圖和居民點輻射度分布圖

4.2 綜合得分及評價

根據耕地地塊各指標因子的得分和權重，由加權求和的方法計算出耕地地塊的綜合得分[14]，經統計，長清區耕地地塊的綜合得分介于1.6～6.4之間(表2)，根據綜合得分的直方圖分布(圖3)，將綜合得分劃分為6個區間，分別統計每個區間內耕地面積，如表2所示，可以看出一等級耕地占長清區耕地總量為41.31%，比例最大，長清區永久基本農田保護目標為38700.00 hm2，按照綜合得分由高到低篩選耕地，直到滿足長清區永久基本農田保護任務。

表2 長清區耕地地塊綜合得分統計

圖3 長清區耕地地塊綜合得分頻次直方圖

4.3 永久基本農田劃定

本次研究將長清區內綜合得分較高的耕地地塊劃入永久基本農田，將各指標因子空間分布柵格圖疊加分析，可以得到綜合評價后長清區耕地空間分布柵格圖(圖4)，結合長清區永久基本農田保護目標，考慮到政策因素及長清區發展用地需求[15]等影響，擬將Hi>4.4的37300.00 hm2耕地劃為永久基本農田，由于長清區永久基本農田保護目標為38700.00 hm2，需將3.6

5 結論

該文總結了基于GIS技術的永久基本農田劃定方法，即綜合考慮影響永久基本農田劃定的各種因素，確定耕地質量等別[16]、連片度、坡度[17]、交通便利性和居民點輻射度5個評價指標因子作為本研究的評價指標，采用特爾菲法確定評價指標的權重，通過多因素加權分析法計算耕地的綜合評價指標得分，結合GIS空間分析技術和長清區永久基本農田保護任務，得到長清區永久基本農田劃定成果。

圖4 長清區耕地綜合得分空間分布圖

圖5 長清區永久基本農田分布圖

從長清區永久基本農田的劃定結果看，本研究方法可有效地對研究區范圍內的耕地進行綜合評價，可以直觀地展示綜合評價結果，對研究基本農田劃定具有一定的參考意義，顯示了GIS技術在永久基本農田劃定中的廣闊前景。

永久基本農田劃定涉及多個方面，是一項較為復雜的工作，由于各方面的限制，本研究包含的評價指標不夠全面，如政策因素，該文只是將政策因素涉及到的耕地直接劃出，沒有對其進行更深入的研究；對于研究區范圍內建設用地增加和人口增長因素對于永久基本農田布局的影響還有待深入的研究。