基于空間分異的高標準農田建設空間特征判別系統設計與實現

李少帥，鄖文聚，張 燕，楊 劍，曹文靜，李紅舉，陳元鵬

（1.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京100083；2.自然資源部國土整治中心，北京100035；3.農業農村部工程建設服務中心，北京100081；4.深圳市房地產和城市建設發展研究中心，深圳518040）

0 引 言

《全國高標準農田建設總體規劃》（以下簡稱《規劃》）提出，“十二五”期間建成高標準農田0.27億hm2，到2020年建成高標準農田0.53億hm2。為落實《規劃》提出的建設目標，已初步形成了統一建設標準[1]，統一評價標準[2]，統一上圖入庫[3]的建設管理體系。截至2016年底，全國已建成高標準農田約0.32億hm2[4]。2019年中央1號文件再次強調，2020年要確保建成0.53億hm2高標準農田，當前，高標準農田建設已步入攻堅階段，建設重點由布局謀劃轉向進度推進和監管考核。統一上圖入庫是國家層面實施高標準農田監管的重要方式，其以國土資源遙感監測“一張圖”和綜合監管平臺為依托，實現上圖入庫信息集中統一管理，進而了解高標準農田建設范圍、規模、主要工程量和建設成效等信息。然而不能據此判別各地開展的農田建設項目是否契合高標準農田建設的規范要求。進一步完善高標準農田綜合監管平臺有關功能，實現高標準農田建設快速判別對提升監管效能具有重要的現實意義。

目前，國內開展的高標準農田有關研究較多，從研究目標入手，主要集中于3方面：1)為完善高標準農田建設制度和政策方面的研究，包括高標準農田建設機制研究[5-6]和實施保障研究[7-8]。2)為做好高標準農田規劃設計等前期工作開展的研究，包括高標準農田建設時序安排研究[9-12]，選址研究[13-15]，適宜性評價[16-17]，區域劃定[18-19]等。3)為高標準農田監管評價工作提供借鑒的研究，此類研究目前主要集中在成效分析方面，包括高標準農田建設后的綜合效益評價或社會經濟生態等單方面的建設效益評價研究[20-25]。其中，涉及高標準農田判別、直接服務于監管工作的研究較少，且研究的空間尺度較小[26-27]。鑒于不同區域自然地理和社會經濟的差異性，農業生產的限制性因素差別較大，采取的高標準農田建設措施亦不同，建成的高標準農田在空間特征上亦有明顯差異，已有研究基于單個縣域或單個土地整治項目區形成的研究方法可移植性不高。鑒于此，本研究在總結和歸納高標準農田建設空間分異的基礎上，以高標準農田建設空間特征的有關要求[1]為依據，利用GIS技術構建了高標準農田建設空間特征判別系統，初步實現了高標準農田建設空間特征的自動化判別功能，以期為進一步完善高標準農田建設管理工作，提升監管效能提供參考。

1 系統研發的關鍵問題

1.1 理論依據

太陽輻射和地球內能等因素使得地球呈現明顯的地帶性和非地帶性空間分異規律[28]，受該規律影響，不同區域的種植制度和農業生產方式有明顯差異，限制農業生產的主要因素也就不同，使得高標準農田建設的工程內容和空間布局呈明顯的區域特征，《規劃》依據區域氣候、地形地貌、水源、地質、土地利用條件等因素，將全國劃分為東北平原區、華北平原區、北方山地丘陵區、黃土高原區、內陸干旱半干旱區、南方平原河網區、南方山地丘陵區、西南高原山地丘陵區8個工程類型區（圖1）。在對不同類型區的高標準農田空間特征進行判別時，需要依據空間分異規律，在符合有關標準[1]的前提下，對不同類型區建設的高標準農田空間特征設置差別化的判別指標和判別閾值。

圖1 全國高標準農田建設工程類型區劃分示意圖（不含港澳臺）Fig.1 Division diagram of national well-facilitated farmland construction type zone(HK,MC and TW not included)

1.2 構建差別化的空間特征判別指標體系

1.2.1 判別指標計算方法和閾值設定

高標準農田建設工程體系[1]包括7類工程，其中，與空間特征有關，區別于一般農田的工程措施包括土地平整、灌溉與排水、田間道路、農田防護與生態環境保護4類工程措施，涉及田塊規模、田塊形狀指數、灌溉設施配套率、排水（洪）設施配套率、道路通達度和農田防護比例6類判別指標（表1），各指標含義、空間判別方法和閾值確定依據如下。

1）田塊規模

即田塊的面積?！陡邩藴兽r田建設通則》依據空間差異，根據規模大小，將田塊劃分為北方平原條田（規模在1～30 hm2之間）、南方平原條田（規模在0.5～18 hm2之間）和梯田（規?！?.2 hm2）3種類型，系統根據此要求，結合《規劃》設定的8個工程類型區，將東北平原區、華北平原區、內陸干旱和半干旱區的田塊規模閾值設定為1～30 hm2，將南方平原河網區田塊規模閾值設定為0.5～18 hm2，將北方山地丘陵區，黃土高原區，南方山地丘陵區和西南高原山地丘陵區的田塊規模閾值設定為≥0.2hm2。系統設定相應工程類型區符合田塊規模要求的田塊占田塊總量的比例為100%。

2）田塊形狀指數

為便于機械作業，《高標準農田建設通則》要求田塊幾何形狀要近似于長方形，田塊形狀指數是指田塊規模與田塊最小面積外接矩形面積的比例[27]，該指標可以衡量田塊與長方形的相似程度。在田塊規模達標的前提下，當田塊形狀指數≥0.7時，田塊近似于長方形，可以滿足機械化作業要求。系統設定符合田塊形狀指數要求的田塊占田塊總量的比例為100%。

3）灌溉設施配套

指田塊具備灌溉條件，在判別空間特征時，灌溉渠系（管道）與田塊相切或相交的，視為灌溉設施配套。灌溉設施是高標準農田建設的必要內容，在實踐中，黃土高原區部分區域為雨養農業，年均降水量達450 mm以上，且集中在夏秋之際，與當地農作物生長吻合，不需要建設灌溉設施。除上述區域外，系統設定其他所有區域具備灌溉設施配套的田塊占田塊總量的比例為100%。

4）排水（洪）設施配套

指田塊具備排水（排洪）條件，在空間特征判別時，排水（洪）溝與田塊相切或相交的，視為排水（洪）設施配套。根據《規劃》，東北平原區、華北平原區、南方平原河網區主要修建排水溝改善項目區的排水條件。北方山地丘陵區、黃土高原區、南方山地丘陵區和西南高原山地丘陵區主要修建排洪溝以保持農田水土，防治水土流失。對于上述7個工程類型區，系統設定具備排水（洪）設施的田塊占田塊總量的比例為100%。對于內陸干旱半干旱區，《規劃》對排水設施沒有明確要求，系統對該類型區的排水（洪）設施配套率亦不做要求。

5）道路通達度

指田間道路直接通達的田塊占田塊總數的比例。在空間特征判別時，田間道路與田塊相切或相交的，視為道路通達?！陡邩藴兽r田建設通則》要求道路通達度在平原區達到100%，丘陵區達到90%。據此，系統設定東北平原區、華北平原區、內陸干旱半干旱區和南方平原河網區道路通達度為100%；設定北方山地丘陵區、黃土高原區、南方山地丘陵區和西南高原山地丘陵區道路通達度≥90%。

6）農田防護比例

指通過農田防護與生態環境保持工程建設，受防護的農田面積占建設區面積的比例。主要考慮2項工程因素，一個是防護林，另一個是田坎（谷坊、攔沙壩）。對于防護林，主要從防治風害的角度，通過計算緩沖區的方式計算受防護林防護的農田面積，具體算法可參考有關文獻[27]。對于田坎（谷坊、攔沙壩），在判別空間特征時，田坎（谷坊、攔沙壩）與田塊相切或在田塊范圍內的視為受田坎（谷坊、攔沙壩）防護的田塊（式（1）、式（2）），該因素指標涉及北方山地丘陵區、黃土高原區、南方山地丘陵區、西南高原山地丘陵區。根據《規劃》，系統設定內陸干旱半干旱區、南方平原河網區具備防護條件的田塊占田塊總量的比例≥80%，東北平原區具備防護條件的田塊占田塊總量的比例≥85%，其余工程類型區具備防護條件的田塊占田塊總量的比例≥90%。在對項目區的農田防護比例進行判別時，由用戶根據項目區面臨的主要限制性因素選取農田防護比例的判定因素。

式中L為田坎、淤地壩或谷坊；A為田塊；?A為A的邊界；A°為A的內部。

表1 高標準農田建設空間特征判別指標體系Table 1 Index system for identifying spatial feature of well-facilitated farmland construction %

1.2.2 綜合判別算法

根據《高標準農田建設通則》，上述各指標空間判別方法基于田塊尺度判別，指標閾值基于項目區尺度設定，考慮到道路通達度和農田防護比例的閾值設定存在區域差異，允許一部分因道路不通達或未受防護的田塊納入高標準農田范圍。因此，系統綜合判斷和提取項目區符合高標準農田建設空間特征的田塊包括2類：一類是依據木桶理論，將滿足所有判別指標要求的田塊作為符合高標準農田空間特征要求的田塊。另一類是在符合道路通達度和農田防護比例閾值要求的前提下，按照判別從嚴原則，從符合田塊規模、田塊形狀、灌溉設施和排水（洪）配套要求，道路不通達或未受防護的田塊中，優先將面積較小的田塊納入高標準農田范圍。

2 系統設計

2.1 應用場景設計

系統圍繞著高標準農田建設空間特征判別這一核心任務，根據服務對象、服務目標的不同，按照高標準農田建設流程，設計3個應用場景。場景1：服務于高標準農田建設項目規劃設計。項目設計單位通過系統對初步形成的項目規劃設計成果進行審查，結合項目區實際情況和審查結果完善項目規劃設計。場景2：服務于高標準農田建設項目竣工驗收。項目驗收單位通過系統對項目竣工后繪制的竣工圖進行審查，根據審查結果和實際情況輔助開展驗收工作或要求項目建設單位進行整改。場景3：服務于監管工作。省、部級管理部門在遙感監測和實地檢查的基礎上對項目竣工圖成果進行修正，通過系統對修正后的竣工圖進行審查，判別高標準農田建設情況。

2.2 流程設計

圖2表達了系統進行高標準農田建設空間特征判別的流程圖，包括5個關鍵環節：1）導入基礎數據?；A數據包括矢量和柵格2個類型，矢量數據根據應用場景分為規劃圖、竣工圖和修正后的竣工圖，是系統開展空間判別的核心數據；柵格數據一般是遙感影像，為輔助顯示高標準農田的建設效果。2）數據校驗。包括邏輯校驗和拓撲校驗。邏輯校驗主要檢查數據坐標系的合規性和田塊、各類工程圖層的齊全性。拓撲校驗主要檢查道路、灌溉渠系、排水溝、防護林帶等線性圖層是否自重疊或自相交。3）匹配工程類型區。系統自動將圖層數據與系統內置的高標準農田建設類型區圖層相疊加，為高標準農田建設項目區匹配可能涉及的工程類型區，用戶根據項目區實際情況在系統提供的工程類型區范圍內進行確認，系統根據用戶確認的工程類型區選定相應的空間特征判別指標體系。4）空間特征判別。按照空間特征判別指標分別判別項目區各田塊的空間特征。5）形成專題圖和判別報告。專題圖包括基于各評價指標分別形成的專題圖，如田塊形狀判別圖、道路通達度判別圖等，以及基于木桶理論形成的空間特征綜合判別圖。判別報告主要說明滿足空間特征要求的田塊數量、面積以及不滿足空間特征要求的田塊類型、數量和面積。

圖2 高標準農田建設空間特征判別流程圖Fig.2 Flow chart of identifying spatial feature of well-facilitated farmland construction

2.3 系統框架體系結構

系統采用C/S結構，基于Visual Studio.NET2013平臺和MySQL數據庫，結合Arc Objects組件，使用C#語言開發。基于面向對象思想，系統采用了三層架構設計模式（圖3），其優勢是可提高業務層代碼的重復使用，降低系統后期的維護成本和維護時間。三層架構包括表現層、業務層和數據層。其中，表現層是系統的界面設計，即展現給用戶的系統界面。業務層是指在表現層和數據層之間加入的一個中間層，是對具體問題進行操作，是實現系統各項功能的核心層，基于MapControl、PageLayoutControl、 TOCControl、 ToolbarControl 和LicenseControl組件，本系統的用戶管理、數據校驗、地圖基本操作、工程類型區匹配、空間判別，專題圖制作和專題報告生成等功能在該層實現。數據層是集成高標準農田建設有關數據和數據處理的核心層，該層實現了高標準農田相關數據的導入和刪除功能，并通過該層讀取數據庫中的高標準農田工程類型區數據、遙感影像、田塊數據、灌溉渠系、排水溝、田間道路等空間數據。

圖3 系統總體架構Fig.3 System architecture diagram

3 實證案例

該系統已在東北平原區、華北平原區、黃土高原區和南方山地丘陵區進行了試點試驗，因篇幅所限，本文選取地形較為復雜的黃土高原案例區和較為簡單的南方山地丘陵案例區說明系統試點情況。其中，黃土高原案例區數據來源于經過修正、拓撲分析與處理后的項目竣工圖，主要用于判別項目建成后是否滿足高標準農田空間特征要求，對應于場景3。南方山地丘陵案例區數據來源于經過拓撲分析處理后的項目規劃圖和無人機航拍影像，主要用于判別項目設計是否滿足高標準農田空間特征要求，對應于場景1。

3.1 案例區基本情況

陜西省延安市延長縣交口河鎮項目區（圖4a）地形復雜，生態環境較為脆弱，年降雨量近500 mm，且主要集中于夏季，防洪壓力較大，作為耕地來源的溝壩地狹窄分散，破碎化嚴重；缺乏田間道路設施，耕作不便。該項目采取土地平整，修建田間道、排洪渠、淤地壩和谷坊等措施，建設高標準農田，改善生態環境。案例區屬黃土高原工程類型區，因案例區年降雨量450 mm以上，不需建設灌溉設施，因此系統從田塊規模、田塊形狀指數、排洪設施配套、道路通達度、農田防護比例等5個維度判別高標準農田建設空間特征。鑒于案例區面臨的主要限制性因素是水土流失和夏季的洪澇災害，在判別農田防護比例時主要從谷坊（淤地壩）防護農田面積因素進行判別。

海南省?？谑协偵絽^舊州鎮項目區（圖4b）地屬羊山石塊地貌，氣候條件對農作生產有利，但氣象要素時空分布不均，冬春容易干旱，耕地田塊小而零散，石塊分布較多，農田水利設施不配套，易出現旱不能灌、澇不能排的問題，交通設施不健全，嚴重制約了農業生產。該區域擬實施高標準農田建設項目，通過土地平整移除雜亂石塊，歸并零亂田塊，建設蓄水池和灌溉管道，完善排水溝和田間道路工程，在此基礎上開展土地流轉，建設現代農業產業園區。案例區屬南方山地丘陵區，主要從田塊規模、田塊形狀指數、灌溉和排水設施配套、道路通達度、農田防護比例6個維度判別高標準農田建設空間特征。因項目區主要地形為臺地，無水土流失風險，在判別農田防護比例時選取防護林防風指標，因項目未設計防護林工程，筆者通過無人機航拍影像提取項目區內和項目區周邊的林帶，據此分析農田防護比例。

圖4 案例區位置圖Fig.4 Geographical location of study area

3.2 案例區高標準農田判別結果

黃土高原案例區包含77個田塊，總面積52.98 hm2。其中，符合田塊規模要求的田塊67個（圖5a），面積52.08hm2，田塊規模達標率為87.01%；符合田塊形狀要求的田塊64個（圖5b），面積12.83hm2，田塊形狀達標率83.12%；排洪設施配套田塊62個（圖5c），面積45.96hm2，排洪設施配套達標率80.52%；道路通達田塊70個（圖5d），面積48.5 hm2，道路通達度90.91%；受防護田塊64個（圖5e），面積49.21 hm2，農田防護比例83.12%?？傮w來看，符合條件的田塊47個（圖5f），總面積38.33 hm2。綜合判別這47個田塊，其農田防護比例為97.87%（1個田塊不具備農田防護條件），田塊規模達標率、田塊形狀達標率、排洪設施配套達標率和道路通達度均為100%，符合黃土高原工程類型區高標準農田建設空間特征判別指標的閾值要求。

圖5 黃土高原案例區高標準農田建設空間特征判別結果Fig.5 Results of spatial feature discrimination of well-facilitated farmland construction in study area on Loess Plateau

南方山地丘陵案例區總面積60 hm2，其中，規劃耕地面積30.07 hm2，其余以林地、草地為主。案例區耕地被設計為7個田塊，各田塊的規模和形狀均符合高標準農田空間特征要求（圖6a）。為解決案例區季節性干旱問題，擬在北部和中部新建2座蓄水池，并建設配套的PVC灌溉管道連接蓄水池和各田塊，保障案例區所有耕地得到有效灌溉（圖6b）。案例區各田塊均有排水溝相連（圖6c），道路通達度100%（圖6d）。案例區內和周邊已存在大范圍的防護林，可有效保護農田抵御風災（圖6e）?？傮w上看，案例區的7個田塊均符合高標準農田空間特征要求（圖6f）。

3.3 案例區判別精度分析

根據監測系統填報數據，黃土高原案例區項目驗收后實際確認的高標準農田為41.31 hm2。通過本系統判別滿足高標準農田空間特征的農田為38.33 hm2，據此構建誤差矩陣（表2）可計算得出該案例區總體判別精度為94.38%。

圖6 南方山地丘陵案例區高標準農田建設空間特征判別結果Fig.6 Result of spatial feature identifying of well-facilitated farmland construction in study area on southern hilly area

表2 黃土高原和南方山地丘陵案例區高標準農田判別誤差矩陣Table 2 Confusion matrix for identifying well-facilitated farmland in areas of southern hilly and Loess Plateau regions hm2

根據監測系統填報數據，南方山地丘陵案例區項目經評審批復的高標準農田為19.73 hm2。通過本系統判別經建設后可滿足高標準農田空間特征的農田為30.07 hm2，據此構建誤差矩陣（表2）可計算得出該案例區總體判別精度為65.61%。系統判別結果較批復實施的高標準農田多10.34 hm2，經核實發現差異在于：根據高標準農田定義，高標準農田必須是永久基本農田，而位于案例區南部的2個總面積10.34 hm2的擬建設田塊尚未劃定為永久基本農田，需經過實施且劃定為永久基本農田后才能認定為高標準農田，但其立地條件與已批復的19.73 hm2農田并無差異，扣除永久基本農田劃定這一因素后，該案例區總體判別精度為100%。

4 討 論

本文基于空間分異規律，依據高標準農田國家標準和規劃，梳理構建了差別化的空間特征判別指標體系，并在此基礎上形成了高標準農田建設空間特征判別系統。根據系統的試點試驗情況，需在如下2點進一步完善：

1）系統主要從田塊規模和形狀、灌排設施配套、道路通達、農田防護等空間特征判斷高標準農田建設情況，其優勢在于從外觀快速掌握高標準農田建設的總體情況，不足在于未涉及農田建設的工程質量、土壤質量、土層厚度等內容，而上述內容也是高標準建設考核的重要內容。從高標準農田全生命周期、全方位、全要素監管目標的角度考量，該系統在后續推廣使用的邏輯鏈條做如下建議：第1步是地方通過統一上圖入庫的方式填報高標準農田的建設范圍和建設規模等信息；第2步是監管部門通過遙感監測方式提取項目區各要素信息，并用該系統分析項目區高標準農田建設空間特征，與地方填報信息對比得出高標準農田建設的初步結果，為抽查工程做參考；第3步是在第2步的基礎上，利用實地核查APP系統有針對性赴項目區核查，并抽查工程和耕地質量，形成高標準農田建設的最終評價結果。至此才能完成高標準農田全鏈條監測監管。

2）現有系統依據木桶原理，任何指標在判別空間特征時具有一票否決權。當前國家以項目為載體落實完成高標準農田建設任務，在項目這種微觀的空間尺度上，即使在同一類型區存在相似的自然條件和相同的種植制度，因項目區之間已有的基礎設施條件不同導致項目間的投資強度和建設重點存在較大差異。宜在現有空間特征評價指標體系基礎上，對系統進一步改進，提供人機交互的指標權重設置界面，由項目驗收專家或評估專家依據區域實際情況設置空間特征評價指標權重，對區域農業生產的主要限制性因素涉及的空間形態指標給予較高權重，非限制性因素涉及的空間形態指標給予較低權重，使得判別結果更具針對性。

5 結 論

本文依據相關標準和規劃，構建了差別化的高標準農田建設空間特征判別指標體系，以此為核心設計和實現了高標準農田建設空間特征判別系統，以黃土高原案例區和南方山地丘陵區進行了實證試點。實證結果表明：1）用于監測評價場景的黃土高原案例區符合高標準農田空間特征的田塊面積38.33 hm2，其與經驗收后實際確認的高標準農田相比，總體判別精度為94.38%。2）用于設計評審場景的南方山地丘陵案例區田塊均符合高標準農田空間特征，總面積30.07 hm2，較批復立項的高標準農田多10.34 hm2，造成該差異的主要因素是部分田塊尚未劃定為永久基本農田，如扣除永久基本農田劃定這一因素，總體判別精度為100%。系統可為審查高標準農田建設項目規劃設計的合理性，輔助監管人員判斷高標準農田建設情況提供參考，但同時需要結合永久基本農田劃定，工程建設質量實地核查和耕地等別評定等因素綜合判定。