基于正态云模型与熵权法的景泰县耕地后备资源开发潜力评价*

叶　达，吴克宁， 2※，刘霈珈

(1.中国地质大学土地科学技术学院，北京　100083； 2.国土资源部土地整治重点实验室，北京　100035)



·技术方法·

基于正态云模型与熵权法的景泰县耕地后备资源开发潜力评价*

叶达1，吴克宁1， 2※，刘霈珈1

(1.中国地质大学土地科学技术学院，北京100083； 2.国土资源部土地整治重点实验室，北京100035)

耕地后备资源开发是关乎粮食安全的重要议题，耕地后备资源开发潜力评价是耕地后备资源开发的基础性工作。针对传统土地评价综合指数法、模糊综合法无法同时兼顾评价指标模糊性与随机性以及特尔菲法、层次分析法确定权重主观性过强的问题，研究以景泰县为例，将正态云模型与熵权法引入区域耕地后备资源开发潜力评价，建立综合考虑生态、自然、社会经济3方面的评价指标体系，对区域耕地后备资源开发潜力进行定量测度，并提出了针对性的政策建议。研究结果表明：景泰县各乡镇耕地后备资源开发潜力从2.2003到3.9880不等，潜力等别包括较低、中等和较高，对潜力等别为较高的上沙沃镇、寺滩乡、芦阳镇可作为耕地后备资源开发优先区域，对潜力等别为较低的五佛乡建议暂不考虑进行耕地后备资源开发。正态云模型与熵权法有效降低了偶然误差，提高了耕地后备资源开发潜力评价的准确性，该研究可为区域耕地后备资源开发潜力评价提供一定借鉴与参考。

耕地后备资源开发潜力正态云模型熵权法景泰县

0　引言

人多地少是我国的基本国情，粮食安全和耕地资源安全已引起我国政府及学术界的广泛关注。随着我国经济的快速发展、人口的持续增加、城镇化步伐的不断加快，我国耕地资源面临的形势愈趋严峻。耕地后备资源开发则是有效补充耕地数量、确保耕地红线目标、保障国家粮食安全的重要途径[1-3]。耕地后备资源开发潜力评价是土地评价的重要组成部分，也是耕地后备资源开发的基础性工作。当前我国对耕地后备资源的研究多集中于未利用地作为耕地后备资源的适宜性评价，较少涉及开发潜力，且仅有的一些耕地后备资源开发潜力评价在指标体系上多关注于自然及社会经济条件，对生态限制性考虑不足； 在指标权重的确定上多采用特尔菲法、层次分析法等，主观性较强； 在评价方法上则以综合指数法、模糊综合法等相关模型方法为主，无法同时兼顾对象的模糊性与随机性[4-7]。在对耕地后备资源开发潜力作定量测度时，这些传统方法已难以获得最终的准确结果。

为解决上述问题，可将正态云模型及熵权法引入耕地后备资源开发潜力评价中。正态云是一种用语言值来表示定性与定量相互发生不确定性转换的新模型，可以较好克服传统方法在对评价过程中定性与定量转换时产生的模糊性与不确定性问题[8-9]。熵是物理学中的重要概念，可以表示一个体系的混乱程度，用熵权表示评价指标的相对重要程度，其基本思想是认为评价指标的差异程度越大则越重要，权重也相应越大[10-11]。文章将正态云模型及熵权法应用于区域耕地后备资源开发潜力评价及其指标权重的确定上，综合考虑生态、自然、社会经济条件对耕地后备资源开发潜力的影响，对甘肃省景泰县耕地后备资源开发潜力进行评价，以期为景泰县耕地后备资源的开发及土地开发整理规划的编制提供依据。

1　研究区概况及数据来源

1.1研究区概况

景泰县位于甘肃省中部，隶属白银市，位于东经103°33′～104°43′，北纬36°43′～37°38′之间，东临黄河，与靖远县隔河相望，西部与古浪县、天祝藏族自治县相接，南与永登县、皋兰县及白银市白银区接壤，北与宁夏中卫市、内蒙古阿拉善左旗接壤。县境南北长70～102km，东西宽56～84km，总面积5432km2。景泰县辖6镇5乡及1农场，总人口24.10万人。2012年末，全县土地总面积54.852120万hm2，耕地总面积6.879951万hm2，耕地后备资源总面积5.521087万hm2，占全县土地总面积的10.07%。从耕地后备资源的构成来看，景泰县耕地后备资源类型包括可开垦其他草地、可开垦裸地、可开垦沙地、可开垦盐碱地、可开垦内陆滩涂及可复垦采矿用地，类型丰富； 从空间分布情况来看，景泰县耕地后备资源在除正路乡外的其他乡镇均有广泛分布。因此，利用耕地后备资源开发潜力评价，以耕地后备资源为评价对象，乡镇为评价单元，对景泰县复杂多样的耕地后备资源进行定性定量描述，划定景泰县耕地后备资源开发重点乡镇，可以最小的生态及社会成本最有效地补充耕地数量，维护区域粮食安全，具有重要的现实意义。

1.2数据来源

文中研究数据资料主要来源于各类统计资料、土地调查数据库及实地调查资料，其中，植被覆盖资料来源于景泰县第一次土地详查成果； 水土流失资料来源于景泰县防沙治沙规划(2011-2020)； 土壤资料来源于景泰县土壤图； 耕地后备资源面积及集中连片度资料来源于2014年景泰县耕地后备资源调查成果； 坡度资料来源于景泰县地形坡度图； 交通、耕作便利、灌溉及新增耕地资料来源于《景泰县统计年鉴2012》。

2　研究方法

2.1正态云模型

正态云模型是云模型的一种，由于社会和自然科学中大量事物的分布曲线都近似服从正态或半正态分布，所以正态云模型具有较高的普适性，其主要用期望(Ex)、熵(En)和超熵(He)来表征[9， 12]。该模型的运算理念可以分为以下几步：

1)生成正态随机数Eni′=NORM(En，He2)

(1)

式中，En和He2分别表示期望和方差，NORM表示为正态随机分布函数；

2)生成正态随机数xi=NORM(Ex，Eni′2)

(2)

式中，Ex和Eni′2分别表示为期望与方差；

(3)

4)(xi，μi)即构成数域中任意一个云滴；

5)重复1～4步，直到产生设定的n个云滴为止，云模型中的各个云滴组合即构成了云像。

2.2基于熵权的权重确定方法

目前常用的评价指标权重确定方法有德尔菲法(DELPHI)、层次分析法(AHP)、成本比较法及熵权法。为避免权重确定的主观性过强，降低不可控因素引起的不确定性，进而提高评价结果的科学性和准确性，该研究通过引入信息熵的概念，运用熵权法来确定各评价指标的权重[10]。其主要计算步骤如下：

1)设有m个评价对象，每个评价对象有n个指标，构建归一化判断矩阵：R=(rij)m×n；

(4)

(5)

(6)

2.3评价指标体系构建

基于景泰县自然、生态条件及社会经济的发展特点，根据耕地后备资源评价所遵循的层次性、科学性、完备性、可比性、数据可得性和可操作性等原则，充分考虑耕地后备资源开发潜力评价中各评价因子的复杂关系，借鉴国内外最新的相关研究成果[13～15]，在景泰县耕地后备资源开发潜力评价中建立了目标层、准则层、指标层3个层次， 13个指标的评价指标体系，具体结果及指标解释见表1。

表1景泰县耕地后备资源开发潜力评价指标体系

目标层准则层指标层指标解释指标性质耕地后备资源开发潜力生态适宜性植被覆盖率C1(%)有植被覆盖的面积占总面积的比例正水土流失风险系数C2(%)易发生水土流失的面积占总面积的比例负盐渍化风险系数C3(%)易出现盐渍化的面积占总面积的比例负自然适宜性土层厚度C4(cm)有效土层厚度是地力水平的一个重要指标正有机质质量分数C5(%)每千克土壤中有机质质量比例正耕地后备资源面积C6(hm2)反映评价单元内耕地后备资源的数量正表土石砾含量C7(%)反映土壤的表土质量水平负集中连片程度C8(%)最大连片面积占总面积的比例正地形坡度C9(°)反映耕作的便利及难易程度负社会经济适宜性交通便捷度C10(m)与最近有效道路的距离正耕作距离C11(m)与最近居民点的距离正灌溉保证率C12(%)能保障灌溉的面积占总面积的比例正新增耕地系数C13(%)新增耕地面积占开发面积的比例正

2.4基于正态云与熵权的综合评价模型

为避免评价指标权重确定的主观性，考虑到评价指标定量描述的模糊性与随机性，将正态云模型及熵权确定权重法有效融合，建立景泰县耕地后备资源开发潜力综合评价模型，具体步骤如下：

1)建立耕地后备资源开发潜力评价对象的因素论域U={u1，u2，u3，…，un}，评价论域V={v1，v2，v3，…，vn}。

2)利用Matlab软件，采用熵权法计算各个评价指标的权重W={w1，w2，w3，…，wn}，计算结果如表2所示。

(7)

由于边界值是从一种级别到另一种级别的过渡值，有一定的模糊性。因此，耕地后备资源开发潜力评价中的边界值应同时属于与其临界的两种级别，故有：

(8)

(9)

超熵Heij表示对熵的不确定性度量，反映出云滴的凝聚程度，一般为试验取值。在取值过程中，超熵的取值越小，则正态云的厚度越薄。在该研究中，超熵经验取值为0.01，正态云模型下各个评价指标所对应的评价等级划分结果如表2所示。

表2景泰县耕地后备资源开发潜力评价指标权重及评价标准

评价指标评价标准权重低潜力Ⅰ较低潜力Ⅱ中等潜力Ⅲ较高潜力Ⅳ高潜力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综合标准1～1.51.5～2.52.5～3.53.5～4.54.5～51.0000

4)依据耕地后备资源开发潜力评价指标体系的各个指标值，利用正向云发生器，确定出各个指标对应每个等级的云模型隶属度矩阵Z=(zij)n×m。由于云模型得出的隶属度矩阵不同于传统模糊数学中的隶属矩阵，因此，为提高评估的可信度，需要重复多次运行正向云发生器，并计算在不同隶属度情况下的平均综合评估值：

图1　景泰县耕地后备资源潜力评价综合评判正态云模型

(10)

5)评价权重集W属于U在V内的模糊子集，利用权重集W与隶属度矩阵Z进行模糊转换得出评价集V上的模糊子集B：

B=W×Z=(b1,b2,b3,…,bm)

(11)

3　结果与分析

利用已经建立的景泰县耕地后备资源开发潜力评价指标体系与评价标准，对应景泰县各乡镇耕地后备资源开发潜力评价指标数据，计算得出各乡镇各单因子的分值。再根据评价指标权重，计算得出各乡镇的耕地后备资源开发潜力评价综合分值。基于综合评判正态云模型，可得出景泰县耕地后备资源开发潜力评价结果：具有较高耕地后备资源开发潜力的是上沙沃镇、寺滩乡及芦阳镇，具有中等耕地后备资源开发潜力的是红水镇、漫水滩乡、条山农场、草窝滩镇、一条山镇、中泉乡、喜泉镇，五佛乡的耕地后备资源开发潜力较低。具体评价结果如表3所示。

表3基于正态云模型与熵权法的景泰县耕地后备资源开发潜力评价

评价结果一条山镇芦阳镇上沙沃镇喜泉镇草窝滩镇红水镇中泉乡寺滩乡五佛乡漫水滩乡条山农场单因子分值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综合分值2.97583.56793.98802.78333.11753.44182.95233.82952.20033.28093.2231潜力划分ⅢⅣⅣⅢⅢⅢⅢⅣⅡⅢⅢ

景泰县耕地后备资源总体上为中等开发潜力，但存在一定的区域差异。由表3可以得出，景泰县各乡镇中有3个乡镇具有较高的耕地后备资源开发潜力，有7个乡镇具有中等耕地后备资源开发潜力，有1个乡镇耕地后备资源开发潜力较低，没有出现高潜力或低潜力的评价结果，其开发潜力主要集中于中等潜力级，这与景泰县自然、生态及社会经济条件是相符合的； 再比较综合分值最高的上沙沃镇和综合分值最低的五佛乡，两者的综合分值分别为3.9880和2.2003，潜力等别也从较高变化到较低，具有一定的区域差异性。对导致景泰县耕地后备资源开发潜力差异的主要因素进行分析，有以下三方面。

(1)生态因素。景泰县属黄土高原区，受干旱气候的影响，降水不足，有灌溉保障地区如上沙沃镇，其地表植被覆盖度较高，而无灌溉保障地区如五佛乡，其植被覆盖度较低； 由于土壤具有一定的含盐量，长期灌溉的情况下灌区下游会出现不同程度的盐渍化情况，因此，盐渍化也是限制景泰县如一条山镇等部分乡镇耕地后备资源开发潜力的主要因素。

(2)自然因素。景泰县西南部、东北部多为山区，地形坡度较大，这使得评价结果中潜力较高的耕地后备资源主要分布在中部、北部的平坦地区，而位于景泰县西北部山区的五佛寺耕地后备资源开发潜力为较低，位于景泰县西南部的正路乡则无耕地后备资源； 根据景泰县土壤普查资料，景泰县地带性土壤为灰钙土，有机质含量较低，山区土壤类型较为丰富，分布有亚高山草甸土、黑钙土、栗钙土、灰棕荒漠土等，土壤有机质的差异性影响着各乡镇的耕地后备资源潜力等别。

(3)社会经济因素。景泰县耕地灌溉主要依靠电力提灌，灌渠覆盖的地区，如上沙沃镇，其耕地后备资源比较适宜开发利用，而无灌溉保障的地区，如五佛乡，其耕地后备资源开发潜力就会受到较大影响； 景泰县村庄一般沿交通主干网布局，农民乐于耕种离住所较近的土地，因此偏远地区、周围无农村居民点的耕地后备资源的开发潜力受到一定影响，该项目中中泉乡、五佛乡的耕地后备资源面临着这样的情况。

4　政策与建议

4.1宏观政策建议

(1)加强顶层设计，设定耕地后备资源开发与保护差别化目标。我国地域辽阔，耕地后备资源开发有着区域差异显著的基本特征，可以通过开展耕地后备资源开发潜力评价了解区域差异化情况，并在此基础上设定耕地后备资源开发与保护差别化目标，明确开发重点区域和重大工程，从而制定更有针对性的政策，发挥资金投入的最佳效益，实现区域协调发展。

(2)重视生态保护，建立耕地后备资源开发科学管理机制。耕地后备资源开发的前提应该是能够保障区域的生态安全，可以通过对耕地后备资源潜力评价中潜力等别较低的生态因子进行重点治理，并依据“在开发中保护，在保护中开发”的基本原则，建立耕地后备资源开发科学管理机制以保证土地开发项目的科学性和顺利实施，防止土地开发的短期行为，确保土地开发资金的专款专用和工程质量。

(3)提升补充耕地质量，实现耕地“占补双平衡”战略目标。针对当前耕地“占补平衡”中存在占优补劣现象，在耕地后备资源开发时，优先开发在潜力评价中评价结果较好的耕地后备资源，提升技术投入，提高补充耕地的质量等级和产能，努力实现国家耕地“占补双平衡”的战略目标。

(4)吸引社会资本，完善耕地后备资源开发利益分配制度。耕地后备资源开发是一项耗资巨大的工程，可尝试吸引社会资本投入，通过公布耕地后备资源开发潜力评价结果让市场意识到开发项目的可行性及预期收益，充分调动社会各界参与的积极性。按照“谁投入、谁受益”的原则，完善适应市场经济要求的耕地后备资源开发利益分配制度。

(5)扩大公众参与，强化耕地后备资源开发监督约束体系。充分利用媒体宣传，提高全社会对耕地后备资源开发利用的认识，增强公众参与和监督意识，促进耕地后备资源开发利用项目规划的可行性。此外，可在不同时点对耕地后备资源开发潜力进行评价，以此监测耕地后备资源开发潜力的变化情况。

4.2重点区域建议

(1)在景泰县耕地后备资源开发潜力评价中，上沙沃镇开发潜力综合分值为3.9880，潜力最大，建议对其耕地后备资源优先进行开发，需要注意的是该区域距离景电二期总干渠直线距离约3.5km，高差约60m，通过兴建提灌工程可将该区域土地开发为耕地，但考虑到景电二期灌溉水总量和土壤微含盐的特点，应采用喷灌等节水灌溉方式以防止土壤次生盐渍化。

(2)寺滩乡耕地后备资源开发潜力综合分值为3.8295，在景泰县中潜力位居第二，由评价结果可知该区域目前开发利用的制约因素是水资源，未来一方面可铺压砂田，利用泉水、天然降水和挖集雨窖蓄水等方式实现灌溉，另一方面可使用景电一期富余水量解决永泰村、寺滩村部分荒地的灌溉。灌溉时应实施节水滴灌工程，结合传统旱作栽培技术和滴灌方式，充分利用本区域的光、热、水、土资源，种植在砂田适宜生长的籽瓜等经济作物，发挥特色农业经济效益。

(3)芦阳镇耕地后备资源开发潜力综合分值为3.5679，在景泰县中潜力位居第三，由评价结果可知该区域耕地后备资源开发潜力的制约因素是耕作距离，可通过建设田间道路进行改善。此外，该区域距离黄河约5.5km，高差约100m，利用黄河水源修建小型提灌工程可将区域内土地开发为水浇地。根据其相对封闭、隔离条件较好的特殊地势条件，可发展农作物良种繁育产业和林果业。

5　结论与讨论

在总结国内外相关耕地后备资源潜力评价研究及土地评价方法的基础上，基于正态云模型和熵权法对景泰县耕地后备资源开发潜力进行了定量测度，研究结果显示：景泰县耕地后备资源开发潜力最高的乡镇为上沙沃镇，开发潜力综合指数为3.9880，与寺滩乡、芦阳镇同为较高潜力等别，在进行耕地后备资源开发时可作为重点区域优先考虑； 开发潜力最低的乡镇为五佛乡，开发潜力综合指数2.2003，可考虑近期内不对其进行开发。

耕地后备资源开发潜力评价指标体系及评价标准的确定涉及面广，对象比较复杂，目前学界也未形成统一的理论。因此，对于如何保证耕地后备资源开发潜力评价更加科学规范并符合研究区域的实际情况，需要再进行深入的探讨。此外，正态云模型较多地应用于生态安全评价，该文将其创新性地引入耕地后备资源开发潜力评价并以景泰县为例形成了评价成果，验证了其具有一般适宜性，但鉴于国内外相关研究较少，如何使正态云模型与实际更好结合，并进一步提高耕地后备资源开发潜力评价的准确性亦需继续探索。

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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

叶达(1992—)，男，浙江台州人，硕士研究生。研究方向：土地评价与土地规划、土地政策。※通讯作者：吴克宁(1963—)，男，北京人，教授、博士生导师。研究方向：土地评价与利用规划。Email：knwu@163.com

十三五科技支撑课题“环渤海经济区基本农田建设技术研究与示范”(编号：2015BAD06B01)

F301.24

A

1005-9121[2016]06-0022-07

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