基于GIS技术的永久基本农田划定方法研究

齐俊，梁勇，崔传宝，蔡永宁，王长鹏，吴凯

(1.济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250101；2.济南市自然资源和规划局，山东 济南 250101)

0 引言

耕地是我国最为宝贵的资源，是农村发展和农业现代化的根基命脉，是农民最重要的生产生活资料，是国家粮食安全的基石[1]。党中央、国务院高度重视耕地保护，要求严守耕地保护红线，划定永久基本农田，习近平总书记指出要像保护大熊猫一样保护耕地。为了贯彻落实最严格的耕地保护制度，进一步加强基本农田管理，国土资源部、农业部研究决定，在已有划定基本农田的基础上，将城镇周边、交通沿线易被占用的优质耕地优先划为永久基本农田，进一步严格划定永久基本农田保护红线。全面划定永久基本农田是保障国家粮食安全、实施“藏粮于地、藏粮于技”战略的重大举措，是推动节约集约用地、促进生态文明建设的重要途径，是推动农村发展和农业现代化建设、维护农民权益的重要保障。

不少学者对基本农田划定进行了研究，孙祥龙等[2]用ArcGIS空间分析结合农用地分等资料划定基本农田，王晓燕等[3]采用模糊优选模型结合GIS空间分析划定永久基本农田，这些研究对基本农田划定问题具有积极的推动作用，但往往对GIS的空间分析功能应用不够深入。本研究以长清区为例，运用ArcGIS空间分析技术方法，综合分析影响永久基本农田划定的多种评价因子，生成了耕地图斑在每一种评价因子作用下的空间分布图，直观展示了耕地的评价情况，探讨了永久基本农田划定的有效方式，达到将优质耕地划为永久基本农田，保护耕地的目的。

1 研究区概况

长清区位于济南市西南部，东与历城区、市中区接壤，西与德州市齐河县隔黄河相望，南与平阴县相邻，北邻槐荫区，是山东省会济南西部新城区。长清区东依泰山，西滨黄河，南北长50.3 km，东西宽50.8 km，总面积1178 km2，辖7个街道办事处、3个镇，人口约60万人。长清区地处泰山隆起边缘，东南为山区，境内河流较多，主要有黄河、南北大沙河、玉符河等。气候属于温暖带大陆性季风气候，四季分明，年平均气温13.8°，年平均降水量623.1 mm。长清区为地势东南高，西北低的倾斜地势，由东南向西北依次是山区、丘陵、山前平原和黄河洼区。区内土质主要为棕壤土、褐土和沙风土。

2 数据基础与研究方法

2.1 数据基础

该文主要数据有长清区第二次土地调查的土地利用现状数据、长清区2015年变更调查数据、长清区2 m格网DEM数据、长清区2015年耕地质量等别成果、济南市城市总体规划图、长清区2015年基础路网数据、长清区2015年居民点数据。

2.2 研究方法

根据本次永久基本农田划定的具体要求，需要对原有基本农田中符合本次划定要求的基本农田保留，对不符合本次划定要求的划出基本农田，对一般耕地中优质耕地划入永久基本农田，最终达到“优进劣出、提升质量”的划定要求。该文将对研究区范围内耕地图斑进行综合等级评定，根据综合等级情况进行“划入划出”。

根据长清区耕地现状及社会经济发展情况，以2015年耕地现状图斑为基础单元，综合考虑影响永久基本农田划定的各种因素，确定评价指标因子，并采用特尔菲法即充分征求相关专家意见，判断因素的重要程度，确定评价指标的权重，运用ArcGIS的空间分析功能获取各评价指标的空间属性数据，采用多因素加权分析法对耕地划入永久基本农田进行综合评价，根据各评价指标的综合得分排序，结合永久基本农田划定划入划出原则，将集中连片、质量等别高、自身聚集度高、规模较大有良好水利与水土保持设施的耕地优先划为永久基本农田，并利用GIS空间分析技术[4]得到长清区永久基本农田空间分布图。

3 技术路线

3.1 评价指标选择

永久基本农田评价指标的选取应科学合理，并且可以衡量整个研究区域的耕地质量。结合本次永久基本农田划定的相关要求，永久基本农田的划入因素主要包括：①耕地质量等别：综合多种因素的耕地质量等别评价情况，包括土壤有机质含量、耕作层厚度、表层土壤质地、灌溉保证率、灌溉水质、排水条件等；②耕地连片度[5-6]：“优质集中”作为永久基本农田的标准之一，就是要将集中连片的优质耕地优先划为永久基本农田；③耕地坡度大小：一般分为2°以下、2°～6°、6°～15°、15°～25°和25°以上；④交通便利性：交通沿线易耕作的优质耕地应优先划为永久基本农田；⑤居民点辐射度：农村、城镇等居民点周边易于耕作的优质耕地应优先划为永久基本农田。⑥政策因素：永久基本农田划定受各种政策因素影响，包括已批准的城市总体规划、土地利用总体规划、片区控制性详细规划等。由于在政策影响范围内的耕地不应划入永久基本农田，故该文不将政策因素作为永久基本农田划定的影响因子，而是直接采用GIS方法，将研究区内耕地图斑直接与规划数据套合，除去规划范围内的耕地图斑。因此，该文选择耕地质量等别、耕地连片度、耕地坡度、耕地交通便利性和耕地居民点辐射度5个评价指标因子。

3.2 确定评价因子权重

确定评价因子权重的方法很多，主要有特尔菲法、主成分分析法[7]、层次分析法[8]等，综合考虑各种方法的优缺点，该文采用特尔菲法确定评价指标的权重，即在充分征求相关专家意见的基础上，结合研究区域的实际情况和永久基本农田划定技术要求，得到该文所研究的各指标权重。

表1 耕地划入永久基本农田评价指标因子权重

3.3 耕地坡度及分析方法

按照永久基本农田划定技术要求，坡度大于25°的耕地和坡度在15°～25°之间且无水土保持条件的耕地不能划入永久基本农田，结合已有的DEM数据，采用GIS手段[9]对DEM数据进行空间分析，在DEM模型的基础上使用Slope工具生成坡度模型，然后根据相关技术要求，对坡度模型进行重新分级，以2°、6°、15°和25°为分界点，制作整个研究区内的坡度分布图，分别统计坡度在2°以下、2°～6°、6°～15°、15°～25°和25°以上的耕地面积。

通过叠加2015年土地利用现状数据，通过ArcGIS运算处理，计算出长清区范围内所有耕地的坡度情况。

3.4 耕地连片度及分析方法

本次永久基本农田划定，国家有明确规定，与已有划定基本农田集中连片，质量等别达到所在县(市、区)域平均水平以上的耕地，要优先划入永久基本农田。可见基本农田划定不能只追求耕地的数量、质量，而忽略“集中连片”的要求，使基本农田保护区范围内的耕地地块分布零散，不便于规模作业，该文使用耕地连片度来表示耕地集中连片的情况。

(1)耕地连片度判断

综上所述，对当前的电气工程及其自动化控制而言，PLC技术是一项先进的技术。为进一步提高技术创新水平，需要技术人员不断总结，并提出实践应用策略，以确保电气工程自动化控制技术不断发展，同时加强安全控制策略研究，更好的促进工程的可持续发展。

耕地连片度为耕地中同一耕地质量范围内，地块的相连程度[9-0]，两个地块空间距离小于《第二次全国土地调查技术规程》线状地物分割图斑的标准，即地块间距20 m以内相通、相连的，地块间地类界线、行政界线、水渠、田埂、田间道路等不作为集中连片的分割物。一般来说县级(含)以上公路、铁路相隔的地块不视为集中连片，特殊情况如公路、铁路以高架形式贯通，高架下面水利、交通保持畅通的视为集中连片。耕地地块与可调整地类、确定为名优特新农产品生产基地的其他农用地相通、相连的，视为集中连片。

(2)耕地连片性在ArcGIS软件中的分析

根据长清区的实际情况，结合《第二次全国土地调查技术规程》中的相关要求，本研究连片度阈值设定为20 m。利用ArcGIS软件中的缓冲区分析工具，将阈值设为20 m，所得到的融合后的连片区域即为该区域内所包含的连片地块的连片区域[11-12]，该文采用融合后连片区域的面积大小作为衡量耕地连片性的主要指标，认为融合后的连片区域面积在整个研究区域的总面积中的比例越大，其连片性越好，表达公式如下：

B=S/S总

(1)

式中：B为耕地地块的连片性得分；S为融合后连片区域面积；S总为研究区域总面积。

3.5 耕地交通便利性分析

本次永久基本农田划定，要求将城市周边、交通沿线易被占用的优质耕地优先划为永久基本农田，这就要把耕地的交通便利性作为本次永久基本农田划定的衡量因素，耕地地块离交通线路的远近直接影响着耕地的投入成本，在其他条件相同的情况下，距离交通干线越近的耕地所需投入的劳动和时间成本也较小[13]。

本研究将长清区范围内的主要交通干线矢量数据与耕地图斑相叠加，采用GIS技术分析耕地图斑到最近的交通干线的距离，认为耕地图斑离最近的交通干线的距离越近，则耕地的交通便利性越好。采用以下公式计算：

D=1-Li/Lmax

(2)

使用ArcGIS软件中Near工具，计算出每个耕地图斑到最近的交通干线的距离，并根据公式(2)得到耕地的交通便利性得分。

3.6 居民点辐射度分析

和耕地的交通便利性类似，耕地的居民点辐射度也在一定程度上影响着耕地的投入成本，在其他条件相同的情况下，耕地的居民点辐射度越高，则投入的劳动和时间成本越少。本研究以耕地地块离居民点的远近来表示该地块的居民点辐射程度，认为离居民点越近，居民点辐射度越高。采用以下公式计算耕地的居民点辐射度：

D=1-Li/Lmax

(3)

式中：D为耕地居民点辐射度得分；Li为耕地图斑到最近居民点的距离；Lmax为长清区内所有耕地图斑中到最近居民点的最大值。

使用ArcGIS软件中Near工具，计算出每个耕地图斑到最近的居民点的距离，并根据上述公式得到耕地的居民点辐射度得分。

3.7 永久基本农田划定综合评价

由于评价指标的取值范围和量纲不一致，需要先将各评价指标得分进行标准化，为了便于统计和表达，该文将各评价指标得分标准化为0～10。由于连片度、交通便利性和居民点辐射度三个指标因子得分越大，耕地地块划入永久基本农田概率越大，故采用公式(1)进行标准化；而坡度和耕地质量等别两个指标则相反，故采用公式(2)进行标准化。标准化后指标因子大小都与划入永久基本农田概率成正比。

(4)

(5)

式中：hij为第i个地块在第j个评价因子标准化后的得分；aij是第i个地块在第j个评价因子下的得分；aimax和aimin分别是在第j个评价因子下的最大值和最小值。

该文采用加权求和的方法确定耕地地块的综合得分，加权求和的表达式为：

(6)

式中：Hi为第i个地块的综合得分；m为影响因子个数，即m=5;hij为标准化后的第i个地块第j个影响因子得分；fj为第j个影响因子的权重。

4 结果与分析

4.1 数据分析

耕地坡度采用耕地地块的平均坡度来定义，使用ArcGIS软件中Slope工具对DEM数据进行处理，Output measurement输出因子选择DEGREE，Z factor=1，生成坡度后与耕地图斑叠加分析并栅格化得到长清区耕地坡度分布图。把长清区内耕地图斑Buffer处理，Linear unit设为20 m，并按照公式(1)计算每个图斑的连片度得分，新建连片度得分地段，以“LPD得分”作为栅格化字段对矢量数据进行栅格化，得到长清区耕地连片度和坡度空间分布图(图1)。

图1 长清区耕地连片度和坡度空间分布图

依据上文分别新建交通便利性字段“JTBLX得分”和居民点辐射度得分字段“JMDFSD得分”，根据ArcGIS软件中near工具结合公式计算出“JTBLX得分”和“JMDFSD得分”，利用GIS空间分析方法分别得到长清区耕地交通便利性分布图和居民点辐射度分布图(图2)。

图2 长清区耕地交通便利性分布图和居民点辐射度分布图

4.2 综合得分及评价

根据耕地地块各指标因子的得分和权重，由加权求和的方法计算出耕地地块的综合得分[14]，经统计，长清区耕地地块的综合得分介于1.6～6.4之间(表2)，根据综合得分的直方图分布(图3)，将综合得分划分为6个区间，分别统计每个区间内耕地面积，如表2所示，可以看出一等级耕地占长清区耕地总量为41.31%，比例最大，长清区永久基本农田保护目标为38700.00 hm2，按照综合得分由高到低筛选耕地，直到满足长清区永久基本农田保护任务。

表2 长清区耕地地块综合得分统计

图3 长清区耕地地块综合得分频次直方图

4.3 永久基本农田划定

本次研究将长清区内综合得分较高的耕地地块划入永久基本农田，将各指标因子空间分布栅格图叠加分析，可以得到综合评价后长清区耕地空间分布栅格图(图4)，结合长清区永久基本农田保护目标，考虑到政策因素及长清区发展用地需求[15]等影响，拟将Hi>4.4的37300.00 hm2耕地划为永久基本农田，由于长清区永久基本农田保护目标为38700.00 hm2，需将3.6

5 结论

该文总结了基于GIS技术的永久基本农田划定方法，即综合考虑影响永久基本农田划定的各种因素，确定耕地质量等别[16]、连片度、坡度[17]、交通便利性和居民点辐射度5个评价指标因子作为本研究的评价指标，采用特尔菲法确定评价指标的权重，通过多因素加权分析法计算耕地的综合评价指标得分，结合GIS空间分析技术和长清区永久基本农田保护任务，得到长清区永久基本农田划定成果。

图4 长清区耕地综合得分空间分布图

图5 长清区永久基本农田分布图

从长清区永久基本农田的划定结果看，本研究方法可有效地对研究区范围内的耕地进行综合评价，可以直观地展示综合评价结果，对研究基本农田划定具有一定的参考意义，显示了GIS技术在永久基本农田划定中的广阔前景。

永久基本农田划定涉及多个方面，是一项较为复杂的工作，由于各方面的限制，本研究包含的评价指标不够全面，如政策因素，该文只是将政策因素涉及到的耕地直接划出，没有对其进行更深入的研究；对于研究区范围内建设用地增加和人口增长因素对于永久基本农田布局的影响还有待深入的研究。