基于gis的基本農(nóng)田保護規(guī)劃決策模型研究

基于gis的基本農(nóng)田保護規(guī)劃決策模型研究

隨著國土資源調查項目中耕地分類的不斷推進，人們非常重視如何充分利用耕地分類。國土資源部規(guī)劃司曾就農(nóng)用地分等成果在新一輪土地利用總體規(guī)劃修編中應用召開過專門會議。關于延伸農(nóng)用地分等成果應用范圍和深度,學者們進行了有益的探索,如鄖文聚曾提出農(nóng)用地分等成果的4個應用,如基本農(nóng)田保護、耕地占補平衡考核、征地制度改革、土地開發(fā)整理等。也有人提出利用農(nóng)用地分等與定級成果在耕地占補平衡中應用研究,相關的研究中林芳還提出將農(nóng)用地分等成果用于低產(chǎn)田改造等。劉水杏等提出運用農(nóng)地分等定級與估價成果建立耕地質量平衡標準的實施方案及步驟。謝經(jīng)榮等認為農(nóng)地分等定級與估價對農(nóng)村稅費改革過程中確立合理的計稅基礎和適宜稅率是強有力的技術支持。這些研究對促進農(nóng)用地分等成果的應用具有積極的推動作用。在土地利用總體規(guī)劃修編中如何進行基本農(nóng)田的合理布局,落實國家關于基本農(nóng)田保護政策,從技術層面提供支持,目前尚缺乏成功案例。為了解決長期以來基本農(nóng)田劃分偏主觀、重數(shù)量、缺乏空間定位的問題,本文借助GIS技術,利用熵權系數(shù)法、理想點法等組合方法,以濟南市為例,充分利用農(nóng)用地分等成果,欲建立一套基本農(nóng)田保護規(guī)劃編制的決策支持技術,提高規(guī)劃的效率和結果的科學性,也為土地規(guī)劃修編的多方案比較提供可視化的動態(tài)技術支持。同時,該研究也可為其他類似的規(guī)劃編制提供借鑒。1研究方法1.1數(shù)據(jù)來源與處理本研究以濟南市市域內的全部耕地(在農(nóng)用地分等結果中有反映的所有耕地)為研究對象?；緮?shù)據(jù)為濟南市2004年1∶1萬的土地利用現(xiàn)狀圖。將山東省農(nóng)用地分等結果圖與濟南市現(xiàn)狀圖進行投影、坐標系等校正后,作為本研究的基本數(shù)據(jù)源。期間主要采用MapGIS6.5和Mapinfo7.0進行數(shù)據(jù)轉換,最后統(tǒng)一形成Mapinfo格式的地圖數(shù)據(jù)?？紤]到地市級土地利用規(guī)劃的宏觀性、區(qū)域指導性,在實際工作中,將山東省農(nóng)用地分等(綜合等)結果的部分等別進行合理合并,即由原來的23個等別歸并為3個等別。這實際上是一種嘗試。因為農(nóng)用地分等結果分為多個層次,且在一個地區(qū)的等別比較分散。因此,在土地利用規(guī)劃修編中使用農(nóng)用地分等成果,不能機械地直接拿來就用,應該依據(jù)具體的應用目的做適當?shù)恼{整或處理。調整后的農(nóng)用地等別情況如下:就濟南市全市而言,適宜于耕地的面積為445179.70hm2,其中一等地面積為129195.69hm2,占全市土地面積的16.15%,二等地面積為214532.42hm2,占全市土地面積的26.82%,勉強適宜等面積為101451.59hm2,占全市土地面積的12.68%。從各區(qū)縣的分布來看,存在區(qū)域差異性。商河縣、濟陽縣的耕地一等地面積最大,分別為55918.765hm2和43780.57hm2,二等地在商河縣、濟陽縣、章丘市、歷城區(qū)和長清區(qū)均有較大面積,而三等地主要分布在歷城區(qū)、章丘市和長清區(qū)。1.2基本農(nóng)田需求數(shù)量確定基本農(nóng)田需求量是在一定生產(chǎn)條件下,耕地生產(chǎn)能力維持區(qū)域人口生存所需要主要食物量的耕地數(shù)量。因此,基本農(nóng)田需求量預測可以通過區(qū)域人口預測和農(nóng)產(chǎn)品需求量預測等來加以推算。本研究主要利用濟南市城市規(guī)劃修編和濟南市土地利用規(guī)劃修編的相關專題的數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)基礎。根據(jù)濟南市1990～2003年的人口總量、暫住人口數(shù)以及城市化進程,利用多種數(shù)學模型進行預測,綜合分析后得到的濟南市在2020年市域總人口為830萬人,其中城鎮(zhèn)人口大約為620萬人。將濟南市所能生產(chǎn)的糧食、蔬菜、水果、油料、肉蛋奶以及水產(chǎn)品等按照它們的熱量關系轉化為總的糧食生產(chǎn)量,再考慮到一定的糧食進口率,到2020年濟南市的糧食供應量為501.62萬t。根據(jù)營養(yǎng)標準和人口數(shù)量,再將它們按照熱量關系進行轉換,則在2020年濟南市的糧食需求量為490.93萬t。由以上計算得出濟南市2020年的基本農(nóng)田需求量約為295028hm2。1.3基本農(nóng)田數(shù)量分配1.3.1數(shù)量分解依據(jù)根據(jù)土地利用總體規(guī)劃體系,每一級規(guī)劃均需要將已經(jīng)確定的基本農(nóng)田保護數(shù)量向下分解到下一級行政區(qū)域。濟南市基本農(nóng)田數(shù)量分解主要按照濟南市城鎮(zhèn)規(guī)劃體系以及各縣區(qū)的具體情況按比例進行分解。在具體分解過程中,主要考慮了下一級行政區(qū)的人口狀況、耕地現(xiàn)狀、宜耕后備資源狀況以及經(jīng)濟發(fā)展水平等。1)人口狀況。基本農(nóng)田保護數(shù)量一般與其人口數(shù)量呈正比,即人口越多,區(qū)域所需保護的基本農(nóng)田數(shù)量也越多。但在一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),人口雖多,保護的基本農(nóng)田卻較少,它們主要通過從外地調入農(nóng)產(chǎn)品來滿足全區(qū)域對農(nóng)產(chǎn)品的需求。對于這種區(qū)域,在進行基本農(nóng)田保護數(shù)量分解時,考慮人口狀況對基本農(nóng)田保護指標分解的影響份額應相對較小,而經(jīng)濟發(fā)展水平對基本農(nóng)田保護指標分解的影響則相對較大。2)耕地現(xiàn)狀及后備資源狀況?；巨r(nóng)田保護數(shù)量與耕地面積、糧食產(chǎn)量及其后備資源狀況均呈正比,即現(xiàn)狀耕地數(shù)量越多,或產(chǎn)量越高,或宜耕后備資源越多,劃為基本農(nóng)田的數(shù)量就越多。3)經(jīng)濟發(fā)展水平。對于經(jīng)濟發(fā)展較快的地區(qū),或是距離上級行政區(qū)距離較近的區(qū)域,每年建設占用耕地的面積較多,所以分配給它的基本農(nóng)田保護指標就應相對少一些,以滿足其經(jīng)濟發(fā)展的需要。因此,一般情況下,基本農(nóng)田面積與經(jīng)濟發(fā)展水平成反比。1.3.2數(shù)量分解方法根據(jù)上述指標分解所考慮的因素及其與基本農(nóng)田保護數(shù)量之間的關系分析,采用熵權系數(shù)法確定各指標客觀權重,結合主觀權重,對指標進行分解。各指標權重及分解系數(shù)確定方法如下:設已選定評價指標共n個,被評價行政區(qū)共m個,m個行政區(qū)對應n個指標的指標值構成評價指標值矩陣R=(rij)m×n(1)式中rij——第j個指標下第i個行政區(qū)的指標值。第j個指標下第i個行政區(qū)的指標值比重pij為pij=rij/m∑i=1rij(j=1,2,??,n)(2)pij=rij/∑i=1mrij(j=1,2,??,n)(2)第j個指標的熵值為Ej=-m∑i=1pijlnpij(j=1,2,??,n)(3)Ej=?∑i=1mpijlnpij(j=1,2,??,n)(3)記ej=1lnmEj(j=1,2,??,n)(4)第j個指標的客觀權重為θj=(1-ej)/n∑j=1(1-ej)(j=1,2,??,n)(5)顯而易見,0≤θj≤1?n∑j=1θj=1。為全面反映評價指標的重要性,考慮決策者的經(jīng)驗判斷能力,將決策者對各指標給出的主觀權重w1,w2…wn與客觀權重θj(j=1,2,……,n)相結合,最終確定各指標的權重為γj=θjwj/n∑j=1θjwj(j=1,??,n)(6)記矩陣R中每列的最優(yōu)值為*rj,對該矩陣的所有元素做標準化處理得dij={rij/*rj指標j的指標值越大越好rj/rij指標j的指標值越小越好(7)這樣,各種被評價行政區(qū)的綜合評價系數(shù)(熵權評價值)λi,可表示為λi=n∑j=1γjdij(j=1,2,??,n)(8)由以上得出的各行政區(qū)評價系數(shù)進行歸一化,確定各行政區(qū)分解系數(shù)。1.3.3制定基本農(nóng)田指標平衡表基本農(nóng)田指標平衡表的確定是基本農(nóng)田保護規(guī)劃研究的核心問題之一。合理地進行基本農(nóng)田指標平衡是規(guī)劃順利進行的一個基本前提。根據(jù)以上方法,計算出各縣區(qū)指標分解系數(shù),制定基本農(nóng)田指標平衡表。濟南市各縣區(qū)基本農(nóng)田指標平衡表見表1。由于上輪規(guī)劃濟南市基本農(nóng)田保護率為86%,考慮到濟南市作為省會城市,其經(jīng)濟發(fā)展較快,因此這里給出了2個保護率。1.4基本農(nóng)田空間定位基本農(nóng)田空間定位是將基本農(nóng)田保護數(shù)量具體落實到土地利用總體規(guī)劃圖上的過程,其實質就是在耕地分布圖上按照一定的原則或標準選擇出一定面積的耕地作為基本農(nóng)田的過程。1.4.1耕地入選基本農(nóng)田指標體系的確定根據(jù)基本農(nóng)田內涵,強調基本農(nóng)田與一般耕地的內在肥力差異;明確基本農(nóng)田與一般耕地所處區(qū)位不同;反映一定時段內人地關系狀況。因此,耕地入選基本農(nóng)田的主要決策因素應該包括:1)耕地的質量狀況。耕地質量狀況體現(xiàn)在土壤類型、土層厚度、地形、土壤養(yǎng)分等多個因素中,質量綜合最優(yōu)的耕地優(yōu)先入選基本農(nóng)田,這里的質量主要借用農(nóng)用地分等結果。2)耕地的區(qū)位條件。即區(qū)位條件綜合最優(yōu)的耕地優(yōu)先入選基本農(nóng)田,如鐵路、公路等交通沿線,城市和村莊、集鎮(zhèn)建設用地區(qū)周邊的耕地,應優(yōu)先劃為基本農(nóng)田。3)城鎮(zhèn)輻射影響。城鎮(zhèn)輻射影響與相應行政區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展密切聯(lián)系,某一級行政區(qū)為滿足經(jīng)濟的發(fā)展,每年都會占用一定數(shù)量的耕地。一般意義上講,經(jīng)濟發(fā)展水平高、速度快的區(qū)域,每年占用的耕地數(shù)量就會相對較多,以滿足經(jīng)濟發(fā)展的需求。本研究以濟南市域為研究對象,因此將城市、縣區(qū)、重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)三個級別行政區(qū)的輻射影響列入指標體系中。4)耕地的政策屬性。在耕地入選基本農(nóng)田過程中,除考慮以上因素外,還按照《基本農(nóng)田保護條例》中的規(guī)定,將經(jīng)國務院有關主管部門或者縣級以上地方人民政府批準確定城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)、園區(qū)、農(nóng)業(yè)結構調整規(guī)劃區(qū)以及國家級和省級重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)不作為分配對象進行空間配置。根據(jù)以上耕地入選基本農(nóng)田的主要因素,選取指標,如表2所示。1.4.2耕地入選基本農(nóng)田的綜合排序耕地入選基本農(nóng)田的綜合排序過程有很多的求解方法,除了常用的簡單加權法、層次分析法、主成分分析法外,還有線性分配法、逼近于理想點的排序方法和消去選擇算法等。本文采用逼近理想點法的排序方法。具體過程是:1)構造規(guī)范化的決策矩陣區(qū)域內n塊耕地組成決策對象集A={a1,a2,…,an},決策者根據(jù)區(qū)域實際情況以及耕地入選基本農(nóng)田的決策指標體系,確定一組決策指標F={f1,f2,…,fm}。決策對象aj(j=1,2,…,n)在決策指標fi(i=1,2,…,m)下的取值為xij,由xij組成決策矩陣X。X=(xij)m×n=[x11x12Λx1nx21x22Λx2nΜxm1xm2Λxmn]由于各指標的量綱不一致,難以直接進行比較分析。因此,為了能夠使用恰當?shù)臎Q策方法對其進行比較和決策,需要把決策矩陣中各指標值統(tǒng)一變換到某一個度量范圍內,即歸一化處理,形成一個規(guī)范化的決策矩陣。經(jīng)過歸一化處理但決策矩陣X就轉化為一個規(guī)范化的決策矩陣R。R=(xij)m×n=[r11r12Λr1nr21r22Λr2nΜrm1rm2Λrmn]這里rj=(r1j,r2j,…,rmj)(j=1,2,…n)可看作歐氏空間里的一個“決策點”。2)確定決策指標的綜合權重本次決策指標的綜合權重確定采用特爾斐法進行,參與權重確定的23位專家來自山東省和濟南市的國土、農(nóng)業(yè)、規(guī)劃、發(fā)改委等16個部門。3)逼近于理想點的排序為確定決策點rj=(r1j,r2j,…,rmj)(j=1,2,…,n)在全體決策點中的優(yōu)劣順序,令{r+i=maxj(rij)r-i=minj(rij)(i=1,2,?,m)把r+=(r+1,r+2,…,r+m)即各屬性值對達到各決策點的最優(yōu)值稱為“理想點”,r-=(r-1,r-2,…,r-m)即為各屬性值都達到各決策點的最劣值稱為“負理想點”。通過衡量靠近“理想點”和遠離“負理想點”的程度,則可確定各決策點的優(yōu)劣順序。為此,引入加權歐幾里得范數(shù)作為距離測度,則決策點到正理想點(d+j)和負理想點(d-j)的距離分別為d+j=d(rj?r+)=√m∑i=1[wi(rij-r+i)]2(j=1,2,?,n)d-j=d(rj?r-)=√m∑i=1[wi(rij-r-i)]2(j=1,2,?,n)式中wj——指標fj的綜合權重。這樣,決策點對理想點的相對貼切度可用Cj表示Cj=d-jd+j+d-j(j=1?2???n)根據(jù)Cj值的大小就可以對各耕地入選基本農(nóng)田進行優(yōu)先排序。顯然,Cj值越大的耕地越優(yōu)先入選。根據(jù)以上方法,利用Mapbasic7.0進行編程實現(xiàn),并完成耕地入選基本農(nóng)田的空間排序(圖1)。如圖1所示,得出每個地塊的Cj值后,將Cj值域范圍分為3個區(qū)間,每一個區(qū)間內的地塊用一種顏色表示,顏色選取原則為從高值區(qū)間到低值區(qū)間顏色依次變淺。為保持基本農(nóng)田保護率不降低,這里取基本農(nóng)田保護率為86%。根據(jù)耕地排序結果,以及各縣區(qū)基本農(nóng)田保護面積,結合城市發(fā)展規(guī)劃,工業(yè)園區(qū)分布圖,將耕地進行面積累加,得出各縣區(qū)基本農(nóng)田空間布局,綜合各縣區(qū)的情況得到濟南市基本農(nóng)田保護區(qū)規(guī)劃圖(圖2)。由圖2計算得出各縣區(qū)分等級耕地統(tǒng)計表(表3)。2結果與討論2.1將自然質量等指數(shù)較高的耕地劃入基本農(nóng)田保護區(qū)從基本農(nóng)田空間布局的結果看,農(nóng)用地分等結果中的一等地全部劃入基本農(nóng)田保護區(qū),二等地77%劃入基本農(nóng)田保護區(qū),三等地則只有39%劃入基本農(nóng)田保護區(qū)。這一結果是符合實際情況的,避免了“劃劣不劃優(yōu)、劃遠不劃近”問題的產(chǎn)生。該結果也與河南省的研究結果基本一致。河南省在基本農(nóng)田保護區(qū)劃定過程中,在空間布局上優(yōu)先將自然質量等指數(shù)較高的耕地劃入基本農(nóng)田保護區(qū)。根據(jù)此分等結果,9等地是省內質量最好的耕地,從1等至5等地面積約660萬hm2,除將一些建設發(fā)展必須的耕地預留出來以外,其余6至9等耕地將全部劃為基本農(nóng)田,與預測的基本農(nóng)田最低保護面積基本吻合。2.2將農(nóng)用地分等結果進行適當修訂或整合是其拓寬應用的主要途徑之一農(nóng)用地分等是對農(nóng)用土地的綜合評價,整個工作過程中涉及自然質量評價、經(jīng)濟效益評價、生產(chǎn)力評價、利用程度評價等。農(nóng)用地分等成果是多層次的,既有農(nóng)用地自然等、利用等和綜合等等最終成果,又有一系列的中間成果,包括分等因素分值圖、指定作物土地利用系數(shù)、土地經(jīng)濟系數(shù)等值區(qū)圖等。如何依據(jù)具體的研究目的對其進行整合或修訂,是農(nóng)用地分等結果應用中值得研究的問題。本文將等別加以合理歸并,并將其作為主要指標加以考慮,附加上區(qū)域因素或區(qū)位因素、城鎮(zhèn)輔射因素等,使農(nóng)用地分等結果與基本農(nóng)田保護要求相互補充,有機結合,融為一體,取得了滿意的結果。2.3GIS輔助基本農(nóng)田保護區(qū)空間規(guī)劃的自動化技術途徑可行過去的基本農(nóng)田保護規(guī)劃,其編制的技術手段基本上還是采用傳統(tǒng)的手工方法,空間定位精度差,有一定的主觀隨意性,而且效率低、費時長,很難保證規(guī)劃的實時性和現(xiàn)勢性,所以用過去的常規(guī)方法已不能滿足新一輪規(guī)劃的要求。農(nóng)用地分等成果已經(jīng)實現(xiàn)了電子化,傳統(tǒng)方法在使用其成果過程中,如果不借助計算機技術加以應用,將會