基于GIS技術(shù)與層次分析法的耕地適宜性評(píng)價(jià)研究

秦曉莉

（湖南省國(guó)土資源規(guī)劃院，長(zhǎng)沙410007）

0 引言

人口持續(xù)增長(zhǎng)與城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)土地資源造成越來(lái)越大的壓力，耕地退化與適宜性問(wèn)題愈發(fā)受到關(guān)注。在我國(guó)陸域國(guó)土中，69%的面積是山區(qū)，山區(qū)耕地面積占全國(guó)耕地總面積的44%[1-2]。2014年以來(lái)，在第二次全國(guó)土地調(diào)查成果基礎(chǔ)上，全國(guó)各省市按照國(guó)土資源部要求，開(kāi)展了新一輪全國(guó)耕地后備資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作。對(duì)耕地建立定量的指標(biāo)體系，分析耕地利用的適宜性是土地利用規(guī)劃的基礎(chǔ)，為合理保護(hù)耕地資源提供重要依據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)和土地利用的科學(xué)發(fā)展。土地適宜性評(píng)價(jià)模型最早由國(guó)外研究學(xué)者IL Mcharg于Staten島的土地利用規(guī)劃中提出[3]，在大都市城市規(guī)劃、城市綠地規(guī)劃等方面也進(jìn)行了探討。中國(guó)現(xiàn)代土地適宜性評(píng)價(jià)始于20世紀(jì)50～60年代的荒地資源考察；到1970年代時(shí)引入了國(guó)外方法，隨后也形成自己的土地評(píng)價(jià)系統(tǒng)；尤其是1990年代以來(lái)，學(xué)界積極應(yīng)用GIS技術(shù)和數(shù)學(xué)方法評(píng)價(jià)非農(nóng)用地適宜性，取得豐碩成果[4]。2001年周慧娟等采用GIS技術(shù)對(duì)北京密云進(jìn)行了耕地適宜性評(píng)價(jià)，得出GIS技術(shù)可以顯著提高土地適宜性評(píng)價(jià)效率[5]。近些年，劉軍等基于GIS技術(shù)對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)開(kāi)展了耕地適宜性評(píng)價(jià)[6]。

文章以張家界永定區(qū)為研究對(duì)象，借助遙感與GIS技術(shù)，從土壤養(yǎng)分、立地條件、理化性狀和土壤管理四個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)耕地質(zhì)量，得到了相互聯(lián)系的有序?qū)哟沃笜?biāo)體系，最后以專題圖的形式得到耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

張家界市永定區(qū)位于湘西山地東北部，地處張家界腹部，東與常德市的石門縣與桃源縣交界，距省會(huì)長(zhǎng)沙 398km，位于北緯 28°52′～29°48′，東經(jīng) 109°40′～111°20′之間。從地勢(shì)上來(lái)看，東臨洞庭湖，西接云貴高原，南又與雪峰山毗連，北與鄂西山區(qū)接壤。東西長(zhǎng)167km、南北寬96km，屬武陵山脈腹地，地貌類型多樣，境內(nèi)群山起伏，溝谷縱橫，山地相對(duì)高差較大，最大達(dá)1 392.6m。整個(gè)地勢(shì)從中部切割成南北兩部分，南部向沅水呈梯級(jí)遞降，北部往澧水傾斜，中部地勢(shì)低平，呈一半月形盆地。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，市區(qū)年平均氣溫16.8℃，年日照時(shí)數(shù)為1 449.6h，中部溪谷平地年降雨量1 300～1 600mm，南部中低山區(qū)年降雨量在1 700mm以上。

該研究區(qū)作為城市核心區(qū)，具有典型的城市土地?cái)U(kuò)張?zhí)攸c(diǎn)。平原、山地城市特征明顯，耕地資源寶貴，地質(zhì)地貌多樣；生態(tài)環(huán)境脆弱，區(qū)域內(nèi)發(fā)生過(guò)多種自然災(zāi)害。永定區(qū)既有城市擴(kuò)展區(qū)域的典型特點(diǎn)，又存在特殊地貌所帶來(lái)的復(fù)雜性[7]，在該研究區(qū)進(jìn)行耕地適宜性分析具有代表性。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)遙感集市（http：//www.rscloudmart.com/）選取下載覆蓋張家界市永定區(qū)的2015年10月的高分一號(hào)遙感影像（地面分辨率為16m×16m）和中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http：//www.gscloud.cn/）提供的空間分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，地質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、農(nóng)田灌溉數(shù)據(jù)均來(lái)源于張家界國(guó)土局土地普查數(shù)據(jù)。遙感柵格數(shù)據(jù)在土地利用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，同樣土地評(píng)價(jià)應(yīng)用普遍[8-9]，所有研究區(qū)的數(shù)據(jù)均生成分辨率為16m的柵格數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)方法

層次分析法（The analytic hierarchy process）最早由美國(guó)人T.L.Satty提出，AHP方法能夠?qū)?wèn)題的影響因子按照層次分成有序的相互關(guān)聯(lián)的多層模型，分別對(duì)每一組的因子進(jìn)行定性和定量分析彼此的相對(duì)的權(quán)值，同時(shí)可引入專家評(píng)價(jià)的方法，最后得到各因子權(quán)重值組成的判斷矩陣，求解該矩陣的特征值的最大值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，得到最終所有層次中每個(gè)因子的權(quán)重值[10]。對(duì)同一層次的分析求權(quán)重的步驟如下所示。

（1）確定參與評(píng)價(jià)的因子集A（a1，a2，…，an）；

（2）以bij表示的值由表1而得，表示不同因子間相對(duì)權(quán)重值；

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Table 1 Scale and its meaning of judgment matrix

（3）求判斷矩陣B最大特征根對(duì)應(yīng)的特征向量的常用的計(jì)算方法有冪法、和積法、方根法。冪法可得到任意精確度的最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量ω，后兩種為近似算法。

ω1，ω2，……ωn也就是該層次每個(gè)因素所對(duì)應(yīng)的權(quán)。同理每一個(gè)層次都可以求得一個(gè)權(quán)向量，如式（3）：

根據(jù)上步可分別得到：e1，e2，……en，為相應(yīng)權(quán)值，然后根據(jù)式（4）可得最終各因子權(quán)重系數(shù)：

式（4）根據(jù)式（5）做一致性指標(biāo)CI（Coherence Index）檢驗(yàn)。

將CI與平均一致性指標(biāo)RI（RandomIndex）比較，RI可從表2查得：

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RITable 2 Average random consistency index RI

只有當(dāng)隨機(jī)一致性比例（Coherence Radio）CR＜0.10時(shí)，才具有可行性，根據(jù)CR值的范圍，調(diào)整矩陣B直到滿足條件為止。

2.2 評(píng)價(jià)單元與評(píng)價(jià)因子

（1）確定評(píng)價(jià)單元

文章使用ArcGIS、ENVI等專業(yè)GIS軟件采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，?duì)獲得的高分一號(hào)影像進(jìn)行地物分類及分類后處理等并裁剪得到永定區(qū)的地物分類結(jié)果（圖1）。通過(guò)地物分類結(jié)果提取得到耕地柵格圖作為耕地適宜性評(píng)價(jià)分析的評(píng)價(jià)單元，共計(jì)分為116.778 8萬(wàn)個(gè)，各類地物面積統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

圖1 永定區(qū)地物分類Fig.1 The classification results of Yongding district

表3 各類地物面積統(tǒng)計(jì)Table 3 Area statistics for each type of surface

（2）選取評(píng)價(jià)因子

評(píng)價(jià)因子選取是耕地適宜性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵之一[11]。該研究借助遙感、GIS技術(shù)，結(jié)合《全國(guó)耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》，從土壤養(yǎng)分、立地條件、理化性狀和土壤管理4個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)耕地質(zhì)量，得到了永定區(qū)相互聯(lián)系的有序的耕地適宜性指標(biāo)體系（圖2）。

圖2 永定區(qū)耕地適宜性評(píng)價(jià)分析指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)Fig.2 The hierarchy diagram of cultivated land suitability evaluation index in Yongding district

2.3 評(píng)價(jià)體系的建立

（1）評(píng)價(jià)因子隸屬度的確定

研究選擇的評(píng)價(jià)因子分為多種類型，彼此評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、意義均不相同，需要對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因子都進(jìn)行適合其類型的標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)王建國(guó)的隸屬函數(shù)模型[12]，利用模糊數(shù)學(xué)方法將選定的評(píng)價(jià)因子與耕地適宜性的關(guān)系分為戒上型、戒下型、峰型、直線型以及概念型。不同的評(píng)價(jià)因子選用相應(yīng)類型的隸屬度函數(shù)，所有評(píng)價(jià)因子隸屬度值域?qū)儆赱0，1]，當(dāng)評(píng)價(jià)因子隸屬度趨近由0趨于1時(shí)，表示該評(píng)價(jià)因子對(duì)耕地作物生長(zhǎng)限制由最大限制趨于無(wú)限制；當(dāng)?shù)扔?時(shí)，表明作物不能生長(zhǎng)。利用GIS空間統(tǒng)計(jì)方法，在每個(gè)評(píng)價(jià)因子的屬性表里進(jìn)行空間計(jì)算，求得評(píng)價(jià)單元各個(gè)評(píng)價(jià)因子的隸屬度。

（2）權(quán)重的確定

利用Office Excel 2013編寫AHP計(jì)算程序，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)后得到最終指標(biāo)結(jié)果（表 4）。

表4 永定區(qū)耕地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重Table 4 The cultivated land suitability evaluation index and its weight in Yongding district

2.4 耕地適宜性等級(jí)劃分

該研究采用公式（6）得到最終的適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)：

式（6）中，SI（Suitability Index）——耕地適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)；Fi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的指標(biāo)值，即隸屬度值；Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。根據(jù)耕地適宜性等級(jí)劃分依據(jù)《全國(guó)耕地類型區(qū)、耕地地力等級(jí)劃分》（NY/T309-1996）[13]，采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，耕地適宜性程度分為10個(gè)等級(jí)（表5）。

表5 永定區(qū)耕地適宜性等級(jí)劃分Table 5 Classification of cultivated land suitability in Yongding district

3 結(jié)果與分析

利用ArcGIS軟件的柵格計(jì)算工具，將處理好的12個(gè)耕地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)圖數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的權(quán)重值帶入加權(quán)指數(shù)和模型，計(jì)算得到最終的永定區(qū)耕地適宜性等級(jí)分布圖（圖3）。同時(shí)統(tǒng)計(jì)各級(jí)耕地的面積及所占百分比，圖4為耕地等級(jí)對(duì)應(yīng)面積的垂直線圖，表6是各等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)表。

圖3 永定區(qū)耕地適宜性等級(jí)分布Fig.3 Distribution map of cultivated land suitability in Yongding district

表6 永定區(qū)耕地適宜性各等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)Table 6 Area statistics for each classification of cultivated land suitability in Yongding district

圖4 永定區(qū)耕地等級(jí)面積垂線Fig.4 Vertical plots of cultivated land classification area in Yongding district

該文通過(guò)遙感影像地物分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的永定區(qū)耕地總面積為298.95km2，占永定區(qū)總面積的13.78%；以提取的耕地為評(píng)價(jià)單元，利用層次分析法得到的耕地等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與統(tǒng)計(jì)圖來(lái)看，各等級(jí)耕地比例呈現(xiàn)兩頭小中間大的特點(diǎn)，與圖4耕地等級(jí)與面積垂線圖走勢(shì)一致，一級(jí)地25.30km2，占耕地總面積的6.41%，八級(jí)、九級(jí)和十級(jí)耕地面積最少，三者僅占永定區(qū)耕地面積的8.13%，耕地等級(jí)從二級(jí)到七級(jí)的每一級(jí)所占比例均超過(guò)10%，其中以三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)和六級(jí)地為主，每級(jí)所占比例都基本達(dá)到15%，甚至更高，四者耕地總面積占永定區(qū)耕地面積的62.8%。

由圖3可以看出，一級(jí)地主要分布在后坪鎮(zhèn)東北部的澧水河流兩岸及與南莊坪街道接壤處，其次一級(jí)耕地分散在永定中心城區(qū)的外圍，澧水支流流經(jīng)過(guò)的伊家溪鎮(zhèn)和教字埡鎮(zhèn)，三家館鄉(xiāng)與伊家溪鎮(zhèn)接壤區(qū)域、楓香崗鄉(xiāng)的澧水流域附近、合作橋鄉(xiāng)的西部地區(qū)等，這些地區(qū)多為澧水流域，為河谷沖擊盆地，河流兩岸地勢(shì)平、土層厚，水利設(shè)施及排灌能力良好，基本無(wú)障礙層。二級(jí)與三級(jí)地廣泛分布，集中在永定區(qū)東南部的謝家埡鄉(xiāng)、王家坪鎮(zhèn)、雙溪橋鄉(xiāng)、沅古坪鎮(zhèn)與三鎮(zhèn)的接壤區(qū)域。其次中心城區(qū)外圍、后坪鎮(zhèn)和尹家溪鎮(zhèn)、三家館鄉(xiāng)等澧水及支流流經(jīng)的寬谷平原等區(qū)域，這些地區(qū)有部分適宜耕地的河谷平原，更有大部分區(qū)域?yàn)榍鹆陞^(qū)域的坡度較低的丘間梯田，分布廣泛，土壤肥沃，雖無(wú)大的河流，但附近有湖水、丘陵上的泉水分布，土地供水排水能力良好，其他因子質(zhì)量適中。從四到六3個(gè)等級(jí)的耕地全區(qū)各地均有分布，整體分布在永定區(qū)的西北部、中部、東南部三大塊區(qū)域，中部區(qū)域以澧水及支流流域附近的街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)所屬的兩岸河谷平坦耕地為主，西北部和東南部以丘陵區(qū)域的低坡度丘間梯田為主，這些耕地總量較大，土壤理化、灌溉條件良好，適宜性較高，分布分散，應(yīng)加以大人力和物力投入，是耕地重點(diǎn)保護(hù)利用區(qū)域。七級(jí)和八級(jí)地主要分布在永定中心城郊區(qū)地帶，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)相對(duì)較少，這些地區(qū)土壤成土母質(zhì)、質(zhì)地一般，耕層厚度不夠，很多地方灌溉條件也較差。九級(jí)和十級(jí)地在永定區(qū)分布很少，主要分布在四都坪鄉(xiāng)、大坪鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)或街道有零星分布，這些土地所在區(qū)域地形地貌條件坡度不適宜供水排水，且有機(jī)質(zhì)含量較低，供肥能力弱，質(zhì)地較差或一般，很多土地限制的因素，多種因素綜合作用使得耕地質(zhì)量較差。

為了合理利用和有效地保護(hù)耕地，綜合分析永定區(qū)現(xiàn)有耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量，永定區(qū)主要耕地集中在河溪兩岸，尤其適宜耕種地區(qū)多集在中心城區(qū)，山地多、平原少，即容易遭受自然災(zāi)害破壞，又容易出現(xiàn)由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展引起過(guò)度開(kāi)發(fā)。建設(shè)用地的增加伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中心城區(qū)的建設(shè)用地供需與耕地資源保護(hù)的矛盾尤為突出，顯然永定區(qū)的形勢(shì)十分嚴(yán)峻。人均耕地少、相當(dāng)部分耕地急需加強(qiáng)保護(hù)。因此，應(yīng)該增強(qiáng)耕地資源保護(hù)意識(shí)，堅(jiān)持依法用地、按規(guī)用地、嚴(yán)守紅線，科學(xué)發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

該文運(yùn)用GIS手段評(píng)價(jià)張家界永定區(qū)耕地適宜性，通過(guò)遙感影像地物分類確定評(píng)價(jià)單元、參照土壤學(xué)知識(shí)，選取養(yǎng)分狀況、立地條件、理化性狀和土壤管理4個(gè)方面的12個(gè)因素為評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)，得到各因子歸一化的指標(biāo)值，采用AHP方法確定指標(biāo)權(quán)重，最后利用GIS圖層疊加得到了永定區(qū)的耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。

研究表明：永定區(qū)一到六級(jí)地達(dá)到242.358 8km2，占全區(qū)耕地總面積的81.07%，表明永定區(qū)大部分耕地質(zhì)量比較高。但永定區(qū)耕地只占全區(qū)土地總面積的13.78%，根據(jù)永定區(qū)耕地的分布狀況可以明顯看出，永定區(qū)耕地主要耕地集中在中心城區(qū)澧水等河溪兩岸的水田以及西北部、東南部丘陵區(qū)域的丘間梯田，耕地總量很低，分布零散，一方面受自然條件，如河系、山地丘陵地形影響較大，這些耕地應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)耕地，避免自然災(zāi)害破壞，防止耕地質(zhì)量變差，同時(shí)積極推進(jìn)耕地灌溉設(shè)施、農(nóng)田土壤利用引進(jìn)先進(jìn)的科學(xué)理念，改善耕地質(zhì)量，加強(qiáng)土壤耕種條件。另一方面中心城區(qū)的優(yōu)質(zhì)耕地多是城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展適宜建設(shè)用地的區(qū)域，主要分布在城區(qū)以西和城區(qū)以東，因此，面對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，這方面的耕地開(kāi)發(fā)應(yīng)切實(shí)十分珍惜，根據(jù)本地區(qū)的土地分布狀況的優(yōu)勢(shì)與不足，合理利用土地和切實(shí)依據(jù)保護(hù)耕地，全面優(yōu)化土地利用空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)該區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展。