張志宏，任 晶

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610003)

基于GIS的耕地地力評價

張志宏1，任 晶2

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610003)

基于GIS平臺，運用其空間分析功能采用模糊柵格疊置方法進(jìn)行耕地地力評價。采用層次分析法確定評價指標(biāo)權(quán)重，模糊數(shù)學(xué)方法確定指標(biāo)隸屬度，加權(quán)求和模型計算耕地地力綜合指數(shù)，最終得出耕地地力綜合指數(shù)最大值最小值，利用等間隔法將綜合指數(shù)分為4級，并對評價結(jié)果進(jìn)行可視化。評價過程是GIS技術(shù)方法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的成功運用，彌補了矢量過程存在的評價單元大小差別太大導(dǎo)致疊加誤差大，計算地力綜合指數(shù)需要在其他信息系統(tǒng)中進(jìn)行或另外編程實現(xiàn)的缺陷。

耕地地力評價；柵格數(shù)據(jù)；GIS

1 研究綜述

近年來，我國耕地質(zhì)量和面積都不斷下降[1]，耕地資源已成為關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要的限制因素，如何利用好現(xiàn)有耕地，使其實現(xiàn)高產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展是關(guān)系國計民生的重大課題[2]。國內(nèi)外存在不少利用GIS手段進(jìn)行土地方面的工作，第一個土地評價系統(tǒng)是從土壤的特征出發(fā)進(jìn)行耕地潛力評價[3]，之后遙感技術(shù)的發(fā)展使土地評價走向定量化、計算綜合化、精確化[4]，且評價由一般目的走向特定目，研究方法也更實用化[5]。Davidson.D.A[6]、V.J.Kollias[7]、T.R.Nisar Ahamed[8]等在GIS技術(shù)支持下用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了一系列土地評價。1984年農(nóng)業(yè)部建立了土地地力評價數(shù)據(jù)庫[9]，之后耕地評價研究向綜合化、多元化、定量化等方向發(fā)展[10]。2006年建立起了各類型區(qū)耕地等級范圍及基礎(chǔ)地力要素指標(biāo)體系，旨在利用“3S”技術(shù)為農(nóng)業(yè)資源的合理布局與可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

以往多數(shù)學(xué)者是將矢量圖疊加，以疊加產(chǎn)生的圖斑為基礎(chǔ)劃分評價單元，之后再與其他柵格圖疊加進(jìn)行耕地地力評價。由于研究區(qū)的面積很大，不同類型的矢量圖疊加產(chǎn)生的評價單元圖斑太多并且大小不一，與其他柵格圖疊加時，誤差比較大；耕地地力綜合指數(shù)的計算要通過其他信息系統(tǒng)或另外編程實現(xiàn)，評價單元的管理也比較復(fù)雜?；贕IS的空間分析功能，采用模糊數(shù)學(xué)方法和柵格疊置方法進(jìn)行耕地地力評價，由于評價單元一致便于管理，且參評指標(biāo)不完全是定量指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量化，在GIS軟件中建立模型來進(jìn)行評價，具有可行性。

2 基于GIS的耕地地力評價

2.1 柵格疊置分析 柵格圖層疊置分析是利用某種計算模型對不同柵格圖層相同位置的像元值進(jìn)行計算，得到新的柵格圖層[11]。耕地地力評價也是用多個因素圖層來進(jìn)行評價，采用加權(quán)求和模型計算耕地地力綜合指數(shù)，參與模型計算的具體圖層指標(biāo)由專家給出。層次分析法是一種進(jìn)行系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)工具，在耕地評價這個復(fù)雜系統(tǒng)過程中被用來確定不同參評指標(biāo)的權(quán)重。模糊數(shù)學(xué)方法是用來對模糊事物進(jìn)行定量化的方法，這里用來確定評價因素不同值對應(yīng)的隸屬度。

2.2 研究區(qū)情況與評價指標(biāo)體系的建立 研究區(qū)位于陜西關(guān)中平原西部，總面積超過1 000多km2，地區(qū)地形總體上為北山南塬，土地資源豐富，屬半濕潤、半干旱暖溫帶季風(fēng)氣候。以該縣土地利用等圖件、第二次土地調(diào)查及政府相關(guān)部門的文字、統(tǒng)計資料、實地采樣數(shù)據(jù)為實驗數(shù)據(jù)來進(jìn)行評價工作。

由省、市、縣農(nóng)業(yè)方面專家組根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，據(jù)對耕地地力影響較大等原則且在全國耕地地力評價指標(biāo)體系框架下投票選取了14個因素建立起當(dāng)?shù)馗氐亓υu價指標(biāo)體系(圖1)。

圖1 耕地地力評價指標(biāo)體系

2.3 指標(biāo)權(quán)重及隸屬度的確定

2.3.1 指標(biāo)權(quán)重計算。根據(jù)層次分析法給出準(zhǔn)則層A相對于目標(biāo)層Z和指標(biāo)層B相對于準(zhǔn)則層A的對比較矩陣，由矩陣的權(quán)向量計算出每個因素組合權(quán)重。當(dāng)矩陣一致性檢驗均通過時，說明權(quán)重分配是合理的。由此方法得出所有指標(biāo)的權(quán)重(表1)。

表1 評價因素組合權(quán)重計算結(jié)果

2.3.2 隸屬度確定。由專家給出數(shù)量型指標(biāo)的隸屬度評估值，由此擬合出隸屬函數(shù)，用來計算隸屬度。隸屬函數(shù)有3種類型，戒上型、直線型，概念性。有機質(zhì)、堿解氮等養(yǎng)分指標(biāo)與耕地地力之間的關(guān)系是戒上型，而海拔、坡度與耕地地力之間的關(guān)系是線性的，坡向、地貌類型、灌溉能力、土壤構(gòu)型、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施、質(zhì)地、土體構(gòu)型的隸屬類型為概念型。概念型指標(biāo)隸屬度由專家打分直接給出。戒上型和直線型由隸屬函數(shù)計算出隸屬度。戒上型隸屬函數(shù)表達(dá)式為：

以有機質(zhì)為例，其隸屬函數(shù)為：Y=1/[1+0.017 653×(ui-c)2]，其中c=24.373 04。

2.4 數(shù)據(jù)庫建立及數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.4.1 數(shù)據(jù)庫建立。評價數(shù)據(jù)庫的建立在ArcGIS中進(jìn)行，耕地評價涉及十幾種圖件，數(shù)據(jù)量較大，ArcGIS為其提供良好的存儲管理及運算平臺。

2.4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理。評價中養(yǎng)分柵格圖采用點位圖進(jìn)行克里金插值得到；海拔、坡度、坡向柵格圖由DEM生成；質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、剖面構(gòu)型是依不同土屬而定，因此將土壤柵格圖重分類得到這幾個指標(biāo)的柵格圖；灌溉能力、基礎(chǔ)設(shè)施配備隨著地貌類型的不同而不同，由地貌類型柵格圖重分類得到這兩個指標(biāo)柵格圖。計算綜合指數(shù)時的柵格值為指標(biāo)的隸屬度，養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度得出需要根據(jù)隸屬函數(shù)在ArcGIS中進(jìn)行柵格計算得到；海拔、坡度的隸屬函數(shù)類型為線性，在軟件中進(jìn)行線性變換可得其隸屬度；其他概念型指標(biāo)在獲取柵格圖的重分類過程中直接將新值重分類為專家給出的隸屬度即可。

2.5 基于ArcGIS的實現(xiàn)過程及結(jié)果可視化 由“2.4.2”可得到所有參與評價的指標(biāo)的柵格圖層如圖2(由于版面有限不一一列舉所有圖層)。每個柵格圖經(jīng)過柵格計算或重分類將柵格值變?yōu)橹笜?biāo)值對應(yīng)的隸屬度，之后進(jìn)行綜合指數(shù)的計算，這2個過程都通過ArcGIS的建模工具建立模型來進(jìn)行，計算模型見圖3。

圖2 各評價指標(biāo)的柵格圖層

圖3 耕地地力綜合指數(shù)計算模型

計算結(jié)果的綜合指數(shù)分值為20～80，采用等間距來進(jìn)行等級的劃分，制作評價結(jié)果專題圖。專題地圖主要有7種表示方法，在這里采取質(zhì)底法來表示不同耕地地力等級的空間分布，遵循專題地圖的圖面配置原則設(shè)計地圖符號、圖例、注記、說明等。由于ArcGIS自帶的地圖符號不是很理想，采取系統(tǒng)本身圖形編輯功能對符號進(jìn)行二次設(shè)計，制作的耕地地力等級專題圖如圖4。

圖4 耕地地力等級專題圖

3 結(jié)語

研究采用GIS的空間分析技術(shù)對地處黃土高原地貌復(fù)雜區(qū)的某縣進(jìn)行了耕地地力評價，最終得出了該縣的耕地地力綜合指數(shù)，采取等間隔法將地力等級分為了4級(不同分級方法有著不同的結(jié)果)，據(jù)此可以統(tǒng)計不同等級耕地面積。利用ArcGIS制作地力等級專題圖，從而可以看出不同等級耕地的空間分布，由于資料收集及整個評價過程都是在國家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行的，評價結(jié)果具有較高的科學(xué)性，可以為當(dāng)?shù)卣恋胤矫娴恼咧贫ㄌ峁﹨⒖肌?/p>

[1] 唐少深.糧食安全與耕地的關(guān)系[J].生態(tài)環(huán)境，2004(13)：149-150.

[2] 高旺盛，陳源泉，楊世琦.論新時期中國國情下的糧食安全觀[J].糧食安全與農(nóng)作制度建設(shè)，2004(11)：19-22.

[3] KLINGEBIEL L，MONTGOMERY P H L.Capability Classification(Agricultural Handbook)[M].Washington DC：Department of Agriculture，USA，1961.

[4] KING J.Beyond Economic Choices-Population and Sustainable Development [M].UNESCO，1987.

[5] 朱德舉.土地評價[M].北京：中國大地出版社，2002：21-36.

[6] DAVIDSON D A，THEOCHAROPOULOS S P，BLOCKSMA R J.A land evaluation project in Greece using GIS and based on Boolean and fuzzy set methodologies[J].Intenrational Journal of Geographical Information System，1994，8：369-380.

[7] KOLLIAS V J，PKALIVAS D.The enhancement of a commercial geographical information system(ARC/INFO)with it’s fuzzy processing capabilities for the evaluation of land resources[J].Computers and Electronics in Agriculture，1998，20：79-95.

[8] AHAMED T R N，RAO K G，MURTHY J S R.GIS-based fuzzy membership model for Crop-land suitability analysis[J].Agricultural Systems，2000，63：75-95.

[9] 鐘永紅，彭世琪，崔勇.全國土壤監(jiān)測論文集[C].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[10] 傅伯杰，陳利項，馬城.土地可持續(xù)利用評價的指標(biāo)體系與方法[J].自然資源學(xué)報，1997，12(2)：112-118.

[11] 劉南，劉仁義.地理信息系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2002.

Evaluation of Cultivated Land Productivity Based on GIS

ZHANG Zhi-hong et al

(School of Environment and Resource, Inner Mongolia University, Hohhot, Inner Mongolia 010000)

Using the spatial analysis function of GIS platform to evaluate the cultivated land fertility of Fengxiang County. AHP was used to determine the weights of evaluation indexes, fuzzy mathematics method was adopted to determine the index membership, weighted sum model was used to calculate the composite index of the fertility of arable land. The result shows the maximum and the minimum index of the farmland. The composite index is divided into four grades according to equal interval method. Also making a visualization about different grades of arable land distribution. The whole process is a successful use of GIS means in the field of agriculture. It’s a make up for the evaluation unit size difference in vector process which can cause great errors. It can also avoid programming or using other system to compute the integrated fertility index.

Evaluation of cultivated land fertility; Raster data; GIS

張志宏(1991- )，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，研究方向：生態(tài)環(huán)境。

2014-04-28

S 28

A

0517-6611(2014)15-04813-03