葉 丹,郜魯濤,麻之潤(rùn),彭 琳*
(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 大數(shù)據(jù)學(xué)院(信息工程學(xué)院),云南 昆明 650201;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650201)
選擇昆明市尋甸回族彝族自治縣為研究區(qū)域,該地位于東經(jīng)102°41′~103°33′,北緯25°20′~26°01′,地形復(fù)雜地貌多變,屬于低緯度高原季風(fēng)氣候,年均溫14~15.2 ℃,年均降水量為1045 mm,全縣土地總面積3598 km2,東西長(zhǎng)約80 km,南北長(zhǎng)60 km。全縣發(fā)展農(nóng)副產(chǎn)品以及生態(tài)旅游業(yè),是一個(gè)農(nóng)業(yè)大縣。
數(shù)據(jù)來(lái)自尋甸縣基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),2010和2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),全縣土壤數(shù)據(jù)及2008-2016年尋甸縣統(tǒng)計(jì)年鑒和《尋甸回族彝族自治縣土地利用總體規(guī)劃(2010-2020年)》。
1.3.1 元胞自動(dòng)機(jī)模型原理 元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata)是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散的模型,具有強(qiáng)大的空間建模和計(jì)算能力,能夠模擬具有時(shí)空特征的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[15],每個(gè)變量狀態(tài)有限,而且狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上均為局部特征。以下是CA模型表達(dá)式:
S(t+1)=f(S(t),N)
(1)
式中,S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合;t、t+1為不同時(shí)刻,N為元胞的鄰域;f為局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。
1.3.2 元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則 由表達(dá)式(1)可以看出,元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則f是元胞自動(dòng)機(jī)模型的算法核心[16]。采用常用的元胞轉(zhuǎn)換策略-最大概率選擇策略,作為元胞轉(zhuǎn)換策略。優(yōu)先轉(zhuǎn)換概率最大的元胞,直到達(dá)到最初設(shè)定的目標(biāo)值。
(2)
式中,SP表示元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換為耕地的綜合概率;P、NP、C分別表示土地適宜性概率、土地空間發(fā)展限制性、土地未來(lái)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì);state為元胞狀態(tài);plowland為耕地;CV為耕地規(guī)劃模擬中耕地的規(guī)模指標(biāo);IND為耕地規(guī)劃模擬中可占用為耕地的其他用地的總體數(shù)量。
BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,上海中心、鳥(niǎo)巢都成功“試水”,但是,BIM在中國(guó)的建筑業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用依然相對(duì)狹窄,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《關(guān)于2017年二季度全國(guó)工程質(zhì)量安全提升行動(dòng)進(jìn)展情況的通報(bào)》中提到:在部分地區(qū)推動(dòng)工程技術(shù)進(jìn)步工作進(jìn)展較為緩慢。
1.3.3 耕地規(guī)劃模擬系統(tǒng)工具開(kāi)發(fā)方法 為了在地理空間分析中高效地應(yīng)用CA模型,基于ArcGIS 10.2平臺(tái),利用 Python腳本語(yǔ)言,結(jié)合Arcpy和Numpy類庫(kù),開(kāi)發(fā)耕地規(guī)劃模擬系統(tǒng)腳本工具。該工具共有5個(gè)參數(shù)。
(1)土地適宜性柵格:基于耕地地力等級(jí)的柵格圖,用來(lái)定義元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐母怕省?/p>
(2)土地限制性柵格:主要受城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)、生態(tài)林地、草地等條件約束,柵格值取0或1,0表示對(duì)耕地發(fā)展無(wú)約束,1表示對(duì)耕地發(fā)展有約束。用來(lái)定義耕地的空間發(fā)展約束條件。
(3)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)柵格:在土地利用類型轉(zhuǎn)換過(guò)程中,轉(zhuǎn)化為其他地類的優(yōu)勢(shì)性圖層。柵格取值為0或1,0表示轉(zhuǎn)化為其他地類無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),1表示轉(zhuǎn)化為其他地類有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。用來(lái)定義土地利用轉(zhuǎn)換過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
(4)規(guī)模指標(biāo):耕地實(shí)際用地規(guī)模指標(biāo),用來(lái)定義耕地規(guī)劃的占地規(guī)模數(shù)量。
(5)輸出結(jié)果:輸出耕地規(guī)劃模擬結(jié)果,用來(lái)定義耕地規(guī)劃模擬結(jié)果的輸出文件存放路徑和輸出文件名稱。
表1 耕地地力評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重
圖1 灌溉保證率Fig.1 Irrigation guarantee rate
圖2 排澇能力Fig.2 Drainage capacity
主要從耕地地力狀況和空間鄰域適宜性來(lái)分析土地適宜性。綜合尋甸縣的實(shí)際情況,耕地地力狀況主要考慮土壤管理、立地條件和理化性狀3個(gè)方面,而土地適宜性還包括耕地的穩(wěn)定性。耕地穩(wěn)定主要受城鎮(zhèn)用地變化影響,因此,將空間鄰域適宜性考慮進(jìn)來(lái),能降低劃定的耕地在未來(lái)用地變化中受影響的程度,以提高耕地規(guī)劃模擬系統(tǒng)工具的穩(wěn)定性。
2.1.1 評(píng)價(jià)因子選擇及權(quán)重確定 結(jié)合尋甸縣的現(xiàn)有數(shù)據(jù)和相關(guān)研究,評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層三層構(gòu)成。目標(biāo)層即耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果,準(zhǔn)則層由土壤管理、立地條件和理化性狀組成。土壤管理主要由灌溉保證率和排澇能力分級(jí)組成。立地條件主要包括坡度和坡向2個(gè)因子。而理化性狀主要考慮對(duì)土壤養(yǎng)分影響較為重要的有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、有效磷、速效鉀。權(quán)重計(jì)算采用特爾斐法和層次分析法相結(jié)合,并參考大量相關(guān)文獻(xiàn)[17-20],確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表1)。
圖3 坡度分級(jí)Fig.3 Slope grading
圖4 坡向分布Fig.4 Slope distribution
圖5 土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.5 Soil organic matter content
2.1.2 耕地地力評(píng)價(jià) 針對(duì)尋甸縣的云貴高原特性,主要選取灌溉保證率、排澇能力、坡度、坡向、有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、有效磷和速效鉀等有代表性的評(píng)價(jià)因子。灌溉保證率、排澇能力、坡度、坡向、有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、有效磷和速效鉀等評(píng)價(jià)因子主要從云南省測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)中獲取(圖1~9)。按照表1中各因子所占權(quán)重,對(duì)其進(jìn)行疊加分析,得到尋甸縣耕地地力評(píng)價(jià)圖。
圖6 土壤pH值含量Fig.6 Soil pH value content
圖7 土壤全氮含量Fig.7 Soil total nitrogen content
2.1.3 空間鄰域適宜性評(píng)價(jià) 利用ArcGIS的地理處理功能對(duì)2010年的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行重分類。其中,建設(shè)用地為1,非建設(shè)用地為0,并對(duì)其進(jìn)行鄰域分析,得到城鎮(zhèn)建設(shè)用地鄰域圖[21]。對(duì)得到的建設(shè)用地鄰域圖進(jìn)行分析,土地單元3×3鄰域窗口內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地單元數(shù)越多,其空間鄰域適宜性越低,則評(píng)價(jià)得分越低,轉(zhuǎn)化為耕地的概率越低;反之,其評(píng)價(jià)得分就越高[22],轉(zhuǎn)化為耕地的概率也越高,評(píng)價(jià)得分在5.94119~61.0413。
根據(jù)耕地地力評(píng)價(jià)圖及空間鄰域適宜性的評(píng)價(jià)結(jié)果,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[22],給耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果賦權(quán)重值0.8,給空間鄰域適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果賦權(quán)重值0.2,再運(yùn)用疊加分析功能得到土地適宜性評(píng)價(jià)柵格圖(圖10)。尋甸縣由于其特殊的地形地貌原因,適宜做耕地的區(qū)域較為分散。
圖8 土壤有效磷含量Fig.8 Soil effective phosphorus content
圖9 土壤速效鉀含量Fig.9 Soil available potassium content
圖10 土地適宜性綜合評(píng)價(jià)得分Fig.10 Comprehensive evaluation score of land suitability
圖11 2020年耕地模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of cultivated land in 2020
隨著社會(huì)的發(fā)展,在土地利用類型轉(zhuǎn)換過(guò)程中,耕地發(fā)展主要受城鎮(zhèn)建設(shè)用地、生態(tài)林地、草地以及建筑水工用地等條件的限制約束?;谏鲜鐾恋叵拗菩约s束條件將尋甸縣2010年的土地利用現(xiàn)狀圖重分類,有約束的地類為1,其他為0。
在土地利用類型轉(zhuǎn)換過(guò)程中,城鄉(xiāng)建設(shè)用地相較于其他地類有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。利用尋甸縣2015年的土地利用現(xiàn)狀圖和《尋甸回族彝族自治縣土地利用總體規(guī)劃(2010-2020年)》,提取城鎮(zhèn)建設(shè)用地的圖斑,并對(duì)其進(jìn)行緩沖區(qū)分析,然后再進(jìn)行重分類,允許建設(shè)區(qū)為1,轉(zhuǎn)換為其他地類有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì);否則為0,轉(zhuǎn)換為其他地類無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
以2010年為基期,結(jié)合2015年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),利用上述方法模擬2015年耕地規(guī)劃狀況,并與2015年實(shí)際耕地分布狀況進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)為 96 %,
當(dāng)Kappa系數(shù)大于80 %時(shí),預(yù)測(cè)結(jié)果的一致性就達(dá)到了最佳的水平[23-24]。說(shuō)明開(kāi)發(fā)的耕地規(guī)劃模擬工具具有一定的準(zhǔn)確性,可以用來(lái)輔助相關(guān)部門調(diào)整土地利用總體規(guī)劃中的耕地規(guī)劃項(xiàng)。
尋甸縣2020年耕地規(guī)劃指標(biāo)為63 277 hm2。由于元胞柵格大小統(tǒng)一設(shè)置為100 m×100 m,所以到2020年,尋甸縣的元胞規(guī)模指標(biāo)設(shè)置為63 277個(gè)。經(jīng)元胞自動(dòng)機(jī)的運(yùn)算,得到尋甸縣2020年耕地規(guī)劃模擬圖,如圖11所示。
為了研究尋甸縣2020年耕地結(jié)構(gòu)相較于2010年的組成變化,將模擬的2020年的耕地規(guī)劃結(jié)果與2010年的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行疊加分析,預(yù)分析出耕地的增減變化,土地利用類型轉(zhuǎn)換狀況,如表2所示。分析表2可知,與2010年相比,2020年尋甸縣耕地面積預(yù)計(jì)增加8277 hm2,其他用地約有30 598 hm2會(huì)轉(zhuǎn)為耕地,主要是由林地(未成林造林地、跡地、疏林地等)、草地(覆蓋度在5 %~20 %的天然草地)、水工建設(shè)用地(灘涂、坑塘水面等)、村莊、未利用地(砂地、裸土地、裸巖石礫地等)等轉(zhuǎn)化而來(lái)。尋甸縣地處中國(guó)西南片區(qū),且尋甸縣曾是國(guó)家級(jí)貧困縣,在2018年10月6號(hào)由云南省政府公開(kāi)發(fā)布批準(zhǔn)其退出貧困縣。尋甸縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化較大,因而其土地利用變化較大。尋甸縣目前還是一個(gè)以特色農(nóng)業(yè)發(fā)展為主、生態(tài)旅游發(fā)展齊頭并進(jìn)的農(nóng)業(yè)大縣,因此其耕地面積仍在逐年上升。
從耕地的自然條件出發(fā),耕地發(fā)展對(duì)土壤養(yǎng)分、地勢(shì)條件灌溉排澇能力有很大的依靠。所以,此次模擬的2020年耕地,更好的結(jié)合了耕地地力條件。合理轉(zhuǎn)化內(nèi)陸灘涂等地類,選擇具有良好的土壤質(zhì)地和水分條件的地類轉(zhuǎn)化,可以有效的提高耕地產(chǎn)值,為研究區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供更好的前景規(guī)劃。
利用Python將元胞自動(dòng)機(jī)模型開(kāi)發(fā)成小工具嵌入到Arcgis平臺(tái)對(duì)尋甸縣耕地利用情況進(jìn)行模擬,探索考慮了耕地適宜性、限制性以及約束性的元胞自動(dòng)機(jī)模型在耕地規(guī)劃上的應(yīng)用前景。
(1)尋甸縣地處中國(guó)西南地區(qū)地形地貌較為復(fù)雜,高山低谷,地形起伏不定。受灌溉保證率、排洪排澇能力、坡度、坡向、有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、速效鉀、有效磷等土地利用演變驅(qū)動(dòng)因素分布不均的影響,采用層次分析法確定各因素的權(quán)重并繪制出土地適宜性評(píng)價(jià)圖,最終發(fā)現(xiàn)尋甸縣適宜作耕地的區(qū)域較為分散。
表2 2020年模擬耕地與2010年土地利用現(xiàn)狀疊加分析
Table 2 Overlay analysis of simulated cultivated land in 2020 and land use in 2010
土地類型Land type面積(hm2)Area耕地32 679林地15 376草地13 202水工建設(shè)用地234村莊1395未利用地391合計(jì)63 277
(2)尋甸縣曾長(zhǎng)達(dá)30多年是國(guó)家級(jí)貧困縣,現(xiàn)在終于脫貧。這離不開(kāi)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)。對(duì)尋甸縣2020年耕地規(guī)劃模擬的結(jié)果進(jìn)行分析,其與2010年尋甸縣土地利用現(xiàn)狀圖相比,2020年尋甸縣耕地?cái)?shù)量有所上升,其中僅有32 679 hm2是2010年現(xiàn)有耕地,約30 589 hm2是由林地、草地、水工建筑用地、村莊和未利用地轉(zhuǎn)換而來(lái)的耕地。
(3)研究的耕地規(guī)劃模擬工具受前景政策影響較大,若不考慮相關(guān)前景政策,在允許建設(shè)區(qū)規(guī)劃了耕地,最后會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃失誤再重新規(guī)劃,浪費(fèi)人力物力。故而不僅要充分考慮研究區(qū)的土地利用總體規(guī)劃還需要時(shí)刻關(guān)注尋甸縣新出臺(tái)的相關(guān)政策。
適宜性CA耕地規(guī)劃模擬工具不僅可以體現(xiàn)“自下而上”的規(guī)劃原則,而且研究的耕地規(guī)劃模擬工具考慮了耕地的自然地理?xiàng)l件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件以及政策因素,因此更加具有穩(wěn)定性。并且,該模型可以進(jìn)一步拓展到“三線劃定”中的生態(tài)保護(hù)紅線劃定以及城市邊界劃定。