賈琛琛，馬昊翔

（廣東國(guó)地規(guī)劃科技股份有限公司，廣州 510000）

0 引言

農(nóng)用地分等定級(jí)開始于20 世紀(jì)80 年代末，經(jīng)歷了等、級(jí)為整體，等、級(jí)定義逐漸分離，等、級(jí)定義邊界明確的3 個(gè)階段[1]。分等成果體現(xiàn)了以自然質(zhì)量為主長(zhǎng)期穩(wěn)定的農(nóng)田質(zhì)量差異；而定級(jí)成果是在分等成果基礎(chǔ)上，主要反映以農(nóng)田綜合質(zhì)量、集約利用水平、經(jīng)濟(jì)特性為主的差異，在縣域內(nèi)對(duì)農(nóng)田實(shí)際質(zhì)量差異進(jìn)一步細(xì)化[2-4]。在第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查（以下簡(jiǎn)稱“三調(diào)”）中，耕地分等定級(jí)是專項(xiàng)用地調(diào)查中的重要內(nèi)容[5]，定級(jí)單元的劃分是農(nóng)田定級(jí)工作開展的基礎(chǔ)[2]，科學(xué)劃分定級(jí)單元對(duì)于精確掌握農(nóng)田的現(xiàn)實(shí)質(zhì)量具有重要意義。

近年來，隨著地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）技術(shù)、遙感（remote sensing，RS）技術(shù)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）技術(shù)、地圖自動(dòng)制圖技術(shù)的發(fā)展，眾多學(xué)者對(duì)單元?jiǎng)澐值亩炕芯恳苍诓粩嗌钊?。例如，?0 世紀(jì)80 年代起，地理學(xué)界從土地適宜性角度、農(nóng)學(xué)界從土地經(jīng)濟(jì)角度分別對(duì)土地分等定級(jí)進(jìn)行研究：文獻(xiàn)[6]對(duì)土地類型單元、土壤分類單元、土地資源分類單元進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[7]和[8]對(duì)單因素圖疊置、矢量疊置、綜合圖疊置進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[9]～[11]對(duì)地理網(wǎng)格、動(dòng)態(tài)網(wǎng)格、遙感柵格等劃分方法進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[12]和[13]對(duì)定性定量相結(jié)合、GIS 空間分析等進(jìn)行研究。單元?jiǎng)澐掷碚撘灿蓡我坏耐恋乩?、行政管理向多重因素綜合考慮、精細(xì)化研究轉(zhuǎn)變，綜合分析農(nóng)田單元的土地利用方式、土壤性狀、地形地貌等因素。目前，單元?jiǎng)澐值寞B置研究雖然可以綜合考慮影響農(nóng)田質(zhì)量的多種因素，但疊置分析后也往往會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)碎單元[9]。常規(guī)的“疊加—多邊形碎塊刪除”、制圖綜合等操作，會(huì)損失大量的信息，難以客觀判定單元綜合的效果[14]，這不利于開展實(shí)際評(píng)價(jià)工作。本文在疊置法基礎(chǔ)上進(jìn)行方案改進(jìn)，探究研究區(qū)耕地定級(jí)單元?jiǎng)澐值淖顑?yōu)方案。

1 研究區(qū)概況

青海省西寧市湟源縣位于青藏高原與黃土高原交界處，全域總面積為1 489.74 km2，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，耕地的平均海拔為2 900 m。根據(jù)“三調(diào)”結(jié)果，全縣耕地面積為270.93 km2，占土地總面積18.18%，共有耕地單元6 018 個(gè)，以中部低山丘陵區(qū)耕地面積居多，其中，最大的耕地單元面積為242.74 hm2。根據(jù)1982 年土壤普查結(jié)果，全縣共有9 個(gè)土類、36 個(gè)土種，主要包括高山草甸土、高山灌叢草甸土、黑鈣土、栗鈣土等。

2 研究方法

2.1 疊置底圖選擇

基于耕地質(zhì)量定級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景，本文以湟源縣“三調(diào)”中的耕地圖斑為基礎(chǔ)底圖。耕地質(zhì)量定級(jí)以縣級(jí)行政轄區(qū)為基本評(píng)價(jià)區(qū)域，因此，疊置底圖應(yīng)盡可能選擇較大比例尺圖件。黃土高原區(qū)耕地的質(zhì)量受地形、氣候、溫度等因素影響較大，各地形區(qū)的耕地質(zhì)量差異明顯。疊置底圖選擇也需要綜合考慮地形、氣候、溫度因素。綜上，本文選取湟源縣“三調(diào)”成果中的耕地圖斑、1：30 萬土壤圖、數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）、氣候分界線、等溫線進(jìn)行疊置分析[12]。

2.2 基于語義規(guī)則的定級(jí)單元?jiǎng)澐指倪M(jìn)方法

基于語義規(guī)則的定級(jí)單元?jiǎng)澐指倪M(jìn)方法，需要對(duì)地物語義屬性的重要性和相似性進(jìn)行優(yōu)先級(jí)和鄰近度排序[14]，在疊置分析的基礎(chǔ)上篩選出小于閾值的單元。根據(jù)語義鄰近優(yōu)先規(guī)則、拓?fù)湟?guī)則[15]等，選擇最鄰近、同權(quán)屬的鄰接單元進(jìn)行綜合，最大限度保留單元內(nèi)部信息，提高定級(jí)單元內(nèi)部屬性的均一程度。

2.2.1 單元綜合幾何約束規(guī)則

（1）最小單元面積。參考“三調(diào)”中地類的最小調(diào)查上圖面積，其中，超過400 m2的農(nóng)用地（不含設(shè)施農(nóng)用地）實(shí)地面積需調(diào)查上圖，部分地區(qū)可適當(dāng)降低精度?；阡以纯h的特殊地理位置，本文對(duì)疊置后的單元進(jìn)行多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析得到最優(yōu)的綜合尺度。

（2）拓?fù)潢P(guān)系定義。拓?fù)潢P(guān)系約束[14-16]是單元綜合過程中的一個(gè)重要依據(jù)。假設(shè)，圖層疊置后單元面積St小于最小單元面積Smin的多邊形集合為{Ft}，Bt為單元邊界，Dmin為最小單元間距，D（F1，F(xiàn)2）為單元F1、F2的距離，L（F1，F(xiàn)2）為單元F1、F2的共享邊長(zhǎng)，則多邊形集合{Ft}內(nèi)F1、F2的拓?fù)潢P(guān)系如下：若Bi∩Bj≠?，則F1、F2拓?fù)溧徑?，即F1、F2為共享邊界單元；若Bi∩Bj=?且D（F1，F(xiàn)2）≤Dmin，則F1、F2拓?fù)溧徑?/p>

由于地類單元不重疊，對(duì)于小單元集合{Ft}而言，只有鄰接和鄰近2 種情況[15]。為避免綜合過程中將單元間的非耕地區(qū)域轉(zhuǎn)化為耕地，本文只綜合空間鄰接的單元。空間位置上的鄰接可以以單元間共享邊界的長(zhǎng)度為量化指標(biāo)，表達(dá)式為ddis（F1，F(xiàn)i）=r，r表示小單元與鄰接單元Fi共享邊長(zhǎng)L占F1周長(zhǎng)的比率。

2.2.2 語義優(yōu)先級(jí)規(guī)則

在單元綜合過程中，確定最鄰近單元不僅需要考慮空間關(guān)系上的拓?fù)溧徑龋€要綜合考慮專題屬性上的語義鄰近度。為保證農(nóng)田定級(jí)成果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，耕地地類屬性不能發(fā)生改變。但是小單元周邊可能會(huì)存在很多同地類的單元，研究人員需要綜合考慮各單元土壤屬性、地形氣候、村級(jí)行政區(qū)劃的語義鄰近程度。

2.2.3 語義鄰近度規(guī)則

（1）土壤屬性鄰近度。土種是土壤分類的基本單元，土種語義鄰近度可以通過青海土種[17]體系中的語義相關(guān)性規(guī)則并參照本體理論的相似性計(jì)算方法得到。設(shè)考察單元X與某單元Yi的語義鄰近度為dsem1（X，Yi）。在土壤體系中，按照土屬、土種劃分排序，得到其他土種與考察單元X的語義鄰近等級(jí)。按照土壤分類標(biāo)準(zhǔn)量化不同土壤屬性的語義鄰近度，根據(jù)《青海土種志》[18]分類體系確定“等級(jí)量”的鄰近級(jí)別并對(duì)其等級(jí)的“差異量”進(jìn)行定量計(jì)算。對(duì)排序的語義類型集{Yi}，規(guī)定相鄰兩元素的語義距離為1 個(gè)單位，則語義距離為（1，2，3，4，…，i，…），語義距離的總和為∑，則第i個(gè)語義的鄰近度dsem1（X，Yi）=1-i/∑（距離越遠(yuǎn)則值越?。?。

（2）地形屬性鄰近度。青海高原地區(qū)溫度對(duì)春小麥生長(zhǎng)的影響較大，海拔每降低150 m，春小麥生育期縮短10.5 天[17]。本文以湟源縣30 m DEM 為底圖，提取150 m 等高線并以此作為劃分耕地質(zhì)量差異的地形代表因素，與耕地單元圖、土壤圖進(jìn)行疊置分析，對(duì)疊置產(chǎn)生的單元進(jìn)行海拔賦值，得到疊置后各單元的平均海拔。通過小于閾值單元與鄰接單元的語義鄰近度dsem2（X，Yi）=1-|Δh|/150（Δh為海拔高差），判斷不同海拔的單元語義鄰近度。經(jīng)過咨詢專家學(xué)者，青海高原地區(qū)海拔和土壤對(duì)耕地質(zhì)量的影響程度相同，則土壤因素和地形因素的語義鄰近度dsem（X，Yi）=0.5×dsem1（X，Yi）+0.5×dsem2（X，Yi）。

（3）綜合鄰近度?？臻g位置的鄰近度ddis（F1，F(xiàn)i）與語義鄰近度dscm（X，Yi）確定后，本文需要綜合考慮兩者對(duì)鄰近度的影響，找出與考察單元X的最鄰近單元Yi。Yi與X的綜合鄰近度被定義為dadj（X，Yi）=ddis（X，Yi）×W1+dsem（X，Yi）×W2（W1、W2為兩者的權(quán)重值）。根據(jù)兩種類型具體討論W1、W2的取值：如{Yi}中存在小于或等于1 個(gè)同地類單元，則直接選擇鄰接的同地類單元，即W1=1、W2=0；如不存在鄰接同地類單元，則可以保留小單元。若{Yi}存在多個(gè)同地類單元，此時(shí)語義綜合鄰近更為重要，即W1=0.2、W2=0.8，綜合選出X的最鄰近單元。

2.2.4 單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量評(píng)價(jià)

（1）單元內(nèi)部屬性均一。內(nèi)部屬性均一、單元間屬性差異是驗(yàn)證定級(jí)單元合理性的重要依據(jù)[6]。以研究縣土壤肥力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證基礎(chǔ)，本文通過克里金插值形成全域20 m×20 m 有機(jī)質(zhì)含量的柵格圖，分別用疊置法、改進(jìn)法對(duì)有機(jī)質(zhì)柵格進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各單元的土壤肥力指標(biāo)。對(duì)比分析各方法單元內(nèi)部的均一程度，單元內(nèi)部屬性的方差越小，單元?jiǎng)澐中Ч嚼硐搿?/p>

（2）單元間屬性差異。以定級(jí)單元內(nèi)部柵格有機(jī)質(zhì)含量的平均值為單元有機(jī)質(zhì)含量的值，對(duì)比分析單元間有機(jī)質(zhì)值的差異程度，單元間土壤有機(jī)質(zhì)的方差越大，單元?jiǎng)澐中Ч嚼硐?。?dāng)兩者綜合屬性達(dá)到最優(yōu)時(shí)，其面積被認(rèn)為單元綜合最優(yōu)的最小單元面積。

本方法基于改進(jìn)的疊置法，以疊置法單元內(nèi)、單元間方差的基本情況為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同最小單元面積實(shí)驗(yàn)下的綜合分值，綜合分值越大說明實(shí)驗(yàn)效果越好。內(nèi)部一致性、外部差異性對(duì)綜合結(jié)果具有反向影響，本文對(duì)兩類指標(biāo)采取不同的計(jì)算方法。劃分的定級(jí)單元如果過于破碎會(huì)影響實(shí)際評(píng)價(jià)工作，當(dāng)綜合分值相同時(shí)，單元的破碎度指數(shù)可被作為輔助決策的重要指標(biāo)，即

2.2.5 單元自動(dòng)綜合模型構(gòu)建

基于以上規(guī)則，本文建立基于語義規(guī)則的單元?jiǎng)澐帜Ｐ?，如圖1 所示。最小單元面積關(guān)系單元循環(huán)的結(jié)果，直接影響單元?jiǎng)澐智闆r，分別選取400 m2、600 m2、800 m2作為最小單元面積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

圖1 定級(jí)單元改進(jìn)法技術(shù)路線

3 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及“三調(diào)”地類圖斑、土壤數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、土壤肥力數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)獲取方式如下。

（1）耕地圖斑數(shù)據(jù)取自湟源縣“三調(diào)”成果；

（2）地形海拔數(shù)據(jù)取自地理空間數(shù)據(jù)云中的湟源縣30 m DEM；

（3）土壤圖取自青海省第二次土壤普查數(shù)據(jù)；

（4）氣候分界線、等溫線取自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的青海省氣象環(huán)境專題數(shù)據(jù)；

（5）有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)取自湟源縣農(nóng)業(yè)局的土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與分析

湟源縣共有耕地單元6 018 個(gè)，耕地總面積270.93 km2，平均單元面積為4.50 hm2，最大單元面積為242.74 hm2。其中，全縣小于0.1 hm2的單元總數(shù)為1 024 個(gè)，占單元總數(shù)的17.02%，其耕地面積僅占耕地總面積的0.48%；大于100 hm2的耕地單元總數(shù)為18 個(gè)，占單元總數(shù)的0.30%，耕地面積為2476.69 hm2，占總面積9.14%，單元間面積相差懸殊。

疊置法劃分的單元總數(shù)為6 702 個(gè)，最大單元面積為185.16 hm2，小于700 m2的單元總數(shù)增加了88.48%，面積增加了48.88%；面積大于或等于100 hm2的單元總數(shù)減少了27.78%，單元總面積減少了28.42%，這說明疊置法在有效分割較大單元的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的細(xì)碎單元。改進(jìn)方法后分別將最小單元面積定為400 m2、600 m2、800 m2進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如表1 所示。

表1 定級(jí)單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量與面積統(tǒng)計(jì)對(duì)比

湟源縣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：耕地圖斑的單元內(nèi)部均方差為0.823，疊置法劃分的單元內(nèi)部均方差為0.511、外部方差為8.781，這說明單元外部差異性較大，疊置分析后其外部差異性沒有較大改變；但單元破碎度提高，由0.134 增長(zhǎng)至0.166。與疊置法相比，改進(jìn)法的單元內(nèi)部方差、單元間方差基本呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，單元破碎度有所降低，實(shí)驗(yàn)中最小單元面積600 m2的綜合分值最高，如圖2 和表2 所示。

圖2 疊置法與改進(jìn)法（600 m2）定級(jí)單元對(duì)比

表2 定級(jí)單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 討論與結(jié)論

本文將制圖綜合的思路引入農(nóng)田定級(jí)單元?jiǎng)澐?，?gòu)建單元綜合模型，實(shí)現(xiàn)同地類單元間的最鄰近綜合，與“疊加—多邊形碎塊刪除”的傳統(tǒng)方法相比，最大限度地保留了單元信息；與機(jī)械的綜合方法相比，提升了單元屬性的均一程度。分別以400 m2、600 m2、800 m2為最小單元面積進(jìn)行3 組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，并構(gòu)建單元?jiǎng)澐值馁|(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果顯示：與疊置法相比，改進(jìn)方法的最優(yōu)結(jié)果小于700 m2的單元總數(shù)減少了54.98%，單元破碎度降低了4.82%；單元間的內(nèi)部均方差比地塊法降低了36.82%；單元間方差幾乎一致。這說明改進(jìn)后的定級(jí)單元方法有效地解決了單元內(nèi)部土壤性狀差異較大的問題，同時(shí)減少了疊置法產(chǎn)生的細(xì)碎圖斑，降低了后期定級(jí)評(píng)價(jià)的工作難度。