湖南省平江县耕地利用状况评价

湖南省平江县耕地利用状况评价

我国人均耕地数量少，整体质量低，后来资源不丰富。为加强耕地保护,我国制定了一系列保护耕地的法律法规。但随着经济的发展,每年新增建设用地占用耕地的数量仍不断增加,保住1.2亿hm2耕地红线的压力越来越大。各级地方政府通过多种渠道和形式增加耕地数量,以实现“占补平衡”,但对于新增耕地的利用状况则很少关注,造成新增耕地被荒废甚至无法耕种等问题。新增耕地利用状况的研究,对保证新增耕地的后续质量及利用具有现实意义。对耕地利用的研究,国外起源于对土地生产潜力的研究。近30年来,将作物生长机理模型应用于土地生产潜力估算与耕地利用情况逐渐成熟,如1981美国原农业部土壤保持局率先提出了应用于农地保护的“土地评价和立地分析系统”(LESA),1992年荷兰科学家Driessen等基于土地利用系统分析和作物生产动态模型,完成了土地利用定量模型。随着Spot5、QuickBird、WorldView等高分辨率卫星的应用,对土地(耕地)利用的遥感监测与评估出现了“百花齐放”的时代,并呈现出由定性的描述利用状况到定量的分析具体应用和预测未来应用情况的趋势。高分卫星影像在土地覆盖制图及专题信息提取、土地利用/覆盖变化特征分析、农作物种植监测、耕地后备资源调查等方面得到了广泛应用并取得了系列成果。与此同时,也有学者通过遥感数据提取耕地信息,获取相关评价指标,分析耕地地力状况,对土地质量及利用状况进行评价。目前,基于遥感影像的耕地调查评价研究多为获取耕地质量信息,但分析新增耕地利用状况的研究则少见报道。因此,笔者利用高分辨率卫星进行新增耕地利用状况监测,并根据评价体系对其进行评价,对加强新增耕地的后期监督管理具有现实意义。1地形地貌及数据研究区域平江县位于湖南省东北部,处汨水、罗水上游,东与江西省修水县、铜鼓县交界,北与湖北省通城县、岳阳县相连,南与浏阳市接壤,西与长沙县、汨罗市毗邻。总面积4125km2,总人口106万。全县地形复杂,以山地为主,丘陵、平原散布其间。有耕地562.64km2,其中水田502.30km2,旱地60.33km2。人均耕地较少,耕地保护形势严峻。平江县2007年度新增耕地项目有8个,共开垦耕地约72.10hm2(未扣除田坎系数的正射投影面积)。其中三市镇东岸村、东月村土地开发项目开发耕地约17.71hm2(图1),三市镇下沙村土地开发项目3个,共开发耕地约23.92hm2(图1);三市镇横槎村土地开发项目开发耕地约11.67hm2(图2);长寿镇新建村土地开发项目开发耕地约15.02hm2(图3);向家镇新石村土地开发项目2个,共开发耕地约3.78hm2(图4、5)。遥感影像数据主要为时相11月中旬、分辨率2.5m的Spot5卫星数据(2010、2012年),以及时相12月初、分辨率0.5m的worldView-02数据(2008年)等;地形数据采用空间分辨率为5.0m的DEM数据;像控点数据来自湖南省第二测绘院二分院2012年采用静态GPS实测的数据;新增耕地的红线资料、土地利用资料等相关资料来自平江县国土资源局。2数据提取与分析流程对新增耕地利用状况信息提取与评价,主要分为数据预处理、耕地利用状况的信息提取与分析、耕地利用状况综合评价3个步骤,具体流程如图6所示。2.2数据预处理2.2.1新增耕地利用状况利用平江县国土资源局提供的新增耕地批文资料、红线资料、土地利用数据库等资料核实新增耕地的红线范围,检查并处理拓扑错误,统一各新增耕地项目的文件格式、投影信息等。主要包括研究区正射影像图的制作和影像分辨率统一两个部分。研究区正射影像图的制作包括正射纠正、拼接、增强、融合、镶嵌等正射影像图制作流程,制作图面清晰、对比度适合的正射影像图。遥感影像统一分辨率是将分辨率为0.5m的WorldView-02的卫星遥感数据进行重采样,使所有遥感数据的空间分辨率统一到2.5m的精度。《全国土地分类(试行)》(国土资发255号)规定新增耕地除新增耕地外,还包括新增可转为耕地的园地、人工草地、养殖水面等。该研究中新增耕地特指通过土地开发、整理、复垦等工程手段新增加的用来种植农作物的土地,不包括可调整园地、人工草地、养殖水面等。新增耕地利用状况主要指耕地是否在利用、利用程度如何,是什么耕地类型,农作物长势如何等。反映新增耕地利用状况的因子很多。该研究中主要选取植被覆盖类型(土地利用类型)、耕地类型、农作物长势等因子作为反映新增耕地利用状况的因子。①植被覆盖类型。根据GB/T21010-2007土地利用分类现行标准,土地利用类型分为耕地、园地、林地、草地、居民及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地及其他土地。由于该文中研究的是新增耕地的利用情况,故将耕作层已被破坏的居民及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地及其他土地不进行区分,统称为裸地。另外,对于未改变土地利用性质、复耕难度较小的人为撂荒地,该研究中作为特殊情况看待,简记为荒地。综上,植被覆盖类型分为耕地、荒地、草地、园地、林地、裸地5种类型。②耕地类型。主要分为两类,即水田、旱地。③农作物长势。即作物生长的状况与趋势。根据农作物长势情况,即农田的植被覆盖度可以把不同耕地类型的耕地进一步分为上等、中等、差3种类型,简记为好、中、差。即可把耕地类型分为好田、中田、差田、好地、中地、差地6种。该研究采用ENVI影像处理软件,利用面向对象和影像认知分类方法进行初步分类,再辅助人机交互解译进行修改,从而快速准确地提取耕地利用信息。对分类结果经ArcGIS处理后得到平江县2007年新增耕地范围内的2008、2010、2012年的耕地利用图(以集中连片的三市镇东岸、东月土地开发项目、下沙土地开发项目1、下沙土地开发项目2、下沙土地开发项目3为例,如图7、8、9),构建新增耕地利用状况数据库。2.47年新增耕地利用状况的变化强度与特点由平江县2007年新增耕地范围内2008、2010、2012年的耕地利用图分析整理,得到各因子年度总面积,结果见表1。从表1可以看出,2008~2012年,作为耕地来使用的新增耕地整体上呈现递减的趋势,其中好田、差田、好地、中地的递减趋势明显。特别是好田的面积,由2008年的5.57hm2锐减到2012年的2.41hm2,减少近60%;好地的面积也由2008年的8.47hm2减少到2012年的3.03hm2,减少超过60%。因此2008~2012年,作为耕地使用的新增耕地在面积和使用率都呈减少的趋势。应用ArcGIS分别对2008和2010年、2010和2012年、2008和2012年新增耕地利用状况图进行叠加分析,可以获得3个时期内2007年新增耕地利用状况的变化强度与特点。(1)2008~2010年平江县2007年新增耕地利用状况的变化强度与特点。①好田、中田、林地的变化不明显。②差田、好地、中地、草地、园地急剧减少,减少幅度接近或超过60%;中地的减少面积最大,变为荒地的中地面积为4.89hm2,约占原中地面积的20%;变为差地的中地面积为12.29hm2,约占原中地面积的50%。③差地、荒地、裸地飞速增加,增加幅度均超过3倍;差地、荒地的新增面积均超过13.33hm2,其中新增加的差地主要来自原来的中地,占新增差地面积的83.4%;新增加的荒地主要来自原来的差田、好地、中地,分别占新增荒地面积的28.7%、33.9%、34.3%。(2)2010~2012年平江县2007年新增耕地利用状况的变化强度与特点。①中田、好地、差地、草地、园地的面积变化不大。②差田、中地、林地、裸地增加势头明显,其中差田、中地、裸地相比2010年,增加了将近或超过1倍;中地的面积增加最多,为7.07hm2,增加的中地主要来自荒地和差地,分别为4.87、7.60hm2。③好田和荒地面积持续减少,相比2010年分别减少53.7%、62.6%,好田减少超过50%,减少的好田主要流向了林地、中田和差地,分别占好田减少总面积的23.65%、30.76%、43.37%。3评价因子的确定根据新增耕地的利用情况和未利用地的复耕可能性,植被覆盖类型依次为耕地、荒地、草地、园地、林地、裸地(耕作层已遭破坏)等7类,其中未作为非耕地利用的5类分别是荒地、草地、园地、林地、裸地;耕地可分为为水田、旱地两类,对于作为耕地利用的新增耕地,根据其农作物的长势,又可简单分为利用情况好、利用情况中等、利用情况差等3种情况,共计6类,分别用好田、中田、差田、好地、中地、差地表示。综合以上情况,新增耕地利用状况的评价因子共计11个。权重系数是表示某一指标项在指标项系统中的重要程度,它表示在其他指标项不变的情况下,这一指标项的变化对结果的影响。指标权重系数合理与否直接影响评价结果的科学性和准确性,权重确定的方法有很多,主要有层次分析法(AHP)、DELPHI方法、回归分析法、专家经验法和主成分分析法。该研究采用层次分析法,此方法理论严谨,简单直观,便于操作,是一种定性与定量相结合的多目标决策分析方法,它能把定性因素定量化,从而使评价趋于定量化一种科学方法,是美国运筹学家Saaty于20世纪70年代提出的,这种方法可将人们的经验思维数量化,用以检验决策者判断的一致性,有利于定量化评价。3.2.1各利用类型权重的确定反映新增耕地有无利用的A层对应的对比矩阵A(A1,A2)为A(9,1);反映植被覆盖类型的B层对应的对比矩阵有两对,其中反映耕地类型的A1层的对比矩阵A1(A11,A12)为A1(2,1),反映未利用地类型的A2层的对比矩阵A2(A21,A22,A23,A24,A25)为A2(9,7,5,2,1);反映耕地利用情况好坏的C层对应的对比矩阵也有两个,分别为A11(A111,A112,A113)、A12(A121,A122,A123),其赋值都是相同的,为A11(7,5,1)、A12(7,5,1)。这样可获得新增耕地利用状况的各因子的判断矩阵,判断矩阵元素aijk的标度方法见表2。根据判断矩阵P,求最大特征根λmax所对应的特征向量w,方程为:P×w=λmax×w。所求特征向量w经归一化,即为各评价因素的重要性排序,也就是权重分配。为验证以上得到的权重分配是否合理,还需要对判断矩阵进行一致性检验。检验使用公式:CR=CI/RI。式中,CR为判断矩阵的随机一致性比率;CI为判断矩阵的一般一致性指标,CI=(λmax-n)/(n-1)。CR的取值越大,说明矩阵的一致性越差。当CR=0.1或CR>0.1时,认为该判断矩阵一致性较差,需重新调整判断矩阵;当CR<0.1时,可以认为该判断矩阵通过了一致性检验,可以使用。RI为判断矩阵的平均随机一致性指标,1~9阶的判断矩阵的RI值参见表3。综上,得到各因子的权重(表4)。某种利用类型对应的权重Wi,i={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11},分别对应利用情况好的水田、利用情况中等的水田、利用情况差的水田、利用情况好的旱地、利用情况中等的旱地、利用情况差的旱地、荒地、草地、园地、林地、裸地,则有W1=WA111×WA11×WA1、W2=WA112×WA11×WA1、W3=WA113×WA11×WA1、W4=WA121×WA12×WA1、W5=WA122×WA12×WA1、W6=WA123×WA12×WA1、W7=WA21×WA2、W8=WA22×WA2、W9=WA23×WA2、W10=WA24×WA2、W11=WA25×WA2,即Wi的取值为{0.280034001,0.199989999,0.120006000,0.139995999,0.099980001,0.059994000,0.037500000,0.029170000,0.020830000,0.008330000,0.004170000}。设各种利用状况的面积为Si,新增耕地项目总面积为S,某种利用类型对应的权重为Wi,对于新增耕地的利用状况,考虑到各种利用情况的面积占总面积的比重、各中利用情况对新增耕地利用状况的贡献度(即权重),新增耕地利用状况的好坏可以用q表示,则q的表达式为:为了避免出现位数较多的小数,更直观地表现新增耕地的使用情况,用q的10000倍取整值来表示新增耕地的使用状况Q,即Q=int[10000×q]。由上式可知,Q的取值与Si、Wi相关,而Si/S不可能>1,且故当新增耕地利用类型为单一情况时,Q取得极值,Q的极值取决于Wi。Q的极值集P为10000×Wi对应的集合,即P={2800,2000,1200,1400,1000,600,375,292,208,83,42}。若Q的取值最接近Pi,则评分值为Q的新增耕地的利用情况接近Wi对应耕地利用类型的利用情况。计算得出新增耕地总体利用情况(2008年1095,2010年855,2012年839)及各土地开发项目利用情况,见表5。根据平江县2007年新增耕地项目整体评分可以看出,2008年新增耕地利用水平介于差田与中地之间,而2010和2012年的利用水平介于中地和差地之间。相对于2008年,2010、2012年新增耕地的利用情况不容乐观,2010~2012年间利用情况总体变化不大。由新增耕地项目利用状况年度评分表可以看出,横槎村土地开发项目、三市镇东岸、东月土地开发项目、下沙土地开发项目2、下沙土地开发项目3、新石土地开发项目1等5个土地开发项目2008~2012年的利用状况持续走低,尤其是下沙土地开发项目2,截至2012年其利用水平已接近草地和林地的水平,新增耕地利用情况不容乐观。下沙土地开发项目1、新建土地开发项目、新石土地开发项目2等3个土地开发项目利用状况较好,尤其是下沙土地开发项目1,由2008年的差地水平提升到2012年的中田水平;另外,新石土地开发项目2一直保持较好的利用状态。4耕地利用情况该研究利用3期遥感影像,对平江县2007年新增耕地的利用状况进行了动态监测与评价,分析了平江县新增耕地整体及各个新增耕地项目的利用状况、利用水平,结果表明,2008~2012