陈崇成¹涂平¹ 黄绚² 李军²

（1.福州大学 环境与资源工程系，福建 福州 350002；2.中国科学院 地理研究所，北京 100101）

提　要　以福清市土地利用分布为例，在完成土地利用状况和土地适宜性参评因子空间数据库基础上，集成土地适宜性综合指数模型和地块紧凑度模型，开发了基于地理信息系统的土地适宜性评价和土地利用控制决策支持系统。通过土地适宜性多因子空间分析，模拟大农业（耕地、林地、园地）各目标用地条件下各地块土地使用适宜度，并结合土地利用现状，得到单目标土地改造方案；再经模型优化和综合比较得出多目标土地利用改造规划可选方案。计算结果表明，福清市土地资源中开发改造为新耕地的潜力极有限，而用于开发改造新林地和园地的土地尚有 226.80km² 和 36.34km²，为福清市土地利用改造规划和总体规划的制定和调整提供了定量依据。

关键词　土地适宜性评价；土地改造规划；地理信息系统；综合指数模型；地块紧凑度 模型

中图分类号　F301.2；P208

文献标识码　A

文章编号　1000-3037(2000)02-0117-06

1 引言

　　通过建立区域土地利用和土地适宜性控制因素数据库和土地信息系统，实现土地利用方式动态模拟和时空分析，对区域土地利用现状适宜性进行综合评价，在此基础上对区域土地利用规划与合理开发提供可视化决策已有相当多的报道^{[1、2、3、4、5]}。宋如华等成功地建立了土地管理信息系统并结合综合指数模型，实现了土地利用规划和空间布局决策^[6、7]。胡小华已对 GIS 支持的多目标土地适宜性评价做了详尽
论述^[8]，而尹君探讨了土地利用多目标规划模式，提出以建立土地资源数据库—土地多宜性评价—多目标决策—多方案比较优选的规划过程^[9、10]。杨联安等完成了在“3S”一体化技术支持下的土地利用动态管理信息系统建设框架^[11]，而陈崇成等提出基于地理数据分析和功能分解相结合的空间信息系统开发模式^[12]。

　　本文基于地理信息系统 Arcview3.1 平台开发了集土地利用空间数据库管理、空间应用模型分析和可视化空间决策支持于一体的土地适宜性评价与利用空间决策集成系统，在此基础上以福建省福清市土地利用分布为例，开展了考虑各种自然、社会经济条件和土地利用现状等因素情况下的土地适宜性多因子空间分析，得出考虑地块紧凑度的单目标和多目标土地利用改造规划初步方案，为土地管理、优化土地利用结构和布局，制定土地利用总体规划以及因地制宜地合理利用后备土地资源提供定量分析依据。

2 基于 GIS 的土地多目标改造规划原理

　　GIS 环境中特有的空间分析功能和空间数据可视化表达方式，为土地利用评价、改造和结构调整提供了全新的分析和解决方案。笔者在尹君^[9、10]张显峰等^[14]、Kao^[15] 等研究基础上，发展了在 GIS 环境中集成综合指数评价模型和地块紧凑度模型的土地利用改造规划多因子空间分析途径。该方法将土地改造规划模拟分为 3 个步骤，即单目标土地多因子适宜性评价—单目标土地利用改造模拟—多目标土地利用改造规划（图 1）。土地利用适宜性评价中，评价因子除了自然因子和社会因子外，还考虑土地利用现状对改变利用方式的限制；在多目标土地利用改造规划时，通过地块紧凑度模型优化单目标土地利用改造方案，并综合比较各地块在各目标利用条件下的评价得分值或土地利用的多宜性，提出较为客观的区域大农业土地利用的改造规划的计算方案。

图 1 基于 GIS 的大农业土地利用改造规划模拟“三步法”技术流程图
Fig.1 The three step technical flowchart for GIS-based simulation of pan-agricultural
land use transformation planning

3 实体系统的设计

3.1 系统的集成方案

　　基于 GIS 的土地适宜性评价与利用决策空间集成系统的开发和设计中，实现空间数据库与空间应用分析模型的接口是一个技术关键。文献 16 已对土地适宜性评价与利用决策空间集成系统的体系结构和数据流程图作了详尽的论述。本文采用 Arcview 3.1提供的用户接口函数，通过调用动态函数库 (DLL) 的方式实现 Avenue 与 Visual Basic应用模型程序之间的数据传递和数据表现，并且构成统一的无缝界面。其结构方案如下图（图 2）。

图 2 GIS与空间应用分析模型紧密集成模方案
Fig.2 A tightly integration scenario for GIS with Spatial Analysis Model

3.2 空间应用分析模型

3.2.1 土地适宜性多因子评价模型

　　本文以现状利用地块为评价单元，采用综合指数模型优先进行单目标（耕地、林地、林地）适宜性评价，然后通过各目标评价结果与土地利用现状图进行比较，在剔除城镇建设用地等不可改造的土地利用，以及与现状利用一致的两种地块后将中等适宜以上的目标利用地块定义为待改造的地块。模型表达式为：

式中，Ek 为评价结果值，表示某种特定利用目标下地块的适宜性程度；N 为参评因子数；Wi，k 为第 k 个地块范围内第 i 个参评因子的权重值；Pi，k 作用于第 k 个地块的参评因子 i 的规模指数。

3.2.2 地块紧凑度模型

　　紧凑度（Compactness）是衡量地块或场地空间数据图斑的完整性和聚集性的指标。它是反映地块或场地形状的特征参数。土地利用改造规划不仅要考察各地块在各目标用地条件下的适宜程度，而且还要评价其待改造地块的面积大小和紧凑度。地块面积大，形状完整且紧凑，实施土地整改的倾向性越大。

　　Diamond 和 Wright 指出空间紧凑度模型与 GIS 的集成将为土地利用问题的智能决策提供有力的工具^[15]。地块的紧凑度定义可以多种，本文采用 Wright 给出的空间紧凑度模型，即某一地块的紧凑度为该地块的面积与其周长的比。主要的计算步骤如下：

　　(1) 定义单个栅格单元的边线矢量

　　不失一般性，设任一地块有 N 个正方形栅格单元组成。用矢量 I 表示任一栅格是否属于指定地块，即 Ii，j=1(i=1，2，…，N；j=1，2，…，N)，栅格 Ci，j 属于指定地块，其边线方向规定顺时针，上、右侧边线为正，下、左侧边线为负；Ii，j=0，栅格 Ci，j 不属于指定地块，其边线方向规定逆时针，上、右侧边线为负，下、左侧边线为正（图 3）。

图 3 地块边界矢量定义及其周长贡献 ^[5]
Fig.3 Definition of boundary vectors of based-grid land
parcel and its contribution to perimeter

　　由此，大小为 1 个单位的栅格 Ci，j 的每一边长可定义为：

LTi，j=-0.5＋Ii，j；LRi，j=-0.5＋Ii，j；LBi，j=0.5-Ii，j=0.5-Ii，j（2）

其中，LTi，j，LRi，j，LBi，j，LLi，j 分别代表栅格 Ci，j 上、右、下和左边线的长度。据图 3(a，b )，若任意两个相邻栅格的 Ii，j 的值相同（等于 1 或 0），则两个栅格的公共边有效方向长度为 0，说明该边不是地块周长的一部分，即不构成周长。相反，两个相邻栅格的 Ii，j 的值不同，公共边的有效方向长度为 +1 或 -1，表示该边为地块周长的 - 部分。

　　(2) 地块周长的计算

　　对于封闭的多边形，周长矢量和为零。地块所有的上、右边长代数和等于所有的下、左边长的代数和，且符号相反，故计算周长时只要计算地块的上、右边长的总和。栅格 Ci，j 的上、右的周长贡献为：

右边：SLRi，j=LRi，j+LLi+1，j；上边：SLTi，j=LTi，j+LBi，j-1(3)

由式 (3) 可得一个栅格的周长贡献为 SL，即

SLi，j=SLTi，j+SLRi，j=2Ii，j-Ii+1，j-Ii，j-1(4)

为计算方便引入非负变量 Vi，j，并令

2Ii，j-Ii+1，j-Ii，j-1+Vi，j≥0，i，j=1，2，…，N(5)

这样 SLi，j<0时，Vi，j=|SLi，j|；SLi，j>0 时；Vi，j=0，即所有 Vi，j 总和等于地块 Ci，j 的半周长。

　　(3) 地块的紧凑度计算

　　由上各式得到单个地块的紧凑度 COM

　　按此式，图 3(c) 给出的地块，可得 N=12，COM=3/4，紧凑程度高；若 12 个栅格直线相邻分布，则可得紧凑度为 6/13，紧凑程度低。

4 系统应用

4.1 空间分析参数确定和数据库建设

　　经优选本次评价采用的因子有地形坡度、海拔高度、地形部位、土壤有机质、土层厚度、土壤 Ph 值、土壤质地、土壤侵蚀、活动积温、降水量、风力、灌溉条件、交通条件以及现状土地利用方式等 14 个因子。评价单元体系的划分直接引用土地利用现状图斑系统，并采用最新的 1∶10000 土地利用现状图进行分层数字化，再进行空间坐标转换和各图的拼接，而其它各参平因子的空间数据图层则采用 1∶50000 的比例尺。各因子的指标等级及相应的目标用地（耕地、园地、林地）规模指数具体取值见资料^[17]。表 1 是本次最终确定的参评因子的权重取值。

表 1　土地利用适宜性评价参评因子权重表
Table 1 Weight value of factors for land use suitability evaluation

　　经多次调试，综合指数模型将各地块的适宜程度分为高度适宜 (E≥0.85)、中度适宜 (0.75≤E＜0.85)、勉强适宜 (0.50≤E＜0.75)、暂时不适宜 (0.25≤E＜0.50)、永久不适宜 (E＜0.25) 五级。单目标评价结果与土地利用现状比较，得到适宜度高 (E＞=0.85) 或等于中等 (0.75＜=E＜0.85) 的单目标改造规划图。经地块紧凑度模型运算，得到优化的改造图斑，剔除形状上不紧凑的不利于改造的图斑。

4.2 结果分析与评价

　　从表 2 可知，共有 1268.51km² 可列入旨在改变利用方式的土地改造规划考虑范围内，其中耕地、林地和园地目标分布主体分别为勉强适宜 (50.02%)、高度适宜 (57.37%) 和中等适宜 (79.21%)。单目标改造空间叠置分析结果表明，在所有可用于改造的土地中，可用于改造（即中等～高度适宜的）为耕地和园地的分别仅有 95.16km² 和 112.33km²，而可改造为林地的潜力较好，尚有 656.10km²。经过多宜性综合优化比较，发现宜耕地待改造的土地几乎更适合于改造为林地和园地，使得林地和园地改造面积最后优化为 226.80km² 和 36.34km²。由此说明，福清市开发改造为新耕地的潜力已很有限，农田保护和粮食丰产措施重点应放在提高已有农田产量水平上；用于开发新林地和园地的土地尚有相当的数量，宜大力发展荒山造林、植果。

表 2　土地适宜性评价和改造规划面积 (km²) 统计表
Table 2 The statistical areas of land use suitability evaluation and transformation planning

　　从模拟结果空间分布可知，待开发的新园地分散分布渔溪—海口—城头一线以西大片地区，且图斑面积均小而碎；而林地主要集中龙高半岛的干旱地区以及北部山区地带。这与福清市自然条件和近年农业发展战略相吻合，北部地区，多为低山—丘陵，适合于扩大森林覆盖面积，福清市林区亦分布此内；龙高半岛地区则属台地地貌，因缺水干旱，现有旱地多倾向改造为经济林，并且适宜度为中等。受地势、地块大小、农业经济因素等影响，园地基本上以小面积分散分布于中部、北部地区。近年来大力发展的山麓水果种植已佐证了模拟评价结果客观性。

5 结论与建议

　　综上所述，得出以下结论和建议：

　　(1) 集空间数据管理、空间应用分析模型和土地利用方式改造可视化决策支持于一体的集成化地理信息系统是土地利用适宜性评价和土地利用改造规划良好的决策工具。

　　(2) 通过对福清市大农业土地利用改造规划分析研究，可得福清市开发新耕地的潜力极有限，而用于开发新林地和园地的土地尚有 226.80km² 和 36.34km²。

　　(3) 考虑影响土地利用特征的多因子综合指数模型，算法简单，栅格空间图层间加权操作方便，精度和空间分辨率易控制。

　　(4) 地块紧凑度模型能辅助优化土地利用改造，对控制改造土地面积和提高改造规划结果可信度有一定的意义。

　　(5) 土地参评因子权重、适宜度划分、地块紧凑度的阈值等的取值人为性强，有待进一步研究；土地评价和规划预测结果用于制定最终的改造规划和土地利用总体规划时，需经野外实地验证和用户反馈并做适当调整。

参考文献

第一作者简介

陈崇成 (1968－)，男，福建人，讲师，在职博士生，研究方向为资源与环境信息工程。

基金项目：国家“九五”重中之重科技攻关项目子专题 (96-B02-01-07-07)。