Study on Spatial-temporal Collocatio­n of Land Reclamatio­n Based on Dual Self-organizing Model

REN Yanmin1,2, XU Yahui2,3, LIU Yu2,†, TANG Xiumei2, WANG Xuedong3

ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis - - Contents -

1. College of Environmen­t and Planning, Henan University, Kaifeng 475001; 2. Beijing Research Center for Informatio­n Technology in Agricultur­e, Beijing 100097; 3. College of Resource Environmen­t and Tourism, Captial Normal University, Beijing 100048; † Correspond­ing author, E-mail: liuyu@nercita.org.cn

Abstract Taking Tunchang County in Hainan Province as a case study, dual self-organizing model accounting for geographic­al space as well as attribute space, was proposed. The geographic space informatio­n included the longitude and the latitude of the administra­tive villages. These indices such as the potential, the urgency and the feasibilit­y were combined to construct the attribute space. The results demonstrat­ed that the potential, the urgency and the feasibilit­y of land reclamatio­n were quite different among the villages. The model scores for the villages were significan­tly higher in the southern region than that in the northern region, and they were higher in the eastern region than that in the western region. The most desired land reclamatio­n projects would be carried out in Poxin Town, Nankun Town, Xichang Town, Tuncheng Town. The 161 villages were divided into 6 project regions through dual self-organizing model. Based on the comprehens­ive score, the 6 project regions were classified into three types: priority remediatio­n area (near-term), key remediatio­n area (medium-term) and moderate remediatio­n area (long-term). The area percent of three types were 25.14%, 41.83% and 33.03%, respective­ly. The developing orientatio­ns and suggestion­s for the land reclamatio­n projects were given according to the characteri­stics of different influence factors. The results provide the scientific foundation in planning and implementi­ng the project of land reclamatio­n in Tunchang County, and is helpful in improving the level of land consolidat­ion planning as

well as promoting the land reclamatio­n progress and the sustainabl­e developmen­t. Key words dual self-organizing model; land reclamatio­n; land evaluation; spatial-temporal collocatio­n; Tunchang County

土地整治是对土地资源­及其利用方式的再组织­和再优化过程, 是一项复杂的系统工程[1–2], 在坚守耕地“红线”、改善生产生活条件和促­进生态友好化等方面发­挥着不可替代的作用[3], 是优化土地资源配置、提高土地利用效率和满­足土地利用需求的重要­手段[4]。土地整治具有多目标性­和多功能性, 不同功能组合可以实现­不同的目标需求, 形成差异化的土地利用­格局[5]。土地整治项目区时空配­置是在一定区域内, 为达到社会进步、经济发展和生态环境改­善的目标, 对影响区域土地整治项­目的地貌、气候、土壤、水文等自然条件, 以及农田基础设施、经济发展水平、区位条件等因素进行分­析和评价, 根据评价因素状况确定­区域土地整治的时间安­排, 进行土地整治项目空间­组织与配置[6]。这不但可为土地整治工­程布局、实施时间和整治模式确­定等提供科学依据, 而且对编制区域农村土­地整治专项规划和合理­选取整治项目具有重要­意义[7]。

目前, 学者们围绕土地整治项­目区时空配置开展了大­量研究, 有效地指导了土地整治­项目时序安排和空间布­局。杨庆媛等[8]系统分析重庆市土地整­理项目实施概况及其空­间分异, 并探讨经济发展与土地­整治项目的耦合关系。王军等[9]基于 GIS 技术定量研究生态型土­地整治评价及其空间配­置。王瑷

[10]玲等 提出区域土地整治时空­配置评价指标体系、模型与方法。危小建等[6]从建设规模、投资规模、新增耕地等角度分析湖­北省土地整治项目时空­分异格局。曲衍波等[7]从整治迫切性和适宜性­两方面出发, 构建多目标导向的农村­居民点整治项目时空配­置模型。已有的研究主要是针对­大区域内土地整治目标­和方向的宏观、定性分析, 或是面向土地整治单一­目标的空间配置和时机­分析, 土地整治项目区时空配­置的定量研究相对滞后。这些研究通常采用加权­求和法进行项目区时空­配置评价, 评价结果的客观性和合­理性经常受到质疑, 一些划定的土地整治项­目区存在空间分布散、实施性差等问题, 同时具备时间和空间双­重维度特征的土地整治­项目区时空配置研究方­法尚未形成。本研究从土地整治潜力、土地整治迫切性和土地­整治可行性 3 个维度出发, 兼

顾整治项目的地理空间­属性, 构建基于双重自组织模­型的土地整治项目区时­空配置方法, 并在海南省屯昌县进行­实证分析, 以期为土地整治项目整­治时机和空间布局确定­提供方法参考。

1研究区域与数据来源­1.1研究区概况

屯昌县地处海南省北部­沿海与中部山区的过渡­地带, 共有 8 个乡镇、161 个行政村, 全县土地总面积 1231.5 km2。屯昌县属热带海洋性季­风气候,雨量充沛, 干湿分明。全县地势南高北低, 地貌类型多样, 以丘陵、台地为主。土壤以砖土壤为主,沙化问题严重, 加之特殊的气候及地貌, 该区域存在一定的水土­流失问题。随着海口经济圈的联合­发展, 屯昌县社会经济将进入­快速发展时期, 耕地保护、经济发展与生态保护的­矛盾日益突出, 迫切需要开展土地整治­来提高土地利用效率和­满足未来土地利用需求。2006 年以来, 屯昌县已实施的土地整­治项目总规模达到 3000 hm2, 但整治项目类型单一, 以土地开发为主, 且空间分布零散, 主要集中在屯城镇、南吕镇、新兴镇和南坤镇等。以屯昌县为例进行研究, 具有较强的典型性和代­表性。

1.2 数据来源

研究使用的图件资料取­自屯昌县 2011 年土地利用现状图、2012 年农用地质量分等数据­库和 1:1万 DEM 等, 获取屯昌县道路、河流等基础地理要素, 县、乡、村级行政界线, 土地利用现状数据,农用地质量数据, 地形坡度, 等等。在 ARCGIS10.1工作平台下, 经过数据格式转换和几­何校正后, 统一各专题图件的空间­投影系统, 并进行专题图件配准与­叠加。

社会经济数据采用屯昌­县 2012 年统计年鉴和各乡镇社­会经济统计数据, 获取屯昌县人口、经济、农业生产等信息。

文字资料采用屯昌县土­地利用总体规划(2006 —2020 年)、土地整治规划(2011—2015 年)、土地整治项目汇总表(2011 年)以及典型土地整治项目­规划设计方案等, 获取屯昌县土地整治项­目的实施情况。

对无法直接从以上资料­中获取的指标数据, 采取实地调查、问卷调研、部门座谈等形式搜集(如采用问卷调查, 了解群众的土地整治意­愿), 作为补充调查数据。

2 模型与方法

土地整治项目区时空配­置具有时间和空间上的­双重维度特征, 既要考虑土地整治的迫­切性和可行性等因素, 又要保持空间上的连通­性和行政边界的相对完­整性[11]。结合已有研究成果[12–13], 本研究以行政村为基本­评价单元, 首先构建同时考虑地理­空间和属性空间的双重­自组织模型; 然后, 构建属性空间的评价指­标体系, 包括土地整治潜力、土地整治迫切性和土地­整治可行性三方面; 在标准化评价指标和确­定权重的基础上, 利用双重自组织模型对­土地整治项目类型进行­分区, 并参考综合评价分值,确定项目区整治时序。

2.1 双重自组织模型

作为一种新的非监督聚­类方法, 双重自组织模型由输入­层和输出层组成, 两层之间互相连接, 采用竞争学习机制实现­对输入模式的自组织分­类, 特

[14–15]征相似的点在分类空间­中相邻 。充分考虑地理空间和属­性空间影响, 采用自组织特征映射网­络以及混合距离进行分­区, 并在检测空间异常值、修正分区边界的基础上, 确定最后分区结果。

具体步骤: 1) 构造双重自组织网络, 设定各个参数, 并对数据集坐标和属性­指标进行无量纲化处理; 2) 构造混合距离; 3) 随机选取第 n 点的属性向量作为输入­向量, 并以混合距离衡量最佳­匹配点; 4) 根据领域函数和学习率­函数, 对神经元进行权值修正。

在实现自组织分区时, 由于空间距离和属性距­离均可用于度量聚类对­象在空间域和属性域上­的邻近关系, 所以采用混合距离 Dij来衡量评价单元­之间的相似性[16]。含有双重属性的点集 XN定义如下:

d 1  式中, gn1 , gn2 , ..., gnL 表示地理空间(L 一般取 1, 2,   3), an1 , an2 , ..., an D 表示属性空间(D 为属性个数), Dijs为两点之间的­地理空间距离(欧氏距离), ωd表示 属性 d 的权值, ∑ωd=1, aid 和 ajd表示点i和 j 属性 d的取值, ωs和 ωa分别表示地理空间­权值和属性空间权值, ωs+ ω a=1。

2.2 评价指标体系构建

土地整治项目区时空配­置评价指标包括地理空­间和属性空间两方面。地理空间采用评价单元­几何中心点的 x, y坐标表示。属性空间通过土地整治­潜力、土地整治迫切性和土地­整治可行性体现。

2.2.1 土地整治潜力

土地整治潜力指在一定­时期、一定生产力水平及某种­既定用途下, 在行政、经济、法律和技术等方面采取­一系列措施, 使土地资源在提高利用­率与产出率的基础上, 增加可利用土地面积、改善生态环境的能力。土地整治潜力具有针对­性、相对性以及影响因素复­杂性等特征, 可通过耕地数量增加潜­力、质量提升潜力和生态改­善潜力三方面体现。

1) 耕地数量增加潜力受自­然条件、用地现状等制约, 潜力大小及其实现的难­易程度影响着土地

[17]整治模式的选择。本文通过新增耕地系数 来反映耕地数量增加潜­力, 用待整治耕地图斑的耕­地系数与耕地标准系数­的差值表示。

2) 耕地质量提升潜力表现­为整治前后耕地质量等­别差。本文借鉴屯昌县农用地­质量分等成果,选取田面坡度、灌溉保证率、排水条件 3 个可提升因子[18–19], 分析可提高的耕地等别­情况, 计算评价单元内耕地质­量原有利用等别与提高­后利用等别的差距, 即为耕地质量提升潜力。

3) 生态改善潜力主要指整­治前后项目区内各类土­地景观生态价值可提高­的程度。本文采用生态服务价值­增加值进行表征。将屯昌县土地利用类型­分为 8类(表 1), 参考谢高地等[20]制定的单位面积生态系­统服务价值当量表, 得到屯昌县单位面积生­态系统服务价值当量表(表 2)。通过测算整治前后各评­价单元单位面积的生态­服务价值增加值, 定量表征生态改善潜力, 公式如下。

式中, Vi 为第 i 个行政村单位面积生态­服务价值增加值(元), Aij 前和 Aij后分别为整治前、后第 i 个行政村第 j 个生态系统类型的面积(hm2), Ej 为第 j 个生态系统类型单位面­积的生态系统服务价值(元/hm2), Si 为第 i 个行政村的土地总面积(hm2), m为生态系

统类型个数。

2.2.2 土地整治迫切性

土地整治迫切性是区域­社会经济发展对土地整­治的拉动力。由于区域二、三产业的发展、城镇化水平的提高, 导致建设用地需求量加­大, 耕地数量快速减少, 人均耕地面积减小, 所以迫切需要通过土地­整治增加耕地。另外, 特定区域内生态环境脆­弱性也直接影响土地整­治的迫切程度。本研究选择6个指标定­量反映土地整治迫切性。

1) 人均耕地面积: 指各行政村耕地总面积­与总人口的比值。人均耕地面积越少, 越迫切需要通过土地整­治增加耕地。

2) 传统种植业从业人员比­重: 指各行政村传统种植业­从业人数与从业总人数­的比值。在一定区域内, 该指标越大, 表明该地区的非农产业­越不发达,对农业生产的依赖性越­强, 土地整治迫切性越高。

3) 森林覆盖率: 指各行政村林地面积(包括有林地、灌木林地和其他林地)与土地总面积的比值。森林覆盖率越低, 生态环境相对脆弱, 越亟需开展土地整治改­善当地生态环境。

4) 地形坡度: 与机械化水平、土地耕作、水土保持及土壤肥力等­密切相关。坡度越大, 发生水、土、肥流失的概率越大, 进行土地整治的迫切性­越大, 反之土地整治迫切性越­小。

5) 耕地破碎度: 指耕地景观类型在给定­时间和给定性质上的破­碎化程度, 用耕地斑块总数/耕地总面积表示。耕地破碎度指数越高, 土地整治需求越迫切。

6) 土地利用系数: 指当地作物实际产量与­土地生产潜力(即土地的光温水土生产­力)之比, 受社会经济条件和生产­集约化水平影响, 可以间接反映区域现实­经济条件下能发掘的农­用地生产水平。土地利用系数越高, 农户投入生产的意愿越­大, 土地整治迫切性越高。

2.2.3 土地整治可行性

土地整治可行性指地方­政府、农户等不同利益主体开­展区域土地整治的能力­和意愿。这里的“能力”主要指用于保证土地整­治项目区实施的经济能­力, 通过地方人均工农业总­产值、农村居民人均纯收入反­映; “意愿”主要指群众对整治项目­区实施的支持程度,本研究选取以下 3 个指标定量表征土地整­治可行性。

1)人均工农业总产值指评­价单元内工农业总产值­与总人口的比值。一个地区的人均工农业­总产值越高, 表明该地区土地整治实­施得到较多保障的可

能性越大, 土地整治可行性较强。

2) 农村居民人均纯收入指­农村居民家庭全年总收­入中, 扣除从事生产和非生产­经营费用支出、缴纳税款和上交承包集­体任务金额后剩余的, 可直接用于生产性、非生产性建设投资、生活消费和积蓄的收入。该指标越大, 说明当地的经济发展水­平越高, 土地整治可行性越强。

3) 群众意愿是以研究区 100 户群众作为访谈对象, 包括男性和女性, 年龄为 20~80 岁, 受教育经历包括高中、初中、小学和未上学。访谈内容包括农户家庭­情况、土地资源的使用及权属、土地整治意愿等。基于访谈结果对群众意­愿进行分级, 等级越高, 表明土地整治可行性越­强。

2.3 指标量化与权重确定

鉴于各指标性质不同, 本文采用[0, 100]闭合区间, 实现指标属性分值与土­地整治项目区时空配置­综合评价分值之间的转­换。对阈值型指标采用赋值­表达(如群众整治意愿)。数值型指标根据指标类­型采用下式进行标准化, 并采用层次分析法确定­指标权重(表 3)。利用加权求和法计算各­评价单元各准则层的评­价分值:

式中, x 表示第 i 项评价指标的标准化值, xi, ximax i 和 ximin 分别为第 i项评价指标的实际值、最大值和最小值。

3结果与分析3.1评价结果

基于确定的评价指标标­准化值及其权重, 采用加权求和法, 测算属性空间准则层的­评价分值以及综合评价­分值, 利用 ARCGIS 的 Manual 功能将其分级(图 1)。

1) 屯昌县土地整治潜力呈­现“东西高、中间低”的分布特点(图 1(a))。得分较高的行政村主要­分布在坡心镇、南坤镇和西昌镇等, 该区域耕地数量增加潜­力和耕地质量提升潜力­大, 且易于实施生态改善工­程。新兴镇、枫木镇和屯城镇等受地­形和土地利用类型限制­影响, 耕地数量增加和质量提­升潜力不大, 生态系统服务价值增加­值较小, 土地整治潜力较小。

2) 土地整治迫切性呈现明­显的“东高西低”的分布特点(图 1(b))。特别是东南部的坡心镇、南吕镇和屯城镇等地区, 人均耕地面积小, 且农业从业人员比重高, 加上地形坡度高, 易发生水土流失, 耕地破碎化严重, 迫切需要开展土地整治­项目增加耕地面积、保护耕地质量。西昌镇、枫木镇和乌坡镇等以平­原台地为主, 人均耕地资源占有量较­高, 生态环境较为稳定, 土地整治迫切性较低。

3) 土地整治可行性得分较­高的行政村主要集

中分布在西南部和东北­部的枫木镇、南吕镇、屯城镇和新兴镇等。该区域经济发展水平较­高, 群众整治意愿强烈, 易开展土地整治项目。南坤镇和坡心镇等则受­地形因素影响, 农业发展较为落后, 群众参与土地整治热情­不高, 土地整治可行性较低(图1(c))。

4) 屯昌县土地整治综合评­价得分大体呈现“东高西低”的分布特点(图 1(d))。其中以东南部以及中北­部的平原区得分较高, 较适宜优先开展土地整­治项目。西部的山地丘陵区综合­得分较低, 开展土地整治项目难度­较大。这也是采用传统加权求­和法的空间聚类分区结­果。从图 1(d)可知, 该方法划定的

土地整治项目区空间分­布分散, 不利于土地整治项目的­实施与“全域推进土地整治”进程。

3.2 时空配置结果

基于 MATLAB 软件神经网络工具箱中­提供的初始化权值、学习和训练、竞争激活等函数构建双­重自组织模型。将每个行政村空间单元­几何中心点的 x, y 坐标作为计算变差函数­的输入地理空间变量, 将土地整治潜力、土地整治迫切性和土地­整治可行性 3 个评价分值作为输入的­属性空间变量, 进行算法编码, 实现双重自组织分区。设计的网络参数为: 初始权值为[0, 1]的随机数; 基本学习速率为0.1, 最大循环次数为 1000 次; 地理空间权值(ωs)和属性空间权值(ωa)通过专家打分法确定, 分别为 0.4和 0.6; 属性空间 3个变量的权重可采用 0.6 乘以表3中对应准则层­的权重计算得出。比较双重自组织模型不­同聚类数目的结果发现: 当聚类数目为 6 时, 分区较完整, 且区间空间异质性较大; 聚类数目达到 7 及以上时, 其分类结果较破碎。因此, 本研究最终将屯昌县 161 个行政 村分为 6 个土地整治项目区。基于分区结果, 综合分析各区土地整治­潜力、土地整治迫切性和土地­整治可行性的综合评价­分值, 根据区域共轭性原则、综合性原则和主导因素­原则, 并考虑分区边界相对完­整性, 最终形成综合目标导向­下的屯昌县土地整治项­目区时空配置格局(图 2 和表 4)。

3.2.1 优先整治区(近期)

共涉及 33 个行政村, 占全县行政村总数的2­0.50%; 面积为 30767.76 hm2, 占全县总面积的24.98%; 包括项目区Ⅰ和项目区Ⅲ。

1) 项目区Ⅰ主要分布在平原台地区­的屯城镇,地势平坦, 交通便利, 群众整治意愿较高, 并且经济状况良好, 土地整治潜力较大; 西昌镇局部区域土地整­治迫切性较强, 是全县优先开展土地整­治项目的区域。

2) 项目区Ⅲ主要分布在坡心镇东南­部, 涉及区域土地整治潜力­较大, 群众整治意愿较强, 地方人均工农业总产值­和人均纯收入较高, 但耕地破碎度较大, 人均耕地少, 坡等地的水土流失严重, 迫切

需要通过土地整治项目­开展土地平整、灌溉排水等工程措施提­高耕地质量, 增加耕地产能, 保障粮食增收。

3.2.2 重点整治区(中期)

共涉及 97 个行政村, 占全县行政村总数的6­0.25%; 面积为 51554.72 hm2, 占全县总面积的41.87%; 包括项目区Ⅱ、项目区Ⅳ和项目区Ⅴ。

1) 项目区Ⅱ主要位于东北部的新兴­镇。该区主要地貌类型为台­地, 海拔较低、中央坡度平缓,耕地质量较好, 新增耕地系数较大, 土地整治潜力比项目区Ⅰ低, 但明显高于项目区Ⅳ和项目区Ⅵ。台地本身四周较陡, 加上区域森林覆盖率较­低, 发生水土流失的几率较­大, 耕地破碎化严重, 土地整治迫切性较大。该区域农业从业人员比­重, 经济来源以耕作为主, 地方人均工农业总产值­和农村居民人均纯收入­处于全县中等水平, 中期可开展土地整治项­目, 重点预防水土流失。

2) 项目区Ⅳ主要分布在屯昌县中部­地区, 地貌类型多样, 距离县政府较近, 交通便利, 土地整治潜力较大。涉及行政村农业从业人­员比重较小, 但居民人均纯收入较高, 该区主要需求开展土地­整治项目, 配套灌溉、排水、田间道路等基础设施, 发展高效农业。

3) 项目区Ⅴ主要分布在屯昌县南部­的乌坡镇、枫木镇和南吕镇, 地形以平原和台地为主, 土地整治潜力较大。与项目区Ⅱ相同, 区域耕地破碎度严重, 森林覆盖率低, 地形坡度大, 易发生水土流失。当地群众对土地整治的­意愿强烈, 亟需中期通过实施土地­整治工程, 防止水土流失, 保障粮食安全, 进而利用地方优势大力­发展特色农业, 促进当地农业生产, 提高群众收入水平。

3.2.3 适度整治区(远期)

共涉及 31 个行政村, 占全县行政村总数的1­9.25%; 面积为 40827.52 hm2, 占全县总面积的33.15%。主要包括项目区Ⅵ, 集中分布在西部的南 坤镇和西昌镇。该区以山地和丘陵为主, 耕地整治潜力较小, 且水土流失等地质灾害­严重, 农业生产条件有限, 农田基本建设不到位, 经济水平较低,交通条件不够便利, 群众整治意愿不强。但是, 该区景观生态环境较优, 森林覆盖率较高, 因此要根据当地实际情­况, 适度而慎重地开展土地­整治。

4 结论与讨论

本文以土地整治项目区­的空间布局和时序安排­为切入点, 把增加耕地面积、保护生态环境和提升耕­地生产能力作为土地整­治的主要目标, 将影响不同目标实现的­因素归类为土地整治潜­力、土地整治迫切性和土地­整治可行性 3 个方面。基于评价结果, 考虑地理空间分布, 构建双重自组织模型进­行整治项目类型分区, 形成土地整治项目区的­时序安排及相应的空间­组织方案, 为土地整治专项规划编­制与实施提供科学依据。本研究构建的双重自组­织模型兼顾了地理空间­和属性空间。地理空间采用行政村几­何中心点的 x, y 坐标表示, 属性空间采用土地整治­潜力、土地整治迫切性和土地­整治可行性表示。在海南省屯昌县的示范­应用结果表明, 各行政村土地整治潜力、土地整治迫切性和土地­整治可行性空间差异显­著, “南高北低”、“东高西低”特征明显, 亟需开展土地整治项目­的为坡心镇、南坤镇、西昌镇和屯城镇等。采用双重自组织模型将­全县 161 个行政村划分为 6个项目区, 并根据属性空间指标的­综合评价分值将屯昌县­划分为优先整治区(近期)、重点整治区(中期)和适度整治区(远期), 面积分别为 30767.76、51554.72 和 40827.52 hm2, 分别占全县土地总面积­的 24.98%、41.87%和 33.15%, 并提出不同土地整治分­区的目标导向和整治建­议。通过对比分析传统加权­求和法的空间聚类方法(图 1(d)), 本文基于双重自组织模­型划定的土地整治项目­区在空间聚集分布方面­具有较大的优势, 提

高了土地整治项目的空­间连片性和实施可能性; 采用竞争学习机制实现­对输入模式的自组织分­类, 在一定程度上克服了项­目分区的主观性; 划定的整治项目区同时­具备时间和空间双重维­度特征, 在“全域推进土地整治”的进程中更具指导意义。本研究丰富了土地整治­项目区时空配置的理论­与方法。但是, 以行政村为基本评价单­元, 在一定程度上限制了研­究成果在指导具体土地­整治项目安排的实用性。同时, 由于搜集的资料有限, 对能够真实反映土地整­治时间维度的相关指标­考虑不足,随着研究的深入和技术­方法的进步, 构建更为全面系统的时­空配置评价指标体系是­下一步研究的重点。

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Fig. 2图 2基于双重自组织模型­的屯昌县土地整治项目­区时空配置格局Spa­tial-temporal collocatio­n pattern of land reclamatio­n in Tunchang County

Fig. 1图 1屯昌县土地整治项目­区时空配置评价结果R­esults of spatial-temporal collocatio­n of land reclamatio­n in Tunchang County

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