沿海地區(qū)耕地占補時空演變研究
——以寧波市為例

張志軍，趙志剛，邱俊武

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

沿海地區(qū)耕地占補時空演變研究
——以寧波市為例

張志軍1?，趙志剛2，邱俊武1

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

目前，建設(shè)占用耕地，后備資源補充模式是被占用耕地得到補償?shù)囊环N有效方式，然而這種單一模式是否長期有效是值得深思的一個問題。本文使用Logistic回歸模型和二分類因變量的多元化分析方法對此模式在沿海地區(qū)的時空演變進行研究。以寧波市為例，模擬了建設(shè)用地、耕地和后備資源三者在時空演變中的關(guān)系，使用現(xiàn)實數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，證明其可行性和有效性。最后預(yù)測了2011年～2021年建設(shè)占用耕地和后備資源補充耕地的趨勢。結(jié)果表明建設(shè)用地擴展將向南部遷移，占用耕地數(shù)量相對減少，后備資源將會枯竭等后果。

Logistic回歸模型；多元量化分析；時空模擬；耕地占補平衡

1 引 言

隨著1996年耕地占補平衡政策提出后，中國大部分省市特別是沿海地區(qū)在解決這個問題上遇到重大的挑戰(zhàn)。目前，建設(shè)占用耕地，后備資源補充的模式被認(rèn)為是應(yīng)對這種挑戰(zhàn)的一種有效方式之一[1，2]，該模式在沿海地區(qū)的耕地占補平衡中初見成效。然而該模式是否長期有效，能否滿足耕地占補平衡的要求和建設(shè)用地擴張的趨勢是一個值得探討的問題。本文將以寧波市為例對此模式下的建設(shè)用地、耕地和后備資源的時空演變進行研究，通過對2011年和2021年狀況進行預(yù)測，對該模式的可持續(xù)性進行探討。

目前，建設(shè)用地擴張和耕地被占用的研究方法基本都是基于LUCC的研究框架下采用不同的模型開展的，大致分4大類:統(tǒng)計模型、動態(tài)模型、綜合模型和馬爾柯夫模型[3～7]。其中統(tǒng)計模型的優(yōu)勢在于:簡化問題，容易抓住復(fù)雜系統(tǒng)的主要矛盾[8]，更適合本文的研究，因此本文采用Logistic回歸模型作為時空演變模型[9，10]。與此同時，耕地占補平衡分為3個層次:一是數(shù)量平衡，二是質(zhì)量平衡，三是生產(chǎn)力平衡[11]。本文將“與淡水域距離”等衡量耕地質(zhì)量和生產(chǎn)力因子加入到演變模型中，使用二分類因變量的多元量化分析方法，分別對建設(shè)占用耕地和后備資源補充耕地進行模擬，通過對模擬結(jié)果的分析，驗證了模型的可行性和有效性。

2 研究區(qū)域

都很快的城市，其城市化水平從1977年的13.6%提高到1998年的41%，到2005年已達到56%，表現(xiàn)出了強勁的增長態(tài)勢。這與它的區(qū)位、自然條件和社會經(jīng)濟條件是分不開的。寧波在地勢上西南高，東北低，自西南向東北傾斜，三面環(huán)海、一面依山，地貌以平原和丘陵為主。耕地和建成區(qū)基本分布在平原地區(qū)，且呈現(xiàn)出耕地包圍建設(shè)用地的圈層結(jié)構(gòu)。

3 模型和數(shù)據(jù)

其中:P是因變量，表示事件發(fā)生的概率，X1，X2……Xm為自變量，參數(shù)α為常數(shù)，與參數(shù)β1，β2……βm是回歸系數(shù)，βi決定Xi的影響大小和敏感性[12]。

數(shù)據(jù)是寧波市域土地利用分類圖，分為因變量和自變量(驅(qū)動因子)。因變量是指建設(shè)用地、耕地和后備資源，自變量包括DEM、坡度、道路、水系、人口密度、GDP、城市規(guī)劃圖等。建設(shè)用地、耕地和自變量為自1991年～2005年歷史數(shù)據(jù)，后備資源為自1998年整理入庫的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為柵格，格網(wǎng)大小為100 m×100 m。

Logistic回歸模型普遍應(yīng)用于針對二分類因變量(y=1或y=0)的多元量化分析方法。利用該模型可以研究影響事件發(fā)生的概率、二分性變量的主要因子，模型表達式如式(1):

寧波是我國沿海地區(qū)一個經(jīng)濟和城市化發(fā)展速度

4 研究方法

本文的研究路線如下:首先建立建設(shè)用地擴展的時空演變模型，預(yù)測2011年和2021年建設(shè)用地分布情況，從而計算出2011年和2021年建設(shè)用地占用耕地的情況；然后建立后備資源補充占用耕地的時空演變模型，從而得到2011年和2021年的補充情況。同時建立相應(yīng)的評價模型對時空演變過程的有效性進行驗證。

4.1 建設(shè)用地占用耕地時空演變

(1)指標(biāo)選取

本文采用二分類因變量多元分析方法，使用SPSS軟件的Hosmer-Lemeshow指標(biāo)評價篩選結(jié)果[13，14]。其中自變量選取了7個驅(qū)動因子:與道路的距離(x1)、與組團中心(縣級以上)的距離(x2)、人口密度(x3)、人均GDP(x4)、坡度圖(x5)、DEM(x6)和城市規(guī)劃因子(x7)；因變量選取1991年～2005年占用建設(shè)用地作為二分類因變量。各變量的空間分布如圖1所示。

圖1 時空演變模型中各變量空間分布圖

(2)禁建區(qū)域

在時空演變中需考慮禁建區(qū)，即不可建設(shè)擴展的區(qū)域。本文中的演變模型將各類飲用水源水庫(包括水庫、湖泊、大型河流)、坡度大于25°或高程大于200 m的區(qū)域、濕地保護區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等作為禁建區(qū)。

(3)建設(shè)用地占用耕地時空演變

首先進行數(shù)據(jù)采樣，因變量將y=1和y=0各取一半隨機采樣；然后利用Logistic模型進行演變模擬，得到預(yù)測分類結(jié)果，如表1所示；為規(guī)避隨機采樣帶來的影響，本文采集6套數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進行比較，詳情見表2；最后選取預(yù)測率最高的反演模擬公式，如式(2)。

預(yù)測分類與原始數(shù)據(jù)分類表 表1

采樣擬合匯總表 表2

(4)驗證模型

以2005年～2007年數(shù)據(jù)進行預(yù)測，并與真實數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示預(yù)測建設(shè)占用面積為137.566 7 km2，真實面積為136.107 km2，因此該演變模型視為有效。

(5)建設(shè)用地占用耕地預(yù)測

基于1991年～2005年的歷史數(shù)據(jù)，采用時序擬合的方法對2011年和2021年占用建設(shè)用地情況進行預(yù)測，結(jié)果表明2005年～2011年需新增建設(shè)用地309.80 km2，占用耕地241.65 km2；2011年～2021年需新增建設(shè)用地377.89 km2，占用耕地294.75 km2，其空間分布如圖3所示。

圖2 2005年～2007年建設(shè)用地擴展預(yù)測圖和真實圖

圖3 預(yù)測2005年～2011和2005年～2021年建設(shè)用地擴展和占用耕地空間分布圖

(6)結(jié)果分析

對建設(shè)用地占用耕地情況進行分析，得到如下結(jié)論:

(1)2011年～2021年，寧波市城市擴張主要分布在中心城區(qū)和北部余慈地區(qū)，南部的寧海和象山縣的新增建設(shè)用地有增加的趨勢。

(2)預(yù)測期間新增建設(shè)用地75%左右來自于耕地，尤其集中于公路和居民點周邊等區(qū)位條件較優(yōu)的肥沃的耕地。

4.2 后備資源補充占用耕地時空演變

(1)指標(biāo)選取

經(jīng)過驅(qū)動力分析，后備資源補充占用耕地時空演變模型選取6個指標(biāo)作為自變量驅(qū)動因子:與道路的距離(x1)、與組團中心的距離(x2)、人口密度(x3)、坡度圖(x5)、DEM(x6)，與淡水域的距離(x8)，如圖4所示。因變量為1998年～2005年后備資源已開發(fā)為耕地和未開發(fā)為耕地的分布圖，如圖5所示。

圖4 與淡水域距離 圖5 1998年～2005年后備補充耕地圖

(2)模型擬合和驗證

后備資源補充占用耕地時空演變模型公式為:

驗證模型與建設(shè)用地占用耕地的時空演變驗證模型類似的，在此不做過多贅述。

(3)后備資源補充占用耕地預(yù)測

根據(jù)前面預(yù)測得到的2011年建設(shè)用地占用耕地的面積(249.95 km2)，確定2011年后備資源庫補充耕地的概率閾值(0.68)，對2021年后備資源補充占用耕地進行預(yù)測。發(fā)現(xiàn)后備資源已不能全額補充建設(shè)占用耕地，如采取占一補半的策略(即概率閾值取0.5)，后備資源分布情況如圖6所示。

圖6 2011年后備資源補充耕地和2021年補半分布圖

(4)結(jié)果分析

對后備資源補充占用耕地情況進行分析，得到如下結(jié)論:

①預(yù)測閾值比建設(shè)占用耕地時空演變模型偏低。

②2021年以后，寧波市后備資源潛力基本消失。

③在后備資源中，沿海海涂面積較大，其他資源地塊面積較小，且分布零散。

5 結(jié)論與對策

5.1 結(jié)論

在后備資源補充建設(shè)占用耕地模式下，基于logistic模型分別對寧波市建設(shè)用地占用耕地和后備資源補充占用耕地進行時空演變模擬，對模擬結(jié)果進行分析后得到如下結(jié)論:

(1)寧波市建設(shè)用地擴展速度很快，建設(shè)用地在區(qū)位和土質(zhì)上都偏重于利用率高、效益好的耕地，使得耕地逐年呈現(xiàn)負(fù)增長的態(tài)勢。

(2)從模擬建設(shè)用地占用耕地的時空圖可直觀地發(fā)現(xiàn)，到2021年寧波市“中心”耕地擴展空間所剩無幾，南部建設(shè)占用耕地開始增長。

(3)從模擬后備資源補充耕地的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，到2021年寧波市將無地可補，后備資源補充建設(shè)占用耕地單一模式無法持續(xù)維持耕地占用平衡，亟須尋求新的解決方案。

5.2 對策

對于如何維持耕地占用平衡問題，筆者提出了如下參考對策:

(1)從政府的角度，完善法規(guī)制度，制定更加科學(xué)合理的政策措施；

(2)從經(jīng)濟的角度，在政策允許的范圍內(nèi)通過耕地占用權(quán)交易，可緩解部分問題；

(3)從效益的角度，提高耕地的利用效益來彌補占補不平衡問題；

(4)從技術(shù)的角度，可嘗試摸索表土剝離利用實現(xiàn)耕地質(zhì)量占補平衡。

6 總結(jié)與展望

本研究力求以圖形表達的方式來簡化建設(shè)用地、耕地和后備用地三者之間復(fù)雜的演變系統(tǒng)，提供直觀的決策依據(jù)。同時，本文提出的時空演變模型可以通過修改邊界條件或閾值等參數(shù)，快速模擬出新的結(jié)果，具備輔助決策功能。但該模型只考慮了表現(xiàn)耕地質(zhì)量和生產(chǎn)力的自然因子，在后面的研究工作中需考慮社會因子等。

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上海市測繪院為上海市政府更新工作用圖

近日，上海市測繪院圓滿完成了為上海市政府領(lǐng)導(dǎo)更新工作用圖的保障任務(wù)。

本次工作用圖更新任務(wù)周期緊、任務(wù)重，從接到通知到完成任務(wù)只有短短幾天時間。上海市政府有關(guān)部門不僅要求更新地圖信息，還對裝幀提出了嚴(yán)格要求。接到任務(wù)后，上海市測繪院立即啟動了領(lǐng)導(dǎo)用圖保障機制，各相關(guān)部門積極行動，迅速制定更新方案。任務(wù)實施過程中，計劃業(yè)務(wù)處和第四分院按照上海市測繪院“服務(wù)政府和服務(wù)社會公眾”的宗旨，多次赴實地踏勘測量，精在點上、細(xì)到實處，力爭呈現(xiàn)最好的效果，并提前完成了本次工作用圖更新任務(wù)，得到了上級的肯定。

多年來，上海市測繪院堅持為上海市委、市政府、市人大、市政協(xié)等部門制作和更新工作用圖，及時反映本市最新的城市建設(shè)和發(fā)展?fàn)顩r，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供測繪地理信息支撐。

(來源：http：//www.shsmi.cn)

Exam ining Temporal and Spatial Evolution for Arable Land Occupied and Compensated at Coastal Areas——A Case Study for Ningbo

Zhang Zhijun1，Zhao Zhigang2，Qiu Junwu1
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China；2.School of Resource and Environment Science，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

Themode thatusing back-up resources to supply farmland thatused for construction is an effectiveway of compensation for occupied farm land at presently.But is it continuable?This paper studied the temporal and spatial evolution at coastal areaswith the logistic regression model and the two categories dependent variable analysismethod.Take Ningbo as an example，we simulated space-time evolution of the relationship among the construction land，cultivated land and reserve resources.Using real data validated model to prove its feasibility and effectiveness.And lastly，predicted the trend that construction occupying arable land and land reserving resource supplementing arable land in 2011and 2021. Then，the result showed the construction land would expanse more quickly in the south，the number of occupied arable land would reduce relatively，and the reserving resource would exhaust in 2021.

Logistic regressionmodel；Two categories dependent variable analysis；Spatiotemporal simulation；Requisition-compensation quality balance of arable land

1672-8262(2013)02-30-05

P208.2

A

2012—05—18

張志軍(1983—)，男，工程師，主要從事智慧城市及城市發(fā)展理論與技術(shù)相關(guān)研究。