基于ArcGIS的丘陵山地農田宜機化適宜性評價方法研究

敖寧玉 鮑安紅 胡嫚 張森林

摘要：宜機化改造是解決丘陵山區機械化發展不平衡的必由之路，在改造之前進行適宜性評價能有效提高改造過程中的科學性和針對性。選取地塊形狀指數、連片性、農村建筑、交通條件、地表粗糙度、地形起伏度6個宜機化限制因子，以重慶市開州區一個待改造項目為例，結合層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和K-means聚類分析方法以及模糊理論，以ArcGIS為平臺構建丘陵山地宜機化改造適宜性綜合評價模型。結果表明，各影響因子的權重排序為：地形起伏度>地表粗糙度>連片性>形狀指數>交通條件>農村建筑，為后續的加權疊加分析提供基礎依據；評價目標的宜機化改造適宜性綜合評價結果為比較適宜，其中適宜、比較適宜、比較不適宜、不適宜的區域分別占改造區域面積的41.87%、44.79%、12.8%、0.54%?；贏rcGIS的適宜性評價方法能有效進行丘陵耕地適宜性評價，提高宜機化改造效率，加快丘陵耕地機械化進程。

關鍵詞：丘陵山地；宜機化；層次分析法；K-means聚類算法；模糊綜合評價；適宜性評價

中圖分類號：S284? 文獻標識碼：A? 文章編號：20955553 （2024） 03-0260-09

Research on the suitable mechanization evaluation method of terraced farmlandin hilly mountainous areas based on ArcGIS

Ao Ningyu， Bao Anhong， Hu Man， Zhang Senlin

（College of Engineering and Technology， ?South West University， Chongqing， 400715， China）

Abstract：

The suitable mechanization transformation ?is the only way to address the imbalance of the mechanization development in hilly and mountainous areas. ?The suitability evaluation before initiating the transformation can effectively increase scientificity and targeted effectiveness throughout the transformation process. In this study， six suitability limiting factors including shape index， connectivity， rural buildings， transportation condition， surface roughness， and terrain variability were selected， taking a project in Kaizhou District of Chongqing as an example， a comprehensive evaluation model for terrace mechanization transformation suitability was constructed using Analytic Hierarchy Process（AHP） method， K-means clustering analysis and fuzzy theory on the platform of ArcGIS. The results indicated that the weight ranking of each influencing factor was as follows： terrain variability > surface roughness > connectivity >shape index > transportation condition> rural buildings. This result provided a basis for subsequent weighted overlay analysis. The comprehensive evaluation result of suitability for the transformation objective was relatively suitable， with suitable， relatively suitable， relatively unsuitable， and unsuitable areas accounting for 41.87%， 44.79%， 12.8%， and 0.54% of the transformation area， respectively. The suitability evaluation method based on ArcGIS can effectively evaluate the suitability of hilly farmland， improve the efficiency of mechanized transformation， accelerate ?the process of mechanization of hilly farmland.

Keywords：hilly and mountainous; suitable mechanization; analytic hierarchy process; K-means clustering algorithm; fuzzy comprehensive evaluation; suitability evaluation

0 引言

農業機械化是實現鄉村振興的重要手段，隨著綜合國力的提升，我國農業機械化進程顯著，但區域發展不平衡問題較為明顯，尤其是丘陵地區由于地形限制機械化發展極為緩慢［1］。重慶是典型的丘陵山地，耕地2800多萬畝，由于地形影響，坡耕地比重較大且破碎化程度較高［2］，導致綜合機械化水平比平原地區顯著偏低，嚴重影響了機械化進程的順利推進。因此，如何提高丘陵山地農業機械化效率成為限制重慶農業機械化發展亟待解決的問題。實踐證明發明適宜丘陵山地的小型“微耕機”不能從根本上提高丘陵耕地的機械化效率［3］，有研究指出，改地適機才是提高丘陵山地機械化的根本出路［4］，開展農田宜機化改造是破解重慶市農業機械化和農業現代化發展最大短板的有效途徑。

日本、韓國的山地丘陵面積占國土面積的70%～80%，通過宜機化改造了機械化程度達到100%［5， 6］，相關文獻表明國外的土地整理更加重視生態環境的保護［7， 8］。目前國內以宜機化為對象的研究還處在探索階段，已有的研究多側重于土地整治后的效益評價［9， 10］，牛坡等［11］對宜機化進行了綜合效益評價，是對宜機化改造的定量評價，開創了宜機化相關定量研究的先河，李伶俐等［12］首次提出基于地形復雜度的宜機化改造適宜性評價。劉光盛等［13］運用改進障礙度模型對宜機化整治難度進行分區，鐘守琴［14］、胡義萍［15］等對宜機化改造過程中田塊修筑工程參數、田間道路設計等具體操作標準進行了探討?，F有研究在推動宜機化發展方面發揮了一定作用，但是缺乏一個完整的評價體系和宜機化適宜性評價的模型。

基于此，本文以重慶市開州區一個待改造項目為評價目標，選擇地塊形狀指數、連片性、農村建筑、交通條件、地表粗糙度和地形起伏度等為限制因子，以模糊理論為基礎，結合AHP和K-means聚類分析方法，以ArcGIS為平臺對研究區域宜機化改造適宜性進行評價，為提高宜機化改造效率提供科學依據，加快推進我國農業機械化發展和農機裝備產業轉型升級。

1 研究方法

本文所用數據主要來源于所研究項目分辨率為30m的數字高程影像（DEM）。研究區域中的耕地、道路、農村建筑區域數據均根據數字高程影像圖進行繪制，并使用ArcGIS將測繪所得數據轉換為柵格數據格式進行分析。

本文的研究思路分為以下3個步驟：（1）從宜機化改造要求出發，從立地條件、基礎設施、自然特征3個方面構建宜機化改造適宜性評價指標體系；（2）運用AHP和K-means聚類分析方法計算各指標權重；（3）以ArcGIS為平臺結合模糊數學的方法構建宜機化改造適宜性綜合評價模型對研究區域進行綜合評價。

1.1 模糊綜合評價法

基于模糊理論的模糊綜合評價法是運用模糊數學原理和最大隸屬度原則，考慮與評價對象相關的各項影響因素，對評價對象做出綜合評價，具有評價過程清晰，結果明確的優點，適于丘陵山地“宜機化”適宜性評價。

1.1.1 指標體系構建

丘陵山地宜機化改造需要考慮多種限制因素的綜合影響，各種影響因素紛繁復雜，但總體而言，影響丘陵山地宜機化改造的主要因素分為立地條件μ1、基礎設施μ2、自然特征μ3三個方面。本文綜合考慮三方面因素影響，結合建設高標準農田評價指標和《丘陵山區‘宜機化地塊整理整治技術規范》《丘陵山區坡改梯宜機化土地整治技術規范》，本著指標選取的科學合理性并遵循主導性、分析可行性、全面性、獨立性、差異性等原則，建立適合于丘陵山地宜機化改造的評價指標體系。

為了在簡化整體評價過程的同時能更科學準確而全面的評價丘陵山地宜機化改造適宜性，本文從宜機化改造的要求和特點中篩選出評價單元地塊形狀指數μ11和地塊連片性μ12兩個“立地條件”指標，“基礎設施”中選取農村建筑μ21和交通條件μ22兩個評價指標，從“地塊特征”中選取地表粗糙度μ31和地形起伏度μ32兩個指標。

地塊的形狀指數和連片性主要通過影響地塊的破碎度來影響宜機化改造，地塊破碎度在一定程度上能反應研究單元地塊的完整性和連片性，在土地整治方面起著重要作用［16］。張正峰等［17］研究發現，對地塊的合理改造能降低地塊的形狀指數和分形指數，通過改變地塊規模，可以提高單個地塊規模，消除地塊死角，提高地塊的連片性，降低地塊的破碎度，從而提高機械耕作效率。農機是否能到達耕地取決于耕地到交通干線以及田間道路的距離，在進行宜機化改造時要避免和農村建筑用地沖突，并在規劃設計機耕道時要將農村建筑考慮在內。地表粗糙度［18］和地形起伏度是反映研究區域內地形起伏的宏觀因子，研究區域內的坡度和高差越大，宜機化改造難度越大。這些指標不僅包括評價單元本身的地塊特征限制因素，而且從地塊的自然特征出發，綜合考慮了非特征限制因素，能夠科學有效的反映出丘陵山地宜機化改造的適宜程度。

根據評價因子建立因素集U，本文將評價指標體系分為U={U1，U2，U3}三個一級指標，分別表示立地條件、基礎設施、自然特征，將三個一級指標分別細分為2個，共6個二級指標U1={u11，u12}，U2={u21，u22}，U3={u31，u32}。耕地宜機化改造適宜性評價的指標體系如表1所示。計算公式如式（1）～式（6）所示。

I=L/S（1）

式中：I——形狀指數；L——地塊周長，m；S——地塊面積。

D=1（radius）2∑ni=13π·popi1-distiradius22（2）

式中：D——核密度；i——耕地圖斑中心點；popi——點i的population字段值；radius——核半徑范圍；disti——點i和（x，y）位置之間的距離。

（x-t1）2+（y-t2）2=r2（3）

式中：t1，t2——農村建筑圖斑中心點坐標；r——緩沖區半徑。

Distance=（x2-x1）2+（y2-y1）（4）

式中：Distance——兩點之間的歐式距離；（x1，y1）、（x2，y2）——圖層中兩點的坐標。R=1/cosα（5）

式中：R——地形粗糙度；α——地形坡度。

Z=Amax-Amin（6）

式中：Z——特定區域地形起伏度；Amax——該區域內最大高程值；Amin——該區域內最小高程值。

1.1.2 評價集

不同的影響因素會對綜合評價結果產生不同的影響，因此需要將各影響因子根據數值對應一個評語集。根據相關的技術規定結合工程實際情況構建的各影響因子評價集如表2所示。

1.1.3 權重集

本文選用AHP法結合K-means聚類算法進行各因子權重的計算，層次分析法（AHP）最早由美國Satty提出，經過多年的發展已經逐漸成熟，被廣泛運用于工程評價領域，但是其具有主觀性較大的缺點，因此本文選用K-means聚類算法增強指標權重計算的客觀性。K-means聚類算法又稱為K均值聚類方法，核心方法是根據樣本數據點之間的歐氏距離構造一個空間度量矩陣，距離較近的樣本數據點視為一簇，一個簇中的數據點具有較大的相似性［19］。

為更加真實地計算重慶市丘陵山區耕地宜機化改造適宜性各評價指標的權重值，本文共邀請15位相關領域專家對評價指標進行重要性賦值，將15位專家給出的判別矩陣計算得到各評價指標權重值，進行一致性檢驗之后作為樣本構建一個空間矩陣進行K-means聚類分析，根據K-means聚類分析結果最終將15個樣本分為了兩簇，選取簇內平方誤差和SSE較小的聚類中心作為最終的權重向量。權重確定方法主要分為以下3個步驟。

1） 構建判別矩陣。

構建某一層次指標相對于上一層次指標的判別矩陣

A=1…a1j…a1nai1…aij…ainan1…anj…1

式中：aij——i因子與j因子相比的重要程度；n——第n個因子。

上述判別矩陣的構建根據AHP評價尺度表如表3所示。

2） 一致性檢驗。

將上訴判別矩陣A按列進行歸一化處理得到矩陣C，對矩陣C按行相加后得到矩陣

C-再進行歸一化處理得到權向量W，計算矩陣的最大特征根λmax，如式（7）、式（8）所示。

AW=λmaxW（7）

λmax=∑ni=1（AW）inWi（8）

然后進行一致性檢驗，一致性檢驗公式如式（9）、式（10）所示。

CI=λmax-nn-1（9）

CR=CIRI（10）

式中：CI——一致性指標；CR——一致性檢驗率；RI——隨機一致性指標，本文n=6，查表得RI=1.24。

當CR≤0.1時，權向量W即為某一層次指標對于上一層次相關指標的權重值，當CR＞0.1時，則沒通過一致性檢驗，需要對判別矩陣進行修正，直到通過一致性檢驗為止。

3） K-means聚類分析。

K-means聚類分析采用計算樣本間的歐氏距離作為衡量樣本間相似性的標準，將AHP方法計算得到的權重作為K-means聚類分析時的權值空間矩陣，將用AHP法計算的各指標權向量作為數據樣本集X={x1，x2，x3，…，xm}，m表示第m個權重向量，將樣本劃分K個簇C={C1，C2，C3，…，CK}，計算簇Ci的質心，如式（11）所示。

μi=1|Ci|∑x∈Cix（11）

計算每個簇中所有樣本數據的平方誤差和SSE，平方誤差和SSE越小，簇內樣本數據間的相似度越高，計算公式如式（12）所示。

SSE=∑ki=1∑x∈Ci‖x-μi‖2（12）

通過計算Xi與質心之間的歐氏距離將數據集中的每個數據點分配到距離最近的聚類中心，然后重新計算每個聚類中心的數據平均值，并將該均值作為新的聚類中心，不斷重復上述過程，直到計算所得的新聚類中心與舊聚類中心不再發生變化或者他們之間的最小距離小于設置的閾值，聚類結果不再發生變化即認為算法收斂。K-means聚類算法在VScode軟件中通過Python語言實現，實現流程如圖1所示。

通過上述步驟計算的結果如表4所示。根據K-means聚類分析，將15位專家所給出的權重值分為兩個簇，其中編號為1、2、3、4、5、6、11、12、13、14、15共11個權重向量分為簇1，編號為7、8、9、10共4個權重向量分為簇2，簇1和簇2的聚類中心值以及各簇的誤差平方和SSE如表5所示。

簇1包含了11個數據樣本，且簇內誤差平方和最小，因此選擇簇一聚類中心作為評價指標權重值λ=［0.101，0.195，0.026，0.081，0.240，0.357］

1.1.4 建立模糊隸屬函數

不同的評價因子對宜機化改造評價的影響不同，需要建立不同的隸屬度函數來表示各因子的模糊隸屬度，根據影響因素值與評價結果關系，選用梯形型隸屬度函數來映射形狀指數、連片性、交通條件、地表粗糙度以及地形起伏度的模糊隸屬度，選擇矩陣型函數來映射農村建筑的隸屬度函數。隸屬度函數表示如表6所示。各項評價指標得隸屬度函數圖整理如圖2所示。

1.2 基于ArcGIS的宜機化適宜性模糊評價

ArcGIS具有較強的空間數據分析與查詢能力，基于ArcGIS的柵格加權疊加板塊，便可以高效、直觀的得出區域范圍內的評價結果，具體評價步驟如下：將研究區域的高程數據導入ArcGIS中利用Arctoolbox中的坡度分析工具以高程柵格圖為基礎生成坡度柵格圖像Slope of DEM，隨后使用柵格計算器計算生成地表粗糙度柵格圖像；運用焦點統計分析中的range函數生成地形起伏度柵格圖層，根據影像圖在ArcGIS中繪制耕地、道路、農村建筑圖斑并將其轉換為柵格數據格式，隨后分別運用核密度分析、歐式距離分析、緩沖區分析得到連片性、交通條件、農村建筑的分析柵格圖像。完成單因素分析之后，運用柵格計算器根據不同評價標準下各評價因子的隸屬度函數生成適宜、比較適宜、比較不適宜、不適宜4項隸屬度柵格圖像。由于ArcGIS中無法進行矩陣疊加，因此將柵格隸屬度按照適宜、比較適宜、比較不適宜、不適宜4項評價等級分別進行加權疊加，即可得到6項評價因子所對應的4個評價等級下的單項評價結果，對單項評價結果進行最大隸屬度判別后進行柵格重分類得到最終的綜合評價結果。

2 結果與分析

本文以重慶市開州區一宜機化改造項目為例，驗證宜機化改造適宜性評價模型。該區域呈南北向帶狀分布，總面積為101 312.76m2，最高處海拔為319.1m，最低處海拔為389.4m。去除研究區域內的居民建筑等不能進行宜機化改造的區域，對剩余73 922.56m2的地塊按上述模型進行宜機化改造適宜性評價。

2.1 影響因子分析

2.1.1 立地條件分析

按照研究區域的衛星影像圖中的原始地塊分布將研究區域內可改造地塊分為68個圖斑，在ArcGIS中將數據轉換成柵格數據格式，利用字段計算器和核密度分析工具計算分析研究區域的地塊連片性和形狀指數。結果如圖3所示。

研究范圍內的地塊集中分布在3個區域，3個區域間也具有一定的相連性，在進行宜機化改造時比較適宜。研究區域的原始地塊多呈不規則條狀分布，形狀指數I≤6的地塊面積為50224.05m2，占待改造面積的67.97%，從立地條件的連片性和形狀指數兩個指標來看，此研究區域比較適宜進行宜機化改造。

2.1.2 基礎設施

將研究區域內的居民點作為圖斑進行緩沖區分析，圖中設置的是5m的緩沖區域，即居民點圖斑5m內的區域是禁止開發區域。將研究區域內現有的主要道路進行歐氏距離分析，由圖4分析可知，待改造耕地離現有道路最遠距離為110m，現有道路30m內的耕地面積為54673.56m2，占待改造面積的73.96%，區域內地塊與田間道路、田間道路與外部路網之間連接情況較好，滿足機械作業和進出通行需求，有利于進行宜機化改造工程的實施。

2.1.3 自然特征

地表粗糙度與地形起伏度分析結果如圖5所示。

根據圖5（a）可知，研究區域內地形坡度在（0°，7°］的面積為17949.75m2，地形坡度在（7°，15°］的面積為48713.66m2，根據宜機化改造技術規范，地形坡度在（0°，15°］，也就是地表粗糙度在（1，1.0353］之間適宜宜機化改造，研究區域內適宜改造的地塊面積占總面積的90.18%。坡度在（0°，7°］的區域集中分布在研究區域的上部與下部，中部的地形坡度主要為（７°，１５°］，可為宜機化改造設計提供思路。由圖5（b）所示，研究區域內的地形起伏度較大，起伏度在（０，３］范圍內的區域面積僅占改造區域的37.21%。中部區域的起伏度較大，進行宜機化改造時比較困難。

２.2 模糊綜合評價結果分析

利用ArcGIS中的柵格計算器對各評價因子柵格按照評價標準和相應的模糊隸屬函數進行隸屬度賦值，再將四項評價標準隸屬度柵格根據計算出的權重值λ=［0.101，0.195，0.026，0.081，0.240，0.357］進行加權疊加分析，根據權重計算結果可知，地表粗糙度與地形起伏度權重值分別為0.240和0.357，對宜機化改造適宜性評價結果影響最大；立地條件下的形狀指數和連片性對評價結果影響較大，分別為0.101和0.195，研究區域內的基礎設施對宜機化綜合評價結果影響最小，農村建筑和交通條件所占權重僅為0.026和0.081。加權疊加分析結果如圖6所示。

按照最大隸屬度原則對單項評價結果進行最大隸屬度判別，得到整個評價區域的宜機化適宜性模糊綜合評價的結果為比較適宜，對“比較適宜”的隸屬度柵格按照隸屬度0

３ 結論

本文以重慶市開州區一個改造項目為目標，從宜機化改造的要求和特點出發，建立了丘陵耕地宜機化適宜性評價指標體系，并結合AHP和K-means聚類分析法更加客觀的確定了指標權重，在ArcGIS中對評價因子數據采用緩沖區分析、核密度分析、加權疊加分析等方法進行處理，以ArcGIS為平臺結合模糊綜合評價方法建立了丘陵山地農田宜機化適宜性評價模型，對研究區域的宜機化改造適宜性進行評價。

1） 不同的影響因子對于丘陵山地宜機化改造適宜性的影響力存在顯著差別，本文通過AHP法結合K-means聚類分析法計算出評價指標權重值，計算結果顯示：代表地形特征的地表起伏度和地形粗糙度的因子權重值為0.357和0.240，對丘陵山地宜機化改造適宜性評價的影響最大；代表立地條件的連片性和形狀指數的權重值分別為0.195和0.101，影響相對較??；基礎設施農村建筑和交通條件的權重值為0.026和0.081，對宜機化改造的影響最小，各影響因子的排序為：地形起伏度>地表粗糙度>連片性>形狀指數>交通條件>農村建筑。

2） 本文以模糊綜合評價法為基礎，以ArcGIS為平臺搭建了丘陵山地宜機化改造適宜性綜合評價模型，以重慶市開州區某宜機化改造項目為例，生成各影響因素的柵格數據，并運用柵格計算器，加權疊加分析以及最大隸屬度判別得到該項目整體的宜機化改造適宜性評價結果為比較適宜。對比較適宜隸屬度柵格進行柵格重分類得到研究區域中各具體地塊的綜合評價結果，分析結果顯示，適宜、比較適宜、比較不適宜、不適宜的區域分別占改造區域面積的41.87%、44.79%、12.8%、0.54%。該結果對后續的工程施工有一定的指導意義，在設計改造方案時重點考慮不適宜和比較不適宜區域，通過消除死角，聯通地塊，并小為大，合理規劃農田布局和農田邊界的方法進行合理改造，同時，可根據待改造區域的宜機化改造適宜性的差異，合理安排施工順序，從整治難度較大的不適宜，比較不適宜的區域入手，由點到面建設為互聯互通，布局合理的宜機化耕地。

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基金項目：重慶市技術創新與應用發展專項重點項目（cstc2019jscx-gksbX0118）

第一作者：敖寧玉，女，1997年生，重慶人，碩士研究生；研究方向為丘陵耕地宜機化適宜性評價。E-mail： aoningyu97@163.com

通訊作者：鮑安紅，女，1969年生，重慶人，博士，教授；研究方向為農業生態建筑。E-mail： 1193580252@qq.com