況 達(dá),陳竹安,危小建,張立亭
(1.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院,南昌 330013;2.流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013;3.江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013)
基于移動窗口與MCR模型的建設(shè)用地適宜性評價
——以武漢市江夏區(qū)為例
況 達(dá),陳竹安,危小建,張立亭
(1.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院,南昌 330013;2.流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013;3.江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013)
在快速城市化的背景下,城市建設(shè)用地持續(xù)增長,但是城市土地資源的有限性要求城市土地必須合理利用與開發(fā).以武漢市江夏區(qū)為研究對象,基于ArcGIS、Fragstats軟件平臺,采用移動窗口與MCR模型相結(jié)合的方法,將景觀指標(biāo)與建設(shè)用地適宜性評價因子相融合,較為科學(xué)地為為MCR模型提供建設(shè)用地擴(kuò)展源地,并對研究區(qū)2006、2013年建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評價,采用疊加分析對結(jié)果進(jìn)行有效性分析并生成擴(kuò)展預(yù)警點(diǎn),最后利用Hydrology擴(kuò)展模塊生成建設(shè)用地適宜擴(kuò)展路徑、生態(tài)隔離帶以及生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn),為城市建設(shè)用地發(fā)展方向提供科學(xué)依據(jù).研究結(jié)果表明:將景觀指標(biāo)與MCR模型有效地結(jié)合,從點(diǎn)、線、面出發(fā)進(jìn)行建設(shè)用地適宜性評價,嘗試用更為科學(xué)的方法引導(dǎo)出城市建設(shè)用地合適的擴(kuò)展方向,可為城市建設(shè)用地的科學(xué)發(fā)展與合理規(guī)劃提供參考依據(jù).
移動窗口;最小累積阻力模型;建設(shè)用地;適宜性評價;江夏區(qū)
3.Jiangxi Province Key Laboratory of Digital Land,Nanchang 330013,China)
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長,城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),城市建設(shè)用地正在持續(xù)擴(kuò)張,其增長的管理逐漸成為人們研究的重點(diǎn)內(nèi)容.而中國人多地少的現(xiàn)實(shí)加上土地資源的稀缺性和不可再生性,使得城市土地日益緊張[1].城市建設(shè)用地適宜性的評價是研究城市建設(shè)用地空間合理布局的前提[2],城市建設(shè)用地有序發(fā)展與擴(kuò)張路徑的合理確定對城市的整體布局及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重大作用[3].為此,如何科學(xué)準(zhǔn)確合理地進(jìn)行建設(shè)用地適宜性評價工作的基礎(chǔ)性地位越來越重要[4].
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對于城市建設(shè)用地發(fā)展方面的研究,主要集中在建設(shè)用地的擴(kuò)張驅(qū)動力機(jī)制等方面[5-7],并且隨著研究的深入,驅(qū)動力因子也愈加多樣[8-9],這將更有利于對建設(shè)用地時空變化特征的理解[10-14].而受生態(tài)保護(hù)思潮的影響,將生態(tài)因子納入到評價模型中,為建設(shè)用地適宜性評價提供了一種新思路.城市建設(shè)用地適宜性評價的關(guān)鍵在于對不同區(qū)域建立合適的評價準(zhǔn)則,目前主要的方法有因子加權(quán)評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[15]、模糊綜合評判法[16]、層次分析法等[17],其通過構(gòu)建評價體系而進(jìn)行因子疊加,但卻忽略了景觀的水平過程[18].而最小累積阻力(MCR,minimal cumulative resistance model)模型最初是用于研究生物物種的擴(kuò)散過程[18-19],可以彌補(bǔ)景觀格局與生態(tài)過程評價中只有垂直“千層餅”式的不足[20],并逐漸應(yīng)用于景觀格局優(yōu)化、生態(tài)用地規(guī)劃以及土地適宜性評價等研究中[21-24].然而,MCR模型有其優(yōu)越性,但是源地的選取是關(guān)鍵,并且應(yīng)用其進(jìn)行分區(qū)時,呈現(xiàn)出功能區(qū)域包圍擴(kuò)展源地的現(xiàn)象,不符合當(dāng)今所倡導(dǎo)的城市化用地新理念.
參考前人研究的優(yōu)點(diǎn)與不足,嘗試借助Fragstats軟件平臺,基于移動窗口選取PLAND、AI與COHESION三個景觀指標(biāo)用于在城市建設(shè)用地中篩選出MCR模型的源地[25],并且利用GIS的Hydrology擴(kuò)展模塊與MCR模型提取出“山谷線”與“山脊線”,將建設(shè)用地外延出的阻力最小“山谷線”作為建設(shè)用地的適宜擴(kuò)展路徑,“山脊線”則作為不適宜擴(kuò)展的生態(tài)隔離帶[26].并利用兩期數(shù)據(jù)疊加分析得到城市建設(shè)用地的預(yù)警點(diǎn),以及“谷脊”兩線相交的“鞍部”作為城市生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn).本文基于點(diǎn)、線、面三個方向?qū)Τ鞘薪ㄔO(shè)用地適宜性進(jìn)行了綜合評價,并引導(dǎo)出合適的擴(kuò)展方向,對城市建設(shè)用地的科學(xué)發(fā)展與合理規(guī)劃具有一定的參考價值.
武漢市江夏區(qū)坐落于長江中游南岸,地處114°01′E~114°35′E、29°58′N~30°32′N,正北與武漢市洪山區(qū)相鄰,東北與鄂州市交界,東南與大冶市接壤,正南與咸寧市相靠,西南與嘉魚縣毗連,西北與漢陽區(qū)和漢南區(qū)隔江相望,區(qū)域內(nèi)水資源豐富,地形以平原為主,屬中亞熱帶過渡的濕潤季風(fēng)氣候,其年平均氣溫介于15.9~17.9℃之間,歷年平均降水量為1 347.7mm,氣候溫暖濕潤、四季鮮明、降水充沛、光照充足.
圖1 研究區(qū)地理位置圖與兩期土地利用類型圖Fig.1 Location of study area and maps of two phases of land use
2.1數(shù)據(jù)與預(yù)處理
本文所使用的主要數(shù)據(jù)包括:2006、2013年武漢市江夏區(qū)兩期土地利用類型數(shù)據(jù)、2006、2013年武漢市江夏區(qū)兩期路網(wǎng)數(shù)據(jù)、武漢市江夏區(qū)30 m數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù).按照實(shí)際情況和研究目的,將江夏區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地和其他用地5類,最終獲得柵格大小為30 m×30 m的柵格類型土地利用類型圖(圖1).
2.2研究方法
2.2.1 基于移動窗口選取源地 移動窗口是利用Fragstats軟件平臺,通過對窗口內(nèi)所選的景觀指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,得到所選景觀指數(shù)的柵格圖[27].本文采用移動窗口法,選用邊長為100 m的方形窗口,選取斑塊占景觀面積比指數(shù)(PLAND)、聚集度指數(shù)(AI)、斑塊凝聚度指數(shù)(COHESION)三個指標(biāo).將建設(shè)用地的三個指標(biāo)分值大于80%,且面積大于50 hm2的斑塊作為MCR模型的源地.
表1 影響因子分級賦值和權(quán)重值
所使用的景觀指數(shù)主要包括:斑塊占景觀面積比(PLAND)、聚集度指數(shù)(AI)、斑塊凝聚度指數(shù)(COHESION).
(1)
斑塊占景觀面積比可表示出景觀的組分,反映出某景觀類型在整個景觀所占的比例.
(2)
聚集度指數(shù)可表示出斑塊在景觀中的聚集性和分散性.
(3)
斑塊凝聚度指數(shù)可在類型水平上表示出斑塊類型間物理連接程度.
2.2.2 最小累積阻力模型體系構(gòu)建 最小累積阻力(MCR,minimal cumulative resistance model)模型最早由俞孔堅(jiān)引入國內(nèi)[18],具有構(gòu)建的簡易性、要素的可拓性及應(yīng)用的廣泛性的特點(diǎn),能夠通過計(jì)算源與目標(biāo)之間的最小累積阻力距離來確定路徑,運(yùn)用在生態(tài)學(xué)中可以較好地反映景觀中的物質(zhì)能量及生物物種在各生境斑塊間的運(yùn)動可能性和趨向性.最小累積阻力模型經(jīng)過多位專家修改后公式如下:
(4)
式中,Dij表示從源點(diǎn)j到空間單元i的空間距離;Ri表示空間單元i的阻力系數(shù).
MCR模型建立的關(guān)鍵是源的選取和阻力面體系的構(gòu)建,MCR模型的核心過程是源在阻力面體系下對周圍空間單元的競爭性擴(kuò)散過程.本文結(jié)合斑塊占景觀面積比指數(shù)(PLAND)、聚集度指數(shù)(AI)、斑塊凝聚度指數(shù)(COHESION)三個指標(biāo)得到的城市建設(shè)用地的源地,并綜合高程、坡度、用地類型、與鐵路距離、與道路距離以及與源地的距離等對建設(shè)用地適宜性的影響程度,將影響因子的評價分值用5、4、3、2、1作為建設(shè)用地適宜性的分值,分值越高表示越適宜作為城市建設(shè)用地.根據(jù)各影響因子對建設(shè)用地適宜性的影響程度,采用層次分析法確定各層次影響因子的權(quán)重,每一層指標(biāo)的權(quán)重由專家打分法確定,并進(jìn)行了指標(biāo)的比較與判斷,確保通過一致性檢驗(yàn)(表1).采用30m×30m大小柵格單元,使用柵格計(jì)算器得出多因子綜合疊加數(shù)據(jù),為MCR模型的運(yùn)行提供成本,確定5類適宜性等級,分別為高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)、基本適宜區(qū)、不適宜區(qū)、不可用區(qū)(圖2),并采用疊置分析方法對進(jìn)行可靠性分析,將2013年新增建設(shè)用用地中處于不可用地的地方劃分為建設(shè)用地的擴(kuò)展預(yù)警點(diǎn)(圖3,表2).
然后,基于ArcGIS軟件平臺,通過使用Distance中的Cost Distance模塊,并利用已得到的建設(shè)用地源地與多因子綜合成本數(shù)據(jù)分別得到研究區(qū)2006、2013年建設(shè)用地擴(kuò)展的最小累積阻力面(圖2),使用自然斷點(diǎn)法劃分出建設(shè)用地擴(kuò)展適宜性級別區(qū)間,分別為高度適宜擴(kuò)展區(qū)、較適宜擴(kuò)展區(qū)、基本適宜擴(kuò)展區(qū)、不適宜擴(kuò)展區(qū)、不可擴(kuò)展區(qū)5類(表3).
圖2 研究區(qū)建設(shè)用地適宜性評價圖和最小累積阻力面 圖3 2006-2013年新增建設(shè)用地適宜性等級分布Fig.2 The map of suitability assessment for built-up gree of newly increased built-up area Fig.3 The suitability de area and minimal cumulative resistance surface
表2 2006-2013年各適宜性在新增建設(shè)用地中面積與比重
表3 建設(shè)用地擴(kuò)展適宜性分區(qū)
圖4 江夏區(qū)建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果Fig.4 Suitability evaluation result of construction land
2.2.3 基于Hydrology擴(kuò)展模塊在MCR面特征提取中的應(yīng)用 山谷線與山脊線是重要的地形骨架線,且由于山谷線的合水性與山脊線的分水性,使其在地形方面有著重要的作用[28].由于MCR面的柵格值表示擴(kuò)展源地到面內(nèi)每個像元的距離及成本最小的累加成本,因此,可將MCR面中的源地類比成相對地勢較低的湖泊或者盆地,通過GIS中的Hydrology擴(kuò)展模塊,通過計(jì)算正負(fù)地形、填洼、水流方向、匯流累積量等一系列的操作,在MCR面中提取出“山谷線”與“山脊線”,將建設(shè)用地外延出的阻力最小“山谷線”作為建設(shè)用地的適宜擴(kuò)展路徑,“山脊線”則作為不適宜擴(kuò)展的生態(tài)隔離帶[26](圖4).相對于最短路徑方法,Hydrology擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)較為簡單,只需要提供源,不需要提供匯,且能夠生成多條適宜擴(kuò)展的“山谷線”與不適宜擴(kuò)展的“山脊線”,在建設(shè)用地適宜性評價中可以更加全面的分析適宜擴(kuò)展方向,更加符合實(shí)際.并將“山谷線”與“山脊線”相交的“鞍部”作為生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn),對其重點(diǎn)保護(hù).
3.1建設(shè)用地適宜性評價及有效性分析
由圖2可見,研究區(qū)2006年建設(shè)用地最適宜的地區(qū)主要分布在北部靠近武漢市洪山區(qū)一帶以及沿京廣鐵路周邊一帶,不可用區(qū)主要分布在東西兩側(cè)的沿河地區(qū).由圖3及表2可知,研究區(qū)2006-2013年,建設(shè)用地在北部地區(qū)擴(kuò)展明顯,尤其是北部靠近洪山區(qū)以及沿湯遜湖周邊地區(qū)發(fā)展十分迅速.新增建設(shè)用地共7 914.69 hm2,其中17.18%、40.63%、33.76%分別處于高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)與基本適宜區(qū)內(nèi),說明本文構(gòu)建的建設(shè)用地適宜性評價指標(biāo)體系較為合理,方法實(shí)用可靠且分析精度較高,但是,仍有6.96%和1.47%的新增建設(shè)用地分別分布在不適宜區(qū)與不可用區(qū)內(nèi).這些區(qū)域多為收到保護(hù)的限制開發(fā)區(qū)域,但是由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展的需求以及城市建設(shè)用地的迅速擴(kuò)張,導(dǎo)致其周邊的農(nóng)用地和林地遭到日益破壞,逐漸被建設(shè)用地所取代.
3.2基于MCR模型的擴(kuò)展適宜性分區(qū)分析
通過自然斷點(diǎn)法根據(jù)事物分布的自然規(guī)律,以數(shù)量發(fā)生的顯著變化點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同區(qū)分之間的差異最大化[29],劃分出建設(shè)用地擴(kuò)展適宜性級別區(qū)間,分別為高度適宜擴(kuò)展區(qū)、較適宜擴(kuò)展區(qū)、基本適宜擴(kuò)展區(qū)、不適宜擴(kuò)展區(qū)、不可擴(kuò)展區(qū)5類,但考慮到研究區(qū)內(nèi)具體情況與當(dāng)?shù)乇Wo(hù)政策,故不將水域納入到城市建設(shè)用地適宜擴(kuò)展范圍內(nèi).
高度適宜擴(kuò)展區(qū)的MCR值范圍為0~5 020.12,面積為61 768.53 hm2,占江夏區(qū)總面積的30.65%,主要分布在紙坊街道辦事處、流芳街道辦、五里界街道辦、豹澥街道辦、鄭店街道辦等地,大部分為建設(shè)用地的擴(kuò)展源地,發(fā)展十分迅速.較適宜擴(kuò)展區(qū)的MCR值范圍為5 020.12~11 617.98,面積為43 382.43 hm2,占江夏區(qū)總面積的21.53%.較適宜擴(kuò)展區(qū)分布在高度適宜擴(kuò)展區(qū)的周圍,在源地周邊散布的建筑面積較小的廠房、農(nóng)村居民點(diǎn),以及延伸出道路,更易納入適宜擴(kuò)展范圍,研究區(qū)靠近京廣鐵路沿邊地區(qū)更適宜建設(shè)用地擴(kuò)展.基本適宜擴(kuò)展區(qū)的MCR值范圍為11 617.98~23 345.11,面積為52 708.86 hm2,占江夏區(qū)總面積的26.15%,該區(qū)可將不同的擴(kuò)展源連接起來,對土地開發(fā)等活動應(yīng)具有更嚴(yán)格的要求,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Wo(hù).不適宜擴(kuò)展區(qū)的MCR值范圍為23 345.11~35 233.82,不可擴(kuò)展區(qū)的MCR值范圍為35 233.82~55 120.40,兩個區(qū)域的面積為24 946.83 hm2與18 730.26 hm2,分別占江夏區(qū)總面積的12.38%和9.29%.兩區(qū)主要分布在河流、湖泊附近,包括梁子湖、牛山湖、魯湖等,該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,應(yīng)嚴(yán)格保護(hù),嚴(yán)禁建設(shè)用地擴(kuò)展,注重于生態(tài)建設(shè)與旅游開發(fā),確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)協(xié)調(diào)有序地進(jìn)行.
3.3適宜擴(kuò)展方向分析
由圖4可見,適宜擴(kuò)展路徑就是由MCR面所生成得到山谷線,全部分布在MCR值較小的高度適宜擴(kuò)展區(qū)和較適宜擴(kuò)展區(qū)內(nèi),而生態(tài)隔離帶是由MCR面所生成得到山脊線,比適宜擴(kuò)展路徑更長且分支較多,其主要是在建設(shè)用地之間起到隔離的作用,可在此加強(qiáng)生態(tài)建設(shè),緩解城市建設(shè)用地的無序擴(kuò)張.
適宜擴(kuò)展路徑與生態(tài)隔離帶的交匯之處作為需要重點(diǎn)保護(hù)的生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn),其主要位于風(fēng)景區(qū)、農(nóng)牧交錯帶等,如龍泉山風(fēng)景區(qū)、青龍山森林公園等,且由于其處于建設(shè)用地與生態(tài)用地交匯地帶,生態(tài)環(huán)境較為脆弱,因此對生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)的保護(hù)對維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定顯得尤為重要.
使用移動窗口與MCR模型相結(jié)合的方法,對武漢市江夏區(qū)的城市建設(shè)用地適宜性進(jìn)行了定量與定性的評價,并結(jié)合Hydrology擴(kuò)展模塊提取MCR面特征,分析研究區(qū)城市建設(shè)用地的適宜擴(kuò)展方向.結(jié)果表明:研究區(qū)2006-2013年新增建設(shè)用地有91.57%處于適宜建設(shè)用地區(qū)域,說明城市的發(fā)展較為合理,且采用移動窗口選取源地以及綜合阻力體系構(gòu)建的方法的可靠性也得到驗(yàn)證;用Hydrology擴(kuò)展模塊基于MCR面生成多條適宜擴(kuò)展路徑與生態(tài)隔離帶,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)僅向源地外圍擴(kuò)充的不足;由適宜擴(kuò)展路徑與生態(tài)隔離帶交匯生成的生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn),主要位于風(fēng)景區(qū)與森林公園等地,也驗(yàn)證了此方法的可行性,由于其生態(tài)環(huán)境的脆弱性,應(yīng)對此地段加強(qiáng)重視并重點(diǎn)保護(hù).本文研究結(jié)果可為城市建設(shè)用地的科學(xué)發(fā)展與合理規(guī)劃參考依據(jù)與決策支持.本文基于MCR模型對城市建設(shè)用地適宜性評價的精度主要取決于評價因子的選擇及其權(quán)重的劃定,使用層次分析法確定評價因子的權(quán)重存在著一定的主觀因素,并且由于數(shù)據(jù)有限,缺少對武漢市江夏區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與其他生態(tài)數(shù)據(jù)的考慮,這些都會對最終的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,有待進(jìn)一步的改進(jìn).城市建設(shè)用地適宜性評價是城市未來進(jìn)行擴(kuò)展的基礎(chǔ),也將是今后研究的重點(diǎn)之一,可以為政府部門更為科學(xué)地提供城市發(fā)展規(guī)劃的決策支持.
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責(zé)任編輯:高山
SuitabilityEvaluationofUrbanConstructionLandinJiangxiaDistrictofWuhanCityBasedonMovingWindowandMCR
KUANG Da,CHEN Zhuan,WEI Xiaojian,ZHANG Liting
(1.Faculty of Geomatics,East China University of Technology,Nanchang 330013,China; 2.Key Laboratory of Watershed Ecology and Geographical Environment Monitoring,NASG,Nanchang 330013,China;
In the context of rapid urbanization,urban construction land continues to grow,but the limited nature of urban land resources requires that urban land should be rationally utilized and exploited.Based on the ArcGIS and Fragstats software platform,this paper combines the moving window and the MCR to integrate the landscape index and the evaluation factor of construction land suitability,and provide a scientific basis for MCR construction Land use,and evaluate the suitability of construction land in the study area in 2006 and 2013.The superposition analysis is used to analyze the result and generate the extended warning point.Finally,The hydrology extended module is used to determine suitable expansion paths,ecological isolation zones and key points of ecology that can provide the scientific basis for the development direction of urban construction land.The results of the study show that the method proposed in this paper can provide reference for scientific development and reasonable planning of urban land use,for it combines the landscape index with MCR to evaluate the suitability of the construction land from the point, line and surface and tries to use the more scientific method to guide the suitable extension direction of urban construction land.
moving window;minimal cumulative resistance model;construction land; suitability evaluation;Jiangxia district
2017-09-11.
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41261041);江西省高校人文社會科學(xué)課題(GL1501);江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20132BAB201049);流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題(WE2016018);江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ150592).
況達(dá)(1993-),男,碩士,主要從事地理信息系統(tǒng)的研究.
1008-8423(2017)04-0471-06
10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.12.025
F293.2;P208
A