基于FLUS模型的城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界劃定研究
——以臨川區(qū)為例

張子明，劉平輝*，朱壽紅

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330000；2.江蘇師范大學(xué) 地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

改革開放以來，我國(guó)城鎮(zhèn)化水平從17.92%提高到2015年的54.77%[1]，其中2000年到2014年提高了18.57%[2]，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張迅速。城鎮(zhèn)土地的無序擴(kuò)張帶來了諸如土地粗放利用、優(yōu)質(zhì)耕地被破壞、生態(tài)環(huán)境安全等問題。在“十三五”時(shí)期，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城鎮(zhèn)用地相對(duì)于以前必然增長(zhǎng)較快。因此，既要避免“攤大餅”式的擴(kuò)展模式，又要控制城鎮(zhèn)有序擴(kuò)展，做到每一寸土地的節(jié)約集約利用，提高城鎮(zhèn)化質(zhì)量水平，成為當(dāng)前面臨的亟需解決的挑戰(zhàn)。

城市增長(zhǎng)邊界理論 (Urban Growth Boundary，UGB)最早在1976年由美國(guó)的塞勒姆市提出，用于解決與其相鄰兩縣的城市規(guī)劃中的沖突問題，之后不少西方學(xué)者對(duì)這一理論進(jìn)行了補(bǔ)充和發(fā)展[3]。我國(guó)于2006年實(shí)施的《城市規(guī)劃編制辦法》中對(duì)城市總體規(guī)劃綱要首次提出劃定城市增長(zhǎng)邊界的要求后才全面開展對(duì)UGB的相關(guān)研究[1-2]。在實(shí)際操作過程中，為保護(hù)糧食安全、統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源占用，防止生態(tài)環(huán)境破壞，在土地利用總體規(guī)劃中，通過劃定基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)和“三界四區(qū)”來控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界并起到了一定的作用。目前劃定UGB的定量分析方法可分為3類：一是增長(zhǎng)法[4-6]，即通過建設(shè)用地歷史數(shù)據(jù)提取增長(zhǎng)率、強(qiáng)度等參數(shù)，結(jié)合人口等預(yù)測(cè)可能用地規(guī)模，常用于彈性增長(zhǎng)的劃定；二是排除法[7-8]，排除生態(tài)敏感區(qū)及不宜建設(shè)區(qū)域，余下可識(shí)別的最大化城市建設(shè)用地，常用于剛性增長(zhǎng)的劃定；三是綜合法[9-10]，既考慮增長(zhǎng)的限制因素又考慮增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)因素，主要用于彈性增長(zhǎng)的劃定。這些研究豐富了UGB的理論及應(yīng)用。

傳統(tǒng)CA模型局限于非城市用地到城市用地的轉(zhuǎn)變，限制了其模擬真實(shí)世界變化的能力，從兩期土地利用分布數(shù)據(jù)中采樣可能造成誤差的傳遞。同時(shí)，大部分模型較少考慮從土地利用類型轉(zhuǎn)化及其空間的相互作用的角度來構(gòu)建模型，沒有考慮到現(xiàn)實(shí)世界更加復(fù)雜多變的實(shí)際情況，難以體現(xiàn)各土地類型間的相互作用。由黎夏、劉小平等提出的FLUS( Future Land Use Simulation) 模型不僅能夠很好地處理上述問題，而且操作簡(jiǎn)單，具有較高的模擬精度。在劃定UGB的實(shí)際操作中，不少研究缺少對(duì)生態(tài)紅線、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)等方面的考慮。因此，本文引入FLUS模型劃定城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界，以臨川區(qū)為例驗(yàn)證該模型可行性的同時(shí)為當(dāng)前我國(guó)城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界劃定提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

臨川區(qū)位于江西東部，撫河中游，地處東經(jīng)116°4′～116°39′，北緯27°31′～28°14′，是江西省撫州市的一個(gè)市轄區(qū)。地形狹長(zhǎng)，東面、南面、西面三面環(huán)山，地勢(shì)北高南低。全區(qū)以山地、丘陵為主，總面積2125 km2?！捌呱桨胨畠煞痔?，半分道路和莊園”為全區(qū)地貌、地類輪廓的概括。2015年末常住人口111.25萬人，城鎮(zhèn)化率從2005年的36.35%發(fā)展到2015年的51.5%。2015年城鎮(zhèn)用地8644.55 hm2，占土地總面積的4.06%。區(qū)位優(yōu)越，交通便捷，現(xiàn)已納入環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈和海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)。伴隨著經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，臨川區(qū)正在從農(nóng)業(yè)向工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變，在國(guó)家統(tǒng)籌實(shí)施“四大板塊”和“三個(gè)支撐帶”戰(zhàn)略組合的背景下，實(shí)施“融入南昌、對(duì)接海西、建設(shè)向莆經(jīng)濟(jì)帶”和支持昌撫一體化戰(zhàn)略使得臨川區(qū)的建設(shè)用地需求不斷增加，城鎮(zhèn)規(guī)模也因此不斷增大。當(dāng)前存在城鎮(zhèn)土地利用率不高、批而未用土地較多、耕地保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻等問題。因此，為其劃定城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界不僅對(duì)城鎮(zhèn)有序擴(kuò)張，而且對(duì)資源環(huán)境、糧食安全的保護(hù)以及土地資源的優(yōu)化配置都具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

城市擴(kuò)展的影響因素主要包括自然環(huán)境方面、社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面、人口方面和相關(guān)政策方面等[ 11-12]。充分考慮臨川區(qū)的實(shí)際情況以及數(shù)據(jù)可獲取性， 選取影響因素如下：(1)地形因素：臨川區(qū)三面環(huán)山，地勢(shì)起伏較大，故地形因素選取高程和坡度，運(yùn)用ArcGIS分析工具分析90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)得出高程和坡度(圖1a、圖1b、圖1i、圖1j)，地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。(2)區(qū)位因素：臨川區(qū)境內(nèi)有福銀高速、撫吉高速、撫金高速、撫八線等主要交通干線，對(duì)城鎮(zhèn)土地?cái)U(kuò)展影響較大，故本文選擇距普通公路、高速公路、鐵路、市中心和鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)中心的距離(圖1c～圖1h)等作為區(qū)位因素，其中公路及鐵路數(shù)據(jù)來源于臨川區(qū)交通現(xiàn)狀圖和規(guī)劃圖。(3)生態(tài)因素：臨川區(qū)水資源及森林資源豐富。主要生態(tài)敏感區(qū)、水源保護(hù)地等涉及生態(tài)紅線的地區(qū)，對(duì)城鎮(zhèn)擴(kuò)展具有不同程度的限制(圖1f、圖1k)。(4)政策因素：基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)對(duì)于糧食安全至關(guān)重要，因此在城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展的同時(shí)必須保證基本農(nóng)田的數(shù)量質(zhì)量不降低。因此，臨川區(qū)永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū) (圖1l) 作為政策因素約束城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展。該數(shù)據(jù)源于臨川區(qū)永久基本農(nóng)田劃定成果。

由于研究城鎮(zhèn)用地，因此將2005、2010及2015年這3年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(源于臨川區(qū)國(guó)土局)中的土地利用類型調(diào)整為6類：水域、未利用地、植被、農(nóng)用地、其他建設(shè)用地和城鎮(zhèn)用地。以上所有要素的圖層?xùn)鸥翊笮【鶠?0 m×30 m。

2 研究方法與思路

2.1 FLUS模型

FLUS模型原理源自元胞自動(dòng)機(jī)(CA)，并在傳統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上做了較大改進(jìn)。首先，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)從一期土地利用數(shù)據(jù)以及包含人為活動(dòng)與自然效應(yīng)的多種驅(qū)動(dòng)力因子中獲取各種用地類型在研究范圍內(nèi)的適宜性概率。其次，基于輪盤賭選擇的自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，在模擬過程中能有效處理多種土地利用類型在自然與人類活動(dòng)共同影響下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時(shí)的不確定性與復(fù)雜性。ANN分為3層，第1層是輸入層，第2層是隱藏層，第3層是輸出層[13]。其表達(dá)公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

公式(1)中，p(k,t,l)表示在時(shí)間l的時(shí)刻，t類型土地在柵格k上的適宜性概率；wi,t、sigmoid()分別為隱藏層與輸出層間的權(quán)值和激勵(lì)函數(shù)；表示時(shí)間l的時(shí)刻，柵格k在第i個(gè)隱藏層的響應(yīng)值；

公式(2)中的適宜性概率p(k,t,l)表示在l時(shí)刻的柵格k上，各類的適宜性概率之和為1；

采用2005年臨川區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬來驗(yàn)證FLUS模型的可行性，綜合考慮Kappa系數(shù)及總體精度(OA)驗(yàn)證其模擬精度。其中，Kappa系數(shù)及OA均介于0～1，值越接近于1，模擬精度越好，相反則越差。通常，當(dāng)0.6

圖1 臨川區(qū)城市擴(kuò)展的影響因素

2.2 城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界劃定思路

城市發(fā)展必然導(dǎo)致城鎮(zhèn)用地的增長(zhǎng)，劃定增長(zhǎng)邊界的目的是節(jié)約集約利用土地以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境。因此，劃定增長(zhǎng)邊界首先應(yīng)考慮研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)紅線保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)地、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)等不適宜建設(shè)的區(qū)域，在此基礎(chǔ)上安排建設(shè)用地規(guī)劃布局；其次，根據(jù)土地利用總體規(guī)劃中下達(dá)的用地指標(biāo)并結(jié)合研究區(qū)以往的實(shí)際用地需求,綜合考慮確定目標(biāo)年城鎮(zhèn)用地規(guī)模；第三，生態(tài)紅線及永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)等作為不適宜建設(shè)的區(qū)域，作為FLUS模型模擬的約束變量，模擬目標(biāo)年土地利用空間布局作為城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界劃定的基礎(chǔ)；第四，結(jié)合最新規(guī)劃調(diào)整完善成果并結(jié)合模擬結(jié)果綜合劃定城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界。

3 結(jié)果與分析

3.1 FLUS模型精度驗(yàn)證

首先，運(yùn)行FLUS軟件，以2005年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)(圖2a)，標(biāo)準(zhǔn)化處理各因素，抽取20%的柵格樣本用于訓(xùn)練及計(jì)算適宜性概率；其次，設(shè)置模型參數(shù)并且添加限制因素圖層，運(yùn)行得到各地類CA參數(shù)；最后，模擬2010及2015年土地利用情況并用同期土地利用現(xiàn)狀對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證(圖2b、2c)。從圖3可見，2010年土地利用模擬結(jié)果(圖3a)與2015年土地利用模擬結(jié)果(圖3b) 與對(duì)應(yīng)現(xiàn)狀圖相似度較高，模擬結(jié)果城鎮(zhèn)用地更加緊湊，體現(xiàn)了集約節(jié)約用地的要求。由于本文研究城鎮(zhèn)用地，故將現(xiàn)狀城鎮(zhèn)用地與模擬城鎮(zhèn)用地做對(duì)比分析，并且驗(yàn)證其精度。由圖4可以看出，2010年模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)基本一致，由于受到市中心的輻射影響較大，崇崗鎮(zhèn)、撫北鎮(zhèn)、鐘嶺街道、文昌街道的模擬面積均比現(xiàn)狀面積大。由圖5也可以看出，模擬城鎮(zhèn)用地向城市周邊的崇崗鎮(zhèn)、撫北鎮(zhèn)、上頓度鎮(zhèn)、文昌街道、溫泉鎮(zhèn)、鐘嶺街道集中，由于模擬周期較長(zhǎng)，因而與現(xiàn)狀城鎮(zhèn)用地有較大差別。從精度驗(yàn)證指標(biāo)看(表1)，F(xiàn)LUS模型2010年模擬結(jié)果OA值達(dá)到0.98，Kappa 指數(shù)達(dá)到0.97；2015年模擬結(jié)果OA值達(dá)0.93，Kappa指數(shù)達(dá)到0.89，各地類中除了2015年未利用地的精度較低之外，其他地類精度均高于0.70，比卞子浩等[16]采用CLUE-S模型模擬所得的精度高，這就表明FLUS模型相對(duì)于其他模型能更準(zhǔn)確地獲取土地利用變化的變動(dòng)規(guī)律。黎夏等[17]的研究成果也表明FLUS模型能有效簡(jiǎn)化CA模型的結(jié)構(gòu)，適用于模擬未來復(fù)雜的土地利用變化。因此，在此基礎(chǔ)上將其模擬結(jié)果用于城鎮(zhèn)增長(zhǎng)邊界劃定是可行的。

圖2 2005、2010和2015年臨川區(qū)現(xiàn)狀圖

圖3 2010和2015年現(xiàn)狀與FLUS模擬結(jié)果對(duì)比圖

3.2 城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界劃定

考慮到臨川區(qū)近期重新進(jìn)行了永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)劃定以及進(jìn)行了土地利用總體規(guī)劃調(diào)整完善，明確了未來的發(fā)展方向和規(guī)模。因此，本文將最新的永久基本農(nóng)田劃定成果及生態(tài)紅線保護(hù)區(qū)作為模型約束條件對(duì)2025年臨川區(qū)城鎮(zhèn)用地規(guī)模進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。同時(shí)，參考土地利用總體規(guī)劃2020年臨川區(qū)城鎮(zhèn)用地規(guī)模12567.03 hm2，結(jié)合撫州市下達(dá)的各項(xiàng)用地指標(biāo)，以及以往多年城鎮(zhèn)用地規(guī)模及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況,預(yù)測(cè)2025年臨川區(qū)城鎮(zhèn)用地規(guī)模為14139.60 hm2。在此基礎(chǔ)上，以生態(tài)紅線以及最新劃定的永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)成果為約束變量，在2015年臨川區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上模擬其2025年城鎮(zhèn)用地情況。由于本文主要研究城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界的劃定, 考慮到圖件的整體美觀性，模擬結(jié)果中將地類分為兩大類：城鎮(zhèn)用地和非城鎮(zhèn)用地，結(jié)果如圖6所示。

圖4 臨川區(qū)2010年現(xiàn)狀與模擬城鎮(zhèn)用地對(duì)比圖

圖5 臨川區(qū)2015年現(xiàn)狀與模擬城鎮(zhèn)用地對(duì)比圖

土地類型Accuracy20102015Kappa20102015OverallAccuracy20102015水域1.001.000.970.890.980.93未利用地0.950.61植被0.990.95農(nóng)用地0.990.98其他建設(shè)用地0.970.84城鎮(zhèn)用地0.840.75

模擬結(jié)果顯示，城鎮(zhèn)用地相對(duì)集中更加緊湊,有利于集約節(jié)約用地，既體現(xiàn)出基本農(nóng)田及生態(tài)紅線對(duì)城鎮(zhèn)發(fā)展的空間管制作用，又在一定程度上緩解了用地矛盾，有利于城鎮(zhèn)用地的內(nèi)部挖潛。另外，考慮到FLUS模型在預(yù)測(cè)過程中會(huì)存在突變等問題，在劃定城鎮(zhèn)增長(zhǎng)邊界時(shí)會(huì)將產(chǎn)生的少量孤立破碎的城鎮(zhèn)用地地塊刪除(圖7)。同時(shí)，由于臨川區(qū)最近進(jìn)行了規(guī)劃調(diào)整完善，規(guī)劃調(diào)整完善成果體現(xiàn)了臨川區(qū)近期的用地需求，根據(jù)需要將其(圖8)劃入增長(zhǎng)邊界內(nèi)，最終確定2025年臨川區(qū)城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界范圍(圖9)。

分析結(jié)果得出，臨川區(qū)2025年城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界范圍內(nèi)總面積為15466.77 hm2，約占整個(gè)臨川區(qū)土地面積的7.30%，相較于2015年城鎮(zhèn)用地面積增加了6237.27 hm2。統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)城鎮(zhèn)用地面積及增量(表2)。結(jié)果表明，城鎮(zhèn)用地增量較高地區(qū)大多分布在崇崗鎮(zhèn)、上頓渡鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、鐘嶺街道辦事處等靠近中心城區(qū)的區(qū)域，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)要么新增城鎮(zhèn)用地相對(duì)較小，要么出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。

表2 各行政區(qū)域城鎮(zhèn)用地面積及增量面積

圖6 最新劃定基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)與2025年FLUS模擬結(jié)果

圖7 刪除破碎點(diǎn)后2025年FLUS模型模擬結(jié)果

圖8 近期新增城鎮(zhèn)用地

4 結(jié)論

本文以臨川區(qū)為研究區(qū)域，將生態(tài)紅線保護(hù)區(qū)、永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)作為約束條件，運(yùn)用FLUS模型，利用自然、區(qū)位、生態(tài)和政策因素，通過ANN-CA訓(xùn)練樣本，獲取土地利用變化規(guī)律，并計(jì)算每個(gè)像元上土地利用類型的適宜性概率，運(yùn)用自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制模擬2010、2015年土地利用空間格局，并結(jié)合最新土地利用總體規(guī)劃調(diào)整完善成果劃定2025年研究區(qū)城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界。研究結(jié)果表明：2010年模擬結(jié)果與現(xiàn)狀城鎮(zhèn)用地基本一致，F(xiàn)LUS模型的模擬精度均較高，總體精度達(dá)到0.98，Kappa系數(shù)達(dá)到0.97；2015年模擬精度略有降低，但總體精度仍達(dá)到0.93，Kappa系數(shù)達(dá)到0.89，模擬精度較好，表明FLUS模型有很好的反映土地利用變化規(guī)律的能力。城鎮(zhèn)增長(zhǎng)邊界劃定結(jié)果顯示，臨川區(qū)2025年城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界范圍內(nèi)面積為15466.77 hm2，占臨川區(qū)土地總面積的7.3%；劃定邊界的同時(shí)考慮到了土地利用變化規(guī)律、生態(tài)紅線及永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)以及土地利用總體規(guī)劃調(diào)整完善成果，既保障了生態(tài)環(huán)境和糧食安全，又滿足了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城鎮(zhèn)建設(shè)的需要。FLUS模型在土地利用變化模擬及城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界劃定上具有很好的可行性。

圖9 2025年城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界劃定結(jié)果

除了本文已經(jīng)考慮到的各項(xiàng)因素以外，城鎮(zhèn)增長(zhǎng)邊界劃定還受人口、資源環(huán)境承載力、地質(zhì)條件等因素的影響。因此，應(yīng)因地制宜地選取更為全面的影響因素，使劃定的城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界更具有合理性和可行性。同時(shí)，可用于劃定城鎮(zhèn)增長(zhǎng)邊界的模型眾多，各有所長(zhǎng)，對(duì)比不同模型在相同影響因素下劃定的城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)邊界，對(duì)研究區(qū)將更有實(shí)際操作意義。

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