老撾凱山豐威漢市土地資源的空間優(yōu)化配置

彭玉玲, 徐學(xué)嫻, 隗劍秋, 劉斐旸, 秦文杰, 夏 鈺

(1.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 湖北 武漢 430073; 2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 云南 昆明 650000; 3.湖北省國(guó)土測(cè)繪院, 湖北 武漢 430000)

土地利用空間優(yōu)化配置有利于合理高效利用有限的土地資源，從而促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)土地資源在空間上的優(yōu)化配置，仍然是當(dāng)前國(guó)土空間規(guī)劃領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞這一領(lǐng)域開展了大量研究[1-3]，主要包括基于多源數(shù)據(jù)融合的土地利用變化研究[4-5]、基于GIS(geographic information system)的空間分析[6]、基于適宜性評(píng)價(jià)的優(yōu)化配置[7]以及土地利用模擬[8-9]、優(yōu)化算法研究等[10]，研究?jī)?nèi)容不斷深化[11-13]，研究方法也日趨完善[14-16]。

凱山豐威漢市作為老撾的經(jīng)濟(jì)中心、僅次于首都萬(wàn)象的第二大城市，在老撾?yún)^(qū)域發(fā)展和未來規(guī)劃中具有重要的戰(zhàn)略地位。近年來，凱山豐威漢市城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，糧食生產(chǎn)基地建設(shè)和經(jīng)濟(jì)特區(qū)發(fā)展急需合理的用地規(guī)劃為其提供保障。然而，目前其土地規(guī)劃滯后，規(guī)劃體系不完善，同時(shí)，國(guó)內(nèi)外圍繞凱山豐威漢市開展的土地配置方面的研究和實(shí)踐探索較少[6,17-18]，雖然這些研究在一定程度上為凱山豐威漢市及老撾的土地利用提供了方法和數(shù)據(jù)支持，但成果仍比較匱乏，不足以為其規(guī)劃實(shí)踐提供充分支撐。作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)，合理配置土地資源仍是凱山豐威漢市國(guó)土和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

本研究在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將GIS空間分析方法與CLUE-S模型相結(jié)合，開展土地資源空間優(yōu)化配置研究。同時(shí)，考慮老撾的實(shí)際情況，對(duì)不同類型土地利用規(guī)模的控制指標(biāo)以自然條件適宜性為基礎(chǔ)，并以當(dāng)?shù)赜玫卣叩南拗坪陀玫匕l(fā)展目標(biāo)為約束，以期促進(jìn)土地資源的開發(fā)和合理利用，從而為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展提供可靠保障。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

凱山豐威漢市位于老撾南部邊境，湄公河左岸，是老撾第二大城市，沙灣拿吉省省會(huì)，也是老撾的經(jīng)濟(jì)中心。凱山豐威漢市又名“沙灣拿吉市 ”，意為“天堂里的城市”，2005年為紀(jì)念老撾第二任國(guó)家主席凱山·豐威漢而更名為凱山豐威漢市，下轄人口1.20×105人，土地面積650.51 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共包含土地利用數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、問卷調(diào)查數(shù)據(jù)3種類型。其中，土地利用數(shù)據(jù)來源于老撾政府部門提供的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(2006年)、相關(guān)規(guī)劃數(shù)據(jù)(2006—2015年)，中科院地理空間數(shù)據(jù)云提供的研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)(2015—2020年)，以及研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)踏勘與測(cè)試數(shù)據(jù)(2015年)等；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒(2005—2013年)；問卷調(diào)查數(shù)據(jù)來源于土地規(guī)劃及社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的專家咨詢打分(2019—2020年)。

2 研究方法

2.1 模型構(gòu)建

基于GIS空間分析技術(shù)和CLUE-S模型，將土地利用現(xiàn)狀、適宜性、最優(yōu)數(shù)量結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)因素、限制因素等數(shù)據(jù)按照模型的格式要求，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模型輸入?yún)?shù)，進(jìn)行模型運(yùn)算，得到凱山豐威漢市土地資源空間優(yōu)化配置方案。該模型由轉(zhuǎn)換規(guī)則、限制因素、用地需求、空間特征4個(gè)輸入模塊，以及一個(gè)空間布局分配模塊構(gòu)成[16]。

(1) 轉(zhuǎn)移規(guī)則。通過轉(zhuǎn)移矩陣來定義和實(shí)現(xiàn)不同地類之間的轉(zhuǎn)變規(guī)則，轉(zhuǎn)移矩陣見表1。其中值為1代表可以轉(zhuǎn)移，值為0代表不可轉(zhuǎn)移。具體賦值根據(jù)2015年研究區(qū)政策調(diào)研、實(shí)地踏勘和2020年專家咨詢的方法，多輪征集相關(guān)專家、當(dāng)?shù)卣途用褚庖姾髤R總統(tǒng)計(jì)獲得(表1)。

表1 老撾凱山豐威漢市各二級(jí)地類之間的轉(zhuǎn)換矩陣

(2) 限制因素。限制因素包括自然保護(hù)區(qū)等控制性的約束條件，在CLUE-S模型中，通過限制因素的設(shè)定，以影響用地格局的分配。限制類型分為區(qū)域限制和地類限制兩種情況。如：保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的用地不允許轉(zhuǎn)移為其他類型的用地，屬于特定區(qū)域限制；各地類之間是否允許轉(zhuǎn)移屬于地類限制。

(3) 用地需求。用地需求通過模糊預(yù)測(cè)計(jì)算獲得，并用來限定模擬過程中各用地類型的變化量。用地需求為正值表示用地?cái)?shù)量增加，為負(fù)值則表示用地?cái)?shù)量減少，所有用地類型的總變化量為零，即各用地類型總面積恒定。凱山豐威漢市在老撾?yún)^(qū)域發(fā)展和未來規(guī)劃中具有重要的戰(zhàn)略地位，其對(duì)建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地的需求不僅要考慮研究區(qū)內(nèi)的人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食供給等因素，同時(shí)要考慮對(duì)整個(gè)地區(qū)發(fā)展的作用和貢獻(xiàn)。因此，在用地需求預(yù)測(cè)時(shí)，需考慮區(qū)域因素進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(4) 空間特征。以所有用地類型分配在其最可能出現(xiàn)的位置上為原則，通過Logistic回歸運(yùn)算來分析各用地類型變化與導(dǎo)致變化發(fā)生的驅(qū)動(dòng)因素之間的定量關(guān)系，獲得各用地類型在空間上的分布概率[19]。具體計(jì)算表達(dá)式如下：

(1)

式中：Pi表示某柵格單元可能成為某用地類型i的概率;B0為回歸方程常量;B為各驅(qū)動(dòng)因子的回歸系數(shù);X為驅(qū)動(dòng)因素。

(5) 空間分配。空間分配是在對(duì)土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)則、限制因素、空間特征等要素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，按照用地分配的總概率從大到小的順序，通過多次迭代運(yùn)算，依次對(duì)用地需求在空間上進(jìn)行分配。

2.2 空間特征分析

(1) 柵格數(shù)據(jù)二值化處理。為提高數(shù)據(jù)處理的效率，本研究采用抽樣的方法進(jìn)行回歸分析[3]。首先對(duì)各用地類型的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，將屬性為某種用地類型的柵格單元賦值為1，屬性非此用地類型的柵格單元賦值為0，生成值為0，1的柵格數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 老撾凱山豐威漢市各類用地二值化柵格圖

(2) 隨機(jī)采樣與重分類。將各用地類型進(jìn)行二值化處理后，使用ArcGIS的Create Random Raster功能，生成覆蓋區(qū)域的隨機(jī)柵格，用于對(duì)各用地類型與各驅(qū)動(dòng)因子的隨機(jī)采樣。采樣過程中，元胞值為0的案例與值為1的案例百分比校正越接近50%，則采樣結(jié)果越理想。因此，需要按照一定比例對(duì)隨機(jī)柵格進(jìn)行重分類，使每種用地類型采樣比例保持1，0的樣本數(shù)量基本相當(dāng)。如：凱山豐威漢市水田柵格數(shù)為169 022，非水田柵格數(shù)為553 735，二者比例約為1比3，則將覆蓋凱山豐威漢市范圍的隨機(jī)柵格按照30%的比例進(jìn)行重分類，運(yùn)用柵格計(jì)算器將重分類后的隨機(jī)柵格與非水田柵格圖層進(jìn)行相乘運(yùn)算，得到以30%的比例進(jìn)行隨機(jī)抽樣的非水田樣本數(shù)為166 615，與水田樣本數(shù)量接近。根據(jù)采樣結(jié)果，各用地類型隨機(jī)采樣的百分比校正結(jié)果均保持在50.0%～62.0%之間，采樣數(shù)據(jù)較可靠。

對(duì)各用地類型元胞值為0，1的隨機(jī)柵格進(jìn)行重分類后，根據(jù)重分類結(jié)果，使用ArcGIS的Sample工具依次對(duì)各驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行采樣，獲得的抽樣數(shù)據(jù)即為回歸分析的自變量(各用地類型)和因變量(驅(qū)動(dòng)因子)。其中，驅(qū)動(dòng)因子從12個(gè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)中選取。由于12個(gè)指標(biāo)中，土地利用類型因子和保護(hù)區(qū)因子在模型中的其他模塊重復(fù)約束，故從中去除這兩個(gè)指標(biāo)，共設(shè)定10個(gè)驅(qū)動(dòng)因子，分別為：高程(X1)、坡度(X2)、坡向(X3)、土壤類型(X4)、土壤有機(jī)質(zhì)含量(X5)、土壤pH值(X6)、距水源距離(X7)、距道路距離(X8)、距居民點(diǎn)距離(X9)、植被覆蓋率(X10)。將用地類型與驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行回歸分析，則可得到模型中各用地類型的回歸系數(shù)。

(3) 二元Logistic回歸分析。通過對(duì)各自變量與因變量進(jìn)行二元Logistic回歸分析，獲得用地類型變化與驅(qū)動(dòng)因子之間的相關(guān)性、回歸系數(shù)、回歸方程常量以及地類轉(zhuǎn)換概率等參數(shù)。凱山豐威漢市各類用地回歸方程系數(shù)及常量見表2。

(4) 回歸方程擬合度檢驗(yàn)?；貧w方程的擬合程度一般采用ROC曲線來對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。ROC值為曲線下的面積，該值一般為0.5～1之間，值越大，則擬合度越好，模型運(yùn)行時(shí)的土地利用分配越精確。經(jīng)過檢驗(yàn)，各用地類型ROC值均大于0.85，回歸方程擬合度較好，空間模擬結(jié)果較準(zhǔn)確。

表2 老撾凱山豐威漢市各用地類型回歸方程系數(shù)及常量

3 結(jié)果與分析

3.1 土地資源優(yōu)化配置前后的土地利用變化

通過用地需求預(yù)測(cè)、限制因素分析、轉(zhuǎn)換規(guī)則研究和空間適宜性特征分析，基于CLUE-S模型進(jìn)行求解，得到研究區(qū)土地利用空間優(yōu)化配置結(jié)果。研究結(jié)果表明，凱山豐威漢市主要用地類型為農(nóng)業(yè)用地、林業(yè)用地、建設(shè)用地和水資源地，各類用地以現(xiàn)狀分布區(qū)域?yàn)橹行南蛲獍l(fā)展，集中連片布局。土地資源空間優(yōu)化配置的結(jié)果見附圖4a(封3)。

用地類型變化主要為林業(yè)用地和其他用地向水田和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化(表3)，土地利用方式為對(duì)水土資源條件較好的稀疏荒蕪林地、具備耕地和建設(shè)用地開發(fā)潛力的其他用地進(jìn)行開發(fā)利用，在生態(tài)用地滿足區(qū)域生態(tài)保護(hù)要求的前提下，提高土地利用效率，保障糧食產(chǎn)量，促進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展。

3.2 土地資源空間配置方案三維可視化

利用研究區(qū)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，通過ArcGIS平臺(tái)，將其與土地資源空間優(yōu)化配置數(shù)據(jù)疊加，生成土地利用三維效果圖。通過對(duì)三維景觀格局的構(gòu)建和分析，可以為微觀層面的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及工程布局等提供便捷、直觀、多視角、全方位的決策依據(jù)。

表3 老撾凱山豐威漢市土地資源優(yōu)化配置前后的土地利用變化

優(yōu)化配置方案的三維可視化流程如下： ①將各縣用地轉(zhuǎn)化為由100×100的大小相等的規(guī)則格網(wǎng)組成的矢量數(shù)據(jù)； ②提取該規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)中心點(diǎn)，并與各縣土地資源空間優(yōu)化配置的結(jié)果進(jìn)行相交分析，生成由帶有土地利用屬性數(shù)據(jù)的規(guī)則點(diǎn)狀標(biāo)識(shí)組成的點(diǎn)圖層； ③將該圖層與各縣數(shù)字高程模型疊加，并設(shè)置三維可視化參數(shù)，形成凱山豐威漢市土地資源空間優(yōu)化布局三維效果圖(附圖4b，見封3)。

3.3 空間優(yōu)化結(jié)果與分析

研究結(jié)果表明，建設(shè)用地和水田規(guī)模的增長(zhǎng)以及林業(yè)用地規(guī)模的減少較為明顯，其他用地變化幅度較小。凱山豐威漢市擁有沙灣拿吉平原以及湄公河沿岸的水土資源和地形等自然地理方面的天然優(yōu)勢(shì)，具有發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大潛力。同時(shí)，作為沙灣拿吉省的省會(huì)城市、老撾第二大城市、老撾的經(jīng)濟(jì)中心，凱山豐威漢市擁有城鎮(zhèn)化發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的政策優(yōu)勢(shì)，糧食生產(chǎn)基地建設(shè)和經(jīng)濟(jì)特區(qū)發(fā)展需要對(duì)其土地資源進(jìn)行合理布局，為國(guó)家和地區(qū)發(fā)展提供基礎(chǔ)和保障。

空間布局上，研究區(qū)林業(yè)用地減少的區(qū)域?yàn)橄∈璧牧帜?，建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地在原有用地的基礎(chǔ)上，沿交通和水系，向未開發(fā)且分布稀疏的林業(yè)用地?cái)U(kuò)張，擴(kuò)張空間次序受適宜性控制，擴(kuò)張規(guī)模受結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果控制，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張區(qū)域可發(fā)展為新區(qū)和經(jīng)濟(jì)特區(qū)，農(nóng)業(yè)用地?cái)U(kuò)張區(qū)域可發(fā)展為糧食生產(chǎn)基地。

數(shù)量結(jié)構(gòu)上，規(guī)劃后的水田面積所占比重最大，占研究區(qū)總面積的46.08%；其次為林業(yè)用地，占研究區(qū)總面積的34.03%；第三為建設(shè)用地，占研究區(qū)總面積的13.18%。規(guī)劃后的用地結(jié)構(gòu)相對(duì)較合理，符合老撾以農(nóng)業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)發(fā)展特色，有利于發(fā)揮水稻種植等產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，生態(tài)用地比例較高，通過規(guī)劃提升現(xiàn)有林業(yè)用地的質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)價(jià)值，能夠營(yíng)造該區(qū)域良好的生活環(huán)境；此外，適當(dāng)擴(kuò)充建設(shè)用地規(guī)模，為經(jīng)濟(jì)特區(qū)建設(shè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展提供空間，有利于促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提高。

另外，通過土地利用空間優(yōu)化配置結(jié)果的三維可視化表達(dá)，能夠更直觀地指導(dǎo)微觀的用地決策和設(shè)施布局，從而為各類規(guī)劃銜接，以及進(jìn)一步為凱山豐威漢市的城市建設(shè)和城市服務(wù)職能的發(fā)揮提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

本研究將適宜性分析、數(shù)量?jī)?yōu)化和空間優(yōu)化三者結(jié)合，基于GIS空間分析技術(shù)、Logistic回歸分析方法以及CLUE-S模型，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)土地資源的優(yōu)化配置，為精準(zhǔn)地控制用地布局、防止土地資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境破壞提供決策支持。

通過土地資源優(yōu)化配置，研究區(qū)建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地以現(xiàn)狀為基礎(chǔ)向自然和區(qū)位條件較好的區(qū)域擴(kuò)張，規(guī)模增加明顯。質(zhì)量較差的林業(yè)用地規(guī)模減少，得到更合理的利用，從而使各類用地質(zhì)量得到提升，土地利用效率顯著提高，同時(shí)有利于土地資源的有效管理。

優(yōu)化配置方案的三維可視化表達(dá)，有利于輔助進(jìn)行建設(shè)用地的建筑選址、產(chǎn)業(yè)布局、交通規(guī)劃、工程管線設(shè)施布局，以及農(nóng)業(yè)用地的灌溉排水設(shè)施布局等，為土地利用規(guī)劃向三維空間發(fā)展提供借鑒。

4.2 建 議

(1) 在對(duì)凱山豐威漢市林業(yè)用地、農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地進(jìn)行空間優(yōu)化布局的同時(shí)，需要兼顧生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。①將低矮稀疏的林業(yè)用地重新規(guī)劃為行道樹、防護(hù)林； ②從區(qū)域統(tǒng)籌的角度出發(fā)，在區(qū)域內(nèi)發(fā)展經(jīng)濟(jì)特區(qū)、糧食生產(chǎn)基地和生態(tài)保護(hù)的同時(shí)，在區(qū)域外其他適宜的地區(qū)實(shí)行退耕還林、植樹造林，地區(qū)間協(xié)同規(guī)劃； ③劃定嚴(yán)格的保護(hù)紅線，實(shí)施專項(xiàng)保護(hù)。通過以上措施，將現(xiàn)狀無序的林地轉(zhuǎn)換整合為以高大喬木為主的生態(tài)林，提高土地利用效益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的目的，促進(jìn)土地資源的有序管理和分區(qū)保護(hù)。

(2) 借鑒其他國(guó)家和地區(qū)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，建立健全規(guī)劃管理保障機(jī)制。隨著中國(guó)與“一帶一路”沿線國(guó)家的持續(xù)深入合作，中國(guó)經(jīng)濟(jì)特區(qū)和糧食生產(chǎn)基地的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)可以為老撾提供借鑒，同時(shí)結(jié)合凱山豐威漢市的發(fā)展現(xiàn)狀、特色、需求和未來發(fā)展目標(biāo)，在土地資源優(yōu)化配置研究的基礎(chǔ)上，合理布局經(jīng)濟(jì)特區(qū)、糧食生產(chǎn)基地和生態(tài)保護(hù)區(qū)，并建立健全規(guī)劃管理保障機(jī)制，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，真正發(fā)揮研究區(qū)作為老撾經(jīng)濟(jì)中心的優(yōu)勢(shì)。

(3) 利用區(qū)位優(yōu)勢(shì)發(fā)展經(jīng)濟(jì)特區(qū)，利用地形和水土資源優(yōu)勢(shì)發(fā)展水稻、咖啡、茶葉等綠色農(nóng)業(yè)和特色產(chǎn)業(yè)，布局灌溉排水設(shè)施和交通設(shè)施。通過農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)等產(chǎn)業(yè)的反哺作用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和機(jī)械化建設(shè)，改變部分地區(qū)原始的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、解放生產(chǎn)力，形成土地、產(chǎn)業(yè)、生產(chǎn)力之間相互促進(jìn)的良性發(fā)展模式，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。