基于GIS技術(shù)的城市土地利用適宜性評價研究

張博航

（西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院 云南昆明 650224）

土地利用適宜性評價最早可追溯到20世紀(jì)初，其起源于美國景觀設(shè)計師進(jìn)行的基于土地評價的景觀設(shè)計實(shí)踐［1］。1976年，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）制定并頒布了《土地評價綱要》，提出從適宜性角度對土地進(jìn)行定級，為土地利用規(guī)劃服務(wù)。隨后，世界各國參照這一綱要建立了各自的土地評價體系，廣泛開展土地適宜性評價［2-4］。

目前，土地利用適宜性評價技術(shù)方法主要有模糊數(shù)學(xué)概念模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及物元分析法等［5-7］。盡管目前土地利用適宜性評價研究取得了豐富成果，但仍未形成統(tǒng)一和公認(rèn)的評價方法?；诖耍疚闹荚谔剿鳂?gòu)建基于GIS技術(shù)的土地利用適宜性評價的模型與方法，并以湖北省崇陽縣為實(shí)證研究對象，以期為深化土地利用適宜性評價技術(shù)方法研究提供參考和借鑒。

1 評價模型和方法

根據(jù)城市“人—地”復(fù)合系統(tǒng)理論，城市土地利用適宜性評價需要從“人”和“地”兩個方面進(jìn)行，其中，“人”的方面主要包括經(jīng)濟(jì)社會子系統(tǒng)及其評價因子，“地”的方面主要包括生態(tài)子系統(tǒng)及其評價因子。城市土地利用適宜性等級決定于其自然生態(tài)因子和經(jīng)濟(jì)社會因子的多元耦合，可以看作是自然生態(tài)適宜性等級和經(jīng)濟(jì)社會適宜性等級的和，即有：

式中，S是土地利用適宜性等級，Sn是生態(tài)適宜性等級，Ses是經(jīng)濟(jì)社會適宜性等級。經(jīng)濟(jì)社會適宜性等級Ses可利用線性加權(quán)和法進(jìn)行計算，而生態(tài)適宜性等級Sn可以看作是生態(tài)敏感性等級的反方向結(jié)果，即空間單元的生態(tài)敏感性越高，則其開發(fā)的適宜性就越低，因此，可以利用生態(tài)敏感性評價結(jié)果而得到自然生態(tài)的適宜性等級值，公式如下：

式中：Sn是自然生態(tài)適宜性等級；K是所選用的常數(shù)，其值要根據(jù)研究所需進(jìn)行靈活選擇；Smg是生態(tài)敏感性值。上述模型綜合考慮了城市生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會3個子系統(tǒng)對土地利用的綜合適宜性，全面反映了城市“人—地”復(fù)合系統(tǒng)對土地利用適宜性的等級、水平和狀態(tài)，由此將能得到更為科學(xué)、系統(tǒng)、綜合的評價結(jié)果。進(jìn)一步，生態(tài)敏感性評價和經(jīng)濟(jì)社會適宜性評價可采用線性加權(quán)和法，公式為：

式中：S是生態(tài)敏感性或經(jīng)濟(jì)社會適宜性等級；xi是用于評價的指標(biāo)值；wi是指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重計算目前常用的是層次分析法。上述土地利用適宜性評價模型需要在GIS技術(shù)平臺上進(jìn)行計算。GIS技術(shù)是空間信息技術(shù)的典型代表，是計算機(jī)技術(shù)和空間數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用，是收集、儲存和分析地球上某一區(qū)域空間信息的系統(tǒng)，GIS具有的空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間建模、空間決策支持等技術(shù)可以為土地利用適宜性評價提供一個全面而高效的技術(shù)平臺。在具體評價時，每一個土地利用適宜性評價指標(biāo)都對應(yīng)GIS 中的一個空間數(shù)據(jù)圖層，利用GIS強(qiáng)大的空間分析功，能完成空間疊加分析，從而得到評價結(jié)果，由此為土地利用規(guī)劃決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 案例研究

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

本文以湖北省崇陽縣為案例研究區(qū)。崇陽縣位于湖北省南部，居湘、鄂、贛三省交界處，全縣土地總面積1959.33km2。遵循土地利用適宜性評價指標(biāo)體系構(gòu)建的系統(tǒng)性、科學(xué)性和數(shù)據(jù)可獲得性原則，考慮到崇陽縣生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的總體情況，研究選取地形、水體、土地利用、保護(hù)區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害等五大指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)敏感性分析，選取道路交通、建成區(qū)、人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會發(fā)展等五大指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)社會適宜性分析，同時，對一級指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，得到更為詳細(xì)與可實(shí)際測度的二級指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 崇陽縣土地利用適宜性評價指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)指標(biāo)體系，收集崇陽縣的各相關(guān)數(shù)據(jù)。崇陽縣的自然生態(tài)要素數(shù)據(jù)主要包括行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀和規(guī)劃數(shù)據(jù)等。經(jīng)濟(jì)社會數(shù)據(jù)主要包括各級各類道路數(shù)據(jù)、各個建成區(qū)的規(guī)模數(shù)據(jù)、各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)等。利用崇陽縣的遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)狀地形圖，得到崇陽縣的第一手矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)而在ARCGIS軟件平臺上建立崇陽縣的空間數(shù)據(jù)庫，由此為適宜性評價做好數(shù)據(jù)支撐。

2.2.1 生態(tài)敏感性指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

在ARCGIS中應(yīng)用重分類命令，將生態(tài)敏感性指標(biāo)根據(jù)不同等級分別賦值1、3、5、7、9，代表極低敏感、低敏感、中敏感、高敏感和極高敏感，值越大，表示指標(biāo)的生態(tài)敏感性越高。

在ARCGIS中，應(yīng)用崇陽縣的數(shù)字高程模型對地形因子進(jìn)行空間分析，坡度指標(biāo)按照0～5°、5°～10°、10°～20°、20°～30°、大于30°的標(biāo)準(zhǔn)，分別賦值1、3、5、7、9；高程指標(biāo)則按照0～100m、100～200m、200～300m、300～500m、大于500m 的標(biāo)準(zhǔn)，分別賦予1、3、5、7、9 的等級值。水體因子包括水庫、河流與坑塘等二級指標(biāo)，對3個二級指標(biāo)應(yīng)用多重緩沖區(qū)命令進(jìn)行不同距離的緩沖區(qū)分析，再基于不同的緩沖距離賦予不同的生態(tài)敏感性等級值，其中，水體本身賦予9，50m緩沖區(qū)內(nèi)賦予7，100m 緩沖區(qū)內(nèi)賦予5，200m 緩沖區(qū)內(nèi)賦予3，200m 緩沖區(qū)外則賦予1。土地利用根據(jù)地類的不同分別賦予不同的敏感性等級值，其中，灘涂、公益林和自然保留地均賦值9，基本農(nóng)田賦值7，林地賦值5，園地賦值3，其他用地賦值1。保護(hù)區(qū)包括國家級和省級兩類，保護(hù)區(qū)本體均賦值9，國家級保護(hù)區(qū)按照200m、500m、1000m 的距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，省級保護(hù)區(qū)按照100m、200m、500m 的距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，并分別賦予7、5、3、1的等級值。地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)中的高風(fēng)險區(qū)賦值7，中風(fēng)險區(qū)賦值5，低風(fēng)險區(qū)賦值1。

最后，在ARCGIS 中應(yīng)用矢量轉(zhuǎn)柵格工具，將所有指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率統(tǒng)一設(shè)為30m，再利用鑲嵌新柵格工具對地形、水體、土地利用、保護(hù)區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害5 個因子進(jìn)行空間疊加分析，從而得到最終的生態(tài)敏感性評價結(jié)果。在具體計算時，疊加方式要選取“取大疊加”方法，即對于同一個空間單元選取其不同指標(biāo)敏感性的最大值作為最終的評價等級，由此體現(xiàn)盡可能保護(hù)生態(tài)環(huán)境的理念。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)社會適宜性指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

在ARCGIS 中，根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會適宜性指標(biāo)等級，分別賦值1、3、5、7、9，代表極低適宜、低適宜、中適宜、高適宜和極高適宜，值越大，表明指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)社會適宜性越高。

在道路交通指標(biāo)處理上，將其細(xì)分為高速公路、國道和省道、縣道和鄉(xiāng)道等3 個二級指標(biāo)，其中，道路本身均賦值9，高速公路按照1000m、2000m、3000m 的距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，國道和省道按照500m、1000m、2000m 的距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，縣道和鄉(xiāng)道按照200m、500m、1000m的距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，并分別賦值7、5、3、1。建成區(qū)包括縣城中心城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)兩個二級指標(biāo)，其中，建成區(qū)本身均賦值9，中心城區(qū)按照1000m、2000m、3000m的距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，鄉(xiāng)鎮(zhèn)按照200m、500m、1000m的距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，并分別賦值7、5、3、1。人口規(guī)模按照各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口數(shù)量進(jìn)行分級，包括小于2 萬、2 萬～3 萬、3 萬～4 萬、4 萬～5 萬和大于5萬，分別賦值1、3、5、7、9。經(jīng)濟(jì)發(fā)展按照各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的總產(chǎn)值進(jìn)行分析，包括小于2億元、2億元～3億元、3億元～10億元、10億元～20億元和大于20億元，分別賦值1、3、5、7、9。社會發(fā)展按照各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人均收入進(jìn)行分級，包括小于1 萬元、1 萬元～1.2 萬元、1.2 萬元～1.4萬元、1.4萬元～1.7萬元和大于1.7萬元，分別賦值1、3、5、7、9。

最后，在ARCGIS中，將所有的指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率設(shè)置為30m，再應(yīng)用ARCGIS的柵格計算器工具對經(jīng)濟(jì)社會適宜性指標(biāo)進(jìn)行空間疊加分析。道路交通的3個二級指標(biāo)、建成區(qū)的2個二級指標(biāo)分別進(jìn)行等權(quán)疊加，從而得到道路交通和建成區(qū)的適宜性等級值。利用層次分析法，計算道路交通、建成區(qū)、人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會發(fā)展5個指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而根據(jù)式（3）應(yīng)用柵格計算器得到最終的經(jīng)濟(jì)社會適宜性等級值。

2.2.3 綜合集成處理

首先，在ARCGIS 中，應(yīng)用柵格計算器工具對最終的生態(tài)敏感性和經(jīng)濟(jì)社會適宜性等級數(shù)據(jù)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，方法采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法，標(biāo)準(zhǔn)化后的等級值均處于0～1之間。其次，根據(jù)式（2），應(yīng)用柵格計算器工具計算生態(tài)適宜性等級，由于生態(tài)敏感性等級已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化到0～1之間，因此，K取1，由此得到生態(tài)適宜性等級值。最后，根據(jù)式（1），應(yīng)用柵格計算器工具對生態(tài)適宜性和經(jīng)濟(jì)社會適宜性進(jìn)行綜合集成，從而得到崇陽縣最終的土地利用適宜性評價等級值。

2.3 評價結(jié)果分析

根據(jù)評價結(jié)果，研究把崇陽縣土地利用劃分為四類適宜性分區(qū)，即最不適宜區(qū)、較不適宜區(qū)、較適宜區(qū)和最適宜區(qū)。

最不適宜區(qū)的面積為772.91km2，占縣域總面積的39.45%，主要包括河流、水庫、保護(hù)區(qū)等生態(tài)空間，由此構(gòu)成了崇陽縣的禁止開發(fā)區(qū)和生態(tài)空間，其是剛性的生態(tài)控制線，是永久不能進(jìn)行城鎮(zhèn)化、工業(yè)化開發(fā)建設(shè)的生態(tài)紅線地區(qū)。

較不適宜區(qū)主要分布在最不適宜區(qū)的周邊地區(qū)，如保護(hù)區(qū)、水體的核心緩沖區(qū)等，同時還包括基本農(nóng)田和一般農(nóng)用地如園地等。較不適宜區(qū)的面積為987.75km2，占縣域總面積的50.41%。較不適宜區(qū)應(yīng)作為限制開發(fā)區(qū)域，是一種生態(tài)緩沖區(qū)域，可以在嚴(yán)格條件下進(jìn)行適度開發(fā)建設(shè)。

較適宜區(qū)主要是最適宜區(qū)的周邊地區(qū)，主要包括建成區(qū)的周圍、主要交通干線的周圍等，在空間上主要呈現(xiàn)出斑塊狀的分布形態(tài)。較適宜區(qū)的面積共75.72km2，占縣域總面積的3.86%。較適宜區(qū)是一種建設(shè)用地的備選空間，一般情況下，不宜首先開發(fā)使用，應(yīng)優(yōu)先開發(fā)最適宜區(qū)的空間。

最適宜區(qū)的面積為122.95km2，占縣域總面積的6.28%，主要包括中心城區(qū)和主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建成區(qū)、重要交通干線及其核心緩沖區(qū)等，在空間上，以中心城區(qū)為核心形成了適宜性空間集聚帶，同時，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建成區(qū)及其周邊地區(qū)也構(gòu)成了縣域空間中的多個適宜性集中區(qū)。這些最適宜的空間必將成為崇陽縣城鎮(zhèn)化發(fā)展的主陣地，可以集聚更多的產(chǎn)業(yè)和人口，由此形成崇陽縣的主體城鎮(zhèn)空間。

3 結(jié)語

研究構(gòu)建了基于“生態(tài)—經(jīng)濟(jì)—社會”三位一體的土地利用適宜性綜合評價模型及其技術(shù)方法，通過對生態(tài)敏感性評價和經(jīng)濟(jì)社會適宜性評價的有機(jī)綜合和系統(tǒng)集成，將能得到更科學(xué)、更全面的評價結(jié)果。在GIS技術(shù)的支持下，應(yīng)用評價模型和方法，完成了崇陽縣土地利用適宜性的綜合系統(tǒng)評價，將全縣土地利用適宜性等級劃分為最不適宜區(qū)、較不適宜區(qū)、較適宜區(qū)和最適宜區(qū)4個等級，明確了哪些地區(qū)可以開發(fā)、哪些地區(qū)不可以開發(fā)，由此為崇陽縣土地利用規(guī)劃和開發(fā)管控提供了科學(xué)的決策依據(jù)。