基于數(shù)學(xué)模型的城市生態(tài)分區(qū)構(gòu)建研究

宋飛科

（咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 712000）

生活、生態(tài)與生產(chǎn)目標(biāo)之間協(xié)同與權(quán)衡的健康發(fā)展，需要建立在有效的土地類型轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上，綜合分析生態(tài)用地、城市發(fā)展用地及糧食支撐耕地等土地類型的使用需求、基本保障，提出可靠性較高的城市生態(tài)分區(qū)建設(shè)方案[1]。目前，部分城市提出生態(tài)分區(qū)建設(shè)方案缺少生態(tài)環(huán)境適宜性的評(píng)價(jià)，導(dǎo)致生態(tài)安全性較差，帶來了一些自然災(zāi)害[2-3]。為了有序推進(jìn)城市生態(tài)分區(qū)建設(shè)，本文嘗試采用數(shù)學(xué)模型分析法，根據(jù)生態(tài)分區(qū)構(gòu)建需求，開發(fā)一套基于數(shù)學(xué)模型的城市生態(tài)分區(qū)構(gòu)建應(yīng)用方案，為城市生態(tài)分區(qū)構(gòu)建策略的擬定提供參考依據(jù)。

1 城市生態(tài)分區(qū)研究架構(gòu)

本研究以生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)作為架構(gòu)構(gòu)建核心，選取CA-Markov模型作為研究工具，采取動(dòng)態(tài)變化模擬分析的方式，分析土地利用類型在不同規(guī)劃方案下的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合城市總體規(guī)劃目標(biāo)，明確城市土地未來建設(shè)方向[4]。按照此方向，劃分城市生態(tài)區(qū)域，并設(shè)定管控等級(jí)。本研究方法選取影響主城區(qū)生態(tài)安全的因素作為研究因子，而后采用層次分析法，劃分各個(gè)因素之間的層次結(jié)構(gòu)，經(jīng)過空間疊置處理得到生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)體系。利用該體系對(duì)生態(tài)分區(qū)管控等級(jí)進(jìn)行劃分，并對(duì)劃分結(jié)果給予評(píng)價(jià)。其中，涉及到的影響因子主要有3個(gè)，分別是生物多樣性保護(hù)、自然災(zāi)害預(yù)警與人為活動(dòng)干擾。城市生態(tài)分區(qū)研究架構(gòu)如圖1所示。

圖1中，生物多樣性保護(hù)因子中包含3項(xiàng)因素，分別是生境質(zhì)量、植被覆蓋度與土地利用；自然災(zāi)害預(yù)警保護(hù)因子中包含4項(xiàng)因素，分別是土壤類型、坡度、高程與自然匯流；人為活動(dòng)干擾因子中包含2項(xiàng)因素，分別是人口密度和道路干擾范圍。將生物多樣性保護(hù)、自然災(zāi)害預(yù)警與人為活動(dòng)干擾3個(gè)因子組合到一起，構(gòu)建生態(tài)適宜性分析與評(píng)價(jià)體系。與此同時(shí)，收集2010年、2021年土地利用資料，結(jié)合2030年土地利用規(guī)劃資料，按照合理性判斷標(biāo)準(zhǔn)，將城市生態(tài)分區(qū)劃分為2部分，分別是合理轉(zhuǎn)化區(qū)域和不合理轉(zhuǎn)化區(qū)域。根據(jù)2部分區(qū)域特點(diǎn)，引入CA-Markov模型，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬與演變分析，作為生態(tài)分區(qū)參考依據(jù)。綜合考慮生態(tài)適宜性分析與評(píng)價(jià)結(jié)果、CA-Markov模型動(dòng)態(tài)模擬與演變分析結(jié)果、城市建設(shè)發(fā)展目標(biāo)，完成城市生態(tài)分區(qū)，形成4種類型，分別是禁止開發(fā)區(qū)、適度開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)及建成區(qū)。

圖1 城市生態(tài)分區(qū)研究架構(gòu)

2研究方法

2.1城市生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)

本研究嚴(yán)格按照客觀性、整體性和有效性等多項(xiàng)評(píng)價(jià)要求，合理選取城市生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，劃分層次結(jié)構(gòu)，并為指標(biāo)層的各個(gè)因素賦予權(quán)重，得到城市生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)與權(quán)重，見表1。

表1 城市生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)與權(quán)重

本評(píng)價(jià)體系以生態(tài)適宜性作為系統(tǒng)層，選擇人為活動(dòng)干擾、自然災(zāi)害預(yù)警與生物多樣性保護(hù)作為主要研究指標(biāo)，布設(shè)在準(zhǔn)則層。而后將這3項(xiàng)研究指標(biāo)拆分為多個(gè)詳細(xì)的評(píng)價(jià)因素，得到指標(biāo)層評(píng)價(jià)因素。經(jīng)過多名專家的共同研討，為各個(gè)評(píng)價(jià)因素賦予權(quán)重。

2.2土地類型動(dòng)態(tài)模擬及演變數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建及應(yīng)用方法

本研究將Markov模型（支持時(shí)間動(dòng)態(tài)條件下的預(yù)測(cè)）與CA模型（支持復(fù)雜空間條件下的動(dòng)態(tài)演化）結(jié)合到一起，形成CA-Markov模型。關(guān)于CA模型中元胞數(shù)量的轉(zhuǎn)化，運(yùn)用本模型中Markov結(jié)構(gòu)中的土地類型轉(zhuǎn)移概率矩陣求解，以數(shù)量、空間作為模擬分析突破口，完成土地利用時(shí)空模擬分析。根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整土地空間布局方案。本文構(gòu)建的CA-Markov模型，用來對(duì)不同城區(qū)的土地類型變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬與演變分析，獲取不同土地利用方案執(zhí)行下的土地生態(tài)變化趨勢(shì)模擬結(jié)果，對(duì)生態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化幫助較大。以下為CAMarkov模型的應(yīng)用方法。

第一步：創(chuàng)建基本單元網(wǎng)格。采用數(shù)據(jù)柵格化方法，對(duì)兩期土地加以處理。為了掌握某類型數(shù)據(jù)在特定時(shí)間段內(nèi)的速度變化情況，以基本單元網(wǎng)格作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的面積變化率，觀察速度變化特點(diǎn)，并加以分析。以下為動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式

式中：S代表單位網(wǎng)格面積，m2；T代表時(shí)間間隔年份；Sib代表類型為ib的土地在研究末期的面積，m2；Sia代表類型為ia的土地在研究初期的面積，m2；IR代表某段固定時(shí)間內(nèi)研究區(qū)域的單一土地利用類型的變化速度，簡(jiǎn)稱為動(dòng)態(tài)度，%。

第二步：創(chuàng)建轉(zhuǎn)移矩陣模型。利用該矩陣明確土地利用的方向與結(jié)構(gòu)，為了加深對(duì)土地利用空間結(jié)構(gòu)的分析，本研究引入空間疊加分析法，運(yùn)行Statistics功能，獲取各個(gè)類型土地之間的轉(zhuǎn)化面積。接下來，運(yùn)用Markov模型，疊加2010、2021年土地利用現(xiàn)狀類型，獲取土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣，該矩陣的計(jì)算結(jié)果將作為適應(yīng)性分析依據(jù)，以圖集MCE方式展示。關(guān)于2030年土地利用狀況的預(yù)測(cè)，選取CA模型作為研究工具，通過運(yùn)行5×5鄰近濾波器處理土地利用相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過14周的循環(huán)，獲取預(yù)測(cè)結(jié)果。

第三步：檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過運(yùn)行CA-Markov模型，對(duì)2030年土地利用狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，如果Kappa系數(shù)大于0.80，則認(rèn)為土地利用合理。模擬結(jié)果顯示，Kappa系數(shù)為0.86，該數(shù)值大于0.80，符合數(shù)據(jù)使用要求。

3 基于數(shù)學(xué)模型的城市生態(tài)分區(qū)構(gòu)建研究

3.1 區(qū)域概況

本研究區(qū)域總面積16 391 km2，位于山西省中部。其中，主城區(qū)集交通中心、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與政治建設(shè)為一體，是城市建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，此部分區(qū)域面積為1 328 km2。城市地勢(shì)呈現(xiàn)階梯狀分布，東部偏高，西部偏低，以平川、丘陵和山地3種土地類型為主。其中，東部分布著較多林木，森林資源較為豐富?？傮w來看，該城市海拔位于700～1 700 m之間，四季變化較為顯著，屬于雨熱同期氣候。

由于該城市與所在省份的其他城市資源經(jīng)濟(jì)類型相似，皆存在較為顯著的粗放式工業(yè)發(fā)展問題，對(duì)城市生態(tài)造成了嚴(yán)重影響。從幾年的發(fā)展?fàn)顩r來看，城區(qū)消耗較高，產(chǎn)出很低，獲取的效益也很低。在未來的9年計(jì)劃中，以“生態(tài)之城”作為城市建設(shè)目標(biāo)。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本研究遙感數(shù)據(jù)來自Landsat8 OLI衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品采集獲取，取2010年10月、2021年6月數(shù)據(jù)作為分析支撐。另外，本研究還涉及很多類型數(shù)據(jù)，主要來源為：①生境數(shù)據(jù)，通過運(yùn)行INVEST生態(tài)系統(tǒng)中的服務(wù)評(píng)估模型獲取；②人口數(shù)據(jù)，通過開展第七次人口普查獲?。虎弁寥罃?shù)據(jù)，通過挖掘1∶10萬(wàn)數(shù)字地貌數(shù)據(jù)庫(kù)獲??；④高程信息，通過挖掘GDEMDEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲取。

本研究根據(jù)土地利用特點(diǎn)，運(yùn)行遙感圖像處理平臺(tái)處理影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過一番拉伸、糾正、邊緣強(qiáng)化及剪裁處理，得到可靠性較高的數(shù)據(jù)信息。接下來，選擇目視解譯、監(jiān)督分類作為研究工具，將2種工具結(jié)合到一起協(xié)同作業(yè)，提取地類空間信息，并將其劃分為6種類型，分別是未分類用地、耕地、林地、水域和建設(shè)用地。為了保證本研究的遙感解譯符合通用標(biāo)準(zhǔn)，通過隨機(jī)抽樣檢驗(yàn)得知，數(shù)據(jù)正確率在84.4%以上，符合研究標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 城區(qū)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)

本研究以人為活動(dòng)干擾、自然災(zāi)害預(yù)警、生物多樣性保護(hù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用多因子疊加方法，分別對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)中詳細(xì)因素的生態(tài)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。從總體來看，該城區(qū)的生態(tài)適宜性較差，能夠達(dá)到高等級(jí)評(píng)價(jià)的城區(qū)占比非常小，大部分區(qū)域?qū)儆谥械燃耙韵略u(píng)價(jià)區(qū)域，需要對(duì)城市土地利用轉(zhuǎn)化管控給予高度重視。為了有效落實(shí)生態(tài)分區(qū)管理工作，需要針對(duì)不同類型土地利用矛盾問題，以恢復(fù)生態(tài)自然為首要工作，以保護(hù)生態(tài)自然為前提，對(duì)人類活動(dòng)加以限制，從而盡可能減少對(duì)低敏感區(qū)域的破壞。例如，城市建成區(qū)邊緣地帶、淺山地帶，必須適當(dāng)開發(fā)，同時(shí)開展一些生態(tài)修復(fù)作業(yè)。

3.3.2 城區(qū)土地利用轉(zhuǎn)化

運(yùn)用本研究設(shè)計(jì)的城市土地利用轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)研究區(qū)域的土地利用轉(zhuǎn)化情況展開統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，結(jié)果見表2。其中，城市研究土地類型包括建設(shè)用地、林地、耕地、未分類、草地與河流水域。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為2021年土地利用面積，預(yù)測(cè)指標(biāo)為2030年土地利用面積，說明內(nèi)容為主要土地轉(zhuǎn)換情況。

表2 城市土地利用轉(zhuǎn)化與預(yù)測(cè)結(jié)果

從總體來看，本研究區(qū)域2021—2030年土地的變化中，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，主要來自耕地的轉(zhuǎn)化，而草地、林地2種土地類型變化的時(shí)序性差異較為顯著，未分類用地與耕地隨著時(shí)間的推移逐漸減少。

4 城市生態(tài)分區(qū)及土地用途管控等級(jí)

本研究根據(jù)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合城市土地利用狀況預(yù)測(cè)結(jié)果、城市規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)，對(duì)主城區(qū)的生態(tài)區(qū)域加以劃分，并為各個(gè)區(qū)域賦予管控等級(jí)，城市區(qū)域劃分的依據(jù)為土地需求，在現(xiàn)有城市生態(tài)建設(shè)規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行劃分，保證城市生活空間分配、生產(chǎn)地區(qū)分配與生態(tài)區(qū)域保護(hù)等分配合理。

本劃分方案，將城市生態(tài)區(qū)域及管控等級(jí)劃分為4個(gè)，分別為禁止開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)、適度開發(fā)區(qū)和建成區(qū)，本文將對(duì)這4個(gè)管控等級(jí)區(qū)域的城市生態(tài)組成及建設(shè)加以論述。

（1）禁止開發(fā)區(qū)。該區(qū)域的總面積為488.7 km2，占主城區(qū)面積的比例為36.8%。區(qū)域土地組成以自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、林地、水土流失保護(hù)區(qū)及濕地為主，是城區(qū)資源重要保護(hù)區(qū)域，對(duì)城市生態(tài)屏障的保護(hù)影響較大，需要加強(qiáng)土地利用管控，禁止建設(shè)開發(fā)活動(dòng)在此部分區(qū)域?qū)嵤?。另外，需要加大此部分區(qū)域的生態(tài)保護(hù)，以提高水土保護(hù)能力為建設(shè)目標(biāo)，適當(dāng)增加林木生態(tài)工程的建設(shè)，增加生態(tài)物種類型，同時(shí)加強(qiáng)水體凈化，引入現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，構(gòu)建生態(tài)服務(wù)平臺(tái)。通過運(yùn)行該平臺(tái)，掌握區(qū)域生態(tài)服務(wù)狀態(tài)，及時(shí)為生態(tài)服務(wù)問題的處理給予指導(dǎo)方向。

（2）限制開發(fā)區(qū)。該區(qū)域的總面積為407.7 km2，占主城區(qū)面積的比例為30.7%。此部分區(qū)域與禁止開發(fā)區(qū)不同，屬于生態(tài)用地緩沖區(qū)域。由于土地比較脆弱，容不得外界對(duì)生態(tài)環(huán)境造成干擾，所以可能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響的項(xiàng)目都不可以在此區(qū)域開發(fā)。根據(jù)本地區(qū)實(shí)際情況，選取一些提升生態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)力項(xiàng)目作為考慮對(duì)象，在不會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)造成影響的前提下，開展局部項(xiàng)目建設(shè)，同時(shí)做好生態(tài)保護(hù)工作。

（3）適度開發(fā)區(qū)。該區(qū)域的總面積為203.2 km2，占主城區(qū)面積的比例為15.3%。此部分區(qū)域分布大量地表徑流，屬于中敏感區(qū)域，可以適當(dāng)開發(fā)，但是需要綜合考慮自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題。通過多項(xiàng)影響因素評(píng)價(jià)分析，判斷某項(xiàng)目的建設(shè)是否會(huì)對(duì)此區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成影響。如果造成影響超過了生態(tài)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，則不可以在此區(qū)域開發(fā)此類項(xiàng)目。另外，該區(qū)域作為城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局重要調(diào)整區(qū)域，應(yīng)該以生態(tài)產(chǎn)業(yè)建設(shè)、生態(tài)廊道建設(shè)為主。由于城區(qū)生態(tài)環(huán)境隨著建設(shè)的影響發(fā)生變化，所以該區(qū)域的劃分與建設(shè)方案需要根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)作出調(diào)整。

（4）建成區(qū)。該區(qū)域的總面積為228.4 km2，占主城區(qū)面積的比例為17.2%。此部分區(qū)域?qū)儆谌祟惿罘秶?，雖然該區(qū)域支持城市多類項(xiàng)目建設(shè)，但是并非完全沒有限制，仍然需要以城市生態(tài)建設(shè)為主，在盡可能降低對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響的情況下擴(kuò)展產(chǎn)業(yè)。通過合理控制人口規(guī)模，根據(jù)生態(tài)產(chǎn)業(yè)建設(shè)要求，嚴(yán)格控制產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并對(duì)新興產(chǎn)業(yè)的建設(shè)加以嚴(yán)格審核，以此改善城市生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞城市生態(tài)分區(qū)與建設(shè)問題展開研究，與以往研究不同的是借助數(shù)學(xué)模型加以深入探究，使得城市生態(tài)分區(qū)更加詳細(xì)準(zhǔn)確。本次研究以CA-Markov模型作為研究工具，對(duì)某區(qū)域的土地利用類型的演變加以模擬預(yù)測(cè)，獲取2030年土地利用狀況預(yù)測(cè)結(jié)果。此部分結(jié)果作為未來城市生態(tài)分區(qū)建設(shè)規(guī)劃依據(jù)，并提出一些規(guī)劃建議，希望對(duì)城市生態(tài)分區(qū)建設(shè)有所幫助。