基于GIS空間分析技術(shù)的城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界規(guī)劃方法研究

何春陽，賈克敬，徐小黎，李景剛，趙媛媛

（1.地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875；3.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035；4.中國水利水電科學(xué)研究院遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100044）

1 前言

2009年5月，國土資源部辦公廳下發(fā)《市縣鄉(xiāng)級土地利用總體規(guī)劃編制指導(dǎo)意見》的51號文件（以下簡稱“51號文件”），明確了要在市縣鄉(xiāng)級土地利用總體規(guī)劃中劃定城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界、城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界和禁止建設(shè)用地邊界，以保證城鄉(xiāng)建設(shè)用地的合理規(guī)劃布局，并提出了建設(shè)用地布局與空間管制規(guī)劃編制工作的具體要求?？茖W(xué)規(guī)劃城鄉(xiāng)建設(shè)用地三種邊界，既可從源頭上控制建設(shè)用地布局的范圍，加強(qiáng)對農(nóng)用地特別是耕地以及耕地之外的生態(tài)環(huán)境用地的保護(hù)力度，也能在一定程度上兼顧土地利用總體規(guī)劃的權(quán)威性和靈活性，增強(qiáng)土地利用總體規(guī)劃的科學(xué)性［1］，在當(dāng)前的土地利用總體規(guī)劃中具有重要的科學(xué)和積極的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，關(guān)于城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界和禁止建設(shè)用地邊界的劃定方法，已有不少研究［2-3］，但由于城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界的規(guī)劃理念提出較新，相關(guān)劃定方法的研究還比較薄弱。近年來，地理信息系統(tǒng)（GIS）由于其強(qiáng)大的空間地理數(shù)據(jù)管理、空間分析和可視化制圖功能在土地利用規(guī)劃工作中得到了比較廣泛的應(yīng)用［4-5］。本文根據(jù)51號文件，在理解和分析城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界、城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界和禁止建設(shè)用地邊界空間關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出基于GIS空間分析技術(shù)的定量直觀劃定城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界的方法。同時利用該方法，在城市擴(kuò)展明顯［6］、耕地?fù)p失嚴(yán)重［7］、區(qū)域生態(tài)環(huán)境比較脆弱［8-9］的北京地區(qū)進(jìn)行案例實(shí)踐，為當(dāng)前土地利用總體規(guī)劃中城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界的劃定提供參考。

2 研究方法

根據(jù)51號文件，應(yīng)當(dāng)在市縣鄉(xiāng)級土地利用總體規(guī)劃的規(guī)劃范圍內(nèi)確定城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界、城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界和禁止建設(shè)用地邊界3種邊界，規(guī)劃出允許建設(shè)區(qū)、有條件建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和禁止建設(shè)區(qū)4種區(qū)域。市縣鄉(xiāng)級土地利用總體規(guī)劃中3種邊界和4種區(qū)域的詳細(xì)定義可以參考51號文件，它們的空間關(guān)系如圖1。

鑒于文章篇幅和研究目的，首先假設(shè)圖1中城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界已經(jīng)確定，重點(diǎn)探討基于GIS空間分析方法的建設(shè)用地規(guī)模邊界劃定辦法。基本思路是在GIS空間分析技術(shù)的支持下，依據(jù)51號文件的規(guī)定并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H，選擇合適的評價指標(biāo)，進(jìn)行區(qū)域環(huán)境敏感性評價。在此基礎(chǔ)上，確定區(qū)域禁止建設(shè)用地邊界。然后進(jìn)一步評價區(qū)域建設(shè)用地適宜性，并在可擴(kuò)展建設(shè)用地總量的控制下，確定區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界。該方法主要包括評價區(qū)域綜合環(huán)境敏感性、劃定禁止建設(shè)區(qū)、評價建設(shè)用地適應(yīng)性、確定規(guī)模邊界外擴(kuò)展邊界內(nèi)可用建設(shè)用地?cái)?shù)量規(guī)模和確定建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界5個步驟（圖2）。

圖2 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界規(guī)劃流程圖Fig.2 Flow chart of the planning for the boundary of the construction land expansion

2.1 評價區(qū)域綜合環(huán)境敏感性

目前，區(qū)域綜合環(huán)境敏感性評價主要有加權(quán)計(jì)算和指數(shù)計(jì)算兩種方法。在實(shí)際應(yīng)用中，由于規(guī)劃區(qū)各評價因子對綜合環(huán)境敏感性的貢獻(xiàn)率很難確定，因此，通常情況下均采用指數(shù)計(jì)算法來進(jìn)行計(jì)算［5］。具體表示為：

式1中，SU為綜合環(huán)境敏感性指數(shù)；CUi為因素i敏感性等級值；n為因子個數(shù)［10］。

2.2 劃定區(qū)域禁止建設(shè)區(qū)

禁止建設(shè)區(qū)邊界的確定，可在區(qū)域綜合環(huán)境敏感性評價的基礎(chǔ)上，采用“一票否決”的方法。具體來講，如果環(huán)境敏感性評價中某一因子標(biāo)定為高度敏感區(qū)需要保護(hù)，可以依據(jù)式2，對各因子高度敏感區(qū)取“并”的集合，劃定在禁止建設(shè)區(qū)內(nèi)［5］。

式2中，D為禁止建設(shè)區(qū)用地范圍；ΔUi為規(guī)劃區(qū)環(huán)境敏感性評價中因子i標(biāo)定的高度敏感區(qū)；n為環(huán)境敏感性評價中的因子個數(shù)。

2.3 評價區(qū)域建設(shè)用地適宜性

與綜合環(huán)境敏感性相同，目前，建設(shè)用地適宜性評價也主要有加權(quán)計(jì)算和指數(shù)計(jì)算兩種方法。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮各評價因子的貢獻(xiàn)率很難確定，通常情況下均采用指數(shù)計(jì)算法來進(jìn)行計(jì)算［5］。具體表示為：

式3中，SE為建設(shè)用地適宜性指數(shù)；CEi為因子i適宜性等級值；n為因子個數(shù)［11］。

2.4 確定規(guī)模邊界外擴(kuò)展邊界內(nèi)可用建設(shè)用地規(guī)模

要合理地劃定建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界，首先應(yīng)該合理確定規(guī)模邊界外擴(kuò)展邊界內(nèi)的可用建設(shè)用地規(guī)模。目前主要有兩類方法。一是差值法，即根據(jù)規(guī)劃區(qū)建設(shè)用地歷史增加數(shù)據(jù)，利用趨勢分析法、線性回歸法、指數(shù)平滑法等方法［12-13］推算規(guī)劃期內(nèi)建設(shè)用地面積的可能增加值，將該增加值與目前實(shí)際規(guī)劃的規(guī)模邊界內(nèi)的新增建設(shè)用地總量的差值作為規(guī)模邊界外擴(kuò)展邊界內(nèi)的可用建設(shè)用地總量。二是情景分析法，即依據(jù)目前規(guī)劃的建設(shè)用地規(guī)模邊界內(nèi)的建設(shè)用地總量，根據(jù)建設(shè)用地的可能增加趨勢，人為確定一定比例的后備新增建設(shè)用地?cái)?shù)量來作為規(guī)模邊界外擴(kuò)展邊界內(nèi)的用地?cái)?shù)量，具體表示為：

式4中，SC為建設(shè)用地規(guī)模邊界外擴(kuò)展規(guī)劃邊界內(nèi)的建設(shè)用地?cái)?shù)量；SB為規(guī)劃期內(nèi)規(guī)模邊界內(nèi)的建設(shè)用地總量；α為規(guī)劃制定者劃定的情景比例，如5％、8％、10％等。

2.5 確定建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界

在前4步的基礎(chǔ)上，依據(jù)土地供求平衡原理，從宏觀用地總量需求和微觀土地供給相平衡的角度出發(fā)，以建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界內(nèi)建設(shè)用地總量為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)，從滿足局部建設(shè)用地適宜性最大和區(qū)域環(huán)境敏感性最低的角度完成擴(kuò)展邊界內(nèi)建設(shè)用地的空間分配，從而劃定城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)展邊界。具體來講，可以土地單元（x，y）轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的概率P（x，y）高低作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，在空間上由高到低依次分配建設(shè)用地規(guī)劃的擴(kuò)展用地［14］。P（x，y）可具體表示為：

式5中，P（x，y）為土地單元（x，y）轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的概率；SE（x，y）為由式3計(jì)算得到的土地單元（x，y）的建設(shè)用地適宜性；SU（x，y）為由式1計(jì)算得到的土地單元（x，y）的環(huán)境綜合敏感性。

3 北京城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界劃定的模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

由于本文主要介紹城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界的劃定方法，并不是一項(xiàng)實(shí)際的城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)劃工作，所以選擇具有一定研究基礎(chǔ)［15］、數(shù)據(jù)資料較為完整的北京地區(qū)作為模擬實(shí)驗(yàn)區(qū)來驗(yàn)證該方法。實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)15中已經(jīng)整理好的數(shù)字化數(shù)據(jù)、遙感分類數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)范圍涵蓋北京市8個區(qū)縣級行政單元，總面積為16410.54km2，同時假定來自于文獻(xiàn)中基于Landsat TM遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率為30m的北京2004年土地利用現(xiàn)狀圖［15-16］中建設(shè)用地邊界為目前規(guī)劃的建設(shè)用地規(guī)模邊界，重點(diǎn)探討北京建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界確定方法。

3.2 區(qū)域環(huán)境綜合敏感性評價

針對北京土地利用中的主要環(huán)境問題［15］，本文共選取水源保護(hù)區(qū)敏感性、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)敏感性和地形條件敏感性等3個指標(biāo)，采用GIS空間分析方法對北京市環(huán)境綜合敏感性進(jìn)行定量評價。圖3（a）、（b）和（c）是區(qū)域水源保護(hù)區(qū)敏感性、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)敏感性和地形條件敏感性評價結(jié)果，圖3（d）是區(qū)域環(huán)境綜合敏感性評價結(jié)果。

3.3 區(qū)域禁止建設(shè)用地劃分

依據(jù)式2，在建設(shè)用地規(guī)模邊界外，分別提取圖3（a）、（b）和（c）中水源涵養(yǎng)區(qū)的高度敏感區(qū)、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)的高度敏感區(qū)和地形條件的高度敏感區(qū)，劃定北京市禁止建設(shè)區(qū)（圖4）。

3.4 區(qū)域建設(shè)用地適宜性評價

綜合區(qū)域特點(diǎn)和數(shù)據(jù)可獲取性，主要選取城鄉(xiāng)建設(shè)用地通達(dá)性和交通干線通達(dá)性2個指標(biāo)，利用式3來評價區(qū)域建設(shè)用地適宜性。城鄉(xiāng)建設(shè)用地通達(dá)性、交通干線通達(dá)性和區(qū)域建設(shè)用地適宜性綜合評價結(jié)果見圖5（a）、（b）和（c）。

3.5 區(qū)域建設(shè)用地規(guī)模邊界外擴(kuò)展邊界內(nèi)的建設(shè)用地總量確定

首先出于簡化計(jì)算過程的考慮，以基于遙感數(shù)據(jù)的北京市2004年土地利用圖為基礎(chǔ)，得到假定的區(qū)域建設(shè)用地規(guī)模邊界內(nèi)建設(shè)用地總量為2426.89km2［16］。然后采用式4，分別設(shè)定5％、8％和10％三種后備建設(shè)用地增加情景，得到各情景下建設(shè)用地規(guī)模邊界外擴(kuò)展邊界內(nèi)的建設(shè)用地總量分別為121.34km2、194.15km2和242.69km2。

3.6 確定區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界

利用式5，首先得到規(guī)劃期內(nèi)非建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移概率。然后以轉(zhuǎn)移概率為基礎(chǔ)，從高到低依次進(jìn)行分配得到建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界內(nèi)的可用建設(shè)用地，直到滿足不同情景下擴(kuò)展邊界內(nèi)的可用建設(shè)用地總量為止（圖6）。從圖6可以看出，規(guī)劃的建設(shè)用地彈性邊界主要分布于北京市東部平原區(qū)建設(shè)用地適宜性較高、綜合敏感性較低的區(qū)域，尤其是順義、平谷、通州、大興等區(qū)縣，六環(huán)線、京石高速、京開高速、京津塘高速、京沈高速及順義—平谷聯(lián)絡(luò)線等重要交通干線的兩側(cè)，與北京2004—2020年城市總體規(guī)劃中確定的“兩軸—兩帶—多中心”的城市布局基本吻合，具有一定的合理性。

4 結(jié)論和討論

本文發(fā)展了一種基于GIS空間分析技術(shù)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界劃分方法。在利用數(shù)學(xué)模型定量確定建設(shè)用地規(guī)模邊界外擴(kuò)展邊界內(nèi)建設(shè)用地總量的基礎(chǔ)上，充分利用GIS的空間分析功能，綜合考慮區(qū)域環(huán)境敏感性和建設(shè)用地適宜性，可以“自下而上”、直觀定量地確定區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界。北京的模擬實(shí)驗(yàn)表明，該方法具有一定的可靠性。如果能夠?qū)⑦@種方法確定的區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界與以區(qū)域地形地貌、河流等自然邊界和交通、綠化隔離帶等人工邊界定性確定的區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界綜合起來，進(jìn)一步綜合完善，將會明顯提高當(dāng)前土地利用總體規(guī)劃中建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界劃分的科學(xué)性。

需要說明的是，由于研究目的和篇幅限制，本文在假設(shè)城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，討論了城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展邊界的劃分方法，僅在于為當(dāng)前土地利用總體規(guī)劃提供方法參考。方法中的不足之處，還有賴于讀者在實(shí)際使用過程中進(jìn)一步改進(jìn)和完善。同時本文以北京為例進(jìn)行實(shí)證研究，實(shí)質(zhì)上是以驗(yàn)證方法可靠性為目的的模擬研究，得到的結(jié)果并不是實(shí)際的規(guī)劃方案，這是在研讀本文時應(yīng)該注意的問題。

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