基于GIS的城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性時(shí)空演變特征分析——以湖北省武漢市為例

楊璟旎，方 然

（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079）

我國進(jìn)入快速城市化發(fā)展階段以來，城市用地盲目擴(kuò)張，不僅造成土地資源浪費(fèi)，而且造成城市及其周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞，如何科學(xué)合理地確定城鎮(zhèn)建設(shè)和保護(hù)范圍，成為土地學(xué)科研究的重點(diǎn)。我國在“十一五”規(guī)劃中提出了主體功能區(qū)劃，將區(qū)域空間劃分為重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、優(yōu)化開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)和禁止開發(fā)區(qū);在城鎮(zhèn)區(qū)域總體規(guī)劃中，將土地空間劃分為已建區(qū)、適建區(qū)、限建區(qū)和禁建區(qū)［1］。而遙感技術(shù)宏觀、快速、準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，以及越來越高的分辨率和越來越短的重復(fù)觀測周期，正好適應(yīng)了城市變化快速、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)［2］。因此，利用遙感與GIS技術(shù)研究城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性時(shí)空演變特征，對提高土地利用綜合效益具有重要實(shí)用價(jià)值，其結(jié)果能為土地規(guī)劃、城市規(guī)劃等提供依據(jù)，尤其是在建設(shè)用地的布局與開發(fā)方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況 武漢是湖北省省會(huì)，地處我國腹地中心，江漢平原東部(113°41'～115°05'E、29°58'～31°22'N)。世界第三大河長江及其最大支流漢水橫貫市境中央，將武漢一分為三，形成了武昌、漢口、漢陽3鎮(zhèn)隔江鼎立的格局。武漢市幅員面積8 494.41 km2，下轄7個(gè)中心城區(qū)和6個(gè)遠(yuǎn)城區(qū)，2013年常住人口1 022萬。武漢是中部6省唯一的副省級城市，也是國務(wù)院批準(zhǔn)的中部地區(qū)中心城市，按照城市常住人口、GDP總量、建成區(qū)面積等指標(biāo)，武漢均為中部第一、全國前十的特大城市，也是世界各大城市中人均擁有水量最多的城市。2014年武漢市實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值10 069.48億元，位列全國所有城市的第八位［3］。

1.2 數(shù)據(jù)來源 該研究數(shù)據(jù)主要來源于遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)以及武漢市歷年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。其中遙感影像數(shù)據(jù)分別選取2001、2007與2013年3期的30 m×30 m Landsat7 ETM數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)選取武漢市DEM數(shù)據(jù)與坡度數(shù)據(jù)，同時(shí)以武漢市歷年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及各級路網(wǎng)數(shù)據(jù)、城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)作為參考。3期Landsat7 ETM影像數(shù)據(jù)采用5、4、3三波段進(jìn)行假彩色合成，均轉(zhuǎn)換至西安80投影坐標(biāo)系。在Envi4.8中對3期遙感影像進(jìn)行空間校正、拼接、裁剪，采用統(tǒng)一的解譯標(biāo)志(Region of Interest)進(jìn)行分類，建立2001、2007、2013年3個(gè)時(shí)期的土地利用空間、屬性數(shù)據(jù)庫。

1.3 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.3.1 評價(jià)因子的選取。根據(jù)武漢市的自然環(huán)境特點(diǎn)以及當(dāng)前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合近年來國內(nèi)外學(xué)者在城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性評價(jià)領(lǐng)域的主要研究成果，將影響武漢市城鎮(zhèn)發(fā)展的因素分為自然環(huán)境因素、區(qū)位因素以及生態(tài)環(huán)境因素3大類，并在每一大類中細(xì)分若干因子，共同構(gòu)建武漢市城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性評價(jià)指標(biāo)體系。

(1)自然環(huán)境因素。主要選取了坡度和高程2大因素。坡度和高程是土地資源固有的2個(gè)重要環(huán)境因子，對土地利用和土地生產(chǎn)力有直接作用。坡度和高程基本上決定了土地利用方向和利用方式，從而影響到經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展?jié)摿?。坡度的大小對工程建設(shè)的投入、施工難度和城市供水等產(chǎn)生重要影響。因此，應(yīng)該盡量避免在較大坡度區(qū)域進(jìn)行城市建設(shè)。

(2)區(qū)位因素。區(qū)位適宜度反映新布局建設(shè)用地的便利程度，新增建設(shè)用地具有向交通線路以及現(xiàn)狀城鎮(zhèn)等輻射效應(yīng)性強(qiáng)的地段集聚的態(tài)勢。城鎮(zhèn)的擴(kuò)張與現(xiàn)狀城鎮(zhèn)以及交通網(wǎng)絡(luò)的輻射效應(yīng)直接相關(guān)，因此社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素選取與現(xiàn)狀城鎮(zhèn)的距離、與城市軌道交通線路的距離、與國道的距離、與省道的距離以及與市內(nèi)主干道距離5大因素。

(3)生態(tài)環(huán)境因素。生態(tài)適宜度反映生態(tài)用地對城鎮(zhèn)建設(shè)用地的外部性環(huán)境影響程度，建設(shè)用地靠近生態(tài)用地能獲得更多的生態(tài)效益。評價(jià)中選取了與湖泊、水庫、林地、江河的距離等4個(gè)因子。但是，值得注意的是，生態(tài)因子對建設(shè)用地的布局也會(huì)起到限制性作用，布局新增建設(shè)用地不能損害生態(tài)效益，所以在水體保護(hù)區(qū)和自然與人文景觀保護(hù)區(qū)所在的區(qū)域，在分級指標(biāo)量化時(shí)將這些區(qū)域賦空值(NoData)，即作為城鎮(zhèn)發(fā)展用地適宜性的禁區(qū)而存在，以避免分析過程中出現(xiàn)因子疊加后這些區(qū)域適宜或部分適宜的現(xiàn)象，保證評價(jià)結(jié)果的客觀現(xiàn)實(shí)性［4］。

1.3.2 權(quán)重的確定。城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性評價(jià)各因素因子的權(quán)重通過層次分析法(AHP)結(jié)合專家打分法(Delphi)確立。層次分析法是一種多目標(biāo)決策方法，基于系統(tǒng)的層次性原理，將復(fù)雜的問題分成若干層次，逐步分解比較，把人的主觀判斷用數(shù)量的形式來表達(dá)和處理［5-7］。專家打分法是指彼此相互獨(dú)立的多名專家通過匿名的方式對同一目標(biāo)給出意見，經(jīng)過多輪的意見反饋與修正后綜合成基本一致的意見與決策，并以此作為最終的評價(jià)結(jié)果［8-11］。

根據(jù)各因素因子對于城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性的影響機(jī)理，對各因子在不同距離范圍的輻射作用進(jìn)行評分，各因子層適宜性分值介于0～100，分值越高，單因子在該輻射范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)發(fā)展適宜度越高。評價(jià)指標(biāo)體系與各因子在不同范圍內(nèi)的得分及權(quán)重如表1所示。

1.4 模型構(gòu)建與評價(jià) 在ArcGIS9.3中通過武漢市數(shù)字高程模型(DEM)獲取高程數(shù)據(jù)，通過空間分析模塊中的坡度提取功能獲得坡度數(shù)據(jù);將區(qū)位因素與生態(tài)環(huán)境因素中的各因子按指標(biāo)體系中的距離進(jìn)行緩沖區(qū)分析，通過重分類功能將每一因子層的不同緩沖區(qū)域賦值，分別得到11個(gè)指標(biāo)的單因子適宜度評價(jià)圖層。

該研究使用多因子加權(quán)疊加的方式得到最終的評價(jià)結(jié)果。以各單項(xiàng)因子的分析為基礎(chǔ)，結(jié)合權(quán)重值，計(jì)算各單項(xiàng)因子的適宜性得分，多因子加權(quán)疊加匯總確定城鎮(zhèn)發(fā)展用地適宜性級別，其綜合適宜性評價(jià)公式為［12-14］:

式中，Sij為第ij個(gè)格網(wǎng)的綜合適宜性分值;gij(m)表示第m個(gè)評價(jià)因子在第ij個(gè)格網(wǎng)的適宜性分值;wm為表示第m個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

在ArcGIS9.3中分別對11個(gè)因子層進(jìn)行緩沖區(qū)分析，根據(jù)指標(biāo)體系中各評價(jià)因子所處區(qū)域范圍的不同分別賦予0～100的分值，生成11個(gè)單因子評價(jià)層，利用柵格計(jì)算器(raster calculator)加權(quán)疊加各單因子適宜性分級圖層，得到綜合評價(jià)結(jié)果，并將其按照適宜性分值劃分為4個(gè)等級:高適宜區(qū)、中適宜區(qū)、低適宜區(qū)、不適宜區(qū)。最后將生態(tài)與水體保護(hù)區(qū)嵌入綜合評價(jià)圖層作為禁止建設(shè)的區(qū)域，得到2001、2007、2013年3期武漢市城鎮(zhèn)發(fā)展用地適宜性評價(jià)的最終結(jié)果(圖1)以及不同級別城鎮(zhèn)發(fā)展適宜區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表(表2)。

表1 城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性評價(jià)因素因子體系

表2 2001、2007、2013年城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性分級面積統(tǒng)計(jì)

2.1 時(shí)間演變特征分析 從表2可以看出，伴隨著近十年來武漢市的城市建設(shè)和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，2001～2013年武漢市城鎮(zhèn)發(fā)展高、中適宜區(qū)土地面積總體呈遞增趨勢，其中高適宜區(qū)的面積由2001年的117 087.84 hm2上升到2013年的204 999.75 hm2，增加了75%。新一輪的城市化以及城市人口的爆炸式增長帶來了一系列用地需求的增長，特別是帶來了交通便利程度的增加，因而低適宜區(qū)以及不適宜區(qū)總體呈下降趨勢，其中低適宜區(qū)由2001年的307 028.79 hm2下降到2013年的214 777.98 hm2，下降了30%。同時(shí)，2001～2013年中適宜發(fā)展地區(qū)占總面積的比重并未發(fā)生大的改變，僅從23.79%變化到25.52%;而所占比例變化最為明顯的就是高適宜區(qū)，由15.09%增長到26.83%;低適宜區(qū)所占比例則由39.57%大幅下降到28.11%。2001～2013年武漢市城鎮(zhèn)土地發(fā)展適宜區(qū)各類土地面積的變化側(cè)面反映了城市發(fā)展所帶來的自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境特別是某些地區(qū)區(qū)位條件的改善，因而使得城鎮(zhèn)總體適宜發(fā)展的土地面積增加［15］。

2.2 空間演變特征分析 從圖1可以看出，2001年武漢市發(fā)展高適宜區(qū)主要集中在中心城區(qū)以及黃陂和新洲等少數(shù)遠(yuǎn)城區(qū)地區(qū)。伴隨著接下來幾年中東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)以及吳家山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的成立、武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的發(fā)展，到了2007和2013年，武漢市發(fā)展高適宜區(qū)擴(kuò)展到了蔡甸區(qū)、漢南區(qū)、東西湖區(qū)以及江夏區(qū)的部分地區(qū)，總體分布呈擴(kuò)張趨勢。而由于城市邊緣的生態(tài)環(huán)境和自然環(huán)境的低水平，特別是交通和區(qū)位條件的低水平，武漢市城市發(fā)展不適宜區(qū)主要分布在新洲區(qū)的東端、蔡甸區(qū)的西端、江夏區(qū)的南端以及最黃陂區(qū)靠北段。

3 結(jié)論與討論

該研究以武漢市為例，基于2001、2007與2013年3時(shí)期遙感數(shù)據(jù)，從城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性時(shí)空演變特征角度進(jìn)行分析，旨在為城市合理發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)。研究過程中，選擇了城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性評價(jià)的多個(gè)指標(biāo)，利用GIS技術(shù)進(jìn)行疊加分析，較客觀地實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)發(fā)展的適宜性評價(jià)。結(jié)果表明，2001～2013年武漢市城市化進(jìn)程發(fā)展十分迅速。由于武漢市特殊的地理位置以及多水域的城市城市特征，城鎮(zhèn)發(fā)展高適宜性地區(qū)主要集中在中心城區(qū)以及大型水域附近。同時(shí)伴隨著武漢大舉造城，蔡甸區(qū)等幾個(gè)遠(yuǎn)城區(qū)的城鎮(zhèn)發(fā)展高適宜性地區(qū)面積有所增加。

在武漢市的城市建設(shè)用地規(guī)劃過程中應(yīng)合理考慮該地區(qū)的生態(tài)適宜性，規(guī)劃布局應(yīng)順應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律，用地應(yīng)盡量選擇適宜度高的區(qū)域，這樣才能最大程度地保證城市優(yōu)良的自然生態(tài)環(huán)境。在規(guī)劃城市用地的使用上應(yīng)將市域內(nèi)生態(tài)敏感區(qū)和重點(diǎn)保護(hù)的土地作為禁建區(qū)，同時(shí)應(yīng)注重保護(hù)濕地、植被等自然因子。

該研究選擇多個(gè)影響因子并利用GIS技術(shù)分析了武漢市土地資源的城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性，研究結(jié)果具有現(xiàn)實(shí)意義。但由于影響城鎮(zhèn)發(fā)展適宜性評價(jià)的因子較多而且地區(qū)間差異較大，因此在確定評價(jià)因子和權(quán)重等方面可能還不夠全面和準(zhǔn)確。在以后的研究中應(yīng)進(jìn)一步完善，以得到更精確的結(jié)果。

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