上海土地利用總體規(guī)劃編制中多元數(shù)據(jù)集成應(yīng)用研究

許 偉

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

土地利用總體規(guī)劃是指導(dǎo)城鄉(xiāng)建設(shè)和土地利用的綱領(lǐng)性文件，起著合理配置土地資源和組織土地利用的作用。我國土地利用總體規(guī)劃經(jīng)歷了關(guān)注農(nóng)用地合理利用、以加強耕地保護為關(guān)鍵、以完善土地用途管制為核心的3個發(fā)展階段，未來發(fā)展重點由推動 “土地用途管制”向“國土空間用途管制”、關(guān)注土地利用規(guī)劃評價體系和方法的系統(tǒng)化轉(zhuǎn)變[1]。在信息化迅速發(fā)展時代,基于多元時空數(shù)據(jù)具有類型豐富、更新頻率高[2]等特點，逐步成為區(qū)域資源環(huán)境、城市空間與土地利用等問題研究的重要手段。

目前，已有的相關(guān)研究主要集中在基于經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)、土地利用年度變更、遙感、測繪數(shù)據(jù)等的定量評價和規(guī)劃的實施評估研究，張潤森等通過對土地利用/覆被變化對大氣環(huán)境系統(tǒng)的作用機制分析，研究土地利用/覆被變化對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響[3]。張楊等運用區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)和土地利用變化類型生態(tài)貢獻率，對1996-2006年武漢市土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)以及導(dǎo)致武漢市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的土地利用變化類型進行了分析與評價[4]。杜勇等從人口、經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境四個方面進行土地資源綜合承載力評價，研究了湖北省17個市（州）近10年來土地資源承載力的發(fā)展趨勢[5]。田志強等從市級規(guī)劃監(jiān)測評估內(nèi)容和指標(biāo)體系出發(fā)，開展基于綜合“一致性評估”和“績效性評估”的市級規(guī)劃監(jiān)測評估[6]。但定量關(guān)系與定量化手段在規(guī)劃實施評估、發(fā)展趨勢模擬和輔助規(guī)劃方案等土地利用規(guī)劃編制全過程中體現(xiàn)不足，土地利用與經(jīng)濟、社會、生態(tài)等的耦合關(guān)系有待加強。從多元時空數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用必將給土地利用總體規(guī)劃的編制帶來新的思路和新方法，如何應(yīng)用多元時空數(shù)據(jù)更有效、更有針對性編制土地利用規(guī)劃仍有待進一步研究。

1 當(dāng)前土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)來源及特征

1.1 土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)來源

土地利用總體規(guī)劃是對未來土地利用時序和空間布局的安排，包含大量的空間決策。土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)來源多樣，其中，影像數(shù)據(jù)來源于航片、衛(wèi)星、雷達數(shù)據(jù)等；土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于土地利用年度變更、土地審批等數(shù)據(jù)；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于政府年度工作報告、統(tǒng)計年鑒、實地調(diào)查、人口普查數(shù)據(jù)等；行業(yè)發(fā)展數(shù)據(jù)來源于行業(yè)年度公報、跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

1.2 土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)特征

當(dāng)前，時空數(shù)據(jù)在土地利用總體規(guī)劃中的應(yīng)用仍停留在規(guī)劃方案的制定上，應(yīng)用范疇和深度有待提高，歸納起來具有以下特點：

（1）當(dāng)前土地利用總體規(guī)劃應(yīng)用的數(shù)據(jù)主要是靜態(tài)數(shù)據(jù)，其在規(guī)劃中的應(yīng)用主要在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、規(guī)劃方案制定階段，不同時段的人群活動特征對土地利用影響反映不足。

（2）大多數(shù)研究和規(guī)劃實踐都是對土地利用及變化的現(xiàn)象進行描述，對于現(xiàn)象發(fā)生背后更深層次的原因缺乏剖析和深入挖掘，而這一點對于解決當(dāng)前土地利用總體存在的問題至關(guān)重要。

（3）目前，土地利用總體規(guī)劃在數(shù)據(jù)的獲取、處理、存儲、分析等方面不完善，受數(shù)據(jù)廣度和深度影響，土地利用總體規(guī)劃編制常用的分析方法仍是相關(guān)性分析、趨勢分析等傳統(tǒng)方法，對規(guī)劃中需要解決的新問題缺乏有針對性的技術(shù)研究方法。

2 多元數(shù)據(jù)在規(guī)劃編制中的集成應(yīng)用

2.1 關(guān)鍵問題診斷

土地利用總體規(guī)劃實施是一個綜合過程，一切社會經(jīng)濟活動都會影響到土地利用規(guī)劃實施的效果，利用多元時空數(shù)據(jù)的定量、定性分析，度量與檢驗土地利用規(guī)劃的實施狀況，包括規(guī)劃指標(biāo)完成情況、土地利用提升程度、土地利用對區(qū)域經(jīng)濟的帶動作用、規(guī)劃實施產(chǎn)生的綜合效益等方面，直觀的反映土地利用現(xiàn)象，診斷土地利用的關(guān)鍵問題。

（1）土地利用與經(jīng)濟社會發(fā)展的協(xié)調(diào)性評價

經(jīng)濟社會發(fā)展是土地、資本、勞動、技術(shù)等要素綜合作用的結(jié)果，土地利用與經(jīng)濟發(fā)展之間有著密切的關(guān)系：①土地資源的合理利用能夠促使資金、技術(shù)、勞動力相對集中[7]，并以集聚優(yōu)勢提升土地資源價值，提升經(jīng)濟發(fā)展的保障能力；②通過土地利用結(jié)構(gòu)和布局的調(diào)整促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，以土地利用方式的轉(zhuǎn)變倒逼城市經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展，進而實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提高；③經(jīng)濟發(fā)展、人口變化、科技水平提高、法律法規(guī)和管理政策調(diào)整等，同樣會帶來土地利用結(jié)構(gòu)、方式發(fā)生變化，進而影響到土地資源的配置效率和利用效益。本文采用2006-2016年的17個區(qū)人口規(guī)模、GDP、建設(shè)用地規(guī)模數(shù)據(jù)（圖1），通過分析建設(shè)用地與人口、GDP變化的匹配度，應(yīng)用功效函數(shù)法對建設(shè)規(guī)模與經(jīng)濟發(fā)展水平和人口規(guī)模進行定量評價，來判斷各區(qū)建設(shè)用地與經(jīng)濟社會發(fā)展的協(xié)調(diào)性，為各區(qū)確定區(qū)域發(fā)展定位、制定土地利用宏觀調(diào)控目標(biāo)、分解下達建設(shè)用地規(guī)模指標(biāo)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

圖1 2006-2016年上海市建設(shè)用地、GDP、人口規(guī)模分析Fig.1 Analysis of construction land, GDP and population size during 2006-2016 in Shanghai

（2）土地生態(tài)環(huán)境建設(shè)

土地利用活動對生態(tài)系統(tǒng)平衡和生態(tài)服務(wù)價值會造成影響，從而對人的生活、生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生影響，協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)建設(shè)之間的關(guān)系是土地利用總體規(guī)劃重要內(nèi)容之一。上海國土開發(fā)強度達到46%，城鄉(xiāng)建設(shè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展等各項生活、生產(chǎn)、生態(tài)活動均作用于土地，對生態(tài)用地規(guī)模、生態(tài)空間的連通性和生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等均有影響。土地利用總體規(guī)劃強化堅持保護和改善生態(tài)環(huán)境的導(dǎo)向，把生態(tài)環(huán)境保護作為保障城市長遠發(fā)展的主要空間底線，規(guī)劃確定了“多層次、成網(wǎng)絡(luò)、功能復(fù)合”的基本生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系，及“環(huán)、廊、區(qū)、源”的城市生態(tài)空間體系，在規(guī)劃實施過程中人居環(huán)境、生態(tài)品質(zhì)有了較大改善。但也存在：①生態(tài)環(huán)境水平與全球城市定位差距顯著，生態(tài)功能和質(zhì)量水平總體不高；②生態(tài)資源規(guī)?？偭棵黠@不足，保護面臨較大壓力；③生態(tài)空間結(jié)構(gòu)布局均衡性、系統(tǒng)性問題突出高。

城市生態(tài)建設(shè)穩(wěn)步推進，2006-2016年，城市人均綠地面積呈緩慢上升趨勢，城市公園數(shù)量穩(wěn)步提升、中心城區(qū)公共綠地空間逐步擴大（圖2），通過加強綠地和公園保護，從2006年144座公園增加到217座，城市綠化覆蓋率也從2006年的37.3%增加到2013年38.4%，對增加城市開敞空間、改善城市小氣候和空氣質(zhì)量具有積極的意義。2012年陸續(xù)啟動郊野公園的規(guī)劃和建設(shè)，廊下、青西、長興島、浦江和嘉北等郊野公園開園，基本形成“口袋公園—社區(qū)公園—地區(qū)公園”三級公園綠地組成的城市公園體系。

圖2 2006-2016年上海市城市公園個數(shù)與游園人數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Shanghai's per capita green space scale and number of urban parks during 2006-2016

（3）基于核密度估算的耕地破碎化分析

耕地資源是特大型城市發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，在保障城市糧食安全和生態(tài)安全方面具有重要的作用。耕地資源的空間分布受自然與人為因素干擾，隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速推進，存在著河流、溝渠、道路分割所致的自然破碎和城鎮(zhèn)建設(shè)占用耕地等現(xiàn)象，耕地被分割成大小不一的地塊，影響農(nóng)業(yè)機械化利用，進而影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。科學(xué)有效的判定耕地空間分布格局及其變化特征，對促進耕地保護及空間優(yōu)化布局至關(guān)重要。

采用核密度計算方法研究耕地空間分布問題，根據(jù)耕地在各密度區(qū)的不同特點，研究耕地空間分布和變化。從2009年、2014年和2016年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中提取耕地地塊，依據(jù)耕地地塊的空間分布要素數(shù)據(jù)集來計算耕地地塊的集聚特征（圖3），核密度估算值越大，耕地空間分布密度越高、規(guī)模越大、分布相對越集中。采用Rosenblatt-Parzen核估計模型[8]，具體計算方法為：

式中：fn為耕地地塊分布的核密度值；n為耕地地塊的數(shù)量；k為核密度函數(shù)；x-xi為測算耕地地塊x到樣本耕地地塊xi的距離；h為核密度測算帶塊的平滑參數(shù)。

圖3 2009年、2014年、2016年上海市耕地空間分布核密度Fig.3 Spatial distribution density of cultivated land in 2009, 2014 and 2016

從測算值空間分布情況來看，①2009年、2014年、2016年耕地空間分布核密度測算最大值分別為77-120塊/km2、15-43塊/km2，說明崇明地區(qū)、松江南部、青浦北部地區(qū)耕地地塊空間分布數(shù)量明顯增加，且表現(xiàn)出遞增的趨勢；②3個年份耕地核密度測算值大值區(qū)域均主要集中在崇明島、杭州灣北岸；中值區(qū)域主要集中在寶山、嘉定北部地區(qū)、黃浦江上游南岸地區(qū)和橫沙島；小值區(qū)主要分布在中心城周邊地區(qū)。整體呈現(xiàn)南北部區(qū)域密集、中部稀疏的空間分布特征；③2009-2016年中值區(qū)邊緣地區(qū)向低值區(qū)轉(zhuǎn)化的趨勢明顯，郊環(huán)線周邊低值區(qū)呈環(huán)狀擴大趨勢，與城鎮(zhèn)化發(fā)展和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成的耕地分割相關(guān)；高值區(qū)基本不變，得益于土地整治、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等耕地建設(shè)活動和后續(xù)管護因素。

2.2 發(fā)展趨勢分析

（1）城市土地利用空間格局模擬

城市形態(tài)和城市土地利用格局的變化受多種因素影響，土地利用空間格局模擬通?？紤]高程、坡度、城鎮(zhèn)優(yōu)勢度和交通便利性等影響因素，隨著現(xiàn)代城市土地利用的復(fù)雜性和市民活動特征的變化，大型超市、學(xué)校、醫(yī)院和圖書館等公共服務(wù)設(shè)施對城市空間擴張的影響度也不容忽視，通過多元空間數(shù)據(jù)可以提取這些設(shè)施的位置信息，將之作為影響因素融入到土地利用空間格局模擬過程中，可以提高模擬精度。

選取人口密度、經(jīng)濟密度、交通便利性、城鎮(zhèn)行政中心、大型公共服務(wù)設(shè)施等建設(shè)用地變化的影響因子（圖4），生態(tài)保護紅線等禁止建設(shè)區(qū)和河湖水面、基本農(nóng)田等限制建設(shè)區(qū)作為空間約束條件,根據(jù)不同土地利用類型的歷史演變規(guī)律以及未來規(guī)劃的實際情況，對不同土地利用類型的穩(wěn)定程度進行設(shè)置，制定不同土地類型的轉(zhuǎn)換規(guī)則和轉(zhuǎn)換參數(shù)。采用Dyna-CLUE模型中Logistic逐步回歸的方法對土地利用空間布局與各驅(qū)動因子之間的關(guān)系進行定量評價和分析，模擬未來土地利用格局變化趨勢（圖5），為規(guī)劃建設(shè)用地布局優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

圖4 土地利用格局變化影響因子分析圖Fig.4 Analysis of impact factors of land use pattern change

圖5 土地利用空間格局模擬Fig.5 Simulation of land use spatial pattern

（2）開發(fā)潛力重點地區(qū)規(guī)劃

受地區(qū)資源稟賦、區(qū)位條件、發(fā)展階段等因素的影響，不同地區(qū)土地開發(fā)潛力、開發(fā)程度也不盡相同。根據(jù)不同地區(qū)人口分布密度不同，利用建設(shè)用地可承載人口密度定量計算土地開發(fā)潛力[9]，運用土地開發(fā)潛力指數(shù)=現(xiàn)狀人口密度/規(guī)劃人口密度，現(xiàn)狀人口密度大于規(guī)劃人口密度，說明目前該區(qū)域人口超載，土地開發(fā)強度過高，存在公共服務(wù)設(shè)施緊缺、生態(tài)環(huán)境惡化等風(fēng)險，從均衡角度出發(fā)，應(yīng)通過人口做減法來優(yōu)化人口布局，促進人口與建設(shè)用地相均衡；現(xiàn)狀人口密度小于規(guī)劃人口密度，則規(guī)劃人口密度與現(xiàn)狀人口密度差值愈大，居住、就業(yè)空間潛力越大，則土地開發(fā)潛力越大。本研究結(jié)合上海城市空間布局的特點，“現(xiàn)狀人口密度”根據(jù)手機信令數(shù)據(jù)計算得出，規(guī)劃人口密度根據(jù)“上海2035”城市總體規(guī)劃中“合理優(yōu)化人口結(jié)構(gòu)和布局”的相關(guān)規(guī)定，主城區(qū)人口密度、新城人口密度、新市鎮(zhèn)人口密度、各行政區(qū)人口密度控制值，進行不同區(qū)域土地開發(fā)潛力指數(shù)測算，為重點開發(fā)潛力區(qū)域規(guī)劃提供依據(jù)。

2.3 輔助規(guī)劃方案

（1）鄉(xiāng)村地區(qū)建低效設(shè)用地減量化區(qū)域識別

鄉(xiāng)村地區(qū)建設(shè)用地減量是優(yōu)化土地利用格局、改善生態(tài)環(huán)境、積極盤活土地資源的重要手段。隨著城市化的不斷推進和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)村人口加速向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，產(chǎn)出效率較低的工業(yè)企業(yè)處于停產(chǎn)、功能調(diào)整狀態(tài)，并催生大量空心村、閑置工業(yè)用地等低效建設(shè)用地，是未來盤活存量土地資源、挖掘土地資源潛力的主要對象。傳統(tǒng)的土地利用信息調(diào)查方法難以有效的識別低效建設(shè)用地的分布，農(nóng)村居民點用地和工業(yè)用地等現(xiàn)狀建設(shè)用地的利用效率、空間活動強度特征是確定低效建設(shè)用地減量的重要因素，通過對工業(yè)倉儲用地和農(nóng)村居民點用地的空間活動強度特征進行分析。具體方法：一是通過不同類型用地的空間活動強度特征分析，挖掘出不同類型用地的開發(fā)潛力。將上海市域范圍劃分為100m×100m的網(wǎng)格單元，以人口調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算網(wǎng)格單元內(nèi)白天和夜間人群出行活動頻次，根據(jù)差異程度，活動頻率較低的區(qū)域?qū)嶋H利用率較低、人群活動特色較弱，這類區(qū)域劃為鄉(xiāng)村地區(qū)建設(shè)用地減量化重點區(qū)域。二是通過工業(yè)用地地均產(chǎn)值和農(nóng)村居民點集聚度分析，選取經(jīng)濟產(chǎn)出和環(huán)境指數(shù)較低、農(nóng)民居民點用地利用效率較低的區(qū)域，劃為鄉(xiāng)村地區(qū)建設(shè)用地減量化的重點區(qū)域，挖掘不同類型用地的開發(fā)潛力。

（2）基于立地條件的基本農(nóng)田優(yōu)化布局

基本農(nóng)田是土地利用規(guī)劃中重要的內(nèi)容之一，是特大型城市重要的空間底線?；巨r(nóng)田布局是自然因素、經(jīng)濟社會因素、生態(tài)因素和規(guī)劃因素綜合作用的結(jié)果，開展以社會、生態(tài)、經(jīng)濟多目標(biāo)立地條件的基本農(nóng)田劃定，采用LESA系統(tǒng)，由土地評價（LE）和立地分析（SA）兩部分組成，土地評價著重評價農(nóng)用地的自然條件，評價體系由土壤條件、水系條件等內(nèi)容組成，立地分析著重評價農(nóng)用地的社會經(jīng)濟條件，用于除土壤以外的農(nóng)業(yè)用地適宜性條件的判斷。運用空間聚類方法，通過對自然、社會經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境、規(guī)劃等實時動態(tài)數(shù)據(jù)的采集和分析（圖6），可以對基本農(nóng)田立地條件進行分析。通過設(shè)定在不同空間尺度下集中程度、質(zhì)量等級、生態(tài)隔離和區(qū)位條件等基本農(nóng)田優(yōu)化規(guī)則條件下，劃定永久基本農(nóng)田布局方案。

圖6 基本農(nóng)田立地條件評價思路Fig.6 Evaluation of basic farmland conditions

（3）輔助規(guī)劃方案

針對建設(shè)雜亂、局部地區(qū)過渡開發(fā)、利用效率不高的濱江沿海岸帶利用現(xiàn)狀，以3E（生態(tài)空間、生產(chǎn)空間和生活空間）結(jié)構(gòu)優(yōu)化和布局協(xié)調(diào)為核心規(guī)劃理念，運用多因素多因子的分析方法，以岸線和與其鄰接5-10km岸帶區(qū)域為對象，分別選取相應(yīng)的指標(biāo)體系，包括沖淤、潮差、水深、底層沉積物地球化學(xué)質(zhì)量、坡度等自然條件，高速公路通達性、港口碼頭可達性、城鎮(zhèn)鄰近度、旅游景點鄰近度等區(qū)位條件，及重要生態(tài)區(qū)、水源地等生態(tài)條件和規(guī)劃條件，在此基礎(chǔ)上綜合評價判斷岸線的適宜功能（生態(tài)、生活、生產(chǎn)）（圖7），統(tǒng)籌實現(xiàn)區(qū)域空間資源的最優(yōu)利用和岸線的融合發(fā)展[10]。

圖7 上海岸線資源功能適宜性評價Fig.7 The result of suitability evaluation on coastline resource of shangha

3 結(jié)論

本文在總結(jié)土地利用總體規(guī)劃中數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上，從規(guī)劃編制全過程出發(fā)，開展多元時空數(shù)據(jù)在關(guān)鍵問題診斷、發(fā)展趨勢模擬、輔助規(guī)劃決策等環(huán)節(jié)中的集成應(yīng)用研究，為超大型城市土地利用總體規(guī)劃編制提供技術(shù)支撐。受時間和數(shù)據(jù)限制，“人、地、時”關(guān)系融合、人群活動特征對土地利用影響在本文中研究有待深入，也是下一步研究的重點。