基于ArcGIS 的枝江市城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價及其發(fā)展趨勢預(yù)測

龐 添，宋會訪，彭玉玲*，楊 莉

1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；2.湖北省國土測繪院，湖北 武漢 430000

土地利用的合理性和空間規(guī)劃開發(fā)的有序性是促進城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、推進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要抓手。2018年3月自然資源部的成立為空間規(guī)劃和地理設(shè)計相結(jié)合提供了巨大契機［1］，而建設(shè)用地適宜性評價則為空間規(guī)劃和地理設(shè)計建立了重要的溝通橋梁。

目前，國內(nèi)外學者基于城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價展開的建設(shè)用地規(guī)劃布局研究主要涉及跨學科理論的綜合應(yīng)用［2-3］、多元研究路徑的創(chuàng)新［4-5］、特殊研究對象的實證研究［6-7］，而以建設(shè)用地適宜性評價為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間格局匹配性問題，挖掘空間開發(fā)潛力并預(yù)判空間擴張趨勢的研究還比較少。

本文以湖北省枝江市為研究對象，基于Arc-GIS 的數(shù)據(jù)處理和空間分析功能，以城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價為基礎(chǔ)，深化評價結(jié)果，通過構(gòu)建城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間格局匹配性研究模型、城鄉(xiāng)建設(shè)用地開發(fā)潛力研究模型和城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間擴張趨勢動態(tài)模擬元胞自動機（cellular automata，CA）模型，系統(tǒng)分析城鄉(xiāng)建設(shè)用地的適宜性、匹配性、開發(fā)潛力和擴張趨勢，對湖北省枝江市城鄉(xiāng)建設(shè)用地的合理布局和有序開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義，同時能夠為類似市（縣、區(qū)）的相關(guān)研究提供方法借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

湖北省枝江市位于宜昌大都市圈腹地，是宜昌市東南部的長江入口門戶城市，介于東徑111°25′～112°03′，北緯30°16′～30°40′之間，下轄一街八鎮(zhèn)，土地面積1 374.56 km2，其中城鄉(xiāng)建設(shè)用地占比17.20%。作為長江經(jīng)濟帶中武漢與重慶間的結(jié)合部和突出增長點、湖北省“第二城”宜昌境內(nèi)宜昌大都市圈先進的制造業(yè)核心區(qū)，枝江市不僅是本土未來經(jīng)濟社會發(fā)展需求空間的主戰(zhàn)場，同樣也是宜昌大都市圈和長江經(jīng)濟帶宜昌段未來的發(fā)展預(yù)備空間。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究中所用的有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含社會經(jīng)濟、土地利用和問卷調(diào)查三大類，具體包括《湖北省枝江市總體規(guī)劃（2010-2030）》《枝江市城鄉(xiāng)統(tǒng)籌規(guī)劃（2012-2030）》等規(guī)劃政策文件，中科院地理空間數(shù)據(jù)云提供的研究區(qū)數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)（2009 年）、遙感影像數(shù)據(jù)（2018 年），以及城鄉(xiāng)規(guī)劃學、城市經(jīng)濟學、城市管理學等領(lǐng)域?qū)＜覍χ谐青l(xiāng)建設(shè)用地適宜性參評因子權(quán)重的打分（2018 年）等。

針對土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 的空間分析功能，對DEM 數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取研究區(qū)的坡度、坡向信息；利用距離分析工具，分析和統(tǒng)計各建設(shè)用地圖斑距離城鎮(zhèn)、道路、水域的距離；通過遙感影像解譯及植被覆蓋度遙感估算的方法進行植被覆蓋度分析［8］，并利用計算幾何工具統(tǒng)計各圖斑面積。問卷調(diào)查類數(shù)據(jù)采用層次分析法進行統(tǒng)計分析，推導(dǎo)參評因子權(quán)重值，并運用Matlab 軟件計算最大特征根，對權(quán)重值進行一致性檢驗。

2 研究思路

2.1 城鄉(xiāng)建設(shè)用地開發(fā)適宜性評價

基于ArcGIS 平臺，湖北省枝江市城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價采用圖斑法與圖層疊置法將研究區(qū)劃分為77 326 個地類圖斑單元和一街八鎮(zhèn)9 大行政區(qū)劃圖斑單元，選取了地理區(qū)位、地形地貌、植被綠化、地類劃分、政策約束5 個一級評價因子，和坡度、坡向、距離城鎮(zhèn)距離、距離水源距離、距離道路距離、植被覆蓋率、用地現(xiàn)狀、基本農(nóng)田保護政策、生態(tài)林地保護政策、其它保護區(qū)保護政策等10個二級評價因子作為參評因子。結(jié)合極限條件法，將所有參評因子劃分為剛性指標和彈性指標兩類，分別賦值為0 和1，對基本農(nóng)田、生態(tài)林地和其他保護區(qū)等受政策保護類剛性參評因子進行“一票否決”［9］，其他彈性參評因子按實際值由高到低劃分為5 個等級，分別賦值5，4，3，2，1 分，結(jié)合數(shù)據(jù)預(yù)處理確定的權(quán)重，構(gòu)建完整的如表1 所示的城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價指標體系。在此基礎(chǔ)上，基于ArcGIS 的加權(quán)疊加分析功能計算各圖斑的綜合適宜性評價得分，最后運用自然斷點法將城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果劃分為最適宜建設(shè)區(qū)（Ⅰ級）、較適宜建設(shè)區(qū)（Ⅱ級）、中等適宜建設(shè)區(qū)（Ⅲ級）、低等適宜建設(shè)區(qū)（Ⅳ級）和不適宜建設(shè)區(qū)（V 級）5 個等級。

本研究采用層次分析法構(gòu)建適宜性評價模型，如式（1）所示：

式（1）中，G 為研究區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價的綜合得分值；Ai為某個圖斑單元中第i 個參評因子的分值；Bi為第i 個參評因子的權(quán)重；n 為參評因子的總數(shù)量。一般G 值越大，則適宜性越高，但政策保護類用地在極限條件下，所在圖斑一律歸為不適宜建設(shè)區(qū)。

表1 城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價指標體系Tab.1 Suitability evaluation index system of urban and rural construction land

2.2 城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間格局匹配性研究

結(jié)合研究區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果，在ArcGIS 上通過重分類，將最適宜和較適宜建設(shè)區(qū)作為可承載城鄉(xiāng)建設(shè)用地的適宜建設(shè)區(qū)，現(xiàn)狀城鄉(xiāng)建設(shè)用地作為“已開發(fā)區(qū)”，在適宜建設(shè)區(qū)地理空間上的“已開發(fā)區(qū)”作為“已開發(fā)適宜建設(shè)區(qū)”，通過將“已開發(fā)適宜建設(shè)區(qū)”和適宜建設(shè)區(qū)在ArcGIS 中進行空間疊加分析，可推算研究區(qū)現(xiàn)狀城鄉(xiāng)建設(shè)用地與適宜建設(shè)區(qū)的空間格局匹配度［10］；而“已開發(fā)適宜建設(shè)區(qū)”在“已開發(fā)區(qū)”中的占比則反映了研究區(qū)現(xiàn)狀城鄉(xiāng)建設(shè)用地布局的合理性程度。

式（2）和式（3）中，F(xiàn)1為城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間格局匹配度；C 為“已開發(fā)適宜建設(shè)區(qū)”面積；C1、C2分別為城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果中的最適宜建設(shè)區(qū)和較適宜建設(shè)區(qū)面積；F2為建設(shè)用地空間布局的合理性程度；Cs為“已開發(fā)區(qū)”面積。整體而言，F(xiàn)1的值越大，城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間格局匹配性越高，F(xiàn)2的值越大，現(xiàn)狀城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間布局越合理。

2.3 城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間開發(fā)潛力研究

根據(jù)研究區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果，將適宜建設(shè)區(qū)和“已開發(fā)區(qū)”的并集作為可承載城鄉(xiāng)建設(shè)用地的最大荷載，視其為“臨界承載區(qū)”，通過“已開發(fā)區(qū)”、“臨界承載區(qū)”和各鎮(zhèn)區(qū)土地面積的兩相對比分析，可推算“臨界承載區(qū)”的剩余開發(fā)潛力和建設(shè)用地綜合開發(fā)潛力［11］。

式（4）和式（5）中，P1表示“臨界承載區(qū)”的剩余開發(fā)潛力；C 為“已開發(fā)適宜建設(shè)區(qū)”面積；C1、C2分別為城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果中最適宜建設(shè)區(qū)和較適宜建設(shè)區(qū)面積；Cs為“已開發(fā)區(qū)”面積；P2為建設(shè)用地的綜合開發(fā)潛力；S 表示研究區(qū)土地面積。整體而言，P1的值越大，“臨界承載區(qū)”的剩余開發(fā)潛力越大，P2的值越大，建設(shè)用地的綜合開發(fā)潛力越大。

2.4 城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間擴張趨勢研究

在城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS 的Model Builder（模型構(gòu)建器）構(gòu)建如圖1所示的CA 模型，對研究區(qū)建設(shè)用地空間擴張趨勢進行預(yù)判［12］。綜合考慮現(xiàn)狀建設(shè)用地布局和其他隨機正態(tài)分布因子的影響，分別進行臨域分析和焦點統(tǒng)計，并利用特爾菲法和層次分析法計算建設(shè)用地適宜性、現(xiàn)狀建設(shè)用地布局以及其他隨機正態(tài)分布因子的權(quán)重，生成“全域城鄉(xiāng)建設(shè)用地聯(lián)合適宜性評價”結(jié)果。通過剔除現(xiàn)狀建設(shè)用地和研究區(qū)中政策保護類用地，重新生成非現(xiàn)狀可建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果，然后運用ArcGIS 的slice工具，將非現(xiàn)狀可見建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果等分為20 份，選取其中最適宜的等份作為一段時間后新開發(fā)的建設(shè)用地，即完成第一時間節(jié)點的建設(shè)用地空間擴張趨勢模擬。通過多次現(xiàn)狀建設(shè)用地的替換迭代，最終形成隨時間軸變化的研究區(qū)建設(shè)用地空間擴張趨勢動態(tài)布局圖。

圖1 Model Builder中CA 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of CA model in Model Builder

3 結(jié)果與討論

3.1 湖北省枝江市城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價分析

依據(jù)枝江市城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價結(jié)果如圖2（a）所示，最適宜建設(shè)區(qū)、較適宜建設(shè)區(qū)、中等適宜建設(shè)區(qū)、低等適宜建設(shè)區(qū)和不適宜建設(shè)區(qū)的面 積 分 別 為204.39，230.12，215.48，124.70 和599.84 km2，其中不適宜建設(shè)區(qū)所占比重最大，為43.64%，這與湖北省枝江市堅守生態(tài)綠線、基本農(nóng)田紅線和水域藍線底線不突破，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展理念與政策直接相關(guān)。最適宜建設(shè)區(qū)主要分布于長江沿岸的馬家店街道、董市鎮(zhèn)、七星臺和百里洲，其整體布局與枝江市沿江城鎮(zhèn)聚合發(fā)展軸的規(guī)劃格局比較吻合；而不適宜建設(shè)區(qū)主要集中分布于基本農(nóng)田或山體林地集聚的問安鎮(zhèn)和仙女鎮(zhèn)及瑪瑙河沿線。

3.2 城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間格局匹配性與布局合理性分析

城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間格局匹配性與布局合理性分析可視化結(jié)果如圖2（b）所示，整體空間匹配度為39.41%，占現(xiàn)狀城鄉(xiāng)建設(shè)用地的72.47%。整體來看，目前湖北省枝江市的城鄉(xiāng)建設(shè)用地受社會經(jīng)濟條件限制，空間格局匹配度不高，建設(shè)用地布局不盡合理，特別是存在10.95%的現(xiàn)狀建設(shè)用地與不適宜建設(shè)區(qū)重合的現(xiàn)象，這迫切需要政府部門在規(guī)劃建設(shè)主導(dǎo)思想方面實現(xiàn)從注重經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)到重視資源保護的轉(zhuǎn)變，積極出臺相關(guān)的空間管控政策，重點加強對水域、基本農(nóng)田和生態(tài)林地的土地用途管制和生態(tài)修復(fù)，健全完善相應(yīng)的規(guī)劃、建設(shè)、管理、監(jiān)督體系，推進山、水、林、田、湖、草生命共同體的統(tǒng)一保護、統(tǒng)一修復(fù)。具體而言，各鎮(zhèn)區(qū)中空間格局匹配性較好的地區(qū)分別為馬家店街道、問安鎮(zhèn)、董市鎮(zhèn)，其中，問安鎮(zhèn)較為特殊，作為枝江市的基本農(nóng)田儲備基地，建設(shè)用地緊缺，適宜建設(shè)用地基數(shù)小，故空間匹配性高，但已開發(fā)建設(shè)區(qū)占用基本農(nóng)田的情況比較嚴重，面積達8.16 km2，建設(shè)用地布局十分不合理。

3.3 城鄉(xiāng)建設(shè)用地土地開發(fā)潛力研究分析

城鄉(xiāng)建設(shè)用地土地開發(fā)潛力研究分析可視化結(jié)果如圖2（c）所示，“臨界承載區(qū)”剩余的開發(fā)潛力為52.69%，建設(shè)用地的綜合開發(fā)潛力為36.31%，而建設(shè)用地已開發(fā)強度僅達到236.39 km2，占比17.19%。綜合考慮湖北省枝江市在長江經(jīng)濟帶、宜昌大都市圈中的區(qū)位優(yōu)勢，可初步判斷湖北省枝江市的建設(shè)用地開發(fā)潛力還很大，但適宜建設(shè)用地十分緊張，相關(guān)政府部門應(yīng)該積極出臺鼓勵建設(shè)用地科學合理布局、集約高效利用的政策，落實嚴格的土地管理制度，轉(zhuǎn)變土地利用方式，提高土地利用效率和效益。其中，各鎮(zhèn)區(qū)中，七星臺、顧家店、白洋鎮(zhèn)和百里洲等鎮(zhèn)區(qū)的“臨界承載區(qū)”建設(shè)用地剩余開發(fā)潛力較大，但從綜合開發(fā)潛力來看，馬家店、七星臺和百里洲的綜合開發(fā)潛力最大，這兩項結(jié)果是各鎮(zhèn)區(qū)建設(shè)用地適宜性、空間布局合理性，土地利用結(jié)構(gòu)和社會經(jīng)濟發(fā)展狀況共同作用后在地理空間上的投影，但也揭示出百里洲、七星臺作為未來枝江市人口、經(jīng)濟、社會擴張承載地的可能性。此外，數(shù)據(jù)也揭示出問安鎮(zhèn)建設(shè)用地開發(fā)前景幾近達到飽和的狀態(tài)，“臨界承載區(qū)”剩余開發(fā)潛力和綜合開發(fā)潛力均為最低，分別為17.54%和20.83%，因此，問安鎮(zhèn)建設(shè)用地開發(fā)如何滿足未來經(jīng)濟社會發(fā)展需要的問題需要得到迫切關(guān)注。

圖2 枝江市城鄉(xiāng)建設(shè)用地：（a）適宜性評價，（b）空間格局匹配性分析，（c）開發(fā)潛力分析，（d）空間擴張趨勢分析Fig.2 Urban and rural construction land in Zhijiang City：（a）suitability evaluation，（b）matching analysis of spatial pattern，（c）development potential analysis，（d）spatial expansion trend analysis based on CA model

3.4 城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間擴展趨勢預(yù)判

參考《湖北省枝江市總體規(guī)劃（2010-2030）》，到2030 年湖北省枝江市建設(shè)用地規(guī)模將達到42 km2?；贑A 模型時間、空間、狀態(tài)離散，模擬復(fù)雜系統(tǒng)時空演化過程的能力，在研究城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價的基礎(chǔ)上進行城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間擴張趨勢動態(tài)模擬［13］，通過3 次迭代計算，分別獲得未來3 個時間點湖北省枝江市建設(shè)用地的布局狀態(tài)，可視化結(jié)果如圖2（d）所示，其建設(shè)用地面積分別為30.45，37.31，44.16 km2，根據(jù)動態(tài)模擬預(yù)測的結(jié)果，2030 年湖北省枝江市的城鄉(xiāng)建設(shè)用地布局狀態(tài)處于第二時間節(jié)點和第三時間節(jié)點之間。其中，百里洲、安福寺及仙女鎮(zhèn)3 鎮(zhèn)是研究區(qū)建設(shè)用地土地空間擴張最明顯的區(qū)域，以現(xiàn)狀建設(shè)用地為基礎(chǔ)，截止到第三時間節(jié)點，百里洲、安福寺、仙女鎮(zhèn)、顧家店和七星臺，建設(shè)用地增幅分別為188.81%，117.03%，99.81%，93.09%，89.93%。數(shù)據(jù)表明，建設(shè)用地空間擴張趨勢最明顯的地區(qū)主要集中在沿江兩側(cè)的鎮(zhèn)區(qū)和北部土地適宜性一般、發(fā)展比較落后、現(xiàn)狀建設(shè)用地基數(shù)小的鎮(zhèn)區(qū)。

4 結(jié) 論

根據(jù)研究分析的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）枝江市城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性分布整體呈現(xiàn)出南部沿江地帶建設(shè)用地優(yōu)于北部的特點。

2）枝江市各鎮(zhèn)區(qū)的建設(shè)用地空間格局匹配性、合理性和發(fā)展?jié)摿哂休^大差異，整體空間格局匹配性不佳，布局不盡合理，開發(fā)潛力較大。

3）截至2030 年，枝江市城鄉(xiāng)建設(shè)用地擴張速度整體呈現(xiàn)南部沿江地勢平坦、交通便利地帶高于北部的趨勢。

本研究對湖北省枝江市科學合理進行建設(shè)用地布局，高效有序推進城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間擴張，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義，但城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價模型在構(gòu)建過程中仍然存在大量的主觀因素干擾，在后續(xù)研究中，還將從以下方面對研究進行深化：

1）在建設(shè)用地適宜性評價中，可從市（縣、區(qū)）層面、村鎮(zhèn)層面、地類圖斑單元層面和柵格層面，分別展開多尺度的城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價［14］，使建設(shè)用地適宜性的評價結(jié)果更加精細化，實踐指導(dǎo)意義更強。

2）在原始適宜性評價的結(jié)果上深化CA 模型，獲取研究區(qū)多個時間點的土地利用基礎(chǔ)資料，建立CA-Markovd［15］模型，對研究區(qū)未來土地利用的結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化進行更科學、更深入的預(yù)測模擬。