南昌市城市擴(kuò)張適宜性分區(qū)和預(yù)測分析

靳煥煥，張立亭，朱 瑕

(1.東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，330013，南昌； 2.江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，330013，南昌)

0 引言

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市擴(kuò)張導(dǎo)致的一系列資源環(huán)境破壞[1]、人地矛盾、土地利用沖突[2]等問題越來越明顯。城市發(fā)展過程中如何做到合理規(guī)范城市健康發(fā)展，合理劃定城市擴(kuò)張方向，高效合理利用土地資源，緩解土地利用矛盾等是當(dāng)前亟待解決的問題。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對于城市擴(kuò)張的研究，主要從城市擴(kuò)張的驅(qū)動力分析[3-8]，城市擴(kuò)張的模擬與優(yōu)化研究[9-11]，城市擴(kuò)張的影響機(jī)制[12-16]，城市擴(kuò)張的時空特征[17-20]等方面展開研究，取得較好的研究成果。然而這些針對城市擴(kuò)張的研究中，關(guān)于城市擴(kuò)張的適宜性分區(qū)研究較少，劃分適宜性分區(qū)是土地資源優(yōu)化的重要基礎(chǔ)，目前適宜性分區(qū)的研究對象著重農(nóng)村居民點(diǎn)[21-22]、未利用地[23]和復(fù)墾地[24]，研究方法有多因素綜合評價法[25]、層次篩選[26]、K均值聚類[27]和最小累積阻力模型[28]等。針對城市化與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾加劇，生態(tài)環(huán)境因素也需要被納入到城市擴(kuò)張的適宜性評價體系中，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)約束兩方面考慮城市的發(fā)展。因此，為了更好地引導(dǎo)城市的健康發(fā)展，需要綜合考慮城市擴(kuò)張的適宜性分區(qū)和城市擴(kuò)張趨勢對城市發(fā)展的影響。綜上，本文選取南昌市為研究區(qū)，綜合考慮城市發(fā)展的阻力和驅(qū)動力，從區(qū)域環(huán)境、區(qū)域基質(zhì)、區(qū)域流通和禁止擴(kuò)張區(qū)等4個方面建立適宜性評價指標(biāo)體系，結(jié)合GIS空間分析，利用改進(jìn)的城市擴(kuò)張最小累積阻力模型(Urban Expansion Ecological Resistance，UEER)，構(gòu)建南昌市城市擴(kuò)張阻力面，對南昌市城市擴(kuò)張進(jìn)行適宜性分區(qū)。應(yīng)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artifical Neural Network，ANN)的元胞自動機(jī)(Cellular Automata，CA)模型(ANN-CA)，對南昌市城市擴(kuò)張進(jìn)行預(yù)測。綜合城市擴(kuò)張適宜性分區(qū)和城市土地?cái)U(kuò)張預(yù)測的結(jié)果，旨在為南昌市城市發(fā)展及規(guī)劃提供一定的參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北，是江西省的省會城市，南昌市境內(nèi)山、丘、崗、平原相間，以平原為主，占35.8%，崗地低丘占34.4%，水域面積達(dá)2 204.37 km2，占29.78%，東南相對平坦，西北丘陵起伏，水網(wǎng)密布，湖泊眾多，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高。隨著鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)、昌九一體化、南昌大都市圈、贛江新區(qū)等系列政策措施相繼落實(shí)，紅谷灘新區(qū)、瑤湖片區(qū)、九龍湖區(qū)等新城的建設(shè)發(fā)展，南昌市迎來高速發(fā)展期。由于城市擴(kuò)張速度不斷加快，帶來了一些列諸如土地利用沖突、區(qū)域發(fā)展不協(xié)調(diào)和資源環(huán)境的破壞等問題。因此對南昌市城市擴(kuò)張進(jìn)行適宜性分區(qū)和預(yù)測，對促進(jìn)南昌市合理健康發(fā)展以及城市規(guī)劃有重要意義。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究主要數(shù)據(jù)有：本文根據(jù)南昌市城市化發(fā)展歷程，選用南昌市1995年、2005年和2015年土地利用分類數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；南昌市DEM數(shù)據(jù)(30 m×30 m)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站；南昌市風(fēng)景名勝區(qū)、公園、飲用水源保護(hù)區(qū)和水產(chǎn)種植資源保護(hù)區(qū)等矢量數(shù)據(jù)來源于江西省環(huán)保廳；參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007)和研究目的將南昌市土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地和其他土地7類。

2 研究方法

2.1 南昌市城市擴(kuò)張適宜性分區(qū)

2.1.1 南昌市城市擴(kuò)張?jiān)吹脑O(shè)定 “源”具有向四周擴(kuò)張或者吸引的能力，不同等級的源由于其性質(zhì)及四周傳播媒介的不同導(dǎo)致擴(kuò)張能力的差異[29]。本文中的源為南昌市城市用地，參考相關(guān)研究[30-31]，綜合考慮南昌市的范圍、人口與經(jīng)濟(jì)分布確定源的等級，賦予各個等級相對應(yīng)的阻力因子K，一級阻力因子為0.8，二級阻力因子為0.9，三級阻力因子為1，源等級系數(shù)K與城市用地的擴(kuò)張能力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表1)。根據(jù)南昌市城市用地源的分級情況，對其進(jìn)行等級劃分(圖2)。

表1 南昌市城市用地源的分級及基本依據(jù)

圖2 南昌市城市用地源分級圖

2.1.2 南昌市城市擴(kuò)張適宜性評價指標(biāo)體系構(gòu)建 對于城市空間擴(kuò)張影響因素的選取方面，根據(jù)已有研究成果[32-33]，對于一些特殊區(qū)域，如飲用水源保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等生態(tài)障礙區(qū)(圖3)，這些區(qū)域的存在對城市建設(shè)用地的增長構(gòu)成了絕對約束。在確定生態(tài)障礙的基礎(chǔ)上，根據(jù)南昌市的實(shí)際情況選取坡度、高程、植被覆蓋指數(shù)、土地利用類型及流通性要素建立適宜性評價指標(biāo)體系。本文將研究區(qū)分為禁止擴(kuò)張區(qū)和一般擴(kuò)張區(qū)，并將其作為南昌市城市擴(kuò)張適宜性評價指標(biāo)體系的一級影響因子，其中禁止擴(kuò)張區(qū)包括風(fēng)景名勝區(qū)、公園、水產(chǎn)種植資源保護(hù)區(qū)和飲用水源保護(hù)區(qū)等禁止建設(shè)區(qū)域，賦予較大阻力值。一般擴(kuò)張區(qū)分為區(qū)域環(huán)境、區(qū)域基質(zhì)和區(qū)域流通3個方面(表2)。指標(biāo)體系中區(qū)域環(huán)境反映了自然地理?xiàng)l件對于城市建設(shè)的約束，包括高程、坡度和植被覆蓋指數(shù)(NDVI)，高程、坡度和NDVI值越大則城市建設(shè)和改造的阻力越大；區(qū)域基質(zhì)反映了不同地面景觀類型對于城市擴(kuò)張的阻力的差異，農(nóng)村居民點(diǎn)、裸土地和工礦用地對城市擴(kuò)張的阻力較小；區(qū)域流通考慮交通通達(dá)度對城市擴(kuò)張的影響，結(jié)合南昌市具體條件，選取了鐵路、高速公路和主干道3個因素。

圖3 南昌市生態(tài)障礙分布圖

參考相關(guān)的研究[24，28，34-35]，將南昌市城市擴(kuò)張適宜性評價指標(biāo)體系的二級影響因子的阻力系數(shù)分為5個等級，分別用1、3、5、7、9表示，各因素具有不同的權(quán)重，這些都是通過專家打分法的方式確定。利用Arc-GIS10.2中cost-distance模塊分別得到單個要素的阻力分布(圖4)，使用柵格計(jì)算器對各阻力因子做加權(quán)疊置分析，得到30 m×30 m柵格單元的綜合阻力數(shù)據(jù)，為UEER模型運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)合禁止建設(shè)區(qū)的分布，通過疊加分析計(jì)算可以得到南昌市城市擴(kuò)張阻力綜合評價結(jié)果，其評價結(jié)果反映的是不同影響因子疊加的垂直過程對于城市擴(kuò)張的影響。

2.1.3 南昌市城市擴(kuò)張適宜性分區(qū) 最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance,MCR)是指物種在從源到目的地運(yùn)動過程中所需耗費(fèi)代價的模型，由荷蘭生態(tài)學(xué)家Knappen[36]于1992年提出，最早應(yīng)用于物種保護(hù)和景觀格局分析等生態(tài)領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者將其在城市空間增長、土地利用和旅游規(guī)劃等社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域開始進(jìn)行一些嘗試。本文應(yīng)用葉玉瑤等改進(jìn)的最小累積阻力面模型(UEER)，即在MCR模型中引入不同等級源的相對阻力因子Kj，構(gòu)建城市擴(kuò)張的生態(tài)阻力面模型UEER?；竟饺缦拢?/p>

(1)

式中：UEER表示城市擴(kuò)張最小累積阻力面值；f是一個未知函數(shù)，反映了空間中任一點(diǎn)的最小阻力與其到所有源的距離和阻力面特性的正相關(guān)關(guān)系；min表示某景觀單元對不同的城市用地源取累積阻力最小值；Dij表示從源j到柵格單元i的空間距離；Ri表示柵格單元i對運(yùn)動過程的阻力系數(shù)；Kj表示源j所屬等級的相對阻力因子。

表2 影響因子評價指標(biāo)體系

(a)高程阻力 (b)坡度阻力 (c)NDVI阻力

(d)土地利用類型阻力 (e)距主干道距離阻力 (f)距鐵路距離阻力 (g)距高速公路距離阻力

利用最小累積阻力模型(UEER)，分別計(jì)算一級源、二級源和三級源的各柵格單元的阻力值，通過GIS中成本距離法分別生成3張對應(yīng)不同等級源的阻力面，對這3張阻力面進(jìn)行疊加計(jì)算各柵格單元的最小值。根據(jù)最小累積計(jì)算結(jié)果，利用重分類工具(Reclassify)，選擇自然斷點(diǎn)法將所有柵格單元按照累積阻力分值大小依次劃分為高度適宜擴(kuò)張區(qū)、較適宜擴(kuò)張區(qū)、較不適宜擴(kuò)張區(qū)、不適宜擴(kuò)張區(qū)和不可擴(kuò)張區(qū)5種等級區(qū)域(圖5)。

圖5 南昌市城市擴(kuò)張適宜性分區(qū)圖

2.2ANN-CA模型

本文用以模擬城市擴(kuò)張的模型是黎夏[37-39]等提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元胞自動機(jī)模型(ANN-CA)，其基本原理是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取元胞自動機(jī)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，并將轉(zhuǎn)換規(guī)則用于后續(xù)的模擬和預(yù)測中。由于該模型結(jié)構(gòu)簡單，用戶轉(zhuǎn)換規(guī)則及參數(shù)自動生成，能夠有效反映空間變量之間的復(fù)雜關(guān)系，適合用于模擬非線性的和復(fù)雜的土地利用系統(tǒng)。計(jì)算公式為：

(2)

本文中選取1995年和2005年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，根據(jù)南昌市的實(shí)際條件，選取距市中心的距離、距鐵路的距離、距高速公路的距離、距主干道的距離以及地形坡度等作為空間變量數(shù)據(jù)。模型設(shè)置的參數(shù)如下：元胞領(lǐng)域設(shè)置為3×3經(jīng)典摩爾鄰域，神經(jīng)元的學(xué)習(xí)速率設(shè)置為0.05，參與訓(xùn)練的樣本數(shù)為410 341，將土地利用轉(zhuǎn)換的概率的閾值設(shè)為0.9，迭代次數(shù)為300次，模擬總體精度為93.7%。以2015年土地利用數(shù)據(jù)為預(yù)測起始年份的數(shù)據(jù)來預(yù)測南昌市2025年的城市擴(kuò)張狀況。

3 結(jié)果分析

3.1 南昌市城市擴(kuò)張適宜性分區(qū)結(jié)果分析

按照最小累積阻力分值大小依次將評價區(qū)劃分為高度適宜擴(kuò)張區(qū)、較適宜擴(kuò)張區(qū)、較不適宜擴(kuò)張區(qū)、不適宜擴(kuò)張區(qū)和不可擴(kuò)張區(qū)5種等級區(qū)域(圖5、表3)。其中，高度適宜擴(kuò)張區(qū)面積為632.22 km2，占區(qū)域總面積的8.54%，主要分布在青云譜區(qū)、青山湖區(qū)、進(jìn)賢縣的西南部、新建區(qū)和南昌縣與主城區(qū)的連接區(qū)域，目前也主要為建設(shè)用地，可以作為未來的優(yōu)化建設(shè)區(qū)，是重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域；較適宜擴(kuò)張區(qū)面積為537.98 km2，占區(qū)域總面積的7.27%，主要分布在已建成區(qū)域的周邊區(qū)域，包括新建區(qū)的北部、灣里區(qū)的南部和南昌縣的西部區(qū)域，這些區(qū)域地勢平坦，交通便利，距離主城區(qū)較近，政府政策扶持，區(qū)位優(yōu)勢明顯。尤其是新建區(qū)和南昌縣受到紅谷灘新區(qū)和小藍(lán)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等政策的支持，是南昌市主城區(qū)未來發(fā)展的核心區(qū)域；較不適宜擴(kuò)張區(qū)面積為5 714.62 km2，占區(qū)域總面積的77.2%，主要分布在高度適宜區(qū)的外圍，區(qū)域內(nèi)主要分布了各區(qū)縣的基本農(nóng)田，不適宜作為建設(shè)用地，未來應(yīng)該限制該區(qū)建設(shè)用地的發(fā)展；不適宜擴(kuò)張區(qū)面積為465.41 km2，占區(qū)域總面積的6.29%，主要分布在南昌市的的東北部和東南部，該區(qū)域水域面積廣闊，生態(tài)環(huán)境脆弱，不適宜作為建設(shè)用地；不可擴(kuò)張區(qū)面積為51.8 km2，占區(qū)域總面積的0.7%，主要分布在安義縣的西北部，新建區(qū)的東部區(qū)域及灣里區(qū)和主城區(qū)的部分區(qū)域，該區(qū)域主要是已經(jīng)劃為禁建區(qū)的區(qū)域，包括風(fēng)景名勝區(qū)、公園、飲用水源保護(hù)區(qū)等區(qū)域，應(yīng)嚴(yán)格禁止開發(fā)為建設(shè)用地。

表3 南昌市城擴(kuò)張適宜性分區(qū)

3.2 南昌市城市擴(kuò)張預(yù)測及分析

3.2.1 ANN-CA模型模擬精度檢驗(yàn) 本文基于南昌市1995年和2005年的土地利用數(shù)據(jù)以及空間影響因子數(shù)據(jù)獲得該時期土地利用變化規(guī)律，對2015年土地利用狀況進(jìn)行模擬并驗(yàn)證模擬精度。通過ANN-CA模型得到的混淆矩陣，其中耕地、林地、草地和水域的模擬精度分別高達(dá)95%、96%、94%和95%，其次是城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地和其他土地，模擬精度分別為75%、86%和89%。究其原因，耕地、林地、草地、水域和其他土地的驅(qū)動因子及變化規(guī)律比較好追蹤，而城鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地作為城市發(fā)展中的重要地類，要受到許多復(fù)雜和不確定性因素的影響，模擬精度受到一定影響。總的來看本次模擬的總體精度為93.7%，Kappa系數(shù)為0.905，模擬結(jié)果較優(yōu)，可用于模型的預(yù)測。

3.2.2 ANN-CA模型預(yù)測結(jié)果及分析 以2015年土地利用數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，假設(shè)南昌市城區(qū)未來保持現(xiàn)有發(fā)展趨勢，利用ANN-CA模型預(yù)測2025年南昌市城市擴(kuò)張狀況(圖6)，對比2015年南昌市城市不斷向外蔓延導(dǎo)致城市邊緣破碎化嚴(yán)重，未來南昌市將圍繞現(xiàn)有城市邊緣建設(shè)用地集聚式擴(kuò)大，呈現(xiàn)出聚攏式發(fā)展，具體而言，南昌市向南方向的南昌縣、向北和向西的新建區(qū)和青山湖區(qū)的三大塊區(qū)呈現(xiàn)團(tuán)塊式的發(fā)展，究其原因，南昌市“一江兩岸”發(fā)展格局的形成和紅谷灘新區(qū)的建設(shè)，新建區(qū)已經(jīng)發(fā)展成南昌市的新城區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢明顯，是南昌市城市擴(kuò)張的主要區(qū)域。南昌縣位于南昌市的南部，地形平坦，交通便利，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，三面環(huán)抱南昌市主城區(qū)，同時受小藍(lán)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)政策的支持，發(fā)展條件較好。其次，《江西省城鎮(zhèn)體系規(guī)劃(2015-2030年)》提出，以鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)為依托，沿滬昆線和京九線為主線，著力培育和發(fā)展以南昌為核心的南昌大都市區(qū)，促使發(fā)展南昌市城市增長極。而灣里區(qū)由于受到梅嶺景區(qū)的限制 ，未來城市擴(kuò)張的強(qiáng)度較弱。對比南昌市土地開發(fā)適宜性評價結(jié)果圖，未來南昌市城市擴(kuò)張主要在較適宜性分區(qū)范圍內(nèi)，基本符合城市建設(shè)的要求。

圖6 2025年南昌市城市擴(kuò)張預(yù)測圖

對比南昌市2015 年和2025 年土地利用變化狀況(表4)，由于本文中使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次柵格和矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致2025年和2015年南昌市土地總面積出現(xiàn)了0.00019%的差別，此處可忽略不計(jì)。預(yù)計(jì)2025年南昌市城市增長量達(dá)20%，水域和其他土地(沼澤地、沙地、裸土地)分別有0.006%和2.42%的增長量，耕地、林地、草地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地分別有2.27%、0.33%、0.06%和4.22%的負(fù)增長量，就絕對量而言，耕地的減少量最多，表明城市擴(kuò)張中主要是占用耕地，其原因大概是直接占用耕地的成本遠(yuǎn)比老舊城區(qū)的改造成本低的多，因此在未來城市規(guī)劃中，政府應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制耕地開墾的行為，切實(shí)保護(hù)耕地。其次是農(nóng)村居民點(diǎn)用地的減少，表明城市擴(kuò)張過程中，農(nóng)村居民點(diǎn)的拆舊復(fù)墾緩解了一部分城市擴(kuò)張中土地緊缺的壓力，有利于城市的健康發(fā)展。

表4 2025年南昌市城市擴(kuò)張預(yù)測表

4 結(jié)論與不足

本文以南昌市為研究區(qū)域，通過建立南昌市城市擴(kuò)張適宜性評價指標(biāo)體系，利用最小累積阻力模型(UEER)結(jié)合GIS空間分析，劃分了南昌市城市擴(kuò)張適宜性分區(qū)。以南昌市1995年、2005年和2015年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對南昌市2025年城市擴(kuò)張范圍進(jìn)行了預(yù)測。主要結(jié)論如下。

1)結(jié)合南昌市城市擴(kuò)張的適宜性評價指標(biāo)體系，利用最小累積阻力模型和GIS空間分析，將南昌市城市擴(kuò)張劃分為高度適宜擴(kuò)張區(qū)、較適宜擴(kuò)張區(qū)、較不適宜擴(kuò)張區(qū)、不適宜擴(kuò)張區(qū)和不可擴(kuò)張區(qū)等五個區(qū)域。

2)利用ANN-CA模型對南昌市城市擴(kuò)張進(jìn)行模擬，模擬的總體精度為93.7%，Kappa系數(shù)為0.905，模型的模擬精度高，表明應(yīng)用該模型進(jìn)行預(yù)測具有可行性。

3)根據(jù)ANN-CA模型預(yù)測結(jié)果，預(yù)計(jì)2025年南昌市城市建設(shè)用地增長量達(dá)20%，且主要圍繞現(xiàn)有的城鎮(zhèn)用地進(jìn)行集聚式擴(kuò)張，將彌補(bǔ)2005年-2015年城市蔓延式發(fā)展導(dǎo)致的破碎化現(xiàn)狀，南昌縣和新建區(qū)是未來城市擴(kuò)張的主要區(qū)域。未來城市擴(kuò)張主要占用耕地，在城市發(fā)展規(guī)劃中，政府要嚴(yán)格實(shí)施保護(hù)耕地的政策。

本文基于UEER模型對南昌市城市建設(shè)用地適宜性評價分區(qū)的精度主要取決于評價因子的選擇及其權(quán)重的劃定，使用的專家打分法確定評價因子的權(quán)重存在一定的主觀因素，同時缺少對研究區(qū)自然災(zāi)害數(shù)據(jù)的考慮，這些都會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，有待進(jìn)一步改進(jìn)。