地形位置指數(shù)在“雙評價”中的研究和應(yīng)用

楊立焜，王 璇，孫道成，許宏宇，高詩文，車 旭

（1.中規(guī)院（北京）規(guī)劃設(shè)計有限公司，北京 100044；2.中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100044）

2019年以來，國家要求建立國土空間規(guī)劃體系，逐步建立“多規(guī)合一”的規(guī)劃編制審批體系、實施監(jiān)督體系、法規(guī)政策體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系；基本完成市縣以上各級國土空間總體規(guī)劃編制，初步形成全國國土空間開發(fā)保護“一張圖”。到2035年，全面提升國土空間治理體系和治理能力現(xiàn)代化水平，基本形成生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀，安全和諧、富有競爭力和可持續(xù)發(fā)展的國土空間格局[1-3]。資源環(huán)境承載能力評價和國土空間開發(fā)適宜性評價（簡稱“雙評價”）作為國土空間規(guī)劃編制的基礎(chǔ)，是通過對比現(xiàn)狀（如開發(fā)利用現(xiàn)狀、永久基本農(nóng)田紅線、生態(tài)保護紅線等）對既有規(guī)劃成果進行校正，指出規(guī)劃范圍內(nèi)未來生態(tài)修復(fù)的要點，揭示現(xiàn)狀資源環(huán)境稟賦的優(yōu)勢與短板，指出提升國土空間資源環(huán)境承載能力的路徑，滿足國土空間規(guī)劃提出的“必用性”“管用性”和“好用性”內(nèi)在要求[4-6]。

我國國土廣闊，地形地貌多樣，其中60%以上位于丘陵和山地區(qū)域，國土范圍內(nèi)約40%地級市依托丘陵地形建設(shè)。丘陵生態(tài)環(huán)境較脆弱，且開發(fā)難度相對較大，這對城市的發(fā)展造成一定影響，而這些城市又普遍有著較強的用地擴張需求[7-9]。根據(jù)《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價指南（試行）》（簡稱“雙評價指南”）中城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價方法，城鎮(zhèn)建設(shè)不適宜區(qū)的判定包括地形坡度大于25°的區(qū)域，對于丘陵地區(qū)使用該方法會導(dǎo)致不適宜區(qū)、適宜區(qū)破碎，集中連片度差等問題，不利于城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定[10]。

本文使用地形位置指數(shù)（Topographic Position Index，TPI）劃定的地形單元類型，作為城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價的地形地貌評價要素。文中主要應(yīng)用DEM和ArcGIS 空間分析工具，統(tǒng)計分析獲得城鎮(zhèn)建設(shè)地形地貌不適宜空間，應(yīng)用于城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價中，并以株洲市云龍示范區(qū)為例進行實證研究。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

云龍示范區(qū)位于株洲市北部，地處長沙—株洲—湘潭腹地核心，整個研究區(qū)域面積178 km2，地處湘中丘陵區(qū)，地形高低錯落，丘陵、山地、谷地交錯分布，總體地勢為北部、東部高，中部和南部低；北部地形比較復(fù)雜，南部比較平緩。

1.2 數(shù)據(jù)來源

高程數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM 30 m 的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Data，DEM），該數(shù)據(jù)產(chǎn)品基于“先進星載熱發(fā)射和反輻射計（ASTER）”數(shù)據(jù)計算生成，是目前唯一覆蓋全球陸地表面的高分辨率高程影像數(shù)據(jù)。通過地理空間數(shù)據(jù)云數(shù)據(jù)庫（http://www.gscloud.cn/）進行下載。

1.3 研究方法

本研究中使用TPI，該方法的定義是單元格高程與預(yù)定半徑范圍內(nèi)單元格平均高程之間的差[11-16]。利用TPI不僅可以區(qū)分出地形的坡位（如山脊、谷底、半山坡），綜合坡度數(shù)據(jù)后還可以識別出地形形態(tài)類型（如峽谷、平地、斜坡）。TPI的計算主要基于某點的高程值（在鉛垂線方向上到某一特定高程基準(zhǔn)面的距離，是描述地表形態(tài)起伏和地球表面物質(zhì)勢能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）和其鄰域范圍內(nèi)的平均高程（平均高程則是鄰域范圍內(nèi)高程變化趨勢的反映）。據(jù)此，為獲得較合理的分析結(jié)果，本文利用TPI值計算公式如下。

式中，Z0表示中心點高程，R表示預(yù)設(shè)鄰域，Zi表示鄰域內(nèi)高程，n表示鄰域內(nèi)高程點數(shù)量。

TPI算法的基本原理是在鄰域分析方法的基礎(chǔ)上，計算每個單元的高程值和該單元周圍單元的平均高程之間的差值，該算法結(jié)合局部范圍和區(qū)域范圍分析來反映某點在區(qū)域中的地形信息；在區(qū)域范圍內(nèi)TPI數(shù)值表達地形起伏特征，是地形表面形狀、凹凸變化的反映，TPI正值表示中心像元高于周邊高程的平均水平，大概率為位于凸面（線）上的點；TPI接近0表示中心像元位于平地或者斜坡上；TPI負值表示中心像元大概率位于凹面（線）上的點[12]（圖1）。

圖1 區(qū)域范圍內(nèi)TPI地形特征示意圖

結(jié)合坡度參數(shù)，在局部范圍內(nèi)，設(shè)定一定閾值，可以對位置點所在地形部位進行劃分。TPI數(shù)值計算結(jié)果為正值時，表面該像元處于鄰域內(nèi)較高處，超過TPI閾值的位置點被分為山脊、崖頂或高坡；TPI數(shù)值計算結(jié)果為負值時，對應(yīng)于該表面該像元在一定范圍內(nèi)的相對位置處于鄰域內(nèi)較低處，小于給定TPI閾值的位置點被分為山谷、低坡或崖底；TPI接近0的部位結(jié)合坡度可分為平地、崖壁和開敞緩坡（圖2）。

圖2 局部范圍內(nèi)TPI地形特征示意圖

以區(qū)域TPI和局部TPI為基礎(chǔ)（圖3），結(jié)合坡度，則可以識別出更多的嵌套地形形態(tài)，組合反映了區(qū)域范圍內(nèi)地形的復(fù)雜度，例如，可以識別出山脊、開闊山谷中的山丘、高處洼地。

圖3 結(jié)合區(qū)域TPI和局部TPI的地貌分級示意圖

2 結(jié)果與分析

地形單元類型的劃分依托計算TPI，其計算過程主要是應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)和ArcGIS中的Spatial Analyst toolbox，以每個柵格單元作為計算基礎(chǔ)進行分析計算，具體操作步驟如下。

（1）基于DEM數(shù)據(jù)，運用坡度分析工具從DEM中分別提取出坡度數(shù)據(jù)層。根據(jù)《雙評價指南》中城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價坡度分級，使用DEM顯示出區(qū)域丘陵地貌特征明細，北部存在山區(qū)；區(qū)域內(nèi)坡度超過15°面積占比6.2%，坡度超過25°面積占比0.3%（圖4）。

圖4 云龍示范區(qū)坡度結(jié)果圖

（2）基于DEM數(shù)據(jù)，運用GIS中的鄰域統(tǒng)計分析工具，選擇環(huán)形鄰域分析窗口分別計算區(qū)域和局部TPI數(shù)值。結(jié)合區(qū)域丘陵地形的特點，通過對像元單位的測試，最終選擇局部TPI分析半徑為10個DEM像元尺度，即半徑為300m的圓形卷積窗口，以及區(qū)域TPI分析半徑為67個DEM像元尺度，即半徑為2000 m的圓形卷積窗口，依據(jù)TPI方法和《雙評價指南》中城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價坡度分級，進而根據(jù)表1對其進行重分類。

表1 分類指標(biāo)

區(qū)域TPI計算結(jié)果顯示地貌差異性低于局部TPI，較小的側(cè)面特征消失，更多反映區(qū)域整體地貌主體特征。局部TPI計算結(jié)果主要反映細化特征，清晰顯示出單獨的山脊線和山谷坡，包括主要山谷的側(cè)向排水，主要峽谷的底部被歸類為平坦地區(qū)。

（3）結(jié)合區(qū)域TPI和局部的TPI結(jié)果，可以區(qū)分出各種地形類型（圖5）。一般來說，由于高程往往是空間自相關(guān)的，TPI值的范圍隨著規(guī)模的擴大而增加。為了解決這個問題，將TPI網(wǎng)格進行標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)TPI數(shù)值平均數(shù)等于0，標(biāo)準(zhǔn)差是1。該方法使用相同的標(biāo)準(zhǔn)化公式，并應(yīng)用于區(qū)域TPI和局部TPI的結(jié)果。最后分界點可以通過研究確定，實現(xiàn)優(yōu)化特定分類地形。本研究區(qū)域TPI和局部TPI融合過程中使用的分界點為Weiss[11]研究成果，使用ArcGIS工具箱中的柵格計算器進行分析，結(jié)果見圖6。

圖5 區(qū)域TPI和局部TPI結(jié)果分布圖

圖6 TPI識別地形類型結(jié)果分布圖

（4）目前結(jié)果仍然較為破碎，且對于丘陵地區(qū)的坡度影響考慮較少，為更加科學(xué)地體現(xiàn)區(qū)域地形類型并且分區(qū)單元化，現(xiàn)對城鎮(zhèn)建設(shè)坡度和高差因子進行補充修正，并將地形類型合并分類為地形單元，為決策者提供更加直觀的數(shù)據(jù)參考。結(jié)合現(xiàn)有研究和區(qū)域地形特征[16-18]，根據(jù)“雙評價”城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性坡度分級，對研究區(qū)進行分類識別地形單元（表2），并利用ArcGIS中的Spatial Analyst toolbox，獲得的地形單元結(jié)果見圖7。

表2 地形單元分類表

圖7 地形單元分區(qū)圖

地形單元分區(qū)結(jié)果顯示，區(qū)域以山前緩坡和開敞緩坡為主，西部和北部區(qū)域集中分布深丘和淺丘，面積占比深丘為10.05%、淺丘為33.61%、山前緩坡為21.05%、開敞緩坡為35.29%。其中深丘坡度和相對高差大，建議不進行城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)；淺丘坡度大，但相對高差較小，建議以居住用地為主，用地布局需依山就勢，盡量保留山體和深溝，開發(fā)工程量大；山前緩坡坡度適中，建議根據(jù)微地形布局功能，主要布局居住及公共服務(wù)設(shè)施用地，用地布局依山就勢，適當(dāng)保留山體和河流，重視疏導(dǎo)山洪，開發(fā)工程量大；開敞緩坡坡度和相對高差都較小，綜合利用，地形改造空間大，道路建設(shè)工程量大。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

根據(jù)“雙評價”中城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價方法，要求對生態(tài)保護重要區(qū)以外的區(qū)域，開展城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價，著重識別不適宜進行城鎮(zhèn)建設(shè)的區(qū)域。一般地，將水資源短缺，地形坡度大于25°，海拔過高，地質(zhì)災(zāi)害、海洋災(zāi)害危險性極高的區(qū)域，確定為城鎮(zhèn)建設(shè)不適宜區(qū)[19]。云龍示范區(qū)水資源供給充足，并且區(qū)域內(nèi)海拔適宜，主要不適宜城鎮(zhèn)建設(shè)因素為丘陵地形地貌特征，根據(jù)《雙評價指南》要求識別大于25°不適宜城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)（圖8）。

圖8 城鎮(zhèn)建設(shè)地形因子適宜性分布圖

西北部相對高海拔的大片地區(qū)與南部谷地及小型河流侵蝕平原的低海拔地區(qū)被評為同一類開敞緩坡區(qū)，造成這一結(jié)果的原因有可能是研究只考慮到坡度和相對高差，沒有考慮坡向的原因，因此，應(yīng)補充分析區(qū)域坡向。結(jié)合DEM、坡度和坡向分析，西北部地面整體較平整，坡度和坡向變化較大區(qū)域為現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)的河流水面。通過查看該地區(qū)近期遙感影像和地圖，西北部地區(qū)緊鄰省會長沙，為研究區(qū)范圍內(nèi)與長沙市區(qū)直線距離最近區(qū)域，該處核心地帶已經(jīng)建設(shè)地方特色旅游度假區(qū)及住宅樓盤，土地已平整，北部高海拔的大片地區(qū)出現(xiàn)開敞緩坡。

依據(jù)該結(jié)果識別出來的城鎮(zhèn)建設(shè)不適宜區(qū)破碎度高，會因此產(chǎn)生許多孤立破碎的不適宜建設(shè)用地。城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的概念是針對經(jīng)濟發(fā)達或快速發(fā)展并已經(jīng)導(dǎo)致城市用地?zé)o序大規(guī)模擴張的地區(qū)而提出的，因而這些破碎的不適宜城鎮(zhèn)建設(shè)用地會導(dǎo)致城鎮(zhèn)增長邊界的不連續(xù)性，難以保證邊界的連片性，需要加以剔除[20]。結(jié)合地形單元分區(qū)結(jié)果和管控，通過對深丘地區(qū)管控為城鎮(zhèn)建設(shè)用地不適宜區(qū)，淺丘地區(qū)管控為適度城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)，山前緩坡和開敞緩坡管控為城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜區(qū)，進而實現(xiàn)在城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價中對丘陵地區(qū)城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定提供支撐。

結(jié)合生態(tài)保護評價的結(jié)果，對比地形單元分區(qū)結(jié)果，生態(tài)保護的重要空間主要位于區(qū)域內(nèi)的深丘和淺丘內(nèi)，根據(jù)“三線”劃定要求，進一步對“雙評價”中產(chǎn)生的雙宜性結(jié)果進行修正，為“三線”劃定過程中“雙評價”的城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性提供空間依據(jù)[8，21]。同時，地形地貌的變化會反映到生物多樣性中，通過對深丘、淺丘地區(qū)的管控，強化生態(tài)空間山水林田湖?！吧餐w”意識，統(tǒng)籌林地、草地、河湖、灘涂、沼澤以及其他自然資源系統(tǒng)保護[22]，明確城鎮(zhèn)建設(shè)不適宜區(qū)與生態(tài)保護修復(fù)相融合，為國土空間規(guī)劃生態(tài)修復(fù)提供空間指引。

3.2 結(jié)論

本文提出一種地形單元分區(qū)的方法，并對株洲市云龍示范區(qū)進行了分析，獲得較好的分析結(jié)果。算法的數(shù)學(xué)與地學(xué)含義明確，便于計算機算法設(shè)計與程序?qū)崿F(xiàn)。本文基于GIS，利用DEM數(shù)據(jù)，綜合了高程、坡度、高差等信息來劃分地形單元類型，從而計算出TPI指數(shù)，并基于該指數(shù)提取地形單元分區(qū)，可有效反映地面起伏的變化，不僅能夠用于度量地表形態(tài)的復(fù)雜程度，也高度濃縮了地面形態(tài)信息，為從微觀到宏觀分析地形信息提供了條件。

（1）TPI指數(shù)能有效反映丘陵地區(qū)地形地貌特征，基于該方法的地形單元分級結(jié)果更為科學(xué)，計算結(jié)果更能反映土地利用格局，進而指導(dǎo)在國土空間規(guī)劃中對建成區(qū)進行空間布局優(yōu)化。

（2）目前的“雙評價”城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性對于地形地貌使用坡度分析的方法進行了修正；結(jié)合地形單元分級和管控措施，更加合理地分析了城鎮(zhèn)建設(shè)不適宜區(qū)位置，為城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定提供更加有力的支撐。

（3）結(jié)合生態(tài)保護重要性評價結(jié)果，結(jié)合城鎮(zhèn)建設(shè)不適宜區(qū)的空間分布，進行“山水林田湖草”系統(tǒng)性保護與修復(fù)，強化丘陵地區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)功能，提升人居環(huán)境品質(zhì)。

地形單元分區(qū)可為土地利用與地形因子關(guān)系的研究提供新的分析方法，分析結(jié)果可以為當(dāng)?shù)氐膰量臻g規(guī)劃、土地資源優(yōu)化配置、生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展等提供參考依據(jù)。