基于GIS山地城市土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)研究

馬錦，邱月

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401120)

1 引 言

土地開發(fā)適宜性，是充分考慮地區(qū)自然生態(tài)與環(huán)境基礎(chǔ)、資源條件與利用潛力、經(jīng)濟(jì)效益與開發(fā)需求，對(duì)土地自然屬性和社會(huì)屬性進(jìn)行的綜合鑒定[1]。關(guān)于土地開發(fā)適宜性，學(xué)者們進(jìn)行了諸多研究，柯勒[2]認(rèn)為，土地的區(qū)位條件、土地自身具有的物理屬性和化學(xué)屬性對(duì)城市用地選擇的影響要比社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素更為重要。方曉麗[3]認(rèn)為需要采用合理的主觀判斷和資源、災(zāi)害、生態(tài)等自然要素定量分析相結(jié)合的手段，來評(píng)價(jià)土地開發(fā)適宜性。何玲[4]利用耦合分析方法確定河北省黃驊市土地利用開發(fā)分區(qū)，研究其土地開發(fā)適宜性。綜上所述，目前關(guān)于土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)研究主要集中在三個(gè)方面，一是基于地質(zhì)條件的建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)[5，6]，二是針對(duì)單項(xiàng)目標(biāo)的建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)，三是城市設(shè)計(jì)中的建筑設(shè)計(jì)適宜性評(píng)價(jià)[3，7]。雖然土地開發(fā)適宜性研究成果豐碩，但多數(shù)還停留在平原城市，關(guān)于山地城市的研究成果較少。隨著城市建設(shè)進(jìn)程加快和版圖擴(kuò)展，部分山地區(qū)域隨之出現(xiàn)生態(tài)破壞嚴(yán)重、人居安全事故等問題。因此，迫切需要一套適用于山地城市土地開發(fā)適宜性的理論和方法對(duì)其進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)[8]。平原城市自然和社會(huì)屬性與山地城市差異較大，其開發(fā)用地適宜性評(píng)價(jià)體系和方法無法完全適用于山地城市評(píng)價(jià)需要。近年來，土地適宜性評(píng)價(jià)積累了多種方法實(shí)踐[9～13]，隨著GIS技術(shù)不斷成熟，其空間分析和地統(tǒng)計(jì)學(xué)能力為山地城市土地適宜性評(píng)價(jià)提供了重要的技術(shù)手段[12，14，15]。

以山地城市為研究對(duì)象，基于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM)、遙感影像等數(shù)據(jù)，采用多因子疊置分析方法，以差異性、主導(dǎo)性、穩(wěn)定性和綜合分析為原則，構(gòu)建影響山地城市土地開發(fā)適宜性指標(biāo)，利用層次分析法(AHP)確定各指標(biāo)權(quán)重，完成山地城市土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)研究。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

使用1 m分辨率的渝北區(qū)DEM數(shù)據(jù)，采用GIS分析方法完成研究區(qū)的高程，坡度等自然地形分析。使用渝北區(qū)第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)，完成研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀分類。使用2018年 1 m分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，解譯和校正土地利用現(xiàn)狀。

2.2 研究方法

土地適宜性評(píng)價(jià)是評(píng)定土地對(duì)于某種用途是否適宜以及適宜程度，它是進(jìn)行土地利用決策，科學(xué)地編制土地利用規(guī)劃的基本依據(jù)[16]。通過選取影響因子，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，完成山地城市土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)。

(1)因子評(píng)分法

因子選取遵循三個(gè)原則：一是主導(dǎo)因子原則，對(duì)一定地區(qū)土地利用方式，選取對(duì)土地生產(chǎn)力影響較大的因子，著重分析。二是因子穩(wěn)定性原則，根據(jù)因子變異性特征，找出影響土地開發(fā)適宜性穩(wěn)定因子。三是差異性原則，選擇的因子性質(zhì)之間，保證其相互獨(dú)立，不互相重疊。在相關(guān)原則指導(dǎo)下，研究選取高程因子、坡度因子、交通因子、城鎮(zhèn)因子以及生態(tài)敏感因子指標(biāo)，并且對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。各個(gè)指標(biāo)根據(jù)等級(jí)不同，分為無限定區(qū)、弱限定區(qū)、一般限定區(qū)、較強(qiáng)限定區(qū)及強(qiáng)度限定區(qū)五大類[17]。生態(tài)敏感因子包含耕地、林地、園地、草地、水域、建設(shè)用地和其他用地。為了便于綜合分析，將研究區(qū)域生態(tài)敏感因子歸為四大類別，分別是農(nóng)用地、建設(shè)用地、生態(tài)用地以及未利用地[18]。采用專家評(píng)分法，將評(píng)分等級(jí)分為1-10的等級(jí)，等級(jí)分值和指標(biāo)的影響強(qiáng)度呈反比，等級(jí)越高，指標(biāo)影響強(qiáng)度越弱，表1是山地城市開發(fā)適宜性評(píng)分表。

表1 山地城市土地開發(fā)適宜性評(píng)分表

(2)綜合分值法

在所構(gòu)建指標(biāo)體系中，用高程和坡度因子參數(shù)衡量區(qū)域地形影響；用中心城鎮(zhèn)距離參數(shù)衡量城鎮(zhèn)的影響，用交通干線距離參數(shù)衡量交通的影響，用耕地、林地、園地、草地、水域、建設(shè)用地和其他用地參數(shù)描述生態(tài)的影響。結(jié)合層次分析法(AHP)和專家知識(shí)對(duì)所構(gòu)建的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值(按照式(1))，完成綜合分值的測(cè)算。

(1)

式中，p為單位土地適宜性評(píng)價(jià)，即每個(gè)評(píng)價(jià)單元的土地適宜性。Si為第i個(gè)土地適宜性評(píng)價(jià)，Wi為第i個(gè)土地適宜性評(píng)價(jià)的權(quán)重值，n為評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)。

(3)疊置分析

在GIS分析中，采用網(wǎng)格法進(jìn)行采樣，將評(píng)價(jià)區(qū)按不規(guī)則多邊形網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，評(píng)價(jià)單元大小依評(píng)價(jià)對(duì)象而定，以單元格進(jìn)行劃分，使每個(gè)評(píng)價(jià)單元都具有空間屬性，并將其屬性信息賦予空間格網(wǎng)，然后對(duì)其進(jìn)行空間分析。圖1表示不同柵格對(duì)象空間和屬性疊置分析原理。

圖1 柵格空間數(shù)據(jù)疊置分析原理

(4)技術(shù)路線

在確定指標(biāo)基礎(chǔ)上，采用層次分析法確定各影響因子權(quán)重，權(quán)重結(jié)果如圖2所示。將評(píng)價(jià)結(jié)果分為最適宜開發(fā)用地、適宜開發(fā)用地、適宜一般開發(fā)用地、適宜適度保護(hù)用地和適宜嚴(yán)格保護(hù)用地。

圖2 技術(shù)路線圖

3 研究區(qū)概況

重慶市渝北區(qū)，地處重慶西北部，地跨東經(jīng)106°27′30″～106°57′58″、北緯29°34′45″～30°07′22″之間，幅員 1 452 km2。渝北區(qū)地處華鎣山主峰以南的巴渝平行嶺谷地帶，地勢(shì)從西北向東南緩緩傾斜。北部為中山，中部為低山，南部多淺丘，地貌多呈壟崗狀，山體雄厚地勢(shì)起伏較大，具有重慶典型的山地地貌特征。如圖3所示。

圖3 區(qū)位表達(dá)圖

各種用地類型分布對(duì)土地適宜性有一定的制約，在進(jìn)行渝北區(qū)土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)過程中，基于遙感影像和第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蠓椒?，完成渝北區(qū)土地利用類型的劃分(表2)。結(jié)果表明，生態(tài)用地占比最大，高達(dá)一半有余，主要分布在北側(cè)，依次是農(nóng)用地，建設(shè)用地和未利用地，農(nóng)用地占比為24%，分布在生態(tài)用地兩側(cè)，龍王洞山、銅鑼山和明月山(簡(jiǎn)稱“三山”)以及其中的槽谷區(qū)域，建設(shè)用地分布在研究區(qū)的西南側(cè)，未利用地占比最小，零落地分布于渝北區(qū)西南側(cè)。

表2 重慶市渝北區(qū)土地利用面積和百分比

4 結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

4.1 單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

(1)地形因子評(píng)價(jià)結(jié)果

在高程因子評(píng)價(jià)結(jié)果中，強(qiáng)度限定區(qū)分布在西北部，占比23.84%，較強(qiáng)限定區(qū)占比最大，高達(dá)71.42%，一般限定區(qū)占比較小，為4.74%，主要分布在河流水系所在的河床位置(如圖4(a)所示)；在坡度因子評(píng)價(jià)結(jié)果中，強(qiáng)度限定區(qū)分布在北部，占比23.64%，較強(qiáng)限定性區(qū)和一般限定區(qū)絕大部分分布強(qiáng)度限定區(qū)周圍，占比分別為10.43%和11.20%，弱限定區(qū)占比為24.19%，無限定區(qū)分布在研究區(qū)南部，離居住密集區(qū)較近，占比30.54%(如圖4(b)所示)。圖4為渝北區(qū)高程因子和坡度因子分析結(jié)果。

圖4 地形因子分析結(jié)果

(2)城鎮(zhèn)評(píng)價(jià)結(jié)果

城鎮(zhèn)吸引力在集聚效應(yīng)作用下具有內(nèi)在不斷擴(kuò)展的動(dòng)力機(jī)制。以城鎮(zhèn)集聚區(qū)為中心，各區(qū)域到城鎮(zhèn)中心距離與其位置優(yōu)越性成負(fù)相關(guān)關(guān)系，距離中心城鎮(zhèn)越近，區(qū)域位置則越優(yōu)越。城鎮(zhèn)因子評(píng)價(jià)是通過獲取各區(qū)域到城鎮(zhèn)中心的距離，采用自然斷點(diǎn)法對(duì)距離進(jìn)行重分類，將重分類結(jié)果分為四類，分別是區(qū)域位置優(yōu)越，區(qū)域位置較為優(yōu)越，區(qū)域位置一般和區(qū)域位置較差，并統(tǒng)計(jì)其空間占比和分布，各類別依次占比為68.67%、20.12%、7.77%及3.44%(如圖5所示)。分析結(jié)果中，區(qū)域位置優(yōu)越這一類別占比高達(dá)一半左右，說明研究區(qū)城鎮(zhèn)吸引力較好，適宜城鎮(zhèn)發(fā)展。

圖5 城鎮(zhèn)因子評(píng)價(jià)結(jié)果

(3)交通因子評(píng)價(jià)及結(jié)果分析

交通可達(dá)性強(qiáng)、便捷度高的區(qū)位比其他區(qū)域更容易轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地，土地開發(fā)潛力大。交通因子評(píng)價(jià)首先獲取各區(qū)域距離交通干線的距離，再采用自然斷點(diǎn)法對(duì)其重分類，分為交通條件優(yōu)越、交通條件較優(yōu)越、交通條件一般和交通條件較差四類，各分類分析結(jié)果(如圖6所示)依次占比為56.89%，22.07%，11.66%和9.38%。圖6研究區(qū)域離人口聚集區(qū)越近，交通條件越優(yōu)越，離人口聚集地越遠(yuǎn)，交通條件越差。交通條件優(yōu)越和較優(yōu)越占總面積比78.96%，占比較高，說明研究區(qū)的交通條件適宜，土地開發(fā)潛力大。

圖6 交通評(píng)價(jià)因子

(4)生態(tài)敏感因子評(píng)價(jià)及結(jié)果分析

基本生態(tài)保護(hù)因子主要包含水系、濕地、森林綠地以及自然保護(hù)生態(tài)區(qū)等[19]。生態(tài)敏感度越高，土地的開發(fā)適宜性越低，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。生態(tài)敏感因子評(píng)價(jià)結(jié)果(如圖7所示)。生態(tài)用地、農(nóng)用地主要分布在研究區(qū)北側(cè)，圍繞龍王洞山、銅鑼山和明月山(簡(jiǎn)稱“三山”)分布，建設(shè)用地主要分布在研究區(qū)西南側(cè)，兩者呈片狀分布。其中，生態(tài)用地面積占比為54.75%，農(nóng)用地占比為24.94%，建設(shè)用地占比為20.12%，未利用地占比最少為0.19%。片區(qū)內(nèi)土地利用類型以生態(tài)用地和農(nóng)用地的土地類型為主，建設(shè)用地類型為輔。

圖7 生態(tài)敏感因子評(píng)價(jià)結(jié)果

4.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)地形因子、城鎮(zhèn)因子、交通因子以及生態(tài)敏感因子綜合評(píng)價(jià)，結(jié)合層次分析法和專家知識(shí)，對(duì)各個(gè)指標(biāo)權(quán)重賦值(公式1)，綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)土地開發(fā)綜合適宜性。評(píng)價(jià)結(jié)果分為適宜嚴(yán)格保護(hù)用地、適宜適度保護(hù)用地、適宜一般開發(fā)用地、適宜開發(fā)用地以及最適宜開發(fā)用地五個(gè)類別。如圖8和表3所示。

圖8 土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)

表3 綜合分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

五個(gè)類別依次面積占比為31.79%、40.39%、0.01%、27.81%以及0.01%。結(jié)果如圖8所示。在數(shù)量上，以適宜適度保護(hù)區(qū)為主，占總面積四成左右。在空間分布上，適宜嚴(yán)格保護(hù)用地分布在龍王洞山、銅鑼山和明月山所在區(qū)域，適宜適度保護(hù)用地分布在適宜嚴(yán)格保護(hù)用地外圍，即“三山”和“三山”所夾的槽谷區(qū)域。適宜開發(fā)用地分布在雙鳳橋街道以南區(qū)域，均勻遍布在19個(gè)街道所處位置。適宜一般開發(fā)用地分布在適宜開發(fā)用地的外圍，零散分布。最適宜開發(fā)用地主要分布在龍興鎮(zhèn)、落磧鎮(zhèn)、王家街道、雙龍湖街道和仙桃街道區(qū)域。

4.3 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證本次分析結(jié)果合理性，對(duì)2020年渝北區(qū)遙感影像用地類型進(jìn)行目視解譯，得到渝北區(qū)實(shí)際建設(shè)用地和非建設(shè)用地的分布，該解譯結(jié)果視為比對(duì)的真值。通過將分析結(jié)果和解譯真值比對(duì)，在GIS中進(jìn)行數(shù)據(jù)屬性關(guān)聯(lián)，完成結(jié)果統(tǒng)計(jì)。圖9(a)是渝北區(qū)建設(shè)和非建設(shè)用地解譯結(jié)果，圖9(b)非建設(shè)用地與土地開發(fā)適宜性分析比對(duì)結(jié)果，圖9(c)是建設(shè)用地和土地開發(fā)適宜性分析比對(duì)結(jié)果。

圖9 建設(shè)與非建設(shè)用地與土地開發(fā)適宜性驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表4、表5所示。

表4 現(xiàn)狀建設(shè)用地與分析結(jié)果比對(duì)表

表5 現(xiàn)狀非建設(shè)用地與分析結(jié)果比對(duì)表

結(jié)果表明，在建設(shè)用地區(qū)域，適宜開發(fā)用地區(qū)域占比最高，為74.54%，空間和面積相似度較高。在非建設(shè)用地區(qū)域，適宜嚴(yán)格保護(hù)用地和適宜適度保護(hù)用地，空間和面積相似度較高，分別占比44.90%和47.29%，共計(jì)高達(dá)92.19%。土地適宜性評(píng)價(jià)分析結(jié)果與現(xiàn)有土地利用格局的一致性，論證了本研究科學(xué)性和正確性。

將土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果與行政單位進(jìn)行疊加分析，結(jié)果如表6所示，統(tǒng)計(jì)信息如圖10和圖11所示。

表6 行政單位土地適宜度評(píng)價(jià)等級(jí)的面積及百分比

圖10 各個(gè)行政區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)分布

圖11 各個(gè)行政區(qū)人口分布

從表5、圖10和圖11所示，研究區(qū)整個(gè)區(qū)域土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果中適宜一般保護(hù)用地和適宜開發(fā)用地占比較高，適宜嚴(yán)格保護(hù)用地和最適宜開發(fā)用地占比較小，研究通過將行政區(qū)內(nèi)人口數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如圖11所示)，結(jié)果表明，各行政單元人口空間分布和土地開發(fā)評(píng)價(jià)結(jié)果具有一致性，空間分布吻合。按照?qǐng)D10和圖11的行政單元統(tǒng)計(jì)順序，土地適宜性評(píng)價(jià)中適宜開發(fā)用地在各個(gè)行政單元的占比呈現(xiàn)左低右高的趨勢(shì)，和對(duì)應(yīng)行政單元人口空間分布趨勢(shì)高度一致。從空間分布上來看，龍興鎮(zhèn)、落磧鎮(zhèn)、雙鳳橋街道、人和街道、金山街道、寶圣湖街道、天宮殿街道、龍溪街道和雙龍湖街道均屬于居住密集區(qū)，人口占比較高，在土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)應(yīng)上述行政單元中土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果為適宜開發(fā)用地，與人口的空間分布高度一致。自然人口越密集說明該區(qū)域自然地勢(shì)適合人居住，人口和土地開發(fā)適宜性空間和數(shù)量結(jié)果的高度一致性說明了本次評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性。

5 結(jié)論與討論

以重慶市渝北區(qū)為實(shí)驗(yàn)樣區(qū)，探索構(gòu)建了山地城市土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并將其應(yīng)用于山地城市土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)研究中，得出以下的結(jié)論。

(1)以生態(tài)保護(hù)為基本準(zhǔn)則，完成了渝北區(qū)單因子和多因子土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)。單因子分析結(jié)果表明，交通因子和城鎮(zhèn)因子對(duì)渝北區(qū)可開發(fā)用地建設(shè)區(qū)域分布影響較大，生態(tài)敏感因子對(duì)龍王洞山、銅鑼山和明月山區(qū)域的影響較大。渝北區(qū)土地開發(fā)適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果以適度保護(hù)用地和適宜開發(fā)用地為主。

(2)將渝北行政區(qū)劃與土地開發(fā)適宜性結(jié)果疊置進(jìn)行驗(yàn)證，以木耳鎮(zhèn)、古路鎮(zhèn)、石船鎮(zhèn)和落磧鎮(zhèn)的南部為分界線，最適宜開發(fā)用地和適宜開發(fā)用地主要集中在研究區(qū)西南部，適宜嚴(yán)格保護(hù)用地和適宜保護(hù)用地集中分布在研究區(qū)北部。適宜嚴(yán)格保護(hù)用地集中分布在龍王洞山、銅鑼山和明月山區(qū)域。驗(yàn)證結(jié)果中，現(xiàn)狀建設(shè)用地空間分異和土地開發(fā)適宜性分析結(jié)果呈現(xiàn)高度一致，說明了本次研究構(gòu)建的山地城市土地開發(fā)適宜性指標(biāo)的合理性和可實(shí)踐性。

本研究所構(gòu)建的影響因子指標(biāo)體系包含地形因子、交通因子、城鎮(zhèn)因子和生態(tài)因子，對(duì)于山地城市土地開發(fā)適宜性研究，評(píng)價(jià)單元、指標(biāo)體系、各因子權(quán)重確定是決定評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)。尋求一個(gè)人口、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然生態(tài)、環(huán)境資源承載相適應(yīng)的空間均衡發(fā)展格局，是非常重要的，因此，在后續(xù)的研究中，將深化考慮因子的特征以及研究單元，為山地城市土地開發(fā)適宜性提出空間開發(fā)調(diào)整的科學(xué)方案。