基于GIS的城鎮發展適宜性時空演變特征分析——以湖北省武漢市為例

楊璟旎，方 然

（武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢 430079）

我國進入快速城市化發展階段以來，城市用地盲目擴張，不僅造成土地資源浪費，而且造成城市及其周邊地區生態環境的破壞，如何科學合理地確定城鎮建設和保護范圍，成為土地學科研究的重點。我國在“十一五”規劃中提出了主體功能區劃，將區域空間劃分為重點開發區、優化開發區、限制開發區和禁止開發區;在城鎮區域總體規劃中，將土地空間劃分為已建區、適建區、限建區和禁建區［1］。而遙感技術宏觀、快速、準確獲取數據的優勢，以及越來越高的分辨率和越來越短的重復觀測周期，正好適應了城市變化快速、結構復雜的特點［2］。因此，利用遙感與GIS技術研究城鎮發展適宜性時空演變特征，對提高土地利用綜合效益具有重要實用價值，其結果能為土地規劃、城市規劃等提供依據，尤其是在建設用地的布局與開發方面具有重要的現實意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況 武漢是湖北省省會，地處我國腹地中心，江漢平原東部(113°41'～115°05'E、29°58'～31°22'N)。世界第三大河長江及其最大支流漢水橫貫市境中央，將武漢一分為三，形成了武昌、漢口、漢陽3鎮隔江鼎立的格局。武漢市幅員面積8 494.41 km2，下轄7個中心城區和6個遠城區，2013年常住人口1 022萬。武漢是中部6省唯一的副省級城市，也是國務院批準的中部地區中心城市，按照城市常住人口、GDP總量、建成區面積等指標，武漢均為中部第一、全國前十的特大城市，也是世界各大城市中人均擁有水量最多的城市。2014年武漢市實現地區生產總值10 069.48億元，位列全國所有城市的第八位［3］。

1.2 數據來源 該研究數據主要來源于遙感影像數據、地形數據以及武漢市歷年土地利用現狀數據。其中遙感影像數據分別選取2001、2007與2013年3期的30 m×30 m Landsat7 ETM數據，地形數據選取武漢市DEM數據與坡度數據，同時以武漢市歷年土地利用現狀數據以及各級路網數據、城市軌道交通網絡數據作為參考。3期Landsat7 ETM影像數據采用5、4、3三波段進行假彩色合成，均轉換至西安80投影坐標系。在Envi4.8中對3期遙感影像進行空間校正、拼接、裁剪，采用統一的解譯標志(Region of Interest)進行分類，建立2001、2007、2013年3個時期的土地利用空間、屬性數據庫。

1.3 評價指標體系的構建

1.3.1 評價因子的選取。根據武漢市的自然環境特點以及當前的社會經濟發展狀況，結合近年來國內外學者在城鎮發展適宜性評價領域的主要研究成果，將影響武漢市城鎮發展的因素分為自然環境因素、區位因素以及生態環境因素3大類，并在每一大類中細分若干因子，共同構建武漢市城鎮發展適宜性評價指標體系。

(1)自然環境因素。主要選取了坡度和高程2大因素。坡度和高程是土地資源固有的2個重要環境因子，對土地利用和土地生產力有直接作用。坡度和高程基本上決定了土地利用方向和利用方式，從而影響到經濟效益和發展潛力。坡度的大小對工程建設的投入、施工難度和城市供水等產生重要影響。因此，應該盡量避免在較大坡度區域進行城市建設。

(2)區位因素。區位適宜度反映新布局建設用地的便利程度，新增建設用地具有向交通線路以及現狀城鎮等輻射效應性強的地段集聚的態勢。城鎮的擴張與現狀城鎮以及交通網絡的輻射效應直接相關，因此社會經濟因素選取與現狀城鎮的距離、與城市軌道交通線路的距離、與國道的距離、與省道的距離以及與市內主干道距離5大因素。

(3)生態環境因素。生態適宜度反映生態用地對城鎮建設用地的外部性環境影響程度，建設用地靠近生態用地能獲得更多的生態效益。評價中選取了與湖泊、水庫、林地、江河的距離等4個因子。但是，值得注意的是，生態因子對建設用地的布局也會起到限制性作用，布局新增建設用地不能損害生態效益，所以在水體保護區和自然與人文景觀保護區所在的區域，在分級指標量化時將這些區域賦空值(NoData)，即作為城鎮發展用地適宜性的禁區而存在，以避免分析過程中出現因子疊加后這些區域適宜或部分適宜的現象，保證評價結果的客觀現實性［4］。

1.3.2 權重的確定。城鎮發展適宜性評價各因素因子的權重通過層次分析法(AHP)結合專家打分法(Delphi)確立。層次分析法是一種多目標決策方法，基于系統的層次性原理，將復雜的問題分成若干層次，逐步分解比較，把人的主觀判斷用數量的形式來表達和處理［5-7］。專家打分法是指彼此相互獨立的多名專家通過匿名的方式對同一目標給出意見，經過多輪的意見反饋與修正后綜合成基本一致的意見與決策，并以此作為最終的評價結果［8-11］。

根據各因素因子對于城鎮發展適宜性的影響機理，對各因子在不同距離范圍的輻射作用進行評分，各因子層適宜性分值介于0～100，分值越高，單因子在該輻射范圍內的城鎮發展適宜度越高。評價指標體系與各因子在不同范圍內的得分及權重如表1所示。

1.4 模型構建與評價 在ArcGIS9.3中通過武漢市數字高程模型(DEM)獲取高程數據，通過空間分析模塊中的坡度提取功能獲得坡度數據;將區位因素與生態環境因素中的各因子按指標體系中的距離進行緩沖區分析，通過重分類功能將每一因子層的不同緩沖區域賦值，分別得到11個指標的單因子適宜度評價圖層。

該研究使用多因子加權疊加的方式得到最終的評價結果。以各單項因子的分析為基礎，結合權重值，計算各單項因子的適宜性得分，多因子加權疊加匯總確定城鎮發展用地適宜性級別，其綜合適宜性評價公式為［12-14］:

式中，Sij為第ij個格網的綜合適宜性分值;gij(m)表示第m個評價因子在第ij個格網的適宜性分值;wm為表示第m個評價因子的權重。

2 結果與分析

在ArcGIS9.3中分別對11個因子層進行緩沖區分析，根據指標體系中各評價因子所處區域范圍的不同分別賦予0～100的分值，生成11個單因子評價層，利用柵格計算器(raster calculator)加權疊加各單因子適宜性分級圖層，得到綜合評價結果，并將其按照適宜性分值劃分為4個等級:高適宜區、中適宜區、低適宜區、不適宜區。最后將生態與水體保護區嵌入綜合評價圖層作為禁止建設的區域，得到2001、2007、2013年3期武漢市城鎮發展用地適宜性評價的最終結果(圖1)以及不同級別城鎮發展適宜區面積統計表(表2)。

表1 城鎮發展適宜性評價因素因子體系

表2 2001、2007、2013年城鎮發展適宜性分級面積統計

2.1 時間演變特征分析 從表2可以看出，伴隨著近十年來武漢市的城市建設和擴張運動，2001～2013年武漢市城鎮發展高、中適宜區土地面積總體呈遞增趨勢，其中高適宜區的面積由2001年的117 087.84 hm2上升到2013年的204 999.75 hm2，增加了75%。新一輪的城市化以及城市人口的爆炸式增長帶來了一系列用地需求的增長，特別是帶來了交通便利程度的增加，因而低適宜區以及不適宜區總體呈下降趨勢，其中低適宜區由2001年的307 028.79 hm2下降到2013年的214 777.98 hm2，下降了30%。同時，2001～2013年中適宜發展地區占總面積的比重并未發生大的改變，僅從23.79%變化到25.52%;而所占比例變化最為明顯的就是高適宜區，由15.09%增長到26.83%;低適宜區所占比例則由39.57%大幅下降到28.11%。2001～2013年武漢市城鎮土地發展適宜區各類土地面積的變化側面反映了城市發展所帶來的自然環境、生態環境特別是某些地區區位條件的改善，因而使得城鎮總體適宜發展的土地面積增加［15］。

2.2 空間演變特征分析 從圖1可以看出，2001年武漢市發展高適宜區主要集中在中心城區以及黃陂和新洲等少數遠城區地區。伴隨著接下來幾年中東湖高新技術開發區以及吳家山經濟開發區的成立、武漢經濟技術開發區的發展，到了2007和2013年，武漢市發展高適宜區擴展到了蔡甸區、漢南區、東西湖區以及江夏區的部分地區，總體分布呈擴張趨勢。而由于城市邊緣的生態環境和自然環境的低水平，特別是交通和區位條件的低水平，武漢市城市發展不適宜區主要分布在新洲區的東端、蔡甸區的西端、江夏區的南端以及最黃陂區靠北段。

3 結論與討論

該研究以武漢市為例，基于2001、2007與2013年3時期遙感數據，從城鎮發展適宜性時空演變特征角度進行分析，旨在為城市合理發展提供科學的依據。研究過程中，選擇了城鎮發展適宜性評價的多個指標，利用GIS技術進行疊加分析，較客觀地實現了城鎮發展的適宜性評價。結果表明，2001～2013年武漢市城市化進程發展十分迅速。由于武漢市特殊的地理位置以及多水域的城市城市特征，城鎮發展高適宜性地區主要集中在中心城區以及大型水域附近。同時伴隨著武漢大舉造城，蔡甸區等幾個遠城區的城鎮發展高適宜性地區面積有所增加。

在武漢市的城市建設用地規劃過程中應合理考慮該地區的生態適宜性，規劃布局應順應生態系統的自然規律，用地應盡量選擇適宜度高的區域，這樣才能最大程度地保證城市優良的自然生態環境。在規劃城市用地的使用上應將市域內生態敏感區和重點保護的土地作為禁建區，同時應注重保護濕地、植被等自然因子。

該研究選擇多個影響因子并利用GIS技術分析了武漢市土地資源的城鎮發展適宜性，研究結果具有現實意義。但由于影響城鎮發展適宜性評價的因子較多而且地區間差異較大，因此在確定評價因子和權重等方面可能還不夠全面和準確。在以后的研究中應進一步完善，以得到更精確的結果。

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