村鎮用地擴張損益模型及土地適宜性評價
——以五大連池鎮為例

劉宇舒,趙天宇

(哈爾濱工業大學 建筑學院，哈爾濱150001)

村鎮用地擴張損益模型及土地適宜性評價
——以五大連池鎮為例

劉宇舒,趙天宇

(哈爾濱工業大學 建筑學院，哈爾濱150001)

為科學辨識土地自然和社會經濟屬性，綜合評定其適建水平、質量高低及其限制狀況，立足于損益分析視角以五大連池為例，借助RS與GIS技術，從空間區位、自然地理、社會經濟、生態保護4個方面構建17個因子的用地擴低張阻力賦值體系，應用最小累積阻力模型模擬村鎮建設用地擴張與生態用地覆蓋過程，探討空間土地利用動態演變的潛在趨勢，據此通過損益模型劃定鎮域空間適建類型，進行土地適宜性評價.結果表明，五大連池鎮Ⅰ類(高適宜建設區)、Ⅱ類(較為適宜建設區)、Ⅲ類(較為不適宜建設區)、Ⅳ類(不適宜建設區)用地面積為41.01、138.97、387.85、492.26 km2，分別占鎮域面積的3.86%、13.11%、36.59%、46.44%，劃分結果可為鎮域土地適宜性評價及空間管制規劃提供輔助判別的技術方法.

損益分析；土地擴張趨勢模擬；用地適宜性；最小累積阻力模型；五大連池鎮

城鎮化快速發展時期，村鎮建設用地因人口與經濟的驅動作用出現了前所未有的擴張，生態環境的惡化與土地資源的供需失衡接踵而至，嚴重影響了嚴寒地區農村地域作為國家重要的生態保障與糧食生產的主體功能.鎮域土地適宜分區旨在宏觀辨識土地的生態屬性與發展潛力，在維持生態服務水平的基礎上判別土地利用等級，是破解當前村鎮建設的生態負效應，保障城鎮化健康發展的技術解決措施和空間管控依據.

當前，土地適宜性評價主要有地圖疊加法及其修正模型、邏輯規則組合法兩種.其中，地圖疊加法是由美國賓西法尼亞大學McHarg[1]提出，是以因子分層分析和地圖疊加技術為核心的土地利用規劃方法，后經國內學者運用層次分析法[2]、主成分分析法[3]、模糊評價[4]、不確定性和灰色系統關聯度[5]等方法對模型進行了一定的修正.而邏輯規則組合法是由JU[6]首先應用于土地適宜性評價，是以因子間的邏輯關系分析與組合為判斷準則劃分土地利用類別的技術方法.陳雯等[7-8]、劉毅等[9]在評價單元的劃分、評價指標的選擇、分類矩陣規則的建立等方面進行了延展與深化.兩種方法均可歸于土地單元垂直生態過程的因子疊加分析(前者應用數學疊加，后者應用邏輯疊加)，更為注重土地自身的生態屬性與結構，而在一定程度上忽視了土地單元的水平生態過程，同時對分區界限的劃分并不敏感.此外，也有學者采用“生態位適宜度模型”、“最小距離模型”、“潛力-阻力模型”等[10-12]對上述傳統方法進行改進，多應用于市域尺度，乃至更大的區域尺度.本文試圖應用損益分析，通過村鎮用地水平擴張過程的模擬構建鎮域尺度的土地適宜性分區模型.一方面，應用遙感與地理信息技術，在借鑒地圖疊加法的基礎上優化了指標選擇與處理技術；另一方面，鎮域土地擴展趨勢模擬兼顧了土地單元的水平生態過程；此外，構建的分區模型可以有效地降低分區界線判定的主觀性與模糊性.

1 村鎮用地擴張損益模型

損益分析是研究收益與成本凈結果一種社會經濟學方法，常用于國民經濟評價與環境經濟評估領域，通過估算一個項目、一個規劃或一個政策所引起的環境影響的經濟凈價值，判斷項目的可行性，并提出預防或者減輕不良環境影響的對策和措施[11].其中，環境過程與經濟過程的平衡點即為兩者優勢過程的轉折分界，是判斷可行性的關鍵性節點.土地適宜性評價是劃分生態用地與建設用地開發適宜性等級的空間管制方法，兩者相互聯系，互為制約.因此，借鑒損益分析理論，可以將土地擴張趨勢理解村鎮建設用地擴張與生態用地覆蓋對空間土地利用的競爭性控制與侵占過程.運用最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance，MCR)分別模擬村鎮建設用地擴張與生態用地覆蓋過程，通過計算兩者的差值表面(MCR差值=MCR建設用地擴張-MCR生態用地覆蓋)的平衡面(MCR差值=0)尋求兩者優勢過程的轉折分界，判斷其是否適合建設，即適宜建設(MCR差值>0)和不適宜建設(MCR差值<0)的分區界限(如圖1)，并根據GIS空間分析的突變點將土地進一步劃分為Ⅰ類(高適宜建設區)、Ⅱ類(較為適宜建設區)、Ⅲ類(較為不適宜建設區)、Ⅳ類(不適宜建設區).

2 研究區域概況

五大連池鎮位于黑龍江西北部，地處小興安嶺與松嫩平原接壤的崗阜狀丘陵地區，東、北、西地勢相對較高，中南部地勢相對較低，以獨特的火山地貌和礦泉資源的聞名于世，地理坐標介于E125°42′～127°37′，N48°16′～49°12′.轄區內共有1個鎮，1個鄉，1個林場，5個農場，總人口56 730人，勞動力18 000人，人口密度53人/km2，勞動力密度17人/km2，面積約為1 060 km2，其在市域區位如圖1所示.

圖1 五大連池鎮區位圖

3 數據來源與預處理

本文以五大連池鎮2010年TM遙感數據(分辨率30 m)、DEM數據(1∶250 000)，土地利用矢量數據(1∶50 000)，五大連池世界地質公園總體規劃圖、地質圖、土壤圖、居民點分布和服務設施圖、地質遺跡和文化遺產分布圖等專題圖件為基礎數據，通過影像的預處理、地圖配準、數字化構建五大連池鎮土地適宜性評價的基礎數據庫.

4 研究方法與過程

最小累積阻力模型是度量研究區內“源”克服不同對象行進阻抗力的耗費成本累積，是一種用以測度空間運動過程的功能循環計算方法[12]，能有效的模擬生態用地覆蓋與村鎮建設用地擴張的水平運動過程，其計算方程式為

(1)

式中：Di為從空間某一個像元i到“源”的實地距離;Fi為空間中某一像元j的阻力值;Ci為像元i到源的累積耗費值;n為像元總數.

(2)

(3)

式中：Ci表示第i個像元的耗費值;Ci+1指沿運動方向上第i+1個像元的耗費值；A是指通過某一阻力表面到“源”的累積耗費距離.當通過某一代價表面沿著像元的垂直或者水平方向運動時采用式(2)；當通過某一代價表面沿著像元的對角線方向運動時采用式(3)[13].

應用最小累積阻力模型分別對村鎮建設用地擴張(MCR建設用地擴張)與生態用地覆蓋(MCR生態用地覆蓋)過程進行模擬，構建兩者的差值表面(MCR差值)的關鍵在于建立相同的指標體系與等級劃分標準，使其在同一個評價平臺上進行運算.同時考慮到適宜性評價的結果是對鎮域空間土地綜合屬性的梯度分區，具有量綱一的特性，因此采用1,3,5,7,9的難易等級對其進行分級.一般情況下，地形復雜性、生態價值水平、自然保護等級等指標越高越不利建設開發而有利用生態保護，其生態用地覆蓋過程阻力賦值等級為1,3,5,7,9；空間區位條件、居民點等級、產業發展潛力等指標越高越不利于生態保護而有利于建設開發，其建設用地擴張過程阻力賦值等級為1,3,5,7,9.

4.1 “建設用地-生態用地”源地的辨識

“源地”是用地擴張過程的動力聚集地，不同的水平擴張過程源地不同.村鎮建設用地擴張過程選擇鎮、村莊的建設用地作為擴張“源”.生態用地覆蓋過程選擇生境條件較好的自然保護區、自然森林公園、重要水源地、大型林地斑塊作為覆蓋“源”，見表1.

表1 五大連池鎮重要的源地提取

4.2 “建設用地-生態用地”擴張與覆蓋過程阻力評價

土地單元的異質性與復雜性決定了“源”向周邊擴張克服阻力的差異性.依據五大連池特殊的地域特征選取空間區位、自然地理、社會經濟、生態保護4個方面17個指標構建用地擴張的指標體系，并通過德爾菲法與層次分析法確定其權重.其中，生態健康指數采用遙感影像解譯的歸一化的植被指數NDVI獲得；生態服務指數是采用謝高地等對中國生態系統單位面積的生態價值系數，通過構建基于單元格的價值累積歸一化后獲得；土壤類型是參考《SL190-2007：土地侵蝕分類分級標準》進行分級；高速公路30～50 m是建筑控制區，其沒有出入口的沿線鄰域土地價值較低[14]，建設用地擴張阻力賦值較高；地形起伏度、坡度通過DEM數據的地形分析采用自然間斷點分級法進行分級，其評價因子屬性等級劃分與賦值，見表2.值得說明的是，不同類型的村鎮依據其地域與氣候特點、人口與經濟條件、資源與環境特性選擇與之相適應的指標項，如以糧食生產為主導的村鎮，與農業生產相關的指標(耕地資源指數、土壤質地、耕作層厚度、灌溉水、勞作出行距離等)應有所考慮；而以生態功能為主導的村鎮，應增補生態相關的指標(水土保持指數、生態脆弱指數、生物多樣性指數等).

4.3 應用阻力評價制作 “建設用地-生態用地”擴張與覆蓋過程的成本表面

借助ArcGIS平臺的數理統計與空間分析功能，根據“建設用地-生態用地”擴張與覆蓋過程阻力評價指標體系，分別制作單因子成本柵格，并使用“重分類”工具進行指標分級的重新賦值(1、3、5、7、9或9、7、5、3、1)，進而根據各因子的權重進行多因子疊加，從而分別得到兩個過程的成本表面，如圖2、3所示.由生態用地阻力成本表面可以看出，中部五池水域片區的生態擴張乏力，鄰域擴張阻力較大，南北向鎮域公路附近出現了明顯的阻力塌陷，顯示出了東西向生態連通性的障礙.由村鎮建設用地擴張阻力成本表面可以看出，南側鎮區附近的建設阻力較小，較易形成建設聚集區，南北沿公路向東擴張的趨勢明顯，中部沿公路西側與西南側居民點，分布離散且面積較小，對阻力成本的整體趨勢影響不大，僅降低了局部累積阻力.

4.4 “建設用地-生態用地”擴張與覆蓋過程模擬

針對“源”與阻力成本表面2個圖層，通過ArcGIS的Cost-Distance模塊的循環計算功能，進行生態用地與建設用地擴張模擬，獲得各源地的最小累積阻力表面(如圖4、5所示)，用以判別“源”的最小耗費方向與潛在擴張趨勢.由此可以看出，生態用地擴張在西南側出現了明顯的中斷，連通耗費較大，東南、東北、南北向也出現不同程度的阻力塌陷，而建設用地擴張受生態用地的制約呈現明顯的條帶形態依附于主要鎮域道路.

4.5 應用損益模型進行土地適宜性分區與修正

應用損益模型，通過構建村鎮建設用地擴張與生態用地覆蓋過程差值(MCR差值)進行土地適宜性分區.其中0值點為控制建設區與適宜建設區的分界點.差值大于0的分區更為適宜用做生態保護用地，差值小于0的分區更為適宜用作村鎮建設用地，差值表面如圖6所示.依據村鎮空間管制的彈性要求與分類引導需求，有必要對村鎮建設用地與生態保護用地做進一步劃分.在差值與柵格數目關系中，突變點表征了前后土地單元的阻礙或刺激作用驟變，可作為分區的閾值[15]，由此將鎮域劃分為4個等級，分別為Ⅰ類(適宜建設區)、Ⅱ類(較為適宜建設區)、Ⅲ類(較不適宜建設區)、Ⅳ類(不適宜建設區).

根據村鎮用地擴張損益模型及適宜性評價分區，Ⅰ類用地主要集中于研究區南部和中部偏東、縱穿南北的條帶型區域內；Ⅳ類用地主要集中于重要的林地、水源地、濕地，是重要生態功能保育與地質遺跡地.地表水源保護區(五池)、風景名勝區(特級)、基本農田保護區、地質災害危險區、基本農田保護區作為國家政策重點的保護對象，其用地范圍應完整劃為Ⅳ類用地不適宜建設區.此外，Ⅰ類(適宜建設區)、Ⅱ類(較為適宜建設區)的分區界限是根據突變點定量劃分，未充分考慮五大連池鎮實際的人口、用地規模與經濟發展水平，應根據實際情況適當調整，彈性控制.由此得出最終的五大連池鎮適宜性評價結果，Ⅰ類(適宜建設區)、Ⅱ類(較為適宜建設區)、Ⅲ類(較不適宜建設區)、Ⅳ類(不適宜建設區)面積為41.01、138.97、387.85、492.26 km2，分別占鎮域面積的3.86%、13.11%、36.59%、46.44%，如圖7所示.

表2 生態用地覆蓋與村鎮建設用地擴張評價因子、阻力賦值及權重表

圖2 生態用地覆蓋成本表面

圖3 建設用地擴張成本表面

圖4 生態用地覆蓋模擬

圖5 建設用地擴張模擬

圖6 最小累積阻力差值表面

圖7 土地適宜性分區

5 結 論

1)提出了“損益分析”方法應用于適宜性分區模型思路，以建立土地利用的互斥關系對象為前提，以統一互逆的評價準則為基礎，建立鎮村建設用地擴張與綠色生態用地覆蓋過程的比較、競爭關系評判.利用差值平衡點、突變點為關鍵分區的閾值判斷建設用地合理的分區類型，彌補了目前評價方法分區依賴主觀判斷，界定模糊的缺陷.

2)運用最小累積阻力模型對村鎮建設用地擴張與生態用地覆蓋過程進行模擬，定量地計算出分析出用地演變的最佳方向與最短路徑，做到以盡可能少的土地獲得最佳的效益.同時，簡便的運算方式和適度的數據需求，使得模型具有普遍的實用性與可操作性.但應該指出的是，上述探討內容仍存在不足，本文村莊與鄉鎮的擴張機制的差異性有待進一步的討論，并在模擬過程中予以修正.由于既有標準的缺乏與基礎數據獲取的限制，構建的阻力評價指標體系，難免存在疏漏且因子間可能出現重復現象.同時，阻力評價賦值采用了1、3、5、7、9的等距的標度劃分方式有待進一步的完善與深化.

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(編輯 張 紅)

Profit and loss model of land expansion and land suitability evaluation in the villages and towns: a case study in Wudalianchi town

LIU Yushu, ZHAO Tianyu

(School of Architecture, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Land suitability evaluation is an important tool for identifying ecological attributes and potential development of lands and guiding the development rationally. Taking wudalianchi town for instance, this paper constructed seventeen factors of resistance valuation system, standing on profit and loss analysis, using RS and GIS, and applying minimum cumulative resistance model in space region, physical geography, social economy and ecological protection four aspects. The results showed: type Ⅰ(highly suitable construction region), type Ⅱ(relatively suitable construction region), type Ⅲ(relatively unsuitable construction region), type Ⅳ(unsuitable construction region). The areas of these types are 41.01 km2,138.97 km2, 387.85 km2and 492.26 km2, and the percentages of these types are 3.86%, 13.11%, 36.59% and 46.44%. The results can provide a technology method for township construction land suitability and space regulating planning.

profit and loss analysis; land expanding trend simulation; land suitability; minimum cumulative resistance; wudalianchi town

10.11918/j.issn.0367-6234.201512009

2015-12-02

“十二五”農村領域國家科技計劃課題“嚴寒地區綠色村鎮體系及其關鍵技術”(2013BAJ12B01)

劉宇舒(1987—)，女，博士研究生； 趙天宇(1961—)，男，教授，博士生導師

趙天宇,hit_tyzhao@aliyun.com

TU984

A

0367-6234(2017)04-0167-06