南昌市建設(shè)用地適宜性擴(kuò)展路徑研究

馮祥瑞,陳竹安,2,危小建,2，施陳敬

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

經(jīng)濟(jì)增長帶動城市化的快速發(fā)展，造成城市中經(jīng)濟(jì)-生態(tài)之間的矛盾沖突愈演愈烈，如何管制城市建設(shè)用地?zé)o序蔓延成為學(xué)者們的研究重點(diǎn)[1]。建設(shè)用地的增長主要以侵占周邊土地資源為主，分析研究城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對于城市景觀生態(tài)學(xué)的研究具有推動作用。城市建設(shè)用地適宜性研究是合理規(guī)劃城市空間布局的基礎(chǔ)[2]，同時也是評價(jià)城市土地資源有效性、城市建設(shè)用地適宜性及土地資源優(yōu)化方案的重要依據(jù)[3]。

近年來，城市建設(shè)用地適宜性評價(jià)方面主要與城市生態(tài)學(xué)和掛鉤政策相聯(lián)系，更多地把建設(shè)用地作為擴(kuò)張的驅(qū)動機(jī)制[4-6]，其驅(qū)動因素的多樣性對于分析研究建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的形態(tài)特點(diǎn)具有較好的依據(jù)。從分析尺度來看[7-9]，由宏觀到微觀，包含市、鎮(zhèn)、縣、村等各個層面；從研究方法來看[10-12]，從定性到定量，主要有層次分析法、生態(tài)因子加權(quán)疊加法、有序加權(quán)平均法、AHP方法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法；從研究角度來看[13-15]，由簡單到復(fù)雜，主要有供求關(guān)系視角、可持續(xù)性視角、生態(tài)視角、空間適宜性視角等。在GIS技術(shù)的支持下，適宜性評價(jià)指標(biāo)主要側(cè)重于DEM、坡度、土地利用現(xiàn)狀、交通網(wǎng)絡(luò)等[16]，與城市景觀格局量化指標(biāo)相結(jié)合的文獻(xiàn)相對較少。城市建設(shè)用地適宜性評價(jià)融合景觀格局將提高城市建設(shè)用地在生態(tài)視角下的資源高效利用，因此，本文利用最小累計(jì)阻力(minimum cumulative resistance,MCR)模型，同時結(jié)合景觀格局指數(shù)來進(jìn)行建設(shè)用地的適宜性評價(jià)，以彌補(bǔ)“攤大餅”的不足。本文借助MCR模型與景觀生態(tài)因子相結(jié)合，從多層面(點(diǎn)、線、面)對建設(shè)用地適宜性進(jìn)行分析，同時引導(dǎo)建設(shè)用地在維護(hù)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上合理進(jìn)行城市擴(kuò)張，以期對城市擴(kuò)展適宜性及方向提供理論支持。

1 研究區(qū)概況、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北方向，鄱陽湖西南岸，古代稱為“洪都”，位于115°27′E—116°35′E、28°10′N—29°11′E之間，西北方向以丘陵為主，東南以平原為主，水網(wǎng)密集，湖泊灘地眾多，氣候?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，夏季炎熱，冬季較寒冷，年降水量為1600～1700 mm，年相對濕度約為79%。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

本文研究數(shù)據(jù)來自南昌市統(tǒng)計(jì)年鑒、政府公報(bào)，地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(DEM)及南昌市2015年的遙感影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過影像融合、幾何校正、圖像增強(qiáng)與拼接等處理后，通過人機(jī)交互目視解譯與Google Earth對照的方法，根據(jù)實(shí)際情況分為5類，經(jīng)檢驗(yàn)其Kappa系數(shù)均在85%以上， 符合本文研究精度，最終得到柵格大小為30 m×30 m的土地利用類型圖，如圖1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 移動窗口法

景觀指數(shù)通常用來表達(dá)區(qū)域內(nèi)景觀異質(zhì)性[17]，僅僅用數(shù)字難以表達(dá)區(qū)域內(nèi)整體空間形態(tài)特征，移動窗口法恰恰彌補(bǔ)了這一缺陷，能夠?qū)⒀芯繀^(qū)域內(nèi)的景觀分布格局及空間差異呈現(xiàn)出來。利用Fragstats進(jìn)行移動窗口分析，從左上角開始移動，根據(jù)設(shè)置的方格長度進(jìn)行移動，計(jì)算每個窗口內(nèi)的景觀指數(shù)。以南昌市東西最大橫距約108 km、南北最大縱距約121 km為依據(jù)，將移動窗口設(shè)置為邊長為500 m的矩形。選取斑塊占景觀面積指數(shù)(PLAND)、聚集度指數(shù)(AI)和斑塊凝聚度指數(shù)(COHESION)3個景觀指數(shù)，將3個景觀指數(shù)均大于80%且區(qū)域面積大于50 hm2的斑塊作為MCR模型的源地。具體景觀指數(shù)及其含義見表1。

表1 景觀指數(shù)及其計(jì)算公式

1.3.2 MCR模型的構(gòu)建

MCR模型最早由俞孔堅(jiān)引入國內(nèi)[16]，主要應(yīng)用于計(jì)算源地到周圍的擴(kuò)展所耗費(fèi)的代價(jià)，應(yīng)用于景觀分析中，能夠較好地表達(dá)能量、物種等到源地的趨向性。大于50 hm2的建設(shè)用地作為擴(kuò)展源向四周擴(kuò)展時會遇到不同程度的阻力，這些阻力包括生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、文化等各個方面。MCR模型的優(yōu)點(diǎn)在于協(xié)調(diào)擴(kuò)張過程，其公式為

(1)

式中，f為最小累計(jì)阻力與土地景觀特征的正相關(guān)函數(shù)關(guān)系；Dij為源j到景觀單元i的空間距離；Ri為景觀單元i運(yùn)動過程中的阻力系數(shù)。

1.3.3 阻力面體系構(gòu)建

利用層次分析法來構(gòu)建阻力面體系，阻力面體系的構(gòu)建中阻力因子的選取、權(quán)重設(shè)定是關(guān)鍵，阻力因子通常具有典型性、獨(dú)立性、穩(wěn)定性和可操作性的特點(diǎn)，權(quán)重的設(shè)定通常會影響試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)前人的研究結(jié)果[16]，同時綜合專家的意見，針對目前獲取的數(shù)據(jù)，選取高程、坡度、土地利用類型、與鐵路距離等7個阻力因子來構(gòu)建阻力面體系(見表2)，用1到5來表征阻力因子對建設(shè)用地的影響程度，分值越小則越不適宜作建設(shè)用地。每一層指標(biāo)的權(quán)重都由專家打分法進(jìn)行賦值，并通過一致性檢驗(yàn)。

1.3.4 基于Hydrology擴(kuò)展模塊的MCR面特征的提取

MCR面中每個柵格值代表源地到該點(diǎn)的最小成本，由于擴(kuò)展源地的MCR值都為0，因此可以把擴(kuò)展源地比作相對周邊地勢較低的“盆地”，而源地周邊MCR值則為相對較高的“高山”。利用ArcGIS中的Hydrology擴(kuò)展模塊通過計(jì)算正負(fù)地形、填洼、焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)等操作，對MCR面提取“山谷線”和“山脊線”。把建設(shè)用地外延出的“山谷線”作為適宜擴(kuò)展路徑，將“山脊線”作為生態(tài)隔離帶。

最短路徑函數(shù)和Hydrology擴(kuò)展模塊都能進(jìn)行擴(kuò)展方向性分析，但二者之間有很大差別:①最短路徑函數(shù)在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展方向性分析時需要提供源地及匯流，而Hydrology擴(kuò)展模塊只需要提供源地，對于匯流可以通過模塊內(nèi)計(jì)算來實(shí)現(xiàn)；②最短路徑函數(shù)只能針對源地生成一條最佳路徑，而Hydrology擴(kuò)展模塊可以生成多條不同方向的路徑；③相對最短成本函數(shù)來說，Hydrology擴(kuò)展模塊生成路徑的操作較為復(fù)雜。在實(shí)際生活中，建設(shè)用地的擴(kuò)展方向存在太多不確定性，利用最短路徑函數(shù)來分析建設(shè)用地的擴(kuò)展方向，生成結(jié)果較為單一，因此，采用Hydrology擴(kuò)展模塊來進(jìn)行分析更具有實(shí)際意義。

表2 阻力因子分級賦值及權(quán)重

2 結(jié)果與分析

2.1 基于移動窗口的景觀指數(shù)分析

通過移動窗口法處理后的結(jié)果中(如圖2所示)，PLAND指數(shù)的最大值主要分布在主城區(qū)及其他區(qū)縣建設(shè)用地聚集區(qū)域，AI和COHESION指數(shù)的分布較為相同，主要是以主城區(qū)為主，其他區(qū)縣多為斑點(diǎn)狀分布。受地形影響，南昌縣發(fā)展趨勢明顯，農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊增加，斑塊之間連通性也隨之增加。

2.2 適宜性分區(qū)分析

利用7類阻力因子構(gòu)建的阻力面體系，通過ArcGIS中Cost Distance模塊，得到南昌市MCR面(如圖3所示)，通過自然斷點(diǎn)分級法把MCR面劃分為5類，分別為適宜擴(kuò)展區(qū)、較適宜擴(kuò)展區(qū)、限制擴(kuò)展區(qū)、禁止擴(kuò)展區(qū)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)(如圖4所示)。具體分區(qū)及其含義見表3。

考慮到現(xiàn)實(shí)社會中水域斑塊對于城市生態(tài)具有重要作用，且水域斑塊較為固定，在城市發(fā)展規(guī)劃中不太可能作為建設(shè)用地的擴(kuò)展源地。因此，在分區(qū)時把水域板塊剔除。對于耕地斑塊和林地斑塊，可以根據(jù)實(shí)際情況對現(xiàn)有土地資源進(jìn)行劃定，因此不考慮剔除。

南昌市適宜性分區(qū)：

(1) 源地主要分布在南昌市主城區(qū)及各區(qū)縣建筑物聚集區(qū)域。

(2) 適宜性擴(kuò)展區(qū)主要是以源地為中心的環(huán)形區(qū)域，且源地周邊也聚集著大量的居民點(diǎn)斑塊，可作為建設(shè)用地的擴(kuò)展用地。

(3) 較適宜擴(kuò)展區(qū)是適宜擴(kuò)展區(qū)和限制擴(kuò)展區(qū)的過度地帶，該范圍內(nèi)含有大量的耕地和林地，除梅嶺外，其余區(qū)域地勢較為平坦，較適宜作為大型產(chǎn)業(yè)園區(qū)的選址。因此，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，可合理有序開發(fā)。

(4) 限制擴(kuò)展區(qū)主要分布在安義縣東部、新建縣上部和下部、南昌縣和進(jìn)賢縣東北部等區(qū)域。該擴(kuò)展區(qū)中含有較多生態(tài)脆弱區(qū)域，開發(fā)時應(yīng)當(dāng)注意保護(hù)，可適當(dāng)開展旅游、林業(yè)、漁業(yè)等建設(shè)項(xiàng)目。

(5) 禁止擴(kuò)展區(qū)主要位于新建縣南部和北部區(qū)域、安義縣北部等區(qū)域，該區(qū)域大部分靠近鄱陽湖，存在大部分水域、濕地等生態(tài)價(jià)值較高地類，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)保護(hù)，嚴(yán)禁建設(shè)用地?cái)U(kuò)展。

(6) 生態(tài)恢復(fù)區(qū)分布在新建縣南部和北部較小區(qū)域，以及進(jìn)賢縣北部邊緣區(qū)域，該區(qū)域存在大量水網(wǎng)，農(nóng)村居民點(diǎn)相對較少，自然資源豐富。本區(qū)域應(yīng)當(dāng)拒絕一切建設(shè)活動，加強(qiáng)綠化和護(hù)林工作，努力增加該區(qū)域面積。

綜上，2015年南昌市適宜建設(shè)區(qū)(較適宜擴(kuò)展區(qū)、適宜建設(shè)區(qū))的比例接近70%，但是并不代表這些區(qū)域都可作為建設(shè)用地，尤其是2016年南昌市“十三五”規(guī)劃中提出“生態(tài)都城”的規(guī)劃準(zhǔn)則，更加凸顯生態(tài)的重要性。由于地理位置的因素，限制擴(kuò)展區(qū)、禁止擴(kuò)展區(qū)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)中含有大量水域斑塊而成為南昌市的生態(tài)基質(zhì)，在今后應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)保護(hù)。

表3 建設(shè)用地適宜性分區(qū)范圍及說明

2.3 適宜性擴(kuò)展方向分析

由圖4可以看出，南昌市適宜性分區(qū)呈“攤大餅”式發(fā)展，以建設(shè)用地為核心向四周擴(kuò)展。在實(shí)際規(guī)劃中，建設(shè)用地并非沿著該分區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展，因此，應(yīng)當(dāng)找到更為適宜的擴(kuò)展路線，以保護(hù)大型生態(tài)斑塊。即建設(shè)用地真實(shí)的擴(kuò)展面積和方向并非是適宜性擴(kuò)展區(qū)和較適宜擴(kuò)展區(qū)的面積之和，最佳擴(kuò)展趨勢應(yīng)在這兩個區(qū)內(nèi)進(jìn)行，最終在生態(tài)隔離帶上終止擴(kuò)展。

適宜擴(kuò)展路徑是對MCR面提取的“山谷線”，其地勢相對較低，相對源地?cái)U(kuò)展的阻力較小，因此，適宜作為建設(shè)用地的擴(kuò)展方向。從圖5可以看出，適宜擴(kuò)展路徑主要是從源地向外擴(kuò)展，進(jìn)而連接到其他區(qū)縣的源地，組成一個不閉合但是彼此連接的網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過與南昌市路網(wǎng)對比發(fā)現(xiàn)，這些擴(kuò)展路徑并沒有完全沿著道路延伸，這與當(dāng)代城市擴(kuò)張模式中的Ribbon development和Leap-frog development模式相吻合。

生態(tài)隔離帶是對MCR面提取的“山脊線”，相對于適宜擴(kuò)展路徑來說，生態(tài)隔離帶的路徑更長，彼此之間連接更為緊密。生態(tài)隔離帶穿過適宜擴(kuò)展區(qū)和限制擴(kuò)展區(qū)的區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)，因?yàn)樵撀窂讲粌H作為城市廊道連接城市環(huán)境和自然生態(tài)，還是通往生態(tài)休閑的綠色通道。生態(tài)隔離帶的關(guān)鍵作用在于打破傳統(tǒng)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模式，對于維護(hù)城市生態(tài)環(huán)境和城市熱島效應(yīng)具有重要作用。

相對于最短路徑來說，“山谷線”和“山脊線”的提取確實(shí)復(fù)雜了很多，且沒有顧及源地之間耗費(fèi)能量最少的原則，但是從實(shí)際效果來看，對于城市建設(shè)用地的適宜性有了較清楚的多角度分析。建設(shè)用地之間彼此連接有助于提高經(jīng)濟(jì)效益和促進(jìn)人流、物質(zhì)流和能量流之間的交流。適宜性擴(kuò)展路徑同時也顧及生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益，這是對于MCR面提取最為重要的。

2.4 生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)分析

適宜性擴(kuò)展路徑和生態(tài)隔離帶的交點(diǎn)是生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)，多分布在各個源地周邊，該點(diǎn)實(shí)質(zhì)是源地在MCR面上的阻力線與切線相交的點(diǎn)，該點(diǎn)是建設(shè)用地與生態(tài)用地的交錯地帶，其生態(tài)敏感性較高，易受到人為干擾。生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)立對于維持經(jīng)濟(jì)-生態(tài)之間平衡是最為重要的，類似于農(nóng)牧交錯地帶和自然過渡地帶。

從圖5可以看出，適宜擴(kuò)展路徑及生態(tài)隔離帶主要分布在適宜擴(kuò)展區(qū)，生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)也多分布在該區(qū)域，對比圖1可以發(fā)現(xiàn)，生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)多為農(nóng)用耕地及生態(tài)林地。生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)的作用巨大，不但可以維持源地之間物資和能量的流通，還可以維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)立對于城市生態(tài)至關(guān)重要，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)保護(hù)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本文將移動窗口法、MCR模型和Hydrology擴(kuò)展模塊相結(jié)合，從點(diǎn)、線、面的角度出發(fā)，探求建設(shè)用地發(fā)展擴(kuò)展方向，同時避免無方向擴(kuò)張所造成的生態(tài)環(huán)境破碎化。結(jié)果表明：

(1) 利用MCR模型結(jié)合移動窗口法評價(jià)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展適宜性，發(fā)現(xiàn)近70%的區(qū)域?qū)儆谠试S建設(shè)區(qū)(適宜擴(kuò)展區(qū)、較適宜擴(kuò)展區(qū))，說明源地周邊可用于城市建設(shè)的備用土地資源相當(dāng)多，其他區(qū)域(限制擴(kuò)展區(qū)、有條件擴(kuò)展區(qū)、生態(tài)恢復(fù)區(qū))所占的比例相對較少，在未來城市擴(kuò)張過程中應(yīng)當(dāng)減少其他區(qū)域的縮減速度。

(2) 利用Hydrology擴(kuò)展模塊對MCR面中“山脊線”和“山谷線”的提取，生成了多條適宜擴(kuò)展路徑和生態(tài)隔離區(qū)，主城區(qū)附近的北部和西部較適宜擴(kuò)張，新建縣南部、南昌縣東部、進(jìn)賢縣南部和安義縣東部較適宜建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。

(3) 生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)是適宜擴(kuò)展路徑和生態(tài)隔離帶的交點(diǎn)，該點(diǎn)主要是源地周邊的農(nóng)用地和耕地，是連接城市和自然的關(guān)鍵，其生態(tài)敏感性較強(qiáng)，宜受到外界干擾，限制開發(fā)是重點(diǎn)。

3.2 討 論

以南昌市為例的建設(shè)用地適宜分析并結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)與城市擴(kuò)張理論生成的多條路徑，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的“攤大餅”式發(fā)展的不足，從多角度對建設(shè)用地進(jìn)行擴(kuò)展分析，相對于最短路徑方法來說，對于未來城市發(fā)展規(guī)劃具有較為合理的參考。另外，生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)多位于建設(shè)用地規(guī)劃范圍之外，符合現(xiàn)階段需要重點(diǎn)預(yù)防的區(qū)域。可以看出，從點(diǎn)、線、面多角度分析，可以為未來城市規(guī)劃提供較為充實(shí)的空間選擇，也可以為未來城市景觀生態(tài)的發(fā)展提供借鑒。

在阻力面構(gòu)建體系中，雖然力求從社會和經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行全方面的構(gòu)建，但是由于社會因素和生態(tài)數(shù)據(jù)獲取難度較大，對于其分析較為簡單，且采用層次分析法對阻力因子進(jìn)行賦值，主觀因素較大；基于移動窗口法的景觀指數(shù)選取并沒有考慮原始數(shù)據(jù)的柵格大小、移動窗口的大小及選取指標(biāo)因子的可行性等方面，這些因子是否影響現(xiàn)有結(jié)論還有待下一步研究。此外，如何合理劃定生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)和生態(tài)隔離帶的合理范圍，也需要進(jìn)一步研究。