基于CA-Markov模型的城市生態(tài)分區(qū)構建研究
——以晉中主城區(qū)為例

成超男,胡 楊,馮 堯,趙 鳴

北京林業(yè)大學園林學院,北京 100083

根據(jù)土地利用管理的發(fā)展目標,不同土地類型的相互轉換會帶來生態(tài)、生活和生產(chǎn)目標之間的權衡與協(xié)同[1],與滿足城市發(fā)展所需的建設用地和支持糧食安全的耕地相比,生態(tài)用地是提供生態(tài)系統(tǒng)服務和維持區(qū)域生態(tài)安全的重要土地資源[2、3]。近40年的城市化發(fā)展,不合理的土地利用活動破壞了維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康安全的生態(tài)空間,導致水土流失、濕地破壞、土地污染和生物多樣性損失等一系列生態(tài)環(huán)境問題[4]。隨著我國生態(tài)文明建設的推進,以生態(tài)優(yōu)先、保護優(yōu)先和自然恢復為主的策略正逐步落實,科學布局生態(tài)、生活和生產(chǎn)空間已成為我國國土空間規(guī)劃的重要內容,其中地區(qū)尺度的生態(tài)分區(qū)規(guī)劃具有一定前瞻性,是明確地區(qū)生態(tài)保護與建設重點,制定地區(qū)科學發(fā)展的重要手段之一[5]。因此,合理甄別城市生態(tài)用地和科學布局城市生態(tài)空間,既是提升地區(qū)生態(tài)安全和生態(tài)服務的關鍵性基礎工作,也是當前空間規(guī)劃系統(tǒng)構建不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

目前,有關城市生態(tài)分區(qū)規(guī)劃的研究主要以生態(tài)環(huán)境適宜性評價和生態(tài)系統(tǒng)服務的相關理論方法為主,從靜態(tài)空間視角出發(fā),涉及生態(tài)足跡、“源-匯”理論和多因子疊加等方法對某一區(qū)域或城市的生態(tài)功能合理區(qū)劃[5- 11]。而針對較小尺度的地區(qū)和動態(tài)發(fā)展視角的研究相對較少,地區(qū)尺度下的土地類型動態(tài)演變是城市生態(tài)分區(qū)規(guī)劃具有預見性和前瞻性的科學表征,對保障城市生態(tài)安全和發(fā)展建設有序進行具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

晉中位于山西省中部,面積16391 km2,東北與陽泉市相連,南與長治市、臨汾市相交,西南與呂梁市接壤,北與省會太原市毗鄰。主城區(qū)(榆次區(qū))是晉中的政治、經(jīng)濟、交通中心,面積1328 km2,素有“省城門戶”之稱。地理坐標為111°23′—114°28′E,36°39′—38°06′N(圖1)。晉中地勢東高西低,山地、丘陵、平川呈階梯狀分布,東部山地嶺高坡廣,林木豐茂,大部分地區(qū)海拔在700—1700 m之間。晉中屬溫帶大陸性季風氣候,季節(jié)變化明顯,降水主要集中在夏季,形成雨熱同季的氣候。

晉中與山西省其他資源型經(jīng)濟地區(qū)相似,高消耗、高污染、低產(chǎn)出、低效益的粗放式工業(yè)發(fā)展模式導致結構性污染突出,生態(tài)環(huán)境破壞嚴重。根據(jù)《晉中城市總體規(guī)劃(2016—2030)》的要求,立足“晉商之都、三晉之心、生態(tài)之城”的區(qū)域發(fā)展定位,主城區(qū)(榆次區(qū))將作為晉中轉型綜合改造示范區(qū)和生態(tài)文明建設示范點。

圖1 晉中主城區(qū)(榆次區(qū))地理區(qū)位Fig.1 Geographical location map of main urban area of Jinzhong

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文研究范圍為晉中主城區(qū)(榆次區(qū)),遙感影像數(shù)據(jù)來源于2002年10月Landsat5 TM和2016年6月Landsat8 OLI衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品,高程信息來源于GDEMDEM 30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù),土壤數(shù)據(jù)來自中國1∶100萬數(shù)字地貌數(shù)據(jù)庫,人口數(shù)據(jù)來源于第六次全國人口普查,生境數(shù)據(jù)來自INVEST生態(tài)系統(tǒng)服務評估模型。

根據(jù)研究區(qū)土地利用特點,通過遙感圖像處理平臺ENVI5.5對遙感影像數(shù)據(jù)進行幾何糾正、圖像拉伸、邊緣強化和研究區(qū)范圍的裁剪,采用監(jiān)督分類和目視解譯相結合方式,提取有效地類空間信息6類：建設用地、水域、林地、耕地、草地和未分類用地。通過野外精度隨機抽樣調查,正確率分別為87.26%和84.41%,符合遙感解譯的通用規(guī)范。

2.2 研究框架

本文以研究區(qū)環(huán)境的生態(tài)適宜性評價為依據(jù),采用CA-Markov模型對土地利用類型進行動態(tài)變化模擬和演變趨勢分析,綜合現(xiàn)有城市總體規(guī)劃發(fā)展目標,考慮主城區(qū)未來發(fā)展對土地建設的需求,進而劃定其主城區(qū)生態(tài)分區(qū)與管控等級。具體而言：一方面,根據(jù)研究區(qū)生態(tài)特征和研究內容需要,選取生物多樣性保護、自然災害預警和人為活動干擾作為影響該主城區(qū)生態(tài)安全的主要因子[12- 14],通過層次分析法和空間疊置獲得生態(tài)適宜性評價,并作為其生態(tài)分區(qū)和用途管控等級劃分的主要依據(jù)；另一方面,采用CA-Markov模型計算6類土地利用類型近14年的類型狀態(tài)轉移矩陣和Markov轉移概率矩陣,分別統(tǒng)計各類土地利用類型的轉移面積,總結其變化特點,進而模擬研究區(qū)2030年的土地利用類型。綜合分析生態(tài)適宜性評價、城市總體規(guī)劃(2016—2030年)、2030年的土地利用類型的模擬結果和演變特征,將研究區(qū)劃分為禁止開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)、適度開發(fā)區(qū)和建成區(qū)4個層次的生態(tài)分區(qū)(圖2)。

圖2 晉中主城區(qū)生態(tài)分區(qū)研究框架Fig.2 The research framework of main urban area of Jinzhong ecological zones

2.3 研究方法

2.3.1生態(tài)適宜性評價

指標選取是生態(tài)適宜性評價分析的關鍵。在遵循整體性、客觀性、可操作性和有效性等原則的基礎上,從生物多樣性保護、自然災害預警和人為活動干擾3方面出發(fā),選取反映研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務和生態(tài)安全特征的相應指標,構建生態(tài)適宜性評價的三級指標體系[1]。其中,生物多樣性保護層面包括生境質量、植被覆蓋度、土地利用類型3個指標；自然災害預警層面包括土壤類型、高程、坡度、自然匯流4個指標；人為活動干擾層面包括道路干擾范圍、人口密度2個指標。此外,由于同一指標在不同城市或地區(qū)所反映的生態(tài)敏感度有所不同,且各指標間存在錯綜復雜的聯(lián)系,經(jīng)過十幾位相關學科專家的討論和修改,最終采用層次分析明確各指標因子的權重值(表1),并以加權求和的空間疊加方法對研究區(qū)生態(tài)適宜性進行綜合評價[15]。

表1 生態(tài)適宜性評價指標及權重

2.3.2CA-Markov模型土地類型動態(tài)模擬與演變

CA-Markov模型綜合CA模型復雜空間系統(tǒng)的動態(tài)演化能力和Markov模型時間動態(tài)的預測優(yōu)勢,將Markov模型所建立的土地利用類型轉移概率矩陣作為CA模型元胞數(shù)量的轉化規(guī)則,進而從空間和數(shù)量上對土地利用進行時空模擬,能夠有效提升轉換概率的準確性,使模擬結果的土地利用空間格局更為合理[16]。本文利用CA-Markov模型對晉中主城區(qū)的土地類型變化進行動態(tài)模擬與演變分析,對預測研究區(qū)土地利用活動的變化趨勢,劃定生態(tài)分區(qū)和實施生態(tài)空間規(guī)劃具有積極引導作用。

使用CA-Markov模型針對研究區(qū)的土地利用類型變化進行模擬和預測,具體步驟包括：

①建立基本單元網(wǎng)格。將兩期土地利用數(shù)據(jù)柵格化,通過基本單元網(wǎng)格的統(tǒng)計,計算土地利用類型在單元網(wǎng)格的面積變化率,進而反映某一類型數(shù)量在一定時間段內的變化速度。動態(tài)度計算公式為[17]：

(1)

式中,IR表示研究區(qū)在該時間段內單一土地利用類型的變化速率即動態(tài)度,Sia為ia土地利用類型在研究時間段起點的面積,Sib為ib土地利用類型在研究時間段終點的面積,T為時間間隔年份。

②構建轉移矩陣模型。轉移矩陣用于描述研究區(qū)土地利用的具體結構和方向,通過空間疊加分析,使用Statistics功能便可具體、細致地計算各種土地類型之間相互轉化面積[18]。使用Markov模型將2002年和2016年兩期研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀類型進行空間疊加,獲取2002—2016年轉移面積矩陣和土地利用類型轉移概率矩陣,將運算結果轉換為適應性圖集(MCE)。在CA模型中采用5×5鄰近濾波器,循環(huán)周期為14,以預測研究區(qū)2030年的土地利用狀況。

③結果準確性檢驗。根據(jù)CA-Markov復合模型所預測的研究區(qū)2030年土地利用狀況,經(jīng)過檢驗可知,Kappa系數(shù)為0.85,模擬結果符合數(shù)據(jù)使用要求。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)適宜性評價與CA-Markov模型模擬結果

根據(jù)研究區(qū)生態(tài)特點和研究內容,從生物多樣性保護、自然災害預警和人為活動干擾3方面出發(fā),選取9項評價指標以多因子疊加方法獲得晉中主城區(qū)的生態(tài)適宜性評價結果(圖3)。為進一步落實生態(tài)分區(qū)的底線思想,在城市規(guī)劃建設用地與水域、天然河流和林地等自然恢復能力較差的高敏感區(qū)域發(fā)生矛盾時,理應嚴格遵守生態(tài)優(yōu)先、保護優(yōu)先和自然恢復為主；在人類活動頻繁或自然狀況已遭到較大破壞的低敏感區(qū)域時,如城市淺山或建成區(qū)邊緣地帶,則應以合理的生態(tài)修復和適當?shù)拈_發(fā)建設為主。

圖3 晉中主城區(qū)生態(tài)適宜性評價Fig.3 Ecological Suitability Evaluation of main urban area of Jinzhong

根據(jù)土地利用轉化和預測的結果可知(圖4),研究區(qū)2002—2030年的土地利用變換呈建設用地面積持續(xù)增加,建設用地的增加面積主要來自耕地的轉化,耕地和未分類用地持續(xù)減少,林地和草地的變化則存在明顯時序性差異(圖5)。具體而言：建設用地從2016年216.802 km2增加至2030年245.422 km2,增加面積28.62 km2,增加區(qū)域主要來自城市淺山區(qū)林地和耕地的轉換；耕地從2016年152.72 km2減少至2030年127.488 km2,減少面積25.232 km2,主要分布于城市建成區(qū)邊緣地帶和淺山區(qū)域附近；林地從2016年755.632 km2增加至2030年748.992 km2,減少面積6.64 km2,主要分布于城市淺山區(qū)域；草地從2016年195.216 km2增加至2030年200.528 km2,增加面積5.312 km2,增加區(qū)域主要來自城市邊緣地帶的耕地轉化；未分類用地面積,從2016年6.103 km2到2030年1.96 km2,將減少4.143 km2；河流水域面積,從2016年7.63 km2到2030年5.57 km2,將減少2.06 km2。

圖4 2002—2030年晉中主城區(qū)土地利用轉化Fig.4 Land Use Transformation in main urban area of Jinzhong from 2002 to 2030

圖5 2002—2030年晉中主城區(qū)土地利用轉化統(tǒng)計Fig.5 Statistical of Land Use Conversion in main urban area of Jinzhong from 2002 to 2030

3.2 城市生態(tài)分區(qū)與用途管控等級

圖6 晉中主城區(qū)生態(tài)分區(qū)與管控等級 Fig.6 Ecological division and management level of main urban area of Jinzhong

根據(jù)研究區(qū)的生態(tài)適宜性評價結果,2030年土地利用狀況的模擬結果和動態(tài)演變分析,結合城市現(xiàn)有總體規(guī)劃的發(fā)展目標,在滿足城市建設對土地需求的基礎上,適當調整現(xiàn)有規(guī)劃、生態(tài)適宜性評價與模擬擴張相悖區(qū)域,合理分配城市生態(tài)、生產(chǎn)和生活空間,進一步劃定晉中主城區(qū)的生態(tài)分區(qū)與管控等級(圖6)。

禁止開發(fā)區(qū)面積488.704 km2,占總面積的36.8%。該區(qū)域主要由水源保護區(qū)、濕地、自然保護區(qū)、水土流失保護區(qū)和大面積天然林地組成,是城市生態(tài)屏障和重要資源保證地,應嚴格保護,列入禁止開發(fā)區(qū)內,禁止任何開發(fā)建設活動。與此同時,這些區(qū)域的生態(tài)保護與建設方向主要集中在生態(tài)保護、提高水土保持功能、建設林業(yè)生態(tài)工程、凈化水體、保護生物多樣性等方面,不斷完善生態(tài)屏障和生態(tài)服務功能。嚴格控制并減少禁止開發(fā)區(qū)內的經(jīng)濟活動,注重自然資源的節(jié)約,完善生態(tài)保護建設的長效機制和大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。

限制開發(fā)區(qū)面積407.696 km2,占總面積的30.7%。該區(qū)域位于極為重要的生態(tài)用地緩沖區(qū),包括河流系統(tǒng)的生態(tài)緩沖帶和生物多樣性保護的核心區(qū),區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)脆弱,自我調節(jié)能力弱,穩(wěn)定性較差,在人為活動或自然干擾下,容易發(fā)生較為嚴重的生態(tài)退化,被列入限制開發(fā)區(qū)。由于這些區(qū)域環(huán)境承載能力較弱,不具備大規(guī)模工業(yè)化城鎮(zhèn)開發(fā)條件,應將提升生態(tài)產(chǎn)品的生產(chǎn)力作為首要任務,并合理引導局部或輕微強度的開發(fā)建設活動。

適度開發(fā)區(qū)面積203.184 km2,占總面積的15.3%。該區(qū)域主要包括中敏感區(qū)過渡帶和地表徑流主要集散區(qū)等。從自然生態(tài)系統(tǒng)的保護視角出發(fā),應調整城市產(chǎn)業(yè)結構布局,構建生態(tài)廊道和生態(tài)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū),促進環(huán)境損害小,附加值高的綠色產(chǎn)業(yè)格局的形成。需要注意的是，本文所識別的適宜開發(fā)區(qū)并非最終結果，還需在保證永久基本農(nóng)田的基礎上進一步選擇。

建成區(qū)面積為228.416 km2,僅占總面積的17.2%,以建成區(qū)為主,是人類生產(chǎn)生活的主要用地范圍,在建成區(qū)內應調整產(chǎn)業(yè)結構、合理控制人口規(guī)模、發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)以及新興產(chǎn)業(yè),促進城市內部生態(tài)環(huán)境的改善。

4 結論與討論

4.1 結論

本文從保障城市生態(tài)安全的底線思維出發(fā),以優(yōu)化城市生態(tài)空間格局為目標,通過生態(tài)適宜性評價合理甄別城市生態(tài)用地,借助CA-Markov模型總結研究區(qū)近14年土地利用類型的時空演變特征和模擬預測2030年的土地利用狀況,進而綜合現(xiàn)有城市總體規(guī)劃科學布局生態(tài)空間,劃定城市生態(tài)分區(qū)和用途管控等級。(1)在生態(tài)適宜性評價中,將生物多樣性保護、自然災害預警、人為活動干擾3方面的9項指標用以評價其生態(tài)敏感度和識別生態(tài)用地,并作為生態(tài)分區(qū)和用途管控等級劃分的基礎；(2)采用CA-Markov模型的土地利用類型演變分析和模擬預測可知,在2002—2030年期間,晉中主城區(qū)的土地利用時空變化顯著,表現(xiàn)為建設用地面積持續(xù)增加,耕地和未分類用地面積持續(xù)減少,林地、水域和草地的變化存在明顯時序性差異；(3)將生態(tài)適宜性評價結果、土地利用的預測結果和現(xiàn)有城市總體規(guī)劃結合,在保證城市穩(wěn)步發(fā)展的基礎上,協(xié)調城市建設與生態(tài)用地、生態(tài)空間的布局關系,繼而劃定研究區(qū)生態(tài)分區(qū)和用途管控等級,即禁止開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)、適度開發(fā)區(qū)和建成區(qū)。對4個分區(qū)有針對性的提出相應管控措施和建議,以期達到晉中主城區(qū)在生態(tài)文明建設背景下的區(qū)域發(fā)展定位,實現(xiàn)由“黑”到“綠”的華麗轉變。

4.2 討論

城市化水平較高的地區(qū)或城市在制定相關空間規(guī)劃時,大多以強調生態(tài)空間在自然系統(tǒng)的獨特性和脆弱性為首要任務。相反,經(jīng)濟發(fā)展中低水平的發(fā)展中國家,其自然棲息地在城市化快速建設過程中往往受到高強度人為建設活動的干擾,造成生態(tài)系統(tǒng)脆弱,穩(wěn)定性較差,生態(tài)用地趨于破碎等問題。只有堅持生態(tài)底線思維以權衡生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展,才能夠實現(xiàn)城市可持續(xù)的雙贏解決方案[19]。隨著我國生態(tài)文明建設的推進和規(guī)劃體系的改革,實現(xiàn)國土空間“多規(guī)合一”,統(tǒng)一實施國土空間用途管控,是加快自然資源監(jiān)管體制和城市生態(tài)文明體制改革的重要一環(huán),是推進人與自然和諧共生,加快形成綠色生產(chǎn)、綠色生活和綠色發(fā)展的重要抓手[20]。因此,如何協(xié)調土地利用規(guī)劃與城市規(guī)劃之間的關系,科學布局生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間,落實“三區(qū)三線”；如何確定最佳農(nóng)業(yè)用地規(guī)模、生態(tài)建設規(guī)模、城市用地規(guī)模及農(nóng)村用地規(guī)模的規(guī)劃有待更多的學者探討。