基于MCR模型的城镇生态安全格局构建和建设用地开发模式

邱 硕，王宇欣，王平智，林 聪



基于MCR模型的城镇生态安全格局构建和建设用地开发模式

邱 硕1,2，王宇欣1※，王平智1，林 聪1

（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 河北省香河县住房和城乡建设局，廊坊 065400）

近年来，在中国城市土地开发的顶层设计中越发强调生态空间的重要性，充分识别城市生态安全格局并探讨建设用地空间扩展格局成为划定生态保护红线、确定城市开发边界和“三规合一”空间管制等政策实施的迫切需求。该文以唐山市为例，基于“生态过程—格局”理论和GIS的空间相关性分析、距离分析和叠加分析等方法，从综合水安全、地质灾害预警、生物生境保护、水土保持、游憩安全5个方面，整合构建了底线安全格局、缓冲安全格局和最优安全格局3种不同等级的综合生态安全格局。该文在MCR模型算法引入不同等级“源”的权重系数，以综合生态安全格局为阻力因子，并结合城镇中心的吸引力、主要道路的吸引力和政策调控（区域开发重点）等城镇用地扩展影响因素，得到在不同约束条件下的区域空间扩展阻力面，分别确定了唐山市在“生态安全约束型”“经济增长主导型”和“生态与经济并重”3种模式下城镇空间可能的发展范围，经过多方案比较，“生态与经济并重”城镇建设用地空间发展模式是未来城镇健康有序发展的最优模式，这种发展模式既有利于减少大规模、高强度的城镇化和工业化过程所造成的城市发展和环境保护之间的用地冲突，也可为城市用地布局规划和生态红线划定提供科学依据。

土地利用；遥感；生态安全格局；建设用地；扩展；最小累积阻力模型；唐山市

0 引 言

中国正处于城镇化快速发展时期，社会经济高速发展与产业结构调整步伐加快，建设用地空间扩展作为城镇化土地景观转变最明显的标志，城镇间对区域空间的竞争与控制所引发的矛盾日益突出。蔓延式的城镇发展对生态环境造成了一系列不良影响，包括动植物栖息地的破坏、生物多样性的减少以及流域生态系统的衰退[1-3]。同时，由于围绕城市建成区的周边多为耕地、林地等农田景观，城市扩张必然导致生态环境质量的下降，如何控制城市蔓延已经成为许多国家面临的挑战，必须从生态安全的高度予以重视[4]。

生态安全是对生态系统的完整性和健康水平的整体反映，也是指所处的生态环境条件与具备生态系统服务可以有效支撑经济发展，当生态遭到破坏时，也能保障人民生活、健康不受其损害的状态与能力。如何进行精准地、实际地优化和改善区域生态安全状况，区域生态安全格局优化成为目前国内外研究的热点[5-6]。在表征和量化城市扩张的驱动力方面，Couch等[7]针对城市混合景观和可持续性问题，探讨了欧洲城市、郊区、后郊区之间的空间城市二元论与扩张的原因，并对混合驱动力进行了比较与探索。Fallah等[8]借鉴城市群理论，对美国都市圈的经济绩效与各自的扩张程度之间的关系进行了实证研究。近年来，国内部分学者开始尝试通过城市空间的扩展进程，研究社会发展、区域经济和自然环境等对城市扩张的影响机制。张俊凤等[9]通过长三角城市土地利用效率近20年的时空变化特征，探讨了长三角地区不同级别的城市建成区扩张与经济增长之间关系以及土地利用战略。一些学者借助约束性ACO-CA模型[10]、RF-CA模型[11]、神经网络分析[12]等，在城市空间形态的情景分析、城市空间扩展模拟及城市不同扩展模式的多方案比较方面开展了研究探索[13]。然而，这些分析大多局限于在历史数据的基础上，构建城镇空间增长模型[14-15]，对城市生态空间需求、城市内生以及城市规划政策调控等因素在建设用地空间扩展上的影响等问题却较少涉及，缺乏对城市扩展机制的理解和相关理论的探讨。以生态安全格局为技术方法进行中国城镇建设用地空间扩展研究，将对指导中国城镇化健康发展起到重要作用，为城镇建设用地的空间发展提供决策支持。

本文利用高分辨率多源遥感影像提取土地利用信息，结合GIS空间相关性、距离分析等方法，以唐山市为例进行实证研究。通过综合考虑城镇发展的影响因素，利用改进的最小累积阻力模型（MCR）分析3种模式下城镇建设用地空间扩展格局，探讨城镇发展的适宜生态安全格局，从而为城镇建设用地的规划布局和生态红线划定提供科学依据。

1 研究方法与数据处理

1.1 阻力面模型

最小累积阻力模型（minimal cumulative resistance，MCR）广泛应用于物种保护和景观格局分析等生态领域[16]，国内学者将其在城市空间增长、土地利用、旅游规划等社会经济领域开始进行一些尝试，如模拟城市扩展的空间演变过程[17]、城市土地生态适宜性评价[18]、生态连通性[19]等。本文借助MCR 模型引入影响区域城镇扩展的阻力和动力因素，模拟源向周围空间扩张过程。根据不同扩展源的向外扩展能力大小[20]，引入相应的阻力权重系数S。阻力面模型可表达为

式中″为城镇扩展源穿越所有景观单元最小累积阻力值；D为从源到评价单元的空间距离；R表示景观单元对城镇空间扩展的阻力系数；是一个未知的正函数，反映空间中任一点的最小阻力与其到所有源的距离和阻力面特性的正相关关系；S表示源所属等级的相对阻力因子，城镇用地的等级越高，扩展能力越强，其相对阻力因子就越小；min表示某景观单元对不同的源取累积阻力最小值。

1.2 数据处理

唐山市位于河北省东部（117°31′-119°19′E、38°55′-40°28′N之间），土地总面积约为14 286 km2。本文采用2014年唐山市土地利用现状图斑矢量数据以及县级行政区划图、土壤图、地质地貌图等矢量数据；对2014年的遥感影像图和DEM数据进行拼接、裁剪等，利用ENVI4.7软件计算其植被覆盖指数；基于研究区DEM数字高程模型，提取研究区高程、地形起伏度、河流积水量，并对其进行重分类，生成所需矢量图件。

2 研究区生态安全格局构建

2.1 单一生态安全格局构建

2.1.1 综合水安全格局

水资源安全格局：根据唐山河流等级、水库等级以及水源地保护级别（一级保护、二级保护），确定源等级系数，分别为1=0.80，2=0.90，3=1.00，越小反映水源的重要程度越高，利用ARCGIS10.0的平台距离分析工具，利用公式（1）构建各等级源阻力面，综合叠加利用几何间断分级法进行重分类。

洪水淹没分析：利用水文分析模块模拟流向、流量和填洼分析，找出径流停滞的汇水盆域；通过Snap Pour Point和Stream link 的计算，找得到出水点或汇合点，即控制水流运动的战略点。洪水淹没区[21]是利用研究区的降水数据和数字高程模型，利用GIS水文分析工具以“无源淹没”方法分析低于海拔低于指定水位的易涝区域。根据历年洪水资料及城市防洪标准，建立10、20、50 a一遇3种风险频率的洪水淹没范围。表1为不同安全格局下唐山市10、20、50 a一遇洪水淹没情况。将地表水源安全格局范围与开放式的防洪和雨洪管理范围进行等权叠加，最终得到不同安全格局下的唐山市综合水安全格局见图1a。

表1 10、20、50 a一遇洪水淹没分析和淹没面积计算

2.1.2 地质灾害预防安全格局

本文对研究区的地震液化、活动断裂引起的地震灾害及崩塌-滑坡和泥石流等突发性地质灾害问题做主要研究。在唐山地区，活动断裂是引起地震根本原因，区域性活动断裂带多为历史或现代的地震带，工程活动场地根据活动断裂的空间分布及地震峰值加速度值等因素采取避让措施。1976 年唐山大地震时，唐山市平原区及遵化迁安盆地均出现了地震液化地质灾害，考虑到地震液化灾害敏感性会受到多种因子综合影响，灾害发育程度参考1976年唐山市的地震液化分区[22]；根据地质液化危害严重程度，分为5个等级。

在崩塌-滑坡、泥石流空间热点分析中，运用ARCGIS10.0中的Getis-Ord General*功能可以较准确地预测出局域空间自相关[23]，计算Getis-Ord General*公式如下

式中是点的总数；X和X分别表示第个和第个点的观测值；W()是空间权重矩阵。

期望值的计算公式如下

正态分布条件下的*统计值的计算公式如下：

式中Var(G*)是方差。<0.05显著呈现集聚，在的绝对值小于1.96的情况下，(G*)值较高表明相似且较高属性值的热点聚集；较低表明相似且较低的属性值的冷点聚集；接近0表明不存在显著的空间关联模式[24]。

本文选择1 km×1 km格网重采样模拟崩塌-滑坡、泥石流空间分布特征，值为14.87，似然值小于1%。结合崩塌－滑坡灾害点和泥石流灾害点分布情况根据敏感性等级划分成5级，参考苏泳娴等[25]研究成果，确定地质灾害的影响因子及其敏感性划分标准（表2），采用层次分析法，确定各评价指标权重，多因子综合评价法，构建唐山市地质灾害综合敏感性评价模型，计算每个栅格单元的敏感性值，得到地质灾害预防安全格局分布图1b。

图1 唐山市各单一及综合生态安全格局

表2 地质灾害的影响因子及其敏感性划分标准

注：*是随机一致性比率，< 0.1表明判断矩阵具有良好的一致性，判断是合理的。唐山市地质灾害综合敏感性评价模型= 0.0074<0.1。

Note:*is the ratio of random consistency,< 0.1, it shows that the comparison matrix has good consistency and the result is reasonable. Comprehensive sensitivity evaluation model of geological hazards in Tangshan City= 0.007 4<0.1.

2.1.3 生物生境保护安全格局

本研究综合考虑生境质量（自身特征属性）和生境适宜性进行评价来识别源地。以生态系统类型作为评价指标，依据研究区的土地覆被类型和NDVI指数划分生态系统类型（见表3），并对指示物种生境适宜性进行评价。通过以上指示物种生境适宜性评价确定高度适宜、中等适宜和比较适宜的生物生境源地等级分别为1=0.80，2=0.90，3=1.00。

表3 生物生境保护适宜性评价指标及分级标准

生物生境保护最小累计阻力可通过ARCGIS10.0中栅格分析模块（费用距离分析cost-distance）建立的实现公式（1），以不同阻力系数的土地覆被类型为阻力因子（见表4）。随着阻力值不均匀的增大，在阻力值与（一定栅格数量）面积的关系曲线上出现跳跃性的门槛和突变点，其可以确定阻力阈值，根据阻力面来判别安全格局图1c。

表4 关键物种空间运动阻力因子（土地覆被类型）与阻力系数

2.1.4 水土保持安全格局

本文通过水土保持重要性来构建区域水土保持安全格局，综合考虑土壤侵蚀敏感性程度及其可能造成的对下游河流和水资源的危害程度[26]，评价标准参照生态功能区划技术规程，得出水土保持安全格局图1d。

2.1.5 游憩安全格局

研究区内自然保护区、森林公园、风景名胜区和湿地公园等自然景观及文化和自然遗产保护区等人文景观要素游憩价值和适宜性极高，因此，本文将其一一并选作游憩的景观源，不同土地覆被类型对人类游憩可达性阻力系数（见表5），基于最小累积阻力模型在ARCGIS10.0平台中运用费用距离分析（cost-distance）功能建立游憩安全格局阻力面，找到突变点的阻力阈值，构建游憩安全格局见图1e。

2.2 宏观生态安全格局整合

本文将综合水安全格局、地质灾害预防安全格局、生物生境保护安全格局、水土保持安全格局和游憩安全格局5个单一的生态安全格局进行等权叠加，根据安全水平的不同，形成底线、缓冲、最优3种质量生态安全格局见图1f，以此指导城市空间扩展并成为城镇空间形态的基底条件。

底线安全格局是区域生态安全的核心区，此格局应纳入到城市的基本生态用地，划入城市的禁止建设区和生态红线区内，并实行最严格的保护。此区域面积为2 187.53km2，占总用地面积的15.31%，人均生态用地288.69m2，主要分布在迁西县北部山区、南部滨海湿地和各大中型水库周围，该区域景观主要以林地、草地及滩涂湿地为主，存在水土流失严重，水资源匮乏等生态环境问题。缓冲安全格局面积为7 154.93km2，占总用地面积的50.08%，是底线安全格局外围的缓冲地带，位于生态环境较好的城市周边地区，该区用于维护最优景观格局的区域生态功能服务，在进行开发时这个区域被用来保护和恢复当地的生态系统。最优安全格局面积为1 814.05km2，占总用地面积的12.70%，它达到了维护区域生态安全的较为优化状态，最大限度上保护关键生态过程和生态基础设施的完整性，此范围可根据具体情况进行有条件的开发。

表5 游憩过程阻力因子（土地覆被类型）与阻力系数

3 基于改进的MCR模型的城镇建设用地空间扩展

3.1 城镇空间扩展“源”的设定

以市域城镇建设用地作为空间扩展“源”[20]，同时考虑各“源”的扩展能力如区位条件、经济实力、人口状况和开发程度等影响城市空间增长的内在因素以及外在的政策调控，并结合市域的城镇等级结构划分对“源”进行等级划分，源等级系数越小反映城镇空间扩张能力越强（表6）。

3.2 城镇空间扩展阻力层构建

在市域城镇空间扩展的影响因素选取方面，近年来，规划政策调控和生态空间质量等因素对于空间扩展的影响作用逐步增大，为了比较准确地探测出空间发展重点聚集区域，主要结合研究区土地利用总体规划、城市总体规划等空间规划的重点发展战略，将规划政策调控因素（区域开发重点）引入空间扩展影响因素中。根据各阻力因子的影响程度进行阻力赋值，采用层次分析法，确定出不同阻力因子相应权重（表7），其中唐山市城镇建设用地扩展影响因子=0.0755<0.1，表明判断矩阵具有良好的一致性。本文以生态安全格局为生态阻力面，作为城镇空间发展控制的基本保障要素，又考虑到建设用地扩展主要受城镇中心的吸引力、主要道路的吸引力等发展条件影响一同作为成本距离栅格（图2）。利用ARCGIS10.0空间热点分析理论选择1km×1km网格重新采样模拟重点开发区域空间分布特征见图3，值为16.75，似然值小于1%。根据阻力系数分级标准，建立不同等级源的城镇空间扩展综合阻力面（图4）。

表6 城镇的用地源的分级及影响因素

表7 城镇建设用地扩展的影响因子与阻力系数

a. 综合生态安全格局

a.Comprehensive ecological security pattern

b. 与主要交通干道距离

b. Distance from main traffic road

c. 重点开发区域

c. Major development zone

d. 与城镇中心距离

图3 唐山重点开发区域空间热点分析

图4 唐山市城镇空间扩展综合最小累积阻力面

3.3 城镇建设用地空间扩展模式

3.3.1 生态安全约束型的城镇空间扩展模式

本文以综合生态安全格局为最小累积阻力面确定城镇空间扩展范围，判别最小累积阻力值（像元值）与用地面积（栅格数量）的直方图中阻力阈值，像元值分别在1.1、3.7、8.9和131.5处确定为突变点，划分出不同生态安全水平约束下的城镇建设用地增长范围（图5a）。减去该区已建成区、基本农田面积和水域面积，最优生态安全水平下的城镇扩展模式能提供的实际建设用地面积为208.21km2，占研究范围总面积的1.46%，以人均城镇建设用地110 m2/人粗略计算，可以满足134万人的城镇建设用地规模；缓冲生态安全水平下的城镇空间扩展模式可提供的建设用地和农业用地规模为3 382.23km2，占研究范围总面积的23.68%。底线生态安全水平下的城镇空间扩展可提供的建设用地和农业用地规模为4 626.78 km2，占研究范围总面积的32.39%。从图上可以看出，在迁西县、迁安市等城镇大部分地段位于北部丘陵区，大部分属于生态严格控制区，生态服务功能显著，阻力值较高，城镇扩展生态安全性越低，越不适宜城镇开发性建设。

图5 唐山市城镇空间扩展模式

3.3.2 经济增长主导型的城镇空间扩展模式

非饱和供应和适度供应的下土地供应总量能得到有效控制[27]，本文以城镇建设用地的最饱和扩展量来探讨经济增长主导型建设用地扩展模式，根据《唐山市城市总体规划（2010－2020年）》做出的人口发展预测，研究范围常住城镇人口在2020年和2030年将分别达到720万人和900万人，“经济增长主导”型的发展模式下，主要考虑影响建设用地扩展的经济因素，将以底线生态安全格局边界作为生态景观安全临界状态，同时要在维持规划期内基本农田保护面积保持在4 822km2以上的前提下，剩余范围为其可扩展范围（见图5b）。分别模拟2020年、2030年的建设用地的扩展趋势，外围可扩展实际面积上限为1 038.20km2，占研究范围总面积的7.27%。由图6分析发现，中部平原地区城镇建设用地沿主要公路空间扩展范围明显，滦县、滦南县和玉田县与中心城区之间的绿带几乎消失并联通成为一个整体；北部各城镇建设用地组团虽没有完全连成片，空间特征表现为沿112国道至唐南公路城镇发展轴的纵向发展较为明显。阻力从低值到高值的过渡过程中有更多的生态用地被侵占，生态要素间的连通度和生态服务功能降低，区域生态安全受到严重威胁。

3.3.3 “生态与经济”并重型的城镇空间扩展模式

城镇用地的空间扩展受到多种因素的制约，不仅仅要考虑区域生态环境因素，而且要特别关注区域社会经济条件和政策导向因素，在“生态控制”条件约束和经济活动驱动下的空间扩展格局（图5c），低阻力区主要分布在建设用地外围，减去该区的水域面积、基本农田面积和已建成的城镇建设用地面积，可提供的建设用地规模为249.75km2，占区域总面积的1.75%；以人均城镇建设用地110m2/人粗略计算，可以满足227万人的城镇建设用地规模。该区城市扩展的累积阻力很小，未来城市化概率极大，京沈高速轴线低密度横向蔓延严重，集中在中心城区、南部沿海地区和一些重点发展城镇，南部沿海公路轴线和运河沿岸连绵式扩展趋势明显。中度阻力区指中等累积阻力扩展范围，其可扩展实际面积为308.53km2，占区域总面积的2.16%，可以满足280万人的城镇建设用地规模，此区域短期内城市化概率较小，主要分布在低阻力区域的外围城郊地区乡镇，以城市和乡村景观为主，低密度扩展；其中，中心城区沿G205国道呈条带状发展、远郊呈小组团状分布，滦河外围沿岸带状纵向扩张，但扩展压力较大、扩展空间有限。高阻力区为扩展累积阻力较大，近期不可能进行城市扩展的地区，该区面积为4 227.02km2，占区域总面积29.59%，其可扩展实际面积为121.20km2，可以满足110万人的城镇建设用地规模。极高阻力区是生态脆弱区和自然环境较好且对城镇空间扩展具有很强约束性的地区，该区面积为3 135.43 km2，占区域面积的21.95%，该区域基本农田和生态用地范围内应禁止发展建设用地。

4 结 论

1）本研究融合了地统计分析、空间相关性分析、距离分析和叠加分析等空间分析方法，通过综合水安全、地质灾害预防、生物生境安全、水土保持、游憩安全等5个单一生态安全格局构建了底线安全格局、缓冲安全格局和最优安全格局等3种不同等级的综合生态安全格局，面积分别占研究范围总面积的15.31%、50.08%和12.70%。

2）城镇用地的空间扩展受到多种因素的制约，不仅仅要考虑区域生态环境因素，而且要特别关注区域社会经济条件和政策导向因素。通过在MCR模型算法引入不同等级“源”的权重系数，分别确定在“生态安全约束型”、“经济增长主导型”和“生态与经济并重”3种模式下城镇空间可能的发展范围。研究表明，“生态与经济并重”下的城镇建设用地空间发展模式能够达到“生态—经济—社会”效益的平衡，更符合城镇建设用地的空间发展规律，能有效预测城市空间发展范围，是未来城镇健康有序发展的适宜模式，对于优化土地利用布局和生态环境保护均具有重要意义。

3）在城镇用地扩展源的设定方面，工矿用地的等级应考虑生态和经济发展的特殊性，根据土地利用规划的导向，具体判断建设用地扩展源的等级。但在城镇空间扩展影响因子选择方面，可以增加科技水平、区域流通等指标进行综合分析，同时，在城市扩展的内生机制方面还需进行深入研究。

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Construction of urban ecological security pattern and construction land development based on MCR Model

Qiu Shuo1,2,Wang Yuxin1※,Wang Pingzhi1, Lin Cong1

(1,,100083,; 2.,065400,)

In recent years, the importance of ecological space has been emphasized in the top-level design of urban land development in China. China is now in the stage of fast urbanization and the pace of industrial structure adjustment, the expansion of the construction land space is the most obvious sign of the transformation of the urban land landscape, and contradiction between cities and towns' competition and control of regional space is becoming more and more prominent. Identifying the urban ecological security pattern and discussing the spatial expansion pattern of construction land have become an urgent need for the implementation of the policy for delineating the red line of ecological protection, determining the boundaries of urban development and the “Three-planning united” spatial control. Using Tangshan City as a case, this paper was based on the theory of “Ecological process—Pattern” and the functions of spatial correlation, distance and superposition analysis of GIS. In this study, we integrated geostatistics analysis, spatial correlation analysis, distance analysis and overlay analysis. It obtained comprehensive ecological security pattern of Tangshan City by 5 single ecological security patterns: comprehensive hydrology security pattern, geological disaster pre-warning security pattern, biological habitat protection security pattern, soil and water conservation security pattern, and recreational security pattern. The integrated ecological security pattern under 3 different levels accounted for 15.31%, 50.08% and 12.70% of the total area respectively. In this paper, we built and improved MCR (minimal cumulative resistance) model, from which the weight coefficient of different levels of “source” was introduced. This paper took full account of the expansion capability of different extended sources. By using comprehensive ecological security pattern, attractiveness of the center of town and the main road and policy adjustment factor as resistance, and then the resistance surface of the regional space under different constraint conditions was obtained to determine the urban development scope under the condition of “Ecological security constraint pattern”, “Economic dominance pattern” and “Ecology & Economy win-win pattern of urban spatial expansion”, respectively. The spatial expansion of urban land was restricted by many factors, not only to consider the regional ecological and environmental factors, but also to pay special attention to the regional social and economic conditions and policy oriented factors. Through multi-scheme comparison, we found that the spatial expansion pattern driven by the conditions of “Ecology & Economy win-win pattern of urban spatial expansion” development model was the best model for the healthy and orderly development of cities and towns in the future, and was of great significance for optimizing the layout of land use and the protection of the ecological environment, moreover, which can effectively predict the scope of urban space development .On the basis of all above, considering the influence factors of urban development, the improved MCR was used to analyze the spatial expansion pattern of urban construction land use under different patterns, and to explore the appropriate ecological security pattern of urban development, which reduced the land conflict between urban development and environmental protection caused by large-scale and high-intensity urbanization and industrialization process, and put forward a scientific basis and reference for urban land layout planning and ecological red line delineation.

land use; remote sensing; ecological security pattern; construction land; expansion; minimal cumulative resistance model; Tangshan City

2018-04-07

2018-06-19

农业部“现代生态农业基地技术试验示范项目”（2110402）

邱 硕，主要从事城乡规划与建设领域管理研究。Email：w6899366@126.com.

王宇欣，男，副教授，主要从事农业生物环境及能源工程研究。Emall：Wangyuxin@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.034

TU984

A

1002-6819(2018)-17-0257-09

邱 硕，王宇欣，王平智，林 聪. 基于MCR模型的城镇生态安全格局构建和建设用地开发模式[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：257－265. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.034 http://www.tcsae.org

Qiu Shuo, Wang Yuxin, Wang Pingzhi, Lin Cong. Construction of urban ecological security pattern and construction land development based on MCR Model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 257－265. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.034 http://www.tcsae.org