南昌市建设用地适宜性扩展路径研究

冯祥瑞,陈竹安,2,危小建,2，施陈敬

(1. 东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌 330013； 2. 江西省数字国土重点实验室，江西 南昌 330013)

经济增长带动城市化的快速发展，造成城市中经济-生态之间的矛盾冲突愈演愈烈，如何管制城市建设用地无序蔓延成为学者们的研究重点[1]。建设用地的增长主要以侵占周边土地资源为主，分析研究城市建设用地扩张对于城市景观生态学的研究具有推动作用。城市建设用地适宜性研究是合理规划城市空间布局的基础[2]，同时也是评价城市土地资源有效性、城市建设用地适宜性及土地资源优化方案的重要依据[3]。

近年来，城市建设用地适宜性评价方面主要与城市生态学和挂钩政策相联系，更多地把建设用地作为扩张的驱动机制[4-6]，其驱动因素的多样性对于分析研究建设用地扩张的形态特点具有较好的依据。从分析尺度来看[7-9]，由宏观到微观，包含市、镇、县、村等各个层面；从研究方法来看[10-12]，从定性到定量，主要有层次分析法、生态因子加权叠加法、有序加权平均法、AHP方法和BP神经网络法等方法；从研究角度来看[13-15]，由简单到复杂，主要有供求关系视角、可持续性视角、生态视角、空间适宜性视角等。在GIS技术的支持下，适宜性评价指标主要侧重于DEM、坡度、土地利用现状、交通网络等[16]，与城市景观格局量化指标相结合的文献相对较少。城市建设用地适宜性评价融合景观格局将提高城市建设用地在生态视角下的资源高效利用，因此，本文利用最小累计阻力(minimum cumulative resistance,MCR)模型，同时结合景观格局指数来进行建设用地的适宜性评价，以弥补“摊大饼”的不足。本文借助MCR模型与景观生态因子相结合，从多层面(点、线、面)对建设用地适宜性进行分析，同时引导建设用地在维护生态环境的基础上合理进行城市扩张，以期对城市扩展适宜性及方向提供理论支持。

1 研究区概况、基础数据处理与研究方法

1.1 研究区概况

南昌市位于江西省中部偏北方向，鄱阳湖西南岸，古代称为“洪都”，位于115°27′E—116°35′E、28°10′N—29°11′E之间，西北方向以丘陵为主，东南以平原为主，水网密集，湖泊滩地众多，气候属于亚热带湿润季风气候，夏季炎热，冬季较寒冷，年降水量为1600～1700 mm，年相对湿度约为79%。

1.2 基础数据处理

本文研究数据来自南昌市统计年鉴、政府公报，地理空间数据云网站(DEM)及南昌市2015年的遥感影像数据，经过影像融合、几何校正、图像增强与拼接等处理后，通过人机交互目视解译与Google Earth对照的方法，根据实际情况分为5类，经检验其Kappa系数均在85%以上， 符合本文研究精度，最终得到栅格大小为30 m×30 m的土地利用类型图，如图1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 移动窗口法

景观指数通常用来表达区域内景观异质性[17]，仅仅用数字难以表达区域内整体空间形态特征，移动窗口法恰恰弥补了这一缺陷，能够将研究区域内的景观分布格局及空间差异呈现出来。利用Fragstats进行移动窗口分析，从左上角开始移动，根据设置的方格长度进行移动，计算每个窗口内的景观指数。以南昌市东西最大横距约108 km、南北最大纵距约121 km为依据，将移动窗口设置为边长为500 m的矩形。选取斑块占景观面积指数(PLAND)、聚集度指数(AI)和斑块凝聚度指数(COHESION)3个景观指数，将3个景观指数均大于80%且区域面积大于50 hm2的斑块作为MCR模型的源地。具体景观指数及其含义见表1。

表1 景观指数及其计算公式

1.3.2 MCR模型的构建

MCR模型最早由俞孔坚引入国内[16]，主要应用于计算源地到周围的扩展所耗费的代价，应用于景观分析中，能够较好地表达能量、物种等到源地的趋向性。大于50 hm2的建设用地作为扩展源向四周扩展时会遇到不同程度的阻力，这些阻力包括生态、经济、文化等各个方面。MCR模型的优点在于协调扩张过程，其公式为

(1)

式中，f为最小累计阻力与土地景观特征的正相关函数关系；Dij为源j到景观单元i的空间距离；Ri为景观单元i运动过程中的阻力系数。

1.3.3 阻力面体系构建

利用层次分析法来构建阻力面体系，阻力面体系的构建中阻力因子的选取、权重设定是关键，阻力因子通常具有典型性、独立性、稳定性和可操作性的特点，权重的设定通常会影响试验结果。

根据前人的研究结果[16]，同时综合专家的意见，针对目前获取的数据，选取高程、坡度、土地利用类型、与铁路距离等7个阻力因子来构建阻力面体系(见表2)，用1到5来表征阻力因子对建设用地的影响程度，分值越小则越不适宜作建设用地。每一层指标的权重都由专家打分法进行赋值，并通过一致性检验。

1.3.4 基于Hydrology扩展模块的MCR面特征的提取

MCR面中每个栅格值代表源地到该点的最小成本，由于扩展源地的MCR值都为0，因此可以把扩展源地比作相对周边地势较低的“盆地”，而源地周边MCR值则为相对较高的“高山”。利用ArcGIS中的Hydrology扩展模块通过计算正负地形、填洼、焦点统计等操作，对MCR面提取“山谷线”和“山脊线”。把建设用地外延出的“山谷线”作为适宜扩展路径，将“山脊线”作为生态隔离带。

最短路径函数和Hydrology扩展模块都能进行扩展方向性分析，但二者之间有很大差别:①最短路径函数在实现扩展方向性分析时需要提供源地及汇流，而Hydrology扩展模块只需要提供源地，对于汇流可以通过模块内计算来实现；②最短路径函数只能针对源地生成一条最佳路径，而Hydrology扩展模块可以生成多条不同方向的路径；③相对最短成本函数来说，Hydrology扩展模块生成路径的操作较为复杂。在实际生活中，建设用地的扩展方向存在太多不确定性，利用最短路径函数来分析建设用地的扩展方向，生成结果较为单一，因此，采用Hydrology扩展模块来进行分析更具有实际意义。

表2 阻力因子分级赋值及权重

2 结果与分析

2.1 基于移动窗口的景观指数分析

通过移动窗口法处理后的结果中(如图2所示)，PLAND指数的最大值主要分布在主城区及其他区县建设用地聚集区域，AI和COHESION指数的分布较为相同，主要是以主城区为主，其他区县多为斑点状分布。受地形影响，南昌县发展趋势明显，农村居民点斑块增加，斑块之间连通性也随之增加。

2.2 适宜性分区分析

利用7类阻力因子构建的阻力面体系，通过ArcGIS中Cost Distance模块，得到南昌市MCR面(如图3所示)，通过自然断点分级法把MCR面划分为5类，分别为适宜扩展区、较适宜扩展区、限制扩展区、禁止扩展区和生态恢复区(如图4所示)。具体分区及其含义见表3。

考虑到现实社会中水域斑块对于城市生态具有重要作用，且水域斑块较为固定，在城市发展规划中不太可能作为建设用地的扩展源地。因此，在分区时把水域板块剔除。对于耕地斑块和林地斑块，可以根据实际情况对现有土地资源进行划定，因此不考虑剔除。

南昌市适宜性分区：

(1) 源地主要分布在南昌市主城区及各区县建筑物聚集区域。

(2) 适宜性扩展区主要是以源地为中心的环形区域，且源地周边也聚集着大量的居民点斑块，可作为建设用地的扩展用地。

(3) 较适宜扩展区是适宜扩展区和限制扩展区的过度地带，该范围内含有大量的耕地和林地，除梅岭外，其余区域地势较为平坦，较适宜作为大型产业园区的选址。因此，在保护生态环境的基础上，可合理有序开发。

(4) 限制扩展区主要分布在安义县东部、新建县上部和下部、南昌县和进贤县东北部等区域。该扩展区中含有较多生态脆弱区域，开发时应当注意保护，可适当开展旅游、林业、渔业等建设项目。

(5) 禁止扩展区主要位于新建县南部和北部区域、安义县北部等区域，该区域大部分靠近鄱阳湖，存在大部分水域、湿地等生态价值较高地类，应当重点保护，严禁建设用地扩展。

(6) 生态恢复区分布在新建县南部和北部较小区域，以及进贤县北部边缘区域，该区域存在大量水网，农村居民点相对较少，自然资源丰富。本区域应当拒绝一切建设活动，加强绿化和护林工作，努力增加该区域面积。

综上，2015年南昌市适宜建设区(较适宜扩展区、适宜建设区)的比例接近70%，但是并不代表这些区域都可作为建设用地，尤其是2016年南昌市“十三五”规划中提出“生态都城”的规划准则，更加凸显生态的重要性。由于地理位置的因素，限制扩展区、禁止扩展区和生态恢复区中含有大量水域斑块而成为南昌市的生态基质，在今后应当重点保护。

表3 建设用地适宜性分区范围及说明

2.3 适宜性扩展方向分析

由图4可以看出，南昌市适宜性分区呈“摊大饼”式发展，以建设用地为核心向四周扩展。在实际规划中，建设用地并非沿着该分区进行扩展，因此，应当找到更为适宜的扩展路线，以保护大型生态斑块。即建设用地真实的扩展面积和方向并非是适宜性扩展区和较适宜扩展区的面积之和，最佳扩展趋势应在这两个区内进行，最终在生态隔离带上终止扩展。

适宜扩展路径是对MCR面提取的“山谷线”，其地势相对较低，相对源地扩展的阻力较小，因此，适宜作为建设用地的扩展方向。从图5可以看出，适宜扩展路径主要是从源地向外扩展，进而连接到其他区县的源地，组成一个不闭合但是彼此连接的网络。经过与南昌市路网对比发现，这些扩展路径并没有完全沿着道路延伸，这与当代城市扩张模式中的Ribbon development和Leap-frog development模式相吻合。

生态隔离带是对MCR面提取的“山脊线”，相对于适宜扩展路径来说，生态隔离带的路径更长，彼此之间连接更为紧密。生态隔离带穿过适宜扩展区和限制扩展区的区域应重点防护，因为该路径不仅作为城市廊道连接城市环境和自然生态，还是通往生态休闲的绿色通道。生态隔离带的关键作用在于打破传统的建设用地扩展模式，对于维护城市生态环境和城市热岛效应具有重要作用。

相对于最短路径来说，“山谷线”和“山脊线”的提取确实复杂了很多，且没有顾及源地之间耗费能量最少的原则，但是从实际效果来看，对于城市建设用地的适宜性有了较清楚的多角度分析。建设用地之间彼此连接有助于提高经济效益和促进人流、物质流和能量流之间的交流。适宜性扩展路径同时也顾及生态与经济效益，这是对于MCR面提取最为重要的。

2.4 生态关键点分析

适宜性扩展路径和生态隔离带的交点是生态关键点，多分布在各个源地周边，该点实质是源地在MCR面上的阻力线与切线相交的点，该点是建设用地与生态用地的交错地带，其生态敏感性较高，易受到人为干扰。生态关键点的设立对于维持经济-生态之间平衡是最为重要的，类似于农牧交错地带和自然过渡地带。

从图5可以看出，适宜扩展路径及生态隔离带主要分布在适宜扩展区，生态关键点也多分布在该区域，对比图1可以发现，生态关键点多为农用耕地及生态林地。生态关键点的作用巨大，不但可以维持源地之间物资和能量的流通，还可以维持生态系统稳定。生态关键点的设立对于城市生态至关重要，应当重点保护。

3 结论与讨论

3.1 结 论

本文将移动窗口法、MCR模型和Hydrology扩展模块相结合，从点、线、面的角度出发，探求建设用地发展扩展方向，同时避免无方向扩张所造成的生态环境破碎化。结果表明：

(1) 利用MCR模型结合移动窗口法评价建设用地扩展适宜性，发现近70%的区域属于允许建设区(适宜扩展区、较适宜扩展区)，说明源地周边可用于城市建设的备用土地资源相当多，其他区域(限制扩展区、有条件扩展区、生态恢复区)所占的比例相对较少，在未来城市扩张过程中应当减少其他区域的缩减速度。

(2) 利用Hydrology扩展模块对MCR面中“山脊线”和“山谷线”的提取，生成了多条适宜扩展路径和生态隔离区，主城区附近的北部和西部较适宜扩张，新建县南部、南昌县东部、进贤县南部和安义县东部较适宜建设用地扩张。

(3) 生态关键点是适宜扩展路径和生态隔离带的交点，该点主要是源地周边的农用地和耕地，是连接城市和自然的关键，其生态敏感性较强，宜受到外界干扰，限制开发是重点。

3.2 讨 论

以南昌市为例的建设用地适宜分析并结合景观生态学与城市扩张理论生成的多条路径，弥补了传统的“摊大饼”式发展的不足，从多角度对建设用地进行扩展分析，相对于最短路径方法来说，对于未来城市发展规划具有较为合理的参考。另外，生态关键点多位于建设用地规划范围之外，符合现阶段需要重点预防的区域。可以看出，从点、线、面多角度分析，可以为未来城市规划提供较为充实的空间选择，也可以为未来城市景观生态的发展提供借鉴。

在阻力面构建体系中，虽然力求从社会和经济角度进行全方面的构建，但是由于社会因素和生态数据获取难度较大，对于其分析较为简单，且采用层次分析法对阻力因子进行赋值，主观因素较大；基于移动窗口法的景观指数选取并没有考虑原始数据的栅格大小、移动窗口的大小及选取指标因子的可行性等方面，这些因子是否影响现有结论还有待下一步研究。此外，如何合理划定生态关键点和生态隔离带的合理范围，也需要进一步研究。