基于MCR模型与Hydrology扩展模块的建设用地适宜扩张路径研究

杨 俊， 易 洁， 李 争， 李万钰

(1.东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 经济与管理学院，江西 南昌 330013；3.东华理工大学 地质资源经济与管理研究中心，江西 南昌 330013)

随着经济的快速发展，建设用地大规模扩张，城市化进程不断加快，对城市周边的生态环境造成破坏，引发生态与经济之间的矛盾。城镇发展占用了大量的耕地、林地等优质土地资源，造成生态系统紊乱、生态系统服务价值降低等负面效应，如何促进城镇生态环境的可持续性发展成为研究热点[1]。2006年十届全国人大四次会议上，确定18亿亩耕地红线坚决管制；十九大报告提出加快生态文明体制改革的目标，城市建设用地的扩展程度将会受到严格制约，西方学者提出“区域主义”“新城市主义”“精明增长”以及“紧凑城市”等相关城市扩张理论，为城市空间规划打下了坚实的理论基础[2]。因此，在未来城市规划中要合理、高效利用现有土地资源。建设用地适宜性分析是城镇发展规划的前提，建设用地适宜扩张路径是缓解城市生态与经济矛盾的重要方法[3]。

近年来，基于GIS的建设用地扩张适宜性方面的研究，研究方向侧重于研究建设用地扩张的驱动因素[4-7]，研究方法多样，主要有AHP法[8]、神经网络法[9]、因子加权法[10]、熵权法[11]以及加权平均法[12-13]。受生态环境保护思想的影响，将生态因子加入决策模型中为建设用地适宜性扩张研究提供了新的思路，能够更好地从生态学的角度分析其扩张的合理性。最小累积阻力模型(MCR)最早是研究物种的扩散过程的，将模型引入生态景观规划、土地规划中能够更好地分析土地利用类型的空间变化方向和过程[14]。单纯地利用MCR模型进行适宜性分区时，还是会出现功能区围绕扩展源的“摊大饼”模式，分区形式较为单一，不宜于扩展方向性分析[15]，因此需要Hydrology扩展模块在适宜性分区的基础上分析建设用地适宜的扩张方向。

因此，本文以武汉市为研究对象，借助景观生态学理论，基于移动窗口法利用相关指数提取的部分斑块作为MCR模型的源地，借助GIS的Hydrology扩展模块对MCR模型的成果进行特征提取，源地向“山谷线”扩张的阻力最小，较适宜作为建设用地的适宜扩张方向，源地向“山脊线”扩张的阻力较大，不适宜作为建设用地扩张方向，适宜发展生态隔离带，保护生态环境。而“山脊线”与“山谷线”的交点兼顾生态与经济的双重压力，易受到人为活动的干扰，较宜建设生态关键点[16]。本文利用GIS、MCR模型、移动窗口法综合分析城市建设用地的扩张适宜性及扩张适宜方向，利用点、线、面三种方式对建设用地适宜性进行分析，绘制出武汉市的适宜扩张路径及生态安全路径，以期为武汉市城市规划提供借鉴。

一 研究区概况与数据来源

(一)研究区概况

武汉市是湖北省的经济文化中心，俗称“江城”，地处长江中游，江汉平原东部，是中部六省的副省级市。全市总面积达到8 569.15 km2，其中东西最大横距134 km，南北最大纵距155 km。据2017年解译数据来看，建设用地面积达1 935.99 km2，占总面积的22.59%，耕地面积达3 365.67 km2，约为39.28%。截止2019年末，全市常住人口达1 089.29万人，其中户籍总人口数达853.65万人。武汉市是长江经济带的核心城市，近几年被评为全面改革试验区、中部崛起战略支点等荣誉。过快的经济发展，增大了建设用地与其他用地类型之间的矛盾，因此，需要合理配置土地资源，缓解区域矛盾，实现可持续发展战略。

图1 武汉市地理位置及DEM

(二)数据来源

本文所采用的数据来源于：国家统计局、武汉市统计年鉴，武汉市路网数据(open-street map网站)，其中DEM数据以及武汉市2017年遥感影像数据来源于地理空间数据云网站，按照研究的目的和内容，利用ENVI 5.3对原始影像进行影像融合、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的方法，将土地利用类型分为5类，分别为：耕地、林地、水域、建设用地以及其他用地，经检验kappa系数为0.87，符合本实验的要求，得到栅格大小为30 m的遥感影像。

二 数据与方法

(一)移动窗口法

移动窗口法被广泛用于城市化过程对植被分布格局的影响以及植被分布变化与水文梯度之间的联系等景观生态学方向的研究。参照前人的研究成果[17-20]，为了能够全面的、清晰的、准确的获取武汉市的建设用地分布特征，通过对研究区域进行500 m、1 000 m、1 500 m三个层次的移动窗口实验，最终选取1 000 m的矩形窗口作为生态评价基础方法。本文主要选取聚集度指数(AI)、斑块占景观面积比指数(PLAND)、斑块凝聚度指数(COHESION)，且三个指数均大于80%的建设用地斑块作为MCR模型的“源地”。

(二)最小累积阻力模型(MCR模型)

荷兰生态学家Knaapen最早在1992年提出MCR模型，模型的原理是“源—汇”之间的物质能量交流，主要是通过计算源地到目的地所耗费的最短路径。后来，我国俞孔坚等学者对MCR模型进行优化改善，并应用到模拟物种的迁徙运动研究中。将MCR模型应用到土地资源管理学科中，能够模拟土地的运动方向，分析“源地”到研究区域内任意点所耗费的最小阻力。利用空间水平上的阻力值，分析土地运动的连通性，以此，判断建设用地的扩展适宜性。MCR模型经多位专家修正，公式如下：

(1)

式中：Dij为从源点到空间单元i的空间距离；Ri为空间单元i的阻力系数。

MCR模型中有两个重要的元素：第一是“源地”；第二是“阻力体系”。MCR模型中的源地沿着阻力体系到达指定位置，形成耗费的最短路径。因此本文利用景观生态学中的相关指数提取的建设用地斑块，作为MCR模型的源地，选取高程、坡度、道路(主、次干道、高速、铁路)、土地利用类型、据水域距离、据源的距离等阻力因子构建的阻力体系。

阻力体系中阻力因子的选取，按照地形、经济、生态三个方面进行因子确定，利用专家打分法进行权重赋值，并通过一致性检验。阻力值越大，则代表扩张所耗费的能量越多，越不适宜做建设用地的适宜扩展区，反之亦然。由于武汉市水域面积较大，且在实际生活中不太可能作为建设用地的扩展区域，因此，在阻力因子中将水域元素增加，切实保护水域的生态景观的生态价值。

表1 阻力体系

(三)基于GIS的Hydrology扩展模块

Hydrology是GIS中的Spatial Analyst Tools中的一个扩展模块，经常用于DEM的特征提取，DEM是进行流域地形分析和流域地物识别的重要基础资料。近年来，国内外专家学者都利用Hydrology扩展模块模拟了大量的水文运动活动。MCR面中的每个像素都代表源地到该点最少能量，“源地”本身是无能量损耗的，均为0，因此，可以把“源地”想象成现实生活中的城镇聚集区，周围的像素点均大于0，可以想象成城镇周边的复杂的地形，有高山，有峡谷(MCR值大于0)，类似于DEM。因此，本文尝试利用Hydrology扩展模块进行MCR面的特征提取，“山谷线”地势较低，扩张所遇到的阻力较少，为建设用地的适宜扩张路线，“山脊线”地势较高，扩张所耗费的能量较大，较适宜发展生态环境，维持区域内的生态安全稳定，适宜发展生态安全隔离带。

三 结果与分析

(一)建设用地适宜性分析

1.基于移动窗口法的建设用地源地的选取

利用Fragstats软件，在景观类型层次选取PLAND指数、COHESION指数、以及AI指数作为建设用地斑块提取的依据(图2)。PLAND(景观百分比指数)：指数越大，建设用地适宜性越高，密度越大，反映景观类型斑块占整个景观的比例；COHESION(斑块凝聚度指数)描述斑块之间的连通性，值越高代表两者之间的关联性越高，彼此影响越剧烈，在本文中则表示建设用地斑块之间的关联程度越高，重要性越高，建设用地适宜性越高；AI(聚集度指数)：描述景观斑块聚集于分散的状态，指数越高，代表建设用地聚集状态越高，建设用地适宜性越高。移动窗口法能够很好的把指数的高低的分布情况通过栅格图像直观的显示出来，而不是只是获得数值的高低。建设用地适宜性分析的关键是建设用地源地的选取，基于移动窗口法能够提取景观指数占比较高的建设用地斑块，这是本文选取移动窗口法的及相关景观指数的主要原因。因此，提取三个指数均大于80的区域作为建设用地扩展的“源地”。

图2 基于移动窗口法的建设用地源地的景观指数分布格局

2.构建MCR模型

利用ArcGIS中的Cost Distance工具对各个阻力因子进行计算，结果如图3，通过对各个阻力因子的划分等级进行重分类，然后利用栅格计算器进行计算得到综合阻力面 ，作为MCR模型的成本数据，根据移动窗口法提取的建设用地的部分斑块，作为MCR模型的“源地”，利用综合阻力面和“源地”生成2017年武汉市的MCR面(图4)。通过MCR面可以看到离“源地”越近，建设用地扩张所消耗的能量越小，离“源地”越远，所消耗的能量越大，这也符合目前城市格局扩张的实际情况。快速城市化过程中建设用地向四周扩张的可能性大，所消耗的建设成本也越小，距离越远，物料、人力、金钱等方面的消耗相对较大。因此，MCR模型结合移动窗口法可以用来分析建设用地扩张的适宜性。

图3 阻力因子构建的最小累积阻力面

图4 武汉市建设用地的综合阻力面和最小累积阻力面

(二)建设用地适宜性分区

基于已经生成的MCR面，利用ArcGIS 10.4中的自然断点分积法对MCR面进行适宜性分区分析，初步将MCR面划分为5个区域，分别为适宜扩张区、优化建设区、限制建设区、禁止建设区以及生态恢复区，具体划分断点等信息见(表2，图5)。

适宜扩张区(0,12 103.56)，适宜作为建设用地扩张区域，主要分布在源地周边，在主城区(包括江岸区、江汉区、青山区、武昌区、洪山区、汉阳区、桥口区)附近聚集数量较多呈“摊大饼”形式分布，占武汉市总面积的33.53%。从分区区域可以看到，每个区县的扩张所遇到的阻力不同，大部分是以侵蚀建设用地周边的其他土地利用类型为主，建议该类型今后要优化空间布局，提高土地资源利用率。

优化建设区(12 103.56,28 380.77)，建设用地扩张的难度不大，较适宜作为建设用地的扩张区域，占武汉市总面积的27.06%，围绕适宜扩张区呈“环形”分布。经过查看2017年的影像图，发现该区域含有大量的耕地以及农村居民点，较适宜作为大型产业园区的选址。因此，建议在今后的发展规划中，在维持当地生态环境的基础上，合理有序地进行建设用地扩张活动。

限制建设区(28 380.77,46 744.79)，总面积为189 151.83hm2，占武汉市总面积的22.11%，主要分布在黄陂区的西北部、新洲区的东北部、东西湖区的西部、蔡甸区的西南部以及江夏区的南部等区域，相对于适宜扩张区和优化建设区，该区的生态效应较好，景观丰富度高，但生态脆弱性高，人地关系复杂，在今后的发展规划中要注意维持区域生态安全，可适当发展旅游、生态种植、自然公园等建设活动。

禁止建设区(46 744.79,69 699.82)，总面积为40 704.41hm2，占武汉市总面积的12.55%，主要在限制建设区域与生态恢复区的中间，由于武汉市南面、北面的区县的面积较大，禁止建设区的分布区域与限制建设区大致相同。由DEM数据可以看出，该区域的高程点较高，由2017年的土地利用类型分布图可以看出，分区内含有的水域、林地、耕地等斑块面积较大，而且，该分区距离武汉市的主城区较远，生态景观维持尚好，因此，在未来规划中应当禁止其建设用地扩张规划，维持区域生态系统平衡。

生态恢复区(69 699.82,106 427.88)，总面积为40 704.41hm2，占武汉市总面积的4.76%，主要分布于江夏区、黄陂区、汉南区以及蔡甸区等区县，这些区域位于武汉市行政区边界，生态效应较好，地势较高，大多为生态园林的聚集区，远离城镇的工业聚集区。因此，在今后的城市规划中要重点保护原生植被，发展生态公益林范围，严禁一切建设项目，可以把部分农村居民点搬迁至适宜扩张区域，增加生态用地面积。

图5 2017年武汉市建设用地适宜性分区

(三)建设用地适宜性扩张方向

1.武汉市建设用地适宜扩张路径

由图5可以看出，武汉市的建设用地适宜性分区，主要是以“源地”为中心的“摊大饼”分布模式，这种分布模式是大多数城市的建设用地分布状态，这种模式能够提升城市的凝聚力，缩小建设成本，提升经济水平，有利于一个城市的空间规划。但是，这种结构或者布局会限制城市的生态发展，尤其是推崇经济至上的时代，大部分建设用地来源于耕地、林地、水域等其他土地利用类型，无规则的城市扩张必然会引发经济与生态之间的矛盾，引发雾霾、沙尘暴、酸雨等恶劣天气状况。

MCR模型是以提取的建设用地部分斑块作为源地，因此，源地的MCR值为0，由此可见，MCR的值越小，越适宜作为建设用地扩张区域。武汉市的建设用地适宜性分区围绕源地呈“多环缓冲区”式分布，分区与分区之间距离最大约为11 496 m，最小距离约为4 008 m，因此，分区与分区之间应当可以找到建设用地的适宜扩张路径以及生态安全路径。本文基于Hydrology扩展模块，对MCR面进行信息提取，结果如图6。

图中蓝色路线为适宜性扩张路径，适宜扩张路径相当于现实生活中的“山谷”，由于地势较低，扩张阻力相对于较小，更适宜做建设用地的扩张路径，主要靠近源地部分，分布在适宜扩张区和优化建设区。因此，可沿着该路径进行建设用地规划工作。图中红色路线为生态安全路径，生态安全路径相当于现实生活中的“山脊”，地势较高，主要围绕源地周边，彼此连接度高，多为林地、水域等生态用地，生态效应显著，远离源地，主要分布在限制建设区和禁止建设区。

图6 2017年武汉市建设用地适宜性扩张方向

2.生态关键点

生态安全路径和适宜扩张路径的交点即是生态关键点，根据图6可以看出，图中标星号的点皆为提取的生态关键点，生态关键点主要分布于扩张适宜区以及优化建设区，这是因为，生态关键点是“山谷线”和“山脊线”在MCR面切点的交点位置，大多数为建设用地与生态用地的过渡地带，生态景观脆弱性较大，易受到人为活动的影响。由于位于两路径的交点位置，因此，地势较低，类似于地形的“鞍部”，对维持区域生态环境具有不可忽视的影响。

对比2017年的土地利用类型，可以发现生态关键点大多是为耕地、林地，位于源地与武汉市边界的中间区域。生态关键点是连接城市经济发展格局与生态安全格局的纽带，由于自身属性的多重性(经济—生态)，在实际规划中，易受到利益主体的干扰，偏向经济方面，例如：乡道、县道、高速公路、铁路等建设活动。因此，为了区域生态安全格局的稳定，应当鼓励维持当地生态景观，建议发展生态农业活动，例如：建设生态公益林、森林公园等。在城市规划工作中，常常忽视对于过度地带的保护，设置生态关键点的意义重大，今后应当注意对于生态关键点的保护工作。

四 结论与讨论

(一)结论

本文将移动窗口法、MCR模型以及Hydrology扩展模块相结合，将景观生态学相关指数融入评价因子中，同时，对MCR面进行特征提取，得到武汉市2017年的建设用地进行适宜性分区以及适宜路线分析，研究结论如下：

适宜建设区(适宜扩张区、优化建设区)所占比例达60.59%，说明2017年武汉市的城市发展格局较为合理，也证明了移动窗口法与MCR模型结合分析建设用地适宜性的可行性。

不同的适宜性分区对于建设活动的要求不同，适宜扩张区、优化建设区可进行建设扩张活动，限制建设区、禁止建设区以及生态恢复区应当限制或者禁止一切建设活动，维持区域生态安全稳定。

基于Hydrology扩展模块对MCR面进行“山谷线”和“山脊线”的提取，由“山谷线”作为建设用地的适宜扩张路径，可沿着该路径进行建设用地规划工作。“山脊线”作为生态安全路径，弥补了传统建设用地扩张“摊大饼”的模式，将提取的建设用地斑块与MCR模型有机的结合起来，同时，从地理学的角度为武汉市建设用地的扩张指明了方向，可避免建设用地盲目扩张。

生态关键点是生态安全路径和适宜扩张路径的交点，是连接城市经济与生态之间的纽带，由于具有双重属性，更易受到人为活动的干扰，今后应当制定相关政策，重点保护。

(二)讨论

城镇化是我国经济发展的客观现象，科学辨识城市建设用地扩张方向以及扩张路径对提升城市的宜居性、综合竞争力、居民幸福指数具有重要意义，同时，科学的建设用地扩张方向也能够提高城镇化的集聚度，优化国土空间资源，促进区域经济与生态的协调可持续发展。

MCR模型的构建过程，加入了水域因子(大于400hm2)，因为较大的水域斑块不太可能作为建设用地的扩张区域，将水域因子加入模型中，使适宜性分区更具合理性。另外，自然断点法是根据事物的分布规律，以数量的显著变化作为转折点进行分区。根据自然断点法获得的武汉市建设用地适宜性分区，并没有考虑武汉市的相关城市规划政策，结果较为片面。

利用移动窗口法、MCR模型以及Hydrology扩展模块对武汉市进行建设用地用地进行适宜性扩张路径分析，从地势高低的角度判断扩张阻力的大小，进而作为城市扩张方向的依据，在对MCR面进行“山脊线”和“山谷线”的过程中，由于MCR面数据本身的特性，在对其进行特征信息的提取时，出现“断点”、“树杈”等问题，少数部分需要人工纠正(图7)。因此，如何正确的对模型的特征信息连续的、完善的、合理的提取是今后研究的重点。

图7 提取过程中的“断点”和“树杈”