赣江上游流域城市空间扩展的阻力面模型构建及应用

张 军，高洁纯，陈 蕾，徐 强

（1.江西省地质局 地理信息工程大队，江西 南昌 330001；2.江西华昌企业发展有限公司，江西 南昌 330045；3.上高县自然资源局，江西 宜春 336400）

【研究意义】改革开放40 多年以来，我国社会经济水平稳步发展，城镇化水平由1978 年的17.9%提升至2019 年的60.1%，同时城市用地的需求也在不断增加。但是近年来，城市空间肆意扩展，大量人工硬质表面侵占生态以及农业空间，导致了生态环境失衡以及耕地产能下降等一系列问题[1]，严重干扰自然系统的调节功能，不利于城市走可持续发展的道路。城市不透水面的不断增加是城市空间发展和扩张的直观体现[2]，以不透水面为表征，研究城市空间的扩展能够更好地反映地表覆被的变化，体现城市扩展对生态环境的影响，因此越来越多学者开始利用不透水面来代表城市空间范围，反映城市空间的发展过程[3-5]。所以，通过不透水面识别城市空间发展的趋势，协调城市空间规划与生态保护建设的矛盾，对于促进城市空间扩展的有序化，引导城市走健康有序的发展道路具有重要意义。【前人研究进展】促进城市空间扩展的有序化，其关键在于探讨城市空间扩展的趋势及规律，城市扩展模型的研究有利于理解城市扩展的趋势及规律，帮助城市用地的规划与管理，一直以来是国内外研究的热点问题。在城市扩展模型的选取层面，现有研究主要从城市扩展的内在机制与外部约束两大方面构建城市扩展模型。在城市扩展的内在机制方面，学者们多从城市交通区位、社会经济水平以及自然条件等角度出发，通过历史数据利用CA、SLEUTH、系统动力学等模拟城市扩展过程[6-9]，随后也有一些学者利用CA-Markov[10]、Geo-SOS[11]等优化算法的组合模型研究城市扩展。但是城市扩展本身受到多方面因素的影响，具有较大的不确定性，仅从内在机制利用各类模型分析，不仅难以准确地模拟城市空间的扩展过程，而且往往容易忽略城市生态安全，不利于城市生态文明的建设[12]。在城市的外部约束方面，最小累积阻力面模型（minimal cumulative resistance，MCR）是运用最为广泛的方法之一[12]，在城市扩展模拟中得到了较好的应用。如李平星等[13]利用MCR 构建了广西西江经济带的城市扩展模型，叶玉瑶等[14]提出更适合于城市扩展模拟的生态阻力面模型（urban expansion ecological resistance，UEER），对MCR模型进行了改进，考虑了研究区域不同等级城市源的扩张能力，并将其应用于广州市城市扩展模拟中，陶卓霖等[15]在叶玉瑶的基础上加入城市相互吸引力指数，对新疆阿纳斯县进行城市扩展模拟研究。虽然环境生态因素对于城市扩展的约束是相对恒定的，这些研究从生态约束角度考虑，较好地解决了内在驱动模拟城市扩展存在的不确定性，但是却忽视了城市自身发展内在机制[14，16]。综合城市扩展有关研究发现，城市空间的扩展主要受到区位动力、生态阻力及本底条件三大因素的影响[12，17-19]：区位动力是城市扩展的内在驱动机制，在城市扩展中起到了主导作用；生态阻力则是城市扩展的外在约束条件，在一定程度上约束城市的发展方向；本底条件是一个城市建设的基础条件，决定了城市发展的宏观格局。三者在一定程度上相互作用，影响着城市的扩展。

【本研究切入点】城市空间的扩展的问题不能简单地考虑内在驱动所强调的需求问题，也不能仅仅考虑外部约束所产生的供给问题，需要将城市的内部驱动与外在约束耦合至统一的体系框架中，结合本底条件，做到三者的有机地结合，才能较为准确地模拟城市空间的扩展。此外，现有成果大多集中于小尺度下的单体城市及都市区的研究[20-23]，对于大尺度下流域内部城市群的研究却鲜见纸端。【拟解决的关键问题】近年来，赣江上游流域由于经济发展需要，城市空间扩展明显，大量不透水面作为城市景观取代其他自然景观，给流域生态安全环境带来了一定程度的影响。本研究以赣江上游流域为研究区，通过改进后的城市扩展模拟生态阻力面模型，对大尺度下流域内部城市群的城市扩展进行模拟，以期为其城市空间发展规划及生态保护研究提供科学的指导。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

赣江上游流域地处江西省南部，位于24°29′～27°09′N，113°54′～116°38′E，属我国东南沿海区域向中部内陆延伸的过渡地带，同时还是内地通往东南沿海的重要通道[24]，对于区域的经济发展有着重要的交通意义。赣江上游流域总面积为35 699 km2，赣州市除寻乌县及定南县外，章贡区、赣县等其他16 个县区均属于赣江上游流域，占赣州市总面积的90.65%。赣江上游流域属于亚热带气候，雨量充沛，溪水密布；地形特点中部低，四周高，多山地丘陵，整体呈现出山地环绕，河流纵横的特点。赣江上游流域是江西母亲河赣江的发源地，承担着维系整个赣江流域生态环境的作用，对于江西生态环境的调节具有重要的地位。近年来，随着赣州市的经济发展，频繁的工业活动造成赣江上游流域的生态系统产生了一系列的生态环境问题[25]。

1.2 数据来源

本文主要数据来源如下，遥感影像（表1）以及DEM 数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）；土地利用类型、河流数据均来源于江西省土地利用变更调查数据库，交通路网数据来源于电子地图数据集（http://www.tianditu.gov.cn/）；地质灾害相关数据来源于江西省自然资源厅；降水及气温数据来源于中国气象数据网（https://data.cma.cn/）；土壤数据来源于中国科学院资源环境数据中心的土壤质地数据库；社会经济相关数据以及历史洪灾数据来源于江西省统计年鉴、赣州市统计年鉴以及水文年鉴等。

图1 研究区域范围示意图Fig.1 The spatial layout of the study area

2 研究方法

2.1 线性光谱混合模型

LSMA（linear spectral mixture analysis）模型具有较好的理论基础和算法框架，是目前广泛使用的不透水面反演算法[26]。因此本文选用线性光谱混合模型对研究区的城市不透水面进行解译。LSMA 模型的原理是将像元在某一光谱波段的反射率作为由构成像元的各组分占像元面积为权重系数的线性组合[27]，其模型构成如下：

式中，Ra是影像a波段的反射率；N是终端地类的数目；f i是终端地类i的权重；Ri，a是终端地类i在a波段的反射率；ea是残差。

2.2 城市扩展模拟的生态阻力面模型

最小累积阻力面模型（MCR）最早由Knappen提出用以研究物种扩散的过程，后广泛应用于一些生态领域，例如物种保护或是景观格局研究。近年来，一些学者尝试将MCR 模型应用于城市空间扩展的模拟研究中。由于考虑到不同区位条件下城市的经济发展水平存在一定差异，同一研究区内不同等级的扩展源具有不同的扩展能力，叶玉瑶基于MCR 模型提出了一种适用于城市扩展模拟的生态阻力面模型（urban expansion ecological resistance，UEER），该模型基于MCR 模型引入不同等级“源”的相对阻力因子Kj。考虑到赣江上游流域各城市发展能力存在较大差异，选取改进后的MCR模型，旨在更加准确地反映各源的扩展能力，反映城市扩展的过程。其计算公式为：

式中：UEER是城市扩展源在扩展过程中需要克服的最小累计阻力值；Dij表示源j到达景观单元i所需穿越的空间距离；Ri表示某景观单元i对城市扩展过程的阻力系数；Kj表示源j的相对阻力因子，与城市源的扩展能力有关，扩展能力较强的城市源则具有较小的阻力因子；f是个未知的负函数；min 表示某景观单元对不同源所取的最小累积阻力值。

2.2.1 城市扩展“源”的分级“源”是物种扩散的起点与核心，具有向周围扩散以及吸引的能力，对于物种的维持和扩散具有重要的意义[28]。同理，城市的扩张过程可以看作是城市用地作为“源”向四周扩散并占用其他景观类型的过程，因此本文选取赣江上游流域的城市不透水面作为城市扩展源，根据研究区各县区的发展潜力以及经济水平等差异，对城市扩展源进行等级划分。划分依据主要参考《赣州市域总体规划（2017—2035）》中对于城镇规模等级划分的结果，并综合赣江上游各县区的社会经济水平，将赣江上游流域城市不透水面的扩展能力进行分级。根据相关研究[12，29-30]，结合研究区实际情况，本文将一级源的阻力系数设定为0.85，二级源为0.90，三级源为0.95，四级源为1.0，具体结果见表1。

表1 研究区城市扩展“源”分级Tab.1 The classification of urban expansion sources in study area

2.2.2 城市扩展的综合阻力面构建 本文根据赣江上游的实际情况，参考相关研究，从城市扩展的本底条件、区位动力、生态阻力三大类因素考虑，选用10个指标构建城市扩展阻力面模型的指标体系，指标权重采用专家打分法确定（表2）。

表2 研究区综合阻力面评价指标体系Tab.2 Comprehensive resistance surface evaluation index system of study area

生态阻力的构建方法较为复杂，本文结合赣江上游流域水网密集以及地势起伏大的特点，从地质灾害易发性、水土保持重要性、洪涝灾害频发性、水源敏感性、生物多样性等角度构建其生态阻力评价体系：

（1）地质灾害易发性。地质灾害是山区常见的生态风险，包括崩滑流、地面塌陷以及地震等类型。一方面，赣江上游流域此类地形起伏度大，山地特征明显，在城市扩展的建设中可能会存在潜在的地质风险，危及人员安全；更重要的是，在地质条件本就脆弱的区域进行城市扩展建设，往往会破坏原本岌岌可危的生态系统，加剧区域生态环境恶化。本研究中地质灾害的易发性主要参考国土空间规划双评价的研究思路，考虑区域活动断层风险等级、地震风险等级、崩滑流易发程度以及地面塌陷易发程度，取最大影响的灾害等级作为区域地质灾害易发程度等级。

（2）水土保持重要性是生态系统通过结构与过程作用来减少由于水蚀所导致的土壤侵蚀的功能。城市的扩展过程往往会因开挖行为破坏原始的植被层，甚至对地表的土层造成影响，加剧水土流失[31]。为了避免城市扩展过程带来的破坏性，本次研究采用修正通用水土流失方程RUSLE 模型对赣江上游流域的水土保持重要性进行评价，公式如下：

式中，Ac为水土保持量；Ap为潜在土壤侵蚀量；Ar为实际土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L、S为地形因子，L表示坡长因子，S表示坡度因子；C为植被覆盖因子，P因子由于数据获取受限，统一设置为1。

（3）洪涝灾害频发性[32]。由于相关数据收集的局限性，本文洪涝灾害频发性的结果来源于赣州市统计年鉴以及水文年鉴的历史洪灾数据（2005—2015），首先将统计数据赋值于对应的观测站点，通过反距离权重法构建区域洪涝灾害频发情况的栅格面。

（4）水源敏感性。水源对于整个研究区域生态系统的维系和调节具有着重要的作用[33]。水源敏感性的结果是根据距离水源远近进行为标准进行评价，距离水源越近水源敏感性越高。

（5）生物多样性。生物多样性是区域生态环境质量的重要参考指标，是生态环境质量好坏的直接体现[34]，城市的建设过程中应最大限度地减少对于生物多样性的破坏，维护生态系统的多样性。本文采用NPP定量指标评估法对生物多样性进行评估，具体计算公式如下：

式中：Sbio为生物多样性维护服务能力指数，NPPmean为多年植被净初级生产力平均值，Fpre为多年平均降水量，Ftem为多年平均气温，Falt为海拔因子。

图2 各因子阻力面情况Fig.2 The resistance surfaces of each factor

3 结果与分析

3.1 不透水面分布情况

将利用LSMA 模型提取的不透水面按照扩展能力进行分级，得到各级源的空间分布图（图3）。2018年赣江上游不透水面总面积为466.04 km2，不透水面主要分布在章贡区及南康区，面积分别为113.98 km2及82.91 km2，占区域不透水面的42.25%，该区域城市扩展的能力较强，属于一级扩展源；而崇义县及全南县不透水面面积分布较少，仅为5.40 km2及7.43 km2，占总面积的2.75%，不透水面的覆盖程度远低于其他区域（图4），属于扩展能力最弱的四级源。

图3 研究区城市扩展源分级Fig.3 Classification of the urban expansion source in the study area

图4 各区域不透水面面积及占比Fig.4 Impervious surface area and its proportion in study area

3.2 城市扩展的综合阻力面

整合本底条件、区位动力以及生态阻力三类因素对应的权重，构建了赣江上游流域城市扩展的综合阻力面（图5），从阻力面分布的整体情况来看，研究区的西部扩展的阻力小，东北部扩展的阻力值较大。其中章贡区、南康区以及信丰县阻力低值分布较广且较为连片，尤其是章贡区，其整体条件利于城市发生扩展；在宁都县、石城县、崇义县及于都县等区域，城市扩展的阻力值较大且分布较为广泛，城市的发展受到一定程度的限制；在瑞金市、会昌县、龙南县等其他区阻力低值与高值分布较为均衡，且分布较为集中。

图5 研究区综合阻力面Fig.5 Comprehensive resistance surface in study area

3.3 城市扩展最小累计阻力面

根据扩展能力的不同，将LSMA 模型提取的不透水面根据表2 的结果划分为四级，首先利用ArcGIS 10.5中的COST－DISTANCE 工具分别形成4张不同等级的阻力面，随后通过CELL－STATISTICS 叠加分析计算各个栅格的最小阻力值，最后生成研究区城市扩展的最小累计阻力面（图6）。

图6 城市扩展最小累计阻力面Fig.6 The minimal cumulative resistance surface of urban expansion

总体上阻力面围绕扩展源呈现出向外不断增大的变化趋势，扩展路径就近选择阻力值较小的区域进行侵占，因受到阻力基面空间异质性的影响，在综合阻力面较大的区域城市扩展的最小累计阻力迅速增加，甚至发生阻力突变。城市扩展阻力的高值突变区主要分布在宁都县北部的大部分区域，兴国县的西北部，上犹县、崇义县的西部，南康区的北部；在大余县的西部有少量分布，于都县南部及安远县的北部也有少量突变高值区聚集分布。

以最小累积阻力面为根据，划分城市空间扩展建设的范围。首先通过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确定突变点[35-36]，根据突变点的情况划分出研究区城市空间分区的情况（图7），将研究区域划分为低阻力值区、中阻力值区、较高阻力值区及高阻力值区，并统计区域面积及比例（表2）。

图7 研究区城市空间分区Fig.7 The layout of urban space zone in study area

表3 研究区城市空间分区面积统计Tab.3 Statistical table of urban space zoning in study area

赣江上游流域低阻力值区面积为10 551.95 km2，占区域总面积的29.54%，主要分布在地势平坦、人类活动较频繁且生态环境不敏感的区域，集中分布在现有不透水面的周围，是城市扩展建设中需要重点优化的区域，在该区域可以通过合理建设提高城市发展的经济水平；中阻力值区面积为9 594.63 km2，占全域面积的26.86%，分布在低阻力值区的外围，属于城市空间与生态空间的缓冲区，可缓解城市开发对于外部生态环境的破坏，原则上以生态保护为主要目的，避免城市空间的建设；较高阻力值区面积为11 662.87 km2，在这些区域有些是本底条件和区位动力不利于城市空间的扩展，有些则是区域生态环境较为敏感，强行扩展会给生态坏境带来影响，需要限制城市空间的开发建设；禁止开发区面积为3 911.44 km2占全域面积的10.95%，在此类区域距海拔较高，地形复杂，距离现有城市空间较远，生态环境受到较好的保护，生态价值较高，为了保障城市建设的经济效益及生态环境的健康稳定，在该区域禁止城市的开发建设，实行最为严格的用地保护。

3.5 城市扩展情况模拟

根据现有的国土空间管制政策，基本农田保护红线、生态保护红线是制约城市无序扩张的重要因素，为了更好地模拟赣江上游流域城市扩张的情况，本研究将基本农田保护红线、生态保护红线作为赣江上游流域城市扩张的刚性约束，以此作为城市生态安全最基本的保障，并在ArcGIS中将这些区域栅格赋值为-9 999。

赣江上游流域基本农田保护区分布较为零散，各个区域都有分布，图斑较为破碎，占地面积为3 088.55 km2；生态保护红线主要分布在赣江上游流域的西南部以及东北部，中心区域分布较为零散，总面积为10 254.55 km2（图8）。

图8 生态保护红线和永久基本农田分布Fig.8 The layout of the ecological protection red Line and the permanent basic farmland

将生态保护红线和永久基本农田组成的生态屏障与赣江上游城市扩展的最小累计阻力面研究成果相结合，设置生态保护红线和永久基本农田为限制扩张区域，并利用栅格重分类方法设定扩展面积与研究区域的比例，模拟赣江上游流域城市不透水面扩展至600，800，1 000 km2的情况。

图9a 能够反映城市不透水面增长不同规模时的城市空间形态与边界，城市发展的总体方向符合现有“东控、南拓、西进、北优”的规划布局（图9c）。南康区、章贡区及赣县区逐渐形成一体的城市群落，城际之间道路的连通性逐渐增强，较好地顺应《赣州市城市总体规划（2017—2035年）》中提出的五区（南康区、章贡区、赣县区、蓉江新区及赣州经开区）“统筹、分工、协调、连接”的发展思想（图9b，图9c）。

图9 赣江上游城市扩展情况Fig.9 Simulation of urban expansion in the study area

表4反映了研究区城市在受到生态屏障影响时，扩展至不同面积时的面积，及各区域城市发展规模与其对应的开发强度。章贡区的扩展强度最大，当模拟规模达到600 km2时，其扩展面积达到138.49 km2，扩展强度达到28.50%，当模拟面积达到800 km2时，扩展面积为166.13 km2，扩展强度高达34.19%；南康区扩展强度虽低于章贡区，但3次模拟的扩展强度仍远高于研究区其他区域，可见章贡区与南康区的城市源不仅扩展能力强，而且扩展所受到的阻力小，城市发展空间较为充足，是赣江上游流域未来城市空间扩展的重点区域，需要合理规划城市空间；信丰县及大余县城市扩展源的能力不强，分别所属三级源以及四级源，但其扩展所受的整体阻力较小，3次扩展模拟的强度分别为1.31%，1.68%，2.09%；以及1.03%，1.39%，1.76%，存在一定数量的后备城市空间，可根据其自身发展能力适当提高城市用地的开发程度，带动区域经济发展；崇义县、安远县、全南县城市扩展源的能力较小，都属于四级扩展源，且扩展的后备城市用地存量不足，高阻力值的生态用地数量大，应根据实际情况合理开发，开发强度不应超过生态环境所能承载的最大限度，避免强行开发带来的生态环境破坏。

表4 城市扩展模拟情况Tab.4 Results of urban expansion simulations

4 结论与讨论

本文以LSMA模型解译的赣江上游流域的城市不透水面为扩展源，基于UEER 模型，从本底条件、区位动力、生态阻力3个方面考虑坡度、高程、土地利用类型、距中心城区距离、距路网距离、水源敏感性、地质灾害易发性、水土保持重要性、洪涝灾害频发性以及生物多样性构建了城市空间扩展的最小阻力面，根据最小累计阻力面的结果进行城市建设分区的划分，并将其应用于赣江上游城市空间的实际模拟中，研究结果表明：

（1）不透水面总面积为466.04 km2，占区域总面积的1.33%。其中章贡区与南康区不透水面覆盖程度较高，全南县以及崇义县较低。

（2）赣江上游城市空间扩展的综合阻力面整体呈现出西部阻力小、东北部阻力高的特点，表明研究区中西部易于城市扩展，而东北部城市扩展在一定程度上受到阻碍；以不透水面为扩展源，综合阻力面为阻力基面的情况下，得到赣江上游城市空间扩展的最小累计阻力面，以此构建研究区城市空间建设分区情况：低阻力值区面积为10 551.95 km2，占区域总面积的29.54%，缓冲开发区面积为9 594.63 km2，占区域总面积26.86%，限制开发区面积占区域总面积32.65%，禁止开发区为10.95%。

（3）利用构建的最小累计阻力模型，模拟赣江上游城市空间扩展至600，800，1 000 km2的情况，研究区整体扩展情况符合城市的发展规划布局。章贡区及南康区城市空间的扩展强度较大，城市发展的后备土地资源较为充足；崇义县、安远县、全南县城市空间扩展强度较小，在城市建设中不宜过度开发。

城社会经济发展促使人类对于建设用地的需求与日俱增，城市空间与生态空间的矛盾日益凸显，大量人工硬质表面侵占生态空间，导致了物种多样性降低甚至是生态环境失衡等一系列问题。综上所述，城市空间构建是权衡社会经济效益与生态环境维护间博弈的结果，因此，如何科学准确地对于城市未来发展的生态风险效应进行评价，探索更加科学合理的城市扩张方式则显得十分重要，城市空间构建归根结底是权衡社会经济效益与生态环境维护间博弈的结果。本文将城市空间扩展的本底条件、区位动力以及生态约束放在同一个框架下研究城市扩展，可以较好地将城市扩展的内生机制和外部约束有机地结合起来，理论意义上更加加强了文章的理论指导性，有效引导城市空间向阻力负荷最小的方向发生扩展，有助于突出研究的区域发展特色，利于指导城市空间发展规划，使得研究结果更加符合区域发展的情况。但本文也存在一些不足，因受到有关技术和数据的限制，本文构建的指标体系还不够全面，在内在驱动因素上的选取仅考虑了影响较为重要的区位动力，虽然在划分扩展源的等级时有考虑到人均GDP、人口密度等社会经济因素以及规划文件中城市建设重点区域划定等政策因素，但是这种定性地考虑较为粗略，有一定的改进空间。城市空间扩展的综合阻力面构建是本研究的关键，影响着未来城市空间的划定，因此，如何优化城市空间扩展的综合阻面构建，设置更为准确合理的指标体系，将其更好地投入实践中，是本文需要继续深入研究的方向。