基于数学模型的城市生态分区构建研究

宋飞科

（咸阳职业技术学院，西安 712000）

生活、生态与生产目标之间协同与权衡的健康发展，需要建立在有效的土地类型转换基础上，综合分析生态用地、城市发展用地及粮食支撑耕地等土地类型的使用需求、基本保障，提出可靠性较高的城市生态分区建设方案[1]。目前，部分城市提出生态分区建设方案缺少生态环境适宜性的评价，导致生态安全性较差，带来了一些自然灾害[2-3]。为了有序推进城市生态分区建设，本文尝试采用数学模型分析法，根据生态分区构建需求，开发一套基于数学模型的城市生态分区构建应用方案，为城市生态分区构建策略的拟定提供参考依据。

1 城市生态分区研究架构

本研究以生态适宜性评价作为架构构建核心，选取CA-Markov模型作为研究工具，采取动态变化模拟分析的方式，分析土地利用类型在不同规划方案下的发展趋势，结合城市总体规划目标，明确城市土地未来建设方向[4]。按照此方向，划分城市生态区域，并设定管控等级。本研究方法选取影响主城区生态安全的因素作为研究因子，而后采用层次分析法，划分各个因素之间的层次结构，经过空间叠置处理得到生态适宜性评价体系。利用该体系对生态分区管控等级进行划分，并对划分结果给予评价。其中，涉及到的影响因子主要有3个，分别是生物多样性保护、自然灾害预警与人为活动干扰。城市生态分区研究架构如图1所示。

图1中，生物多样性保护因子中包含3项因素，分别是生境质量、植被覆盖度与土地利用；自然灾害预警保护因子中包含4项因素，分别是土壤类型、坡度、高程与自然汇流；人为活动干扰因子中包含2项因素，分别是人口密度和道路干扰范围。将生物多样性保护、自然灾害预警与人为活动干扰3个因子组合到一起，构建生态适宜性分析与评价体系。与此同时，收集2010年、2021年土地利用资料，结合2030年土地利用规划资料，按照合理性判断标准，将城市生态分区划分为2部分，分别是合理转化区域和不合理转化区域。根据2部分区域特点，引入CA-Markov模型，对其进行动态模拟与演变分析，作为生态分区参考依据。综合考虑生态适宜性分析与评价结果、CA-Markov模型动态模拟与演变分析结果、城市建设发展目标，完成城市生态分区，形成4种类型，分别是禁止开发区、适度开发区、限制开发区及建成区。

图1 城市生态分区研究架构

2研究方法

2.1城市生态适宜性评价

本研究严格按照客观性、整体性和有效性等多项评价要求，合理选取城市生态适宜性评价指标。根据各个指标的关联关系，划分层次结构，并为指标层的各个因素赋予权重，得到城市生态适宜性评价指标与权重，见表1。

表1 城市生态适宜性评价指标与权重

本评价体系以生态适宜性作为系统层，选择人为活动干扰、自然灾害预警与生物多样性保护作为主要研究指标，布设在准则层。而后将这3项研究指标拆分为多个详细的评价因素，得到指标层评价因素。经过多名专家的共同研讨，为各个评价因素赋予权重。

2.2土地类型动态模拟及演变数学模型的构建及应用方法

本研究将Markov模型（支持时间动态条件下的预测）与CA模型（支持复杂空间条件下的动态演化）结合到一起，形成CA-Markov模型。关于CA模型中元胞数量的转化，运用本模型中Markov结构中的土地类型转移概率矩阵求解，以数量、空间作为模拟分析突破口，完成土地利用时空模拟分析。根据模拟结果，调整土地空间布局方案。本文构建的CA-Markov模型，用来对不同城区的土地类型变化进行动态模拟与演变分析，获取不同土地利用方案执行下的土地生态变化趋势模拟结果，对生态规划的优化帮助较大。以下为CAMarkov模型的应用方法。

第一步：创建基本单元网格。采用数据栅格化方法，对两期土地加以处理。为了掌握某类型数据在特定时间段内的速度变化情况，以基本单元网格作为统计对象，计算各个网络的面积变化率，观察速度变化特点，并加以分析。以下为动态度计算公式

式中：S代表单位网格面积，m2；T代表时间间隔年份；Sib代表类型为ib的土地在研究末期的面积，m2；Sia代表类型为ia的土地在研究初期的面积，m2；IR代表某段固定时间内研究区域的单一土地利用类型的变化速度，简称为动态度，%。

第二步：创建转移矩阵模型。利用该矩阵明确土地利用的方向与结构，为了加深对土地利用空间结构的分析，本研究引入空间叠加分析法，运行Statistics功能，获取各个类型土地之间的转化面积。接下来，运用Markov模型，叠加2010、2021年土地利用现状类型，获取土地利用类型转移概率矩阵，该矩阵的计算结果将作为适应性分析依据，以图集MCE方式展示。关于2030年土地利用状况的预测，选取CA模型作为研究工具，通过运行5×5邻近滤波器处理土地利用相关数据，经过14周的循环，获取预测结果。

第三步：检验结果的准确性。通过运行CA-Markov模型，对2030年土地利用状况进行预测，如果Kappa系数大于0.80，则认为土地利用合理。模拟结果显示，Kappa系数为0.86，该数值大于0.80，符合数据使用要求。

3 基于数学模型的城市生态分区构建研究

3.1 区域概况

本研究区域总面积16 391 km2，位于山西省中部。其中，主城区集交通中心、经济发展与政治建设为一体，是城市建设的重点区域，此部分区域面积为1 328 km2。城市地势呈现阶梯状分布，东部偏高，西部偏低，以平川、丘陵和山地3种土地类型为主。其中，东部分布着较多林木，森林资源较为丰富。总体来看，该城市海拔位于700～1 700 m之间，四季变化较为显著，属于雨热同期气候。

由于该城市与所在省份的其他城市资源经济类型相似，皆存在较为显著的粗放式工业发展问题，对城市生态造成了严重影响。从几年的发展状况来看，城区消耗较高，产出很低，获取的效益也很低。在未来的9年计划中，以“生态之城”作为城市建设目标。

3.2 数据来源

本研究遥感数据来自Landsat8 OLI卫星数字产品采集获取，取2010年10月、2021年6月数据作为分析支撑。另外，本研究还涉及很多类型数据，主要来源为：①生境数据，通过运行INVEST生态系统中的服务评估模型获取；②人口数据，通过开展第七次人口普查获取；③土壤数据，通过挖掘1∶10万数字地貌数据库获取；④高程信息，通过挖掘GDEMDEM数字高程数据获取。

本研究根据土地利用特点，运行遥感图像处理平台处理影像数据，经过一番拉伸、纠正、边缘强化及剪裁处理，得到可靠性较高的数据信息。接下来，选择目视解译、监督分类作为研究工具，将2种工具结合到一起协同作业，提取地类空间信息，并将其划分为6种类型，分别是未分类用地、耕地、林地、水域和建设用地。为了保证本研究的遥感解译符合通用标准，通过随机抽样检验得知，数据正确率在84.4%以上，符合研究标准。

3.3 模拟结果

3.3.1 城区生态适宜性评价

本研究以人为活动干扰、自然灾害预警、生物多样性保护作为评价指标，采用多因子叠加方法，分别对各项指标中详细因素的生态适宜性进行评价。从总体来看，该城区的生态适宜性较差，能够达到高等级评价的城区占比非常小，大部分区域属于中等及以下评价区域，需要对城市土地利用转化管控给予高度重视。为了有效落实生态分区管理工作，需要针对不同类型土地利用矛盾问题，以恢复生态自然为首要工作，以保护生态自然为前提，对人类活动加以限制，从而尽可能减少对低敏感区域的破坏。例如，城市建成区边缘地带、浅山地带，必须适当开发，同时开展一些生态修复作业。

3.3.2 城区土地利用转化

运用本研究设计的城市土地利用转化数学模型，对研究区域的土地利用转化情况展开统计与预测，结果见表2。其中，城市研究土地类型包括建设用地、林地、耕地、未分类、草地与河流水域。统计指标为2021年土地利用面积，预测指标为2030年土地利用面积，说明内容为主要土地转换情况。

表2 城市土地利用转化与预测结果

从总体来看，本研究区域2021—2030年土地的变化中，建设用地面积持续增加，主要来自耕地的转化，而草地、林地2种土地类型变化的时序性差异较为显著，未分类用地与耕地随着时间的推移逐渐减少。

4 城市生态分区及土地用途管控等级

本研究根据生态适宜性评价结果，结合城市土地利用状况预测结果、城市规划发展目标，对主城区的生态区域加以划分，并为各个区域赋予管控等级，城市区域划分的依据为土地需求，在现有城市生态建设规划基础上进行划分，保证城市生活空间分配、生产地区分配与生态区域保护等分配合理。

本划分方案，将城市生态区域及管控等级划分为4个，分别为禁止开发区、限制开发区、适度开发区和建成区，本文将对这4个管控等级区域的城市生态组成及建设加以论述。

（1）禁止开发区。该区域的总面积为488.7 km2，占主城区面积的比例为36.8%。区域土地组成以自然保护区、水源保护区、林地、水土流失保护区及湿地为主，是城区资源重要保护区域，对城市生态屏障的保护影响较大，需要加强土地利用管控，禁止建设开发活动在此部分区域实施。另外，需要加大此部分区域的生态保护，以提高水土保护能力为建设目标，适当增加林木生态工程的建设，增加生态物种类型，同时加强水体净化，引入现代化科学技术，构建生态服务平台。通过运行该平台，掌握区域生态服务状态，及时为生态服务问题的处理给予指导方向。

（2）限制开发区。该区域的总面积为407.7 km2，占主城区面积的比例为30.7%。此部分区域与禁止开发区不同，属于生态用地缓冲区域。由于土地比较脆弱，容不得外界对生态环境造成干扰，所以可能对生态环境造成影响的项目都不可以在此区域开发。根据本地区实际情况，选取一些提升生态产品生产力项目作为考虑对象，在不会对区域生态结构造成影响的前提下，开展局部项目建设，同时做好生态保护工作。

（3）适度开发区。该区域的总面积为203.2 km2，占主城区面积的比例为15.3%。此部分区域分布大量地表径流，属于中敏感区域，可以适当开发，但是需要综合考虑自然生态环境保护问题。通过多项影响因素评价分析，判断某项目的建设是否会对此区域生态环境造成影响。如果造成影响超过了生态保护标准，则不可以在此区域开发此类项目。另外，该区域作为城市产业结构布局重要调整区域，应该以生态产业建设、生态廊道建设为主。由于城区生态环境随着建设的影响发生变化，所以该区域的划分与建设方案需要根据实际情况及时作出调整。

（4）建成区。该区域的总面积为228.4 km2，占主城区面积的比例为17.2%。此部分区域属于人类生活范围，虽然该区域支持城市多类项目建设，但是并非完全没有限制，仍然需要以城市生态建设为主，在尽可能降低对生态环境造成影响的情况下扩展产业。通过合理控制人口规模，根据生态产业建设要求，严格控制产业发展，并对新兴产业的建设加以严格审核，以此改善城市生态环境。

5 结束语

本文围绕城市生态分区与建设问题展开研究，与以往研究不同的是借助数学模型加以深入探究，使得城市生态分区更加详细准确。本次研究以CA-Markov模型作为研究工具，对某区域的土地利用类型的演变加以模拟预测，获取2030年土地利用状况预测结果。此部分结果作为未来城市生态分区建设规划依据，并提出一些规划建议，希望对城市生态分区建设有所帮助。