基于元胞生態位適宜度模型的低丘緩坡土地開發建設適宜性評價

李紅波，張 慧，趙俊三，袁 磊

（1.昆明理工大學土木工程學院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

基于元胞生態位適宜度模型的低丘緩坡土地開發建設適宜性評價

李紅波1，2，張 慧2，趙俊三2，袁 磊2

（1.昆明理工大學土木工程學院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

研究目的：評價低丘緩坡土地開發建設適宜性。研究方法：以GIS為系統環境，通過元胞自動機模擬地理空間過程，“生態位”確定元胞鄰域之間的轉換規則，構建元胞自動機生態位適宜度模型。研究結果：模型運行得出了安寧市低丘緩坡土地開發建設適宜性的等級圖譜，適宜建設區域主要分布在低丘緩坡區域的東北部，模型運行有效。研究結論：元胞生態位適宜度模型運行結果生態意義明確，適用于生態保護為目的的同質性區域建設用地適宜性評價，為評價、優化和編制低丘緩坡專項規劃方案奠定了很好基礎，也為類似的山地土地利用適宜性評價提供了方法借鑒。

土地評價；低丘緩坡； 建設適宜性評價；元胞自動機；生態位

1 引言

在當前建設用地日益緊缺的大背景下，低丘緩坡已成為工業發展城鎮建設空間擴展的重要選擇。目前，低丘緩坡土地綜合開發利用處于摸索階段，開發過程采取先行先試，盡管積累了一定的經驗，但是在理論與方法準備不足，經驗尚在積累，低丘緩坡土地利用專項規劃盡管可以借鑒平原地區的理論模式和實踐經驗，但由于山地與平原有天壤之別[1]，試點區域普遍制訂了“宜農則農、宜林則林、宜建則建”開發建設原則，而其劃分邊界的具體依據尚不清楚，因此，亟待探索與山地相適應的開發建設理論與方法。山地丘陵可用地資源和耕地資源一樣，也具有稀缺性和不可再生性，科學、合理、高效地推進低丘緩坡土地的開發建設，其首要的任務是要通過對低丘緩坡土地特別是建設用地進行適宜性評價，而選擇科學的評價方法是理解與判斷整個低丘緩坡土地開發的前提與基礎。

土地適宜性評價一般方法已有很多研究，基本分成兩大類：一類研究采用純數理分析法，如聚類分析法[2]、或基于可拓工程的優度評價法、結合分值分布的頻率直方圖評價建設用地適宜性[3]，或用層次分析法分析土地利用規劃要滿足環境、生態、食物等多目標平衡的要求[4]。這類數理分析法需要大量的先驗知識來建立影響因子之間的數學關系，建模過程中過多地注重影響因子的選擇和量化，對空間過程信息的揭示明顯不足。另一類研究在GIS平臺上采用加權指數法評價山地未利用地適宜性[5]，以GIS柵格技術為支撐，利用多因素加乘復合算法和互斥性矩陣分類方法進行城鎮建設用地適宜性評價[6]，利用GIS進行柵格運算，加權疊加各單因子和極限值法評價未利用地適宜性[7]，或者多因素統計法評價農村居民點用地適宜性[8]，也有采用GIS空間分析結合人工智能方法用于土地的適宜性評價[9]。這類研究方法借用GIS空間分析手段采用圖斑或網格來劃分評價單元，模擬了一定的空間信息，微觀層次單元因子主要反映單元自身的適應性，土地適宜性宏觀評價結果表現為評價區域統計值，而不能反映單元評價因子之間關系。事實上，評價單元之間是存在生態關系的，生態學意義是反映當兩個生物單元利用同一資源或共同占有其他環境容量時，必然產生競爭與排斥關系，微觀單元之間的鄰居生態關系，體現為周圍土地利用單元之間的協調關系，宏觀涌現成為評估區域適宜的土地利用類型。因此，本文遵循在低丘緩坡開發利用的過程中將保護生態環境放在首位，擬構建元胞生態位適宜度模型用來評價低丘緩坡土地開發建設適宜性。

2 數據來源與評價方法

2.1 研究區概況

安寧市位于滇中高原東中部，滇池西面，距昆明市區32 km，為昆明市近郊縣級市。地理優越、交通發達，320國道直通緬甸，昆安、安楚高速，安晉高速、昆廣鐵路、成昆鐵路等穿境而過，柏油路直達各行政村。轄7鎮2街道辦事處，人口31萬。全市總面積為1321 km2，山區、半山區面積占65%，壩區（盆地）面積占35%。南北長66.5 km，東西寬46.4 km。地形北寬南窄如錐形，地勢南高北低，但起伏不大，高差較小。大部分山態舒緩、寬展，背斜為山，向斜為谷。土壤類型為紅壤，森林覆蓋率為38.6%，現有林地面積819.71 km2，占全市總面積的61.95%。境內河流分屬兩大水系，即金沙江水系和紅河水系。直觀而言，安寧市低丘緩坡土地開發利用潛力較大，而準確的土地開發建設適宜性圖譜有待探索。

2.2 數據來源

安寧市域內相關數據：1︰10000的土地利用現期狀態圖（2010年）；根據安寧市土地利用“十二五”規劃環境影響評價數據集，包括地形圖、地質災害圖、交通圖、大氣環境功能區、土壤圖、水環境功能區、自然保護區、生態脆弱區、水源地保護區、森林公園、山區生態涵養區、基本農田保護區、風景名勝區、生態環境功能區等；地質礦產圖、構造綱要圖；根據市區統計年鑒統計經濟、人口等社會數據。通過ArcGIS 10.0 的轉換工具，將矢量數據轉換為50 m×50 m的柵格數據。

2.3 適宜建設元胞“生態位”及元胞生態位適宜度評價方法

適宜建設元胞“生態位”首先是指元胞在生境所處的空間位置，另一方面是指其在建設過程中所發揮的作用和所處的地位。每一個微觀元胞所在自己的生態位，在二維空間上宏觀表現為區域差異性。

低丘緩坡土地進行開發建設要考慮多種因素影響，這些因素包括地形地貌、地質地震條件、自然地質災害、交通條件、城市集聚效益、供水條件等，從而構成一個多方面土地需求因素空間，這種多方面需求因素空間定義為需求生態位。低丘緩坡開發建設的土地需求因素形成需求生態位，同時CA的元胞現期狀態也構成對應土地供給因素空間[10]，兩者之間的匹配關系反映了元胞的現期狀態多因素影響條件對低丘緩坡土地開發建設的適宜程度，用生態適宜度來度量。

當元胞的現期狀態多因素條件完全滿足低丘緩坡開發建設的要求時， 低丘緩坡土地開發建設生態位適宜度為1，當元胞的現期狀態多因素條件完全不能滿足低丘緩坡開發建設要求時，低丘緩坡土地開發建設生態位適宜度為0。

參照相關文獻分類方法[10]，把需求因素分成三類，第一類要滿足其最低要求，而且越大越好，如：地基承載力、離斷裂帶的距離等因素。對于該類因素，元胞的生態位適宜度的表達公式如下：

式1中，Eτ為τ種因素的元胞生態位適宜度；χτ為現期狀態值；δτmin為τ種因素的最低值；δτopt為τ種因素的理想值。

第二類是指在土地可供給范圍內多因素影響存在一個適宜的區間，影響過小或過大均作為限制因素。如：相對高差因素，相對高差太大，低丘緩坡資源開發建設存在限制，而相對高差太小，低丘緩坡特征不明顯。對于這類因素，元胞生態位適宜度的表達公式：

式2中，δτmax為τ種因素限制的最高值，其他符號同式1。

第三類是指現期狀態值越低越好，如災害發生頻率、距離主要交通干道的距離以及距離中心城鎮的距離等。對于這類因素，元胞的生態位適宜度表達公式：

低丘緩坡土地開發建設需求因素構成的需求生態位是一個多種因素形成的多維生境空間。根據Shefold限制性定律：在質量上的缺陷或數量上的不足，任何一個生態因子就會導致該生物衰弱或消亡[11]。Shefold定律同樣適合用于分析低丘緩坡土地開發建設與因素的關系，任何因素的現期狀態條件在質量上的缺陷或數量上的不足，就會成為開發建設的制約因素。因此，在適宜建設CA中，多因素的元胞生態位適宜度表達公式：

式4中，E為多因素的元胞生態位適宜度；Eτ為某一種因素的元胞生態位適宜度；n為各因素種類之和。

2.4 元胞自動機的轉換規則

在元胞自動機中，對標準CA模型轉換規則的限制條件適當地放寬，確定性的轉換規則被概率轉換規則所代替[12]。對于低丘緩坡土地是否適宜建設，首先要確定需求生態位，根據“生態位”CA的元胞現期狀態條件與需求生態位的耦合關系，計算元胞的生態位適宜度。元胞生態位適宜度越低，其對應的“生態位”就越低，在低丘緩坡資源建設適宜性評價中，該元胞的競爭力也就越弱，其宜建性的概率越小。反之，元胞生態位適宜度越高，其宜建性的概率越大。“生態位”元胞自動機的轉換規則表達公式：

式6中，M（suitable（ij））為4×4領域窗口內適宜建設的像元數。

求出元胞生態位的建設適宜性概率以后，根據概率大小將其分級，分級標準如下：

表1 適宜性評價結果分級表Tab.1 Suitability evaluation levels

由式5—式6以及表1可以看出，“生態位”CA模型的轉換規則生態學意義非常明確，決定了在轉換規則方面常規的元胞自動機模型與“生態位”元胞自動機模型存在差異，其轉換規則從生態學的角度出發，以因地制宜，生態優先，處理好開發和保護的關系，堅持保護與保障并重為原則，選取各類限制性因素，由需求因素的最優值、最高值以及最低值決定。

3 元胞生態位適宜度計算

3.1 評價因子的選擇

與平原地區相比，山地地形地貌復雜，導致開發技術難度加大。山區生態系統比較脆弱，穩定性差，地貌環境抗干擾能力低，災變敏感度高，對自然和人為作用的承載能力低，容易發生崩塌、滑坡、泥石流等災害。安寧市域內低丘緩坡尚未開發建設或者開發程度低，因此，適宜建設的需要生態位評價因素主要考慮地形地貌、地質地震條件、自然地質災害、交通條件、城市集聚效益、供水條件等因素組成，采用德爾菲法和層次分析法確定各生態因子的權重（表2）。

表2 適宜建設需求的生態位因素及生態因子Tab.2 Ecological niche indicator of construction suitability

3.2 數據處理及計算

遙感影像提取的信息，土地利用現期狀態圖、地形圖和相應比例尺的變更調查原始圖件等預處理后放入Geodatabase數據庫。以數據庫和GIS的二維網格為基底提供系統環境，CA的元胞布滿整個網格，元胞自動機代表影響地理變化的各種空間過程，模型選擇性能穩定的Von Neuman結構，由“生態位”確定元胞鄰域之間的轉換規則，根據轉換規則，每個元胞與4個鄰居元胞相互作用、相互協調形成自身的土地利用生態位，土地利用的生態位宏觀表征出不同土地利用類型占用新生境的能力。每個元胞與4個鄰居元胞相互作用過程通過迭代追蹤局地最優適應值和全局最優適應值，微觀元胞不斷調整自身土地利用方式和類型選擇，這樣無數微觀元胞相互作用涌現成宏觀區域土地利用適宜性狀態。

根據表2以及式1—式3計算各因素的元胞生態位適宜度，由GIS空間模擬運行得到的結果，再根據式4計算多因素的建設適宜性生態位適宜度 ，GIS空間模擬運行得到圖1。

3.3 約束條件分析

將元胞所在區域的土地利用類型設定為約束條件，其值為0—1，位于優質耕地以及林地，基本農田保護區，國家級、省級公益林以及重要水源地的區域，不適宜進行建設，其值取0；位于建設用地，荒灘、未利用地等區域，其值取1；其他類型的取值在0—1，條件約束下的GIS模擬運行結果得到圖2。

圖1 多因素的元胞生態位適宜Fig.1 Ecological niche suitability of multi-factors

圖2 約束條件取值結果圖Fig.2 Effects value of constrained conditions

圖3 適宜建設概率結果圖Fig.3 Probability of construction suitability

3.4 模擬結果

根據式5，計算得出元胞在T時刻適宜建設的概率 ，GIS模擬運行結果得到圖3。

根據表1的適宜性評價分級和適宜建設的概率，GIS模擬運行分級結果如圖4（封三）所示。

根據圖3和圖4 ，可以看出適宜建設的區域主要分布在低丘緩坡區域的東北部，不適宜建設的主要區域正北和南部的區域，以“宜農則農、宜林則林、宜建則建”為原則，根據 “生態位”CA模型的轉換規則，又可將不適宜的分為宜農區、宜林區，從而可以得出安寧市低丘緩坡資源的宜農區主要分布在中部，宜林區主要分布在南部和正北，宜建區主要分布在東北部。

為顯示元胞生態位模型的優點，進一步采用了空間模糊聚類算法進行比照。將模糊隸屬度分析與聚類算法的過程中的相關參數和結果作為可視化要處理的對象，采用色彩差明顯的彩色圖例描繪土地建設適宜性分級圖（圖5，封三）?；诳臻g模糊聚類算法運行得到的分級圖與元胞生態位模型運行結果圖相比較，前者明顯的特點是，在隸屬度函數和聚類算法運算規則作用下，在某一等級為主的適建性區域內，其他等級的適建性小區域范圍消失或縮?。欢笳哌\行結果分級圖中某一等級為主的適建性區域內明顯散布著其他等級的適建性小區域。兩種方法得到結果細部差別明顯，中等和勉強適宜區域面積前者要稍多于后者，但總趨勢判斷趨于一致。因此，圖4顯示的結果比圖5更精確，更切合實際情況。

4 結論

（1）元胞生態位適宜度模型運行得出了安寧市低丘緩坡資源的建設適宜性的等級圖譜，根據建設適宜性的等級劃分了安寧市低丘緩坡資源的宜農、宜林、宜建區域，結果不僅符合現場踏勘直觀粗略判斷，而且等級圖譜精確顯示了建設適宜區域的禁止邊界和過渡邊界，對比分析也表明模型運行有效。元胞生態位適宜度模型的構建為低丘緩坡建設的因地制宜適時用地選擇機制提供了依據和參照，也為評價、優化和編制低丘緩坡專項規劃方案奠定了很好基礎，同時也為類似的山區土地開發建設用地適宜性評價提供了方法借鑒。

（2）盡管模型借助元胞自動機將微觀土地單元自組織和宏觀區域土地利用功能分區能夠有效結合，提高模型對土地利用復雜系統的表達能力，但在模型運行時，需求生態位相關因子選擇以及各因子要求參變量（如最優值、最高值以及最低值）確定需要根據具體地區或地塊地形地貌等自然環境和產業、人口等社會環境進行調整和修正。另外，部分因子的增減和目標值依賴豐富的專家經驗來確定，難免帶有主觀性。因此，模型運行結果能很好地反映同質性區域內不同地塊之間建設用地相對適宜性評價，但對異質性顯著（如平原和山區）的區域進行建設用地適宜性整體性評價可能作用有限，這是由于自然地理環境好的區域都成為建設用地與非建設用地理所當然的選擇，環境適宜性和經濟適宜性存在空間上的一致性。然而，與一般適宜性評價方法比較而言，本文模型結果生態意義明確，滿足了低丘緩坡土地綜合開發必須把生態環境保護作為重要前提的原則要求，在以生態保護為出發點的同質性區域建設用地適宜性評價中具有明顯優勢。

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（本文責編：陳美景）

Evaluation on Land Suitability for Development and Construction in Low Hill and Gentle Slope Area Based on CA-Niche-Suitability Model

LI Hong-bo1,2, ZHANG Hui2, ZHAO Jun-san2, YUAN Lei2
（1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science & Technology, Kunming 650500, China; 2. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science & Technology, Kunming 650093, China）

The purpose of this paper is to evaluate the land suitability for developing the low hill and gentle slope area（LHGSA）. The employed method is to establish the CA-Niche-Suitability （CNS） model by geographical spatial process simulation of cellular automata （CA） with niche-based neighbor conversion rules on GIS platform. The results indicate that the model effectually does the hierarchy mapping for land suitability for development and construction in LHGSA and the maps show the suitability construction district locates in northeastern LHGSA. It concludes that CNS model with explicit niche is fit to evaluate land suitability for developing the homogeneity area for the purpose of ecological conservation. Meanwhile, the model is good presupposition and basis for appraising, optimizing and madding the subplan for LHGSA. It is also the approach reference of evaluating land suitability in similar hilly area.

land assessment; low hill and gentle slope area; the land suitability evaluation for development and construction;cellular automata （CA）; ecological niche

F301.24

A

1001-8158（2014）06-0023-07

2013-08-08

2013-09-30

國家自然科學基金項目（41261043；41161062）。

李紅波（1973-），男，湖北應城人，教授。主要研究方向為土地資源管理。E-mail:lihb20132013@163.com