快速城鎮化過程中建設用地空間安全預警分析

李 燦，張鳳榮，王 楓，胡月明

（1.華南農業大學公共管理學院，廣東 廣州 510642；2.國土資源部建設用地再開發重點實驗室，廣東廣州 510642；3.廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東 廣州 510642；4.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

快速城鎮化過程中建設用地空間安全預警分析

李 燦1,2,3，張鳳榮4，王 楓1，胡月明2,3

（1.華南農業大學公共管理學院，廣東 廣州 510642；2.國土資源部建設用地再開發重點實驗室，廣東廣州 510642；3.廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東 廣州 510642；4.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

研究目的：基于空間視角，探索建設用地空間安全預警的思路與方法，使預警結果在空間上直觀體現出來。研究方法：利用ArcGIS空間分析技術，采用因子加權分析法和數理分析法，構建預警評價指標體系。研究結果：北京市順義區建設用地空間擴展警情態勢相對嚴峻，重警及其以上的區域主要集中在高麗營、趙全營、李橋、北務等西部和南部鎮區，并且規劃被打破和諸多優質耕地被侵占的警情嚴重。未來順義區需加強城市管理與規劃部門對城鎮擴展的空間管控能力。研究結論：本文研究提出的空間預警方法與思路能夠迅速發現建設用地擴展的空間因素及其格局特征，能為城鎮發展與規劃指導提供有效的參考。

土地利用；建設用地；空間預警；順義區

1 引言

土地資源安全預警分析是對區域土地資源開發利用未來的演化趨勢進行預期性評價，以提前發現未來可能出現的問題，預報土地利用未來狀態的時空范圍和危害程度，并提出方法措施的一種管理活動[1]。土地資源安全預警是當今國際社會公共管理改革發展的新方法，是資源環境緊張形勢下土地管理的有效手段。J. T. McCloskey等運用貝葉斯網絡模型來識別土地開發區域與保護區域之間潛在的沖突，為優化目標制定提供決策依據[2]；G. Zurlini等探索了跨尺度的土地覆蓋格局下地中海地區荒漠化的預警信號以及與社會生態景觀之間的關系[3]；M. Piquer-Rodr í guez等對西班牙東南部土地利用變化對保護區未來網絡連通性的影響進行了預警分析[4]；Li Yangfan等運用P-S-R模型開展了對中國廈門快速城市化地區景觀生態安全預警分析[5]。國內學者圍繞耕地保護[1,6-8]、糧食安全[9]、土地生態環境與安全[10-11]、土壤質量及污染防治[12]，以及土地預警管理與系統構建[6,13-14]等方面開展了相關研究。上述成果更多重視從時間維度和可持續發展的角度看待土地資源利用數量上的危機，而從空間規劃和環境承載的角度對土地利用空間內涵的探索還不夠重視。在資源環境問題凸顯的形勢下，更需要土地管理者強調對土地利用“過程”的掌控，重視對土地利用空間過程的探索，因為空間上的可視化預警分析更具有強烈的震撼作用，且由于土地資源的不可移動性和不可替代性，數量預警只是顯示了警示危機的程度，而空間預警進一步表明了警示危機的格局。因此，在快速城鎮化過程中，探索土地利用空間變化的趨勢和警情狀態能夠發現土地問題的空間因素與分布格局，從而有針對性地提出預防措施和辦法，特別是針對建設用地空間變化的預警分析能為城鎮發展政策和規劃空間指導提供有效的參考。本文基于土地利用的空間視角，嘗試對建設用地利用的空間安全狀態進行預警分析，為拓展土地空間預警思路提供參考。

2 數據準備與預警思路

2.1 研究區概況

順義區位于北京市東北郊，地理位置處于40°01′— 40°18′N和116°28′—116°59′E，土地面積1019.37 km2，約占北京市土地總面積的6.22%，轄12個建制鎮7個辦事處。2013年實現地區生產總值1232.20×108元，居北京市所有區縣第5位，三次產業結構為2.0∶45.9∶52.1，人均GDP接近20000美元，社會經濟發展進入后工業化階段和新型城鎮化階段。與此同時，順義區城鎮建設擴展迅速，土地利用經歷著復雜而劇烈的變化，屬于大都市近郊農用地向建設用地快速轉變的典型區域，面臨著城鄉轉型、新型城鎮化等諸多挑戰。

2.2 數據來源與準備

本文所使用的數據包括：順義區2013年土地利用圖及2020年土地利用模擬圖、土地利用變化轉化潛力圖，2020年土地利用規劃圖、北京市生態安全格局矢量數據（順義區部分）、農用地分等定級矢量數據，以及順義區2013年街坊（村級）一級人口數據、產業發展規劃數據。

運用GIS空間分析中的核密度函數，獲取順義區街坊一級人口空間核密度分布圖；2013年土地利用圖為利用ETM+遙感影像在ENVI 5.0下采用監督分類方法解譯，分類精度在0.88以上；在IDRISI Andes軟件中LCM（Land Change Modeler）模塊下選取驅動因子進行土地利用變化模擬分析，獲取建設用地轉化潛力圖和2020年土地利用模擬圖（圖1，封二），模擬精度超出75.0%，符合模擬測算要求；產業規劃導向、生態安全格局和水源影響度分析采用GIS空間分析中的距離分析函數進行處理；土壤自然質量借鑒農用地分等思路進行測算。所有圖件統一投影坐標，在ArcGIS 10.0軟件平臺下采用30 m×30 m柵格進行分析。

2.3 預警思路

空間預警需要對建設用地空間失衡問題及其所帶來的負面影響進行評估，需要根據區域資源、發展基礎和潛力、空間規劃與定位、環境承載能力等，開展空間預警評價分析。從預警分析過程來看，基于城市系統空間分異和演化的角度，城市化是一種以已有城市為中心向外擴散的過程，特別是在城市邊緣區，這種新的城市空間形成和演化體現出強烈的“年輪效應”和“非均衡推進過程”[15]，城鎮建設新擴展區域的用地結構和空間形態往往沿襲已有城鎮用地的特點。從土地利用/覆被變化來說，土地空間安全預警的重點在于土地利用空間格局與過程解析。本文運用基于CA-Markov的土地利用變化模擬研究成果，基于土地變化的空間視角，利用建設用地變化的趨勢和空間格局特征，獲取預警指標值并設定“警情”等級，以此警示出建設用地擴展的潛在區域及其空間因素特征。

3 建設用地擴展空間安全預警方法

3.1 預警指標體系構建

本文結合研究區土地利用總體規劃和生態保護的要求，在借鑒已有文獻[16-18]的基礎上，從建設用地發展潛力、規劃導向、擴展壓力、生態影響4個方面選取8項指標，建立建設用地空間安全預警評價指標體系（表1）。各項指標分析根據各自空間特征，選取相應模型進行空間量化計算，并根據各項指標對建設用地空間擴展的影響程度采用層次分析法與專家咨詢法來確定指標權重。

表1 建設用地空間安全預警評價指標體系框架Tab.1 Assessment index framework of spatial orderliness early warning for construction land expansion

（1）發展潛力：建設用地擴展潛力主要針對土地空間所具有的發展基礎，即優先選擇區位條件好、人口密集、交通便利的區域。從區縣尺度上看，這種區位因素主要表現為與行政中心和已有建設發展區域的各種空間因素的距離。因此，考慮人口分布密度、建設用地轉化潛力作為發展潛力指標。

（2）規劃導向：是建設用地空間演化的重要機制，主要考察規劃因素對建設用地擴展的空間引導作用。針對建設用地在空間形態上的表現，通過規劃一致性評價，可判斷出建設用地空間擴展是否符合規劃的空間管控。同時，政府部門通過各種規劃管理政策引導和約束城市的發展方向，如區域發展戰略布局、重大工程項目布局、產業發展規劃等，直接影響城市建設發展的格局[19]。在此過程中，各種資源“流”向這些經濟活動密集的熱點地區集中，與之鄰近的空間區域則成為建設優先擴展區域，因而可通過產業功能區的空間布局來考察對建設用地空間擴展的影響。

（3）擴展壓力：主要針對建設用地擴展過程中所占用其他類型土地資源及其質量的時空變化，建設用地擴展過程中必須審慎占用新的土地資源，力求減少損失，減少每一步建設用地擴展所造成的土地資源壓力。在當前土地利用矛盾凸顯的背景下，建設用地擴展需堅持兩個層面的要求：一是必須盡量少占用涉及糧食安全的耕地和生態環境的林地和水域；二是必須走集約利用的道路，控制擴展速度，提高土地利用效率，改變粗放式的外延擴展方式。因此，基于資源利用的單向性特征考慮，重點考察建設占用土地類型和土壤質量兩項指標。

（4）生態影響：主要針對建設用地擴展過程中對生態系統造成的影響，以及敏感生態因素對建設用地擴展造成的限制。生態安全格局是區域自然生命支持系統的關鍵性格局，是維護生態系統結構和過程健康與完整、維護區域生態安全的剛性格局，是城市發展獲得生態系統服務的基本保障[20]。經歷30多年的快速發展，北京城鎮發展面臨著一系列的資源環境制約，國土生態安全面臨嚴重威脅，因此，選取生態安全格局和水資源影響度作為建設用地擴展生態影響指標。

3.2 預警指標空間處理

3.2.1 人口分布 人口空間分布通過運用核密度估算法（Kernel density estimation，KDE）生成[21]，具體步驟為：先建立村一級的空間分布點，每個點代表一個村或居委會，然后把各個村或居委會的人口數量通過屬性表示出來，再計算各個點的人口空間核密度，選取2000 m帶寬為搜索半徑，從而估算出人口空間分布的等值密度圖。

3.2.2 建設用地空間轉化潛力 建設用地轉化潛力來自CA-Markov模擬過程中所生成的轉化潛力圖，該潛力圖表示建設用地空間轉化潛力分布。其中，土地利用空間轉化潛力分析的過程中已經包含了基于各種區位因素（空間可達性影響）的綜合影響，因而具有較強的空間指示性[22]。

3.2.3 規劃一致性 規劃一致性反映擴展建設用地與土地利用總體規劃在空間范圍上相符合的程度，提取《順義區土地利用總體規劃（2006—2020年）》數據成果中的建設用地規模邊界圖層，與2020年土地預測變化圖層進行疊加分析。土地利用總體規劃是對未來土地資源配置的準則，空間導向規則應是符合規劃與不符合規劃，以突出土地利用規劃對土地利用變化的指導性。

3.2.4 產業功能區 產業規劃導向反映了產業園區對于城鎮建設用地空間擴展的吸引能力[23]。依據《順義區土地利用總體規劃（2006—2020年）》和《順義區國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》的要求，未來順義區大力發展以航空研發制造、汽車制造為代表的現代制造業，優化發展以電子信息為代表的高新技術產業，培育壯大戰略性新興產業，鞏固提升都市工業和基礎工業等傳統制造業。順義區規劃和已形成的重點產業功能區為北京天竺空港經濟開發區、林河經濟開發區、空港物流基地、北京汽車生產基地、國門商務區、中關村臨空國際高新技術產業基地，主要圍繞順義中心城區和首都機場分布。

3.2.5 地類構成 根據建設用地擴展所占用的土地利用類型，并依次設定擴展消耗土地利用類型的重要程度。在此，借鑒劉紀遠從生態學角度出發提出的土地利用程度分級標準，按照土地自然綜合體在社會因素影響下自然平衡保持狀態分為4級的思路[24]，賦予擴展地類構成指數，將水域賦值為1.0，耕地為0.75，林地為0.50，其他土地為0.25，建設用地為0，土地類型賦值越高，建設用地擴展影響程度越大。

3.2.6 土壤質量 參照農用地分等中測算土壤的自然質量分（CL）的思路，獲取土壤資源質量。具體步驟為：利用土壤、地形數據庫資料，獲取灌溉保證率、土層厚度、土壤質地、土體構型、地形坡度和土壤有機質參評因子，根據大宗作物生長適宜性確定分級標準，利用德爾菲法獲得權重，通過綜合因素法獲得土壤的綜合自然質量分，并采用標準差法進行無量綱化處理（式1）。在此需要說明的是，從全域土壤資源出發，所獲取的土壤質量評價結果是覆蓋全區的土壤質量分布，因而是包含了建設用地等地類的土壤質量。

式1中，CL為土壤的綜合自然質量分；k為評價因素；m為評價因素數目；wk為第k個評價因素的權重，分別為土壤質地0.14，有效土層厚度0.20，土壤有機質0.12，灌溉保證率0.23，剖面構型0.11，地形坡度0.20；fk為對應的評價分值；CL為介于0—1的分值，分值越高，表明土壤的自然質量越優。經計算，土壤綜合質量分處于0.53—0.96之間，預警分析時再進行無量綱化處理。

3.2.7 生態安全格局 作為向城市提供自然服務的生態基礎設施，確定生態安全格局是實現北京“精明的保護”與“精明的增長”的有效途徑，生態安全格局研究成果為在有限土地資源條件下實現保護與發展和諧同步提供了指導[20]。依據《北京市生態安全格局戰略研究》所確定的生態安全格局及其要求，低生態安全格局是保障生態安全的最基本要求，是城市發展建設中不可逾越的生態底線，需要重點保護和嚴格限制，應納入禁止和限制建設區，中生態安全格局需要限制開發，實行保護措施，保護與恢復生態系統[20]，因此，把低生態安全水平格局內的土地列入禁止發展區，賦值為0；中生態安全水平格局內的土地列入限制發展區，賦值為0.20；對該區域以外的生態安全格局影響度采用空間可達性進行量化。

式2中，Y為生態安全格局的影響值；xi為計算柵格；xman與xmin為距離低、中生態安全格局空間距離的最大、最小值。3.2.8 水源影響度 河湖濕地等水域是生態系統中最為敏感的區域和重點保護對象，為城鎮提供了生態服務，也為人們提供了舒適愜意的休憩環境。為此，依據《北京市河湖保護管理條例》（2012年），在提取主要河流水體及其緩沖區的基礎上，分別對境內唐指山水庫、漢石橋濕地、潮白河、溫榆河、金雞河、小中河等水域設定200 m和50 m的緩沖保護區，限制建設用地擴展，然后采用分段函數進行量化（式3）。

式3中，Y為水源影響度指標，xi為到水源緩沖保護區的可達性空間距離，200 m和50 m分別為主干河流和支流的保護范圍。

3.3 預警評價分析

3.3.1 預警指標量化 由于各預警指標之間的量綱不統一，不具可比性，因此需要對預警指標因子進行規范化處理。建設用地空間安全預警指標體系中，對于以空間可達性表征影響大小的數據，運用極值歸一化進行處理，對于正、逆兩種指標，分別采用以下方法。

式4—式5中，xi為第i個指標的計算柵格值，i = 1，…，n，n為指標數；xmax和xmin為第i個指標的最大值和最小值。而對于其他需要進行分段函數處理的數據，則根據指標因子的空間分布特征運用相應的計算模型進行處理。通過對各個指標進行標準化處理，使其處于一個可以比較的范圍。但是，從預警指標體系看，人口密度、轉化潛力、規劃一致性、生態安全格局和水源影響度5個指標因子為“越大越優”型；另外3個指標有的為“越小越優”型，有的為分級類型。為便于統一計算，將所有指標進行“同趨”轉化，即全部指數轉化為“越小越優”型（圖2，封二）。

3.3.2 警度設置 警度是對建設用地空間擴展警情大小的定量描述，根據順義區建設用地空間擴展狀況以及預警標準的分級原理，將建設用地空間擴展警度分為5個警報級別，分別為無警、輕警、中警、重警和巨警，并在0—1范圍內對各級別進行賦值，確定其警度及指示燈劃分標準如表2所示。

表2 順義區建設用地空間安全預警參照標準Tab.2 Standards of orderliness degree and indicator of the construction land early warning for Shunyi District

3.3.3 預警評價 為統一計算建設用地空間安全預警指數，在對前面各單項指標進行“同趨”處理的基礎上，進一步對各指標進行歸一化處理（式4—式5），使其處于一個可以比較的范圍。在構建建設用地空間安全預警指標體系的基礎上，以前面基于CA-Markov模型預測的2020年土地利用圖為基礎，對照2013年土地利用圖，獲取未來建設用地空間擴展地塊作為基本評價單元，然后通過圖層疊加運算，運用多因素綜合評價法（式6），基于指標權重和指標映射值，計算得到建設用地空間安全警情指數，警值在［0，1］中。預警結果閾值的確定在土地資源預警中是十分關鍵而復雜的問題，還沒有一個有效、普適的評價模型[7]。在此，根據預警結果的空間分布情況，按照自然間斷點分級法進行聚類分級，將警值劃分為［0，0.51）、［0.51，0.62）、［0.62，0.72）、［0.72，0.78）和［0.78，1.00］，分別代表無警、輕警、中警、重警和巨警（表2）。

式6中，E為建設用地空間安全預警分值，wi為第i個評價因子的權重，Xi為第i個評價因子。

4 預警結果

根據基于CA-Markov模型的土地利用變化模擬，至2020年建設用地擴展面積為10440.56 hm2（圖1（b），封二）。從預警結果分布比例來看，至2020年順義區建設用地空間安全預警整體形勢比較嚴重，其中處于重警狀態下的圖斑面積最大，占擴展圖斑總面積的29.72%，其次為無警、輕警、中警和巨警，相應比例依次為19.80%、18.06%、20.15%和12.27%。對于處于巨警狀態的建設用地來說，該區域是未來城鎮建設需要重點關注的地帶，特別是對生態安全格局、水源影響格局所造成的危害和占用耕地對糧食安全的影響需要引起注意。在今后的城鎮化過程中，要充分重視生態環境等指標對城市發展演變狀態的評判，及時調整政策措施和土地利用規劃手段進行調控。

從建設用地空間安全預警分布來看（圖3，封三），處于無警和輕警狀態的建設用地圖斑大多位于土地利用總體規劃所確定的建設區域內（圖2（c），封二），其中，無警狀態圖斑空間上主要分布于順義區西南部，如后沙峪、天竺、南法信、仁和等鎮區，屬于順義人口集聚、現有基礎設施較好、產業功能區域和生態影響較弱的區域，也屬于順義區新城規劃發展的重點區域，符合未來城鎮建設發展的要求；輕警狀態圖斑多分布于順義區中、西部區域主要鎮區的發展區域內，空間上以高麗營、馬坡、李橋、北小營、趙全營、南彩、李遂等鎮區為主，但是基于建設用地發展現狀，仍有部分圖斑散亂分布于規劃區外，需要引起注意。中警和重警狀態下的圖斑主要分布于順義區西部和南部，以高麗營、李橋、馬坡、趙全營等鎮區分布為主，大部分圖斑是因為不符合土地利用規劃要求、占用大量優質耕地資源、偏離人口集聚區域和遠離產業功能區所致，該部分預警狀態下空間分布圖斑是未來土地開發建設需要重點關注的地方。從巨警狀態圖斑的分布來看，在順義區中部、南部、東部區域分布零散，其中以北務、北小營、楊鎮和張鎮等鎮區相對集中，對照預警因素分析可知，該部分圖斑主要是由于不符合規劃一致性、占用優質耕地、位于生態安全和水源保護區范圍內所致，未來在土地開發建設過程中需要引起土地規劃和管理部門的重點關注。

5 討論與結論

5.1 討論

（1）城鎮建設無序擴張、耕地急劇減少和生態環境破壞是當前快速城鎮化過程中面臨的突出問題。本文以CA-Markov模型模擬土地變化情景作為分析前提，基于土地利用空間視角，探索影響城鎮建設用地空間安全的影響因素，借助GIS空間分析平臺，運用多因素綜合方法對順義區建設用地未來空間格局及其危害形勢進行了預警分析，使土地資源安全預警結果在空間上直觀體現出來，有助于更加多方位評判建設用地空間安全格局可能出現的問題，以及深入剖析城鎮化空間格局與過程中人口經濟因素、耕地資源、生態環境等各項因素的運行狀態和變化規律，為指導土地資源優化配置和規劃管理提供更加切實可行的技術研究參考。

（2）土地資源安全預警是土地規劃決策技術分析的手段之一，相較于傳統數量變化分析，本文采用空間分析的方法，把以往在數量上重點關注的預警過程在空間格局中直觀展現出來，探索建設用地空間失衡所帶來生態環境的負面影響，直接從影響建設用地空間格局運行系統中進行預期性評判和查找問題，有效提升了分析過程的可視化水平和空間針對性，彌補了純數量分析過程中空間因素欠缺的不足，從而為進一步完善土地資源安全監測和預警機制提供了更為有效的思路和方法參考。

（3）本文主要從土地利用變化情景模擬的基礎上考察建設用地空間格局變化，而城鎮建設用地空間擴展是一項復雜的系統過程，文中所探索的空間因素也是基于簡單的動態分析，未來還需要探索更為復雜的自然、人文空間影響因素，獲取更為豐富的社會經濟數據進行分析。同時，后續研究中還可進一步提高數據采集的精度，為提高土地空間安全預警精度及其結果運用提供支撐。

5.2 結論

（1）基于空間視角的土地資源安全預警分析能直觀地把預警結果在空間上展現出來。處于無警和輕警狀態的建設用地擴展圖斑大多位于土地利用總體規劃所確定的建設區域內，空間上多分布于后沙峪、天竺、南法信、高麗營、馬坡、李橋、趙全營等中部、西南部鎮區；中警和重警狀態下的圖斑則大多因為不符合規劃要求，且占用大量優質耕地資源、偏離人口聚集和產業功能區域，是未來順義區城鎮土地開發建設需要重點關注的地方，空間上多集中在高麗營、李橋、馬坡、趙全營等鎮區；巨警狀態下圖斑多因不符合規劃一致性、占用優質耕地、位于生態安全和水源保護區范圍內，成為未來順義區土地開發建設需要引起土地規劃和管理部門重點關注的區域，空間上以東部、中部區域分布較廣，尤以北務、北小營、楊鎮、張鎮等鎮區分布較為集中。

（2）建設用地空間安全預警分析結果表明，城鎮建設用地相對嚴峻的警情態勢加深了對城鎮化空間過程的了解，順義區未來建設用地空間擴張表現出較大的資源環境壓力。中警以上的警情圖斑與人口經濟要素的空間集聚、土地規劃布局有所偏離，并且占據著不少中、西部優質耕地資源，對中部區域的生態環境影響非常明顯，這與順義區城鎮化發展所確定的集中建設區域相差明顯，需要引起土地管理和規劃部門的重視。

（3）為發揮建設用地空間安全預警的警示功能，遏制警情發展，防范城鎮建設無序擴張，需要加強對順義區城鎮化發展的規劃導控作用，探索城鎮發展邊界的空間管控，強化生態環境保護，特別是加強對京郊低生態安全格局、水源保護區的空間管制；同時，建立和完善土地資源安全監測、預警和調控機制，為優化土地資源空間格局提供保障。

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（本文責編：陳美景）

Early Warning Analysis on the Spatial Orderliness of Construction Land Use in the Rapid Urbanization Process

LI Can1,2,3, ZHANG Feng-rong4, WANG Feng1, HU Yue-ming2,3
（1. College of Public Management, South China Agriculture University, Guangzhou 510642, China; 2. Key Laboratory of the Ministry of Land and Resources for Construction Land Transformation, Guangzhou 510642, China; 3. Guangdong Province Key Laboratory of Land Use and Consolidation, Guangzhou 510642, China; 4. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China）

The purpose of this paper is to explore the ideas and methods of the early warning for the spatial orderliness of construction land use, especially showing the early-warning results visually. Method employed is to establish an early warning system of spatial orderliness based on ArcGIS technology of spatial analysis, weight analysis and mathematical statistics. The results show that the orderliness condition of construction land expansion is relatively serious, and the serious area and tremendous serious area are mainly concentrated in the western and southern regions of Shunyi District, example as Gaoliying, Zhaoquanying, Liqiao and Beiwu townships. Specially, the orderliness of planning breaking and high quality cultivated land occupation was very serious. In future, the department of city management and planning ofShunyi District needs to strengthen the space control capability. It is concluded that this study provides an efficient spatial early warning idea and method, which can identify the spatial factors and the pattern of construction land expansion quickly, and guide urban development and planning control effectively.

land use; construction land; spatial early warning; Shunyi District

F301.24

A

1001-8158（2015）06-0049-08

10.13708/j.cnki.cn11-2640.2015.06.007

2014-12-04

2015-05-26

國家自然科學基金青年基金項目（41401626，41301078）。

李燦（1982-），男，湖南益陽人，博士，講師。主要研究方向為土地利用/覆蓋變化與GIS技術應用。E-mail: lcstudy@163.com