基于GIS 的秦嶺山區聚落用地適宜性評價

齊增湘, 廖建軍, 徐衛華, 倪永明

1 南華大學設計與藝術學院, 衡陽 421001 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 3 北京自然博物館，北京 100050

基于GIS 的秦嶺山區聚落用地適宜性評價

齊增湘1, 廖建軍1, 徐衛華2,*, 倪永明3

1 南華大學設計與藝術學院, 衡陽 421001 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 3 北京自然博物館，北京 100050

利用自然地理、生態和社會經濟方面共14個因子構建秦嶺山區聚落建設用地適宜性評價指標體系，采用AHP法確定各評價因子的權重，在地理信息系統 (GIS)和遙感(RS)技術支持下，利用適宜性評價模型定量評價聚落建設用地適宜性，將聚落建設用地適宜性分為五個等級，并結合已建設區進行空缺分析。結果表明：(1) 秦嶺山區最適宜聚落用地面積為3378.1 km2，占研究區總面積的5.87%，說明秦嶺山區適宜聚落開發的土地相對較少。(2) 最適宜聚落用地集中在秦嶺北、南坡山麓和東部的山間河谷地帶，山地型特征明顯。(3) 有9.15%已建成區分布在限制建設區內，存在生態安全風險。(4) 可用適宜聚落建設用地為3192.27 km2，空間分布不平衡。研究結果可為該區域城鎮體系布局與用地規模的核算提供科學依據。

適宜性評價; 層次分析法; 空白分析; 地理信息系統; 秦嶺山區

聚落建設用地適宜性評價是城鎮總體規劃和各項專題規劃的基礎，影響著城鎮的整體布局和社會經濟發展，有助于緩解人口增長和經濟發展對有限土地資源的壓力。在我國陸域國土中，69%的面積是山區，2007年統計，在 2070 個縣市中大約43%屬于山區縣市[1]。山區受自然地理條件的制約，資源環境承載能力較弱，城鎮化面臨保護生態環境、經濟發展、生態移民等多種問題，開展山區聚落建設用地適宜性評價研究已成為山區城鎮體系規劃和布局的關鍵課題。

國外自20世紀60年代以來對土地適宜性評價進行了較為系統的研究。麥克哈格開發了適宜性分析的“千層餅”模型，并用于紐約斯塔騰島(Staten Island)的土地利用規劃中[2]，在大都市城市規劃[3]、城市綠地規劃[4]等方面也進行了探討。國內對聚落用地適宜性評價研究始于20世紀 90 年代，然而受技術和方法的限制，多采用定性分析的方法對各用地進行分類定級[5]。隨著科學技術的發展，特別是地理信息系統(GIS)技術被引入城市規劃以后，基于GIS的聚落用地適宜性分析方法被廣泛應用到城市擴展用地[6- 7]、新農村建設[8- 9]、工業園[10- 11]建設等領域，改進和建立了多因子疊加分析法(MCE)[8]、層次分析法(AHP)和多因子綜合疊加相結合分析法[10]，生態位模型[12]、物質元素模型[13]、情景分析法[11]、模糊綜合評價法[14]、K-means評價和BP神經網絡算法[7]等數學模型和方法。然而現有的研究多集中于區域性大城市等快速城市化地區，對山區聚落適宜性進行綜合評價的研究較少，遙感(RS)等現代信息技術利用不充分，對氣候因子、生物多樣性等因子的考慮和量化處理欠缺。

本文以秦嶺山區為例，借助RS、GIS技術，從自然環境條件、生態限制條件、 社會經濟條件三方面構建山區聚落用地適宜性評價指標體系，綜合評價區域內聚落用地適宜性，將聚落建設適宜性分為5個等級，結合已建設區進行空缺分析，以期為當地相關部門確定城鎮體系總體規劃的用地規模、發展方向等提供科學依據。

1 研究區概況和數據來源

研究區位于陜西省內的秦嶺山區, 地理位置為105°30′—110°05′ E, 32°40′—34°35′ N。北以秦嶺北坡山腳線為界, 南至漢江北岸, 東到伏牛山, 西至岷山, 東西長400—500 km，南北寬150—200 km，具體行政范圍涉及西安、寶雞、渭南、漢中、安康、商洛7市(地區)13個縣的全部和22個縣的部分區域，總面積約57620 km2。區內山勢起伏，相對高差達3000 m以上，主峰太白山海拔3767 m。秦嶺山區地處我國東部暖溫帶和亞熱帶的過渡帶, 受大陸性氣候和季風性氣候的雙重影響，氣候垂直分異顯著，年降水量650—1000 mm，主要集中在7—9月份，年均溫-2.1 ℃至13 ℃，南坡比北坡的年均溫高，加之受緯度地帶性的影響，植物垂直帶譜明顯，從下而上依次為山地常綠闊葉林、山地含常綠樹種的落葉闊葉林、山地暗針葉林帶與高山灌叢。

采用的主要數據是研究區數字高程地圖(DEM)，2007年的TM(Thematic mapper)影像，秦嶺及其周邊氣象基準臺站點1955—2001年的監測數據，野外調查物種痕跡點數據，自然保護區分布圖，其他基礎地理數據包括道路、居民點、土壤、水系、水位等空間信息。

2 研究方法

2.1 聚落建設用地適宜性評價模型

本文采用多因子加權評價模型對秦嶺山區聚落建設用地適宜性進行分析，其基本原理如下：首先篩選出影響山區聚落建設的主要因子，對每一因子的相關數據進行綜合分析和統計量化處理，確定該因子限定性屬性值，借助ArcGIS對數據進行柵格化處理，生成各因子的柵格分布圖。然后通過專家打分方式對這些影響因子進行賦值，采用層次分析法(AHP)來確定各因子權重值，利用ArcGIS 的圖層疊加分析功能，將各因子的柵格分布圖進行加權疊加，得到聚落建設用地適宜性綜合評價結果，并進行等級劃分，確定聚落建設用地適宜性空間分布[15]。多因子加權評價模型計算公式為：

式中,Suit為某評價單元聚落用地適宜性綜合評價值，Wi為因子i的權重值；Pi為評價單元對應的第i個單因子分值，n為因子總數。

2.2 秦嶺山區聚落建設用地適宜性評價

2.2.1 評價指標的確定及評分

聚落建設用地受自然、生態、經濟和社會環境的綜合影響。結合野外生態調查、圖件資料收集以及相關分析，依據對山區聚落用地影響的顯著性和資料的可利用性，選擇自然地理指標(海拔、坡度、坡向、土地利用類型)、生態限制指標(距河流距離、氣候適宜性、生物多樣性敏感性、視覺敏感性、水土流失敏感性、洪水敏感性)、社會經濟指標(居民點密度、距建成區距離、距國道和省道距離、距縣道距離)共14個因子作為山區聚落用地適宜性分析的主要影響因子。

對于海拔、坡度、坡向3個自然地理指標，利用DEM進行分析得到，而土地利用類型則利用ERDAS IMAGE 9.1對TM遙感影像進行專家知識輔助決策分類得到7個景觀類型的地表覆蓋圖層。對于河流、建成區、國道、省道、縣道等因子采用直線距離量測每一單元到最近要素的歐氏距離，生成距離柵格圖層。基于溫濕指數(THI)和風效指數(K)模型，利用基準臺站點多年(1955—2001年)的氣象數據分析得到秦嶺山區的氣候適宜性[16]。利用機理模型[17]對獨葉草(Kingdoniauniflora)、紅豆杉(Taxuschinensis)、華山新麥草(Psthyrostachyshuashanica)等15種重點保護植物制作分布圖，運用MAXENT模型[18]對朱鹮(Nipponianippon)、大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)、金絲猴(Rhinopithecusraxllana)、羚牛(Budorcastaxicolor)共16種動物進行生境評價，把各物種適宜生境疊加得到生物多樣性熱點區圖層。通過公眾調查、采用層次分析法與模糊數學理論相結合的方法對秦嶺山區視覺敏感度和視覺質量進行綜合評價，得到秦嶺山區景觀視覺資源敏感性分布圖[19]。基于通用土壤侵蝕方程[20]，選擇降水侵蝕力(R)、地形(坡度、起伏度)、溝谷密度、地表覆蓋及土壤類型共6個因子作為土壤侵蝕敏感性評價指標，確定水土流失敏感性大小。對水文站點的歷史最高洪水水位(100年一遇)、50年一遇洪水水位、10年一遇洪水水位數據，則利用“種子蔓延算法”[21]，計算不同安全水平下的洪水敏感性。以秦嶺山區居民點數據為基礎，采用密度制圖得到秦嶺山區居民點密度柵格圖層。將上述評價因子劃分為高度適宜、中度適宜、低度適宜、臨界適宜和不適宜5個等級，并對各因子按等級以0—9進行賦值，劃分各因子適宜性等級(表1)。

2.2.2 影響因子權重確定

本研究采用層次分析法將指標體系分為目標層、中間層、 指標層三層，并采用專家打分法確定評價因子相對重要性，構造目標層與中間層的兩兩判斷矩陣，并計算判斷矩陣的特征根與特征向量，得到本層次因子對于上一層次某因子互相之間的權重(表1)，并進行一致性檢驗得到CR=0.0019(CR≤0.1)，判斷矩陣具有滿意一致性。

表1 秦嶺山區建設用地適宜性評價指標Table 1 Indicators of suitability assessment for construction land in Qinling mountians

3 研究結果

3.1 聚落建設用地適宜性評價計算

根據多因子加權評價模型，結合表1中各單因子分級與權重，采用地圖代數方法計算出每個柵格單元的生態適宜性綜合評價表面(圖1)。

圖1 秦嶺山區聚落建設用地適宜性綜合評價值Fig.1 Comprehensive value of urbanization suitability analysis in Qinling mountains

3.2 分區閾值的確定

聚落建設用地綜合評價結果為連續的柵格表面，其值為1.37742—8.501。利用自然斷點法(Natural Breaks)將秦嶺山區劃分為最適宜建設用地、一般適宜建設用地、較不適宜建設用地、不適宜建設用地和禁止建設用地五類(表2)。

表2 秦嶺山區聚落建設用地綜合評價分級標準Table 2 The grading standard for urbanization comprehensive analysis

3.3 聚落建設用地適宜性分區結果

根據表2中的分區閾值，對聚落建設用地綜合評價結果進行重分類，得到秦嶺山區聚落建設用地適宜性分區結果(圖2)。利用秦嶺山區已建自然保護區作為參考，分析評價結果(表3)。

圖2 秦嶺山區聚落生態用地適宜性空間分布Fig.2 The spatial distribution of ecological suitability for settlement construction in Qinling mountians

表3 秦嶺山區聚落用地適宜性結果分析Table 3 Analysis of suitability evaluation results for settlement construction in Qinling mountains

最適宜聚落用地面積為3378.1 km2，占研究區總面積的5.87%，集中在秦嶺北、南坡山麓和東部的山間河谷地帶。一般適宜聚落用地面積10475.92 km2，占研究區總面積的18.19%。較不適宜用地類型面積最大，占總面積的36.22%，相互連接成條帶狀集中分布在東中部、南部、西南和西北部。不適宜用地13148.1 km2，占總用地的22.83%，呈零散狀分布在秦嶺中西部山區，為坡度較大、海拔較高地區。禁止建設用地9723.08 km2，占研究區面積的16.89%，相對集中成片狀分布在太白、佛坪、城固、寧陜、洋縣、周至、勉縣、眉縣等縣及交界的高海拔區，該區域植被良好，生態敏感性強，具有重要的生態服務功能，是秦嶺山區自然保護區集中分布區域，范圍涵蓋了78.33%的已建自然保護區。

3.4 聚落建設用地空缺分析

參考2006年建設部公布的《城市規劃編制辦法》，根據自然、生物、歷史文化及生態游憩過程與格局的連續性和完整性原則，將最適宜建設區劃為適宜建設區，不適宜和禁止建設區合并劃為禁止建設區，一般適宜和較不適宜建設區劃為限制建設區，與已建區一并將秦嶺山區建設用地適宜性分為禁止建設區、限制建設區和適宜建設區和已建成區，得到秦嶺山區建設用地空間管制規劃(圖3)。借用空白分析的方法[22]，將建成區與適宜建設區疊加，評價建成區的生態適宜性狀況以及未來各市縣可供作為城鎮建設用地的土地潛力(表4)。

圖3 秦嶺山系建設用地空間管制規劃Fig.3 Space control planning for construction land in Qinling mountains

表4 各市縣適宜建設用地分布Table 4 The statistics of suitable land for construction in counties

現有建成區有179.73 km2分布在適宜區內，占建成區總面積的90.85%，尚有18.09 km2的建成區分布在限制建設區和禁止建設區內。各市縣建成區分布在適宜區內的情況差別較大，其中佛坪只有41.67%的建成區分布在適宜區內，存在較高的生態安全風險。全區可用于聚落建設的適宜用地為3192.27 km2，空間分布差異顯著，主要集中分布在商洛、漢陰、山陽、略陽、柞水、旬陽、丹鳳、洛南、寶雞、商南、安康等地區，佛坪的可用聚落適宜用地最小，只有2 km2。

4 結論與分析

4.1 秦嶺山區聚落建設用地潛力大，仍需科學規劃

秦嶺山區是我國生物多樣性熱點地區，資源敏感且環境承載力弱，區內聚落建設面臨著如何與生物多樣性保護協調的問題。本文以多因子評價模型為基礎，建立了聚落用地生態適宜性評價指標體系和分區模式。秦嶺山區適宜聚落開發的土地相對整個研究區來說面積較少，多集中在山間河谷地帶，具有典型的山地型特征，而且空間分布不平衡。但潛力巨大，為秦嶺山區城鎮化建設提供了機遇。部分已建成區分布在限制和禁止建設區內，存在生態安全風險，聚落建設需要進行科學規劃。

4.2 多因子評價模型在山區聚落用地生態適宜性評價中優勢明顯

聚落用地適宜性受多方面因素的影響，不同地區聚落適宜性限制因子不盡相同，特別在山區，生態環境脆弱，自然條件復雜多變，相對于平原地區的適宜性分析，影響的因素更多，需選擇合適的評價因子。以往由于各種因素的限制，評價指標體系限于常用的地形、道路、城鎮等指標，對動植物分布、氣候、視覺等因素考慮較少。本文綜合了氣候適宜性、生物多樣性、視覺敏感性等14個因子構建評價指標體系，相對于其他研究[8,10]考慮的因素更全面，在一定程度提高了評價結果的科學性和合理性。同時，適宜性評價結果的劃分通過計算機完成，保持了數據的完整性，較好地保證了評價結果的客觀性。從秦嶺山區的分區結果可以看出，禁止開發區面積占到秦嶺山區總面積的39.72%，并且涵蓋了92.26%的已建自然保護區。該分區在確立了秦嶺山區聚落用地發展空間的同時，保護了秦嶺山區生物多樣性最集中的生態組分，符合秦嶺山區的實際情況。表明以多因子評價模型建立的山區聚落建設用地適宜性評價方法是可行的。

5 問題與展望

5.1 適宜性評價因子選擇與賦值的主觀性

由于缺乏統一的標準，本文中適宜性評價因子的選擇主要通過多個專家決策的方式確定，考慮了數據的可獲得性和因子的空間差異性，從自然環境條件、生態限制條件、社會經濟條件三方面構建山區聚落用地適宜性評價指標體系，但評價因子難免有遺漏，因子間也可能存在重復，因此其選擇的科學性和客觀性值得商榷。

單因子評價采用5個等級來劃分，分別用0—9來表示，劃分標準和各因子的權重采用專家咨詢的方式產生。由于這種方式較為主觀，直接影響了評價結果的客觀性。雖然部分因子采用模糊數學及非線性數學的方法[19]來力求減少主觀性，但整個評價體系的客觀性有待深入研究。

5.2 應用存在局限性

本文明確了秦嶺山區適宜聚落建設用地的面積和范圍，但不能確定這塊土地到底適合作哪種用地類型，對于土地的具體的用途則顯得比較模糊，同時，多因子評價模型強調評價單元垂直生態過程，使得離現有城鎮用地較遠的區域容易誤被作為聚落建設優先發展區，再者，由于山區自然環境的影響，適宜建設用地在空間上分布較為破碎，面積過小的適宜聚落用地沒有開發價值，這些不足決定了本研究成果應用的局限性。未來需根據各個城鎮的實際情況，結合聚落用地適宜性評價結果確定城鎮化發展格局，使其在秦嶺山區城鎮體系規劃決策和生物多樣性保護中發揮更大的作用。

[1] 王傳勝, 孫貴艷, 朱珊珊. 西部山區鄉村聚落空間演進研究的主要進展. 人文地理, 2011, (5): 9- 14.

[2] 周建飛, 曾光明, 黃國和, 李忠武, 焦勝, 唐琳. 基于不確定性的城市擴展用地生態適宜性評價. 生態學報, 2007, 27(2): 774- 783.

[3] Baz I, Geymen A, Nogay Er S. Development and application of GIS-based analysis/synthesis modeling techniques for urban planning of Istanbul Metropolitan Area. Advances in Engineering Software, 2009, 40(2): 128- 140.

[4] Duc Uy P, Nakagoshi N. Application of land suitability analysis and landscape ecology to urban greenspace planning in Hanoi, Vietnam. Urban Forestry & Urban Greening, 2008, 7(1): 25- 40.

[5] 高延軍. 山區聚落宜居性評價研究——以7個山區聚落為例. 四川師范大學學報: 自然科學版, 2011, 34(3): 411- 416.

[6] 黃煥春, 運迎霞, 李明玉. 基于GIS的延吉市城區居住用地適宜性分析. 吉林師范大學學報: 自然科學版, 2011, 32(4): 17- 20.

[7] Xu K, Kong C F, Li J F, Zhang L Q, Wu C L. Suitability evaluation of urban construction land based on geo-environmental factors of Hangzhou, China Computers & Geosciences, 2011, 37(8): 992- 1002.

[8] 向曉紅, 但夢薇, 姚歡. 基于 GIS 的新農村用地適應性評價——以武漢黃陂區雷段村為例. 中外建筑, 2010, (9): 123- 125.

[9] 單勇兵, 馬曉冬, 宣勇. 基于GIS的徐州市鄉村聚落空間適宜性分析. 地域研究與開發, 2012, 31(6): 156- 160.

[10] 王骎骎, 江瀅, 趙國慶, 滿令意, 鐘凱. 基于GIS的用地適宜性評價方法及應用——以新加坡懷化生態工業園概念規劃為例. 規劃師, 2011, 27(4): 52- 56.

[11] 宗躍光, 徐建剛, 尹海偉. 情景分析法在工業用地置換中的應用——以福建省長汀騰飛經濟開發區為例. 地理學報, 2007, 62(8): 887- 896.

[12] 馬旭, 王青, 丁明濤, 劉延國. 岷江上游山區聚落生態位及其模型. 生態與農村環境學報, 2012, 28(5): 574- 578.

[13] Gong J Z, Liu Y S, Chen W L. Land suitability evaluation for development using a matter-element model: A case study in Zengcheng, Guangzhou, China. Land Use Policy, 2012, 29(2): 464- 472.

[14] 梁艷平, 劉興權, 劉越, 譚春華. 基于GIS的城市總體規劃用地適宜性評價探討. 地質與勘探, 2001, 37(3): 64- 67.

[15] 唐強, 閆紅偉, 趙彥博, 李俊英. 小城鎮生態型用地布局研究. 沈陽大學學報, 2010, 22(3): 94- 97.

[16] 齊增湘, 熊興耀, 徐衛華, 甘德欣. 基于 GIS 的秦嶺山系氣候適宜性評價. 湖南農業大學學報: 自然科學版, 2011, 37(3): 321- 324.

[17] 徐衛華, 歐陽志云, 蔣澤銀, 鄭華, 劉建國. 大相嶺山系大熊貓生境評價與保護對策研究. 生物多樣性, 2006, 14(3): 223- 231.

[18] 齊增湘, 徐衛華, 熊興耀, 歐陽志云, 鄭華, 甘德欣. 基于MAXENT模型的秦嶺山系黑熊潛在生境評價. 生物多樣性, 2011, 19(3): 343- 352.

[19] 齊增湘, 徐衛華, 肖志成. 基于GIS的秦嶺山系視覺景觀評價. 廣東農業科學, 2012, (11): 15- 18.

[20] 黃潤秋, 許向寧, 唐川, 向喜瓊. 地質環境評價與地質災害管理. 北京: 科學出版社, 2008.

[21] 劉仁義, 劉南. 一種基于數字高程模型DEM的淹沒區災害評估方法. 中國圖像圖形學報, 2001, 6(2): 118- 122.

[22] Scott J M, Davis F, Csuti B, Noss R, Butterfield B, Groves C, Anderson H, Caicco S, D′Erchia F, Edwards T C, Ulliman J Jr, Wright R G. Gap analysis: a geographic approach to protection of biological diversity. Wildlife Monographs, 1993, 123: 3- 41.

Suitability analysis of mountain settlements in Qinling using a GIS system

QI Zengxiang1, LIAO Jianjun1, XU Weihua2,*, NI Yongming3

1DesignandArtsCollegeofUniversityofSouthChina,Hengyang421001,China2StateKeyLaboratoryofRegionalandUrbanEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China3BeijingMuseumofNaturalHistory,Beijing100050,China

Understanding the spatial characteristics of land suitable for settlement construction underlies urban master planning and subject planning and helps to alleviate the pressure of population growth and economic development in areas of limited land resources. The research community, however, has mainly focused on rapid urbanization areas such as regional metropolitan areas. This study used the multi-factors overlay comprehensive evaluation method to evaluate the spatial characteristics of land suitable for settlement construction. Specifically, we chose the Qinling mountains as a typical example, which are of vital importance in determining suitable land in mountainous areas where the carrying capacity of the environment is sensitive and weak. Using a geographic information system (GIS) and remote sensing technology, we revealed the spatial characteristics of settlement construction suitability, which utilized 14 indicators taken from natural geography, ecology and socio-economic data. We ascertained the weight of each indicator using an analytic hierarchy process method, and thereby determined the amount of land suitable for settlement construction in various counties. The main results were as follows: (1) Areas with different levels of suitability appeared to have significant differences. Most of the Qinling mountains are not suitable for settlement construction. The area of optimum land available for settlement construction in this region was 3378.1 km2, accounting for 5.87% of the study area—a relatively small proportion of suitable land. (2) Land suitable for settlement construction in the Qinling mountains showed an obviously spatial heterogeneity: The most appropriate land was concentrated in North and South Piedmont and East Valley, which showed obvious mountainous features. (3) Results of gap analysis in the built-up area showed that 9.15% of built-up settlements were distributed in restricted construction regions, especially in counties such as Foping, Zhouzhi, Huxian, Taibai as well as Yangxian, which presented ecological safety risks. (4) There were 3192.27 km2of land suitable for settlement construction, distributed unequally in spatial terms. Most of these areas were distributed in counties such as Shangluo, Hangyin, Shanyang and Lueyang, and some other counties. In Foping, there was only 2 km2available for settlement construction. (5) In order to more effectively apply the results to urban system planning and biodiversity conservation in the Qinling mountains, we proposed the following recommendation: Consider both the actual location of the various towns and the results of the suitability evaluation for settlement construction when determining the future pattern of urban development. This study provides an insight into a suitability evaluation for settlement construction in a mountainous area. These findings provide scientific support for urban planning and for estimating the area of suitable land, while the research methods and reasoning used can help to achieve a win-win scenario between urbanization and biodiversity conservation.

suitability analysis; analytic hierarchy process; gap analysis; geographic information system; Qinling mountains

國家自然科學基金(40901289, 31240047); 南華大學人才引進科研啟動項目，湖南省教育廳重點項目(13A086)

2013- 05- 02;

日期:2014- 04- 11

10.5846/stxb201305020899

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xuweihua@rcees.ac.cn

齊增湘, 廖建軍, 徐衛華, 倪永明.基于GIS 的秦嶺山區聚落用地適宜性評價.生態學報,2015,35(4):1274- 1283.

Qi Z X, Liao J J, Xu W H, Ni Y M.Suitability analysis of mountain settlements in Qinling using a GIS system.Acta Ecologica Sinica,2015,35(4):1274- 1283.