基于模糊物元模型的秦嶺山區建設用地適宜性評價

張海龍

（商洛學院城規劃與建筑工程學院，商洛　726000）

基于模糊物元模型的秦嶺山區建設用地適宜性評價

張海龍

（商洛學院城規劃與建筑工程學院，商洛726000）

0　引言

秦嶺山區是我國南北地理與氣候分界線［1］，該區面積廣闊，地形地貌復雜，氣候條件多變，生態敏感而脆弱，同時該區也是生物多樣性熱點地區之一［1-3］。2011年起陜西省開始實施避災與扶貧并舉的陜南移民搬遷工程，將秦嶺山區的城鎮化建設推上了一個新的高潮［4］。隨之接踵而至的山村旅游和美麗鄉村建設，也在秦嶺山區遍地開花，進行地如火如荼［5］，極大地推動了山區經濟發展。但是，此類工程都影響著秦嶺山區脆弱的生態環境，使該區野生物種生境面臨破壞，種群數量下降。秦嶺山區建設用地的位置選擇受制因素較多，如何減小對自然環境的破壞是其中重要指標。對秦嶺山區建設用地進行適宜性評價，將會為科學規劃山區建設用地分布，實現區域生態環境的協調和可持續發展提供方法論。

物元分析理論一般用于解決難以用精確數學語言表達的實際問題，其本質是利用關聯函數對研究對象時空上的發展及變化進行定量描述［6］。近年來，結合物元分析理論與模糊數學概念的模糊物元模型得到了迅速發展，該模型已經被廣泛用于地質評價、環境評價以及中草藥適宜性評價等相關研究中［7-8］，以上研究結果證明了該模型的科學性以及實用性。

目前國內關于山區建設用地分布研究主要采用的方法有GIS空間分析、相關分析以、生態位理論及景觀分析等［9-10］，這些方法都有本研究可以借鑒的地方。但它們在研究過程中容易受到研究者主觀因素的影響，如基于生態位理論的建設用地適宜性評價分析多采用專家打分法等主觀性較強的定權方法，人為因素干擾較大，評價結果的客觀性必然會受到影響。故本文為了最大限度的避免主觀因素對研究結果的影響，使用模糊物元模型，利用最大信息熵確定評價因子權重，對商洛市商州區全區建設用地適宜性進行評價與研究，旨在為商州區合理利用土地資源、保護耕地、制定區域發展規劃提供參考。

1　研究區概況與數據來源

1.1研究區概況

商洛市商州區位于陜西省東南部，地處秦嶺東段南麓腹地，丹江源頭，是全市政治、經濟、文化中心，也是秦嶺山區人口、資源、環境矛盾相對集中的地區之一，其地理坐標介于北緯33°38′～34°12′之間，東經109°30′～110°14′之間（圖1）。全區下設14個鎮，4個街道辦事處，253個行政村，31個社區，人口55萬人，總土地面積2644.36 km2。境內地貌類型多樣，特別典型的有山地、丘陵、河谷平原等，別具一格的天然地貌，蘊含了豐富的生態旅游資源，商州區的旅游業也得到了空前的繁榮，極大地推動了當地社會經濟的發展。隨著經濟的高速發展，其與生態環境保護之間的矛盾不斷升級，嚴重影響了商州區科學、持續地發展。另外，商州區也是國家南水北調工程重要水源涵養基地，因此大部分地區屬于限制開發區域，生態環境保護意義重大。

圖1　研究區位置以及建設用地分布

1.2數據來源

本文的數據來源于：（1）2013年商州區土地利用變更調查數據。該數據依照國土資源部2007年頒布的《第二次全國土地調查技術規程》（TD/T1014—2007），將全國土地根據其利用現狀進行分類。本研究采用權威土地利用現狀數據，能夠充分保證數據的各類土地利用圖斑的空間位置以及圖斑面積的精度［11］。（2）商州區90m分辨率的DEM和坡度、坡位指數數據以及30m分辨率TM數據，均來源于地理空間數據云（http：//www. gscloud.cn/）。（3）商州區土地利用總體規劃圖（2005—2020年）、2013年商州區統計年鑒及社會經濟統計資料，來源于商州區各相關政府部門。

2　研究方法

本研究的評價步驟為：利用模糊物元模型概念構造商州區建設用地適宜性評價指標隸屬函數，用精確的數學語言描述商州區建設用地的需求并確定其限制性條件；利用最大信息熵模型計算各評價指標的權重，然后計算商州區建設用地適宜性綜合評價指標值；最后應用上述研究結果，針對商州區不同適宜性等級建設用地特點提出建議。

2.1評價指標體系構建

根據相關研究以及本區建設用地特點，遵循方便性、經濟性、永續性以及可操作性等原則，參考專家意見，從影響該區建設用地的生態條件、生產條件和生活條件中選取具有代表性的16個指標，確立商州區建設用地適宜性評價指標體系［9，12-14］。根據商州區建設用地自然條件選取海拔、坡度、坡向、最近水源地距離，以及地質災害作為生態條件的評價指標；生產條件選取500m范圍內農用地面積（耕地、園地）、到水利設施的距離、工商業用地可達性以及人均純收入排名作為評價指標；選取到中心城市的距離、到鎮級服務中心距離、已建成居民點密度、已建成居民點面積、到省道和國道距離、到縣道距離以及道路通達性作為生活條件評價指標；選取植被歸一化指數（NDVI）、地質災害以及生態保護區和南水北調重要水源涵養基地作為生態條件的評價指標（表1）。

2.2評價指標體系測算

在本研究中X1（海拔）、X2（坡度）、X3（坡向）以及X4（坡位指數）四個生態條件，利用DEM進行分析得到；X4（最近水源地距離）、X7（到水利設施的距離）、X8（工商業用地可達性）、X10（到中心城市的距離）、X11（到鎮級服務中心距離）、X14（到省道和國道距離）、X15（到縣道距離）等距離相關的因子采用歐氏距離量測每一單元到最近要素的距離，生成200m×200m的距離柵格圖層；根據相關文獻以及《商州區統籌城鄉發展規劃》等數據轉繪得到X5（地質災害）；利用網格分析法分別以200m×200m、與農用地（耕地和林地）圖斑做疊置分析，統計計算各個網格內的聚落面積值，賦予對應網格，生成X6（200m范圍內農用地面積），同理以200m×200m為網格單位與建設用地圖斑做疊置分析生成X13（已建成建設用地面積），以商州區建設用地數據為基礎，采用密度制圖得到200m×200m研究區建設用地密度柵格圖層；從2013年商州區土地利用變更調查數據提取商州區主要道路數據，采用《城鎮土地定級規程》定義的通達度模型，由公式（1）計算商州區2013年道路通達度。

表1　建設用地適宜性評價指標與商州區現狀值

式中，Y3為道路通達度；ri為道路相對影響半徑，計算公式為ri=d/di，其中di為緩沖距離，d為影響距離（d= g/2l），g為商州區總面積；l為商州區主干道路總長。

鄉鎮人均純收入數據采用2013年商州區鄉鎮人均純收入排名數據，植被歸一化指數（NDVI）是利用研究區TM衛星影像獲取，地質災害以及生態保護區和南水北調重要水源涵養基地來自于商州區土地利用總體規劃圖，以上數據處理后均轉換為200m×200m的柵格數據。

在本研究中以建設用地適宜度數值表示商州區實際條件滿足建設用地需求的程度，即當區域條件完全滿足當地建設用地要求時，將該區劃為最適合建設用地等級，其建設用地適宜度為1；反之，將該區劃為最不適合建設用地等級，其建設用地適宜度為0。但是建設用地需求并沒有確定標準，且不同的區域建設用地需求也不盡相同，因此本文利用模糊物元模型來描述商州區建設用地需求。

物元模型是將復雜的現實事物使用數學語言精確描述的數學手段，在該模型中，研究目標被描述為一個有序三元組R=（N，C，V），其中事物名稱為N，事物特征為C，V表示事物N的量值，由于建設用地適宜性特征為模糊性概念，因此在本研究中稱研究目標R為模糊物元。對于R的多個特征值C1、C2、…、Cn，分別對應的模糊量值v1，v2，…，vn，即研究目標R為n維模糊物元，則m個事物及其n維物元就構成復合物元Rnm（公式2）：

其中μij（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）是第j個事物第i個特征對應的模糊值［15］。

2.3確定隸屬規則

模糊物元模型應用的關鍵是建立合理有效的模糊集隸屬函數即隸屬規則（表2，表3，表4，表5），隸屬函數可以將語義上模糊的概念以及專家意見在形式上轉化為定量的數學描述［15］。在本研究中采取從優隸屬度原則計算每個適宜性評價指標的模糊量值，在模糊數學中一般用下梯形（越小越優型（公式3））或者上梯形（采用越大越優型（公式4））兩種規則，本文中關鍵參數的設置參考相關文獻［9，14，16-18］以及部分專家意見：

表2　評價指標的隸屬函數類型以及閾值

在本文中地形要素X1（海拔）、X2（坡度）、X3（坡向）以及X7（500m范圍內農用地面積）等指標不適宜采用以上兩種隸屬函數，本文使用ArcGIS9.3將這四個因子分別與商州區的建設用地斑塊空間分布圖進行疊加，并以此計算不同因子數值水平上的建設用地斑塊面積，據此繪制建設用地斑塊面積相關因子的變化趨勢，發現商州區農村隨X1（海拔）、X2（坡度）均呈偏正態分布，用地斑塊X3（坡向）以及X7（500m范圍內農用地面積）等呈正態分布且表現出明顯的空間集聚特征。因此本文選擇高斯隸屬函數（公式5）來對地形因子的適宜性進行描述［19］。

表3　不同坡位指數隸屬度值

表4　不同地質災害等級量化標準

表5　南水北調重要水源涵養基地量化標準

2.4關聯變換

根據表1、表2中模糊隸屬規則構造關聯系數，建立關聯系數復合模糊物元Rξ（公式6）：

公式中ξij=μij（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）為第j樣本第i個評價指標的關聯系數，即本研究中經模糊隸屬函數歸一化后第j樣本第i個評價指標的適宜性指數。

2.5評價指標權重計算

權重系數是指在評價系統中評價指標對評價目標重要程度的表征，權重的確定是評價成功與否的關鍵。為了避免主觀因素對權重系數確定的影響，本文利用客觀賦權法中的最大信息熵模型確定評價指標權重，信息熵用來表征信息源中信號的不確定性。決策者在決策評價中所獲信息的豐富與否直接決定了評價的可靠性和精度，對應的信息量越大則熵值越大。本文采用常用對數（ln）對所有評價指標的信息熵E（公式7）進行定義［2，20-21］。

公式中μij為經隸屬函數（表1）轉換后各評價指標的值n，為17即本文中評價指標的個數，m為3285即全體建設用地斑塊。

為（公式8）：

則評價指標的熵權值可表示為（公式9）：

由最大信息熵模型求得的各個評價指標權重如表1所示。

2.6綜合評價指標值的計算

設Rk表示m個事物的關聯度組成的關聯度復合物元，Rw是指標的信息熵權重向量，則有：

圖2　商州區建設用地適宜性指數

3　結果分析

商州區建設用地適宜性綜合評價結果為連續的柵格數據，其值為0.03-0.96。本研究按照建設用地適宜性綜合評價值從低到高，采用自然斷點分級方法將研究區建設用地適宜性劃分為高適宜建設用地、適宜建設用地、不適宜建設用地以及禁止建設用地四個等級（表5）。自然斷點方法基于聚類分析且能較好保持數據統計特性［22］。分級后建設用地適宜性綜合評價指數低于0.235的區域為禁止建設用地，其中土地利用現狀圖中河流水庫等不適宜建設用地的區域也歸并為該類型用地，適宜指數0.235-0.436的地區為不適宜建設用地，適宜指數0.436-0.682的地區為適宜建設用地，高適宜建設用地的適宜指數等于或大于0.682。同時利用ArcGIS 9.3空間分析模塊將分級后的結果與研究區行政區域圖疊加顯示，并計算各等級分布面積，得出商州區不同等級建設用地適宜性潛在分布結果（表6，圖3）。

表6　建設用地適宜性評價綜合分析

圖3　建設用地適宜性評價等級

結果表明，商州區所在區域面積的2.28%，屬于高適宜建設用地，主要分布于丹江及其主要支流兩岸，西起陳塬街道辦東至孝義鎮的川道和兩側坡塬，還有境內北部的腰市鎮、李廟鄉、大荊鎮部分地區，中部的楊峪河鎮部分地區。這些地區地勢平坦，交通便捷，自然地理條件優越，同時也是商洛市市區所在地，基礎服務設施齊全，人口密集，經濟水平較高，是未來商州區建設用地的主要發展區域。適宜建設用地面積相對較大，面積為133.28 km2，主要分布于高適宜建設用地周邊低山區，同時在研究區北部的大荊、腰市、西荊及李廟也有一定分布，這些地區地形較為平坦，離水源地和較大的鄉鎮服務中心距離都適中，基礎生活服務設施健全，交通便利，生產、生活條件較為優越，建設用地發展具有一定的潛力。

不適宜建設用地面積占全區總土地面積的7.12 %，絕大部分分布于境內的中部、北部和東北部，這些地方地貌復雜，低山和丘陵廣布，具體包括麻街鎮、板橋鎮、黑龍口鎮、洪門河鄉、北寬坪鎮的全部及龍王廟鄉、三岔河鄉、麻池河鄉、腰市鎮、西荊鄉、李廟鄉的大部或部分地區，這些地區自然坡面坡度較大，水土碎石流失較為嚴重，風化強烈，農業生產條件較差。因此，建設用地建議維持現狀，同時加強對其周邊適宜建設用地以及高適宜建設用地社區的基礎服務設施尤其是教育設施的財政投入，引導人口外遷，逐步減少居民點建設面積，使其自然衰退。禁止建設用地面積為2262.51 km2，該類型建設用地主要分布于境內西北部和西部秦嶺南翼，西南部和南部的流嶺，東北部的蟒嶺，包括牧護關鎮、硯池河鄉、黑山鎮、閆村鄉、上官坊鄉和北寬坪鎮的全部和三岔河鄉、龍王廟鄉、劉灣街辦、沙河子鎮等的大部或部分地區。其自然坡面坡度多在30度以上。耕地分布于梁、洼、槽及溝道，陡坡地所占面積很大，是退耕還林還牧的重點地區。這些區域地質災害多發，交通不便，人口稀疏，優質農業資源較少，不適宜居民點建設，應作為重點生態保護區域。

4　結語

建設用地適宜性評價研究是區域發展優化布局的理論基礎。本文運用模糊物元模型以建設用地宜性評價為切入點，以GIS空間分析技術為支撐，對商州區建設用地進行了多因素綜合適宜性評價，并應用評價結果，采用系統聚類方法，將商州區建設用地劃分為4種類型。分析結果表明，商州區建設用地適宜度分布具有明顯差異，該區大部分區域不適合建設用地分布，高適宜建設用地主要分布于丹江及其主要支流兩岸，該區應加快高適宜建設用地地區建設以及和中高山地區居民點搬遷與撤并工作，在此基礎上，逐漸開展適宜建設用地的集中建設。

構建科學的建設用地適宜性評價體系與方法，將為區域土地利用，特別是為建設用地資源相對短缺的山區，進行城鎮化建設時提供理論依據。模糊物元模型適用于多指標評價問題，其優勢把人們解決問題的過程形式化，對于無法確定的模糊數學關系進行量化，從而建立起相應的物元模型。本文正是利用物元分析理念，并結合模糊集和貼近度的概念，將熵值法引入到權重的計算中，能夠較為全面、客觀地評價建設用地適宜性，從而為建設用地適宜性評價提供一條可行的新途徑。

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Construction Land；Fuzzy Matter Element Model；Suitability Analysis；Shangzhou District

Suitability Assessment of Construction Land in Tsinling Mountains Based on Fuzzy Matter Element Model

ZHANG Hai-long
（College of Urban，Rural Planning and Architectural Engineering，Shangluo University，Shangluo 726000）

陜西省教育廳專項科研計劃項目（No.15JK1231）、商洛學院科研基金項目（No.12SKY014）

1007-1423（2016）22-0017-07DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.22.004

張海龍（1982-），男，碩士，講師，研究方向為空間數字模型與GIS應用

2016-07-02

2016-07-22

秦嶺山區生態環境脆弱，資源承載能力有限，在該區進行的建設活動必將對其生態環境產生影響。科學評價秦嶺山區建設用地適宜性，對建設用地的選址與布局，生態環境的保護和經濟社會協調發展均具有積極意義。以商洛市商州區為例，利用模糊物元模型對該區建設用地適宜性進行研究與評價，將研究區建設用地劃分為高適宜、適宜、不適宜及禁止建設4個等級。結果表明：模糊物元模型能夠較好地對秦嶺山區建設用地適宜性進行評價；商州區高適宜建設用地面積為60.29 km2，占研究區總面積的2.28%，表明該區高適宜建設土地面積相對較小。商州區適宜建設用地面積為133.28 km2，占研究區總面積的5.04%，可以進行適度建設。研究結果也可為當前建設用地科學布局提供理論基礎。

建設用地；模糊物元模型；適宜性評價；商州區

Because the ecological environment is fragile and resources carrying capacity is limited in Tsinling Mountains，construction activities in this area will impact on the ecological environment.Scientific evaluation the suitability of construction land in Tsinling Mountains，which has positive significance in selection and layout of construction land，protection of ecological environment and harmonious development of economy and society.Takes Shangzhou，Shangluo as an example，uses fuzzy matter element mode to evaluate and research the suitability of construction land，divides construction land this area into four levels：high suitable，suitable，unsuitable and a ban on the construction. The result shows that fuzzy matter element mode can better evaluate the suitability of land for construction in Tsinling Mountains.The high suitable land for construction area is 60.29 km2in Shangzhou，accounting for 2.28%of the total area，indicating that the area of land suitable for the development of construction land is relatively small.Then，suitable land for construction area is 133.28 km2in the area，accounting for 5.04%of the total area，which can be appropriate for development.The result also provides a theoretical basis for scientific layout of the current regional of construction land.