基于GIS的低丘緩坡土地利用建設適宜性評價

張洪 曹京 董世杰

摘要 選擇大理市作為研究區域，根據大理市全國第二次土地調查數據、土地利用總體規劃數據和社會經濟統計數據，結合相關研究和區域特點，從地形地貌、生態環境、空間區位、地質條件、社會經濟5個方面選擇了18項相關性因子構建起一套適應研究區域實際情況的評價指標體系，采用層次分析法確定指標權重，并在利用傳統的多因素綜合評價模型的基礎上，引入CA模型的原理進行適宜性模擬，并利用GIS空間分析功能對評價結果進行分級，按照適宜性分值劃分為不適宜、一般適宜、中等適宜、高等適宜4級，并以適宜性結果為基礎進行土地利用分區研究，將評價區域劃分為優先建設區、選擇建設區、建設保障區和生態功能保護區。研究結果可為低丘緩坡地區開發建設適宜性評價以及區域新型山地城鎮建設研究提供一定參考。

關鍵詞 低丘緩坡；GIS；建設；適宜性評價；大理市

中圖分類號 S127 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）06-0212-06

Suitability Evaluation of Land Construction Use about Gentle Hills Based on GIS—A Case Study of Dali City

ZHANG Hong，CAO Jing，DONG Shi-jie （School of Urban and Environment， Yunnan University of Finance and Economics， Kunming，Yunnan 650221）

Abstract Choosing Dali City as the research area， based on the overall plan of data and social economic statistical data of land use in the second national land survey data， using GIS spatial analysis functions， combining research and related regional characteristics， selecting from topography，ecological environment， spatial location， geological conditions， socio-economic aspects of 18 correlation factor to construct the evaluation index system. Using analytic hierarchy process to determine the weight of index.Based on the traditional multi factor comprehensive evaluation model， the CA model was used to simulate the model. And using the spatial analysis function of GIS，evaluation results were divided into four levels basing on suitability scores： inappropriate， generally， moderate， and higher suitability and the suitability of the results as the basis for land use zoning study， the assessment area was divided into priority areas， selecting construction area， building security and ecological function protected areas. The results could be reference to similar gentle hills development suitability evaluation and the construction of regional new mountain towns.

Key words Gentle hills；GIS；Construction；Suitability evaluation；Dali City

隨著社會經濟的不斷發展，工業化、城市化進程的不斷加快，我國人多地少及用地需求與供地不足之間的矛盾日益凸顯，建設占用耕地已成為一種必然的趨勢[1]。這種農地過度非農化的現象，會導致耕地大量流失，威脅糧食安全，同時會產生大量失地農民，不利于社會的穩定[2]。低丘緩坡土地利用資源是主要的土地后備資源，采用科學合理的方法進行低丘緩坡建設適宜性評價，對土地合理利用及耕地保護具有積極作用，對綜合效益的提高及土地可持續利用具有十分重要的意義[3]。

在長期的研究與實踐中，國外對山地、坡地資源的開發利用、城鎮發展建設以及生態環境保護方面都形成了一定的理論體系，并且從實踐中積累了很多成功的經驗[4-6]。隨著信息技術的不斷發展，新的技術方法如遙感、地理信息系統等與土地評價研究相結合并得到了廣泛的應用，土地評價自動化程度越來越高，并不斷向定性與定量相結合的方向發展。Kollias等[7]、Bojórquez-Tapia等[8]、Fang等[9]運用GIS技術進行土地適宜性評價。我國較為全面、系統的土地評價工作開始于20世紀50年代的荒地資源調查。近些年，土地適宜性評價是土地利用評價的主要方面，我國建設用地評價重點則從平地轉向山地[10]，李偉松等[11]、劉衛東等[12]、呂杰等[13]對不同區域山地開發適宜性進行研究。同時，GIS技術的應用也更加普遍[14-16]。 目前，我國土地評價研究多結合GIS技術，并以定性與定量相結合為基礎，其中多因素綜合評價模型的建立是較為常見的研究方法。如李偉松等[11]構建生態適宜性綜合評價模型，利用GIS空間分析功能對湖北省赤壁市低丘緩坡土地建設用地進行適宜性評價。

大理市是我國低丘緩坡開發的典型區域，但目前對大理市低丘緩坡土地利用建設適宜性評價的研究相對較少，將元胞自動機模型的原理應用到大理市低丘緩坡土地利用建設適宜性評價中的研究更少。劉焱序等[17]從景觀風險和災害風險2個指標集共選取12個評價指標，并運用有序加權平均法對指標進行重新排序，對大理市低丘緩坡區域建設適宜性進行綜合評價。筆者在多因子綜合評價模型的基礎上，引入約束性因子，兩者結合求得綜合適應性分值，并運用生態位元胞自動機的原理對適宜性進行模擬[18-19]，得出大理市低丘緩坡土地建設適宜性的概率，利用GIS空間分析功能，根據適宜性分值對大理市低丘緩坡區域的建設適宜性進行分級。

1 研究區概況及低丘緩坡評價范圍確定

1.1 研究區概況

大理市是大理白族自治州州府所在地，位于滇西中部，是滇西的交通樞紐。大理市為高原盆地地形，總體呈西北高東南低、四周高中間低的特征。地處低緯度高海拔地帶，屬于典型的亞熱帶高原季風氣候區，土壤類型多樣，干濕季分明，年溫差小，日溫差大。大理市降水豐富，地表水和地熱水資源較豐富，洱海為云南省第二大高原淡水湖泊，屬于天然湖泊。大理市轄10個鎮、1個鄉及1個國家級經濟開發區，轄區內有國家級重點文物保護單位4處，省級重點文物保護單位2處，是國家級優秀旅游城市。

1.2 低丘緩坡評價范圍確定

結合低丘緩坡相關概念和云南省實際情況，將低丘緩坡地定義為具有一定成片開發條件、在云南省劃定的壩區范圍以外、坡度為8°～25°的包括各種土地利用類型的土地資源。該研究對象為低丘緩坡土地資源開發建設適宜性，根據低丘緩坡的定義及土地開發利用的基本條件，結合大理市的實際情況，確定大理市低丘緩坡建設適宜性評價的范圍。扣除大理市坡度25°以上集中連片的區域，海拔大于3 000 m的區域，洱海和湖泊、水庫水面，壩區范圍，其他區域作為該研究評價范圍（圖1）。

2 低丘緩坡建設適宜性實證研究

2.1 數據來源

空間數據均采用西安80坐標系。數據主要來源于：大理市第二次全國土地調查數據庫、《大理市低丘緩坡土地綜合開發利用專項規劃（2012—2016年）》《大理白族自治州大理市礦產資源規劃（2008—2015年）》《云南省大理市地質災害防治規劃（2011—2020年）》《大理生態市建設規劃（2009—2020年）》、MODIS13Q1產品數據集及2009年大理市社會經濟統計資料等。

2.2 適宜性評價原則

進行低丘緩坡土地建設適宜性評價，需要考慮長遠目標，考慮其可持續發展性，需要堅持開發利用與保護相結合，在注重生態保護的前提下，提高土地利用綜合效益。該研究遵循綜合性和主導因素原則，生態保護優先原則，因地制宜原則，經濟、社會、生態效益相結合原則，針對性原則及可持續利用原則進行大理市低丘緩坡土地建設適宜性評價。

2.3 評價單元劃分

根據數據特點選擇采用網格法進行適宜性評價研究，運用GIS地理空間分析功能進行大理市低丘緩土地利用建設適宜性評價。選擇較大尺度的評價單元將降低評價單元數據的準確性，而評價單元太小則可能導致數據量過大，對數據精度的要求相對更高。因此，根據1∶10 000比例尺數據，構建50 m×50 m的評價單元。

2.4 評價指標體系構建

低丘緩坡土地利用建設適宜性評價是一個較為復雜的評價過程，參評因子的選擇是其建立合理指標體系的重要條件。按照低丘緩坡土地利用建設適宜性評價因子的選擇原則，結合大理市自然地理環境、社會經濟條件及生態環境等多方面的因素，根據低丘緩坡土地開發利用所應該考慮的評價因子并結合數據收集情況及其可操作性，從評價指標體系構建的科學合理性出發，建立大理市低丘緩坡建設適宜性評價體系，此體系主要包

括地形地貌、生態環境、地質條件等5個不同方面共18個一般性評價因子及6個約束性因子，用以反映大理市低丘緩坡土地建設適宜性情況及其適宜程度。根據數據收集情況，確定研究的約束性評價因子為規劃基本農田保護區、國家級公益林和省級公益林、禁止建設區、蒼山洱海保護區、距斷裂帶500 m范圍區礦產資源重點勘查。

2.5 權重的確定 考慮到大理市山地生態系統復雜性和基礎數據的可操作性及指標量化的準確程度，采用完全定量化的方法確定指標權重的數學模型難度較大，因此，該研究采用層次分析確定指標權重，結果見表1。

2.6 評價模型的確定

靜態數學模型主要是建立在多因子綜合評價模型的基礎上，引入約束性因子的影響值，計算一般性評價因子的綜合影響值和約束性因子綜合影響值，根據兩者結合求得的最后分值確定適宜性程度。該研究低丘緩坡土地利用建設適宜性評價采用靜態數學模型，根據適宜性評價因子的特點，采用以下數學模型進行計算：

Y=λmi=1Xi·Wi （1）

λ=Πnj=1Pj （2）

式中，Y為評價單元的綜合評價值；λ為約束性因子綜合評價值；m為般性評價因子個數；X為第i項一般性因子分值；W為第i項一般性因子權重；n為約束性因子個數；P為第項約束性因子分值。

在上述模型中，一般性因子采用累加求和的方法計算，因子分值通過引入模糊數學方法，建立評價因子的模糊隸屬度函數，該研究隸屬度函數主要包括3種類型：閾值型、“S”型隸屬度函數及拋物線型，并在實際中將曲線型函數轉化為相應的折現型函數，以便于計算[20]。約束性因子采用求積的方法計算。約束性因子賦值采用“一票否決制”，只取0和1進行賦值計算，從而保證當評價單元為約束性因子所在評價單元時否定其他評價因子的作用。

土地適宜性的狀態是由其本身的適宜性及其相鄰元胞的狀態所決定的，周邊土地具有更高適宜性，則中心元胞開發建設的可能性越高。因此，該研究運用CA模型的原理進行適宜性模擬，評價單元的元胞在下一時刻的適宜性是由其與周邊鄰居狀態及一定的轉換規則共同作用所決定的，公式表示為：

St+1ij=f（Stij，Ωij，T） （3）

公式（3）表示過去的土地適宜性是通過土地之間的相互作用來影響未來土地適宜性的。該研究采用Moore型鄰域，通過3×3的窗口，中心元胞的值由其周圍相鄰的8個鄰居單元獲取，由此計算出下一時刻的土地適宜性狀態，利用概率的方法可以對轉化規則進行靈活定義[21]。土地開發建設適宜性轉化規則表示為：

Rt+1（ij）=Qt（ij）·con[suit（ij）]·Ωt（ij）（4）

式中，Rt+1（ij）為元胞在t+1時刻的建設適宜性概率；Qi（ij）為單因子的綜合適宜性，即mi=1Xi·Wi；con[suit（ij）]為約束性條件，即λ；Ω（ij）為鄰域影響值。

其中，鄰域影響值以3×3鄰域窗口進行計算：

Ωt（ij）=3×3N[suit（ij）]3×3-1 （5）

具體做法如下：通過Rt（ij）獲取格網單元適宜性值，并根據適宜性分值建立一個0和1的專題圖，0代表不適宜，1代表適宜。Ωt（ij）通過目標專題圖獲取，公式表示為：

Ωt（ij）=x+1i=x-1y+1j=y-1OLij-OLxy/

x+1i=x-1y+1j=y-1Nij-1 （6）

式中，OLij為單元網格的值（0或1）；Nij為用以處理邊界元胞，若格網是空值（即超出格網邊界），Nij=0，反之，則為1。

土地適宜性模擬演化過程的結束通過觀察t+1時刻與t時刻的建設適宜性分布值，比較兩者無差別，倘若兩者之間沒有什么差別，則可以判定其達到穩定狀態，結束演化[22]。

3 結果與分析

3.1 適宜性分級及評價結果分析

3.1.1 適宜性分級結果。

采用ArcGIS空間分析模塊（Spatial Analyst）中的重分類功能（Reclassify），根據大理市低丘緩坡土地利用建設適宜性評價結果數據及相關研究的劃分標準，按照適宜性分值的大小從高到低劃分為4類：高度適宜、中等適宜、一般適宜和不適宜。分類結果為：0～0.4為不適宜建設，>0.4～0.6為一般適宜建設，>0.6～0.8為中等適宜建設，>0.8為高等適宜建設。

3.1.2 適宜性評價結果分析。

（1）一般性因子綜合適宜性分析。根據表1中的地形地貌因子、生態環境因子、地質條件因子、空間區位因子和社會經濟因子，并根據相對應的權重，計算一般性評價因子的綜合適宜性，結果見圖2。

（2）約束性因子綜合適宜性分析。

根據所確定的6類約束性因子及相應的賦值，利用的靜態數學模型中公式（2），計算得到約束性因子的綜合適宜性值，結果見圖3。

（3）靜態數學模型適宜性評價結果。

根據以上計算得出的一般性因子綜合適宜性分值和綜合約束性因子分值進行疊加分析，利用公式（1）計算得到大理市低丘緩坡土地利用建設適宜性評價結果（圖4）。

（4）適宜性模擬結果。對評價區域土地利用建設適宜性進行模擬分析，將上述評價結果代入公式（4），運用Focalsum函數求得鄰域范圍內適宜建設的元胞數，并運用GIS空間模擬求得，運行結果見圖5。并按照上述分級標準進行分級，結果見圖6。

該研究土地適宜性模擬結果相對于靜態數學模型的評價結果，一般適宜和不適宜區域相對變大，2種評價結果分布及趨勢是一致的，變化主要體現在細部。該研究選擇適宜性模擬結果作為最終結果進行分析。從圖6可以明顯看出，大理市低丘緩坡土地利用建設適宜性較高的區域分布在洱海以東部分地區，此區域屬于地勢相對平緩、區位條件、生態環境等條件相對較好的地區，不適宜建設區域主要分布在洱海以西地區以及大理市西南部分地區。結合圖1中劃定的低丘緩坡評價區域范圍，經AarGIS軟件分析，根據分級標準進行統計，大理市低丘緩坡開發建設適宜性評價結果為：不適宜建設面積34 114.45 hm2，占評價結果總面積的48.92%；適宜建設總面積35 625.68 hm2，占51.18%。其中適宜建設的低丘緩坡土地面積分為：一般適宜土地面積12 548.42 hm2，中等適宜土地面積22 683.56 hm2，高等適宜土地面積393.69 hm2。適宜建設的低丘緩坡土地資源主要分布在大理市經濟開發區、海東鎮、鳳儀鎮，還包括上關鎮、下關鎮、雙廊鎮的部分地區。

3.2 土地利用分區結果分析

按照大理市低丘緩坡開發建設適宜性評價結果將評價區域分為適宜建設區及不適宜建設區，將不適宜建設區劃分為生態功能保護區，結合“宜農則農，宜林則林”的原則再劃分為農地保護區和林地保護區，禁止一切與生產建設有關的活動；適宜建設區按照“宜建則建”的原則，根據適宜性分值的大小及其分布區域的集聚性進行劃分，結果見圖7。

3.2.1 優先建設區。

根據適宜性評價結果劃分優先開發建設區塊，由于高等適宜性區塊相對面積較小，因此主要以中等適宜性區塊與高等適宜性區塊結合確定優先建設區域。優先建設區塊具有優越的建設條件，是城鎮發展需求用地的主要供給區域，適宜連片的城鎮開發和工業建設[23]，大理市低丘緩坡優先建設區劃定的建設用地區域面積相對較大，建設用地一般是按照時序性進行開發，據此將優先建設區劃分為一級優先建設區和二級優先建設區（次級優先建設區）。次級優先建設區目前不以開發建設為主，可進行適當開發，但需要輔以耕地保護和林地保護等生態保護作用，此區域主要以連片區塊劃分。

3.2.2 選擇建設區。

選擇建設區也具有較高的建設適宜性，相對于優先建設區，選擇建設區可以根據具體開發建設的需要及當地發展的具體情況，進行適當的開發，一般考慮一定的生態保護作用，并不完全用于開發建設，如不以連片開發為目的的點狀式開發。與優先建設區相同的是主要選擇相對較高適宜性的連片區塊劃分，與優先建設區的區別主要是考慮現實的開發情況和交通條件。

3.2.3 建設用地保障區。

建設用地保障區是除優先建設區和選擇建設區以外的適宜建設區域，從城市發展的需要及耕地、林地保護等方面考慮，此區域亦可稱為建設用地儲備區即后備建設用地區，當城市發展建設用地需要擴張并且建設用地指標增加時可以發展為城鎮居住用地、工業用地的土地資源。與選擇建設區不同的是，建設用地保障區在開發利用前以保護區域生態環境為主，避免進行生產建設。

3.2.4 生態功能保護區。

生態功能保護區即為劃定的不適宜建設區域，此區域可以遵循“宜農則農，宜林則林”的原則進一步劃分為農地保護區及林地保護區。農地保護區是進行耕地保護的重要區域，城鎮發展必須符合國家保護耕地的基本國策，需要始終堅持保護耕地保證糧食安全，建設盡量少占耕地，特別是優質耕地，同時要保持耕地占補平衡，不僅要保證數量上的平衡，還要考慮質量上的平衡。該區域的劃定主要考慮現狀為耕地、牧草地、園地等土地類型。林地保護區主要分布的土地類型為林地，其對當地生態系統的穩定及可持續發展有重要的作用。林地對于區域生態環境及人居生活環境等存在影響，林地保護區主要是現狀為林地或者能夠發展為林地的區域，主要參考公益林及土地利用現狀條件進行劃定。

3.3 低丘緩坡開發用地建議

以實現環境友好型城市發展建設為土地利用目標，注重實現土地節約集約利用，并在土地利用過程中重視生態保護，實現經濟效益與生態效益的統一，有利于促進城鎮可持續發展[24]。

對于優先建設區，選擇組團式用地布局方式，大理市低丘緩皮優先建設區主要包括海東組團、鳳儀組團及下關組團。由于其具有優越的區位條件，可以沿交通干線發展建設，加強各組團之間的聯系[25]，有利于今后發展形成規模效應。同時，應該根據當地發展的實際情況，推動土地利用結構及產業結構的調整，避免分散布局，將各類型用地盡量安排在同一地區集中分布，杜絕重復性建設，促進土地節約集約利用。選擇建設區可以根據發展需要輔以開發建設，或者依當地特點進行旅游用地的開發，建設保障區以保護生態為主，可以發展生態景觀。切實保護基本農田，并適當改善農田保護區內非基本農田區域土地的質量，大力發展特色種植業并保持優勢種植業的發展，有利于形成規模化生產，提高土地利用效率。林地是生物多樣性保護和生態系統協調發展的重要用地類型，因此應該對林地實施有力的保護，不僅要對集中連片的森林地帶進行保護，對優化城區范圍內的林地資源也要進行保護。對于可以發展為林地的未利用地可以根據需要進行發展，一些荒地、裸地可以作為后備的重點造林土地。

該研究進行土地分區的過程中并未考慮礦產資源區及風景保護區等類似區域，但是自然景觀及人文景觀的保護對城鎮文化傳承與發展有重要作用，對此類用地，應該保留，避免占用，并與生態保護相結合進行發展，提高經濟效益和生態效益。大理市低丘緩坡開發建設應該形成新型城鎮化、產業化發展方式，按照建設適宜性結果進行有區分的、集中的適度開發，并堅持以生態環境保護為前提，充分發揮其自身的地域優勢、文化優勢及生態優勢[26]，構建環境友好的新型山區城鎮。

4 結語

該研究采用元胞自動機對大理市低丘緩坡土地利用建設適宜性進行評價，在傳統的多因素綜合評價模型的基礎上，將生態學概念引入到低丘緩坡土地的建設適宜性評價中來，更具現實意義和針對性。雖然元胞自動機的方法在我國已得到應用[18]，但是將此方法直接運用到大理市低丘緩坡適宜性評價中的研究還較少。而且土地適宜性評價的核心是建立適應研究區域自身特點的評價指標體系，在以往的研究中土地適宜性評價多側重于土地本身的自然屬性，該研究結合大理市具體情況增加了社會經濟指標，使評價指標更具全面性和科學性，對于大理市低丘緩坡資源的開發具有重要意義。

由于時間的限制、資料數據的局限以及知識結構及研究經驗和能力不足等原因，該研究還存在許多不足之處，主要表現為：①指標體系的構建方面仍處于研究階段，指標選擇的科學性和合理性可能存在一定的欠缺，需要進行研究和完善；②層次分析法確定指標權重，具有較強的主觀性，可以與客觀賦權法相結合；③結合CA模型原理進行土地利用適宜性模擬，分析較為單一，可更多地從定量的角度進行模型的檢驗與研究；④對土地分區標準及不同分區具體用地布局可進一步研究。

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