基于GIS的城市土地利用研究進展

杜金龍, 朱記偉， 解建倉,3， 馬增輝

(1.西安理工大學干旱區生態水利工程國家重點實驗室,西安 710048； 2.陜西省土地工程建設集團陜西地建土地工程技術研究院,西安 710075； 3.陜西省土地工程建設集團國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室,西安 710075)

0 引言

城市土地利用是對城市范圍內的整片土地進行不同層次功能的配置，包括城市土地利用的規模、空間形態及其構成。城市土地利用依據城市中工業、交通、商業、文化、教育、衛生、住宅和公園綠地等建設用地的狀況，反映城市布局的基本形態、城市內各功能區的地域差異和城市土地利用合理與否，關系到城市合理發展、人口容量、城市環境保護和城市建設中節約用地等重大問題； 而地理信息系統(GIS)則為城市土地利用的合理配置提供了一種有效途徑。GIS是一種在計算機軟、硬件支持下，結合地理模型分析方法，按地理坐標和時空分布各種地理信息和環境參數，具有輸入輸出、存儲、檢索及分析功能的綜合系統。作為地理信息綜合處理分析系統，GIS主要解決了5類問題： ①位置，即在什么位置有什么； ②條件，即是否符合某些約束的實體； ③模式，即某個位置存在著何種空間實體的分布； ④趨勢，即某個位置可能發生或隨機發生的變化情況； ⑤模型，即某個位置或實體怎么才能具備發生效果的問題[1]。盡管現存的GIS軟件很多，但對于它的研究應用，歸納概括起來有2種情況，一是利用GIS系統來處理用戶的數據； 二是在GIS基礎上，利用它的開發函數庫二次開發出用戶專用信息應用軟件。GIS核心功能是空間及模型分析，其中空間分析功能可以在城市土地利用研究中發揮重要作用，如利用空間疊加功能，對不同時期城市土地利用類型圖進行空間疊加分析，可以有效監測城市土地利用的動態變化等。2016年12月27日，ESRI發布了新一代ArcGIS10.5及ArcPro1.3，推出更精細的分級授權、全新的i3S三維標準、大數據分析處理產品、多Portal間協作共享等諸多新特性及增強功能，更進一步促進了用戶間的溝通協作，引導用戶去分析大數據背后的價值，使用戶能夠更智能、更高效、更敏捷地作出響應和決策。總之，利用GIS的各種信息分析技術，可以獲取土地利用在數量、類型、結構及空間位置等方面的變化信息。基于GIS的城市土地利用主要集中在城市土地利用變化、評價及規劃、擴展及演變、結構和優化等方面，本文在分析國內外城市土地利用相關研究文獻基礎上，從多個方面綜述GIS在城市土地利用方面的研究概況。

1 城市土地利用研究現狀

1.1 國外研究現狀

西方國家在工業化和城市化發展過程中，城市土地利用隨時間推移日益復雜化和多樣化。城市土地利用研究重點是各種土地利用功能區布局和功能之間的入侵和繼承性，以歐美國家最為領先，主要集中在城市土地利用變化和結構及其演變等方面。

國外有關城市土地利用方面的研究多數利用RS技術，并結合GIS以及GPS技術[2-4]，側重于城市土地利用變化對城市及其周邊環境等區域小氣候的影響； 有些研究深入到城市土地利用變化對區域碳、氮等元素循環的影響； 有些探討城市土地利用變化與可持續發展之間的關系[5-6]； 有些根據城市土地利用變化及其所引發的環境問題，探討城市規劃新概念[7-8]； 還有的側重于方法研究，針對以往研究方法的不足，結合當前最新科技，提出便捷的研究方法，使抽象的城市土地利用變化形象化[9-10]。城市土地利用結構及其演變的研究方法上，針對城市土地利用結構的自相似性及其自組織時空演變特性，非線性理論占據了重要地位。BattyMhe，LongleyPA最先開創了城市土地利用的分形模擬，又從不同角度提出城市土地利用形態的分維描述方法，Batty M等提出城市形態邊界維數，Rank Hauser P，Sadler R提出城市形態半徑維數等[11]。

綜上分析可知，雖然國外研究開始早，目前已有較豐碩的研究成果，但隨著可持續發展思想的提出，城市土地利用作為促進城市可持續發展的重要手段而得到歐美國家的高度重視。所以在設計城市規劃和發展政策時，應當意識到，城市人口與經濟的可持續發展正越來越多地依賴于良好的土地資源管理，這也為以后的研究指明了方向： 重視RS和GIS等先進定量與分析方法的應用，促進城市土地利用與土地利用管理相結合。

1.2 國內研究現狀

目前國內有關城市土地利用的研究主要集中在城市土地利用變化、空間擴展及綜合效益評價等方面。城市土地利用變化和空間擴展方面，主要是城市土地利用變化過程及其引發的生態環境問題，城市土地利用的擴展模式及動力機制等； 城市綜合效益評價方面，主要是從經濟、社會、生態效益3個方面構建城市土地利用效益評價指標體系，結合相關評價方法進行城市土地利用綜合效益評價。

在城市土地利用變化和空間擴展研究方面，顧朝林[12]在對北京市土地利用變化進行分析的基礎上，結合20世紀70，80和90年代衛星遙感資料闡述北京市近30 a來城市化進程的特點。張鐿鋰等[13]結合實地調查和歷史文獻，闡述西藏自治區拉薩市近50 a來的城市用地變化進程以及由此產生的生態和環境問題。史培軍等[14]通過分析深圳市不同時期的土地利用變化轉移矩陣，并選取驅動力指標對建成區的變化進行逐步回歸，構建深圳市土地利用變化驅動力機制。劉盛和等[15]分析北京市不同時期的用地變化，提出年均擴展強度指數，總結北京市土地利用擴展模式。何流等[16]論述了江蘇省南京市空間擴展時空變化特征，分析城市空間擴展動力機制和存在的問題。關于城市土地利用綜合效益評價。王雨晴等[17-20]側重于評價方法研究，構建綜合效益評價指標體系，采用AHP法、熵權法、改進熵值法確定指標權重，運用相關模型進行評價。張旺鋒等[21-23]、陳靜等[24]都從經濟、社會、生態效益3個方面構建城市土地利用效益評價指標體系，前者應用功效系數法定量評價甘肅省蘭州市、福建省福州市等城市土地利用綜合效益； 后者運用AHP法、熵值法確定權重，對河北省唐山市土地利用效益進行動態評價，同時運用主成分分析法對土地利用效益驅動機制進行定性研究。李丹等[25]運用模糊綜合評價、秩相關系數法和協調度分析法，綜合評價山東半島城市群城市用地效益。

綜上分析可知，在城市土地利用變化方面，因為側重于“變化”的研究，而對于城市內部的土地利用類型分析比較粗，多數只分析城市用地，即建成區變化； 在城市土地利用綜合效益評價方面，方法比較單一。但隨著現代科學技術的發展，在城市土地利用研究方面，研究方法也逐漸從過去的一些傳統方法如利用地圖和統計資料分析，發展到利用GIS和RS相結合的數值統計分析階段，從而使研究方法從定性描述發展到定量測量，使研究結果更趨近客觀[26]。隨著RS和GIS技術的發展，為挖掘城市用地潛力，更好地經營城市，現在城市土地利用研究中廣泛應用到RS和GIS技術[27-29]。

2 GIS在城市土地利用研究中的應用

GIS作為一門多學科交叉的新興技術，隨著社會信息化進程發揮著越來越大的作用，在城市規劃、勘測、市政設施、管線、郵電、交通等行業得到了廣泛應用。GIS技術通過對空間與非空間數據的采集、處理、分析、輸出等功能，實現對城市土地利用狀況及時、準確的跟蹤和了解，并對遙感圖像、地圖、統計數據源的空間數據庫進行分析。空間分析是GIS的核心功能，空間分析中的模型分析是GIS應用深入的重要標志。空間分析功能包括數字地形模型分析、空間特征幾何分析、網絡分析、影像分析和地理變量多元分析等。這些空間分析功能可以幫助人們從宏觀的、科學的角度來對城市土地利用作出更加正確的分析判斷。本文主要從GIS在城市土地利用變化、評價及規劃、擴展及演變、結構和優化等方面綜述GIS在城市土地利用研究中的應用，詳見表1。

2.1 GIS在城市土地利用變化方面的應用

GIS在城市土地利用變化方面的應用主要是利用其強大的空間分析功能，結合數理統計軟件及相關預測模型，進行城市土地利用定量、時空和動態過程分析，在城市土地合理利用的基礎上，進一步優化城市土地利用結構，調整社會經濟發展策略。

GIS空間分析方法包括數據基礎、模型基礎和數據處理過程3方面。朱會義等[30]在此基礎上進行北京市土地利用變化實例分析。李琳[31]在利用GIS空間分析功能對福建省廈門市土地利用數據進行空間疊加提取的基礎上，建立土地利用動態變化模型，定性、定量地分析了廈門市土地利用變化。黃端等[32]結合GIS空間分析、數理統計、單一土地利用動態度、土地利用轉移矩陣和綜合土地利用動態度方法，對湖北省武漢市城市圈2000—2015年以及3個5 a期土地利用變化的總體特征、轉化方向和區域差異特征進行研究，并分析了政策因素對土地利用變化的驅動作用。朱瑜馨等[33]利用GIS技術對山東省聊城市土地利用動態變化過程進行分析，結合馬爾可夫模型分析其土地利用動態變化過程，預測其演變趨勢。

2.2 GIS在城市土地利用評價及規劃方面的應用

GIS在城市土地利用評價方面的應用主要是城市土地利用生態安全、生態適宜性、綜合效益和三維定量評價，為城市土地利用規劃決策提供依據。生態安全評價主要是利用GIS空間分析功能將城市土地利用與生態安全評價結果進行有機結合； 生態適宜性評價主要是通過GIS將構建的生態適宜性評價指標體系中的各評價因子數字化； 綜合效益評價主要是借助GIS技術形成城市土地利用效益的有效影響因子空間分布特征圖； 三維定量評價主要是通過GIS技術進行城市土地利用強度的三維定量評價。在城市土地規劃實施管理中運用GIS，不僅可以大幅度提高管理的高效性和精確性，而且可以改變原有的土地規劃和管理的組織結構、管理方法和程序。基于GIS的城市土地利用規劃可以及時更新管理土地資源信息，也可以與計算機、數據庫等技術相結合，加速信息化進程。

利用GIS空間分析功能，郭斌[34]將陜西省西安市土地利用與生態安全評價結果有機結合，提出了相應的生態安全調控措施和土地資源優化配置方案。黃小芳[35]利用ArcGIS10將以引導性和約束性兩大類指標為基礎構建的生態適宜性評價指標體系中的各評價因子數字化，采用加權疊加法對上海市浦東新區工業用地進行生態適宜性評價。白麗娜[36]借助GIS技術形成城市土地利用綜合效益有效影響因子空間分布特征圖，通過空間疊置或緩沖區形成單因子分值圖，進而對吉林省吉林市土地利用綜合效益進行評價。田毅等[37]以GIS技術為支撐，基于AHP法對北京市海淀區東區城市土地利用強度進行三維定量評價。劉波[38]將GIS應用于云南省昆明市呈貢區土地利用規劃中，展示出呈貢區土地利用規劃情況變化圖和呈貢新區數字化區域地圖。

2.3 GIS在城市土地利用擴展及演變方面的應用

GIS在城市土地利用擴展及演變方面的應用主要是城市土地利用擴展狀況、時空演變特征及驅動因素分析。擴展狀況主要是基于GIS技術，通過提取功能或利用相關模型分析城市土地利用擴展狀況； 時空演變特征及驅動因素分析主要是利用GIS空間分析功能，分析城市土地利用時空演變特征及其驅動因素。

利用ArcGIS提取工具，程鵬[39]分析了山東省泰安市建成區擴展狀況并發現了其變化特征。陳旭等[40]基于RS和GIS技術，結合空間分形模型對湖北省武漢市城市土地利用空間擴展狀況進行分析，通過空間分形維數的變化，總結出武漢市城區在1991—1995和1995—2005年2個時段內的擴展規律。利用GIS空間分析功能，肖捷穎等[41]結合網格分割法分析河北省石家莊市近70 a來城市土地利用擴展時空變化特征，并簡析其驅動因素。李云亮等[42]對江蘇省連云港1980—2005年間城市土地利用擴展時空演變特征及規律進行分析，并簡析了城市擴展的主要原因。

2.4 GIS在城市土地利用結構方面的應用

GIS在城市土地利用結構方面的應用主要涉及城市土地利用空間結構特征，可基于GIS技術，或采用模型并選取相關指標，或通過空間分析統計，或從不同角度分析城市土地利用空間結構特征。

采用GIS技術，常顯顯等[43]結合計量經濟模型選取相關定量指標，從數量結構角度出發探討黑龍江省雙城市土地利用結構特征。姜魯光等[44]通過GIS軟件對山東省濟南市1986年和2000年2個時相的航空影像解譯成果進行空間分析與查詢統計，總結出城市土地利用結構具有明顯的圈層和扇形結構特征。賀子康[45]對新疆維吾爾自治區喀什市土地利用空間結構特點進行時間尺度和空間角度的分析，并采用土地利用動態度方法，將從不同角度分析土地利用空間結構的變化情況更加直觀地展現出來。

2.5 GIS在城市土地利用優化方面的應用

GIS在城市土地利用優化方面的應用主要是城市土地利用面積、景觀生態和空間結構優化。面積優化主要是基于GIS技術，結合相關優化模型，對城市各用地類型面積進行優化計算； 景觀生態優化主要是借助GIS的圖像、數據處理功能，分析景觀空間格局指數，提出景觀生態優化對策和措施； 空間結構優化主要是通過GIS軟件完成城市土地空間結構優化配置，包括建立以數量優化和適宜性評價為核心的空間配置優化模型和以元胞自動機模擬演化為核心的優化模型。和傳統的城市土地優化配置方法相比，基于RS和GIS的城市土地資源優化配置，不僅使土地資源適宜性評價更加準確，而且使土地資源利用更加合理。

基于GIS技術，溫熙勝等[46]結合系統動力學模型和多目標規劃模型，對城市各用地類型面積進行優化計算，進而實現城市各類用地空間的優化配置。陳士銀等[47]利用GIS的圖像、數據處理功能，通過對湛江市景觀空間格局異質性指數的計算分析，提出城市景觀生態優化的相關對策和措施。趙濤[48]通過GIS提供的二次開發語言編寫了一個程序模塊，自動完成山東省濟南市城區土地空間結構的優化配置，并將結果與濟南市1996—2010年土地利用總體規劃圖相比較，找出了異同點及存在差異主要原因。

3 GIS技術發展趨勢及城市土地利用科學問題

隨著計算機技術的發展及相關需求的提出，GIS技術呈現出網絡化、開放性、虛擬現實、集成化、與其他技術融合性等發展趨勢。城市土地利用也面臨規模擴張過快、規劃功能重疊、效率低下、結構和空間布局不合理、信息管理不完善等科學問題。二者既互相補充，又互相促進。

3.1 GIS技術發展趨勢

GIS技術是基于計算機及其相關設備的應用工具，主要功能包括對數據進行采集、管理、分析和應用。隨著虛擬實景、多媒體、數據倉庫等技術的發展，尤其是衛星互聯網的建立及遙感衛星的大量發射，使當前的GIS技術已無法滿足信息時代、數字時代的要求，目前GIS技術總體上呈現網絡化、開放性、虛擬現實、集成化、與其他技術融合性等發展趨勢。

1)網絡GIS利用網上發布的空間數據，為用戶提供查詢、瀏覽和分析等功能，實現遠程異構數據的共享，同時只需維護服務器端即可，大大降低了系統工作量。與傳統GIS相比，WebGIS具有適應性強、應用面廣、現實性強、維護社會化以及使用簡單的特點。

2)開放式GIS能夠使數據在應用系統內和系統間流動起來，并且實現異構分布數據的信息共享，具有互操作、技術公開、可擴展以及可移植的特點。

3)虛擬GIS是將三維GIS同虛擬現實技術相結合，主要是為了提高用戶操作體驗，增強GIS可視化特征，從聲音、圖像等方面給用戶更好的操作體驗。目前虛擬GIS的研究主要集中在虛擬城市構建技術方面。

4)多媒體GIS一方面能夠將生動直觀、高效快捷的信息服務提供給社會經濟、文化教育、旅游、商業和決策管理等諸多領域，另一方面能夠讓計算機技術真正滲入到人們生活當中。應用多媒體技術對GIS系統結構、功能及應用模式的設計產生了巨大影響，使GIS的表現形式更加豐富、靈活[49]。

5)集成化GIS，衛星定位系統為GIS的快速定位和更新提供手段，RS多時相、多譜段、多分辨率和多傳感器的特點，為GIS不斷注入“燃料”； 同時GIS也是衛星定位系統重要的空間數據處理、集成和應用工具，RS處理過程可以利用GIS數據，增強結果的精確度與準確率。3S技術整體結合所構成的系統是高度自動化、實時化的GIS系統，不僅可以自動、實時地采集、處理和更新數據，而且能夠分析和運用數據，從而為各種應用提供科學的、全面的、完善的解決方案。

6)GIS與SOA、移動通信等技術相融合。引入面向服務的架構(service-oriented architecture,SOA)理念，讓GIS從組件式飛躍到了服務式，讓基于互聯網的不同系統之間更方便、靈活、開放的集成得到實現。通過與Web.技術的融合，GIS技術可以為用戶提供更加方便快捷的服務，用戶無論處于何時、何地，都能夠利用移動通信設備進行GIS系統的查詢，從而獲得詳細的地理信息數據[50]。

作為傳統學科與現代技術相結合的產物，GIS已經深入到各行各業，成為現代管理、決策、指揮的重要組成部分，在人們生活中扮演越來越重要的角色。GIS技術發展趨勢并不是孤立的，其中涉及多種交叉學科的相互影響、相互支撐。GIS技術將隨著時間的推移而逐漸走入人們的日常生活，成為人們生活中不可分割的一部分。

3.2 城市土地利用科學問題

土地資源是城市生存和發展的基礎，對于城市發展意義重大。隨著社會經濟的迅速發展，城市化進程逐步加快，對自然資源和生態環境等產生了較大的影響，引發了一系列的矛盾和問題，其中土地利用問題尤為顯著。

1)城市用地規模擴張過快，用地供需矛盾尖銳。城市用地規模的擴大既是經濟增長的結果，又是數量擴張和粗放式土地利用的后果。一些城市在建設過程中，以工業園、物流園、大學城等多種形式占用土地，使有限的土地資源在數量上難以滿足日益增長的城市用地需求。

2)城市土地利用功能性重疊，缺乏明確合理的規劃。不同政府部門之間僅僅從自身的微觀用途來規劃用地，而未能從宏觀整體區域發展的角度考慮，使土地利用出現規劃功能的重疊。

3)城市已占用土地利用效率低下。城市土地開發利用程度與其所處環境及自身基礎設施狀況密切相關，一些城市建成區內或多或少都有一定數量的閑置或廢棄地，土地集約利用程度較低。

4)城市土地利用結構不合理。這樣會造成城市住房緊缺，交通擁堵，中心城區缺乏發展空間，住宅生態環境惡化等問題。

5)城市土地利用空間布局不合理。城市土地整體粗放開發，局部地區卻利用強度過高，使土地價值得不到合理發揮。

6)城市土地利用信息管理不完善。城市土地利用數據反映了當前城市土地利用情況，是對各類城市用地進行有效控制、提高土地利用集約度，科學制定城市土地利用規劃的基礎。同時城市土地規劃部門對各類土地的利用情況掌握不足必然會導致土地利用效率低下、布局不合理等問題。

3.3 GIS與城市土地利用的互補

針對城市土地利用規模擴張過快、規劃功能重疊、效率低下、結構和空間布局不合理、信息管理不完善等問題，GIS作為集信息處理、空間分析、科學管理等于一體的綜合系統，其發展趨勢與城市土地利用科學問題可以互相補充、互相促進。一方面，GIS技術發展趨勢可以為解決城市土地利用科學問題提供技術支持; 另一方面，城市土地利用科學問題的解決又可以促進GIS技術的發展。

對于城市土地利用規模擴張過快的問題，集成化GIS作為高度自動化、實時化的GIS系統，可以自動實時地采集、處理、分析和運用數據，結合空間分析功能，研究得到城市土地利用擴展狀況、時空演變特征及驅動因素，進而為城市土地利用規模提供科學的解決方案。對于城市土地規劃功能重疊的問題，網絡及開放式GIS可通過為不同系統用戶提供遠程異構數據的共享，高效而精確地實現“多規合一”。對于城市土地利用效率低下的問題，通過GIS空間分析、建立相關模型及利用多媒體GIS，能以更加生動直觀、高效快捷的形式呈現結果，并進一步分析城市土地利用效率低下的原因，找出解決方案。對于城市土地利用結構和空間布局不合理的問題，虛擬GIS可從聲音、圖像等方面讓用戶體驗城市土地利用空間結構，進而在面積、景觀生態等方面進行優化。對于城市土地利用信息管理不完善的問題，網絡化、集成化及融合了SOA、移動通信等技術的GIS不僅能夠收集到城市土地的資源信息，而且能夠以移動端的形式為用戶提供查詢、管理等功能，使城市土地利用信息管理得到完善，在此基礎上提高城市土地利用效率，完善城市合理布局，實現城市社會經濟的可持續發展。

4 總結及展望

隨著我國社會經濟的快速發展，城市土地利用的供需矛盾日益尖銳。合理的城市土地利用能促進城市功能的正常發揮及用地效益的不斷提升，促進區域經濟與環境的和諧發展。基于GIS的城市土地利用研究在一定程度上呈現了關于城市土地利用的類型、結構、綜合效益以及驅動因素等方面的內容，為優化城市土地利用提供了依據，具有一定的現實和指導意義。總體上說,我國GIS在城市土地利用方面的研究已取得了豐碩的成果，為城市規劃及城市土地合理利用提供了理論基礎，但是現有研究還存在以下不足及亟需改進的方面：

1)目前國內外關于城市土地利用方面的理論仍然是相互獨立的、分割的，主要局限于傳統的規劃學、地理學等單學科階段，多學科穿插、融合的交叉研究體系尚未成熟，需要從系統角度出發，對各學科相關理論進行科學的歸納總結，以GIS這一土地利用研究的重要抓手為支撐，形成新的城市土地利用理論體系。

2)雖然越來越多的研究者認識到城市土地利用的合理配置將直接影響到城市功能的發揮，但鮮有學者研究不同產業的不同發展階段影響城市土地利用的一般規律。目前基于GIS的城市土地利用評價方法單一，評價體系尚不完善，學者們應從城市功能合理配置的角度，開展城市功能與城市土地利用關聯的系統研究，形成系統的理論體系，使GIS與城市土地利用緊密結合。

3)大多數研究樣本多集中在國內大城市和較發達省份，對于中小城市和欠發達地區的研究較少。雖然部分原因是出于樣本數據獲得的難易程度，但鑒于不同職能、不同規模及不同地域城市土地利用存在明顯的差異性，所以應分散研究對象的分布，深入研究不同類型城市的功能性用地及用地比例，為GIS在城市土地利用方面的應用指明方向。

4)雖然“3S”技術發展迅速，但“3S”技術與城市土地利用模型庫缺乏一定的融合。RS技術與衛星定位技術相結合，可得到城市土地利用圖形數據與屬性數據，從而成為GIS技術的數據源。GIS技術作為城市土地利用的數據組織、管理、分析與可視化工具，可再結合城市土地利用模型庫，進行諸如空間疊置分析、空間格局分析、空間自相關分析等城市土地利用的空間信息分析，進一步完善GIS在城市土地利用方面的應用機制。