基于GIS的新沂市空間開發(fā)適宜性分析

姚雅情，徐 軍，單勇兵，徐海英，侯建梅

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.江蘇師范大學(xué) 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

適宜性分析是土地資源對某種特殊利用適合程度的確定過程，是生態(tài)規(guī)劃的重要分析手段[1]。隨著計算機的普及和GIS技術(shù)的發(fā)展，適宜性分析已逐漸由人工方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C技術(shù)支撐，影響因素也由單因子發(fā)展到多因子復(fù)合因素的綜合考慮，適宜性分析先后應(yīng)用于農(nóng)場規(guī)模、資源分配[2]和生態(tài)學(xué)的多準(zhǔn)則決策[3]。21世紀(jì)后，隨著計算機專家系統(tǒng)的建設(shè)和完善，地理信息專家系統(tǒng)開始應(yīng)用于土地適宜性分析[4]。本文借鑒了近年來國內(nèi)的相關(guān)研究，如單勇兵[5]等從自然、環(huán)境、人文3個方面確定了10個影響因子，并通過取最小值法對徐州市鄉(xiāng)村聚落布局進行了適宜性評價；唐常春[6]等遵循“三步驟四原則”，以行政區(qū)劃為評價單元對長江流域進行了空間開發(fā)適宜性分析；祁豫瑋[7]等以開發(fā)引導(dǎo)和約束為標(biāo)準(zhǔn)建立了二維判別矩陣，并將其與開發(fā)強度進行組合判斷，從而進一步研究南京市空間開發(fā)功能類型。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

新沂市隸屬江蘇省徐州市，地勢平坦，降水季節(jié)變化明顯，區(qū)域內(nèi)土壤和水資源總量充足但污染嚴(yán)重，如圖1所示。

新沂市地處蘇北地區(qū)重要的發(fā)展軸上，為順應(yīng)“一帶一路”發(fā)展，政府正加緊實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略對接；但因地質(zhì)活動不穩(wěn)定導(dǎo)致其對大規(guī)模經(jīng)濟和人口的聚集能力不高；受徐連雙核結(jié)構(gòu)[8]的影響，其經(jīng)濟發(fā)展相對落后。近年來，旅游業(yè)開發(fā)是新沂市GDP增長的主要部分[9]。另外，城鎮(zhèn)等級規(guī)模體系的缺陷性使得城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)布局不夠緊湊[10]，城鎮(zhèn)整體功能及其各支撐要素間的聯(lián)通性被降低；生態(tài)環(huán)境的破壞和發(fā)展的不平衡日益明顯，導(dǎo)致其資源環(huán)境承載力大大降低且空間分布不均勻。

圖1 新沂市地理位置（審圖號：蘇S(2016)096）

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文采用的主要數(shù)據(jù)包括新沂市地形圖、新沂市土地利用現(xiàn)狀圖、土地資源圖、土壤圖以及其他資料（交通網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計年鑒等）。

在ArcGIS系統(tǒng)的支撐下，對各圖形要素進行數(shù)字化處理并配準(zhǔn)；運用ArcGIS中Spatial Analyst模塊進行距離、密度和坡度分析，獲取評價單元的各類指標(biāo)值；并利用Delphi法進行原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算適宜性指數(shù)并分級。

2 適宜性分析過程與方法

本文以Geodatabase為基礎(chǔ)劃分評價單元，并進行空間分析。根據(jù)適宜性分區(qū)評價的需要，本文首先選取生態(tài)重要性、災(zāi)害易損性、水環(huán)境容量、可建設(shè)用地比例、交通可達性以及人口與經(jīng)濟集聚度6個評價指標(biāo)；再采用Delphi法進行權(quán)重計算，并利用互斥矩陣法實現(xiàn)矩陣分類；最后對區(qū)域空間開發(fā)適宜性進行分析和制圖，并結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀唤?jīng)濟社會等情況，對比現(xiàn)今的空間開發(fā)情況，給出政策性建議，以促進區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟等的可持續(xù)發(fā)展。具體流程如圖2所示。

圖2 適宜性分析流程圖

2.1 評價單元的選擇

評價單元的選擇方法一般包括自然邊界法、行政邊界法和網(wǎng)格法。自然邊界法和行政邊界法在結(jié)果的完整性和辨識度方面存在一定缺陷；網(wǎng)格法則是根據(jù)計算精度確定一定大小的網(wǎng)格單元作為評價單元，評價精度和工作量與網(wǎng)格單元大小成正比。雖然網(wǎng)格法劃分評價單元會割裂行政區(qū)劃和自然邊界，但其劃分方式靈活簡便，單元大小具有一定的可控性。考慮到研究區(qū)屬于縣級市，行政分級較小，且需要打破行政區(qū)界進行統(tǒng)籌分析，本文采用網(wǎng)格法劃分評價單元。

2.2 指標(biāo)選擇與權(quán)重判斷

從研究區(qū)實際出發(fā)，在確保分析精度的基礎(chǔ)上，根據(jù)指標(biāo)選擇的可獲性、特殊性和綜合性原則，結(jié)合分析目的等相關(guān)要求，本文從資源環(huán)境承載力和空間開發(fā)潛力兩方面著手，選取生態(tài)重要性、災(zāi)害易損性、水環(huán)境容量、可建設(shè)用地比例、交通可達性以及人口與經(jīng)濟集聚度6個指標(biāo)進行綜合評價。

2.2.1 資源環(huán)境承載力

資源環(huán)境承載力包括生態(tài)重要性、災(zāi)害易損性和水環(huán)境容量3個指標(biāo)。生態(tài)越敏感，損后恢復(fù)能力就越差，越應(yīng)重視對其的生態(tài)保護。災(zāi)害易損性是指某區(qū)域易受某災(zāi)害影響的客觀程度以及該區(qū)域人們應(yīng)對災(zāi)害的主觀反應(yīng)能力。新沂市地處郯廬斷裂帶之上，災(zāi)害易損性較高。水環(huán)境容量反映了水體對污染的最大承受能力和損后自凈能力，其與污染承受力和自凈力成正比。新沂市水域面積廣闊，可調(diào)用水量達14×108m3，境內(nèi)駱馬湖水域水質(zhì)可達國家二級標(biāo)準(zhǔn)[11]；水利用方式多為農(nóng)業(yè)灌溉、生活和工業(yè)用水，化工業(yè)等重金屬污染為水體污染日漸嚴(yán)重的主要因素。

2.2.2 空間開發(fā)潛力

空間開發(fā)潛力包括可建設(shè)用地比例、交通可達性和人口與經(jīng)濟集聚度3個指標(biāo)。可建設(shè)用地比例反映了區(qū)域開發(fā)建設(shè)的飽和程度，比例越大，潛力越高。城鎮(zhèn)作為交通網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點，交通可達性反映了其交通區(qū)位的優(yōu)劣[12]。新沂市交通區(qū)位優(yōu)越，交通運輸主要以汽運、鐵路為主，且正處于高鐵和水運的發(fā)展期，但市內(nèi)公共交通設(shè)施有待進一步完善。人口與經(jīng)濟集聚度分別是指單位面積上居住人口的總量和單位面積上國民生產(chǎn)總值[13]，通過綜合人口密度、城鎮(zhèn)化體系結(jié)構(gòu)、人均GDP以及建設(shè)用地二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出研究區(qū)域發(fā)展情況。

2.2.3 權(quán)重判斷

確定權(quán)重的方法主要包括Delphi法、兩兩比較法和熵值確定法。考慮到通用性、計算過程和工作量等因素，本文采用Delphi法確定權(quán)重。首先客觀地選擇數(shù)名專家，請他們根據(jù)相關(guān)資料和指標(biāo)獨立地進行權(quán)重判斷；然后收集所有判斷結(jié)果并計算各指標(biāo)所賦權(quán)重的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；再將計算結(jié)果返還給各位專家，重復(fù)上述過程，直到各專家給出的權(quán)重判斷結(jié)果具有較強的一致性為止。利用Delphi法確定評價區(qū)域的各等級評價指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建評價指標(biāo)如表1所示。

2.3 適宜性等級劃分

在完成評價指標(biāo)指數(shù)計算后，采用互斥矩陣法進行適宜性等級劃分。綜合考慮資源環(huán)境承載力和空間開發(fā)潛力，根據(jù)適宜性指數(shù)建立互斥矩陣（表2）。

根據(jù)資源環(huán)境承載力指數(shù)大小，將研究區(qū)資源環(huán)境承載力分為高、較高、中等、較低和低5個等級；根據(jù)空間開發(fā)潛力指數(shù)大小，將研究區(qū)空間開發(fā)潛力也劃分為高、較高、中等、較低和低5個等級；各等級彼此組合，形成25個矩陣單元，并將其歸到高、較高、中等、較低和低5類適宜性程度中。資源環(huán)境承載力低的區(qū)域，無論其空間開發(fā)潛力高低，均為低空間開發(fā)適宜性；空間開發(fā)潛力低的區(qū)域，當(dāng)其資源環(huán)境承載力為中等偏低時，其空間開發(fā)適宜性較低；資源環(huán)境承載力高且空間開發(fā)潛力大的區(qū)域，其空間開發(fā)適宜性也較高；資源環(huán)境承載力和空間開發(fā)潛力都屬于中等偏下水平的區(qū)域，其空間開發(fā)適宜性較低。

3 研究結(jié)果分析

3.1 適宜性分區(qū)

根據(jù)一系列指標(biāo)圖層屬性值和適宜性指標(biāo)指數(shù)的獲取與計算，利用ArcGIS制圖分析功能，在ArcMap中進行專題圖的制作與輸出。本文充分考慮6個指標(biāo)在研究區(qū)域各自的分布情況，尤其是重點影響因子在研究區(qū)的分布，以專題圖的形式表示[14]；利用ArcGIS空間分析功能，結(jié)合由Delphi法計算得到的各單因子權(quán)重，判斷各單因子影響的重要程度，從而計算空間開發(fā)適宜性指數(shù)（圖3）。其計算公式為：

表1 空間開發(fā)適宜性分析指標(biāo)及其權(quán)重分配

表2 互斥矩陣

式中，sj為第j個單元的適宜性指數(shù)；wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重；xij為第j個單元第i個指標(biāo)的指數(shù)。

從資源環(huán)境承載力和空間開發(fā)潛力兩個方面進行互斥矩陣分類，得到適宜性分區(qū)并制作專題圖（圖4）。由圖4可知，高適宜空間開發(fā)區(qū)主要分布在中部偏北，即新安鎮(zhèn)主城區(qū)，因為主城區(qū)經(jīng)濟發(fā)展速度快，空間開發(fā)潛力大，人口與經(jīng)濟密集度高，且資源環(huán)境承載力較好；受市區(qū)輻射影響，北溝鎮(zhèn)、唐店鎮(zhèn)與市區(qū)交界地區(qū)空間開發(fā)適宜性也較高。就各鄉(xiāng)鎮(zhèn)而言，由鎮(zhèn)中心區(qū)開始，呈同心圓狀向四周擴散，適宜性程度遞減。其中，窯灣、合溝等邊緣鄉(xiāng)鎮(zhèn)受邳州市影響，加之良好的自然條件和豐厚的歷史文化底蘊，存在部分中等以上適宜性的區(qū)塊。然而，由于交通可達性低、鄉(xiāng)鎮(zhèn)各支撐要素聯(lián)通困難，農(nóng)業(yè)占比大、可持續(xù)意識不高，生態(tài)資源的自我再生速度降低、資源環(huán)境承載力低，導(dǎo)致其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間開發(fā)適宜性較低。另外，駱馬湖、沭河沿岸以及馬陵山地區(qū)均為低適宜空間開發(fā)區(qū)，歸因于長期以來的過飽和開發(fā)，開發(fā)潛力較低，且生態(tài)污染情況日益嚴(yán)重。

圖3 空間開發(fā)適宜性指數(shù)分布圖

圖4 空間開發(fā)適宜性分類結(jié)果

本文選用的網(wǎng)格大小為200 m×200 m，根據(jù)各適宜性等級所占網(wǎng)格數(shù)量，確定各等級所占面積的數(shù)量指標(biāo)（表3），可以看出，新沂市中等以上適宜性空間開發(fā)區(qū)域面積占比較少，約為7 %；其中高適宜空間開發(fā)區(qū)僅占2 %；較低適宜空間開發(fā)區(qū)占比最大，約占53 %。

表3 各等級面積統(tǒng)計

3.2 空間開發(fā)區(qū)劃建議

本文將空間開發(fā)適宜性分析結(jié)果與區(qū)域空間開發(fā)強度現(xiàn)狀相結(jié)合[15]，建立二維判別矩陣（表4），劃分為5類空間開發(fā)區(qū)，分別是立體提升區(qū)、經(jīng)濟拓展區(qū)、適度開發(fā)區(qū)、后備發(fā)展區(qū)和生態(tài)養(yǎng)護區(qū)；并對研究區(qū)進行空間開發(fā)區(qū)劃建議，制作專題圖進行開發(fā)分區(qū)（圖5）。

表4 空間開發(fā)矩陣法分區(qū)

圖5 空間開發(fā)區(qū)劃

對于低適宜空間開發(fā)區(qū)，無論空間開發(fā)強度如何，均劃分為生態(tài)養(yǎng)護區(qū)；對于適宜性高且未充分開發(fā)的地區(qū)，則劃為立體提升區(qū)。由圖5可知，立體提升區(qū)分布在新安鎮(zhèn)主城區(qū)、北溝和草橋鎮(zhèn)，其中主城區(qū)可利用交通區(qū)位條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件和資金技術(shù)等優(yōu)勢，發(fā)展精細化工、食品加工、紡織、機械等第二產(chǎn)業(yè)，促進市區(qū)經(jīng)濟整體多方面提升，完善商旅服務(wù)功能；考慮到窯灣、棋盤和高流等良好的生態(tài)區(qū)位條件和較適宜的空間開發(fā)程度，可進行經(jīng)濟拓展開發(fā)，在駱馬湖等河湖沿岸發(fā)展水稻和水產(chǎn)品生產(chǎn)，但同時也應(yīng)注意生態(tài)資源可持續(xù)，以旅游業(yè)代替高污染工業(yè)；而雙塘、新店和邵店鎮(zhèn)的生態(tài)承載力較低，應(yīng)重視生態(tài)養(yǎng)護，可選擇性的發(fā)展物流業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)。

4 結(jié) 語

本文在充分認識土地利用適宜性評價重要性的前提下，綜合考慮多方面影響因子，選取了6個評價指標(biāo)；利用Delphi法判斷權(quán)重，計算適宜性指數(shù)；利用互斥矩陣法劃分適宜性等級并制圖分析，從而將新沂市空間開發(fā)劃分為高適宜性、較高適宜性、中等適宜性、較低適宜性和低適宜性5類。結(jié)合其空間開發(fā)現(xiàn)狀，本文提出了空間開發(fā)區(qū)劃和發(fā)展方式建議，開發(fā)強度由高到低分別為立體提升區(qū)、經(jīng)濟拓展區(qū)、適度開發(fā)區(qū)、后備發(fā)展區(qū)和生態(tài)養(yǎng)護區(qū)。由于本文通過網(wǎng)格法劃分評價單元，網(wǎng)格大小和不同網(wǎng)格的鄰近性導(dǎo)致評價指標(biāo)的選擇具有一定局限性，且選擇過程中忽視了地域基本農(nóng)田政策的部分影響；同時，Delphi法確定的專家人數(shù)有限，通過專家進行權(quán)重判斷存在一定的主觀性，因此如何更為合理地進行評價指標(biāo)選擇和權(quán)重判斷，進一步提高適宜性分析的準(zhǔn)確性有待下一步研究。

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