基于ArcGIS 的枝江市城鄉建設用地適宜性評價及其發展趨勢預測

龐 添，宋會訪，彭玉玲*，楊 莉

1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；2.湖北省國土測繪院，湖北 武漢 430000

土地利用的合理性和空間規劃開發的有序性是促進城鄉統籌、推進區域可持續發展的重要抓手。2018年3月自然資源部的成立為空間規劃和地理設計相結合提供了巨大契機［1］，而建設用地適宜性評價則為空間規劃和地理設計建立了重要的溝通橋梁。

目前，國內外學者基于城鄉建設用地適宜性評價展開的建設用地規劃布局研究主要涉及跨學科理論的綜合應用［2-3］、多元研究路徑的創新［4-5］、特殊研究對象的實證研究［6-7］，而以建設用地適宜性評價為基礎，系統研究城鄉建設用地空間格局匹配性問題，挖掘空間開發潛力并預判空間擴張趨勢的研究還比較少。

本文以湖北省枝江市為研究對象，基于Arc-GIS 的數據處理和空間分析功能，以城鄉建設用地適宜性評價為基礎，深化評價結果，通過構建城鄉建設用地空間格局匹配性研究模型、城鄉建設用地開發潛力研究模型和城鄉建設用地空間擴張趨勢動態模擬元胞自動機（cellular automata，CA）模型，系統分析城鄉建設用地的適宜性、匹配性、開發潛力和擴張趨勢，對湖北省枝江市城鄉建設用地的合理布局和有序開發具有一定的指導意義，同時能夠為類似市（縣、區）的相關研究提供方法借鑒和參考。

1 研究區概況與研究數據

1.1 研究區概況

湖北省枝江市位于宜昌大都市圈腹地，是宜昌市東南部的長江入口門戶城市，介于東徑111°25′～112°03′，北緯30°16′～30°40′之間，下轄一街八鎮，土地面積1 374.56 km2，其中城鄉建設用地占比17.20%。作為長江經濟帶中武漢與重慶間的結合部和突出增長點、湖北省“第二城”宜昌境內宜昌大都市圈先進的制造業核心區，枝江市不僅是本土未來經濟社會發展需求空間的主戰場，同樣也是宜昌大都市圈和長江經濟帶宜昌段未來的發展預備空間。

1.2 數據來源與處理

本研究中所用的有關基礎數據包含社會經濟、土地利用和問卷調查三大類，具體包括《湖北省枝江市總體規劃（2010-2030）》《枝江市城鄉統籌規劃（2012-2030）》等規劃政策文件，中科院地理空間數據云提供的研究區數字高程模型（digital elevation model，DEM）數據（2009 年）、遙感影像數據（2018 年），以及城鄉規劃學、城市經濟學、城市管理學等領域專家對枝江市城鄉建設用地適宜性參評因子權重的打分（2018 年）等。

針對土地利用數據，利用ArcGIS 的空間分析功能，對DEM 數據進行預處理，提取研究區的坡度、坡向信息；利用距離分析工具，分析和統計各建設用地圖斑距離城鎮、道路、水域的距離；通過遙感影像解譯及植被覆蓋度遙感估算的方法進行植被覆蓋度分析［8］，并利用計算幾何工具統計各圖斑面積。問卷調查類數據采用層次分析法進行統計分析，推導參評因子權重值，并運用Matlab 軟件計算最大特征根，對權重值進行一致性檢驗。

2 研究思路

2.1 城鄉建設用地開發適宜性評價

基于ArcGIS 平臺，湖北省枝江市城鄉建設用地適宜性評價采用圖斑法與圖層疊置法將研究區劃分為77 326 個地類圖斑單元和一街八鎮9 大行政區劃圖斑單元，選取了地理區位、地形地貌、植被綠化、地類劃分、政策約束5 個一級評價因子，和坡度、坡向、距離城鎮距離、距離水源距離、距離道路距離、植被覆蓋率、用地現狀、基本農田保護政策、生態林地保護政策、其它保護區保護政策等10個二級評價因子作為參評因子。結合極限條件法，將所有參評因子劃分為剛性指標和彈性指標兩類，分別賦值為0 和1，對基本農田、生態林地和其他保護區等受政策保護類剛性參評因子進行“一票否決”［9］，其他彈性參評因子按實際值由高到低劃分為5 個等級，分別賦值5，4，3，2，1 分，結合數據預處理確定的權重，構建完整的如表1 所示的城鄉建設用地適宜性評價指標體系。在此基礎上，基于ArcGIS 的加權疊加分析功能計算各圖斑的綜合適宜性評價得分，最后運用自然斷點法將城鄉建設用地適宜性評價結果劃分為最適宜建設區（Ⅰ級）、較適宜建設區（Ⅱ級）、中等適宜建設區（Ⅲ級）、低等適宜建設區（Ⅳ級）和不適宜建設區（V 級）5 個等級。

本研究采用層次分析法構建適宜性評價模型，如式（1）所示：

式（1）中，G 為研究區城鄉建設用地適宜性評價的綜合得分值；Ai為某個圖斑單元中第i 個參評因子的分值；Bi為第i 個參評因子的權重；n 為參評因子的總數量。一般G 值越大，則適宜性越高，但政策保護類用地在極限條件下，所在圖斑一律歸為不適宜建設區。

表1 城鄉建設用地適宜性評價指標體系Tab.1 Suitability evaluation index system of urban and rural construction land

2.2 城鄉建設用地空間格局匹配性研究

結合研究區城鄉建設用地適宜性評價結果，在ArcGIS 上通過重分類，將最適宜和較適宜建設區作為可承載城鄉建設用地的適宜建設區，現狀城鄉建設用地作為“已開發區”，在適宜建設區地理空間上的“已開發區”作為“已開發適宜建設區”，通過將“已開發適宜建設區”和適宜建設區在ArcGIS 中進行空間疊加分析，可推算研究區現狀城鄉建設用地與適宜建設區的空間格局匹配度［10］；而“已開發適宜建設區”在“已開發區”中的占比則反映了研究區現狀城鄉建設用地布局的合理性程度。

式（2）和式（3）中，F1為城鄉建設用地空間格局匹配度；C 為“已開發適宜建設區”面積；C1、C2分別為城鄉建設用地適宜性評價結果中的最適宜建設區和較適宜建設區面積；F2為建設用地空間布局的合理性程度；Cs為“已開發區”面積。整體而言，F1的值越大，城鄉建設用地空間格局匹配性越高，F2的值越大，現狀城鄉建設用地空間布局越合理。

2.3 城鄉建設用地空間開發潛力研究

根據研究區城鄉建設用地適宜性評價結果，將適宜建設區和“已開發區”的并集作為可承載城鄉建設用地的最大荷載，視其為“臨界承載區”，通過“已開發區”、“臨界承載區”和各鎮區土地面積的兩相對比分析，可推算“臨界承載區”的剩余開發潛力和建設用地綜合開發潛力［11］。

式（4）和式（5）中，P1表示“臨界承載區”的剩余開發潛力；C 為“已開發適宜建設區”面積；C1、C2分別為城鄉建設用地適宜性評價結果中最適宜建設區和較適宜建設區面積；Cs為“已開發區”面積；P2為建設用地的綜合開發潛力；S 表示研究區土地面積。整體而言，P1的值越大，“臨界承載區”的剩余開發潛力越大，P2的值越大，建設用地的綜合開發潛力越大。

2.4 城鄉建設用地空間擴張趨勢研究

在城鄉建設用地適宜性評價的基礎上，利用ArcGIS 的Model Builder（模型構建器）構建如圖1所示的CA 模型，對研究區建設用地空間擴張趨勢進行預判［12］。綜合考慮現狀建設用地布局和其他隨機正態分布因子的影響，分別進行臨域分析和焦點統計，并利用特爾菲法和層次分析法計算建設用地適宜性、現狀建設用地布局以及其他隨機正態分布因子的權重，生成“全域城鄉建設用地聯合適宜性評價”結果。通過剔除現狀建設用地和研究區中政策保護類用地，重新生成非現狀可建設用地適宜性評價結果，然后運用ArcGIS 的slice工具，將非現狀可見建設用地適宜性評價結果等分為20 份，選取其中最適宜的等份作為一段時間后新開發的建設用地，即完成第一時間節點的建設用地空間擴張趨勢模擬。通過多次現狀建設用地的替換迭代，最終形成隨時間軸變化的研究區建設用地空間擴張趨勢動態布局圖。

圖1 Model Builder中CA 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of CA model in Model Builder

3 結果與討論

3.1 湖北省枝江市城鄉建設用地適宜性評價分析

依據枝江市城鄉建設用地適宜性評價結果如圖2（a）所示，最適宜建設區、較適宜建設區、中等適宜建設區、低等適宜建設區和不適宜建設區的面 積 分 別 為204.39，230.12，215.48，124.70 和599.84 km2，其中不適宜建設區所占比重最大，為43.64%，這與湖北省枝江市堅守生態綠線、基本農田紅線和水域藍線底線不突破，堅持生態優先、綠色發展的可持續發展理念與政策直接相關。最適宜建設區主要分布于長江沿岸的馬家店街道、董市鎮、七星臺和百里洲，其整體布局與枝江市沿江城鎮聚合發展軸的規劃格局比較吻合；而不適宜建設區主要集中分布于基本農田或山體林地集聚的問安鎮和仙女鎮及瑪瑙河沿線。

3.2 城鄉建設用地空間格局匹配性與布局合理性分析

城鄉建設用地空間格局匹配性與布局合理性分析可視化結果如圖2（b）所示，整體空間匹配度為39.41%，占現狀城鄉建設用地的72.47%。整體來看，目前湖北省枝江市的城鄉建設用地受社會經濟條件限制，空間格局匹配度不高，建設用地布局不盡合理，特別是存在10.95%的現狀建設用地與不適宜建設區重合的現象，這迫切需要政府部門在規劃建設主導思想方面實現從注重經濟發展建設到重視資源保護的轉變，積極出臺相關的空間管控政策，重點加強對水域、基本農田和生態林地的土地用途管制和生態修復，健全完善相應的規劃、建設、管理、監督體系，推進山、水、林、田、湖、草生命共同體的統一保護、統一修復。具體而言，各鎮區中空間格局匹配性較好的地區分別為馬家店街道、問安鎮、董市鎮，其中，問安鎮較為特殊，作為枝江市的基本農田儲備基地，建設用地緊缺，適宜建設用地基數小，故空間匹配性高，但已開發建設區占用基本農田的情況比較嚴重，面積達8.16 km2，建設用地布局十分不合理。

3.3 城鄉建設用地土地開發潛力研究分析

城鄉建設用地土地開發潛力研究分析可視化結果如圖2（c）所示，“臨界承載區”剩余的開發潛力為52.69%，建設用地的綜合開發潛力為36.31%，而建設用地已開發強度僅達到236.39 km2，占比17.19%。綜合考慮湖北省枝江市在長江經濟帶、宜昌大都市圈中的區位優勢，可初步判斷湖北省枝江市的建設用地開發潛力還很大，但適宜建設用地十分緊張，相關政府部門應該積極出臺鼓勵建設用地科學合理布局、集約高效利用的政策，落實嚴格的土地管理制度，轉變土地利用方式，提高土地利用效率和效益。其中，各鎮區中，七星臺、顧家店、白洋鎮和百里洲等鎮區的“臨界承載區”建設用地剩余開發潛力較大，但從綜合開發潛力來看，馬家店、七星臺和百里洲的綜合開發潛力最大，這兩項結果是各鎮區建設用地適宜性、空間布局合理性，土地利用結構和社會經濟發展狀況共同作用后在地理空間上的投影，但也揭示出百里洲、七星臺作為未來枝江市人口、經濟、社會擴張承載地的可能性。此外，數據也揭示出問安鎮建設用地開發前景幾近達到飽和的狀態，“臨界承載區”剩余開發潛力和綜合開發潛力均為最低，分別為17.54%和20.83%，因此，問安鎮建設用地開發如何滿足未來經濟社會發展需要的問題需要得到迫切關注。

圖2 枝江市城鄉建設用地：（a）適宜性評價，（b）空間格局匹配性分析，（c）開發潛力分析，（d）空間擴張趨勢分析Fig.2 Urban and rural construction land in Zhijiang City：（a）suitability evaluation，（b）matching analysis of spatial pattern，（c）development potential analysis，（d）spatial expansion trend analysis based on CA model

3.4 城鄉建設用地空間擴展趨勢預判

參考《湖北省枝江市總體規劃（2010-2030）》，到2030 年湖北省枝江市建設用地規模將達到42 km2。基于CA 模型時間、空間、狀態離散，模擬復雜系統時空演化過程的能力，在研究城鄉建設用地適宜性評價的基礎上進行城鄉建設用地空間擴張趨勢動態模擬［13］，通過3 次迭代計算，分別獲得未來3 個時間點湖北省枝江市建設用地的布局狀態，可視化結果如圖2（d）所示，其建設用地面積分別為30.45，37.31，44.16 km2，根據動態模擬預測的結果，2030 年湖北省枝江市的城鄉建設用地布局狀態處于第二時間節點和第三時間節點之間。其中，百里洲、安福寺及仙女鎮3 鎮是研究區建設用地土地空間擴張最明顯的區域，以現狀建設用地為基礎，截止到第三時間節點，百里洲、安福寺、仙女鎮、顧家店和七星臺，建設用地增幅分別為188.81%，117.03%，99.81%，93.09%，89.93%。數據表明，建設用地空間擴張趨勢最明顯的地區主要集中在沿江兩側的鎮區和北部土地適宜性一般、發展比較落后、現狀建設用地基數小的鎮區。

4 結 論

根據研究分析的結果，可以得出以下結論：

1）枝江市城鄉建設用地適宜性分布整體呈現出南部沿江地帶建設用地優于北部的特點。

2）枝江市各鎮區的建設用地空間格局匹配性、合理性和發展潛力具有較大差異，整體空間格局匹配性不佳，布局不盡合理，開發潛力較大。

3）截至2030 年，枝江市城鄉建設用地擴張速度整體呈現南部沿江地勢平坦、交通便利地帶高于北部的趨勢。

本研究對湖北省枝江市科學合理進行建設用地布局，高效有序推進城鄉建設用地空間擴張，實現區域可持續發展具有一定的指導意義，但城鄉建設用地適宜性評價模型在構建過程中仍然存在大量的主觀因素干擾，在后續研究中，還將從以下方面對研究進行深化：

1）在建設用地適宜性評價中，可從市（縣、區）層面、村鎮層面、地類圖斑單元層面和柵格層面，分別展開多尺度的城鄉建設用地適宜性評價［14］，使建設用地適宜性的評價結果更加精細化，實踐指導意義更強。

2）在原始適宜性評價的結果上深化CA 模型，獲取研究區多個時間點的土地利用基礎資料，建立CA-Markovd［15］模型，對研究區未來土地利用的結構調整和布局優化進行更科學、更深入的預測模擬。