基于土地適宜性評價與元胞自動機模型的城市開發邊界劃定方法

李 焰 梁美麗

(臺州廣博土地規劃測繪有限公司, 浙江 臺州 318050)

0 引言

隨著改革開放的進程,我們國家取得了飛速的發展,城鎮化規模也從新中國成立初的10%發展到現在的58%,加速城鎮化建設雖然有利益于國家的建設,有利于人民生活水平、教育資源的提高,但是也導致城鎮在粗放地大餅式地擴大的同時,土地資源浪費巨多,對生物多樣性、良好的環境帶來了很大的壓力[1]。

作為引導和控制城市開發的有效工具,城市開發邊界既能夠準確嚴格控制城市蔓延,又能夠引導城市合理擴展,解決了城市發展無限與城市資源有限的第一矛盾[2]。

對于城市開發邊界的定義與理解在西方較為廣泛[3],將多樣化的考慮因素進行多層次融入的探討[4-5]。與此同時,眾多學者也在理論的支持下通過多種案例來驗證城市增長邊界的具體應用[6-8]。傳統的城市開發邊界劃定方法主要包括動態模擬和靜態分析,主要采用的技術手段有元胞自動機及其衍生模型、神經網絡模型、GIA模型和生態適宜性評價等[9-10]。我國隨著經濟迅速發展,對于城市增長邊界的研究迅速發展,廣大學者們結合國內的實際情況將西方的研究國產化,從邊界的內涵、劃定方法再到具體模擬實施都有了很大的進步。因國情的不同和該研究處于學研狀態,故目前主要是從制度和體制層面對城市邊界增長進行研究[11-14]。

本文在模擬城市空間增長的情況下研究城市開發邊界的劃定方法與管控措施,通過土地適宜性評價劃定嚴格的管控界線,通過結合元胞自動機城市增長模型,在土地供應、開發時間及地理位置等方面引導城市合理增長,控制城市蔓延,間接幫助節約土地資源和保護自然生態系統。本文以我國南方某沿海城市A市為例,進行城市增長開發邊界的研究。

1 研究方法

1.1 土地宜性評價

土地適宜性評價一般指對土地的使用方式是否適宜進行評價,在城市重土地利用適宜與否取決于政策、水文、地質、人類生活需要等特征。進行土地適宜性評價是為了在日益緊張的土地資源重選擇最合適的空間布局模式,指引政府部門朝著最適宜人類居住及可持續的方向發展,確保土地的高效利用。

土地適宜性評價是確定城市未來增長規模和布局的基礎,利用土地適宜性評價可以篩選出適宜開發和不適宜開發利用的土地。我們對國家保護的土地進行第一步的篩選,然后評價剩下的土地是否適宜生產建設,最終形成土地綜合適宜性的分區結果,可以用作城市空間發展和規劃的基礎[15]。

本研究借鑒土地適宜性評價的概念和方法,建立了生態優先導向下的全市土地適宜性評價方法,首先將法律法規強制要求保護的區域進行排除,再對其余土地的建設適宜性進行評價。經過評價指標選取及權重確定、評價指標定量分級,并對兩類指標(自然因素和社會經濟因素)進行評價,得到全市綜合適宜性分區結果,以此作為確定未來城市增長規模和布局的基礎,即城市增長邊界劃定的基礎。全市綜合適宜性分區結果后續將導入城市增長模型,在模擬城市發展的過程中約束城市在不適宜的地區進行開發,促進土地資源的優化配置和可持續利用。

1.2 元胞自動機(CA)

元胞自動機(Cellular Automata,CA) 是一種時間、空間、狀態都離散,空間相互作用和時間因果關系為局部的網格動力學模型,具有模擬復雜系統時空演化過程的能力。CA的運行原理是每個元胞及周圍的元胞有特定聯系的狀態,元胞依照某種規則轉換為其他狀態,這種狀態的轉換會影響到周圍的元胞的狀態,就是單體行為在空間上相互影響變化,可以用來進行空間演化模擬。

早期的元胞自動機用于通信、計算機、軍事、生態學等領域,21世紀初,由于測繪領域的蓬勃發展,使得基于CA模型被廣泛應用于模擬城市空間增長分析,具有一定的理論基礎和應用價值。為了避免單獨應用CA模型劃定的城市增長邊界易而造成忽視土地可用性以及土地資源浪費,我們引入上節闡述到的土地綜合適宜性這一限制條件。有土地適宜性的介入能夠更好地完善全市城市開發邊界CA模型,使模型在客觀模擬城市增長趨勢的同時,保證土地的合理利用。

經過近20年的研究與發展,基于CA模型的圖像數據處理軟件已經足夠強大,CA模型的建立完全可以通過軟件平臺來創立,在這個平臺下去構建全市城市增長邊界規模與布局的確定方法。

1.3 技術路線

具體的技術路線見圖1。

2 案例分析

2.1 城市概況及數據來源

研究區域A市地處某省東部,全市陸域總面積9 816 km2,海域總面積8 355.8 km2。A市是東南沿海重要的港口城市,未來的發展定位是成為先進的生產基地、亞太地區重要港口以及海洋經濟示范區,發展目標是成為有國際競爭力的宜居港口城市。

本研究調研了A市規劃、國土資源、環保等部門的土地利用數據,與此同時,基于Landsat7和Landsat8衛星遙感影像數據,遴選出2002、2008及2015年的遙感圖像進行最大似然監督分類,得到土地利用分類圖。這些數據將作為CA模型的輸入參數。根據城市導向定位及相關數據資料對A市的城市開發邊界進行增長模擬。

圖1 技術路線

2.2 土地適宜性評價

2.2.1不適宜土地的篩選

根據我國的國情和基本國策,我們將城市內的土地資源分為三個類型:不適宜區、基本適宜區以及適宜區(表1)。

表1 具體的分區方式及分值

由表1可知,我們在進行土地適宜性評價前,必須要先把國家法律法規強制要求的、需要保護的、在A市的特殊區域進行排除,在這個基礎上,對A市剩余的基本適宜區和適宜區進行適宜性評價。根據我們國家的生態環境保護、文化遺產、風景名勝保護的敏感性,我們將生態保護區(如自然保護區、水源地保護區等)、永久農田保護區和地質災害易發區判定為不適宜區[16]。經調閱A市的地理信息圖并優化,我們可以得到A市不適宜區的分布,如圖2所示。

圖2 A市不適宜區分布圖

2.2.2評價指標的挑選及加權

根據我國《城市規劃編制辦法》中的闡述,自然因子和社會經濟因子是影像城市土地建設適宜性的重要類別。自然因子是從水文地質條件方面考慮的,社會經濟因子則從土地區域位置條件、利用情況、交通便利性、經濟發展水平等方面考慮。我們根據A市近年來地質條件、社會發展的基本情況,在兩個重要因子的類別所屬中挑選6個具有代表性指標,并按照層別法對每個代表性指標進行加權。評價指標及權重見表2。

表2 影響因子及指標的權重

依據A市的規劃條件、海洋規劃文件等標準,我們對每項指標進行定量分級,并有相對應的得分,如表3所示。

表3 各項評價指標的定量評價

2.2.3全市土地適宜性的總評價

通過GIS專業軟件,我們將各影響因子的評價指標的分值進行導入,能夠得到6個指標的土地適宜性分區圖,如圖3所示。

為了將6個分區圖融合到一張總圖上,我們將各適宜性分區的圖像格柵化處理,將每張分區圖分隔成45×45的格柵;再利用GIS軟件的空間分析模塊工具,參照評價指標的權重,疊加格柵層,取得每個格柵層的綜合評價值[17];最后把數值相近的分區范圍進行聚合,就會得到全市綜合適宜性分區的數據結果(表4)以及全市綜合適宜性分區圖(圖4)。

上述的全市綜合適宜性分區結果是為后面我們進行CA未來城市增長模型提供的邊界劃定的基礎,在城市空間增長的過程中限定城市在不適宜的地區進行開發[18]。

圖4 A市的綜合適宜性分區圖

圖3 土地適宜性分區圖

表4 A市的綜合適宜性分區結果

2.3 基于CA模型確定城市增長邊界的規模與布局

2.3.1全市空間增長預測的結果

通過導入A市各個下轄區的交通現狀和區域面積,A市有6個下轄區,根據每個區現狀建設用地的年均增長率來確定全市城市增長邊界的規模,即邊界中城市建設用地的總量。通過CA模型的軟件模擬2020—2025年A城市邊界的空間增長情況。根據A城市未來的發展戰略以及國家新智慧城市、港口大開發的形式,我們從三個城市空間發展的情景來進行研究和驗證:常規發展情景,港口發展情景、生態優先情景,然后,分別進行各情景下的未來全市城市增長預測,再通過一定的方法得到相應的城市增長邊界[19]。

通過CA模擬軟件平臺構建全市城市增長情景模擬,如圖5所示。從圖5中可以看出,在傳統常規的發展模式下,城市急速擴張、城市的空間結構是呈現出散亂廣闊的“攤鋪大餅”方式。這種情況的發生會導致城市的發展不緊湊沒有章法,生產建設用地、居住開發用地可能犧牲了一些農田和生態景觀等綠色空間。

相反地,在以港口為中心的發展模式下,港口周邊建設用地呈明顯聚集之勢,城市空間結構更加集中、緊密。同時,借助綜合運輸網絡布局,提高了港口集群區域的貨運通道能力。今后,這一邊界可以有效促進A城市港口經濟的快速發展。

基于生態優先情景的預測結果反映了城市空間增長管理和生態文明建設的有效實施。“集中開發”可描繪這種情況下的城市空間擴大,它具備集中性、持續性、緊密性的特色,又減少了新的建設用地數量,注重城市土地開采活躍的內涵利用。同時,這種情景下的城市發展不會破壞農田和生態用地,保持良好的開放空間。

2.3.2全市城市增長邊界的劃定

根據上面2025年模擬的城市空間增長的結果,我們將通過GIS軟件自帶的功能獲取城市增長邊界線:第一步,將城市增長模擬圖的格式從柵格化轉變為矢量化,第二步,去除矢量圖中低密度小面積的已建成土地;最后一步,緊貼其他大幅度的建設用地的邊線掃描出城市增長邊界[20]。

城市增長邊界線內未來城市建設的保留土地面積,可以從現有建設用地面積中減去邊界線內所有建設用地面積來計算。

確定了多種情況下的城市增長邊界線,我們就能獲得完整的分布圖,它包括了現有的行政分區、建設用地以及城市空間增長的邊界(圖6)。

A城市各種發展情景下的邊界規模和總體布局如下:

(1)常規發展情景:邊界內建設用地總面積4 699.72 km2,其中,有1 238.27 km2是中心城區的面積,3 462.45 km2是其余縣區的面積;未來城鎮建設預留用地面積1 176.09 km2,其中有220.17 km2是中心城區的預留面積,955.92 km2是其余縣區的預留用地面積。

(2)港口發展情景:邊界內建設用地總面積4 548.88 km2,其中, 1 346.51 km2是中心城區的面積,還有3 202.37 km2是其余縣區的面積;未來城鎮建設預留用地面積791.39 km2,其中有145.62 km2是中心城區的預留面積,645.77 km2是其余縣區的預留用地面積;它的邊界布局與前面場景布局類似,中心城區的東南沿海區域有更多的建設用地分布;

(3)生態優先情景:邊界內建設用地總面積4 211.95 km2,其中,1 098.26 km2是中心城區的面積,還有3 113.69 km2是其余縣區的面積;未來城鎮建設預留用地面積526.71 km2,有60.43 km2是中心城區的預留面積,有466.28 km2是其余縣區的預留用地面積;它的邊界布局同其他兩個場景的布局相似。

根據近年來城市A的城市發展規劃對比來看,基于港口發展情景和生態優先情景的城市增長邊界空間布局優于常規發展的情景,但需要注意,這兩種情景需要積極地符合城市及廣大百姓利益的方式進行規劃設計才能體現這種優越性。基于港口開發情景和生態優先情景的邊界在規模和空間布局上優于城市增長邊界,生態優先情景的邊界在景觀模式方面優于規劃邊界。在未來規劃和開發城市時,我們需要考慮上述幾種方案的邊界形式,好的邊界形式將有助于控制大餅式的城市空間增長,保護生態環境,建成有利于城市居民有利于城市發展的大局面[21]。

3 討論與建議

鑒于上述對A城市邊界增長空間的研究,本研究認為在城市格局和未來定位的基礎上如何進行空間擴展調控是需要重要關注的。我們可以從建立城市綜合規劃和管理系統,健全城市土地供應機制以及完善存量建設用地管理體系三個方面展開探討,提出城市空間擴展的調控與管理策略。

3.1 建立城市綜合規劃和管理系統

在高效率的政府機制推動下,一套智能高效的城市規劃管理體系能夠正確引導城市的合理增長,協調各行業的發展,提高城市發展的可持續性,降低生產生活對生態環境的影響。綜合城市規劃和管理系統根據城市增長邊界的結果,整合和協調各職能部門的規劃內容,指導和管理城市空間的擴展。該系統主要包括城市增長總量控制與強度引導、城市生態環境優化兩個方面。

3.2 建立健全城市土地供應機制

在推動招商引資、人才引進的同時,應做好城市用地的短期規劃,制定年度建設用地供給方案和計劃,包括土地的使用性質、開發與轉讓情況、基礎設施情況等。同時,應充分溝通和與農業、林業和環境保護等相關部門談判土地供應計劃,以評估和調整沖突地塊。

根據A城市的發展定位和目標、各部門規劃的遠景內容和城市增長邊界界定的范圍,制定中期、長期的建設用地供給方案和計劃,建立城市綜合協調的土地供應機制,匹配以及補充中長期的規劃。一般來講,土地建設儲備為五年的視為中期建設用地供給計劃,從微觀上規定了土地需要儲備及供應的面積和對應的建設用地管理的策劃,并從宏觀上做出城市發展需求的期望與估計。根據國家、省級規劃以及A城市自己的未來規劃,要制定出利于城市發展的長期建設用地供給計劃,從細節上擬出土地開發建設管理的長遠目標。

3.3 提升完善存量建設用地管理體系

城市增長強度的導向,是指引導建設用地節約集約利用,提高土地利用強度和效率,轉變建設用地發展模式,向內涵型轉變。據A市政府公開文件介紹,2010—2015年逐漸提高了城市中心區建設用地的應用空間和指數。今后,還要逐漸改進建設用地的管理制度,靈活地運用北部平原板塊和中心城區板塊的未開發土地或存量土地,提高集約度水平和土地利用的強度。推進農村建設用地整治,倡導小城鎮和中心村新居住區集中,提高鄉鎮產業集中度,引導集約化、高效化增長各類建設用地。建議存量建設用地管理制度還應包括以下幾個方面:(1)低使用率用地的改良:削減城市低使用率的住房建筑面積,大幅度地提高住房容積率;推動個人或公司租賃閑置房屋,改造企業廠房,提高土地利用效率;(2)完善動態監管制度:建立建設用地節約集約利用指標體系,并實行評估監測城市、農村和產業開發區土地利用水平,利用地理信息系統技術和土地流轉數據庫對集中利用率低的土地進行統一管理和改造。

4 結束語

大中城市經濟飛速發展和建設用地極其緊張的矛盾,使得城市空間增長的管理捉襟見肘。當前,國家相關部委提出的綠色智慧城市、高品質城市建設為先進的城市規劃管理提供了良好的發展土壤。在此背景下,本文以港口城市為研究領域,利用GIS遙感技術、土地適宜性評價、細胞自動機、景觀生態學等方法,在基于港口發展、基于生態優先情急以及常規發展情景三個方面對建設用地擴張規律的現狀進行對比研究,確定了港口發展和生態優先發展的優越性,有助于引導未來城市空間增長,科學確定城市增長邊界的規模和布局,協調土地資源保護與城市發展建設。

本研究僅設定了一套土地利用適宜性評價系統,且僅針對港口城市展開探討,未來需要對不同城市制定多樣化的評價系統,使得評價更加靈活,更貼近城市發展情景。另外,當前城市邊界劃定范圍是一條線,而未來城市必將朝著內涵式空間發展,具有帶狀田園式的風格,因此,后續地研究應更側重此類空間結構的城市增長邊界劃定,符合綠色、宜居、可持續發展的理念。