基于數(shù)學模型的城市生態(tài)分區(qū)構(gòu)建研究

宋飛科

（咸陽職業(yè)技術學院，西安 712000）

生活、生態(tài)與生產(chǎn)目標之間協(xié)同與權衡的健康發(fā)展，需要建立在有效的土地類型轉(zhuǎn)換基礎上，綜合分析生態(tài)用地、城市發(fā)展用地及糧食支撐耕地等土地類型的使用需求、基本保障，提出可靠性較高的城市生態(tài)分區(qū)建設方案[1]。目前，部分城市提出生態(tài)分區(qū)建設方案缺少生態(tài)環(huán)境適宜性的評價，導致生態(tài)安全性較差，帶來了一些自然災害[2-3]。為了有序推進城市生態(tài)分區(qū)建設，本文嘗試采用數(shù)學模型分析法，根據(jù)生態(tài)分區(qū)構(gòu)建需求，開發(fā)一套基于數(shù)學模型的城市生態(tài)分區(qū)構(gòu)建應用方案，為城市生態(tài)分區(qū)構(gòu)建策略的擬定提供參考依據(jù)。

1 城市生態(tài)分區(qū)研究架構(gòu)

本研究以生態(tài)適宜性評價作為架構(gòu)構(gòu)建核心，選取CA-Markov模型作為研究工具，采取動態(tài)變化模擬分析的方式，分析土地利用類型在不同規(guī)劃方案下的發(fā)展趨勢，結(jié)合城市總體規(guī)劃目標，明確城市土地未來建設方向[4]。按照此方向，劃分城市生態(tài)區(qū)域，并設定管控等級。本研究方法選取影響主城區(qū)生態(tài)安全的因素作為研究因子，而后采用層次分析法，劃分各個因素之間的層次結(jié)構(gòu)，經(jīng)過空間疊置處理得到生態(tài)適宜性評價體系。利用該體系對生態(tài)分區(qū)管控等級進行劃分，并對劃分結(jié)果給予評價。其中，涉及到的影響因子主要有3個，分別是生物多樣性保護、自然災害預警與人為活動干擾。城市生態(tài)分區(qū)研究架構(gòu)如圖1所示。

圖1中，生物多樣性保護因子中包含3項因素，分別是生境質(zhì)量、植被覆蓋度與土地利用；自然災害預警保護因子中包含4項因素，分別是土壤類型、坡度、高程與自然匯流；人為活動干擾因子中包含2項因素，分別是人口密度和道路干擾范圍。將生物多樣性保護、自然災害預警與人為活動干擾3個因子組合到一起，構(gòu)建生態(tài)適宜性分析與評價體系。與此同時，收集2010年、2021年土地利用資料，結(jié)合2030年土地利用規(guī)劃資料，按照合理性判斷標準，將城市生態(tài)分區(qū)劃分為2部分，分別是合理轉(zhuǎn)化區(qū)域和不合理轉(zhuǎn)化區(qū)域。根據(jù)2部分區(qū)域特點，引入CA-Markov模型，對其進行動態(tài)模擬與演變分析，作為生態(tài)分區(qū)參考依據(jù)。綜合考慮生態(tài)適宜性分析與評價結(jié)果、CA-Markov模型動態(tài)模擬與演變分析結(jié)果、城市建設發(fā)展目標，完成城市生態(tài)分區(qū)，形成4種類型，分別是禁止開發(fā)區(qū)、適度開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)及建成區(qū)。

圖1 城市生態(tài)分區(qū)研究架構(gòu)

2研究方法

2.1城市生態(tài)適宜性評價

本研究嚴格按照客觀性、整體性和有效性等多項評價要求，合理選取城市生態(tài)適宜性評價指標。根據(jù)各個指標的關聯(lián)關系，劃分層次結(jié)構(gòu)，并為指標層的各個因素賦予權重，得到城市生態(tài)適宜性評價指標與權重，見表1。

表1 城市生態(tài)適宜性評價指標與權重

本評價體系以生態(tài)適宜性作為系統(tǒng)層，選擇人為活動干擾、自然災害預警與生物多樣性保護作為主要研究指標，布設在準則層。而后將這3項研究指標拆分為多個詳細的評價因素，得到指標層評價因素。經(jīng)過多名專家的共同研討，為各個評價因素賦予權重。

2.2土地類型動態(tài)模擬及演變數(shù)學模型的構(gòu)建及應用方法

本研究將Markov模型（支持時間動態(tài)條件下的預測）與CA模型（支持復雜空間條件下的動態(tài)演化）結(jié)合到一起，形成CA-Markov模型。關于CA模型中元胞數(shù)量的轉(zhuǎn)化，運用本模型中Markov結(jié)構(gòu)中的土地類型轉(zhuǎn)移概率矩陣求解，以數(shù)量、空間作為模擬分析突破口，完成土地利用時空模擬分析。根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整土地空間布局方案。本文構(gòu)建的CA-Markov模型，用來對不同城區(qū)的土地類型變化進行動態(tài)模擬與演變分析，獲取不同土地利用方案執(zhí)行下的土地生態(tài)變化趨勢模擬結(jié)果，對生態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化幫助較大。以下為CAMarkov模型的應用方法。

第一步：創(chuàng)建基本單元網(wǎng)格。采用數(shù)據(jù)柵格化方法，對兩期土地加以處理。為了掌握某類型數(shù)據(jù)在特定時間段內(nèi)的速度變化情況，以基本單元網(wǎng)格作為統(tǒng)計對象，計算各個網(wǎng)絡的面積變化率，觀察速度變化特點，并加以分析。以下為動態(tài)度計算公式

式中：S代表單位網(wǎng)格面積，m2；T代表時間間隔年份；Sib代表類型為ib的土地在研究末期的面積，m2；Sia代表類型為ia的土地在研究初期的面積，m2；IR代表某段固定時間內(nèi)研究區(qū)域的單一土地利用類型的變化速度，簡稱為動態(tài)度，%。

第二步：創(chuàng)建轉(zhuǎn)移矩陣模型。利用該矩陣明確土地利用的方向與結(jié)構(gòu)，為了加深對土地利用空間結(jié)構(gòu)的分析，本研究引入空間疊加分析法，運行Statistics功能，獲取各個類型土地之間的轉(zhuǎn)化面積。接下來，運用Markov模型，疊加2010、2021年土地利用現(xiàn)狀類型，獲取土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣，該矩陣的計算結(jié)果將作為適應性分析依據(jù)，以圖集MCE方式展示。關于2030年土地利用狀況的預測，選取CA模型作為研究工具，通過運行5×5鄰近濾波器處理土地利用相關數(shù)據(jù)，經(jīng)過14周的循環(huán)，獲取預測結(jié)果。

第三步：檢驗結(jié)果的準確性。通過運行CA-Markov模型，對2030年土地利用狀況進行預測，如果Kappa系數(shù)大于0.80，則認為土地利用合理。模擬結(jié)果顯示，Kappa系數(shù)為0.86，該數(shù)值大于0.80，符合數(shù)據(jù)使用要求。

3 基于數(shù)學模型的城市生態(tài)分區(qū)構(gòu)建研究

3.1 區(qū)域概況

本研究區(qū)域總面積16 391 km2，位于山西省中部。其中，主城區(qū)集交通中心、經(jīng)濟發(fā)展與政治建設為一體，是城市建設的重點區(qū)域，此部分區(qū)域面積為1 328 km2。城市地勢呈現(xiàn)階梯狀分布，東部偏高，西部偏低，以平川、丘陵和山地3種土地類型為主。其中，東部分布著較多林木，森林資源較為豐富。總體來看，該城市海拔位于700～1 700 m之間，四季變化較為顯著，屬于雨熱同期氣候。

由于該城市與所在省份的其他城市資源經(jīng)濟類型相似，皆存在較為顯著的粗放式工業(yè)發(fā)展問題，對城市生態(tài)造成了嚴重影響。從幾年的發(fā)展狀況來看，城區(qū)消耗較高，產(chǎn)出很低，獲取的效益也很低。在未來的9年計劃中，以“生態(tài)之城”作為城市建設目標。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本研究遙感數(shù)據(jù)來自Landsat8 OLI衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品采集獲取，取2010年10月、2021年6月數(shù)據(jù)作為分析支撐。另外，本研究還涉及很多類型數(shù)據(jù)，主要來源為：①生境數(shù)據(jù)，通過運行INVEST生態(tài)系統(tǒng)中的服務評估模型獲取；②人口數(shù)據(jù)，通過開展第七次人口普查獲取；③土壤數(shù)據(jù)，通過挖掘1∶10萬數(shù)字地貌數(shù)據(jù)庫獲取；④高程信息，通過挖掘GDEMDEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲取。

本研究根據(jù)土地利用特點，運行遙感圖像處理平臺處理影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過一番拉伸、糾正、邊緣強化及剪裁處理，得到可靠性較高的數(shù)據(jù)信息。接下來，選擇目視解譯、監(jiān)督分類作為研究工具，將2種工具結(jié)合到一起協(xié)同作業(yè)，提取地類空間信息，并將其劃分為6種類型，分別是未分類用地、耕地、林地、水域和建設用地。為了保證本研究的遙感解譯符合通用標準，通過隨機抽樣檢驗得知，數(shù)據(jù)正確率在84.4%以上，符合研究標準。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 城區(qū)生態(tài)適宜性評價

本研究以人為活動干擾、自然災害預警、生物多樣性保護作為評價指標，采用多因子疊加方法，分別對各項指標中詳細因素的生態(tài)適宜性進行評價。從總體來看，該城區(qū)的生態(tài)適宜性較差，能夠達到高等級評價的城區(qū)占比非常小，大部分區(qū)域?qū)儆谥械燃耙韵略u價區(qū)域，需要對城市土地利用轉(zhuǎn)化管控給予高度重視。為了有效落實生態(tài)分區(qū)管理工作，需要針對不同類型土地利用矛盾問題，以恢復生態(tài)自然為首要工作，以保護生態(tài)自然為前提，對人類活動加以限制，從而盡可能減少對低敏感區(qū)域的破壞。例如，城市建成區(qū)邊緣地帶、淺山地帶，必須適當開發(fā)，同時開展一些生態(tài)修復作業(yè)。

3.3.2 城區(qū)土地利用轉(zhuǎn)化

運用本研究設計的城市土地利用轉(zhuǎn)化數(shù)學模型，對研究區(qū)域的土地利用轉(zhuǎn)化情況展開統(tǒng)計與預測，結(jié)果見表2。其中，城市研究土地類型包括建設用地、林地、耕地、未分類、草地與河流水域。統(tǒng)計指標為2021年土地利用面積，預測指標為2030年土地利用面積，說明內(nèi)容為主要土地轉(zhuǎn)換情況。

表2 城市土地利用轉(zhuǎn)化與預測結(jié)果

從總體來看，本研究區(qū)域2021—2030年土地的變化中，建設用地面積持續(xù)增加，主要來自耕地的轉(zhuǎn)化，而草地、林地2種土地類型變化的時序性差異較為顯著，未分類用地與耕地隨著時間的推移逐漸減少。

4 城市生態(tài)分區(qū)及土地用途管控等級

本研究根據(jù)生態(tài)適宜性評價結(jié)果，結(jié)合城市土地利用狀況預測結(jié)果、城市規(guī)劃發(fā)展目標，對主城區(qū)的生態(tài)區(qū)域加以劃分，并為各個區(qū)域賦予管控等級，城市區(qū)域劃分的依據(jù)為土地需求，在現(xiàn)有城市生態(tài)建設規(guī)劃基礎上進行劃分，保證城市生活空間分配、生產(chǎn)地區(qū)分配與生態(tài)區(qū)域保護等分配合理。

本劃分方案，將城市生態(tài)區(qū)域及管控等級劃分為4個，分別為禁止開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)、適度開發(fā)區(qū)和建成區(qū)，本文將對這4個管控等級區(qū)域的城市生態(tài)組成及建設加以論述。

（1）禁止開發(fā)區(qū)。該區(qū)域的總面積為488.7 km2，占主城區(qū)面積的比例為36.8%。區(qū)域土地組成以自然保護區(qū)、水源保護區(qū)、林地、水土流失保護區(qū)及濕地為主，是城區(qū)資源重要保護區(qū)域，對城市生態(tài)屏障的保護影響較大，需要加強土地利用管控，禁止建設開發(fā)活動在此部分區(qū)域?qū)嵤Ａ硗猓枰哟蟠瞬糠謪^(qū)域的生態(tài)保護，以提高水土保護能力為建設目標，適當增加林木生態(tài)工程的建設，增加生態(tài)物種類型，同時加強水體凈化，引入現(xiàn)代化科學技術，構(gòu)建生態(tài)服務平臺。通過運行該平臺，掌握區(qū)域生態(tài)服務狀態(tài)，及時為生態(tài)服務問題的處理給予指導方向。

（2）限制開發(fā)區(qū)。該區(qū)域的總面積為407.7 km2，占主城區(qū)面積的比例為30.7%。此部分區(qū)域與禁止開發(fā)區(qū)不同，屬于生態(tài)用地緩沖區(qū)域。由于土地比較脆弱，容不得外界對生態(tài)環(huán)境造成干擾，所以可能對生態(tài)環(huán)境造成影響的項目都不可以在此區(qū)域開發(fā)。根據(jù)本地區(qū)實際情況，選取一些提升生態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)力項目作為考慮對象，在不會對區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)造成影響的前提下，開展局部項目建設，同時做好生態(tài)保護工作。

（3）適度開發(fā)區(qū)。該區(qū)域的總面積為203.2 km2，占主城區(qū)面積的比例為15.3%。此部分區(qū)域分布大量地表徑流，屬于中敏感區(qū)域，可以適當開發(fā)，但是需要綜合考慮自然生態(tài)環(huán)境保護問題。通過多項影響因素評價分析，判斷某項目的建設是否會對此區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成影響。如果造成影響超過了生態(tài)保護標準，則不可以在此區(qū)域開發(fā)此類項目。另外，該區(qū)域作為城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局重要調(diào)整區(qū)域，應該以生態(tài)產(chǎn)業(yè)建設、生態(tài)廊道建設為主。由于城區(qū)生態(tài)環(huán)境隨著建設的影響發(fā)生變化，所以該區(qū)域的劃分與建設方案需要根據(jù)實際情況及時作出調(diào)整。

（4）建成區(qū)。該區(qū)域的總面積為228.4 km2，占主城區(qū)面積的比例為17.2%。此部分區(qū)域?qū)儆谌祟惿罘秶m然該區(qū)域支持城市多類項目建設，但是并非完全沒有限制，仍然需要以城市生態(tài)建設為主，在盡可能降低對生態(tài)環(huán)境造成影響的情況下擴展產(chǎn)業(yè)。通過合理控制人口規(guī)模，根據(jù)生態(tài)產(chǎn)業(yè)建設要求，嚴格控制產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并對新興產(chǎn)業(yè)的建設加以嚴格審核，以此改善城市生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)束語

本文圍繞城市生態(tài)分區(qū)與建設問題展開研究，與以往研究不同的是借助數(shù)學模型加以深入探究，使得城市生態(tài)分區(qū)更加詳細準確。本次研究以CA-Markov模型作為研究工具，對某區(qū)域的土地利用類型的演變加以模擬預測，獲取2030年土地利用狀況預測結(jié)果。此部分結(jié)果作為未來城市生態(tài)分區(qū)建設規(guī)劃依據(jù)，并提出一些規(guī)劃建議，希望對城市生態(tài)分區(qū)建設有所幫助。