靳煥煥，張立亭，朱 瑕

(1.東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，330013，南昌； 2.江西省數(shù)字國土重點實驗室，330013，南昌)

0 引言

隨著中國城鎮(zhèn)化進程不斷加快，城市擴張導(dǎo)致的一系列資源環(huán)境破壞[1]、人地矛盾、土地利用沖突[2]等問題越來越明顯。城市發(fā)展過程中如何做到合理規(guī)范城市健康發(fā)展，合理劃定城市擴張方向，高效合理利用土地資源，緩解土地利用矛盾等是當前亟待解決的問題。當前，國內(nèi)外學(xué)者對于城市擴張的研究，主要從城市擴張的驅(qū)動力分析[3-8]，城市擴張的模擬與優(yōu)化研究[9-11]，城市擴張的影響機制[12-16]，城市擴張的時空特征[17-20]等方面展開研究，取得較好的研究成果。然而這些針對城市擴張的研究中，關(guān)于城市擴張的適宜性分區(qū)研究較少，劃分適宜性分區(qū)是土地資源優(yōu)化的重要基礎(chǔ)，目前適宜性分區(qū)的研究對象著重農(nóng)村居民點[21-22]、未利用地[23]和復(fù)墾地[24]，研究方法有多因素綜合評價法[25]、層次篩選[26]、K均值聚類[27]和最小累積阻力模型[28]等。針對城市化與生態(tài)保護之間的矛盾加劇，生態(tài)環(huán)境因素也需要被納入到城市擴張的適宜性評價體系中，從經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)約束兩方面考慮城市的發(fā)展。因此，為了更好地引導(dǎo)城市的健康發(fā)展，需要綜合考慮城市擴張的適宜性分區(qū)和城市擴張趨勢對城市發(fā)展的影響。綜上，本文選取南昌市為研究區(qū)，綜合考慮城市發(fā)展的阻力和驅(qū)動力，從區(qū)域環(huán)境、區(qū)域基質(zhì)、區(qū)域流通和禁止擴張區(qū)等4個方面建立適宜性評價指標體系，結(jié)合GIS空間分析，利用改進的城市擴張最小累積阻力模型(Urban Expansion Ecological Resistance，UEER)，構(gòu)建南昌市城市擴張阻力面，對南昌市城市擴張進行適宜性分區(qū)。應(yīng)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artifical Neural Network，ANN)的元胞自動機(Cellular Automata，CA)模型(ANN-CA)，對南昌市城市擴張進行預(yù)測。綜合城市擴張適宜性分區(qū)和城市土地擴張預(yù)測的結(jié)果，旨在為南昌市城市發(fā)展及規(guī)劃提供一定的參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北，是江西省的省會城市，南昌市境內(nèi)山、丘、崗、平原相間，以平原為主，占35.8%，崗地低丘占34.4%，水域面積達2 204.37 km2，占29.78%，東南相對平坦，西北丘陵起伏，水網(wǎng)密布，湖泊眾多，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高。隨著鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)、昌九一體化、南昌大都市圈、贛江新區(qū)等系列政策措施相繼落實，紅谷灘新區(qū)、瑤湖片區(qū)、九龍湖區(qū)等新城的建設(shè)發(fā)展，南昌市迎來高速發(fā)展期。由于城市擴張速度不斷加快，帶來了一些列諸如土地利用沖突、區(qū)域發(fā)展不協(xié)調(diào)和資源環(huán)境的破壞等問題。因此對南昌市城市擴張進行適宜性分區(qū)和預(yù)測，對促進南昌市合理健康發(fā)展以及城市規(guī)劃有重要意義。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究主要數(shù)據(jù)有：本文根據(jù)南昌市城市化發(fā)展歷程，選用南昌市1995年、2005年和2015年土地利用分類數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；南昌市DEM數(shù)據(jù)(30 m×30 m)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站；南昌市風(fēng)景名勝區(qū)、公園、飲用水源保護區(qū)和水產(chǎn)種植資源保護區(qū)等矢量數(shù)據(jù)來源于江西省環(huán)保廳；參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007)和研究目的將南昌市土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點用地和其他土地7類。

2 研究方法

2.1 南昌市城市擴張適宜性分區(qū)

2.1.1 南昌市城市擴張源的設(shè)定 “源”具有向四周擴張或者吸引的能力，不同等級的源由于其性質(zhì)及四周傳播媒介的不同導(dǎo)致擴張能力的差異[29]。本文中的源為南昌市城市用地，參考相關(guān)研究[30-31]，綜合考慮南昌市的范圍、人口與經(jīng)濟分布確定源的等級，賦予各個等級相對應(yīng)的阻力因子K，一級阻力因子為0.8，二級阻力因子為0.9，三級阻力因子為1，源等級系數(shù)K與城市用地的擴張能力呈負相關(guān)關(guān)系(表1)。根據(jù)南昌市城市用地源的分級情況，對其進行等級劃分(圖2)。

表1 南昌市城市用地源的分級及基本依據(jù)

圖2 南昌市城市用地源分級圖

2.1.2 南昌市城市擴張適宜性評價指標體系構(gòu)建 對于城市空間擴張影響因素的選取方面，根據(jù)已有研究成果[32-33]，對于一些特殊區(qū)域，如飲用水源保護區(qū)、自然保護區(qū)等生態(tài)障礙區(qū)(圖3)，這些區(qū)域的存在對城市建設(shè)用地的增長構(gòu)成了絕對約束。在確定生態(tài)障礙的基礎(chǔ)上，根據(jù)南昌市的實際情況選取坡度、高程、植被覆蓋指數(shù)、土地利用類型及流通性要素建立適宜性評價指標體系。本文將研究區(qū)分為禁止擴張區(qū)和一般擴張區(qū)，并將其作為南昌市城市擴張適宜性評價指標體系的一級影響因子，其中禁止擴張區(qū)包括風(fēng)景名勝區(qū)、公園、水產(chǎn)種植資源保護區(qū)和飲用水源保護區(qū)等禁止建設(shè)區(qū)域，賦予較大阻力值。一般擴張區(qū)分為區(qū)域環(huán)境、區(qū)域基質(zhì)和區(qū)域流通3個方面(表2)。指標體系中區(qū)域環(huán)境反映了自然地理條件對于城市建設(shè)的約束，包括高程、坡度和植被覆蓋指數(shù)(NDVI)，高程、坡度和NDVI值越大則城市建設(shè)和改造的阻力越大；區(qū)域基質(zhì)反映了不同地面景觀類型對于城市擴張的阻力的差異，農(nóng)村居民點、裸土地和工礦用地對城市擴張的阻力較??；區(qū)域流通考慮交通通達度對城市擴張的影響，結(jié)合南昌市具體條件，選取了鐵路、高速公路和主干道3個因素。

圖3 南昌市生態(tài)障礙分布圖

參考相關(guān)的研究[24，28，34-35]，將南昌市城市擴張適宜性評價指標體系的二級影響因子的阻力系數(shù)分為5個等級，分別用1、3、5、7、9表示，各因素具有不同的權(quán)重，這些都是通過專家打分法的方式確定。利用Arc-GIS10.2中cost-distance模塊分別得到單個要素的阻力分布(圖4)，使用柵格計算器對各阻力因子做加權(quán)疊置分析，得到30 m×30 m柵格單元的綜合阻力數(shù)據(jù)，為UEER模型運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)合禁止建設(shè)區(qū)的分布，通過疊加分析計算可以得到南昌市城市擴張阻力綜合評價結(jié)果，其評價結(jié)果反映的是不同影響因子疊加的垂直過程對于城市擴張的影響。

2.1.3 南昌市城市擴張適宜性分區(qū) 最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance,MCR)是指物種在從源到目的地運動過程中所需耗費代價的模型，由荷蘭生態(tài)學(xué)家Knappen[36]于1992年提出，最早應(yīng)用于物種保護和景觀格局分析等生態(tài)領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者將其在城市空間增長、土地利用和旅游規(guī)劃等社會經(jīng)濟領(lǐng)域開始進行一些嘗試。本文應(yīng)用葉玉瑤等改進的最小累積阻力面模型(UEER)，即在MCR模型中引入不同等級源的相對阻力因子Kj，構(gòu)建城市擴張的生態(tài)阻力面模型UEER?；竟饺缦拢?/p>

(1)

式中：UEER表示城市擴張最小累積阻力面值；f是一個未知函數(shù)，反映了空間中任一點的最小阻力與其到所有源的距離和阻力面特性的正相關(guān)關(guān)系；min表示某景觀單元對不同的城市用地源取累積阻力最小值；Dij表示從源j到柵格單元i的空間距離；Ri表示柵格單元i對運動過程的阻力系數(shù)；Kj表示源j所屬等級的相對阻力因子。

表2 影響因子評價指標體系

(a)高程阻力 (b)坡度阻力 (c)NDVI阻力

(d)土地利用類型阻力 (e)距主干道距離阻力 (f)距鐵路距離阻力 (g)距高速公路距離阻力

利用最小累積阻力模型(UEER)，分別計算一級源、二級源和三級源的各柵格單元的阻力值，通過GIS中成本距離法分別生成3張對應(yīng)不同等級源的阻力面，對這3張阻力面進行疊加計算各柵格單元的最小值。根據(jù)最小累積計算結(jié)果，利用重分類工具(Reclassify)，選擇自然斷點法將所有柵格單元按照累積阻力分值大小依次劃分為高度適宜擴張區(qū)、較適宜擴張區(qū)、較不適宜擴張區(qū)、不適宜擴張區(qū)和不可擴張區(qū)5種等級區(qū)域(圖5)。

圖5 南昌市城市擴張適宜性分區(qū)圖

2.2ANN-CA模型

本文用以模擬城市擴張的模型是黎夏[37-39]等提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元胞自動機模型(ANN-CA)，其基本原理是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取元胞自動機的轉(zhuǎn)換規(guī)則，并將轉(zhuǎn)換規(guī)則用于后續(xù)的模擬和預(yù)測中。由于該模型結(jié)構(gòu)簡單，用戶轉(zhuǎn)換規(guī)則及參數(shù)自動生成，能夠有效反映空間變量之間的復(fù)雜關(guān)系，適合用于模擬非線性的和復(fù)雜的土地利用系統(tǒng)。計算公式為：

(2)

本文中選取1995年和2005年的土地利用數(shù)據(jù)進行模型訓(xùn)練，根據(jù)南昌市的實際條件，選取距市中心的距離、距鐵路的距離、距高速公路的距離、距主干道的距離以及地形坡度等作為空間變量數(shù)據(jù)。模型設(shè)置的參數(shù)如下：元胞領(lǐng)域設(shè)置為3×3經(jīng)典摩爾鄰域，神經(jīng)元的學(xué)習(xí)速率設(shè)置為0.05，參與訓(xùn)練的樣本數(shù)為410 341，將土地利用轉(zhuǎn)換的概率的閾值設(shè)為0.9，迭代次數(shù)為300次，模擬總體精度為93.7%。以2015年土地利用數(shù)據(jù)為預(yù)測起始年份的數(shù)據(jù)來預(yù)測南昌市2025年的城市擴張狀況。

3 結(jié)果分析

3.1 南昌市城市擴張適宜性分區(qū)結(jié)果分析

按照最小累積阻力分值大小依次將評價區(qū)劃分為高度適宜擴張區(qū)、較適宜擴張區(qū)、較不適宜擴張區(qū)、不適宜擴張區(qū)和不可擴張區(qū)5種等級區(qū)域(圖5、表3)。其中，高度適宜擴張區(qū)面積為632.22 km2，占區(qū)域總面積的8.54%，主要分布在青云譜區(qū)、青山湖區(qū)、進賢縣的西南部、新建區(qū)和南昌縣與主城區(qū)的連接區(qū)域，目前也主要為建設(shè)用地，可以作為未來的優(yōu)化建設(shè)區(qū)，是重點建設(shè)區(qū)域；較適宜擴張區(qū)面積為537.98 km2，占區(qū)域總面積的7.27%，主要分布在已建成區(qū)域的周邊區(qū)域，包括新建區(qū)的北部、灣里區(qū)的南部和南昌縣的西部區(qū)域，這些區(qū)域地勢平坦，交通便利，距離主城區(qū)較近，政府政策扶持，區(qū)位優(yōu)勢明顯。尤其是新建區(qū)和南昌縣受到紅谷灘新區(qū)和小藍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等政策的支持，是南昌市主城區(qū)未來發(fā)展的核心區(qū)域；較不適宜擴張區(qū)面積為5 714.62 km2，占區(qū)域總面積的77.2%，主要分布在高度適宜區(qū)的外圍，區(qū)域內(nèi)主要分布了各區(qū)縣的基本農(nóng)田，不適宜作為建設(shè)用地，未來應(yīng)該限制該區(qū)建設(shè)用地的發(fā)展；不適宜擴張區(qū)面積為465.41 km2，占區(qū)域總面積的6.29%，主要分布在南昌市的的東北部和東南部，該區(qū)域水域面積廣闊，生態(tài)環(huán)境脆弱，不適宜作為建設(shè)用地；不可擴張區(qū)面積為51.8 km2，占區(qū)域總面積的0.7%，主要分布在安義縣的西北部，新建區(qū)的東部區(qū)域及灣里區(qū)和主城區(qū)的部分區(qū)域，該區(qū)域主要是已經(jīng)劃為禁建區(qū)的區(qū)域，包括風(fēng)景名勝區(qū)、公園、飲用水源保護區(qū)等區(qū)域，應(yīng)嚴格禁止開發(fā)為建設(shè)用地。

表3 南昌市城擴張適宜性分區(qū)

3.2 南昌市城市擴張預(yù)測及分析

3.2.1 ANN-CA模型模擬精度檢驗 本文基于南昌市1995年和2005年的土地利用數(shù)據(jù)以及空間影響因子數(shù)據(jù)獲得該時期土地利用變化規(guī)律，對2015年土地利用狀況進行模擬并驗證模擬精度。通過ANN-CA模型得到的混淆矩陣，其中耕地、林地、草地和水域的模擬精度分別高達95%、96%、94%和95%，其次是城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點用地和其他土地，模擬精度分別為75%、86%和89%。究其原因，耕地、林地、草地、水域和其他土地的驅(qū)動因子及變化規(guī)律比較好追蹤，而城鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民點用地作為城市發(fā)展中的重要地類，要受到許多復(fù)雜和不確定性因素的影響，模擬精度受到一定影響。總的來看本次模擬的總體精度為93.7%，Kappa系數(shù)為0.905，模擬結(jié)果較優(yōu)，可用于模型的預(yù)測。

3.2.2 ANN-CA模型預(yù)測結(jié)果及分析 以2015年土地利用數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，假設(shè)南昌市城區(qū)未來保持現(xiàn)有發(fā)展趨勢，利用ANN-CA模型預(yù)測2025年南昌市城市擴張狀況(圖6)，對比2015年南昌市城市不斷向外蔓延導(dǎo)致城市邊緣破碎化嚴重，未來南昌市將圍繞現(xiàn)有城市邊緣建設(shè)用地集聚式擴大，呈現(xiàn)出聚攏式發(fā)展，具體而言，南昌市向南方向的南昌縣、向北和向西的新建區(qū)和青山湖區(qū)的三大塊區(qū)呈現(xiàn)團塊式的發(fā)展，究其原因，南昌市“一江兩岸”發(fā)展格局的形成和紅谷灘新區(qū)的建設(shè)，新建區(qū)已經(jīng)發(fā)展成南昌市的新城區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢明顯，是南昌市城市擴張的主要區(qū)域。南昌縣位于南昌市的南部，地形平坦，交通便利，經(jīng)濟發(fā)達，三面環(huán)抱南昌市主城區(qū)，同時受小藍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)政策的支持，發(fā)展條件較好。其次，《江西省城鎮(zhèn)體系規(guī)劃(2015-2030年)》提出，以鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)為依托，沿滬昆線和京九線為主線，著力培育和發(fā)展以南昌為核心的南昌大都市區(qū)，促使發(fā)展南昌市城市增長極。而灣里區(qū)由于受到梅嶺景區(qū)的限制 ，未來城市擴張的強度較弱。對比南昌市土地開發(fā)適宜性評價結(jié)果圖，未來南昌市城市擴張主要在較適宜性分區(qū)范圍內(nèi)，基本符合城市建設(shè)的要求。

圖6 2025年南昌市城市擴張預(yù)測圖

對比南昌市2015 年和2025 年土地利用變化狀況(表4)，由于本文中使用的數(shù)據(jù)進行了多次柵格和矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致2025年和2015年南昌市土地總面積出現(xiàn)了0.00019%的差別，此處可忽略不計。預(yù)計2025年南昌市城市增長量達20%，水域和其他土地(沼澤地、沙地、裸土地)分別有0.006%和2.42%的增長量，耕地、林地、草地和農(nóng)村居民點用地分別有2.27%、0.33%、0.06%和4.22%的負增長量，就絕對量而言，耕地的減少量最多，表明城市擴張中主要是占用耕地，其原因大概是直接占用耕地的成本遠比老舊城區(qū)的改造成本低的多，因此在未來城市規(guī)劃中，政府應(yīng)當嚴格控制耕地開墾的行為，切實保護耕地。其次是農(nóng)村居民點用地的減少，表明城市擴張過程中，農(nóng)村居民點的拆舊復(fù)墾緩解了一部分城市擴張中土地緊缺的壓力，有利于城市的健康發(fā)展。

表4 2025年南昌市城市擴張預(yù)測表

4 結(jié)論與不足

本文以南昌市為研究區(qū)域，通過建立南昌市城市擴張適宜性評價指標體系，利用最小累積阻力模型(UEER)結(jié)合GIS空間分析，劃分了南昌市城市擴張適宜性分區(qū)。以南昌市1995年、2005年和2015年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對南昌市2025年城市擴張范圍進行了預(yù)測。主要結(jié)論如下。

1)結(jié)合南昌市城市擴張的適宜性評價指標體系，利用最小累積阻力模型和GIS空間分析，將南昌市城市擴張劃分為高度適宜擴張區(qū)、較適宜擴張區(qū)、較不適宜擴張區(qū)、不適宜擴張區(qū)和不可擴張區(qū)等五個區(qū)域。

2)利用ANN-CA模型對南昌市城市擴張進行模擬，模擬的總體精度為93.7%，Kappa系數(shù)為0.905，模型的模擬精度高，表明應(yīng)用該模型進行預(yù)測具有可行性。

3)根據(jù)ANN-CA模型預(yù)測結(jié)果，預(yù)計2025年南昌市城市建設(shè)用地增長量達20%，且主要圍繞現(xiàn)有的城鎮(zhèn)用地進行集聚式擴張，將彌補2005年-2015年城市蔓延式發(fā)展導(dǎo)致的破碎化現(xiàn)狀，南昌縣和新建區(qū)是未來城市擴張的主要區(qū)域。未來城市擴張主要占用耕地，在城市發(fā)展規(guī)劃中，政府要嚴格實施保護耕地的政策。

本文基于UEER模型對南昌市城市建設(shè)用地適宜性評價分區(qū)的精度主要取決于評價因子的選擇及其權(quán)重的劃定，使用的專家打分法確定評價因子的權(quán)重存在一定的主觀因素，同時缺少對研究區(qū)自然災(zāi)害數(shù)據(jù)的考慮，這些都會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，有待進一步改進。