基于ArcGIS 的枝江市城乡建设用地适宜性评价及其发展趋势预测

庞 添，宋会访，彭玉玲*，杨 莉

1.武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074；2.湖北省国土测绘院，湖北 武汉 430000

土地利用的合理性和空间规划开发的有序性是促进城乡统筹、推进区域可持续发展的重要抓手。2018年3月自然资源部的成立为空间规划和地理设计相结合提供了巨大契机［1］，而建设用地适宜性评价则为空间规划和地理设计建立了重要的沟通桥梁。

目前，国内外学者基于城乡建设用地适宜性评价展开的建设用地规划布局研究主要涉及跨学科理论的综合应用［2-3］、多元研究路径的创新［4-5］、特殊研究对象的实证研究［6-7］，而以建设用地适宜性评价为基础，系统研究城乡建设用地空间格局匹配性问题，挖掘空间开发潜力并预判空间扩张趋势的研究还比较少。

本文以湖北省枝江市为研究对象，基于Arc-GIS 的数据处理和空间分析功能，以城乡建设用地适宜性评价为基础，深化评价结果，通过构建城乡建设用地空间格局匹配性研究模型、城乡建设用地开发潜力研究模型和城乡建设用地空间扩张趋势动态模拟元胞自动机（cellular automata，CA）模型，系统分析城乡建设用地的适宜性、匹配性、开发潜力和扩张趋势，对湖北省枝江市城乡建设用地的合理布局和有序开发具有一定的指导意义，同时能够为类似市（县、区）的相关研究提供方法借鉴和参考。

1 研究区概况与研究数据

1.1 研究区概况

湖北省枝江市位于宜昌大都市圈腹地，是宜昌市东南部的长江入口门户城市，介于东径111°25′～112°03′，北纬30°16′～30°40′之间，下辖一街八镇，土地面积1 374.56 km2，其中城乡建设用地占比17.20%。作为长江经济带中武汉与重庆间的结合部和突出增长点、湖北省“第二城”宜昌境内宜昌大都市圈先进的制造业核心区，枝江市不仅是本土未来经济社会发展需求空间的主战场，同样也是宜昌大都市圈和长江经济带宜昌段未来的发展预备空间。

1.2 数据来源与处理

本研究中所用的有关基础数据包含社会经济、土地利用和问卷调查三大类，具体包括《湖北省枝江市总体规划（2010-2030）》《枝江市城乡统筹规划（2012-2030）》等规划政策文件，中科院地理空间数据云提供的研究区数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据（2009 年）、遥感影像数据（2018 年），以及城乡规划学、城市经济学、城市管理学等领域专家对枝江市城乡建设用地适宜性参评因子权重的打分（2018 年）等。

针对土地利用数据，利用ArcGIS 的空间分析功能，对DEM 数据进行预处理，提取研究区的坡度、坡向信息；利用距离分析工具，分析和统计各建设用地图斑距离城镇、道路、水域的距离；通过遥感影像解译及植被覆盖度遥感估算的方法进行植被覆盖度分析［8］，并利用计算几何工具统计各图斑面积。问卷调查类数据采用层次分析法进行统计分析，推导参评因子权重值，并运用Matlab 软件计算最大特征根，对权重值进行一致性检验。

2 研究思路

2.1 城乡建设用地开发适宜性评价

基于ArcGIS 平台，湖北省枝江市城乡建设用地适宜性评价采用图斑法与图层叠置法将研究区划分为77 326 个地类图斑单元和一街八镇9 大行政区划图斑单元，选取了地理区位、地形地貌、植被绿化、地类划分、政策约束5 个一级评价因子，和坡度、坡向、距离城镇距离、距离水源距离、距离道路距离、植被覆盖率、用地现状、基本农田保护政策、生态林地保护政策、其它保护区保护政策等10个二级评价因子作为参评因子。结合极限条件法，将所有参评因子划分为刚性指标和弹性指标两类，分别赋值为0 和1，对基本农田、生态林地和其他保护区等受政策保护类刚性参评因子进行“一票否决”［9］，其他弹性参评因子按实际值由高到低划分为5 个等级，分别赋值5，4，3，2，1 分，结合数据预处理确定的权重，构建完整的如表1 所示的城乡建设用地适宜性评价指标体系。在此基础上，基于ArcGIS 的加权叠加分析功能计算各图斑的综合适宜性评价得分，最后运用自然断点法将城乡建设用地适宜性评价结果划分为最适宜建设区（Ⅰ级）、较适宜建设区（Ⅱ级）、中等适宜建设区（Ⅲ级）、低等适宜建设区（Ⅳ级）和不适宜建设区（V 级）5 个等级。

本研究采用层次分析法构建适宜性评价模型，如式（1）所示：

式（1）中，G 为研究区城乡建设用地适宜性评价的综合得分值；Ai为某个图斑单元中第i 个参评因子的分值；Bi为第i 个参评因子的权重；n 为参评因子的总数量。一般G 值越大，则适宜性越高，但政策保护类用地在极限条件下，所在图斑一律归为不适宜建设区。

表1 城乡建设用地适宜性评价指标体系Tab.1 Suitability evaluation index system of urban and rural construction land

2.2 城乡建设用地空间格局匹配性研究

结合研究区城乡建设用地适宜性评价结果，在ArcGIS 上通过重分类，将最适宜和较适宜建设区作为可承载城乡建设用地的适宜建设区，现状城乡建设用地作为“已开发区”，在适宜建设区地理空间上的“已开发区”作为“已开发适宜建设区”，通过将“已开发适宜建设区”和适宜建设区在ArcGIS 中进行空间叠加分析，可推算研究区现状城乡建设用地与适宜建设区的空间格局匹配度［10］；而“已开发适宜建设区”在“已开发区”中的占比则反映了研究区现状城乡建设用地布局的合理性程度。

式（2）和式（3）中，F1为城乡建设用地空间格局匹配度；C 为“已开发适宜建设区”面积；C1、C2分别为城乡建设用地适宜性评价结果中的最适宜建设区和较适宜建设区面积；F2为建设用地空间布局的合理性程度；Cs为“已开发区”面积。整体而言，F1的值越大，城乡建设用地空间格局匹配性越高，F2的值越大，现状城乡建设用地空间布局越合理。

2.3 城乡建设用地空间开发潜力研究

根据研究区城乡建设用地适宜性评价结果，将适宜建设区和“已开发区”的并集作为可承载城乡建设用地的最大荷载，视其为“临界承载区”，通过“已开发区”、“临界承载区”和各镇区土地面积的两相对比分析，可推算“临界承载区”的剩余开发潜力和建设用地综合开发潜力［11］。

式（4）和式（5）中，P1表示“临界承载区”的剩余开发潜力；C 为“已开发适宜建设区”面积；C1、C2分别为城乡建设用地适宜性评价结果中最适宜建设区和较适宜建设区面积；Cs为“已开发区”面积；P2为建设用地的综合开发潜力；S 表示研究区土地面积。整体而言，P1的值越大，“临界承载区”的剩余开发潜力越大，P2的值越大，建设用地的综合开发潜力越大。

2.4 城乡建设用地空间扩张趋势研究

在城乡建设用地适宜性评价的基础上，利用ArcGIS 的Model Builder（模型构建器）构建如图1所示的CA 模型，对研究区建设用地空间扩张趋势进行预判［12］。综合考虑现状建设用地布局和其他随机正态分布因子的影响，分别进行临域分析和焦点统计，并利用特尔菲法和层次分析法计算建设用地适宜性、现状建设用地布局以及其他随机正态分布因子的权重，生成“全域城乡建设用地联合适宜性评价”结果。通过剔除现状建设用地和研究区中政策保护类用地，重新生成非现状可建设用地适宜性评价结果，然后运用ArcGIS 的slice工具，将非现状可见建设用地适宜性评价结果等分为20 份，选取其中最适宜的等份作为一段时间后新开发的建设用地，即完成第一时间节点的建设用地空间扩张趋势模拟。通过多次现状建设用地的替换迭代，最终形成随时间轴变化的研究区建设用地空间扩张趋势动态布局图。

图1 Model Builder中CA 模型示意图Fig.1 Schematic diagram of CA model in Model Builder

3 结果与讨论

3.1 湖北省枝江市城乡建设用地适宜性评价分析

依据枝江市城乡建设用地适宜性评价结果如图2（a）所示，最适宜建设区、较适宜建设区、中等适宜建设区、低等适宜建设区和不适宜建设区的面 积 分 别 为204.39，230.12，215.48，124.70 和599.84 km2，其中不适宜建设区所占比重最大，为43.64%，这与湖北省枝江市坚守生态绿线、基本农田红线和水域蓝线底线不突破，坚持生态优先、绿色发展的可持续发展理念与政策直接相关。最适宜建设区主要分布于长江沿岸的马家店街道、董市镇、七星台和百里洲，其整体布局与枝江市沿江城镇聚合发展轴的规划格局比较吻合；而不适宜建设区主要集中分布于基本农田或山体林地集聚的问安镇和仙女镇及玛瑙河沿线。

3.2 城乡建设用地空间格局匹配性与布局合理性分析

城乡建设用地空间格局匹配性与布局合理性分析可视化结果如图2（b）所示，整体空间匹配度为39.41%，占现状城乡建设用地的72.47%。整体来看，目前湖北省枝江市的城乡建设用地受社会经济条件限制，空间格局匹配度不高，建设用地布局不尽合理，特别是存在10.95%的现状建设用地与不适宜建设区重合的现象，这迫切需要政府部门在规划建设主导思想方面实现从注重经济发展建设到重视资源保护的转变，积极出台相关的空间管控政策，重点加强对水域、基本农田和生态林地的土地用途管制和生态修复，健全完善相应的规划、建设、管理、监督体系，推进山、水、林、田、湖、草生命共同体的统一保护、统一修复。具体而言，各镇区中空间格局匹配性较好的地区分别为马家店街道、问安镇、董市镇，其中，问安镇较为特殊，作为枝江市的基本农田储备基地，建设用地紧缺，适宜建设用地基数小，故空间匹配性高，但已开发建设区占用基本农田的情况比较严重，面积达8.16 km2，建设用地布局十分不合理。

3.3 城乡建设用地土地开发潜力研究分析

城乡建设用地土地开发潜力研究分析可视化结果如图2（c）所示，“临界承载区”剩余的开发潜力为52.69%，建设用地的综合开发潜力为36.31%，而建设用地已开发强度仅达到236.39 km2，占比17.19%。综合考虑湖北省枝江市在长江经济带、宜昌大都市圈中的区位优势，可初步判断湖北省枝江市的建设用地开发潜力还很大，但适宜建设用地十分紧张，相关政府部门应该积极出台鼓励建设用地科学合理布局、集约高效利用的政策，落实严格的土地管理制度，转变土地利用方式，提高土地利用效率和效益。其中，各镇区中，七星台、顾家店、白洋镇和百里洲等镇区的“临界承载区”建设用地剩余开发潜力较大，但从综合开发潜力来看，马家店、七星台和百里洲的综合开发潜力最大，这两项结果是各镇区建设用地适宜性、空间布局合理性，土地利用结构和社会经济发展状况共同作用后在地理空间上的投影，但也揭示出百里洲、七星台作为未来枝江市人口、经济、社会扩张承载地的可能性。此外，数据也揭示出问安镇建设用地开发前景几近达到饱和的状态，“临界承载区”剩余开发潜力和综合开发潜力均为最低，分别为17.54%和20.83%，因此，问安镇建设用地开发如何满足未来经济社会发展需要的问题需要得到迫切关注。

图2 枝江市城乡建设用地：（a）适宜性评价，（b）空间格局匹配性分析，（c）开发潜力分析，（d）空间扩张趋势分析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 城乡建设用地空间扩展趋势预判

参考《湖北省枝江市总体规划（2010-2030）》，到2030 年湖北省枝江市建设用地规模将达到42 km2。基于CA 模型时间、空间、状态离散，模拟复杂系统时空演化过程的能力，在研究城乡建设用地适宜性评价的基础上进行城乡建设用地空间扩张趋势动态模拟［13］，通过3 次迭代计算，分别获得未来3 个时间点湖北省枝江市建设用地的布局状态，可视化结果如图2（d）所示，其建设用地面积分别为30.45，37.31，44.16 km2，根据动态模拟预测的结果，2030 年湖北省枝江市的城乡建设用地布局状态处于第二时间节点和第三时间节点之间。其中，百里洲、安福寺及仙女镇3 镇是研究区建设用地土地空间扩张最明显的区域，以现状建设用地为基础，截止到第三时间节点，百里洲、安福寺、仙女镇、顾家店和七星台，建设用地增幅分别为188.81%，117.03%，99.81%，93.09%，89.93%。数据表明，建设用地空间扩张趋势最明显的地区主要集中在沿江两侧的镇区和北部土地适宜性一般、发展比较落后、现状建设用地基数小的镇区。

4 结 论

根据研究分析的结果，可以得出以下结论：

1）枝江市城乡建设用地适宜性分布整体呈现出南部沿江地带建设用地优于北部的特点。

2）枝江市各镇区的建设用地空间格局匹配性、合理性和发展潜力具有较大差异，整体空间格局匹配性不佳，布局不尽合理，开发潜力较大。

3）截至2030 年，枝江市城乡建设用地扩张速度整体呈现南部沿江地势平坦、交通便利地带高于北部的趋势。

本研究对湖北省枝江市科学合理进行建设用地布局，高效有序推进城乡建设用地空间扩张，实现区域可持续发展具有一定的指导意义，但城乡建设用地适宜性评价模型在构建过程中仍然存在大量的主观因素干扰，在后续研究中，还将从以下方面对研究进行深化：

1）在建设用地适宜性评价中，可从市（县、区）层面、村镇层面、地类图斑单元层面和栅格层面，分别展开多尺度的城乡建设用地适宜性评价［14］，使建设用地适宜性的评价结果更加精细化，实践指导意义更强。

2）在原始适宜性评价的结果上深化CA 模型，获取研究区多个时间点的土地利用基础资料，建立CA-Markovd［15］模型，对研究区未来土地利用的结构调整和布局优化进行更科学、更深入的预测模拟。