基于GIS空间分析技术的城乡建设用地扩展边界规划方法研究

何春阳，贾克敬，徐小黎，李景刚，赵媛媛

（1.地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；2.北京师范大学资源学院，北京 100875；3.中国土地勘测规划院，北京 100035；4.中国水利水电科学研究院遥感技术应用中心，北京 100044）

1 前言

2009年5月，国土资源部办公厅下发《市县乡级土地利用总体规划编制指导意见》的51号文件（以下简称“51号文件”），明确了要在市县乡级土地利用总体规划中划定城乡建设用地规模边界、城乡建设用地扩展边界和禁止建设用地边界，以保证城乡建设用地的合理规划布局，并提出了建设用地布局与空间管制规划编制工作的具体要求。科学规划城乡建设用地三种边界，既可从源头上控制建设用地布局的范围，加强对农用地特别是耕地以及耕地之外的生态环境用地的保护力度，也能在一定程度上兼顾土地利用总体规划的权威性和灵活性，增强土地利用总体规划的科学性［1］，在当前的土地利用总体规划中具有重要的科学和积极的现实意义。

当前，关于城乡建设用地规模边界和禁止建设用地边界的划定方法，已有不少研究［2-3］，但由于城乡建设用地扩展边界的规划理念提出较新，相关划定方法的研究还比较薄弱。近年来，地理信息系统（GIS）由于其强大的空间地理数据管理、空间分析和可视化制图功能在土地利用规划工作中得到了比较广泛的应用［4-5］。本文根据51号文件，在理解和分析城乡建设用地规模边界、城乡建设用地扩展边界和禁止建设用地边界空间关系的基础上，提出基于GIS空间分析技术的定量直观划定城乡建设用地扩展边界的方法。同时利用该方法，在城市扩展明显［6］、耕地损失严重［7］、区域生态环境比较脆弱［8-9］的北京地区进行案例实践，为当前土地利用总体规划中城乡建设用地扩展边界的划定提供参考。

2 研究方法

根据51号文件，应当在市县乡级土地利用总体规划的规划范围内确定城乡建设用地规模边界、城乡建设用地扩展边界和禁止建设用地边界3种边界，规划出允许建设区、有条件建设区、限制建设区和禁止建设区4种区域。市县乡级土地利用总体规划中3种边界和4种区域的详细定义可以参考51号文件，它们的空间关系如图1。

鉴于文章篇幅和研究目的，首先假设图1中城乡建设用地规模边界已经确定，重点探讨基于GIS空间分析方法的建设用地规模边界划定办法。基本思路是在GIS空间分析技术的支持下，依据51号文件的规定并结合区域实际，选择合适的评价指标，进行区域环境敏感性评价。在此基础上，确定区域禁止建设用地边界。然后进一步评价区域建设用地适宜性，并在可扩展建设用地总量的控制下，确定区域建设用地扩展边界。该方法主要包括评价区域综合环境敏感性、划定禁止建设区、评价建设用地适应性、确定规模边界外扩展边界内可用建设用地数量规模和确定建设用地扩展边界5个步骤（图2）。

图2 建设用地扩展边界规划流程图Fig.2 Flow chart of the planning for the boundary of the construction land expansion

2.1 评价区域综合环境敏感性

目前，区域综合环境敏感性评价主要有加权计算和指数计算两种方法。在实际应用中，由于规划区各评价因子对综合环境敏感性的贡献率很难确定，因此，通常情况下均采用指数计算法来进行计算［5］。具体表示为：

式1中，SU为综合环境敏感性指数；CUi为因素i敏感性等级值；n为因子个数［10］。

2.2 划定区域禁止建设区

禁止建设区边界的确定，可在区域综合环境敏感性评价的基础上，采用“一票否决”的方法。具体来讲，如果环境敏感性评价中某一因子标定为高度敏感区需要保护，可以依据式2，对各因子高度敏感区取“并”的集合，划定在禁止建设区内［5］。

式2中，D为禁止建设区用地范围；ΔUi为规划区环境敏感性评价中因子i标定的高度敏感区；n为环境敏感性评价中的因子个数。

2.3 评价区域建设用地适宜性

与综合环境敏感性相同，目前，建设用地适宜性评价也主要有加权计算和指数计算两种方法。在实际应用中，考虑各评价因子的贡献率很难确定，通常情况下均采用指数计算法来进行计算［5］。具体表示为：

式3中，SE为建设用地适宜性指数；CEi为因子i适宜性等级值；n为因子个数［11］。

2.4 确定规模边界外扩展边界内可用建设用地规模

要合理地划定建设用地扩展边界，首先应该合理确定规模边界外扩展边界内的可用建设用地规模。目前主要有两类方法。一是差值法，即根据规划区建设用地历史增加数据，利用趋势分析法、线性回归法、指数平滑法等方法［12-13］推算规划期内建设用地面积的可能增加值，将该增加值与目前实际规划的规模边界内的新增建设用地总量的差值作为规模边界外扩展边界内的可用建设用地总量。二是情景分析法，即依据目前规划的建设用地规模边界内的建设用地总量，根据建设用地的可能增加趋势，人为确定一定比例的后备新增建设用地数量来作为规模边界外扩展边界内的用地数量，具体表示为：

式4中，SC为建设用地规模边界外扩展规划边界内的建设用地数量；SB为规划期内规模边界内的建设用地总量；α为规划制定者划定的情景比例，如5％、8％、10％等。

2.5 确定建设用地扩展边界

在前4步的基础上，依据土地供求平衡原理，从宏观用地总量需求和微观土地供给相平衡的角度出发，以建设用地扩展边界内建设用地总量为基础，结合GIS空间分析技术，从满足局部建设用地适宜性最大和区域环境敏感性最低的角度完成扩展边界内建设用地的空间分配，从而划定城乡建设用地的扩展边界。具体来讲，可以土地单元（x，y）转化为建设用地的概率P（x，y）高低作为判断标准，在空间上由高到低依次分配建设用地规划的扩展用地［14］。P（x，y）可具体表示为：

式5中，P（x，y）为土地单元（x，y）转化为建设用地的概率；SE（x，y）为由式3计算得到的土地单元（x，y）的建设用地适宜性；SU（x，y）为由式1计算得到的土地单元（x，y）的环境综合敏感性。

3 北京城乡建设用地扩展边界划定的模拟实验

3.1 研究区和数据

由于本文主要介绍城乡建设用地扩展边界的划定方法，并不是一项实际的城乡建设用地规划工作，所以选择具有一定研究基础［15］、数据资料较为完整的北京地区作为模拟实验区来验证该方法。实验所用数据来自于文献15中已经整理好的数字化数据、遥感分类数据和统计数据，实验范围涵盖北京市8个区县级行政单元，总面积为16410.54km2，同时假定来自于文献中基于Landsat TM遥感数据的空间分辨率为30m的北京2004年土地利用现状图［15-16］中建设用地边界为目前规划的建设用地规模边界，重点探讨北京建设用地扩展边界确定方法。

3.2 区域环境综合敏感性评价

针对北京土地利用中的主要环境问题［15］，本文共选取水源保护区敏感性、基本农田保护区敏感性和地形条件敏感性等3个指标，采用GIS空间分析方法对北京市环境综合敏感性进行定量评价。图3（a）、（b）和（c）是区域水源保护区敏感性、基本农田保护区敏感性和地形条件敏感性评价结果，图3（d）是区域环境综合敏感性评价结果。

3.3 区域禁止建设用地划分

依据式2，在建设用地规模边界外，分别提取图3（a）、（b）和（c）中水源涵养区的高度敏感区、基本农田保护区的高度敏感区和地形条件的高度敏感区，划定北京市禁止建设区（图4）。

3.4 区域建设用地适宜性评价

综合区域特点和数据可获取性，主要选取城乡建设用地通达性和交通干线通达性2个指标，利用式3来评价区域建设用地适宜性。城乡建设用地通达性、交通干线通达性和区域建设用地适宜性综合评价结果见图5（a）、（b）和（c）。

3.5 区域建设用地规模边界外扩展边界内的建设用地总量确定

首先出于简化计算过程的考虑，以基于遥感数据的北京市2004年土地利用图为基础，得到假定的区域建设用地规模边界内建设用地总量为2426.89km2［16］。然后采用式4，分别设定5％、8％和10％三种后备建设用地增加情景，得到各情景下建设用地规模边界外扩展边界内的建设用地总量分别为121.34km2、194.15km2和242.69km2。

3.6 确定区域建设用地扩展边界

利用式5，首先得到规划期内非建设用地转化为建设用地的转移概率。然后以转移概率为基础，从高到低依次进行分配得到建设用地扩展边界内的可用建设用地，直到满足不同情景下扩展边界内的可用建设用地总量为止（图6）。从图6可以看出，规划的建设用地弹性边界主要分布于北京市东部平原区建设用地适宜性较高、综合敏感性较低的区域，尤其是顺义、平谷、通州、大兴等区县，六环线、京石高速、京开高速、京津塘高速、京沈高速及顺义—平谷联络线等重要交通干线的两侧，与北京2004—2020年城市总体规划中确定的“两轴—两带—多中心”的城市布局基本吻合，具有一定的合理性。

4 结论和讨论

本文发展了一种基于GIS空间分析技术的建设用地扩展边界划分方法。在利用数学模型定量确定建设用地规模边界外扩展边界内建设用地总量的基础上，充分利用GIS的空间分析功能，综合考虑区域环境敏感性和建设用地适宜性，可以“自下而上”、直观定量地确定区域建设用地扩展边界。北京的模拟实验表明，该方法具有一定的可靠性。如果能够将这种方法确定的区域建设用地扩展边界与以区域地形地貌、河流等自然边界和交通、绿化隔离带等人工边界定性确定的区域建设用地扩展边界综合起来，进一步综合完善，将会明显提高当前土地利用总体规划中建设用地扩展边界划分的科学性。

需要说明的是，由于研究目的和篇幅限制，本文在假设城乡建设用地规模边界已经确定的基础上，讨论了城乡建设用地扩展边界的划分方法，仅在于为当前土地利用总体规划提供方法参考。方法中的不足之处，还有赖于读者在实际使用过程中进一步改进和完善。同时本文以北京为例进行实证研究，实质上是以验证方法可靠性为目的的模拟研究，得到的结果并不是实际的规划方案，这是在研读本文时应该注意的问题。

（References）：

［1］刘康.为什么要建立“城乡建设用地空间管制制度”［N］.中国国土资源报，2008-11-28.

［2］龙瀛，何永，刘欣，等.北京市限建区规划：制订城市扩展的边界［J］.城市规划，2006，30（12）：20-26.

［3］杨小雄，刘耀林，王晓红，等.基于约束条件的元胞自动机土地利用规划布局模型［J］.武汉大学学报（信息科学版），2007，32（12）：1164-1167.

［4］汤晓雷.基于RS的土地利用规划环境影响评价方法研究——以汉南区为例［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［5］谢花林.生态安全评价法和GIS在土地利用规划环境影响评价中的应用［A］.全国规划环境影响评价技术与管理优秀论文集［C］.

［6］北京市统计局.北京统计年鉴2005［M］.北京：中国统计出版社，2005.

［7］宗跃光.大都市空间扩展的廊道效应与景观结构优化——以北京地区为例［J］.地理研究，1998，17（2）：119-124.

［8］刘盛和，吴传钧，沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用扩展模式［J］.地理学报，2000，55（4）：407-415.

［9］Wu Q.，LiH.，Wang R.，etal.Monitoring and predicting land use change in Beijing using remote sensing and GIS［J］.Landscape and Urban Planning，2006，78（4）：322-333.

［10］李爱贞，周兆驹，林国栋，等.环境影响评价实用技术指南［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［11］王海鹰，张新长，康停军.基于GIS的城市建设用地适宜性评价理论与应用［J］.地理与地理信息科学，2009，25（1）：14-17.

［12］王瑛.土地利用总体规划中净增建设用地指标分配研究——以柳州市为例［D］.武汉：华中农业大学，2008.

［13］吴桂平，曾永年，杨松，等.县（市）级土地利用总体规划中耕地需求量预测方法及其应用［J］.经济地理，2007，27（6）：995-998，1002.

［14］何春阳，史培军，陈晋，等.基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模拟研究［J］.中国科学（D辑），2005，l35（5）：464-473.

［15］李景刚，何春阳，李晓兵.快速城市化地区自然/半自然景观空间生态风险评价研究——以北京为例［J］.自然资源学报，2008，23（1）：33-47.

［16］黄庆旭，何春阳，史培军，等.城市扩展多尺度驱动机制分析——以北京为例［J］.经济地理，2009，29（5）：714-721.