基于GIS的土地利用规划空间布局合理性评价

李建春，张军连，周 杨，李宪文，肖 霖，袁雪红

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.中国土地勘测规划院，北京 100035；3.银川市国土资源局，宁夏 银 川 750003）

1 前言

土 地利用总体规划由各级人民政府组织编制，对一定行政区域内的土地利用起总体控制作用，是进行土地管理的重要手段[1]。市（县）级土地利用总体规划，以指标控制和土地用途分区管制为核心。由于地方政府存在着实现自身利益最大化的动机[2]，试图凭借修编土地利用总体规划的契机，扩大城市用地规模[3]、减少耕地数量与降低耕地质量[4]，因而一些地区土地利用规划成果，偏离了土地资源集约、节约与合理利用的目标。在规划编制与管理的实践过程中，对 于规划中土地利用结构的调整可通过上级规划下达的指标进行数量控制与约束，而对于土地利用总体规划布局的 安排，则缺少评判的客观标准，从而导致规划在编制、调整与执行过程中，土地利用空间布局存在了较多不合理之处，如城镇发展“贴边建设”、基本农田“上山下水”等现象。因此，为了及时发现土地利用规划方案中存在的问题，进一步完善规划成果，亟待对土地利用规划空间布局的合理性建立一套客观可行的评价方法与指标体系。

国内外学者对土地利用总体规划的相关评价研究，多集中于运用多种数理模型与方法来评价土地利用规模与结构变化[5]，而对于土地利用规划空间布局评价研究，还处于探索阶段。土地利用规划布局的相关研究成果不仅可以应用于多种布局方案的优选，并且其方法体系也适用于规划后期的相关评价[6]。有部分学者把土地适宜性评价、景观生态学理论等方法应用到土地利用布局研究中，取得了一定成果[7]。然而，目前相关研究报道大多仍然沿用了土地适宜性评价的思路与方法体系，即通过选取主要的土地利用类型，如耕地或建设用地布局作为研究对象，分析地类的变化及其相互之间的空间关系，从而得出相应的结论。采用这种研究思路存在一定局限性，事实上，市（县）级规划主要强调预期安排，并且规划确定的土地利用布局基于土地利用功能（用途）分区而不是某一地类，功能（用途）分区又是一个边界模糊与不确定的概念。鉴于此，本文在已有研究基础上，以土地利用规划的直接成果——土地利用规划功能分区作为研究的切入点，并在此基础上结合多方面因素，从宏观、符合土地利用规划实际特点的层面分析和评价土地利用规划 的空间布局。

2 土地利用规划布局 合理性评价方法体系与指标选取

2.1 评价对象与目标

2.1.1 土地利用功能分区 土地利用功能分区指为合理利用土地、控制和引导土地利用的主要功能，根据土地的自然、社会经济条件的差异性及土地分类与土地利用方向的相对一致性，在土地利用规划中划定的土地利用类型的空间区域[8]。规划中确定的土地利用功能分区为有效落实用途管制制度，有针对性地制定管理政策，实行差别化管理提供了重要的基础和依据[9]。

2.1.2 土地利用规划空间布局合理性目标 联合国粮食与农业组织（FAO）编制的土地利用规划指南强调了土地利用适宜性的重要作用，作为最佳土地利用的选择，土地利用规划的核心内容以土地评价为基础，不仅包括自然质量的适宜性评价，也包括经济效益的评价和环境效应适宜性的检验[10]。同时，根据系统论的观点，土地利用的实质为土地自然生态子系统和土地社会经济子系统耦合而成的土地生态经济系统[11]，因而在通过规划调控实现系统最优化的过程中，一个重要的指标测度就是系统协调度。因此，土地利用规划功能分区的空间布局合理性即包括了自然经济的适宜性和系统要素的协调性两个方面，本文基于此理论构建指标体系。

2.2 评价指标与方法

评价指标分为适宜性指标[12]、协调性指标[13]以及合理性指标。在本文中，通过定义适宜性指数与协调性指数来分别反映土地利用功能分区的适宜度与协调度，而合理性指标是结合适宜性指数与协调性指数对土地利用功能分区进行综合评判的总体性指标。由于受到各个限制性因素的影响，规划形成的方案实际是综合取舍、博弈均衡的结果，需要综合考虑得出结论。主要评价方法有：

（1）经验指数和法。在进行综合评价时，国内外通常采用的方法有经验指数和法、经验指数乘积开方法、模糊聚类法以及动态模拟法等[14]。从实践来看，参评指标之间若没有明显的限制与相关性，经验指数和法的应用较为成熟[15]，本文基于经验指数和法完成了适宜性指数、协调性性指数以及布局合理性指数的定义。

式1—式3中，SP为土地利用功能分区的适宜性指数；CP为协调性指数；RP为合理性指数；F为某一评价单元某项评价因子的量化分值；W为因子权重；i、j表示某项因子；m、n为参评因子个数。各项指标权重采取熵权法[16]与特尔菲法相结合来确定。综合上述指标得到的适宜性指数、协调性指数与合理性指数的结果为一个相对值，分值在0—100之间，分值越高代表其布局越合理，可以选取经验分值低于50的区域，认为布局中存在的不合理因素较多，并以此作为量化评判标准。

（2）GIS空间分析与建模。根据本文所选取的评价指标，对空间属性数据进行分析与整合时，需要借助相关软件实现表面坡度计算（Surface Analysis）、叠加分析（Overlay）与距离分析（Proximity）等。ArcGis软件平台在空间分析与处理的过程中优势比较明显。土地利用规划布局合理性评价方法与技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线图Fig.1 Flowchart of the study

3 研究实例

3.1 研究区域概况

银川市位于黄河上游宁夏平原中部，地域范围在东经105°45′—107°00′和北纬37°20′—39°00′之间，是中国的历史文化名城，素有“塞上江南”的美称。现辖5个区（县），土地总面积3927 km2。2012年末，总人口180.68万人，其中城市人口141.68万，地区生产总值达到889.73亿元，占宁夏地区生产总值的38.24%，宁夏自治区的政治、经济与文化中心。银川市作为西北地区重要城市之一，土地利用类型多样，近10年来社会经济发展迅速，土地利用与覆被变化特征明显，考虑到其规划体系完备、研究资料充分，作为研究区域优势明显。

3.2 数据来源及处理

结合银川市土地利用规划编制中实地调研资料，分别选取银川市《银川市土地利用总体规划（2006—2020）》 1∶10万土地利用规划数据库成果中提取土地利用功能分区，1∶5万银川市数字高程模型（ASTER DEM影像数据）获取坡度的栅格数据，2009年第二次土地利用调查变更数据获得现状土地利用类型、道路、河流与沟渠等要素，2005年银川市农用地分等定级与估价成果中提取农用地土壤质地、盐渍化程度等要素，并从城市规划、宁夏自治区土地利用规划提取相关的矢量图层，从银川市2006年统计年鉴、各个县乡国民经济规划取得经济与背景资料。把各种矢量格式数据统一转换成Shapefile文件格式，进行统一的投影坐标转换，重构矢量数据的空间拓扑关系，并把各个空间数据导入Arcinfo Desktop 9.3软件平台，通过Join命令连接非空间属性字段，形成土地利用规划布局综合评价数据库。

3.3 评价因子量化方法

规划一致性指数（POI）可以反映上下级土地利用规划或相关规划确定的功能相同或相似分区的空间布局的一致程度，计算方法如下：

式4中，So为规划确定功能分区与相关规划对应的功能分区重叠部分的面积；Sf为本级规划确定的土地利用功能分区的图斑面积。

采取地类一致性指数（TCI），量化土地利用功能分区与相应的土地利用类型之间空间的一致程度：

3.4 空间布局评价指标选取

选择指标时，将土地利用功能分区划分为农业功能分区、建设用地功能分区和生态功能分区3大类[17]。

3.4.1 农业功能区评价指标 农业功能分区包括基本农田集中区、一般农地区、林业用地区、牧业用地区，这些分区主要为农业生产服务，对自然条件较为敏感。由于不同分区的敏感程度不同，所以设定权重取值有所不同。本文结合银川市引黄灌溉区域特点，适宜性指标分别选取了坡度、土壤质地、土壤盐渍化程度和河流、灌排设施距离4个指标；协调性指标则分别选取了上级规划一致性指数、分区图斑面积、规划城镇工矿区距离、地类一致性指数4个指标。指标量化标准确定参考了农用地分等定级标准、城市规划及一些文献研究成果[18]，对于缺少相关研究的协调性指标的权重的确定采用德尔菲法，进行专家打分综合取值。指标量化标准及权重见表1。

3.4.2 建设功能分区评价指标 建设功能分区包括城镇村发展区和独立工矿区，这两个分区都以城镇与产业发展为主，对于社会经济因素较为敏感，因此，主要选择社会经济相关指标进行布局评价。适宜性评价分别选取社会经济发展程度，距主要交通路线距离，距生态敏感区距离3个指标；协调性指标则选取了区域功能定位、上级规划一致性指数、相关规划一致性指数，新增建设用地占耕比例4个指标。其中，社会经济发展程度以乡镇为单元进行分级，从统计年鉴中获取各乡镇的GDP、人口、固定资产投资主要经济指标后，通过SPSS软件K-means聚类算法得出不同乡镇的5种发展类型；区域功能定位是通过城市规划中确定的城镇主导功能与发展方向进行量化与分级。指标量化标准及权重见表2。

表1 农业功能区布局评价指标表Tab.1 The evaluation table of agriculture function zoning

表2 建设功能区布局评价指标表Tab.2 The evaluation table of constructing function zoning

3.4.3 生态功能分区评价指标 生态功能分区包括生态环境安全控制区和自然与文化遗产保护区。这两个分区对于保护自然环境，改善土地生态具有重要意义。适宜性指标选分别取了生态敏感区距离、重大生态工程距离、自然保护区距离3个指标；协调性指标则选取了上级规划一致性指数、生态规划一致性指数、生态地类一致性指数3个指标。其中，生态性地类指的是土地利用现状中具有重要生态功能的用地类型（林地、滩涂、水域），同时结合银川市贺兰山国家自然保护区规划确定的自然保护区的范围。指标量化标准及权重见表3。

3.5 评价结果与分析

由于评价过程中选择的指标较为复杂，为简化实际操作过程中的复杂性与重复性，本文选取了Arcgis集成的Model Builder[19]工具来实现综合分析与计算，最终评价结果如表4和图2所示。

3.5.1 土地利用规划空间适宜性评价 银川市土地利用规划的适宜性指数在0—50之间，按面积比例权重确定全市的平均适宜性指数为36.11，其中基本农田集中区的适宜性指数最高，达45.53，生态环境安全控制区的适宜性指数最低，仅为9.87。土地适宜性指数分为5级，结合可视分析：适宜性指数分布较高的区域位于银川市北部平原区的基本农田和一般农地区域；适宜性指数较低的区域则分布在银川市西北部的生态环境安全控制区与中心城区南部的城镇村发展区与独立工矿区，生态环境安全控制区主要规划在了远离城镇发展区的裸地与山地上，距离生态工程的距离较远，因而适宜性较低；银川市中心城区北部和与南部的建设功能分区，受到水源保护地和阅海湖湿地森林公园距离的影响，适宜性较低。

3.5.2 土地利用规划空间协调性评价 银川市土地利用规划的协调性指数在0—57之间，平均协调性指数为34.12，其中牧业用地区的协调性指数最高，为46.58，生态环境安全控制区的协调性指数最低，为19.43。协调性指数分为5级，协调性指数较高的区域集中分布在中心城区外围的农业用地区，这些区域既和上级规划相一致，同时又和现状地类相协调，受城镇扩展的影响较小，因而协调性指数较高。协调性低的功能分区集中分布在两个区域，一是中心城区外围的西夏工业园，永宁工业园与贺兰工业园,另一个位于兴庆区北部的一般农地区，该区域是规划确定的土地开发的重点区域，与现状的土地利用类型（牧草地）不协调。

表3 生态功能区布局评价指标表Tab.3 The evaluation table of ecological function zoning

表4 土地利用规划布局合理性评价结果表Tab.4 The result table of evaluating land-use function zoning

图2 土地利用规划空间布局合理性评价图Fig.2 Rationality evaluation map of space layout in overall land use planning

3.5.3 土地利用规划空间布局合理性评价 银川市土地利用规划的合理性指数在0—95之间，平均合理性指数为70.23，其中基本农田集中区的合理性指数最高，达77.20，生态环境安全控制区的合理性指数最低，为29.30。按照等间距分为5级，合理性指数较高的区域分布在中心城区外围的农业利用土地，银北平原引黄灌溉农业历史悠久，北部贺兰县是国家重要的商品粮基地，有大面积的优质基本农田，评价结果实际情况相符；分布在城镇周边的城镇村发展区和独立工矿区的合理性指数较低，说明银川市规划也部分存在着城镇及工业园区“贴边”发展的现象，以此来突破相关规划对于中心城区的规模控制。同时位于西北部的生态环境安全控制区，合理性指数也不高，说明规划中还应平衡经济发展与土地生态环境的保护这两个目标。

4 结论

本文试图从土地利用功能分区这个角度来定量描述土地利用规划空间布局的合理性，主要的研究成果有：（1）针对土地利用功能分区的相似性，把土地利用功能分区分为农业功能、建设功能、生态功能三种类型，选择评价指标，同时根据不同功能分区的特点确定指标权重，建立了指标和方法体系。（2）结合GIS技术实现空间的计量与分析，并通过建立标准评价流程，应用了Arcgis中的建模工具完成了多指标、多类型评价单元的空间分析评价。（3）选取银川市土地利用规划，进行实例研究，通过结合当地的特点进行综合评价，指出了银川市级规划中存在的城镇与独立建设用地“贴边”发展以及对土地生态保护不够重视等规划布局中普遍存在的问题。

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