基于元胞生态位适宜度模型的低丘缓坡土地开发建设适宜性评价

李红波，张 慧，赵俊三，袁 磊

（1.昆明理工大学土木工程学院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

基于元胞生态位适宜度模型的低丘缓坡土地开发建设适宜性评价

李红波1，2，张 慧2，赵俊三2，袁 磊2

（1.昆明理工大学土木工程学院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

研究目的：评价低丘缓坡土地开发建设适宜性。研究方法：以GIS为系统环境，通过元胞自动机模拟地理空间过程，“生态位”确定元胞邻域之间的转换规则，构建元胞自动机生态位适宜度模型。研究结果：模型运行得出了安宁市低丘缓坡土地开发建设适宜性的等级图谱，适宜建设区域主要分布在低丘缓坡区域的东北部，模型运行有效。研究结论：元胞生态位适宜度模型运行结果生态意义明确，适用于生态保护为目的的同质性区域建设用地适宜性评价，为评价、优化和编制低丘缓坡专项规划方案奠定了很好基础，也为类似的山地土地利用适宜性评价提供了方法借鉴。

土地评价；低丘缓坡； 建设适宜性评价；元胞自动机；生态位

1 引言

在当前建设用地日益紧缺的大背景下，低丘缓坡已成为工业发展城镇建设空间扩展的重要选择。目前，低丘缓坡土地综合开发利用处于摸索阶段，开发过程采取先行先试，尽管积累了一定的经验，但是在理论与方法准备不足，经验尚在积累，低丘缓坡土地利用专项规划尽管可以借鉴平原地区的理论模式和实践经验，但由于山地与平原有天壤之别[1]，试点区域普遍制订了“宜农则农、宜林则林、宜建则建”开发建设原则，而其划分边界的具体依据尚不清楚，因此，亟待探索与山地相适应的开发建设理论与方法。山地丘陵可用地资源和耕地资源一样，也具有稀缺性和不可再生性，科学、合理、高效地推进低丘缓坡土地的开发建设，其首要的任务是要通过对低丘缓坡土地特别是建设用地进行适宜性评价，而选择科学的评价方法是理解与判断整个低丘缓坡土地开发的前提与基础。

土地适宜性评价一般方法已有很多研究，基本分成两大类：一类研究采用纯数理分析法，如聚类分析法[2]、或基于可拓工程的优度评价法、结合分值分布的频率直方图评价建设用地适宜性[3]，或用层次分析法分析土地利用规划要满足环境、生态、食物等多目标平衡的要求[4]。这类数理分析法需要大量的先验知识来建立影响因子之间的数学关系，建模过程中过多地注重影响因子的选择和量化，对空间过程信息的揭示明显不足。另一类研究在GIS平台上采用加权指数法评价山地未利用地适宜性[5]，以GIS栅格技术为支撑，利用多因素加乘复合算法和互斥性矩阵分类方法进行城镇建设用地适宜性评价[6]，利用GIS进行栅格运算，加权叠加各单因子和极限值法评价未利用地适宜性[7]，或者多因素统计法评价农村居民点用地适宜性[8]，也有采用GIS空间分析结合人工智能方法用于土地的适宜性评价[9]。这类研究方法借用GIS空间分析手段采用图斑或网格来划分评价单元，模拟了一定的空间信息，微观层次单元因子主要反映单元自身的适应性，土地适宜性宏观评价结果表现为评价区域统计值，而不能反映单元评价因子之间关系。事实上，评价单元之间是存在生态关系的，生态学意义是反映当两个生物单元利用同一资源或共同占有其他环境容量时，必然产生竞争与排斥关系，微观单元之间的邻居生态关系，体现为周围土地利用单元之间的协调关系，宏观涌现成为评估区域适宜的土地利用类型。因此，本文遵循在低丘缓坡开发利用的过程中将保护生态环境放在首位，拟构建元胞生态位适宜度模型用来评价低丘缓坡土地开发建设适宜性。

2 数据来源与评价方法

2.1 研究区概况

安宁市位于滇中高原东中部，滇池西面，距昆明市区32 km，为昆明市近郊县级市。地理优越、交通发达，320国道直通缅甸，昆安、安楚高速，安晋高速、昆广铁路、成昆铁路等穿境而过，柏油路直达各行政村。辖7镇2街道办事处，人口31万。全市总面积为1321 km2，山区、半山区面积占65%，坝区（盆地）面积占35%。南北长66.5 km，东西宽46.4 km。地形北宽南窄如锥形，地势南高北低，但起伏不大，高差较小。大部分山态舒缓、宽展，背斜为山，向斜为谷。土壤类型为红壤，森林覆盖率为38.6%，现有林地面积819.71 km2，占全市总面积的61.95%。境内河流分属两大水系，即金沙江水系和红河水系。直观而言，安宁市低丘缓坡土地开发利用潜力较大，而准确的土地开发建设适宜性图谱有待探索。

2.2 数据来源

安宁市域内相关数据：1︰10000的土地利用现期状态图（2010年）；根据安宁市土地利用“十二五”规划环境影响评价数据集，包括地形图、地质灾害图、交通图、大气环境功能区、土壤图、水环境功能区、自然保护区、生态脆弱区、水源地保护区、森林公园、山区生态涵养区、基本农田保护区、风景名胜区、生态环境功能区等；地质矿产图、构造纲要图；根据市区统计年鉴统计经济、人口等社会数据。通过ArcGIS 10.0 的转换工具，将矢量数据转换为50 m×50 m的栅格数据。

2.3 适宜建设元胞“生态位”及元胞生态位适宜度评价方法

适宜建设元胞“生态位”首先是指元胞在生境所处的空间位置，另一方面是指其在建设过程中所发挥的作用和所处的地位。每一个微观元胞所在自己的生态位，在二维空间上宏观表现为区域差异性。

低丘缓坡土地进行开发建设要考虑多种因素影响，这些因素包括地形地貌、地质地震条件、自然地质灾害、交通条件、城市集聚效益、供水条件等，从而构成一个多方面土地需求因素空间，这种多方面需求因素空间定义为需求生态位。低丘缓坡开发建设的土地需求因素形成需求生态位，同时CA的元胞现期状态也构成对应土地供给因素空间[10]，两者之间的匹配关系反映了元胞的现期状态多因素影响条件对低丘缓坡土地开发建设的适宜程度，用生态适宜度来度量。

当元胞的现期状态多因素条件完全满足低丘缓坡开发建设的要求时， 低丘缓坡土地开发建设生态位适宜度为1，当元胞的现期状态多因素条件完全不能满足低丘缓坡开发建设要求时，低丘缓坡土地开发建设生态位适宜度为0。

参照相关文献分类方法[10]，把需求因素分成三类，第一类要满足其最低要求，而且越大越好，如：地基承载力、离断裂带的距离等因素。对于该类因素，元胞的生态位适宜度的表达公式如下：

式1中，Eτ为τ种因素的元胞生态位适宜度；χτ为现期状态值；δτmin为τ种因素的最低值；δτopt为τ种因素的理想值。

第二类是指在土地可供给范围内多因素影响存在一个适宜的区间，影响过小或过大均作为限制因素。如：相对高差因素，相对高差太大，低丘缓坡资源开发建设存在限制，而相对高差太小，低丘缓坡特征不明显。对于这类因素，元胞生态位适宜度的表达公式：

式2中，δτmax为τ种因素限制的最高值，其他符号同式1。

第三类是指现期状态值越低越好，如灾害发生频率、距离主要交通干道的距离以及距离中心城镇的距离等。对于这类因素，元胞的生态位适宜度表达公式：

低丘缓坡土地开发建设需求因素构成的需求生态位是一个多种因素形成的多维生境空间。根据Shefold限制性定律：在质量上的缺陷或数量上的不足，任何一个生态因子就会导致该生物衰弱或消亡[11]。Shefold定律同样适合用于分析低丘缓坡土地开发建设与因素的关系，任何因素的现期状态条件在质量上的缺陷或数量上的不足，就会成为开发建设的制约因素。因此，在适宜建设CA中，多因素的元胞生态位适宜度表达公式：

式4中，E为多因素的元胞生态位适宜度；Eτ为某一种因素的元胞生态位适宜度；n为各因素种类之和。

2.4 元胞自动机的转换规则

在元胞自动机中，对标准CA模型转换规则的限制条件适当地放宽，确定性的转换规则被概率转换规则所代替[12]。对于低丘缓坡土地是否适宜建设，首先要确定需求生态位，根据“生态位”CA的元胞现期状态条件与需求生态位的耦合关系，计算元胞的生态位适宜度。元胞生态位适宜度越低，其对应的“生态位”就越低，在低丘缓坡资源建设适宜性评价中，该元胞的竞争力也就越弱，其宜建性的概率越小。反之，元胞生态位适宜度越高，其宜建性的概率越大。“生态位”元胞自动机的转换规则表达公式：

式6中，M（suitable（ij））为4×4领域窗口内适宜建设的像元数。

求出元胞生态位的建设适宜性概率以后，根据概率大小将其分级，分级标准如下：

表1 适宜性评价结果分级表Tab.1 Suitability evaluation levels

由式5—式6以及表1可以看出，“生态位”CA模型的转换规则生态学意义非常明确，决定了在转换规则方面常规的元胞自动机模型与“生态位”元胞自动机模型存在差异，其转换规则从生态学的角度出发，以因地制宜，生态优先，处理好开发和保护的关系，坚持保护与保障并重为原则，选取各类限制性因素，由需求因素的最优值、最高值以及最低值决定。

3 元胞生态位适宜度计算

3.1 评价因子的选择

与平原地区相比，山地地形地貌复杂，导致开发技术难度加大。山区生态系统比较脆弱，稳定性差，地貌环境抗干扰能力低，灾变敏感度高，对自然和人为作用的承载能力低，容易发生崩塌、滑坡、泥石流等灾害。安宁市域内低丘缓坡尚未开发建设或者开发程度低，因此，适宜建设的需要生态位评价因素主要考虑地形地貌、地质地震条件、自然地质灾害、交通条件、城市集聚效益、供水条件等因素组成，采用德尔菲法和层次分析法确定各生态因子的权重（表2）。

表2 适宜建设需求的生态位因素及生态因子Tab.2 Ecological niche indicator of construction suitability

3.2 数据处理及计算

遥感影像提取的信息，土地利用现期状态图、地形图和相应比例尺的变更调查原始图件等预处理后放入Geodatabase数据库。以数据库和GIS的二维网格为基底提供系统环境，CA的元胞布满整个网格，元胞自动机代表影响地理变化的各种空间过程，模型选择性能稳定的Von Neuman结构，由“生态位”确定元胞邻域之间的转换规则，根据转换规则，每个元胞与4个邻居元胞相互作用、相互协调形成自身的土地利用生态位，土地利用的生态位宏观表征出不同土地利用类型占用新生境的能力。每个元胞与4个邻居元胞相互作用过程通过迭代追踪局地最优适应值和全局最优适应值，微观元胞不断调整自身土地利用方式和类型选择，这样无数微观元胞相互作用涌现成宏观区域土地利用适宜性状态。

根据表2以及式1—式3计算各因素的元胞生态位适宜度，由GIS空间模拟运行得到的结果，再根据式4计算多因素的建设适宜性生态位适宜度 ，GIS空间模拟运行得到图1。

3.3 约束条件分析

将元胞所在区域的土地利用类型设定为约束条件，其值为0—1，位于优质耕地以及林地，基本农田保护区，国家级、省级公益林以及重要水源地的区域，不适宜进行建设，其值取0；位于建设用地，荒滩、未利用地等区域，其值取1；其他类型的取值在0—1，条件约束下的GIS模拟运行结果得到图2。

图1 多因素的元胞生态位适宜Fig.1 Ecological niche suitability of multi-factors

图2 约束条件取值结果图Fig.2 Effects value of constrained conditions

图3 适宜建设概率结果图Fig.3 Probability of construction suitability

3.4 模拟结果

根据式5，计算得出元胞在T时刻适宜建设的概率 ，GIS模拟运行结果得到图3。

根据表1的适宜性评价分级和适宜建设的概率，GIS模拟运行分级结果如图4（封三）所示。

根据图3和图4 ，可以看出适宜建设的区域主要分布在低丘缓坡区域的东北部，不适宜建设的主要区域正北和南部的区域，以“宜农则农、宜林则林、宜建则建”为原则，根据 “生态位”CA模型的转换规则，又可将不适宜的分为宜农区、宜林区，从而可以得出安宁市低丘缓坡资源的宜农区主要分布在中部，宜林区主要分布在南部和正北，宜建区主要分布在东北部。

为显示元胞生态位模型的优点，进一步采用了空间模糊聚类算法进行比照。将模糊隶属度分析与聚类算法的过程中的相关参数和结果作为可视化要处理的对象，采用色彩差明显的彩色图例描绘土地建设适宜性分级图（图5，封三）。基于空间模糊聚类算法运行得到的分级图与元胞生态位模型运行结果图相比较，前者明显的特点是，在隶属度函数和聚类算法运算规则作用下，在某一等级为主的适建性区域内，其他等级的适建性小区域范围消失或缩小；而后者运行结果分级图中某一等级为主的适建性区域内明显散布着其他等级的适建性小区域。两种方法得到结果细部差别明显，中等和勉强适宜区域面积前者要稍多于后者，但总趋势判断趋于一致。因此，图4显示的结果比图5更精确，更切合实际情况。

4 结论

（1）元胞生态位适宜度模型运行得出了安宁市低丘缓坡资源的建设适宜性的等级图谱，根据建设适宜性的等级划分了安宁市低丘缓坡资源的宜农、宜林、宜建区域，结果不仅符合现场踏勘直观粗略判断，而且等级图谱精确显示了建设适宜区域的禁止边界和过渡边界，对比分析也表明模型运行有效。元胞生态位适宜度模型的构建为低丘缓坡建设的因地制宜适时用地选择机制提供了依据和参照，也为评价、优化和编制低丘缓坡专项规划方案奠定了很好基础，同时也为类似的山区土地开发建设用地适宜性评价提供了方法借鉴。

（2）尽管模型借助元胞自动机将微观土地单元自组织和宏观区域土地利用功能分区能够有效结合，提高模型对土地利用复杂系统的表达能力，但在模型运行时，需求生态位相关因子选择以及各因子要求参变量（如最优值、最高值以及最低值）确定需要根据具体地区或地块地形地貌等自然环境和产业、人口等社会环境进行调整和修正。另外，部分因子的增减和目标值依赖丰富的专家经验来确定，难免带有主观性。因此，模型运行结果能很好地反映同质性区域内不同地块之间建设用地相对适宜性评价，但对异质性显著（如平原和山区）的区域进行建设用地适宜性整体性评价可能作用有限，这是由于自然地理环境好的区域都成为建设用地与非建设用地理所当然的选择，环境适宜性和经济适宜性存在空间上的一致性。然而，与一般适宜性评价方法比较而言，本文模型结果生态意义明确，满足了低丘缓坡土地综合开发必须把生态环境保护作为重要前提的原则要求，在以生态保护为出发点的同质性区域建设用地适宜性评价中具有明显优势。

（References）：

［1］Aldo O. Oliva G, Antonio R N , Ram ó n M S , et al. Urban development and human activity as factors in terrain instability in Tijuana ［J］. Engineering Failure Analysis, 2012，19（1）： 51 - 62.

［2］陈伟，肖丽群，吴群. 长三角地区耕地非农流转适宜性评价及管制分区初步研究［J］. 中国土地科学，2012，26（6）：79 - 84.

［3］薛继斌，徐保根，李湛，等. 村级土地利用规划中的建设用地适宜性评价研究［J］. 中国土地科学，2011，25（9）： 16 - 21.

［4］Kang S., Post W., Wang D., et al. Hierarchical marginal land assessment for land use planning ［J］. Land Use Policy，2013，30（1）：106 - 113.

［5］袁磊，赵俊三，李红波，等. 云南山区宜耕未利用地开发适宜性评价与潜力分区［J］. 农业工程学报，2013，29（16）：229 - 237.

［6］曲衍波，张凤荣，杜素芹，等. 平谷区城镇建设用地生态经济适宜性评价方法［J］. 中国土地科学， 2010，24（12）：21 - 27 .

［7］韦仕川，吴次芳，杨杨. 黄河三角洲未利用地适宜性评价的资源开发模式——以山东省东营市为例［J］. 中国土地科学，2013，27（1）：55 - 61.

［8］郭月婷，廖和平，徐建刚. 三峡库区农村居民点用地适宜性评价［J］. 农业工程学报, 2012，28（5）：252 - 259.

［9］Yu J, Chen Y, Wu J. Modeling and implementation of classification rule discovery by ant colony optimization for spatial land-use suitability assessment ［J］. Computers, Environment and Urban Systems，2011，35（4）： 308 - 319.

［10］蒙莉娜，郑新奇，赵璐，等. 基于生态位适宜度模型的土地利用功能分区［J］. 农业工程学报，2011, 27（3）：282 - 287.

［11］Gaikwad J, Peter D. Wilson, Shoba Ranganathan. Ecological niche modeling of customary medicinal plant species used by Australian Aborigines to identify species-rich and culturally valuable areas for conservation ［J］. Ecological Modelling，2011，222（18）：3437 - 3443.

［12］刘小平，黎夏，彭晓娟．“生态位”元胞自动机在土地可持续规划模型中的应用［J］. 生态学报，2007，27（6）： 2391 - 2402．

（本文责编：陈美景）

Evaluation on Land Suitability for Development and Construction in Low Hill and Gentle Slope Area Based on CA-Niche-Suitability Model

LI Hong-bo1,2, ZHANG Hui2, ZHAO Jun-san2, YUAN Lei2
（1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science & Technology, Kunming 650500, China; 2. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science & Technology, Kunming 650093, China）

The purpose of this paper is to evaluate the land suitability for developing the low hill and gentle slope area（LHGSA）. The employed method is to establish the CA-Niche-Suitability （CNS） model by geographical spatial process simulation of cellular automata （CA） with niche-based neighbor conversion rules on GIS platform. The results indicate that the model effectually does the hierarchy mapping for land suitability for development and construction in LHGSA and the maps show the suitability construction district locates in northeastern LHGSA. It concludes that CNS model with explicit niche is fit to evaluate land suitability for developing the homogeneity area for the purpose of ecological conservation. Meanwhile, the model is good presupposition and basis for appraising, optimizing and madding the subplan for LHGSA. It is also the approach reference of evaluating land suitability in similar hilly area.

land assessment; low hill and gentle slope area; the land suitability evaluation for development and construction;cellular automata （CA）; ecological niche

F301.24

A

1001-8158（2014）06-0023-07

2013-08-08

2013-09-30

国家自然科学基金项目（41261043；41161062）。

李红波（1973-），男，湖北应城人，教授。主要研究方向为土地资源管理。E-mail:lihb20132013@163.com