快速城镇化过程中建设用地空间安全预警分析

李 灿，张凤荣，王 枫，胡月明

（1.华南农业大学公共管理学院，广东 广州 510642；2.国土资源部建设用地再开发重点实验室，广东广州 510642；3.广东省土地利用与整治重点实验室，广东 广州 510642；4.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

快速城镇化过程中建设用地空间安全预警分析

李 灿1,2,3，张凤荣4，王 枫1，胡月明2,3

（1.华南农业大学公共管理学院，广东 广州 510642；2.国土资源部建设用地再开发重点实验室，广东广州 510642；3.广东省土地利用与整治重点实验室，广东 广州 510642；4.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

研究目的：基于空间视角，探索建设用地空间安全预警的思路与方法，使预警结果在空间上直观体现出来。研究方法：利用ArcGIS空间分析技术，采用因子加权分析法和数理分析法，构建预警评价指标体系。研究结果：北京市顺义区建设用地空间扩展警情态势相对严峻，重警及其以上的区域主要集中在高丽营、赵全营、李桥、北务等西部和南部镇区，并且规划被打破和诸多优质耕地被侵占的警情严重。未来顺义区需加强城市管理与规划部门对城镇扩展的空间管控能力。研究结论：本文研究提出的空间预警方法与思路能够迅速发现建设用地扩展的空间因素及其格局特征，能为城镇发展与规划指导提供有效的参考。

土地利用；建设用地；空间预警；顺义区

1 引言

土地资源安全预警分析是对区域土地资源开发利用未来的演化趋势进行预期性评价，以提前发现未来可能出现的问题，预报土地利用未来状态的时空范围和危害程度，并提出方法措施的一种管理活动[1]。土地资源安全预警是当今国际社会公共管理改革发展的新方法，是资源环境紧张形势下土地管理的有效手段。J. T. McCloskey等运用贝叶斯网络模型来识别土地开发区域与保护区域之间潜在的冲突，为优化目标制定提供决策依据[2]；G. Zurlini等探索了跨尺度的土地覆盖格局下地中海地区荒漠化的预警信号以及与社会生态景观之间的关系[3]；M. Piquer-Rodr í guez等对西班牙东南部土地利用变化对保护区未来网络连通性的影响进行了预警分析[4]；Li Yangfan等运用P-S-R模型开展了对中国厦门快速城市化地区景观生态安全预警分析[5]。国内学者围绕耕地保护[1,6-8]、粮食安全[9]、土地生态环境与安全[10-11]、土壤质量及污染防治[12]，以及土地预警管理与系统构建[6,13-14]等方面开展了相关研究。上述成果更多重视从时间维度和可持续发展的角度看待土地资源利用数量上的危机，而从空间规划和环境承载的角度对土地利用空间内涵的探索还不够重视。在资源环境问题凸显的形势下，更需要土地管理者强调对土地利用“过程”的掌控，重视对土地利用空间过程的探索，因为空间上的可视化预警分析更具有强烈的震撼作用，且由于土地资源的不可移动性和不可替代性，数量预警只是显示了警示危机的程度，而空间预警进一步表明了警示危机的格局。因此，在快速城镇化过程中，探索土地利用空间变化的趋势和警情状态能够发现土地问题的空间因素与分布格局，从而有针对性地提出预防措施和办法，特别是针对建设用地空间变化的预警分析能为城镇发展政策和规划空间指导提供有效的参考。本文基于土地利用的空间视角，尝试对建设用地利用的空间安全状态进行预警分析，为拓展土地空间预警思路提供参考。

2 数据准备与预警思路

2.1 研究区概况

顺义区位于北京市东北郊，地理位置处于40°01′— 40°18′N和116°28′—116°59′E，土地面积1019.37 km2，约占北京市土地总面积的6.22%，辖12个建制镇7个办事处。2013年实现地区生产总值1232.20×108元，居北京市所有区县第5位，三次产业结构为2.0∶45.9∶52.1，人均GDP接近20000美元，社会经济发展进入后工业化阶段和新型城镇化阶段。与此同时，顺义区城镇建设扩展迅速，土地利用经历着复杂而剧烈的变化，属于大都市近郊农用地向建设用地快速转变的典型区域，面临着城乡转型、新型城镇化等诸多挑战。

2.2 数据来源与准备

本文所使用的数据包括：顺义区2013年土地利用图及2020年土地利用模拟图、土地利用变化转化潜力图，2020年土地利用规划图、北京市生态安全格局矢量数据（顺义区部分）、农用地分等定级矢量数据，以及顺义区2013年街坊（村级）一级人口数据、产业发展规划数据。

运用GIS空间分析中的核密度函数，获取顺义区街坊一级人口空间核密度分布图；2013年土地利用图为利用ETM+遥感影像在ENVI 5.0下采用监督分类方法解译，分类精度在0.88以上；在IDRISI Andes软件中LCM（Land Change Modeler）模块下选取驱动因子进行土地利用变化模拟分析，获取建设用地转化潜力图和2020年土地利用模拟图（图1，封二），模拟精度超出75.0%，符合模拟测算要求；产业规划导向、生态安全格局和水源影响度分析采用GIS空间分析中的距离分析函数进行处理；土壤自然质量借鉴农用地分等思路进行测算。所有图件统一投影坐标，在ArcGIS 10.0软件平台下采用30 m×30 m栅格进行分析。

2.3 预警思路

空间预警需要对建设用地空间失衡问题及其所带来的负面影响进行评估，需要根据区域资源、发展基础和潜力、空间规划与定位、环境承载能力等，开展空间预警评价分析。从预警分析过程来看，基于城市系统空间分异和演化的角度，城市化是一种以已有城市为中心向外扩散的过程，特别是在城市边缘区，这种新的城市空间形成和演化体现出强烈的“年轮效应”和“非均衡推进过程”[15]，城镇建设新扩展区域的用地结构和空间形态往往沿袭已有城镇用地的特点。从土地利用/覆被变化来说，土地空间安全预警的重点在于土地利用空间格局与过程解析。本文运用基于CA-Markov的土地利用变化模拟研究成果，基于土地变化的空间视角，利用建设用地变化的趋势和空间格局特征，获取预警指标值并设定“警情”等级，以此警示出建设用地扩展的潜在区域及其空间因素特征。

3 建设用地扩展空间安全预警方法

3.1 预警指标体系构建

本文结合研究区土地利用总体规划和生态保护的要求，在借鉴已有文献[16-18]的基础上，从建设用地发展潜力、规划导向、扩展压力、生态影响4个方面选取8项指标，建立建设用地空间安全预警评价指标体系（表1）。各项指标分析根据各自空间特征，选取相应模型进行空间量化计算，并根据各项指标对建设用地空间扩展的影响程度采用层次分析法与专家咨询法来确定指标权重。

表1 建设用地空间安全预警评价指标体系框架Tab.1 Assessment index framework of spatial orderliness early warning for construction land expansion

（1）发展潜力：建设用地扩展潜力主要针对土地空间所具有的发展基础，即优先选择区位条件好、人口密集、交通便利的区域。从区县尺度上看，这种区位因素主要表现为与行政中心和已有建设发展区域的各种空间因素的距离。因此，考虑人口分布密度、建设用地转化潜力作为发展潜力指标。

（2）规划导向：是建设用地空间演化的重要机制，主要考察规划因素对建设用地扩展的空间引导作用。针对建设用地在空间形态上的表现，通过规划一致性评价，可判断出建设用地空间扩展是否符合规划的空间管控。同时，政府部门通过各种规划管理政策引导和约束城市的发展方向，如区域发展战略布局、重大工程项目布局、产业发展规划等，直接影响城市建设发展的格局[19]。在此过程中，各种资源“流”向这些经济活动密集的热点地区集中，与之邻近的空间区域则成为建设优先扩展区域，因而可通过产业功能区的空间布局来考察对建设用地空间扩展的影响。

（3）扩展压力：主要针对建设用地扩展过程中所占用其他类型土地资源及其质量的时空变化，建设用地扩展过程中必须审慎占用新的土地资源，力求减少损失，减少每一步建设用地扩展所造成的土地资源压力。在当前土地利用矛盾凸显的背景下，建设用地扩展需坚持两个层面的要求：一是必须尽量少占用涉及粮食安全的耕地和生态环境的林地和水域；二是必须走集约利用的道路，控制扩展速度，提高土地利用效率，改变粗放式的外延扩展方式。因此，基于资源利用的单向性特征考虑，重点考察建设占用土地类型和土壤质量两项指标。

（4）生态影响：主要针对建设用地扩展过程中对生态系统造成的影响，以及敏感生态因素对建设用地扩展造成的限制。生态安全格局是区域自然生命支持系统的关键性格局，是维护生态系统结构和过程健康与完整、维护区域生态安全的刚性格局，是城市发展获得生态系统服务的基本保障[20]。经历30多年的快速发展，北京城镇发展面临着一系列的资源环境制约，国土生态安全面临严重威胁，因此，选取生态安全格局和水资源影响度作为建设用地扩展生态影响指标。

3.2 预警指标空间处理

3.2.1 人口分布 人口空间分布通过运用核密度估算法（Kernel density estimation，KDE）生成[21]，具体步骤为：先建立村一级的空间分布点，每个点代表一个村或居委会，然后把各个村或居委会的人口数量通过属性表示出来，再计算各个点的人口空间核密度，选取2000 m带宽为搜索半径，从而估算出人口空间分布的等值密度图。

3.2.2 建设用地空间转化潜力 建设用地转化潜力来自CA-Markov模拟过程中所生成的转化潜力图，该潜力图表示建设用地空间转化潜力分布。其中，土地利用空间转化潜力分析的过程中已经包含了基于各种区位因素（空间可达性影响）的综合影响，因而具有较强的空间指示性[22]。

3.2.3 规划一致性 规划一致性反映扩展建设用地与土地利用总体规划在空间范围上相符合的程度，提取《顺义区土地利用总体规划（2006—2020年）》数据成果中的建设用地规模边界图层，与2020年土地预测变化图层进行叠加分析。土地利用总体规划是对未来土地资源配置的准则，空间导向规则应是符合规划与不符合规划，以突出土地利用规划对土地利用变化的指导性。

3.2.4 产业功能区 产业规划导向反映了产业园区对于城镇建设用地空间扩展的吸引能力[23]。依据《顺义区土地利用总体规划（2006—2020年）》和《顺义区国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》的要求，未来顺义区大力发展以航空研发制造、汽车制造为代表的现代制造业，优化发展以电子信息为代表的高新技术产业，培育壮大战略性新兴产业，巩固提升都市工业和基础工业等传统制造业。顺义区规划和已形成的重点产业功能区为北京天竺空港经济开发区、林河经济开发区、空港物流基地、北京汽车生产基地、国门商务区、中关村临空国际高新技术产业基地，主要围绕顺义中心城区和首都机场分布。

3.2.5 地类构成 根据建设用地扩展所占用的土地利用类型，并依次设定扩展消耗土地利用类型的重要程度。在此，借鉴刘纪远从生态学角度出发提出的土地利用程度分级标准，按照土地自然综合体在社会因素影响下自然平衡保持状态分为4级的思路[24]，赋予扩展地类构成指数，将水域赋值为1.0，耕地为0.75，林地为0.50，其他土地为0.25，建设用地为0，土地类型赋值越高，建设用地扩展影响程度越大。

3.2.6 土壤质量 参照农用地分等中测算土壤的自然质量分（CL）的思路，获取土壤资源质量。具体步骤为：利用土壤、地形数据库资料，获取灌溉保证率、土层厚度、土壤质地、土体构型、地形坡度和土壤有机质参评因子，根据大宗作物生长适宜性确定分级标准，利用德尔菲法获得权重，通过综合因素法获得土壤的综合自然质量分，并采用标准差法进行无量纲化处理（式1）。在此需要说明的是，从全域土壤资源出发，所获取的土壤质量评价结果是覆盖全区的土壤质量分布，因而是包含了建设用地等地类的土壤质量。

式1中，CL为土壤的综合自然质量分；k为评价因素；m为评价因素数目；wk为第k个评价因素的权重，分别为土壤质地0.14，有效土层厚度0.20，土壤有机质0.12，灌溉保证率0.23，剖面构型0.11，地形坡度0.20；fk为对应的评价分值；CL为介于0—1的分值，分值越高，表明土壤的自然质量越优。经计算，土壤综合质量分处于0.53—0.96之间，预警分析时再进行无量纲化处理。

3.2.7 生态安全格局 作为向城市提供自然服务的生态基础设施，确定生态安全格局是实现北京“精明的保护”与“精明的增长”的有效途径，生态安全格局研究成果为在有限土地资源条件下实现保护与发展和谐同步提供了指导[20]。依据《北京市生态安全格局战略研究》所确定的生态安全格局及其要求，低生态安全格局是保障生态安全的最基本要求，是城市发展建设中不可逾越的生态底线，需要重点保护和严格限制，应纳入禁止和限制建设区，中生态安全格局需要限制开发，实行保护措施，保护与恢复生态系统[20]，因此，把低生态安全水平格局内的土地列入禁止发展区，赋值为0；中生态安全水平格局内的土地列入限制发展区，赋值为0.20；对该区域以外的生态安全格局影响度采用空间可达性进行量化。

式2中，Y为生态安全格局的影响值；xi为计算栅格；xman与xmin为距离低、中生态安全格局空间距离的最大、最小值。3.2.8 水源影响度 河湖湿地等水域是生态系统中最为敏感的区域和重点保护对象，为城镇提供了生态服务，也为人们提供了舒适惬意的休憩环境。为此，依据《北京市河湖保护管理条例》（2012年），在提取主要河流水体及其缓冲区的基础上，分别对境内唐指山水库、汉石桥湿地、潮白河、温榆河、金鸡河、小中河等水域设定200 m和50 m的缓冲保护区，限制建设用地扩展，然后采用分段函数进行量化（式3）。

式3中，Y为水源影响度指标，xi为到水源缓冲保护区的可达性空间距离，200 m和50 m分别为主干河流和支流的保护范围。

3.3 预警评价分析

3.3.1 预警指标量化 由于各预警指标之间的量纲不统一，不具可比性，因此需要对预警指标因子进行规范化处理。建设用地空间安全预警指标体系中，对于以空间可达性表征影响大小的数据，运用极值归一化进行处理，对于正、逆两种指标，分别采用以下方法。

式4—式5中，xi为第i个指标的计算栅格值，i = 1，…，n，n为指标数；xmax和xmin为第i个指标的最大值和最小值。而对于其他需要进行分段函数处理的数据，则根据指标因子的空间分布特征运用相应的计算模型进行处理。通过对各个指标进行标准化处理，使其处于一个可以比较的范围。但是，从预警指标体系看，人口密度、转化潜力、规划一致性、生态安全格局和水源影响度5个指标因子为“越大越优”型；另外3个指标有的为“越小越优”型，有的为分级类型。为便于统一计算，将所有指标进行“同趋”转化，即全部指数转化为“越小越优”型（图2，封二）。

3.3.2 警度设置 警度是对建设用地空间扩展警情大小的定量描述，根据顺义区建设用地空间扩展状况以及预警标准的分级原理，将建设用地空间扩展警度分为5个警报级别，分别为无警、轻警、中警、重警和巨警，并在0—1范围内对各级别进行赋值，确定其警度及指示灯划分标准如表2所示。

表2 顺义区建设用地空间安全预警参照标准Tab.2 Standards of orderliness degree and indicator of the construction land early warning for Shunyi District

3.3.3 预警评价 为统一计算建设用地空间安全预警指数，在对前面各单项指标进行“同趋”处理的基础上，进一步对各指标进行归一化处理（式4—式5），使其处于一个可以比较的范围。在构建建设用地空间安全预警指标体系的基础上，以前面基于CA-Markov模型预测的2020年土地利用图为基础，对照2013年土地利用图，获取未来建设用地空间扩展地块作为基本评价单元，然后通过图层叠加运算，运用多因素综合评价法（式6），基于指标权重和指标映射值，计算得到建设用地空间安全警情指数，警值在［0，1］中。预警结果阈值的确定在土地资源预警中是十分关键而复杂的问题，还没有一个有效、普适的评价模型[7]。在此，根据预警结果的空间分布情况，按照自然间断点分级法进行聚类分级，将警值划分为［0，0.51）、［0.51，0.62）、［0.62，0.72）、［0.72，0.78）和［0.78，1.00］，分别代表无警、轻警、中警、重警和巨警（表2）。

式6中，E为建设用地空间安全预警分值，wi为第i个评价因子的权重，Xi为第i个评价因子。

4 预警结果

根据基于CA-Markov模型的土地利用变化模拟，至2020年建设用地扩展面积为10440.56 hm2（图1（b），封二）。从预警结果分布比例来看，至2020年顺义区建设用地空间安全预警整体形势比较严重，其中处于重警状态下的图斑面积最大，占扩展图斑总面积的29.72%，其次为无警、轻警、中警和巨警，相应比例依次为19.80%、18.06%、20.15%和12.27%。对于处于巨警状态的建设用地来说，该区域是未来城镇建设需要重点关注的地带，特别是对生态安全格局、水源影响格局所造成的危害和占用耕地对粮食安全的影响需要引起注意。在今后的城镇化过程中，要充分重视生态环境等指标对城市发展演变状态的评判，及时调整政策措施和土地利用规划手段进行调控。

从建设用地空间安全预警分布来看（图3，封三），处于无警和轻警状态的建设用地图斑大多位于土地利用总体规划所确定的建设区域内（图2（c），封二），其中，无警状态图斑空间上主要分布于顺义区西南部，如后沙峪、天竺、南法信、仁和等镇区，属于顺义人口集聚、现有基础设施较好、产业功能区域和生态影响较弱的区域，也属于顺义区新城规划发展的重点区域，符合未来城镇建设发展的要求；轻警状态图斑多分布于顺义区中、西部区域主要镇区的发展区域内，空间上以高丽营、马坡、李桥、北小营、赵全营、南彩、李遂等镇区为主，但是基于建设用地发展现状，仍有部分图斑散乱分布于规划区外，需要引起注意。中警和重警状态下的图斑主要分布于顺义区西部和南部，以高丽营、李桥、马坡、赵全营等镇区分布为主，大部分图斑是因为不符合土地利用规划要求、占用大量优质耕地资源、偏离人口集聚区域和远离产业功能区所致，该部分预警状态下空间分布图斑是未来土地开发建设需要重点关注的地方。从巨警状态图斑的分布来看，在顺义区中部、南部、东部区域分布零散，其中以北务、北小营、杨镇和张镇等镇区相对集中，对照预警因素分析可知，该部分图斑主要是由于不符合规划一致性、占用优质耕地、位于生态安全和水源保护区范围内所致，未来在土地开发建设过程中需要引起土地规划和管理部门的重点关注。

5 讨论与结论

5.1 讨论

（1）城镇建设无序扩张、耕地急剧减少和生态环境破坏是当前快速城镇化过程中面临的突出问题。本文以CA-Markov模型模拟土地变化情景作为分析前提，基于土地利用空间视角，探索影响城镇建设用地空间安全的影响因素，借助GIS空间分析平台，运用多因素综合方法对顺义区建设用地未来空间格局及其危害形势进行了预警分析，使土地资源安全预警结果在空间上直观体现出来，有助于更加多方位评判建设用地空间安全格局可能出现的问题，以及深入剖析城镇化空间格局与过程中人口经济因素、耕地资源、生态环境等各项因素的运行状态和变化规律，为指导土地资源优化配置和规划管理提供更加切实可行的技术研究参考。

（2）土地资源安全预警是土地规划决策技术分析的手段之一，相较于传统数量变化分析，本文采用空间分析的方法，把以往在数量上重点关注的预警过程在空间格局中直观展现出来，探索建设用地空间失衡所带来生态环境的负面影响，直接从影响建设用地空间格局运行系统中进行预期性评判和查找问题，有效提升了分析过程的可视化水平和空间针对性，弥补了纯数量分析过程中空间因素欠缺的不足，从而为进一步完善土地资源安全监测和预警机制提供了更为有效的思路和方法参考。

（3）本文主要从土地利用变化情景模拟的基础上考察建设用地空间格局变化，而城镇建设用地空间扩展是一项复杂的系统过程，文中所探索的空间因素也是基于简单的动态分析，未来还需要探索更为复杂的自然、人文空间影响因素，获取更为丰富的社会经济数据进行分析。同时，后续研究中还可进一步提高数据采集的精度，为提高土地空间安全预警精度及其结果运用提供支撑。

5.2 结论

（1）基于空间视角的土地资源安全预警分析能直观地把预警结果在空间上展现出来。处于无警和轻警状态的建设用地扩展图斑大多位于土地利用总体规划所确定的建设区域内，空间上多分布于后沙峪、天竺、南法信、高丽营、马坡、李桥、赵全营等中部、西南部镇区；中警和重警状态下的图斑则大多因为不符合规划要求，且占用大量优质耕地资源、偏离人口聚集和产业功能区域，是未来顺义区城镇土地开发建设需要重点关注的地方，空间上多集中在高丽营、李桥、马坡、赵全营等镇区；巨警状态下图斑多因不符合规划一致性、占用优质耕地、位于生态安全和水源保护区范围内，成为未来顺义区土地开发建设需要引起土地规划和管理部门重点关注的区域，空间上以东部、中部区域分布较广，尤以北务、北小营、杨镇、张镇等镇区分布较为集中。

（2）建设用地空间安全预警分析结果表明，城镇建设用地相对严峻的警情态势加深了对城镇化空间过程的了解，顺义区未来建设用地空间扩张表现出较大的资源环境压力。中警以上的警情图斑与人口经济要素的空间集聚、土地规划布局有所偏离，并且占据着不少中、西部优质耕地资源，对中部区域的生态环境影响非常明显，这与顺义区城镇化发展所确定的集中建设区域相差明显，需要引起土地管理和规划部门的重视。

（3）为发挥建设用地空间安全预警的警示功能，遏制警情发展，防范城镇建设无序扩张，需要加强对顺义区城镇化发展的规划导控作用，探索城镇发展边界的空间管控，强化生态环境保护，特别是加强对京郊低生态安全格局、水源保护区的空间管制；同时，建立和完善土地资源安全监测、预警和调控机制，为优化土地资源空间格局提供保障。

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（本文责编：陈美景）

Early Warning Analysis on the Spatial Orderliness of Construction Land Use in the Rapid Urbanization Process

LI Can1,2,3, ZHANG Feng-rong4, WANG Feng1, HU Yue-ming2,3
（1. College of Public Management, South China Agriculture University, Guangzhou 510642, China; 2. Key Laboratory of the Ministry of Land and Resources for Construction Land Transformation, Guangzhou 510642, China; 3. Guangdong Province Key Laboratory of Land Use and Consolidation, Guangzhou 510642, China; 4. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China）

The purpose of this paper is to explore the ideas and methods of the early warning for the spatial orderliness of construction land use, especially showing the early-warning results visually. Method employed is to establish an early warning system of spatial orderliness based on ArcGIS technology of spatial analysis, weight analysis and mathematical statistics. The results show that the orderliness condition of construction land expansion is relatively serious, and the serious area and tremendous serious area are mainly concentrated in the western and southern regions of Shunyi District, example as Gaoliying, Zhaoquanying, Liqiao and Beiwu townships. Specially, the orderliness of planning breaking and high quality cultivated land occupation was very serious. In future, the department of city management and planning ofShunyi District needs to strengthen the space control capability. It is concluded that this study provides an efficient spatial early warning idea and method, which can identify the spatial factors and the pattern of construction land expansion quickly, and guide urban development and planning control effectively.

land use; construction land; spatial early warning; Shunyi District

F301.24

A

1001-8158（2015）06-0049-08

10.13708/j.cnki.cn11-2640.2015.06.007

2014-12-04

2015-05-26

国家自然科学基金青年基金项目（41401626，41301078）。

李灿（1982-），男，湖南益阳人，博士，讲师。主要研究方向为土地利用/覆盖变化与GIS技术应用。E-mail: lcstudy@163.com