基于GIS 的秦岭山区聚落用地适宜性评价

齐增湘, 廖建军, 徐卫华, 倪永明

1 南华大学设计与艺术学院, 衡阳 421001 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 3 北京自然博物馆，北京 100050

基于GIS 的秦岭山区聚落用地适宜性评价

齐增湘1, 廖建军1, 徐卫华2,*, 倪永明3

1 南华大学设计与艺术学院, 衡阳 421001 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 3 北京自然博物馆，北京 100050

利用自然地理、生态和社会经济方面共14个因子构建秦岭山区聚落建设用地适宜性评价指标体系，采用AHP法确定各评价因子的权重，在地理信息系统 (GIS)和遥感(RS)技术支持下，利用适宜性评价模型定量评价聚落建设用地适宜性，将聚落建设用地适宜性分为五个等级，并结合已建设区进行空缺分析。结果表明：(1) 秦岭山区最适宜聚落用地面积为3378.1 km2，占研究区总面积的5.87%，说明秦岭山区适宜聚落开发的土地相对较少。(2) 最适宜聚落用地集中在秦岭北、南坡山麓和东部的山间河谷地带，山地型特征明显。(3) 有9.15%已建成区分布在限制建设区内，存在生态安全风险。(4) 可用适宜聚落建设用地为3192.27 km2，空间分布不平衡。研究结果可为该区域城镇体系布局与用地规模的核算提供科学依据。

适宜性评价; 层次分析法; 空白分析; 地理信息系统; 秦岭山区

聚落建设用地适宜性评价是城镇总体规划和各项专题规划的基础，影响着城镇的整体布局和社会经济发展，有助于缓解人口增长和经济发展对有限土地资源的压力。在我国陆域国土中，69%的面积是山区，2007年统计，在 2070 个县市中大约43%属于山区县市[1]。山区受自然地理条件的制约，资源环境承载能力较弱，城镇化面临保护生态环境、经济发展、生态移民等多种问题，开展山区聚落建设用地适宜性评价研究已成为山区城镇体系规划和布局的关键课题。

国外自20世纪60年代以来对土地适宜性评价进行了较为系统的研究。麦克哈格开发了适宜性分析的“千层饼”模型，并用于纽约斯塔腾岛(Staten Island)的土地利用规划中[2]，在大都市城市规划[3]、城市绿地规划[4]等方面也进行了探讨。国内对聚落用地适宜性评价研究始于20世纪 90 年代，然而受技术和方法的限制，多采用定性分析的方法对各用地进行分类定级[5]。随着科学技术的发展，特别是地理信息系统(GIS)技术被引入城市规划以后，基于GIS的聚落用地适宜性分析方法被广泛应用到城市扩展用地[6- 7]、新农村建设[8- 9]、工业园[10- 11]建设等领域，改进和建立了多因子叠加分析法(MCE)[8]、层次分析法(AHP)和多因子综合叠加相结合分析法[10]，生态位模型[12]、物质元素模型[13]、情景分析法[11]、模糊综合评价法[14]、K-means评价和BP神经网络算法[7]等数学模型和方法。然而现有的研究多集中于区域性大城市等快速城市化地区，对山区聚落适宜性进行综合评价的研究较少，遥感(RS)等现代信息技术利用不充分，对气候因子、生物多样性等因子的考虑和量化处理欠缺。

本文以秦岭山区为例，借助RS、GIS技术，从自然环境条件、生态限制条件、 社会经济条件三方面构建山区聚落用地适宜性评价指标体系，综合评价区域内聚落用地适宜性，将聚落建设适宜性分为5个等级，结合已建设区进行空缺分析，以期为当地相关部门确定城镇体系总体规划的用地规模、发展方向等提供科学依据。

1 研究区概况和数据来源

研究区位于陕西省内的秦岭山区, 地理位置为105°30′—110°05′ E, 32°40′—34°35′ N。北以秦岭北坡山脚线为界, 南至汉江北岸, 东到伏牛山, 西至岷山, 东西长400—500 km，南北宽150—200 km，具体行政范围涉及西安、宝鸡、渭南、汉中、安康、商洛7市(地区)13个县的全部和22个县的部分区域，总面积约57620 km2。区内山势起伏，相对高差达3000 m以上，主峰太白山海拔3767 m。秦岭山区地处我国东部暖温带和亚热带的过渡带, 受大陆性气候和季风性气候的双重影响，气候垂直分异显著，年降水量650—1000 mm，主要集中在7—9月份，年均温-2.1 ℃至13 ℃，南坡比北坡的年均温高，加之受纬度地带性的影响，植物垂直带谱明显，从下而上依次为山地常绿阔叶林、山地含常绿树种的落叶阔叶林、山地暗针叶林带与高山灌丛。

采用的主要数据是研究区数字高程地图(DEM)，2007年的TM(Thematic mapper)影像，秦岭及其周边气象基准台站点1955—2001年的监测数据，野外调查物种痕迹点数据，自然保护区分布图，其他基础地理数据包括道路、居民点、土壤、水系、水位等空间信息。

2 研究方法

2.1 聚落建设用地适宜性评价模型

本文采用多因子加权评价模型对秦岭山区聚落建设用地适宜性进行分析，其基本原理如下：首先筛选出影响山区聚落建设的主要因子，对每一因子的相关数据进行综合分析和统计量化处理，确定该因子限定性属性值，借助ArcGIS对数据进行栅格化处理，生成各因子的栅格分布图。然后通过专家打分方式对这些影响因子进行赋值，采用层次分析法(AHP)来确定各因子权重值，利用ArcGIS 的图层叠加分析功能，将各因子的栅格分布图进行加权叠加，得到聚落建设用地适宜性综合评价结果，并进行等级划分，确定聚落建设用地适宜性空间分布[15]。多因子加权评价模型计算公式为：

式中,Suit为某评价单元聚落用地适宜性综合评价值，Wi为因子i的权重值；Pi为评价单元对应的第i个单因子分值，n为因子总数。

2.2 秦岭山区聚落建设用地适宜性评价

2.2.1 评价指标的确定及评分

聚落建设用地受自然、生态、经济和社会环境的综合影响。结合野外生态调查、图件资料收集以及相关分析，依据对山区聚落用地影响的显著性和资料的可利用性，选择自然地理指标(海拔、坡度、坡向、土地利用类型)、生态限制指标(距河流距离、气候适宜性、生物多样性敏感性、视觉敏感性、水土流失敏感性、洪水敏感性)、社会经济指标(居民点密度、距建成区距离、距国道和省道距离、距县道距离)共14个因子作为山区聚落用地适宜性分析的主要影响因子。

对于海拔、坡度、坡向3个自然地理指标，利用DEM进行分析得到，而土地利用类型则利用ERDAS IMAGE 9.1对TM遥感影像进行专家知识辅助决策分类得到7个景观类型的地表覆盖图层。对于河流、建成区、国道、省道、县道等因子采用直线距离量测每一单元到最近要素的欧氏距离，生成距离栅格图层。基于温湿指数(THI)和风效指数(K)模型，利用基准台站点多年(1955—2001年)的气象数据分析得到秦岭山区的气候适宜性[16]。利用机理模型[17]对独叶草(Kingdoniauniflora)、红豆杉(Taxuschinensis)、华山新麦草(Psthyrostachyshuashanica)等15种重点保护植物制作分布图，运用MAXENT模型[18]对朱鹮(Nipponianippon)、大熊猫(Ailuropodamelanoleuca)、金丝猴(Rhinopithecusraxllana)、羚牛(Budorcastaxicolor)共16种动物进行生境评价，把各物种适宜生境叠加得到生物多样性热点区图层。通过公众调查、采用层次分析法与模糊数学理论相结合的方法对秦岭山区视觉敏感度和视觉质量进行综合评价，得到秦岭山区景观视觉资源敏感性分布图[19]。基于通用土壤侵蚀方程[20]，选择降水侵蚀力(R)、地形(坡度、起伏度)、沟谷密度、地表覆盖及土壤类型共6个因子作为土壤侵蚀敏感性评价指标，确定水土流失敏感性大小。对水文站点的历史最高洪水水位(100年一遇)、50年一遇洪水水位、10年一遇洪水水位数据，则利用“种子蔓延算法”[21]，计算不同安全水平下的洪水敏感性。以秦岭山区居民点数据为基础，采用密度制图得到秦岭山区居民点密度栅格图层。将上述评价因子划分为高度适宜、中度适宜、低度适宜、临界适宜和不适宜5个等级，并对各因子按等级以0—9进行赋值，划分各因子适宜性等级(表1)。

2.2.2 影响因子权重确定

本研究采用层次分析法将指标体系分为目标层、中间层、 指标层三层，并采用专家打分法确定评价因子相对重要性，构造目标层与中间层的两两判断矩阵，并计算判断矩阵的特征根与特征向量，得到本层次因子对于上一层次某因子互相之间的权重(表1)，并进行一致性检验得到CR=0.0019(CR≤0.1)，判断矩阵具有满意一致性。

表1 秦岭山区建设用地适宜性评价指标Table 1 Indicators of suitability assessment for construction land in Qinling mountians

3 研究结果

3.1 聚落建设用地适宜性评价计算

根据多因子加权评价模型，结合表1中各单因子分级与权重，采用地图代数方法计算出每个栅格单元的生态适宜性综合评价表面(图1)。

图1 秦岭山区聚落建设用地适宜性综合评价值Fig.1 Comprehensive value of urbanization suitability analysis in Qinling mountains

3.2 分区阈值的确定

聚落建设用地综合评价结果为连续的栅格表面，其值为1.37742—8.501。利用自然断点法(Natural Breaks)将秦岭山区划分为最适宜建设用地、一般适宜建设用地、较不适宜建设用地、不适宜建设用地和禁止建设用地五类(表2)。

表2 秦岭山区聚落建设用地综合评价分级标准Table 2 The grading standard for urbanization comprehensive analysis

3.3 聚落建设用地适宜性分区结果

根据表2中的分区阈值，对聚落建设用地综合评价结果进行重分类，得到秦岭山区聚落建设用地适宜性分区结果(图2)。利用秦岭山区已建自然保护区作为参考，分析评价结果(表3)。

图2 秦岭山区聚落生态用地适宜性空间分布Fig.2 The spatial distribution of ecological suitability for settlement construction in Qinling mountians

表3 秦岭山区聚落用地适宜性结果分析Table 3 Analysis of suitability evaluation results for settlement construction in Qinling mountains

最适宜聚落用地面积为3378.1 km2，占研究区总面积的5.87%，集中在秦岭北、南坡山麓和东部的山间河谷地带。一般适宜聚落用地面积10475.92 km2，占研究区总面积的18.19%。较不适宜用地类型面积最大，占总面积的36.22%，相互连接成条带状集中分布在东中部、南部、西南和西北部。不适宜用地13148.1 km2，占总用地的22.83%，呈零散状分布在秦岭中西部山区，为坡度较大、海拔较高地区。禁止建设用地9723.08 km2，占研究区面积的16.89%，相对集中成片状分布在太白、佛坪、城固、宁陕、洋县、周至、勉县、眉县等县及交界的高海拔区，该区域植被良好，生态敏感性强，具有重要的生态服务功能，是秦岭山区自然保护区集中分布区域，范围涵盖了78.33%的已建自然保护区。

3.4 聚落建设用地空缺分析

参考2006年建设部公布的《城市规划编制办法》，根据自然、生物、历史文化及生态游憩过程与格局的连续性和完整性原则，将最适宜建设区划为适宜建设区，不适宜和禁止建设区合并划为禁止建设区，一般适宜和较不适宜建设区划为限制建设区，与已建区一并将秦岭山区建设用地适宜性分为禁止建设区、限制建设区和适宜建设区和已建成区，得到秦岭山区建设用地空间管制规划(图3)。借用空白分析的方法[22]，将建成区与适宜建设区叠加，评价建成区的生态适宜性状况以及未来各市县可供作为城镇建设用地的土地潜力(表4)。

图3 秦岭山系建设用地空间管制规划Fig.3 Space control planning for construction land in Qinling mountains

表4 各市县适宜建设用地分布Table 4 The statistics of suitable land for construction in counties

现有建成区有179.73 km2分布在适宜区内，占建成区总面积的90.85%，尚有18.09 km2的建成区分布在限制建设区和禁止建设区内。各市县建成区分布在适宜区内的情况差别较大，其中佛坪只有41.67%的建成区分布在适宜区内，存在较高的生态安全风险。全区可用于聚落建设的适宜用地为3192.27 km2，空间分布差异显著，主要集中分布在商洛、汉阴、山阳、略阳、柞水、旬阳、丹凤、洛南、宝鸡、商南、安康等地区，佛坪的可用聚落适宜用地最小，只有2 km2。

4 结论与分析

4.1 秦岭山区聚落建设用地潜力大，仍需科学规划

秦岭山区是我国生物多样性热点地区，资源敏感且环境承载力弱，区内聚落建设面临着如何与生物多样性保护协调的问题。本文以多因子评价模型为基础，建立了聚落用地生态适宜性评价指标体系和分区模式。秦岭山区适宜聚落开发的土地相对整个研究区来说面积较少，多集中在山间河谷地带，具有典型的山地型特征，而且空间分布不平衡。但潜力巨大，为秦岭山区城镇化建设提供了机遇。部分已建成区分布在限制和禁止建设区内，存在生态安全风险，聚落建设需要进行科学规划。

4.2 多因子评价模型在山区聚落用地生态适宜性评价中优势明显

聚落用地适宜性受多方面因素的影响，不同地区聚落适宜性限制因子不尽相同，特别在山区，生态环境脆弱，自然条件复杂多变，相对于平原地区的适宜性分析，影响的因素更多，需选择合适的评价因子。以往由于各种因素的限制，评价指标体系限于常用的地形、道路、城镇等指标，对动植物分布、气候、视觉等因素考虑较少。本文综合了气候适宜性、生物多样性、视觉敏感性等14个因子构建评价指标体系，相对于其他研究[8,10]考虑的因素更全面，在一定程度提高了评价结果的科学性和合理性。同时，适宜性评价结果的划分通过计算机完成，保持了数据的完整性，较好地保证了评价结果的客观性。从秦岭山区的分区结果可以看出，禁止开发区面积占到秦岭山区总面积的39.72%，并且涵盖了92.26%的已建自然保护区。该分区在确立了秦岭山区聚落用地发展空间的同时，保护了秦岭山区生物多样性最集中的生态组分，符合秦岭山区的实际情况。表明以多因子评价模型建立的山区聚落建设用地适宜性评价方法是可行的。

5 问题与展望

5.1 适宜性评价因子选择与赋值的主观性

由于缺乏统一的标准，本文中适宜性评价因子的选择主要通过多个专家决策的方式确定，考虑了数据的可获得性和因子的空间差异性，从自然环境条件、生态限制条件、社会经济条件三方面构建山区聚落用地适宜性评价指标体系，但评价因子难免有遗漏，因子间也可能存在重复，因此其选择的科学性和客观性值得商榷。

单因子评价采用5个等级来划分，分别用0—9来表示，划分标准和各因子的权重采用专家咨询的方式产生。由于这种方式较为主观，直接影响了评价结果的客观性。虽然部分因子采用模糊数学及非线性数学的方法[19]来力求减少主观性，但整个评价体系的客观性有待深入研究。

5.2 应用存在局限性

本文明确了秦岭山区适宜聚落建设用地的面积和范围，但不能确定这块土地到底适合作哪种用地类型，对于土地的具体的用途则显得比较模糊，同时，多因子评价模型强调评价单元垂直生态过程，使得离现有城镇用地较远的区域容易误被作为聚落建设优先发展区，再者，由于山区自然环境的影响，适宜建设用地在空间上分布较为破碎，面积过小的适宜聚落用地没有开发价值，这些不足决定了本研究成果应用的局限性。未来需根据各个城镇的实际情况，结合聚落用地适宜性评价结果确定城镇化发展格局，使其在秦岭山区城镇体系规划决策和生物多样性保护中发挥更大的作用。

[1] 王传胜, 孙贵艳, 朱珊珊. 西部山区乡村聚落空间演进研究的主要进展. 人文地理, 2011, (5): 9- 14.

[2] 周建飞, 曾光明, 黄国和, 李忠武, 焦胜, 唐琳. 基于不确定性的城市扩展用地生态适宜性评价. 生态学报, 2007, 27(2): 774- 783.

[3] Baz I, Geymen A, Nogay Er S. Development and application of GIS-based analysis/synthesis modeling techniques for urban planning of Istanbul Metropolitan Area. Advances in Engineering Software, 2009, 40(2): 128- 140.

[4] Duc Uy P, Nakagoshi N. Application of land suitability analysis and landscape ecology to urban greenspace planning in Hanoi, Vietnam. Urban Forestry & Urban Greening, 2008, 7(1): 25- 40.

[5] 高延军. 山区聚落宜居性评价研究——以7个山区聚落为例. 四川师范大学学报: 自然科学版, 2011, 34(3): 411- 416.

[6] 黄焕春, 运迎霞, 李明玉. 基于GIS的延吉市城区居住用地适宜性分析. 吉林师范大学学报: 自然科学版, 2011, 32(4): 17- 20.

[7] Xu K, Kong C F, Li J F, Zhang L Q, Wu C L. Suitability evaluation of urban construction land based on geo-environmental factors of Hangzhou, China Computers & Geosciences, 2011, 37(8): 992- 1002.

[8] 向晓红, 但梦薇, 姚欢. 基于 GIS 的新农村用地适应性评价——以武汉黄陂区雷段村为例. 中外建筑, 2010, (9): 123- 125.

[9] 单勇兵, 马晓冬, 宣勇. 基于GIS的徐州市乡村聚落空间适宜性分析. 地域研究与开发, 2012, 31(6): 156- 160.

[10] 王骎骎, 江滢, 赵国庆, 满令意, 钟凯. 基于GIS的用地适宜性评价方法及应用——以新加坡怀化生态工业园概念规划为例. 规划师, 2011, 27(4): 52- 56.

[11] 宗跃光, 徐建刚, 尹海伟. 情景分析法在工业用地置换中的应用——以福建省长汀腾飞经济开发区为例. 地理学报, 2007, 62(8): 887- 896.

[12] 马旭, 王青, 丁明涛, 刘延国. 岷江上游山区聚落生态位及其模型. 生态与农村环境学报, 2012, 28(5): 574- 578.

[13] Gong J Z, Liu Y S, Chen W L. Land suitability evaluation for development using a matter-element model: A case study in Zengcheng, Guangzhou, China. Land Use Policy, 2012, 29(2): 464- 472.

[14] 梁艳平, 刘兴权, 刘越, 谭春华. 基于GIS的城市总体规划用地适宜性评价探讨. 地质与勘探, 2001, 37(3): 64- 67.

[15] 唐强, 闫红伟, 赵彦博, 李俊英. 小城镇生态型用地布局研究. 沈阳大学学报, 2010, 22(3): 94- 97.

[16] 齐增湘, 熊兴耀, 徐卫华, 甘德欣. 基于 GIS 的秦岭山系气候适宜性评价. 湖南农业大学学报: 自然科学版, 2011, 37(3): 321- 324.

[17] 徐卫华, 欧阳志云, 蒋泽银, 郑华, 刘建国. 大相岭山系大熊猫生境评价与保护对策研究. 生物多样性, 2006, 14(3): 223- 231.

[18] 齐增湘, 徐卫华, 熊兴耀, 欧阳志云, 郑华, 甘德欣. 基于MAXENT模型的秦岭山系黑熊潜在生境评价. 生物多样性, 2011, 19(3): 343- 352.

[19] 齐增湘, 徐卫华, 肖志成. 基于GIS的秦岭山系视觉景观评价. 广东农业科学, 2012, (11): 15- 18.

[20] 黄润秋, 许向宁, 唐川, 向喜琼. 地质环境评价与地质灾害管理. 北京: 科学出版社, 2008.

[21] 刘仁义, 刘南. 一种基于数字高程模型DEM的淹没区灾害评估方法. 中国图像图形学报, 2001, 6(2): 118- 122.

[22] Scott J M, Davis F, Csuti B, Noss R, Butterfield B, Groves C, Anderson H, Caicco S, D′Erchia F, Edwards T C, Ulliman J Jr, Wright R G. Gap analysis: a geographic approach to protection of biological diversity. Wildlife Monographs, 1993, 123: 3- 41.

Suitability analysis of mountain settlements in Qinling using a GIS system

QI Zengxiang1, LIAO Jianjun1, XU Weihua2,*, NI Yongming3

1DesignandArtsCollegeofUniversityofSouthChina,Hengyang421001,China2StateKeyLaboratoryofRegionalandUrbanEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China3BeijingMuseumofNaturalHistory,Beijing100050,China

Understanding the spatial characteristics of land suitable for settlement construction underlies urban master planning and subject planning and helps to alleviate the pressure of population growth and economic development in areas of limited land resources. The research community, however, has mainly focused on rapid urbanization areas such as regional metropolitan areas. This study used the multi-factors overlay comprehensive evaluation method to evaluate the spatial characteristics of land suitable for settlement construction. Specifically, we chose the Qinling mountains as a typical example, which are of vital importance in determining suitable land in mountainous areas where the carrying capacity of the environment is sensitive and weak. Using a geographic information system (GIS) and remote sensing technology, we revealed the spatial characteristics of settlement construction suitability, which utilized 14 indicators taken from natural geography, ecology and socio-economic data. We ascertained the weight of each indicator using an analytic hierarchy process method, and thereby determined the amount of land suitable for settlement construction in various counties. The main results were as follows: (1) Areas with different levels of suitability appeared to have significant differences. Most of the Qinling mountains are not suitable for settlement construction. The area of optimum land available for settlement construction in this region was 3378.1 km2, accounting for 5.87% of the study area—a relatively small proportion of suitable land. (2) Land suitable for settlement construction in the Qinling mountains showed an obviously spatial heterogeneity: The most appropriate land was concentrated in North and South Piedmont and East Valley, which showed obvious mountainous features. (3) Results of gap analysis in the built-up area showed that 9.15% of built-up settlements were distributed in restricted construction regions, especially in counties such as Foping, Zhouzhi, Huxian, Taibai as well as Yangxian, which presented ecological safety risks. (4) There were 3192.27 km2of land suitable for settlement construction, distributed unequally in spatial terms. Most of these areas were distributed in counties such as Shangluo, Hangyin, Shanyang and Lueyang, and some other counties. In Foping, there was only 2 km2available for settlement construction. (5) In order to more effectively apply the results to urban system planning and biodiversity conservation in the Qinling mountains, we proposed the following recommendation: Consider both the actual location of the various towns and the results of the suitability evaluation for settlement construction when determining the future pattern of urban development. This study provides an insight into a suitability evaluation for settlement construction in a mountainous area. These findings provide scientific support for urban planning and for estimating the area of suitable land, while the research methods and reasoning used can help to achieve a win-win scenario between urbanization and biodiversity conservation.

suitability analysis; analytic hierarchy process; gap analysis; geographic information system; Qinling mountains

国家自然科学基金(40901289, 31240047); 南华大学人才引进科研启动项目，湖南省教育厅重点项目(13A086)

2013- 05- 02;

日期:2014- 04- 11

10.5846/stxb201305020899

*通讯作者Corresponding author.E-mail: xuweihua@rcees.ac.cn

齐增湘, 廖建军, 徐卫华, 倪永明.基于GIS 的秦岭山区聚落用地适宜性评价.生态学报,2015,35(4):1274- 1283.

Qi Z X, Liao J J, Xu W H, Ni Y M.Suitability analysis of mountain settlements in Qinling using a GIS system.Acta Ecologica Sinica,2015,35(4):1274- 1283.