基于移动窗口与MCR模型的建设用地适宜性评价——以武汉市江夏区为例

况 达,陈竹安,危小建,张立亭

(1.东华理工大学 测绘工程学院,南昌 330013；2．流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，南昌 330013；3.江西省数字国土重点实验室，南昌 330013)

基于移动窗口与MCR模型的建设用地适宜性评价
——以武汉市江夏区为例

况 达,陈竹安,危小建,张立亭

(1.东华理工大学 测绘工程学院,南昌 330013；2．流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，南昌 330013；3.江西省数字国土重点实验室，南昌 330013)

在快速城市化的背景下，城市建设用地持续增长，但是城市土地资源的有限性要求城市土地必须合理利用与开发.以武汉市江夏区为研究对象，基于ArcGIS、Fragstats软件平台，采用移动窗口与MCR模型相结合的方法，将景观指标与建设用地适宜性评价因子相融合，较为科学地为为MCR模型提供建设用地扩展源地，并对研究区2006、2013年建设用地适宜性进行评价，采用叠加分析对结果进行有效性分析并生成扩展预警点，最后利用Hydrology扩展模块生成建设用地适宜扩展路径、生态隔离带以及生态关键点，为城市建设用地发展方向提供科学依据.研究结果表明：将景观指标与MCR模型有效地结合，从点、线、面出发进行建设用地适宜性评价，尝试用更为科学的方法引导出城市建设用地合适的扩展方向，可为城市建设用地的科学发展与合理规划提供参考依据.

移动窗口；最小累积阻力模型；建设用地；适宜性评价；江夏区

3.Jiangxi Province Key Laboratory of Digital Land,Nanchang 330013,China)

随着我国经济的快速增长，城市化进程的不断推进，城市建设用地正在持续扩张，其增长的管理逐渐成为人们研究的重点内容.而中国人多地少的现实加上土地资源的稀缺性和不可再生性，使得城市土地日益紧张[1].城市建设用地适宜性的评价是研究城市建设用地空间合理布局的前提[2]，城市建设用地有序发展与扩张路径的合理确定对城市的整体布局及社会经济的发展有着重大作用[3].为此，如何科学准确合理地进行建设用地适宜性评价工作的基础性地位越来越重要[4].

近年来，国内外学者对于城市建设用地发展方面的研究，主要集中在建设用地的扩张驱动力机制等方面[5-7]，并且随着研究的深入，驱动力因子也愈加多样[8-9]，这将更有利于对建设用地时空变化特征的理解[10-14].而受生态保护思潮的影响，将生态因子纳入到评价模型中，为建设用地适宜性评价提供了一种新思路.城市建设用地适宜性评价的关键在于对不同区域建立合适的评价准则，目前主要的方法有因子加权评价法、神经网络法[15]、模糊综合评判法[16]、层次分析法等[17]，其通过构建评价体系而进行因子叠加，但却忽略了景观的水平过程[18].而最小累积阻力(MCR，minimal cumulative resistance model)模型最初是用于研究生物物种的扩散过程[18-19]，可以弥补景观格局与生态过程评价中只有垂直“千层饼”式的不足[20]，并逐渐应用于景观格局优化、生态用地规划以及土地适宜性评价等研究中[21-24].然而，MCR模型有其优越性，但是源地的选取是关键，并且应用其进行分区时，呈现出功能区域包围扩展源地的现象，不符合当今所倡导的城市化用地新理念.

参考前人研究的优点与不足，尝试借助Fragstats软件平台，基于移动窗口选取PLAND、AI与COHESION三个景观指标用于在城市建设用地中筛选出MCR模型的源地[25]，并且利用GIS的Hydrology扩展模块与MCR模型提取出“山谷线”与“山脊线”，将建设用地外延出的阻力最小“山谷线”作为建设用地的适宜扩展路径，“山脊线”则作为不适宜扩展的生态隔离带[26].并利用两期数据叠加分析得到城市建设用地的预警点，以及“谷脊”两线相交的“鞍部”作为城市生态保护的关键点.本文基于点、线、面三个方向对城市建设用地适宜性进行了综合评价，并引导出合适的扩展方向，对城市建设用地的科学发展与合理规划具有一定的参考价值.

1 研究区概况

武汉市江夏区坐落于长江中游南岸，地处114°01′E～114°35′E、29°58′N～30°32′N，正北与武汉市洪山区相邻，东北与鄂州市交界，东南与大冶市接壤，正南与咸宁市相靠，西南与嘉鱼县毗连，西北与汉阳区和汉南区隔江相望，区域内水资源丰富，地形以平原为主，属中亚热带过渡的湿润季风气候，其年平均气温介于15.9～17.9℃之间，历年平均降水量为1 347.7mm，气候温暖湿润、四季鲜明、降水充沛、光照充足.

2 数据与方法

图1 研究区地理位置图与两期土地利用类型图Fig.1 Location of study area and maps of two phases of land use

2.1数据与预处理

本文所使用的主要数据包括：2006、2013年武汉市江夏区两期土地利用类型数据、2006、2013年武汉市江夏区两期路网数据、武汉市江夏区30 m数字高程模型(DEM)数据.按照实际情况和研究目的，将江夏区土地利用类型划分为耕地、林地、水域、建设用地和其他用地5类，最终获得栅格大小为30 m×30 m的栅格类型土地利用类型图(图1).

2.2研究方法

2.2.1 基于移动窗口选取源地 移动窗口是利用Fragstats软件平台，通过对窗口内所选的景观指标进行统计计算，得到所选景观指数的栅格图[27].本文采用移动窗口法，选用边长为100 m的方形窗口，选取斑块占景观面积比指数(PLAND)、聚集度指数(AI)、斑块凝聚度指数(COHESION)三个指标.将建设用地的三个指标分值大于80%，且面积大于50 hm2的斑块作为MCR模型的源地.

表1 影响因子分级赋值和权重值

所使用的景观指数主要包括：斑块占景观面积比(PLAND)、聚集度指数(AI)、斑块凝聚度指数(COHESION).

(1)

斑块占景观面积比可表示出景观的组分，反映出某景观类型在整个景观所占的比例.

(2)

聚集度指数可表示出斑块在景观中的聚集性和分散性.

(3)

斑块凝聚度指数可在类型水平上表示出斑块类型间物理连接程度.

2.2.2 最小累积阻力模型体系构建 最小累积阻力(MCR，minimal cumulative resistance model)模型最早由俞孔坚引入国内[18]，具有构建的简易性、要素的可拓性及应用的广泛性的特点，能够通过计算源与目标之间的最小累积阻力距离来确定路径，运用在生态学中可以较好地反映景观中的物质能量及生物物种在各生境斑块间的运动可能性和趋向性.最小累积阻力模型经过多位专家修改后公式如下：

(4)

式中，Dij表示从源点j到空间单元i的空间距离；Ri表示空间单元i的阻力系数.

MCR模型建立的关键是源的选取和阻力面体系的构建，MCR模型的核心过程是源在阻力面体系下对周围空间单元的竞争性扩散过程.本文结合斑块占景观面积比指数(PLAND)、聚集度指数(AI)、斑块凝聚度指数(COHESION)三个指标得到的城市建设用地的源地，并综合高程、坡度、用地类型、与铁路距离、与道路距离以及与源地的距离等对建设用地适宜性的影响程度，将影响因子的评价分值用5、4、3、2、1作为建设用地适宜性的分值，分值越高表示越适宜作为城市建设用地.根据各影响因子对建设用地适宜性的影响程度，采用层次分析法确定各层次影响因子的权重，每一层指标的权重由专家打分法确定，并进行了指标的比较与判断，确保通过一致性检验(表1).采用30m×30m大小栅格单元，使用栅格计算器得出多因子综合叠加数据，为MCR模型的运行提供成本，确定5类适宜性等级，分别为高度适宜区、较适宜区、基本适宜区、不适宜区、不可用区(图2)，并采用叠置分析方法对进行可靠性分析，将2013年新增建设用用地中处于不可用地的地方划分为建设用地的扩展预警点(图3，表2).

然后，基于ArcGIS软件平台，通过使用Distance中的Cost Distance模块，并利用已得到的建设用地源地与多因子综合成本数据分别得到研究区2006、2013年建设用地扩展的最小累积阻力面(图2)，使用自然断点法划分出建设用地扩展适宜性级别区间，分别为高度适宜扩展区、较适宜扩展区、基本适宜扩展区、不适宜扩展区、不可扩展区5类(表3).

图2 研究区建设用地适宜性评价图和最小累积阻力面 图3 2006-2013年新增建设用地适宜性等级分布Fig.2 The map of suitability assessment for built-up gree of newly increased built-up area Fig.3 The suitability de area and minimal cumulative resistance surface

表2 2006-2013年各适宜性在新增建设用地中面积与比重

表3 建设用地扩展适宜性分区

图4 江夏区建设用地适宜性评价结果Fig.4 Suitability evaluation result of construction land

2.2.3 基于Hydrology扩展模块在MCR面特征提取中的应用 山谷线与山脊线是重要的地形骨架线，且由于山谷线的合水性与山脊线的分水性，使其在地形方面有着重要的作用[28].由于MCR面的栅格值表示扩展源地到面内每个像元的距离及成本最小的累加成本，因此，可将MCR面中的源地类比成相对地势较低的湖泊或者盆地，通过GIS中的Hydrology扩展模块，通过计算正负地形、填洼、水流方向、汇流累积量等一系列的操作，在MCR面中提取出“山谷线”与“山脊线”，将建设用地外延出的阻力最小“山谷线”作为建设用地的适宜扩展路径，“山脊线”则作为不适宜扩展的生态隔离带[26](图4).相对于最短路径方法，Hydrology扩展模块实现较为简单，只需要提供源，不需要提供汇，且能够生成多条适宜扩展的“山谷线”与不适宜扩展的“山脊线”，在建设用地适宜性评价中可以更加全面的分析适宜扩展方向，更加符合实际.并将“山谷线”与“山脊线”相交的“鞍部”作为生态关键点，对其重点保护.

3 结果与分析

3.1建设用地适宜性评价及有效性分析

由图2可见，研究区2006年建设用地最适宜的地区主要分布在北部靠近武汉市洪山区一带以及沿京广铁路周边一带，不可用区主要分布在东西两侧的沿河地区.由图3及表2可知，研究区2006-2013年，建设用地在北部地区扩展明显，尤其是北部靠近洪山区以及沿汤逊湖周边地区发展十分迅速.新增建设用地共7 914.69 hm2，其中17.18%、40.63%、33.76%分别处于高度适宜区、较适宜区与基本适宜区内，说明本文构建的建设用地适宜性评价指标体系较为合理，方法实用可靠且分析精度较高，但是，仍有6.96%和1.47%的新增建设用地分别分布在不适宜区与不可用区内.这些区域多为收到保护的限制开发区域，但是由于经济的快速发展的需求以及城市建设用地的迅速扩张，导致其周边的农用地和林地遭到日益破坏，逐渐被建设用地所取代.

3.2基于MCR模型的扩展适宜性分区分析

通过自然断点法根据事物分布的自然规律，以数量发生的显著变化点实现不同区分之间的差异最大化[29]，划分出建设用地扩展适宜性级别区间，分别为高度适宜扩展区、较适宜扩展区、基本适宜扩展区、不适宜扩展区、不可扩展区5类，但考虑到研究区内具体情况与当地保护政策，故不将水域纳入到城市建设用地适宜扩展范围内.

高度适宜扩展区的MCR值范围为0～5 020.12，面积为61 768.53 hm2，占江夏区总面积的30.65%，主要分布在纸坊街道办事处、流芳街道办、五里界街道办、豹澥街道办、郑店街道办等地，大部分为建设用地的扩展源地，发展十分迅速.较适宜扩展区的MCR值范围为5 020.12～11 617.98，面积为43 382.43 hm2，占江夏区总面积的21.53%.较适宜扩展区分布在高度适宜扩展区的周围，在源地周边散布的建筑面积较小的厂房、农村居民点，以及延伸出道路，更易纳入适宜扩展范围，研究区靠近京广铁路沿边地区更适宜建设用地扩展.基本适宜扩展区的MCR值范围为11 617.98～23 345.11，面积为52 708.86 hm2，占江夏区总面积的26.15%，该区可将不同的扩展源连接起来，对土地开发等活动应具有更严格的要求，并进行适当的保护.不适宜扩展区的MCR值范围为23 345.11～35 233.82，不可扩展区的MCR值范围为35 233.82～55 120.40，两个区域的面积为24 946.83 hm2与18 730.26 hm2，分别占江夏区总面积的12.38%和9.29%.两区主要分布在河流、湖泊附近，包括梁子湖、牛山湖、鲁湖等，该区生态环境脆弱，应严格保护，严禁建设用地扩展，注重于生态建设与旅游开发，确保经济发展与生态建设协调有序地进行.

3.3适宜扩展方向分析

由图4可见，适宜扩展路径就是由MCR面所生成得到山谷线，全部分布在MCR值较小的高度适宜扩展区和较适宜扩展区内，而生态隔离带是由MCR面所生成得到山脊线，比适宜扩展路径更长且分支较多，其主要是在建设用地之间起到隔离的作用，可在此加强生态建设，缓解城市建设用地的无序扩张.

适宜扩展路径与生态隔离带的交汇之处作为需要重点保护的生态关键点，其主要位于风景区、农牧交错带等，如龙泉山风景区、青龙山森林公园等，且由于其处于建设用地与生态用地交汇地带，生态环境较为脆弱，因此对生态关键点的保护对维持生态系统的稳定显得尤为重要.

4 结论

使用移动窗口与MCR模型相结合的方法，对武汉市江夏区的城市建设用地适宜性进行了定量与定性的评价，并结合Hydrology扩展模块提取MCR面特征，分析研究区城市建设用地的适宜扩展方向.结果表明：研究区2006-2013年新增建设用地有91.57%处于适宜建设用地区域，说明城市的发展较为合理，且采用移动窗口选取源地以及综合阻力体系构建的方法的可靠性也得到验证；用Hydrology扩展模块基于MCR面生成多条适宜扩展路径与生态隔离带，弥补了传统仅向源地外围扩充的不足；由适宜扩展路径与生态隔离带交汇生成的生态关键点，主要位于风景区与森林公园等地，也验证了此方法的可行性，由于其生态环境的脆弱性，应对此地段加强重视并重点保护.本文研究结果可为城市建设用地的科学发展与合理规划参考依据与决策支持.本文基于MCR模型对城市建设用地适宜性评价的精度主要取决于评价因子的选择及其权重的划定，使用层次分析法确定评价因子的权重存在着一定的主观因素，并且由于数据有限，缺少对武汉市江夏区地质灾害与其他生态数据的考虑，这些都会对最终的结果产生一定的影响，有待进一步的改进.城市建设用地适宜性评价是城市未来进行扩展的基础，也将是今后研究的重点之一，可以为政府部门更为科学地提供城市发展规划的决策支持.

[1] 陆张维,徐丽华,吴亚琪.基于适宜性评价的中心城区建设用地布局：以杭州市为例[J].长江流域资源与环境,2016,25(6):904-912.

[2] 梁涛,蔡春霞,刘民,等.城市土地的生态适宜性评价方法:以江西萍乡市为例[J].地理研究,2007,26(4):782-788.

[3] 李猷,王仰麟,彭建,等.基于景观生态的城市土地开发适宜性评价:以丹东市为例[J].生态学报,2010,30(8):2141-2150.

[4] 危小建,梁俊红,马国庆.不同预案下的建设用地适宜性评价:以湖北宜城市为例[J].资源开发与市场,2014,30(6):667-671,770.

[5] 郑荣宝,陈梅英,陈美招.广州市花都区建设用地扩展的时空特征及驱动因素分析[J].热带地理,2012,32(1):66-71.

[6] 叶玉瑶,张虹鸥,刘凯,等.地理区位因子对建设用地扩展的影响分析:以珠江三角洲为例[J].地理科学进展,2010,29(11):1433-1441.

[7] 鲍丽萍,王景岗.中国大陆城市建设用地扩展动因浅析[J].中国土地科学,2009,23(8):68-72.

[8] YE Y Y,ZHANG H O,LIU K,et al.Research on the influence of site factors on the expansion of construction land in the Pearl River Delta， China： By using GIS and remote sensing[J].Applied Earth Observation and Geoinformation,2013,21:366-373.

[9] 张乐勤,陈素平,王文琴,等.基于 STIRPAT模型的安徽省池州市建设用地扩展驱动因子测度[J].地理科学进展,2012,31(9)；1235-1242.

[10] 周锐,李月辉,胡远满,等.苏南地区典型城镇建设用地扩展的时空分异[J].应用生态学报,2011,22(3):577-584.

[11] 赵婷婷,张凤荣,安萍莉,等.北京市顺义区建设用地扩展的空间分异[J].资源科学,2008,30(10):1517-1524.

[12] 储金龙,马晓冬,高抒,等.南通地区城镇用地扩展时空特征分析[J].自然资源学报.2006.21(1)：56-63.

[13] HUANG Q H,LI M C,LIU Y X,et al.Using construction expansion regulation zones to manage urban growth in Hefei City， China[J].Urban Planning and Development,2013,139(1):62-69.

[14] CYMERMAN J H， COE S， HUTYRA L R.Urban growth patterns and growth management boundaries in the Central Puget Sound，Washington，1986-2007[J].Urban Ecosystems,2013,16(1):109-129.

[15] 焦利民,刘耀林.土地适宜性评价的模糊神经网络模型[J].武汉大学学报(信息科学版),2004,29(6):513-516.

[16] 刘耀林,刘艳芳,夏早发.模糊综合评判在土地适宜性评价中应用研究[J].武汉测绘科技大学学报,1995,20(1):71-75.

[17] 柴仲平,王雪梅,蒋平安.基于 AHP决策分析方法的石河子市土地适宜性评价[J].国土与自然资源研究,2009(4):38-39.

[18] 俞孔坚.生物保护的景观生态安全格局[J].生态学报,1999,19(1):8-15.

[19] KNAAPEN J P,SCHEFFER M,HARMS B.Estimating habitat isolation in landscape planning[J].Landscape and Urban Planning,1992,23(1):1-16.

[20] 刘孝富,舒俭民,张林波.最小累积阻力模型在城市土地生态适宜性评价中的应用:以厦门为例[J].生态学报,2010,30(2):421-428.

[21] 张有坤,樊杰.基于生态系统稳定目标下的城市空间增长上限研究:以北京市为例[J].经济地理,2012,32(6):53-58.

[22] 赵筱青,王海波,杨树华,等.基于 GIS支持下的土地资源空间格局生态优化[J].生态学报,2009,29(9):4892-4901.

[23] 李晖,易娜,姚文璟,等.基于景观安全格局的香格里拉县生态用地规划[J].生态学报,2011,31(20):5929-5936.

[24] 纪宏,刘雪华.基于最小费用距离模型的自然保护区功能分区[J].自然资源学报,2006,21(2):217-224.

[25] 尹海伟,张琳琳,孔繁花,等.基于层次分析和移动窗口方法的济南市建设用地适宜性评价[J].资源科学,2013,35(3):530-535.

[26] 黄丽明,陈健飞.广州市花都区城镇建设用地适宜性评价研究:基于MCR面特征提取[J].资源科学,2014,36(7):1347-1355.

[27] KONG F H,NOBUKAZU N.Spatial-temporal gradient analysis of urban green spaces in Jinan，China[J].Landscape and Urban Planning,2006,78:147-164.

[28] 黄培之.提取山脊线和山谷线的一种新方法[J].武汉大学学报(信息科学版),2001,26(3):247-252.

[29] WANG S Y,LIU J S,YANG C J.Eco-environmental vulnerability evaluation the Yellow River Basin， China[J].Pedosphere， 2008,18(2):171-182.

责任编辑：高山

SuitabilityEvaluationofUrbanConstructionLandinJiangxiaDistrictofWuhanCityBasedonMovingWindowandMCR

KUANG Da,CHEN Zhuan,WEI Xiaojian，ZHANG Liting

(1.Faculty of Geomatics,East China University of Technology,Nanchang 330013,China; 2.Key Laboratory of Watershed Ecology and Geographical Environment Monitoring,NASG,Nanchang 330013,China;

In the context of rapid urbanization,urban construction land continues to grow,but the limited nature of urban land resources requires that urban land should be rationally utilized and exploited.Based on the ArcGIS and Fragstats software platform,this paper combines the moving window and the MCR to integrate the landscape index and the evaluation factor of construction land suitability,and provide a scientific basis for MCR construction Land use,and evaluate the suitability of construction land in the study area in 2006 and 2013.The superposition analysis is used to analyze the result and generate the extended warning point.Finally,The hydrology extended module is used to determine suitable expansion paths，ecological isolation zones and key points of ecology that can provide the scientific basis for the development direction of urban construction land.The results of the study show that the method proposed in this paper can provide reference for scientific development and reasonable planning of urban land use,for it combines the landscape index with MCR to evaluate the suitability of the construction land from the point, line and surface and tries to use the more scientific method to guide the suitable extension direction of urban construction land.

moving window;minimal cumulative resistance model;construction land; suitability evaluation;Jiangxia district

2017-09-11.

国家自然科学基金项目(41261041);江西省高校人文社会科学课题(GL1501);江西省自然科学基金项目(20132BAB201049);流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室资助课题(WE2016018)；江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ150592).

况达(1993-)，男，硕士，主要从事地理信息系统的研究.

1008-8423(2017)04-0471-06

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.12.025

F293.2;P208

A