基于改进斜坡单元法的山区城镇建设用地适宜性评价

刘 壮，李远耀，张 为，谭建民，刘 月，付 圣

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院， 湖北 武汉 430074；2.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205;3.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074)

三峡库区是我国典型的生态敏感区域，同时也是地质灾害最为发育的山地丘陵地区之一[1]。随着三峡库区移民新城的不断发展，人地矛盾十分突出，因此对于库区广大新建或移民城镇，亟待探索一套符合山区城镇建设用地适宜性评价的方法，为指导山区城镇土地利用规划提供科学依据。

国内外许多学者围绕城镇建设用地适宜性评价开展了大量的研究工作。如张东明等[2]以昆明市为例，重点研究了城市建设用地的影响因素、城市建设用地适宜性评价指标的选取和确定指标权重的方法；王海鹰等[3]以深圳市为例，利用德尔菲法确定了影响城市建设用地生态适宜性的自然、社会经济和生态安全等因素,并采用层次分析法计算了相关影响因子的权重，建立了一套城市建设用地生态适宜性评价模型体系和方法；薛松等[4]以兰州榆中县为例，引入潜力-阻力评价模型，开展了城市生态建设用地适宜性评价；南晓娜[5]以陕西省岚皋县为例，针对山地城市用地特征和要求，探讨了山地城市建设用地适宜性评价指标体系、评价模型以及GIS技术支持下的分析评价方法。

综上所述，针对城镇建设用地适宜性评价，前人的研究多侧重于评价指标体系、评价模型、评价因子权重等方面，而针对山区城镇评价单元划分方法的研究则相对较少。鉴于此，本文以三峡库区重庆市云阳县双江镇为例，结合该山区城镇地形地貌特征，首先采用改进的斜坡单元法——盆域山体阴影法的评价单元划分方法对研究区建设用地适宜性进行评价，然后将改进的斜坡单元法的评价结果与传统栅格单元法的评价结果进行对比分析，最后将两种评价单元划分方法所得到的研究区建设用地适宜性评价结果与实际建设用地土地利用现状进行对比分析，验证改进的斜坡单元法对山区城镇建设用地适宜性评价的合理性与适用性。

1 研究区概况

云阳县位于重庆市东北部的长江两岸，地处三峡库区腹心地带。研究区双江镇位于长江北岸，为云阳县城所在地，规划为三峡库区重点规划城市和区域交通枢纽，评价区面积约为74 km2，其地理位置见图1。

图1 重庆市云阳县双江镇地理位置图Fig.1 Geographical location map of Shuangjiang Town,Yunyang County,Chongqing

研究区属亚热带季风气候，常年气候湿润，多年平均年降雨量为1 436.5 mm。该区域岭谷地貌明显，以山地为主，呈现出“一山二岭一槽”的总体地貌特征。

云阳县地处四川盆地东部边缘的丘陵向山地过渡带，受华蓥山-方斗山弧形褶皱体系和大巴山断褶皱带控制，地质构造以褶皱为主，断裂规模很小。研究区地层主要包括第四系、侏罗系和三叠系，岩性以侏罗系的砂岩、泥岩等分布最为广泛。境内地表水系发育，长江、数十条支流及小型溪沟构成了复杂的地表径流网络。区内地质灾害频发，以滑坡和崩塌为主。

2 研究区建设用地适宜性评价过程

2.1 研究思路

本次对研究区建设用地进行适宜性评价的研究思路如下：首先，在收集整理云阳县双江镇社会经济、地质环境和自然生态等相关资料的基础上，确定了研究区建设用地适宜性评价指标体系和评价模型；然后基于改进的斜坡单元法对研究区建设用地适宜性进行评价，并将改进的斜坡单元法的评价结果与传统栅格单元法的评价结果进行了对比分析；最后结合研究区实际的土地利用现状，对比验证采用改进的斜坡单元法对山区城镇建设用地适宜性评价的合理性与适用性。具体的评价流程见图2。

图2 研究区建设用地适宜性评价的流程Fig.2 Process chart of the suitability evaluation for construction land in the study area

2.2 评价指标体系的构建

根据山区城镇建设用地的特点，科学、合理地构建评价指标体系是适宜性评价中的首要步骤。本文参考现行标准规范[6-7]，以因地制宜为先导原则，对标准规范中的评价指标进行了改进，以适用于山区城镇的特殊性。通过资料分析整理和专家咨询等方法，并结合云阳县双江镇城镇建设用地的特点，筛选出地质地貌、自然生态和社会经济三大类评价指标。其中，二级评价指标包含地灾易发性、地层岩性(工程地质岩组)、地面坡度、地形起伏度、洪水淹没程度、河流水系辐射、植被覆盖率、土地利用现状、距国道或省道距离(国省道缓冲距离)和距县道或乡道距离(县乡道缓冲距离)10个评价因子，详见表1。本次参照《城乡建设用地适宜性评价技术规程》[8]对各评价指标进行分级定量取值。

2.3 评价指标权重的确定

在山区城镇建设用地适宜性评价中，各评价指标权重的确定是关键问题之一[9]。本文采用层次分析法(AHP)[10]确定各评价指标因子的权重。AHP法通过人为判断每个层级指标之间包含的隶属关系，将复杂问题中的各种要素归纳为条理秩序明确的多个层级，并对每个层级的要素进行两两比较，根据各自的相对重要性得出各个评价指标的相对权重。该方法比较适合于具有分层交错评价指标的目标系统，且目标值又难于定量描述的决策问题。

表1 山区城镇建设用地适宜性评价指标的分级定量标准Table 1 Classification quatitative criteria of suitability evaluation indexes of urban construction land in mountainous area

采用AHP法确定场地适宜性评价指标的权重主要包括以下6个步骤：①确定评价指标体系；②建立递阶层次结构模型；③构造出各层次中的所有判断矩阵；④进行层次单排序及一致性检验；⑤进行层次总排序及一致性检验；⑥确定最底层各评价指标因子的权重。本文采用AHP法确定的各评价指标因子的权重，见表2。

2.4 评价模型的选取

目前常用的建设用地适宜性评价模型主要有模糊综合评价模型、多因子综合评价模型、多目标综合评价模型、综合指数评价模型和人工神经网络模型等。其中，操作性强、可考虑多因素综合影响的多因子综合叠加模型更适合受限因素复杂的山区城镇建设用地适宜性评价。因此，本次适宜性评价选取了多因子综合叠加模型[11-12]。该模型的计算公式如下：

(1)

式中：S为某个评价单元的适宜性综合得分值；wi为第i个评价因子的权重；Xi为某个评价单元第i个评价因子的得分值；n为评价因子的个数。

表2 山区城镇建设用地适宜性评价指标的权重分配Table 2 Weight distributionTable of basic indicators for suitability evaluation indexes construction land in mountainous towns

2.5 评价单元的划分

评价单元是指特定区域建设用地评价中的最小制图单元，评价单元划分得恰当与否直接决定了评价结果的可靠性和实用性。常用的评价单元有6类：栅格单元、地貌单元、斜坡单元、唯一条件单元、地形单元、行政单元[13-17]。其中，在城镇建设用地适宜性评价中，多采用的是栅格单元法，其原理是用一定尺度的规则网格将研究区划分为若干规整统一的评价单元。栅格单元法的划分原理决定了其单元划分过程中考虑的评价因素较为单一，且只是按照固定的栅格大小进行单元划分，不能很好地考虑到山区地形的变化，同时在最终结果的表达上过于离散，可能会将基本的地形单元割裂开来，从而得出与实际地质条件不相符的评价结果。

相比之下，斜坡单元法在地形表达上更具有优势，斜坡单元体现的是自然斜坡边界的范围，将评价区域看成由大小不一的斜坡单元组成，本质上利用斜坡单元进行适宜性评价更加适用于山地丘陵地貌多样、地形起伏度大、平地地段较少的区域。其中，采用斜坡单元作为评价单元，可以综合体现地质地貌等地质环境条件与适宜性评价之间的紧密联系和关联作用[18-20]。

斜坡单元的划分主要有两种方法：水文分析法和曲率分水岭法。其中，水文分析法划分斜坡单元的精度与原始栅格的大小、集水面积阈值的设置有关，通过水文分析法划分得到的斜坡单元需要进行大量的手动修改才能确保精度[21]；曲率分水岭法提取斜坡单元的操作简便，但划分得到的斜坡单元数量较多，斜坡单元的面积过小，与地形的契合程度不如水文分析法[22]。基于此，本文在水文分析法的基础上，采用改进的斜坡单元法——盆域山体阴影法进行评价单元的划分。

盆域山体阴影法划分斜坡单元的基本步骤如下：①获取整个评价区的山体阴影图层，将高度角设置为90°、方位角设置为任意，得到后续分析所需的山体阴影图；②以山体阴影图为基础提取流向，虚拟水流的方向由高值到低值依次指示着山脊、坡面、山谷；③计算盆域面，利用ArcGIS工具箱中的空间分析工具的水文分析下的盆域分析功能分析流向图，即可得到盆域图；④矢量化，将盆域栅格矢量化为面文件，即得到初步的斜坡单元，得到的初步斜坡单元通过软件匹配坡度、坡向的标准差，完成初步筛选，筛选出成熟的斜坡单元，再经过斜坡单元面合并、矢量面的融合直至满足参数要求，最后得到斜坡单元成果，后期经过少量的手动修改即可满足要求。改进的斜坡单元法——盆域山体阴影法详细的斜坡单元划分流程见图3。

图3 改进的斜坡单元法——盆域山体阴影法划分 斜坡单元的流程图Fig.3 Flow chart of division evaluation units based on optimized slope unit method—basin area mountain shadow method

本文采用3种斜坡单元划分方法，即改进的斜坡单元法——盆域山体阴影法、曲率分水岭法、水文分析法对研究区的斜坡单元进行了划分，得到的划分结果见表3和图4至图6。

表3 3种斜坡单元划分方法划分结果Table 3 Division results of three slope unit methods

图4 改进的斜坡单元法——盆域山体阴影法 斜坡单元的划分图Fig.4 Division of slope units by optimized slope unit method—basin area mountain shadow method

图5 水文分析法斜坡单元的划分图 Fig.5 Division of slope units by hydrological analysis

图6 曲率分水岭法斜坡单元的划分图Fig.6 Division of slope units by curvature watershed method

由表3、图4至图6可见，采用3种方法划分出的斜坡单元结果的差异性较大，其中水文分析法划分出的斜坡单元会出现一系列长条状面，得到的斜坡单元面积分布不均匀，不能反映实际的地形地貌；曲率分水岭法划分出的斜坡单元数量过多，部分斜坡单元的面积过小，未能考虑与地形、地质界线之间的契合；盆域山体阴影法划分出的斜坡单元数量和平均面积较为适中，不同斜坡单元面积分布符合实际的地形地貌。

3 研究区建设用地适宜性评价结果与分析

3.1 评价结果

由前述评价单元的设置可知，在采用栅格单元为基础的评价因子的处理中，所有评价因子均以栅格的形式进行分级处理，而在采用斜坡单元为基础的评价因子的处理中，评价因子采用斜坡单元进行分级处理。图7至图16为研究区地面坡度、地形起伏度、地灾易发性、植被覆盖率和适宜性评价分别采用改进的斜坡单元法和栅格单元法进行分级处理的结果。

由图7至图16可见，研究区共划分1 508个斜坡单元，每一斜坡单元当中包含若干由栅格转面而来的面积不同的基础面构成的斜坡单元。利用ArcGIS中的栅格计算器工具，计算出初步的斜坡单元划分结果后导出至Excel中，再计算出每一个斜坡单元的最终得分，最后根据斜坡单元最终得分的分布情况，将各评价单元划分为4个等级：不适宜级、适宜性较差级、较适宜级、适宜级，进而得出最终的评价结果。

图7 改进的斜坡单元法研究区地面坡度分级图Fig.7 Gradation map of topographic gradient in study area based on optimized slope unit method

图8 栅格单元法研究区地面坡度分级图Fig.8 Gradation map of topographic gradient in study area based on grid unit method

图9 改进的斜坡单元法研究区地形起伏度分级图Fig.9 Topographic relief in study area based on optimized slope unit method

图10 栅格单元法研究区地形起伏度分级图Fig.10 Topographic relief grading diagram in study area based on grid unit method

图11 改进的斜坡单元法研究区地灾易发性分级图Fig.11 Grading diagram of geological hazard susceptibility in study area based on optimized slope unit method

图12 栅格单元法研究区地灾易发性分级图Fig.12 Grading diagram of geological hazard susceptibility in study area based on grid unit method

图13 改进的斜坡单元法研究区植被覆盖率分级图Fig.13 Grading diagram of vegetation coverage in study area based on optimized slope unit method

图14 栅格单元法研究区植被覆盖率分级图Fig.14 Grading diagram of vegetation coverage in study area based on grid unit method

图15 改进的斜坡单元法研究区建设用地适宜性评价 分级图Fig.15 Grading diagram of the suitability evaluation results for construction land in study area based on optimized slope unit method

图16 栅格单元法研究区建设用地适宜性评价分级图Fig.16 Grading diagram of the suitability evaluation results for constructuion land in study area based on grid unit method

3.2 评价结果分析与验证

本文采用改进的斜坡单元法对研究区建设用地适宜性进行评价的结果显示(见图15)，研究区适宜建设区主要分布在双江镇大坝子、大垭口、龙泉堂、贵湾广场、海峡小学、蜀光村、沙门市等地区；采用改进的斜坡单元法和栅格单元法两种评价方法所得到的研究区建设用地适宜、较适宜建设区的分布较为一致。在实际建设用地中，所选场地只考虑适宜级和较适宜级两类适宜性分区。不同评价方法的研究区建设用地适宜性评价结果，见表4。

表4 不同评价方法的研究区建设用地适宜性评价结果Table 4 Suitability evaluation results of different evaluation unit methods in the study area

由表4可知，两种评价方法所得到的研究区建设用地适宜级和较适宜级的面积占比总和相差很小，初步验证了改进的斜坡单元法评价结果的可靠性；同时，采用改进的斜坡单元法得到的研究区建设用地适宜性评价结果整体较好，评价得到的适宜区和较适宜区的总面积较大，适宜区面积占比大于栅格单元法适宜区面积占比，且适宜性等级的分布主要集中在适宜级和较适宜级，其面积所占的百分比达59.6%。

为了验证研究区建设用地适宜性评价结果的合理性，本文将上述两种评价方法得到的研究区适宜性评价结果与实际的建设用地情况进行了对比，即选取如图17所示的两个区域(①海峡小学、木鱼包公园、贵湾广场附近和②王家湾附近)与遥感影像图进行了对比，经过对比可知：改进的斜坡单元法所得到的评价结果显示，贵湾广场、海峡小学附近为适宜建设区，王家湾、滨江公园附近为较适宜建设区；栅格单元法所得到的评价结果显示，贵湾广场、海峡小学附近部分为较适宜建设区，部分为适宜性较差建设区，王家湾、滨江公园附近也同样如此。将两个区域所得的评价结果与实际遥感影像图结合，发现木鱼包公园未开展大规模的土地利用，在贵湾广场和海峡小学、王家湾附近已经开展了大量的建设，进一步验证了采用改进的斜坡单元法的评价结果更加符合实际的建设用地利用现状，体现该方法具有可靠性和适用性。

图17 不同评价方法的研究区建设用地适宜性评价结果与遥感影像图的对比Fig.17 Comparison between the suitability evaluation results for construction land of different evaluation methods and remote sensing images in the study area

4 结论与建议

本文引入斜坡单元作为评价单元用于山区城镇建设用地适宜性评价，对比分析了改进的斜坡单元法和栅格单元法两种评价方法在山区城镇建设用地适宜性评价中评价结果的可靠度和精确度，得出如下结论：

(1) 基于改进斜坡单元法的研究区建设用地适宜性评价结果表明，建设用地适宜性分区成块分布，具有类聚性，更加符合双江镇实际建设用地中土地利用的现状，体现了其评价结果的合理性和适用性，同时该评价结果可以更好地服务于后期的城镇土地利用规划。

(2) 基于栅格单元法的研究区建设用地适宜性评价结果表明，建设用地适宜性分区具有离散性，评价结果的适用性和合理性在山区城镇建设用地适宜性评价中有待提高，特别是在后期的建设规划使用中，分区结果仍需要人为主观调整。

(3) 城市建设用地适宜性等级高低是相对的，它不仅受当地自然条件的限制，还取决于当地经济发展和现今工程技术水平，一定时期不适宜建设的用地，由于城市经济水平和工程技术水平的提高，可能会转化为适宜建设的用地。因此，在今后的工作中应定期对城镇建设用地适宜性进行评价，以促进城市生态环境、经济和社会的协调可持续发展。