基于AHP模型的城镇开发边界的划定方法研究：以湘西州为例

古 杰 ，郑超辉，雷文韬 ，谢宏坤 ，张国武

(1.湖南城市学院 建筑与城市规划学院，湖南 益阳 413000；2.数字化城乡空间规划关键技术湖南省重点实验室，湖南 益阳 413000)

城镇开发边界(urban development boundary，简称“UDB”)与城镇增长边界(urban growth boundary，简称“UGB”)具有相同的概念内涵，我国在2014年之前使用较多的是城镇增长边界，但是之后更加强调的是城镇发展，因此，无论是政策文件还是学术研究，使用较多的都是城镇开发边界.城镇开发边界最早由美国塞勒姆市提出，表示城市土地与农村土地的分界线，它的基本功能是控制城市规模的无节制扩张，是城市增长管理最有效的手段和方法之一[1].依据自然资源部2020年9月出台的《市级国土空间总体规划编制指南》，城镇开发边界是在国土空间规划中划定的，一定时期内因城镇发展需要，可以集中进行城镇开发建设、完善城镇功能和提升空间品质的区域边界，涉及城市、建制镇以及各类开发区等，其内部可分为城镇集中建设区、城镇弹性发展区和特别用途区.

尽管城镇开发边界的概念比较简单，但是其划定和贯彻实施却比较困难[2].其主要原因包括2个方面，一是在用地增量扩张的背景下，受到城市发展不确定性和土地财政等方面的影响，城镇建设用地的规模预测较为困难；二是城镇建设用地空间扩张影响因素复杂，指标权重确定难度较大，城市空间扩张的方向预测也较困难.从城镇开发边界的管理来看，与城市空间扩张密切相关的规划主要包括国民经济与社会发展规划、城乡规划、土地利用规划和生态环境保护规划等.其中，土地利用规划在调控城市扩张方面具有关键意义.同时，社会的发展也不是静止的，它总是随时间的推移而发生一些变化，所以城市增长边界也会随着社会经济的发展而产生一些变化.城市增长边界既要有一定的刚性，也要有一定的弹性，因此在新一轮国土空间规划的过程中，城镇开发边界内允许划定不超过集中建设区面积15%的弹性发展空间.

学界关于城镇开发边界的定量研究成果非常丰富，常用的模型思路包括模拟思路和评价思路[3-10].城镇开发边界的预测与模拟的关键技术难题是获取转换规则或者确定不同影响因素的指标权重.学界对城镇开发边界使用较多的模型是多智能体模型，模型的核心在于利用已有土地利用数据获取转换规则[11-12].目前定义多智能体规则转换的方法主要有人工判断方法、层次分析方法、神经网络方法、决策树方法和逻辑回归方法.通过人工判断的方法获取多智能体模型的参数受到主观因素的影响较大，当空间变量较多时，有较多的参数值组合方案[13].相对而言，通过神经网络自动运算的方法获取转换规则较为有效，但是存在局部最小值和收敛速度慢的问题，属于黑箱结构.通过决策树获取转换规则存在局部最优而不是整体最优的问题.

在利用多智能体模拟的过程中，地方政府的发展意图与模拟结果互动机制的建立较为困难.这就意味着城镇开发边界的划定更多的是基于计算机模型而不是人的主观选择.多智能体之所以没有在实际城市规划中充分应用的原因也在于此.相对而言，通过逻辑回归的方式获取转换规则由于简单而在实际运用中使用较多，然而指标权重的确定问题随之出现.层次分析法模型(AHP)是将决策问题条理化、层次化，把与决策有关的元素分解成目标、准则和方案[14-15].把AHP模型运用于城镇开发边界的研究过程中，既可以解决指标权重确定的难题，也可以将地方政府的发展诉求与城镇开发边界划定的实际工作结合起来.本文以湘西土家族苗族自治州(简称“湘西州”)为例，研究层次分析法模型在城镇开发边界模拟过程中的具体应用.按照现有国土空间规划政策，城镇开发边界划定的期限是2035年，由于本研究依托于《湘西自治州州域城镇体系规划(2016—2030)》，因此其研究期限为2030年.

1 研究区域和数据来源

1.1 研究区域

湘西州位于湖南省西北部，东北邻张家界市，东南与怀化市接壤，西与贵州省和重庆市相邻，北与湖北省交界.南北长约240 km，东西宽约170 km；土地总面积为1.55万 km2；辖吉首市、泸溪县、凤凰县、花垣县、保靖县、古丈县、永顺县和龙山县8县(市).湘西州属中亚热带季风湿润气候，年降水量1 300～1 500 mm，雨热基本同期；湘西州交通便利，境内有焦柳铁路，常吉、吉茶、吉怀、张花、永吉和龙永高速公路贯穿全境，国道和省道纵横交错；水运发达；铜仁凤凰机场，形成了水陆空三维立体交通枢纽格局.缘于其历史与地理条件，湘西自治州的社会经济发展相对滞后.近年来，其区位条件得到明显改善，社会经济快速发展，GDP增长幅度较快，经济运行状态良好.由《湘西州2019年国民经济和社会发展统计公报》可知，2019年全州GDP为705.71亿元，增长了7.2%；三产比重分别为13.4∶28.1∶58.5；人均生产总值为26 691元，增长了7.2%；全州年末常住人口263.83万人，其中城镇人口125.98万人，农村人口137.85万人，城镇化率47.75%.

1.2 数据来源

研究涉及的数据主要包括地形数据、土地利用总体规划数据、城市总体规划数据、道路交通数据和生态红线数据.地形数据和城市总体规划数据来自原规划局，土地利用总体规划数据来自原国土局，生态红线数据来自环境保护局.现状路网和交通站点数据由规划编制团队绘制.

2 研究过程与结果

2.1 城镇开发边界的规模分析

由《湘西土家族苗族自治州土地利用总体规划(2006—2020年)》可知，2014年城镇工矿用地面积为12607.97 hm2，占土地总面积的0.81%，到2020年城镇工矿用地面积为25 894.98 hm2，占土地总面积的1.67%；2014年到2020年新增城镇工矿建设用地指标13 287.01 hm2，年均增加2 214.50 hm2.以城镇建设用地年均增加2214.50 hm2作为标准，并以此为基础，2030年城镇工矿建设用地规模将为48 040.00 hm2.城镇空间扩张用地类型主要是城镇建设用地，则拟定2030年工矿用地面积保持不变，依然为2 747.64 hm2.因此，2030城镇建设用地规模为2030年城镇工矿用地(48 040.00 hm2)减去2030年工矿用地(2 747.64 hm2)，计算结果为45 292.36 hm2.

2.2 AHP模型的指标体系

指标体系包括地形、区位、交通和管制4大类指标，其中，地形指标包括高程和坡度；区位指标包括城镇建设用地密度和市县中心；交通指标包括外部交通和城市道路；管制包括城规管制、土规管制和生态管制(见表1).

表1 城市空间扩张的影响因素

2.3 AHP模型的指标权重

本文借助于层次分析法软件对空间扩张各影响因素的指标权重进行分析，见表2～表7.其中，目标层是城市空间扩张的影响因素指标权重确定；指标层包括地形、区位、交通和管制.

表2 中类指标的权重确定(一致性比例：0.01；最大特征根：4.03)

表3 地形因素权重确定(一致性比例：0.00，最大特征根：2.00)

表4 区位条件权重确定(一致性比例：0.00，最大特征根：2.00)

表5 交通条件权重确定(一致性比例：0.00，最大特征根：2.00)

表6 规划管制权重确定(一致性比例：0.00，最大特征根：3.00)

表7 最终计算结果各要素权重

依据各权重要素确定的回归模型，以栅格点为单位确定地域空间上逻辑回归模型的概率值p的空间分布，具体计算公式为：

其中，y为总体得分；x1为高程；x2为坡度；x3城镇建设用地密度；x4为市县中心；x5为外部交通；x6为城市道路；x7为城规管制；x8为土规管制；x9为生态管制；pmax为总体得分最大值；p为空间转换概率.

依据式(3)进行空间运算，计算结果见图1a.

图1 城镇开发边界的划定过程与优化结果

2.4 城镇增长边界的划定及优化

依据空间转换概率计算转换概率与对应的地块.2030年城镇建设用地规模45 292.36 hm2，每个栅格面积为0.25 hm2，因此城镇建设用地共包含181 169个栅格.经过计算，空间转换概率≥60.49%时栅格数量为181 106个，最大限度地接近2030年建设用地规模，因此选取≥60.49%的区域作为2030年建设用地范围.

依据空间概率及建设用地可以计算出2030年城镇建设用地的空间分布状况，但是这种空间分布没有考虑到土地的集中连片开发，例如，如果1个片区内仅仅有1个栅格，该地块适宜做建设用地，从实际建设的角度，把2500 m2的独立地块纳入到城镇建设用地的范围中并不合适.为了使建设用地尽可能满足集中连片的条件，采用核密度分析的方法对2030年城镇建设用地进行空间优化.空间优化的具体方法是将建设用地转为点图层，每个点表示2 500 m2的建设用地.对点图层进行核密度分析，搜索半径为500 m；然后根据核密度从大到小的顺序选取与2030年面积相等的核密度值.结果表明，2030年核密度≥0.000 176 5的栅格个数为171 178个，较大限度地接近2030年城镇建设用地的规模，因此选取0.000 176 5的地块范围作为2030年城镇建设用地的范围(见图1b).

以2030年城镇建设用地范围为基础，从现状和管控边界的视角对城镇开发边界进一步优化即可得出2030年城镇发展空间，其外围边界就是2030年城镇增长边界.具体分析过程分为做加法和做减法2步.所谓做加法是以现状建设用地为基础，将现状为城镇建设用地但模拟分析过程中未纳入城镇建设用地范围的少量地块纳入到城镇建设用地的范围中；所谓做减法是考虑基本农田的空间范围情况，将划入到基本农田范围内的城镇建设用地进行扣减，可得出2030年城镇建设用地的空间范围，也即2030年城镇发展区和城镇开发边界线(见图1c).

3 结论与讨论

新一轮国土空间规划中，城镇发展区(空间)是一个非常重要的规划概念.城镇开发边界划定的最终成果虽然比较简单，但是其划定过程是一个非常复杂的系统工程，所以不仅需要科学的定性和定量分析过程，也需要非常严谨的经验主义研判和多次沟通协调.其中，在定量分析的过程中，不同影响因素的指标权重的确定是制约城镇开发边界划定的重要因素.在湘西州城镇体系规划的过程中，采用AHP分析的方法划定城镇开发边界，相对于已有研究具有3个方面的优势：1)需要的数据源较少，无论是智能体模型还是逻辑回归模型都需要至少2个年份的土地利用现状数据作为参照，本研究数据源不需要历史年份的土地利用现状数据，因而大大降低了数据获取的难度.2)实现了专家意见和分析者客观判断的有效结合，将城镇开发边界这一复杂问题中的各种因素通过划分为相互联系的有序层次，使之条理化，通过两两比较实现了主观判断结构的定量化，最终将同一层次元素两两比较的重要性进行定量描述.3)以空间概率作为城镇开发边界划定的中间过程，便于城镇开发边界的后期优化调整.总体而言，AHP模型在城镇开发边界中的应用，相对于多智能体模型和逻辑回归模型具有较为明显的优势.该模型本质上属于空间评价模型，局限性主要表现为城镇开发边界的规模分析较为薄弱，需要借助于其他方法作为支撑.