王憲恩, 丁炎軍, 王 碩

(吉林大學 地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室, 長春 130021)

近年來，隨著中國經(jīng)濟的穩(wěn)步快速發(fā)展，高速的城市化進程與土地資源有限性的矛盾不斷加劇，如何合理規(guī)劃城市的建設(shè)用地資源，發(fā)揮建設(shè)用地的最大效益已經(jīng)成為我國城市土地利用的重要任務(wù)[1]。由于城市均處于一定質(zhì)量下的生態(tài)環(huán)境中，其形成和發(fā)展都受到生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境容量的支撐與約束[2]，城市建設(shè)用地的土地生態(tài)適宜性評價可以為協(xié)調(diào)城市擴張與土地資源有限性之間的矛盾提供合理的決策依據(jù)，其本質(zhì)上是從生態(tài)保護和城市土地的可持續(xù)利用的角度出發(fā)，在考慮土地固有的生態(tài)條件的基礎(chǔ)上，綜合社會以及經(jīng)濟因素，定量分析不同土地利用類型的適宜程度，引導人們按照土地的內(nèi)在適宜程度進行開發(fā)，對于提高城市土地資源的社會經(jīng)濟生態(tài)價值、保證城市土地資源合理利用具有重要的指導意義[3-4]。

基于此，如何對城市建設(shè)用地進行定量化的生態(tài)適宜性評價分析成為生態(tài)適宜性研究中的重點工作。1969年McHarg在對里士滿林園大路的選線方案的研究中首次提出土地生態(tài)適宜性分析的概念之后，采用“千層餅”疊圖法得到里士滿園林大路的最適宜建設(shè)方案，這種被稱為McHarg法的研究方法得到廣泛的關(guān)注[5]。但是，傳統(tǒng)的McHarg方法對評價中各指標采用等權(quán)處理的方法并不符合土地利用的實際情況。因此，隨著研究的不斷深入，Bagheri等人在McHarg法基礎(chǔ)上采用層次分析法修正了傳統(tǒng)McHarg法評價指標等權(quán)設(shè)置的缺陷并對馬來西亞登嘉樓地區(qū)進行了生態(tài)適宜性研究[6]；Fan等人則從克服傳統(tǒng)方法中各指標簡單的賦權(quán)相加與實際情況的差異出發(fā)，將物理學的動力阻力模型與層級分析法結(jié)合起來對中國德陽地區(qū)進行了土地生態(tài)適宜性研究[7]；Xu等考慮到層次分析法受主觀意見影響較大，提出用主成分分析法代替層次分析法進行指標的權(quán)重確定，并在此基礎(chǔ)上對南京中山風景區(qū)的土地適宜性進行評價研究[8]。隨著計算科學與空間技術(shù)的進步，傳統(tǒng)McHarg法與3S技術(shù)及人工智能算法、演進算法等的結(jié)合更加緊密，一方面避免了賦權(quán)過程中的主觀化影響，另一方面簡化了評價的計算方法，例如：Ahmadi采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法作為伊朗馬贊德蘭省農(nóng)作物用地生態(tài)適宜性評價方法，結(jié)果顯示該方法評價結(jié)果與實際情況的吻合程度高達83%[9]；Kong等采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對杭州市城鄉(xiāng)結(jié)合部的農(nóng)業(yè)用地生態(tài)適宜性進行了考察，結(jié)果顯示目前有52%左右的土地適于作為農(nóng)業(yè)用地，與杭州市當前的情況接近[10]。但是無論人工智能算法或演進算法都需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，這限制了這種計算方法的廣泛應用。因此，有學者借鑒層次分析的簡便性與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的指標間廣泛聯(lián)系特征，將網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)引入土地生態(tài)適宜性分析中，例如：Ferretti等人考慮到環(huán)境問題的復雜性，評價指標之間存在內(nèi)部聯(lián)系，提出基于網(wǎng)絡(luò)分析法和有序加權(quán)平均法的多重空間決策支持系統(tǒng)并對意大利皮爾蒙特地區(qū)進行土地生態(tài)適宜性研究[11]。Azizi等采用DEMATEL模型構(gòu)建伊朗阿爾達比勒省風電站建設(shè)用地評價指標之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上采用ANP方法確定了各指標的權(quán)重，從而實現(xiàn)了風電站選址的研究[12]。Malmir等則采用ANP方法對伊朗阿瓦茲縣城市發(fā)展用地的生態(tài)適宜性進行評價，結(jié)果顯示ANP方法在城市發(fā)展用地上具有良好的適用性[13]。

考慮到城市是由社會、經(jīng)濟和自然3個子系統(tǒng)組成的復合生態(tài)系統(tǒng)[14]，而且3個子系統(tǒng)之間具有內(nèi)在聯(lián)系，因此，網(wǎng)絡(luò)分析法可以較好地表達指標間這種內(nèi)在聯(lián)系對于權(quán)重確定的影響，同時本文從生態(tài)、環(huán)境與社會經(jīng)濟角度出發(fā)提出了城市建設(shè)用地生態(tài)適宜性評價的指標體系。并結(jié)合該評價體系，運用網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)和GIS耦合的分析方法，綜合考慮社會、經(jīng)濟和自然指標對長春市建筑用地進行土地生態(tài)適宜性研究，以期能夠定量的分析長春市建設(shè)用地的生態(tài)適宜性，為長春市的城市規(guī)劃提供有價值的決策依據(jù)。

1　方 法

本文從城市建設(shè)用地的自然屬性與社會、經(jīng)濟屬性出發(fā)，綜合考慮自然、社會和經(jīng)濟因素是否符合城市建設(shè)發(fā)展條件，確立相應的指示指標，并由各指標構(gòu)成評價指標體系，采用網(wǎng)絡(luò)分析法計算各指標的權(quán)重，采用GIS空間分析能力構(gòu)建各指標圖層。在此基礎(chǔ)上，將指標圖層與網(wǎng)絡(luò)分析法確定的指標權(quán)重在地理信息系統(tǒng)中進行加權(quán)疊加，從而獲得城市建設(shè)用地的生態(tài)適宜性評價結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)是1996年T.L.Saaty基于層次分析法(AHP)提出的一種適用于非獨立的遞階層次結(jié)構(gòu)的決策方法[15-17]。ANP是一種決策過程，它提供了一種基于決策者的判斷的表示決策因素測度的基本方法，這種方法依靠決策者的判斷，采用相對標度形式對決策因素進行兩兩對比，最終計算矩陣得到元素相對于決策目標的權(quán)重[18-20]。ANP規(guī)避了AHP方法在使用時必須假設(shè)同一層次的元素相當獨立的不足，它以網(wǎng)絡(luò)形式表示各指標之間的聯(lián)系，允許指標之間的內(nèi)在反饋關(guān)系，可以更好的解決各種復雜的問題[21-22]。

運用ANP法計算指標權(quán)重的過程如下：

(1) 建立ANP結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)決策目標和決策因素確定控制層和網(wǎng)絡(luò)層，在目標和決策因素的基礎(chǔ)上確定各因素之間的相關(guān)性(見圖1)。

圖1　ANP模型

(2) 運用網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)基本原理構(gòu)建初始矩陣。依靠決策者的判斷結(jié)合Saaty的基本比例標度，以控制層Bi為準則，以Cj中的元素ej1為次級準則，Ci中的其他元素ein相對于ej1的重要程度進行比較構(gòu)建初始矩陣：

(1)

計算其特征向量Wi1j1=(wi1,wi2…win)T

(3) 根據(jù)各指標之間的次級準則建立基于ANP網(wǎng)絡(luò)的超級矩陣。

(2)

矩陣表示層次內(nèi)部各因子對某個準則的排序。

(4) 構(gòu)建加權(quán)超矩陣。在矩陣(2) 的基礎(chǔ)上考慮層次之間的影響，將每個層次作為一個元素進行兩兩對比，構(gòu)建加權(quán)超矩陣：

W=Bij×Wij

(3)

式中：Bij表示第i個層次相對于第j個層次的影響權(quán)值。

(5) 計算加權(quán)超矩陣W得到指標的權(quán)重。

2　案例研究

2.1　研究區(qū)概況

長春市位于吉林省中部，北緯43°05′—45°15′，東經(jīng)124°18′—127°05′，地處松遼平原腹地。全市下轄7個區(qū)、1個縣，代管2個縣級市(南關(guān)區(qū)、朝陽區(qū)、寬城區(qū)、二道區(qū)、綠園區(qū)、雙陽區(qū)、九臺區(qū)、榆樹市、德惠市、農(nóng)安縣)，總面積20 565 km2，其中市區(qū)面積7 557 km2。長春市2014年總?cè)丝跀?shù)量為754.5萬人，其中市區(qū)人口3 665.9萬人，其他地區(qū)人口為388.7萬人。2014年來長春市國民經(jīng)濟持續(xù)平穩(wěn)增長，綜合實力明顯增強，全年實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值5 342.4億元，年平均增長6.6%。

2.2　指標的選取

綜合考慮長春市的社會、經(jīng)濟和自然因素，參考前人的研究成果[1,4,18]，考慮地理條件是否允許、景觀條件是否宜居、環(huán)境條件是否允許、交通是否便利、經(jīng)濟基礎(chǔ)是否可以支撐及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是否符合城市建設(shè)發(fā)展條件，選取城市建設(shè)用地生態(tài)適宜性評價指標。其中自然因素主要包括景觀要素和地形條件等，社會因素主要包括人口密度和交通條件等，經(jīng)濟因素包括地區(qū)生產(chǎn)總值和第二產(chǎn)業(yè)增加值。這些因素互相聯(lián)系、互相作用，共同影響決定了長春市土地作為建設(shè)用地的生態(tài)適宜性程度，表1顯示了各評價指標的來源和指標的意義。

2.3　權(quán)重計算

由于相關(guān)因素和評價指標之間以及各自內(nèi)部存在相互作用的影響，本文選取網(wǎng)絡(luò)分析法，構(gòu)建各指標之間復雜關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)，由ANP法建立的評價指標的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)模型。

表1　評價指標

為了計算各評價指標的權(quán)重，研究運用層次分析法中的成對比較法確定指標之間的重要程度，比較原則采用Saaty的基本比例標度來判斷其相對權(quán)重。根據(jù)ANP網(wǎng)絡(luò)分析法原理，在指標成對比較是分為兩個層次：首先是指標集之間的比較；其次為各指標之間基于網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的比較。本文研究運用Super Decisions軟件對評價指標的權(quán)重進行計算，軟件最終輸出的“限制矩陣”得到評價指標相對于生態(tài)適宜性的權(quán)重大小，表2為基于ANP法運用Super Decisions軟件計算的評價指標權(quán)重。權(quán)重結(jié)果顯示地區(qū)的第二產(chǎn)業(yè)增加值對建設(shè)用地土地生態(tài)適宜性的影響最大(20.3%)，其次為到公路的距離和GDP以及到河流的距離，而且總體來看經(jīng)濟因素對建筑用地的生態(tài)適宜性影響較大。

2.4　單因子評價結(jié)果

對長春市的河流、湖泊、坡度、海拔等數(shù)據(jù)與社會經(jīng)濟因素數(shù)據(jù)進行采集，并運用min-max標準化方法對評價指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理，將指標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無量綱。以處理結(jié)果的變化范圍為依據(jù)，輸入地理信息系統(tǒng)中，運用GIS空間分析能力，采用重分類的方法，將其分為5類(最適宜、適宜、較適宜、一般適宜、不適宜)，結(jié)果見附圖10。

長春市的河流水系分布較為均勻，整個市域范圍內(nèi)除西部區(qū)域河流較少外，基本覆蓋了全市區(qū)域；而湖泊分布則主要集中在南部、西部與東部，北部湖泊較少；而高程與坡度而言，東部與南部坡度與高程較大，其他地區(qū)的高程與坡度較小，地勢平坦；而在人口密度分布上體現(xiàn)出典型的同心圓特征，現(xiàn)有城市用地的人口密度較大，其他地區(qū)的人口密度較小；公路分布上可以看到整個市域范圍內(nèi)公路網(wǎng)比較發(fā)達，大多數(shù)地區(qū)均在公路覆蓋范圍內(nèi)；而在鐵路范圍內(nèi)可以看到主要在城市的南北走向與東西走向上，而在城市東北與西部地區(qū)，鐵路覆蓋較少；而在GDP分布上，南部雙陽地區(qū)與北部榆樹地區(qū)以北的GDP較低；第二產(chǎn)業(yè)占比上以南部雙陽區(qū)、北部榆樹市的第二產(chǎn)業(yè)占比較低。

表2　評價指標權(quán)重

2.5　結(jié)果分析

在ANP法計算的指標權(quán)重的基礎(chǔ)上運用GIS的加權(quán)疊圖能力進行所有指標圖層的疊加，最終得到長春市建筑用地的生態(tài)適宜性地圖，見附圖11。可以看出，土地適宜性地圖將長春市的土地的生態(tài)適宜性分成5個等級(最適宜、適宜、較適宜、一般適宜、不適宜)，其最適宜性的土地面積約為1 289.3 km2，適宜區(qū)域6 662.7 km2，較適宜區(qū)域9 461.4 km2，一般適宜區(qū)域2 848.2 km2，不適宜區(qū)域303.4 km2，在城市建設(shè)用地的選取時可以優(yōu)先考慮最適宜的地區(qū)，其次考慮適宜性地區(qū)，而較適宜、一般適宜和不適宜地區(qū)會由于各種自然、經(jīng)濟、社會因素的不適宜性，不適宜城市的建設(shè)。其中最適宜地區(qū)位于長春市區(qū)北部與整個市域的中東部，為長春市北部與九臺市轄區(qū)，適宜地區(qū)主要分布在長春市域范圍的中部，主要范圍為德惠市，而位于西部的農(nóng)安縣、榆樹市主要為較適宜地區(qū)，而雙陽區(qū)與榆樹市北部、農(nóng)安縣西部為主要的城市建設(shè)用地不適宜地區(qū)。

3　討 論

綜合分析建設(shè)用地生態(tài)適宜性分析的單因子狀況與最終的分析結(jié)果，可以看到，長春市域內(nèi)長春市市區(qū)周邊為最適宜地區(qū)，首先其處于長春市的中部地區(qū)，坡度平緩、高程較低對于城市建設(shè)用地在地理條件上極為適宜，而且所在區(qū)域處于伊通河水系和飲馬河水系，其距離河流水系的距離及距離湖泊的距離較為適宜，在交通方面，長春北部地區(qū)位于哈大鐵路與哈大高速的區(qū)域，其交通條件適合建設(shè)用地的選取，而且地處市區(qū)周圍，處于經(jīng)濟較為發(fā)達地區(qū)，而GDP與第二產(chǎn)業(yè)占比情況適宜于城市建設(shè)用地的選?。浑S著遠離市區(qū)的地區(qū)其適宜性程度逐漸降低，首先其經(jīng)濟稍微落后于市區(qū)周邊，而且長春市域的北部及東北部地勢逐漸增高，海拔以及坡度條件越來越不利建設(shè)用地的選取，以至于長春市域的北部及東北部區(qū)域為較適宜地區(qū)甚至為不適宜地區(qū)。

九臺區(qū)中東部地區(qū)即城區(qū)周邊為最適宜地區(qū)，所在區(qū)域坡度平緩、高程較低，處于伊通河水系和飲馬河水系，而且該區(qū)域位于吉林省東西走向鐵路及公路覆蓋區(qū)域，處于經(jīng)濟較為發(fā)達地區(qū)，GDP與第二產(chǎn)業(yè)占比情況適宜于城市建設(shè)用地的選取，雖然人口密度適宜性較為適中，但人口密度的權(quán)重較小，因此對城市建設(shè)用地生態(tài)適宜性影響較小，總體來說其9類因子的狀況都是極為適宜；而且隨著遠離市區(qū)其適宜性程度逐漸降低，遠離市區(qū)其經(jīng)濟條件稍微落后，而且九臺區(qū)的東北部地勢偏高，其海拔和坡度逐漸不利于城市建設(shè)用地的選取，而且遠離鐵路和公路的覆蓋區(qū)域，其交通條件不利，從而隨著遠離市區(qū)其建設(shè)用地生態(tài)適宜性程度從最適宜地區(qū)逐漸變?yōu)檩^適宜地區(qū)甚至不適宜地區(qū)。

德惠市域中西部地區(qū)坡度平緩、高程較低對于城市建設(shè)用地在地理條件上極為適宜，而且所在區(qū)域處于伊通河水系和飲馬河水系，其距離河流水系的距離及距離湖泊的距離較為適宜，地區(qū)位于哈大鐵路與哈大高速的區(qū)域，其交通條件適合建設(shè)用地的選取，但其經(jīng)濟條件較長春市和九臺區(qū)較為落后，綜合比較，該地區(qū)建設(shè)用地生態(tài)適宜性為較適宜地區(qū)；而德惠市的東部地區(qū)地勢增高，其坡度和海拔逐漸不利于建設(shè)用地的選取，而且遠離鐵路和公路的覆蓋區(qū)域，其交通條件不利，同時經(jīng)濟條件相對落后，其生態(tài)適宜性條件逐漸變低。

農(nóng)安縣域內(nèi)縣城周圍以及靠近長春市的東北部地區(qū)其坡度平緩、高程較低對于城市建設(shè)用地在地理條件上極為適宜，而且所在區(qū)域處于伊通河水系，其距離河流水系的距離及距離湖泊的距離較為適宜，地區(qū)位于長白鐵路與琿烏高速的區(qū)域，其交通條件適合建設(shè)用地的選取，但其經(jīng)濟條件較長春市和九臺區(qū)較為落后，綜合比較，該地區(qū)建設(shè)用地生態(tài)適宜性為較適宜地區(qū)；而農(nóng)安縣的西部及西北部地區(qū)地勢增高，其坡度和海拔逐漸不利于建設(shè)用地的選取，而且其水資源條件較差，其距離河流水系的距離及距離湖泊的距離較差，同時遠離鐵路和公路的覆蓋區(qū)域，其交通條件不利，另外其經(jīng)濟條件相對落后，其生態(tài)適宜性條件逐漸變低。

榆樹市域內(nèi)市區(qū)附近坡度平緩、高程較低對于城市建設(shè)用地在地理條件上極為適宜，而且所在區(qū)域處于松花江水系，其距離河流水系的距離及距離湖泊的距離較為適宜，地區(qū)位于榆舒鐵路與京哈高速的區(qū)域，其交通條件適合建設(shè)用地的選取，但其經(jīng)濟條件較長春市和九臺區(qū)較為落后，綜合比較，該地區(qū)建設(shè)用地生態(tài)適宜性為較適宜地區(qū)；而榆樹市北部地區(qū)以及東部地區(qū)地勢增高，其坡度和海拔逐漸不利于建設(shè)用地的選取，同時遠離鐵路和公路的覆蓋區(qū)域，其交通條件不利，而且遠離市區(qū)其經(jīng)濟條件較為落后，總體來看其建設(shè)用地的生態(tài)適宜性逐漸降低，而且在榆樹市北都地區(qū)和東部地區(qū)逐漸變?yōu)椴贿m和地區(qū)。

綜上所述，對于生態(tài)適宜性較適宜地區(qū)，長春市域遠離市區(qū)的周邊區(qū)域、九臺市的中西部、雙陽區(qū)北部、德惠市域西部、農(nóng)安縣域東南部、榆樹市市區(qū)周邊以及西南部，其主要限制因素為經(jīng)濟的發(fā)展以及交通條件，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及鐵路和公路的延伸，該部分區(qū)域的城市建設(shè)用地生態(tài)適宜性將逐步提高；而對于受自然條件高程以及坡度約束的區(qū)域，雙陽區(qū)的南部、農(nóng)安縣域的西部和東北部、九臺區(qū)東南部、德惠市東部以及榆樹市的西部和北部區(qū)域，則不適宜作為城市建設(shè)用地的開發(fā)，而應該考慮其他更為合適的開發(fā)利用方式。

4　結(jié) 論

城市建設(shè)用地的生態(tài)適宜性評價是為了協(xié)調(diào)城市擴展與生態(tài)保護之間的矛盾，為了解決這一矛盾，本文提出基于ANP-GIS的土地生態(tài)適宜性評價方法，城市建設(shè)用地的土地生態(tài)適宜性評價，綜合考慮城市自然、經(jīng)濟和社會因素對城市建設(shè)用地的影響，構(gòu)建城市的生態(tài)適宜性地圖可以為城市規(guī)劃和促進城市的健康可持續(xù)發(fā)展提出新的決策依據(jù)。研究結(jié)合長春市的自然、經(jīng)濟和社會因素對長春市的建筑用地的土地生態(tài)適宜性進行評價分析，評價結(jié)構(gòu)表明建筑用地生態(tài)適宜性高的地區(qū)分布在城市經(jīng)濟中心，符合長春市建設(shè)主體對于建設(shè)用地的經(jīng)濟效益的考慮，而且最終的生態(tài)適宜性地圖可以為長春市的城市規(guī)劃提供新的思路。

本文提出基于ANP-GIS的土地生態(tài)適宜性評價方法，該方法用網(wǎng)絡(luò)分析法代替常用的層次分析法，克服層次分析法不能處理復雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的不足，能更好的用于處理復雜的環(huán)境問題。而且在長春市建設(shè)用地的案例研究中證實ANP-GIS在處理復雜的環(huán)境問題的能力，網(wǎng)絡(luò)分析法和GIS 的結(jié)合為處理復雜的環(huán)境問題提供新的思路。

但是由于本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分辨率較低，難以進行更小空間尺度的分析，筆者將在獲取分辨率更高數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開展更為細致的長春市土地生態(tài)適宜性評價研究。

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