古 杰 ，鄭超輝，雷文韜 ，謝宏坤 ，張國武

(1.湖南城市學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.數(shù)字化城鄉(xiāng)空間規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 益陽 413000)

城鎮(zhèn)開發(fā)邊界(urban development boundary，簡稱“UDB”)與城鎮(zhèn)增長邊界(urban growth boundary，簡稱“UGB”)具有相同的概念內(nèi)涵，我國在2014年之前使用較多的是城鎮(zhèn)增長邊界，但是之后更加強調(diào)的是城鎮(zhèn)發(fā)展，因此，無論是政策文件還是學(xué)術(shù)研究，使用較多的都是城鎮(zhèn)開發(fā)邊界.城鎮(zhèn)開發(fā)邊界最早由美國塞勒姆市提出，表示城市土地與農(nóng)村土地的分界線，它的基本功能是控制城市規(guī)模的無節(jié)制擴張，是城市增長管理最有效的手段和方法之一[1].依據(jù)自然資源部2020年9月出臺的《市級國土空間總體規(guī)劃編制指南》，城鎮(zhèn)開發(fā)邊界是在國土空間規(guī)劃中劃定的，一定時期內(nèi)因城鎮(zhèn)發(fā)展需要，可以集中進行城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)、完善城鎮(zhèn)功能和提升空間品質(zhì)的區(qū)域邊界，涉及城市、建制鎮(zhèn)以及各類開發(fā)區(qū)等，其內(nèi)部可分為城鎮(zhèn)集中建設(shè)區(qū)、城鎮(zhèn)彈性發(fā)展區(qū)和特別用途區(qū).

盡管城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的概念比較簡單，但是其劃定和貫徹實施卻比較困難[2].其主要原因包括2個方面，一是在用地增量擴張的背景下，受到城市發(fā)展不確定性和土地財政等方面的影響，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的規(guī)模預(yù)測較為困難；二是城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間擴張影響因素復(fù)雜，指標(biāo)權(quán)重確定難度較大，城市空間擴張的方向預(yù)測也較困難.從城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的管理來看，與城市空間擴張密切相關(guān)的規(guī)劃主要包括國民經(jīng)濟與社會發(fā)展規(guī)劃、城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地利用規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃等.其中，土地利用規(guī)劃在調(diào)控城市擴張方面具有關(guān)鍵意義.同時，社會的發(fā)展也不是靜止的，它總是隨時間的推移而發(fā)生一些變化，所以城市增長邊界也會隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展而產(chǎn)生一些變化.城市增長邊界既要有一定的剛性，也要有一定的彈性，因此在新一輪國土空間規(guī)劃的過程中，城鎮(zhèn)開發(fā)邊界內(nèi)允許劃定不超過集中建設(shè)區(qū)面積15%的彈性發(fā)展空間.

學(xué)界關(guān)于城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的定量研究成果非常豐富，常用的模型思路包括模擬思路和評價思路[3-10].城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的預(yù)測與模擬的關(guān)鍵技術(shù)難題是獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則或者確定不同影響因素的指標(biāo)權(quán)重.學(xué)界對城鎮(zhèn)開發(fā)邊界使用較多的模型是多智能體模型，模型的核心在于利用已有土地利用數(shù)據(jù)獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則[11-12].目前定義多智能體規(guī)則轉(zhuǎn)換的方法主要有人工判斷方法、層次分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、決策樹方法和邏輯回歸方法.通過人工判斷的方法獲取多智能體模型的參數(shù)受到主觀因素的影響較大，當(dāng)空間變量較多時，有較多的參數(shù)值組合方案[13].相對而言，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動運算的方法獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則較為有效，但是存在局部最小值和收斂速度慢的問題，屬于黑箱結(jié)構(gòu).通過決策樹獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則存在局部最優(yōu)而不是整體最優(yōu)的問題.

在利用多智能體模擬的過程中，地方政府的發(fā)展意圖與模擬結(jié)果互動機制的建立較為困難.這就意味著城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定更多的是基于計算機模型而不是人的主觀選擇.多智能體之所以沒有在實際城市規(guī)劃中充分應(yīng)用的原因也在于此.相對而言，通過邏輯回歸的方式獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則由于簡單而在實際運用中使用較多，然而指標(biāo)權(quán)重的確定問題隨之出現(xiàn).層次分析法模型(AHP)是將決策問題條理化、層次化，把與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則和方案[14-15].把AHP模型運用于城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的研究過程中，既可以解決指標(biāo)權(quán)重確定的難題，也可以將地方政府的發(fā)展訴求與城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定的實際工作結(jié)合起來.本文以湘西土家族苗族自治州(簡稱“湘西州”)為例，研究層次分析法模型在城鎮(zhèn)開發(fā)邊界模擬過程中的具體應(yīng)用.按照現(xiàn)有國土空間規(guī)劃政策，城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定的期限是2035年，由于本研究依托于《湘西自治州州域城鎮(zhèn)體系規(guī)劃(2016—2030)》，因此其研究期限為2030年.

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

湘西州位于湖南省西北部，東北鄰張家界市，東南與懷化市接壤，西與貴州省和重慶市相鄰，北與湖北省交界.南北長約240 km，東西寬約170 km；土地總面積為1.55萬 km2；轄吉首市、瀘溪縣、鳳凰縣、花垣縣、保靖縣、古丈縣、永順縣和龍山縣8縣(市).湘西州屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年降水量1 300～1 500 mm，雨熱基本同期；湘西州交通便利，境內(nèi)有焦柳鐵路，常吉、吉茶、吉懷、張花、永吉和龍永高速公路貫穿全境，國道和省道縱橫交錯；水運發(fā)達；銅仁鳳凰機場，形成了水陸空三維立體交通樞紐格局.緣于其歷史與地理條件，湘西自治州的社會經(jīng)濟發(fā)展相對滯后.近年來，其區(qū)位條件得到明顯改善，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，GDP增長幅度較快，經(jīng)濟運行狀態(tài)良好.由《湘西州2019年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》可知，2019年全州GDP為705.71億元，增長了7.2%；三產(chǎn)比重分別為13.4∶28.1∶58.5；人均生產(chǎn)總值為26 691元，增長了7.2%；全州年末常住人口263.83萬人，其中城鎮(zhèn)人口125.98萬人，農(nóng)村人口137.85萬人，城鎮(zhèn)化率47.75%.

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究涉及的數(shù)據(jù)主要包括地形數(shù)據(jù)、土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)、城市總體規(guī)劃數(shù)據(jù)、道路交通數(shù)據(jù)和生態(tài)紅線數(shù)據(jù).地形數(shù)據(jù)和城市總體規(guī)劃數(shù)據(jù)來自原規(guī)劃局，土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)來自原國土局，生態(tài)紅線數(shù)據(jù)來自環(huán)境保護局.現(xiàn)狀路網(wǎng)和交通站點數(shù)據(jù)由規(guī)劃編制團隊繪制.

2 研究過程與結(jié)果

2.1 城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的規(guī)模分析

由《湘西土家族苗族自治州土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)》可知，2014年城鎮(zhèn)工礦用地面積為12607.97 hm2，占土地總面積的0.81%，到2020年城鎮(zhèn)工礦用地面積為25 894.98 hm2，占土地總面積的1.67%；2014年到2020年新增城鎮(zhèn)工礦建設(shè)用地指標(biāo)13 287.01 hm2，年均增加2 214.50 hm2.以城鎮(zhèn)建設(shè)用地年均增加2214.50 hm2作為標(biāo)準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)，2030年城鎮(zhèn)工礦建設(shè)用地規(guī)模將為48 040.00 hm2.城鎮(zhèn)空間擴張用地類型主要是城鎮(zhèn)建設(shè)用地，則擬定2030年工礦用地面積保持不變，依然為2 747.64 hm2.因此，2030城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模為2030年城鎮(zhèn)工礦用地(48 040.00 hm2)減去2030年工礦用地(2 747.64 hm2)，計算結(jié)果為45 292.36 hm2.

2.2 AHP模型的指標(biāo)體系

指標(biāo)體系包括地形、區(qū)位、交通和管制4大類指標(biāo)，其中，地形指標(biāo)包括高程和坡度；區(qū)位指標(biāo)包括城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度和市縣中心；交通指標(biāo)包括外部交通和城市道路；管制包括城規(guī)管制、土規(guī)管制和生態(tài)管制(見表1).

表1 城市空間擴張的影響因素

2.3 AHP模型的指標(biāo)權(quán)重

本文借助于層次分析法軟件對空間擴張各影響因素的指標(biāo)權(quán)重進行分析，見表2～表7.其中，目標(biāo)層是城市空間擴張的影響因素指標(biāo)權(quán)重確定；指標(biāo)層包括地形、區(qū)位、交通和管制.

表2 中類指標(biāo)的權(quán)重確定(一致性比例：0.01；最大特征根：4.03)

表3 地形因素權(quán)重確定(一致性比例：0.00，最大特征根：2.00)

表4 區(qū)位條件權(quán)重確定(一致性比例：0.00，最大特征根：2.00)

表5 交通條件權(quán)重確定(一致性比例：0.00，最大特征根：2.00)

表6 規(guī)劃管制權(quán)重確定(一致性比例：0.00，最大特征根：3.00)

表7 最終計算結(jié)果各要素權(quán)重

依據(jù)各權(quán)重要素確定的回歸模型，以柵格點為單位確定地域空間上邏輯回歸模型的概率值p的空間分布，具體計算公式為：

其中，y為總體得分；x1為高程；x2為坡度；x3城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度；x4為市縣中心；x5為外部交通；x6為城市道路；x7為城規(guī)管制；x8為土規(guī)管制；x9為生態(tài)管制；pmax為總體得分最大值；p為空間轉(zhuǎn)換概率.

依據(jù)式(3)進行空間運算，計算結(jié)果見圖1a.

圖1 城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定過程與優(yōu)化結(jié)果

2.4 城鎮(zhèn)增長邊界的劃定及優(yōu)化

依據(jù)空間轉(zhuǎn)換概率計算轉(zhuǎn)換概率與對應(yīng)的地塊.2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模45 292.36 hm2，每個柵格面積為0.25 hm2，因此城鎮(zhèn)建設(shè)用地共包含181 169個柵格.經(jīng)過計算，空間轉(zhuǎn)換概率≥60.49%時柵格數(shù)量為181 106個，最大限度地接近2030年建設(shè)用地規(guī)模，因此選取≥60.49%的區(qū)域作為2030年建設(shè)用地范圍.

依據(jù)空間概率及建設(shè)用地可以計算出2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間分布狀況，但是這種空間分布沒有考慮到土地的集中連片開發(fā)，例如，如果1個片區(qū)內(nèi)僅僅有1個柵格，該地塊適宜做建設(shè)用地，從實際建設(shè)的角度，把2500 m2的獨立地塊納入到城鎮(zhèn)建設(shè)用地的范圍中并不合適.為了使建設(shè)用地盡可能滿足集中連片的條件，采用核密度分析的方法對2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地進行空間優(yōu)化.空間優(yōu)化的具體方法是將建設(shè)用地轉(zhuǎn)為點圖層，每個點表示2 500 m2的建設(shè)用地.對點圖層進行核密度分析，搜索半徑為500 m；然后根據(jù)核密度從大到小的順序選取與2030年面積相等的核密度值.結(jié)果表明，2030年核密度≥0.000 176 5的柵格個數(shù)為171 178個，較大限度地接近2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地的規(guī)模，因此選取0.000 176 5的地塊范圍作為2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地的范圍(見圖1b).

以2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地范圍為基礎(chǔ)，從現(xiàn)狀和管控邊界的視角對城鎮(zhèn)開發(fā)邊界進一步優(yōu)化即可得出2030年城鎮(zhèn)發(fā)展空間，其外圍邊界就是2030年城鎮(zhèn)增長邊界.具體分析過程分為做加法和做減法2步.所謂做加法是以現(xiàn)狀建設(shè)用地為基礎(chǔ)，將現(xiàn)狀為城鎮(zhèn)建設(shè)用地但模擬分析過程中未納入城鎮(zhèn)建設(shè)用地范圍的少量地塊納入到城鎮(zhèn)建設(shè)用地的范圍中；所謂做減法是考慮基本農(nóng)田的空間范圍情況，將劃入到基本農(nóng)田范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地進行扣減，可得出2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地的空間范圍，也即2030年城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)和城鎮(zhèn)開發(fā)邊界線(見圖1c).

3 結(jié)論與討論

新一輪國土空間規(guī)劃中，城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)(空間)是一個非常重要的規(guī)劃概念.城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定的最終成果雖然比較簡單，但是其劃定過程是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所以不僅需要科學(xué)的定性和定量分析過程，也需要非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕?jīng)驗主義研判和多次溝通協(xié)調(diào).其中，在定量分析的過程中，不同影響因素的指標(biāo)權(quán)重的確定是制約城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定的重要因素.在湘西州城鎮(zhèn)體系規(guī)劃的過程中，采用AHP分析的方法劃定城鎮(zhèn)開發(fā)邊界，相對于已有研究具有3個方面的優(yōu)勢：1)需要的數(shù)據(jù)源較少，無論是智能體模型還是邏輯回歸模型都需要至少2個年份的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為參照，本研究數(shù)據(jù)源不需要歷史年份的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，因而大大降低了數(shù)據(jù)獲取的難度.2)實現(xiàn)了專家意見和分析者客觀判斷的有效結(jié)合，將城鎮(zhèn)開發(fā)邊界這一復(fù)雜問題中的各種因素通過劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟危怪畻l理化，通過兩兩比較實現(xiàn)了主觀判斷結(jié)構(gòu)的定量化，最終將同一層次元素兩兩比較的重要性進行定量描述.3)以空間概率作為城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定的中間過程，便于城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的后期優(yōu)化調(diào)整.總體而言，AHP模型在城鎮(zhèn)開發(fā)邊界中的應(yīng)用，相對于多智能體模型和邏輯回歸模型具有較為明顯的優(yōu)勢.該模型本質(zhì)上屬于空間評價模型，局限性主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的規(guī)模分析較為薄弱，需要借助于其他方法作為支撐.