基于GIS的县域土地利用空间布局优化研究_以富阳市为例

基于GIS的县域土地利用空间布局优化研究——以富阳市为例于少康1，赵小敏2，王珂3，李芳颢1（1江西省国土资源勘测规划院，江西 南昌，330002；2江西农业大学国土资源与环境学院，江西南昌，330045；3浙江大学环境与资源学院浙江杭州，310029）摘要：研究目的：在GIS的支持下探索县域土地利用空间布局优化的技术方法。

研究方法：文献资料法。

研究结论：利用GIS作为技术手段，在各类型用地适宜性评价的基础上，按照土地利用数量结构优化的结果，结合各类型用地的布局现状和布局原则开展土地利用空间布局优化的方法可以实现县域土地利用空间布局的半自动化，该方法在浙江省富阳市土地利用规划编制中得到了较好的应用。

关键词：GIS；土地利用空间布局优化；土地适宜性评价；土地利用结构优化；富阳市中图分类号：F301.21 文献标识码：A1 引言当前土地利用的结构性矛盾、布局混乱的情况较为突出，空间无序和失控的问题，特别是开发区的盲目圈定、农业生态园区项目的无序布点、农业形象工程的匆匆立项等，导致空间布局无序、资源开发过度、生态环境恶化，且给地方经济造成了极大的损失［1］。

可见，土地资源优化配置的研究成了现实土地利用的迫切需求。

国内外专家在土地利用数量结构和空间布局方面做了一些工作［2］，主要集中的数量结构优化方面，土地利用空间布局的研究主要体现在早期的空间布局研究主要体现在商业领域和农业领域［3-5］。

即使利用GIS研究土地利用空间布局也主要体现在土地利用空间格局分析、土地利用动态变化方面，针对县域土地利用总体规划的空间布局应用还未见报道。

在应用模型方面，采用的方法主要是利用GIS与数学模型耦合的做法，但多运用于城市土地利用配置或小的试验区，县域及以上尺度开展土地利用空间布局的研究还不多见［6-9］。

正是在这种背景下，本文利用GIS作为技术手段，探索县域尺度的土地利用空间布局优化的方法，以期对新一轮土地利用总体规划编制有所裨益。

2 研究方法土地利用空间布局优化是在土地利用数量结构优化的基础上，以GIS作为技术工具，在土地适宜性评价的基础上进行土地利用空间上的排序和安排。

因此，土地利用空间布局的技术方法首先有赖于土地利用数量结构优化和适宜性评价，土地利用空间布局优化的技术方法包括土地利用的数量结构优化、适宜性评价和土地利用空间布局优化方法三个方面。

1于少康，男，（1980，3—），甘肃天水人，管理学硕士，在江西省国土资源勘测规划院从事土地规划与管理等方面的研究工作；赵小敏, 男，（1962－），博士生导师，教授，从事土地资源管理和农业信息技术方面的研究；王珂，男，（1964－），博士生导师，教授，从事农业信息技术和土地管理方面的研究；李芳颢，男，（1975－），工程师，从事土地规划方面的研究。

图1土地利用空间布局优化技术路线图Fig.1 Technique route of Land use spatial allocatin optimization2.1土地利用数量结构优化土地利用数量结构优化涉及到社会、生态、技术和经济等各个方面，要把这些问题加以综合处理，使各种因素组成一个达到最优水平的完整体系，使各部门各单位的用地数量和比例结合成统一协调的结构，必须探索系统综合的方法。

常见的土地利用结构优化方法主要有［10］：土宜法、综合平衡法、模型法。

结构优化的思路是先拟定目标函数，再选择决策变量，在约束条件的限定下确定模型参数，进行多目标规划求解得到数量结构优化结果。

2.2 土地利用空间布局优化2.2.1土地适宜性评价目前，常见的土地适宜性评价的方法主要限制因素法、指数和法、指数开方法、层次分析法、模糊综合评判模型、灰色关联度评价法、模糊积分评价模型、人工神经网络模型、物元模型等［64］。

评价思路是根据评价目标、原则和评价对象确定评价单元，选取评价指标，对评价指标进行量化、求取权重，采用综合指数法计算适宜性的综合评价值。

2.2.2土地利用空间布局优化土地利用空间布局是综合各部门用地发展需求和布局原则，结合数量结构优化成果，在土地利用的现状基础上，按照土地适宜布局的要求进行的土地利用空间再安排。

因此，可以简单地用“土地利用空间布局”=“各类型用地的现状”+“各类型用地的适宜性评价”+“土地利用数量结构优化”+“各地类的用地布局原则”+“部门规划”来表示。

（1）用地现状。

土地利用现状是土地利用空间布局的前提和基础。

部分用地现状具有不可变更或难于变更性。

如现状城镇范围、部分农村居民点等其现状变更难度较大，无论其适于何种用地类型，都很难实施。

同时，土地利用空间布局方案要尽可能与土地利用现状接近或相同。

（2）用地适宜性。

用地布局是否适宜是空间布局的先决条件，根据土地质量的基本条件，如土壤质量条件、区位交通条件、土地利用现状条件、气候条件、水文条件、地质条件、地形地貌条件等综合评价土地适宜某类用地的程度和等级，以此作为空间布局的基础。

（3）部门规划。

它是土地利用空间布局必须参考因素之一，主要包含城镇建设、农村居民点建设、交通设施建设、水利设施建设部门的发展空间需求。

城市建设部门通常编制的城镇体系规划、城市总体规划，可以作为确定整个区域城镇建设的用地布局的空间布局需求指南。

（4）土地利用数量结构优化结果。

县域尺度土地利用结构必须从总量上要有一个合理安排，尤其是要从粮食安全等角度，合理的推算基本农田的需求空间，作为空间布局的数量基础。

利用各种数学模型可以方便的确定空间布局的土地利用数量结构需求。

（5）各类型用地布局的原则。

各地类都有相应的布局原则，如耕地一般应布局在土壤肥沃、土层深厚和水源充足的区域，它是确定空间布局排序的依据。

（6）土地利用空间布局优化的方法。

根据土地利用空间布局的目的和要求，采用半自动化的布局方法，即利用GIS软件的地统计功能和空间叠加分析功能，按照土地适宜性评价的结果和数量结构优化的数据进行空间布局安排，逐类将用地布局在空间上。

这种空间布局的方法实现了空间布局的半自动化，需要人机多次交互才能完成。

（7）各类型用地的布局排序。

由于各类型用地存在“竞争”关系，使得空间布局必须确定一种合理的用地安排顺序才能完成空间布局。

从理论上讲，空间布局的方案可以有无穷多种。

但从实用的角度，可以概括为耕地优先的布局的方案、建设用地优先的空间布局优化方案和生态建设用地优化的空间布局三类优化方案。

3 富阳市土地利用总体布局优化3.1 研究区概况富阳市位于浙江省西北部，富春江下游，是沪杭甬“金三角”交汇点，杭州的西大门。

总面积1831.21平方公里。

富阳市现辖25个乡镇、街道。

富阳地貌以“两山夹江”为特点，地势自西南向东北倾斜，富春江斜贯中部。

土地利用上形成“八山半水分半田”的利用格局。

属中纬度亚热带季风性气候区，气候温和，雨水充沛。

全市主要有红壤、黄壤、石灰岩土、潮土和水稻土等5个土类，12个亚类，35个土属，83个土种。

富阳市是上海经济区和沿海经济开发区的组成部分，经济实力较强。

近几年来富阳市经济持续快速发展，是杭州市的外商投资热点地区之一。

2004年全市国内生产总值为176.7亿元，自1992年以来，年均增长22.01%，人均GDP达28233元；财政总收入达到20.04亿元，全社会固定资产投资93.8亿元。

3.2 数据获取与处理（1）数字高程模型（DEM）。

利用规则格网1：5万数字高程模型（DEM）数据运用GIS计算出高程分级、坡度（Derive slope）、坡向(Derive aspect)等派生的地形参数，栅格精度确定为25×25m。

（2）土地利用现状数据。

将建立土地利用现状数据库提取城镇、公路、河流水面等图层。

利用缓冲区分析（buffer）建立城镇、河流水面、公路的辐射范围，分别采用500米、1000米的两级缓冲分析，以此作为城镇影响度、灌溉条件、交通便捷度的评价因素。

（3）遥感影像数据。

利用ERDAS Date prep模块切割形成富阳市影像，再利用Reproject images 功能将TM影像进行投影变换。

在此基础上，利用spectral enhancement中的indices计算出ndvi 指数的大小，以此作为适宜性评价因素。

（4）土壤数据。

根据土地利用现状图和坡度图叠加（overlay）,考虑到不同坡度的土地利用现状类型，形成土壤侵蚀图。

利用GPS的空间监测数据，按照空间坐标建立空间数据库。

图2富阳市地形坡度图图3富阳市地形坡向图图4 城镇buffer分析Fig.2 The slope chart of Fuyang city Fig3 The aspect chart of Fuyang city Fig5The buffer analysis of town图5水系buffer分析Fig.5 The buffer analysis of river图6道路buffer分析Fig.6 The buffer analysis of road图7植被指数图（NDVI）Fig.7 The chart of NDVI of Fuyang city图8土壤侵蚀图Fig.8 The chart of soil Erosion图9 2总采样点分布Fig.9 The Total sampling distribution3.3 富阳市土地利用数量结构优化考虑到土地利用数量结构优化应兼顾经济、社会、生态等效益，富阳市土地利用结构优化采用多目标土地利用结构优化模型。

设定目标函数，选取耕地、园地等12个决策变量，设置土地总面积、人口总量等约束函数，应用DPS 6.05 数据处理系统的多目标规划模块进行计算机求解，得到富阳市土地利用数量优化结构优化结果。

表 1 富阳市土地利用数量优化结果Table 1 The result of land use structure optimization in Fuyang city土地利用类型2020年用地面积（公顷）耕地 28129.88园地 4498.21林地 113517.74农用地其他农用地 4087.55城市用地 4119.72建制镇用地 3472.56农村居民点用地 3485.23独立工矿用地 2247.02交通用地 3827.9水利用地 1566.31建设用地特殊用地 556.55未利用地 12598.34合计 182107.013.4 富阳市土地适宜性评价根据土地适宜性评价的原则，建立了宜耕、宜园、宜林、宜城镇村及独立工矿用地的适宜性评价指标体系，以25m×25m的栅格为评价单元，建立评价标准，在arcgis中利用Spatial Analyst 空间分析中栅格计算器（Raster Calculator）功能，将各图层数据叠加，并赋予相应权重，计算即可以得到耕地、园地、林地、城镇村及建设用地的适宜性评价结果结果。