1、第 48 卷第 2 期2023 年 4 月Vol.48 No.2Apr.2023测绘地理信息Journal of Geomatics耕地安全视角下的城镇开发边界预测及评价焦洪赞1 徐子贤1 刘学军11 武汉大学城市设计学院，湖北 武汉，430072Urban Development Boundary Prediction and Evaluation from Cultivated Land Security PerspectiveJIAOHongzan1 XUZixian1 LIUXuejun11 School of Urban Design，Wuhan University，Wuhan 4
2、30072，China摘要：以湖北省云梦县为例，提出了基于耕地评价的未来土地预测评价体系，以 20052020 年云梦县土地利用为基础，模拟多情景发展模式下的 2035年土地利用变化，通过评价不同发展模式的城镇扩张阻力，选择最适宜方案，划定城镇开发边界。结果表明：使用 2005年云梦县土地利用数据，预测 2020年土地利用变化，预测结果的 kappa值为 0.829，表现出较高的拟合精度，表明 FLUS（future land use simulation）模型预测未来土地利用变化的可行性，进而构建 5类不同情景预测 2035 年土地利用变化情况，确定云梦县 2035 年城镇开发边界预测结果。
3、关键词：FLUS 模型；土地适宜性评价；耕地安全；城镇开发边界中图分类号：P208；F292文献标志码：AAbstract：This paper takes Yunmeng county of Hubei province as an example and proposes a future land use prediction and evaluation system based on cultivated land evaluation.Based on the land use change in Yunmeng county from 2005 to 2020，it simula
4、tes land use change in 2035 under a multi-scenario development model.Then，this paper evaluates the resistance of safe expansion of cultivated land in different development modes and choose the best option to demarcate urban development boundary.The results show that：The Kappa value of the predicted
5、result was 0.829，showing a high fitting accuracy with the actual land use data of Yunmeng county，indicating the feasibility of FLUS model to predict the future land use change.Then five different scenarios to predict the land use change in 2035 are bulit to predict the urban development boundary in
6、Yunmeng county in 2035.Key words：FLUS model；land suitability evaluation；cultivated land security；urban development boundary目前，我国城镇化重心向小城镇转移，更为注重发展质量和可持续性。不同于大中城市人口密度大、扩张速度快的特点，小城镇人口少而分散、发展速度较慢。在空间位置上小城镇更贴近农业区，城镇扩张势必会挤占农业空间，影响耕地安全。为防止城镇的无序扩张，需要划定城镇开发边界，限制城镇发展空间上限。城 镇 开 发 边 界 脱 胎 于 城 镇 增 长 边 界（urban g
7、rowth boundary,UGB），最早美国的塞勒姆市划定了世界上第一条城镇开发边界，之后较为典型的如美国波特兰市通过政策管理、约束引导城镇形态，取得了较好的效果；中国从 2014年开始在 14个城市进行城市开发边界划定的试点工作1。当前，划定城镇开发边界主要分为两类方法：基于反规划思想2，从生态保护资源保护的角度评价环境承载力，划分适宜发展区域，再结合规模增长预测划定开发边界3；通过数字模型模拟城镇发展扩张的过程，进而划定城镇开发边界，主要为 CA(cellular automata)模型及其衍生模型，例如 CA-ABM（agent based model)模型4、约束性元胞自动机模型5
8、、SLEUTH模型预测6，其中比较有代表性的是 Liu等7提出了基于 CA 模型的衍生模型未来土地利用变化情景模拟（future land use simulation，FLUS）模型，增加了基于土地变化驱动因子的人工神经网络（artificial neural network，ANN）模型的用地适宜性概率分布，进而模拟得到预测结果，与 CA 模型相比拟合精DOI：10.14188/j.2095-6045.2021591文章编号：2095-6045（2023）02-0102-05引用格式：焦洪赞，徐子贤，刘学军.耕地安全视角下的城镇开发边界预测及评价 J.测绘地理信息，2023，48（2）：1
9、02-106（JIAO Hongzan，XU Zixian，LIU Xuejun.Urban Development Boundary Prediction and Evaluation from Cultivated Land Security Perspective J.Journal of Geomatics，2023，48（2）：102-106）基金项目：国家自然科学基金（42192580，42192583）；国家重点研发计划（2020YFC1512002）。第 48 卷第 2 期焦洪赞等：耕地安全视角下的城镇开发边界预测及评价度更高。在此基础上应用 FLUS模型的多情景未来土地变化模
10、拟8、运用 FLUS 模型于长春市城镇开发边界划定工作9以及广州都市圈土地利用变化研究10，都取得了较好的效果。城镇扩张是内部发展动力与外部阻力共同作用的结果，永久基本农田不可进行开发，因此一般耕地往往就成为了城镇扩张的预备用地，然而在这个过程中盲目扩张容易占用原本的优质耕地，影响耕地安全。因此从耕地安全的角度上，应该对一般农田进行细分，根据适宜耕种的程度划分为不同等级的耕地，综合评价其转化为城镇用地的阻力。现有研究使用FLUS模型划定城镇开发边界的过程中，往往忽略了外部阻力，因此本文通过基于耕地保护的城镇发展阻力对FLUS模型未来土地利用模拟结果进行评价，从城镇发展内生动力与外部阻力平衡的角
11、度上，从多种情景模拟结果中选择最适合城镇发展与耕地保护需求的模拟方案，预测城镇开发边界的范围。1 研究区概况本文以湖北省云梦县为研究对象。云梦县是武汉城市圈的重要组成部分，距离武汉市约 60 km2。云梦县面积 60 429.32 hm2，是湖北省最小的县级市，常住人口 53.68万人。云梦县农田面积广阔，农用 地 面 积 为 47 053.82 hm2，占 土 地 总 面 积 的77.38%，其中基本农田占土地总面积的 51.12%，一般耕地占土地总面积的 16.65%。云梦县也是全国无公害蔬菜生产示范县、湖北蔬菜主产区之一。2018 年，云梦县地区生产总值 260 亿元，同比增长8%，伴随
12、着经济快速增长，近年来云梦县的城镇化程度也在快速增加，城镇快速开发建设的同时问题也随之暴露出来，例如乡镇之间发展失衡、土地利用方式粗放、占用优质耕地等11。目前，云梦县正在制定县域国土空间规划，耕地保护红线已经确定，在此背景下研究耕地安全视角下的城镇开发边界对城镇有序健康发展具有重要意义12。2 数据来源及研究方法2.1数据来源及处理云梦县耕地面积合计超过县域总面积的 2/3，农业发展对于土地利用变化影响较大，因此将影响因素划分为两大类，对城镇发展扩张有直接影响的如高程、各级道路分布、人口分布与经济（部分乡镇缺少人口经济数据，因此使用热点（point of interest，POI）数据13作
13、为代替作为城镇扩张驱动力因子14，构建 FLUS 模型预测城镇扩张情况。同时，部分因子如气候等不直接对城镇扩张产生影响，但是对农业存在很大影响，使用这部分因子对云梦县的耕地耕种条件进行评价15，划分耕地等级，并结合其它地理因子构建城镇扩张阻力面，用于评价 FLUS 模型模拟结果。基础数据方面，使用 2005年与 2020年遥感高清影像为基础，结合第三次全国土地调查数据进行修正，将地表覆盖类型划分为建设用地（包括城镇用地及村庄用地）、非建设用地（包括林地、草地、耕地、水域、空闲地）16。所有数据经预处理统一为 30 m 分辨率的 tiff格式。2.2研究方法FLUS 模型为传统 CA 模型与人工
14、神经网络的耦合模型，模型分为两个部分：人工神经网络（ANN 模型）的适宜性概率分布；基于自适应惯性竞争的元胞自动机（CA 模型）。人工神经网络采用负反馈 ANN 训练和评估每个栅格土地利用类型发生的概率；运用自适应惯性竞争机制解决不同的地类之间的竞争问题17。ANN模型公式如下：P(p，k，t)=jwj，k sigmoid(netj(p，t)=jwj，k11+e-netj(p，t)（1）式中，P(p，k，t)为第k种土地利用类型在栅格p、时间t上的适应性概率；wj，k是隐藏层与输出层间的权重值；sigmoid(X)是隐藏层到输出层的激活函数；netj(p，t)表示在时间t上第j个隐藏层栅格p输
15、入的驱动力因子。CA 模型可以模拟某个土地网格是否会发展成特定的土地利用类型，不仅依赖其发生概率，还取决于预测期内不同开发状态下的其他可变因素18。CA模型公式如下：TPSlk，t=P(k，t，l)lk，t Inertialt(1-scc t)（2）Inertialt=|It-1k，|Dt-1k|Dt-2kInertialtDt-2kDt-1k，Dt-1k Dt-2k 0InertialtDt-1kDt-2k，0 Dt-2k Dt-1k（3）式中，TPSlk，t表示l时刻的栅格k转化为其他t种用地类型的总概率；P(k，t，l)表示时间 l时刻，t类型土地在栅格k上的适宜性概率；Inertial
16、t表示t种地类在l时刻的自适应惯性系数；1-scc t表示用地转换成本；lk，t为邻域影响程度，Dt-1k为t-1时k的需求量与103测绘地理信息2023 年 4 月分配量之间的差值。将适宜性概率与转换成本、邻域影响程度以及不同土地利用类型之间的竞争结合起来，用于估计每个土地栅格的组合概率的类型。3 城镇开发边界预测及评价3.1耕地适宜性评价对云梦县耕地评价进行分级，构建城镇扩张的阻力面，统计各情景下的模拟结果中城镇空间扩张部分的发展阻力，进行评价。如果平均阻力高则表明该情景下单位面积的城镇扩张的代价较高，或者说对优质耕地的破坏程度较高，反之平均阻力低则代表该情景下单位面积的城镇扩张代价较小，对农业安全影响较低（见图 1）。根据农业生产的需求构建耕地适宜性评价体系，指标选取见表 1，包括高程、坡度、坡向、距离水源地距离、年均降水、年均温度、年均湿度19，因子权重由层次分析法计算确定。按照自然断点法将农田按适宜性评价分为三等级：一类耕地耕种条件最好，二类耕地条件稍差，三类耕地条件最差（见图 2）。在城镇扩张过程中应尽量避免占用优质耕地。确定耕地等级之后，在地表类型的基础上结合交通、区位、
