李 焰 梁美丽

(台州广博土地规划测绘有限公司, 浙江 台州 318050)

0 引言

随着改革开放的进程,我们国家取得了飞速的发展,城镇化规模也从新中国成立初的10%发展到现在的58%,加速城镇化建设虽然有利益于国家的建设,有利于人民生活水平、教育资源的提高,但是也导致城镇在粗放地大饼式地扩大的同时,土地资源浪费巨多,对生物多样性、良好的环境带来了很大的压力[1]。

作为引导和控制城市开发的有效工具,城市开发边界既能够准确严格控制城市蔓延,又能够引导城市合理扩展,解决了城市发展无限与城市资源有限的第一矛盾[2]。

对于城市开发边界的定义与理解在西方较为广泛[3],将多样化的考虑因素进行多层次融入的探讨[4-5]。与此同时,众多学者也在理论的支持下通过多种案例来验证城市增长边界的具体应用[6-8]。传统的城市开发边界划定方法主要包括动态模拟和静态分析,主要采用的技术手段有元胞自动机及其衍生模型、神经网络模型、GIA模型和生态适宜性评价等[9-10]。我国随着经济迅速发展,对于城市增长边界的研究迅速发展,广大学者们结合国内的实际情况将西方的研究国产化,从边界的内涵、划定方法再到具体模拟实施都有了很大的进步。因国情的不同和该研究处于学研状态,故目前主要是从制度和体制层面对城市边界增长进行研究[11-14]。

本文在模拟城市空间增长的情况下研究城市开发边界的划定方法与管控措施,通过土地适宜性评价划定严格的管控界线,通过结合元胞自动机城市增长模型,在土地供应、开发时间及地理位置等方面引导城市合理增长,控制城市蔓延,间接帮助节约土地资源和保护自然生态系统。本文以我国南方某沿海城市A市为例,进行城市增长开发边界的研究。

1 研究方法

1.1 土地宜性评价

土地适宜性评价一般指对土地的使用方式是否适宜进行评价,在城市重土地利用适宜与否取决于政策、水文、地质、人类生活需要等特征。进行土地适宜性评价是为了在日益紧张的土地资源重选择最合适的空间布局模式,指引政府部门朝着最适宜人类居住及可持续的方向发展,确保土地的高效利用。

土地适宜性评价是确定城市未来增长规模和布局的基础,利用土地适宜性评价可以筛选出适宜开发和不适宜开发利用的土地。我们对国家保护的土地进行第一步的筛选,然后评价剩下的土地是否适宜生产建设,最终形成土地综合适宜性的分区结果,可以用作城市空间发展和规划的基础[15]。

本研究借鉴土地适宜性评价的概念和方法,建立了生态优先导向下的全市土地适宜性评价方法,首先将法律法规强制要求保护的区域进行排除,再对其余土地的建设适宜性进行评价。经过评价指标选取及权重确定、评价指标定量分级,并对两类指标(自然因素和社会经济因素)进行评价,得到全市综合适宜性分区结果,以此作为确定未来城市增长规模和布局的基础,即城市增长边界划定的基础。全市综合适宜性分区结果后续将导入城市增长模型,在模拟城市发展的过程中约束城市在不适宜的地区进行开发,促进土地资源的优化配置和可持续利用。

1.2 元胞自动机(CA)

元胞自动机(Cellular Automata,CA) 是一种时间、空间、状态都离散,空间相互作用和时间因果关系为局部的网格动力学模型,具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。CA的运行原理是每个元胞及周围的元胞有特定联系的状态,元胞依照某种规则转换为其他状态,这种状态的转换会影响到周围的元胞的状态,就是单体行为在空间上相互影响变化,可以用来进行空间演化模拟。

早期的元胞自动机用于通信、计算机、军事、生态学等领域,21世纪初,由于测绘领域的蓬勃发展,使得基于CA模型被广泛应用于模拟城市空间增长分析,具有一定的理论基础和应用价值。为了避免单独应用CA模型划定的城市增长边界易而造成忽视土地可用性以及土地资源浪费,我们引入上节阐述到的土地综合适宜性这一限制条件。有土地适宜性的介入能够更好地完善全市城市开发边界CA模型,使模型在客观模拟城市增长趋势的同时,保证土地的合理利用。

经过近20年的研究与发展,基于CA模型的图像数据处理软件已经足够强大,CA模型的建立完全可以通过软件平台来创立,在这个平台下去构建全市城市增长边界规模与布局的确定方法。

1.3 技术路线

具体的技术路线见图1。

2 案例分析

2.1 城市概况及数据来源

研究区域A市地处某省东部,全市陆域总面积9 816 km2,海域总面积8 355.8 km2。A市是东南沿海重要的港口城市,未来的发展定位是成为先进的生产基地、亚太地区重要港口以及海洋经济示范区,发展目标是成为有国际竞争力的宜居港口城市。

本研究调研了A市规划、国土资源、环保等部门的土地利用数据,与此同时,基于Landsat7和Landsat8卫星遥感影像数据,遴选出2002、2008及2015年的遥感图像进行最大似然监督分类,得到土地利用分类图。这些数据将作为CA模型的输入参数。根据城市导向定位及相关数据资料对A市的城市开发边界进行增长模拟。

图1 技术路线

2.2 土地适宜性评价

2.2.1不适宜土地的筛选

根据我国的国情和基本国策,我们将城市内的土地资源分为三个类型:不适宜区、基本适宜区以及适宜区(表1)。

表1 具体的分区方式及分值

由表1可知,我们在进行土地适宜性评价前,必须要先把国家法律法规强制要求的、需要保护的、在A市的特殊区域进行排除,在这个基础上,对A市剩余的基本适宜区和适宜区进行适宜性评价。根据我们国家的生态环境保护、文化遗产、风景名胜保护的敏感性,我们将生态保护区(如自然保护区、水源地保护区等)、永久农田保护区和地质灾害易发区判定为不适宜区[16]。经调阅A市的地理信息图并优化,我们可以得到A市不适宜区的分布,如图2所示。

图2 A市不适宜区分布图

2.2.2评价指标的挑选及加权

根据我国《城市规划编制办法》中的阐述,自然因子和社会经济因子是影像城市土地建设适宜性的重要类别。自然因子是从水文地质条件方面考虑的,社会经济因子则从土地区域位置条件、利用情况、交通便利性、经济发展水平等方面考虑。我们根据A市近年来地质条件、社会发展的基本情况,在两个重要因子的类别所属中挑选6个具有代表性指标,并按照层别法对每个代表性指标进行加权。评价指标及权重见表2。

表2 影响因子及指标的权重

依据A市的规划条件、海洋规划文件等标准,我们对每项指标进行定量分级,并有相对应的得分,如表3所示。

表3 各项评价指标的定量评价

2.2.3全市土地适宜性的总评价

通过GIS专业软件,我们将各影响因子的评价指标的分值进行导入,能够得到6个指标的土地适宜性分区图,如图3所示。

为了将6个分区图融合到一张总图上,我们将各适宜性分区的图像格栅化处理,将每张分区图分隔成45×45的格栅;再利用GIS软件的空间分析模块工具,参照评价指标的权重,叠加格栅层,取得每个格栅层的综合评价值[17];最后把数值相近的分区范围进行聚合,就会得到全市综合适宜性分区的数据结果(表4)以及全市综合适宜性分区图(图4)。

上述的全市综合适宜性分区结果是为后面我们进行CA未来城市增长模型提供的边界划定的基础,在城市空间增长的过程中限定城市在不适宜的地区进行开发[18]。

图4 A市的综合适宜性分区图

图3 土地适宜性分区图

表4 A市的综合适宜性分区结果

2.3 基于CA模型确定城市增长边界的规模与布局

2.3.1全市空间增长预测的结果

通过导入A市各个下辖区的交通现状和区域面积,A市有6个下辖区,根据每个区现状建设用地的年均增长率来确定全市城市增长边界的规模,即边界中城市建设用地的总量。通过CA模型的软件模拟2020—2025年A城市边界的空间增长情况。根据A城市未来的发展战略以及国家新智慧城市、港口大开发的形式,我们从三个城市空间发展的情景来进行研究和验证:常规发展情景,港口发展情景、生态优先情景,然后,分别进行各情景下的未来全市城市增长预测,再通过一定的方法得到相应的城市增长边界[19]。

通过CA模拟软件平台构建全市城市增长情景模拟,如图5所示。从图5中可以看出,在传统常规的发展模式下,城市急速扩张、城市的空间结构是呈现出散乱广阔的“摊铺大饼”方式。这种情况的发生会导致城市的发展不紧凑没有章法,生产建设用地、居住开发用地可能牺牲了一些农田和生态景观等绿色空间。

相反地,在以港口为中心的发展模式下,港口周边建设用地呈明显聚集之势,城市空间结构更加集中、紧密。同时,借助综合运输网络布局,提高了港口集群区域的货运通道能力。今后,这一边界可以有效促进A城市港口经济的快速发展。

基于生态优先情景的预测结果反映了城市空间增长管理和生态文明建设的有效实施。“集中开发”可描绘这种情况下的城市空间扩大,它具备集中性、持续性、紧密性的特色,又减少了新的建设用地数量,注重城市土地开采活跃的内涵利用。同时,这种情景下的城市发展不会破坏农田和生态用地,保持良好的开放空间。

2.3.2全市城市增长边界的划定

根据上面2025年模拟的城市空间增长的结果,我们将通过GIS软件自带的功能获取城市增长边界线:第一步,将城市增长模拟图的格式从栅格化转变为矢量化,第二步,去除矢量图中低密度小面积的已建成土地;最后一步,紧贴其他大幅度的建设用地的边线扫描出城市增长边界[20]。

城市增长边界线内未来城市建设的保留土地面积,可以从现有建设用地面积中减去边界线内所有建设用地面积来计算。

确定了多种情况下的城市增长边界线,我们就能获得完整的分布图,它包括了现有的行政分区、建设用地以及城市空间增长的边界(图6)。

A城市各种发展情景下的边界规模和总体布局如下:

(1)常规发展情景:边界内建设用地总面积4 699.72 km2,其中,有1 238.27 km2是中心城区的面积,3 462.45 km2是其余县区的面积;未来城镇建设预留用地面积1 176.09 km2,其中有220.17 km2是中心城区的预留面积,955.92 km2是其余县区的预留用地面积。

(2)港口发展情景:边界内建设用地总面积4 548.88 km2,其中, 1 346.51 km2是中心城区的面积,还有3 202.37 km2是其余县区的面积;未来城镇建设预留用地面积791.39 km2,其中有145.62 km2是中心城区的预留面积,645.77 km2是其余县区的预留用地面积;它的边界布局与前面场景布局类似,中心城区的东南沿海区域有更多的建设用地分布;

(3)生态优先情景:边界内建设用地总面积4 211.95 km2,其中,1 098.26 km2是中心城区的面积,还有3 113.69 km2是其余县区的面积;未来城镇建设预留用地面积526.71 km2,有60.43 km2是中心城区的预留面积,有466.28 km2是其余县区的预留用地面积;它的边界布局同其他两个场景的布局相似。

根据近年来城市A的城市发展规划对比来看,基于港口发展情景和生态优先情景的城市增长边界空间布局优于常规发展的情景,但需要注意,这两种情景需要积极地符合城市及广大百姓利益的方式进行规划设计才能体现这种优越性。基于港口开发情景和生态优先情景的边界在规模和空间布局上优于城市增长边界,生态优先情景的边界在景观模式方面优于规划边界。在未来规划和开发城市时,我们需要考虑上述几种方案的边界形式,好的边界形式将有助于控制大饼式的城市空间增长,保护生态环境,建成有利于城市居民有利于城市发展的大局面[21]。

3 讨论与建议

鉴于上述对A城市边界增长空间的研究,本研究认为在城市格局和未来定位的基础上如何进行空间扩展调控是需要重要关注的。我们可以从建立城市综合规划和管理系统,健全城市土地供应机制以及完善存量建设用地管理体系三个方面展开探讨,提出城市空间扩展的调控与管理策略。

3.1 建立城市综合规划和管理系统

在高效率的政府机制推动下,一套智能高效的城市规划管理体系能够正确引导城市的合理增长,协调各行业的发展,提高城市发展的可持续性,降低生产生活对生态环境的影响。综合城市规划和管理系统根据城市增长边界的结果,整合和协调各职能部门的规划内容,指导和管理城市空间的扩展。该系统主要包括城市增长总量控制与强度引导、城市生态环境优化两个方面。

3.2 建立健全城市土地供应机制

在推动招商引资、人才引进的同时,应做好城市用地的短期规划,制定年度建设用地供给方案和计划,包括土地的使用性质、开发与转让情况、基础设施情况等。同时,应充分沟通和与农业、林业和环境保护等相关部门谈判土地供应计划,以评估和调整冲突地块。

根据A城市的发展定位和目标、各部门规划的远景内容和城市增长边界界定的范围,制定中期、长期的建设用地供给方案和计划,建立城市综合协调的土地供应机制,匹配以及补充中长期的规划。一般来讲,土地建设储备为五年的视为中期建设用地供给计划,从微观上规定了土地需要储备及供应的面积和对应的建设用地管理的策划,并从宏观上做出城市发展需求的期望与估计。根据国家、省级规划以及A城市自己的未来规划,要制定出利于城市发展的长期建设用地供给计划,从细节上拟出土地开发建设管理的长远目标。

3.3 提升完善存量建设用地管理体系

城市增长强度的导向,是指引导建设用地节约集约利用,提高土地利用强度和效率,转变建设用地发展模式,向内涵型转变。据A市政府公开文件介绍,2010—2015年逐渐提高了城市中心区建设用地的应用空间和指数。今后,还要逐渐改进建设用地的管理制度,灵活地运用北部平原板块和中心城区板块的未开发土地或存量土地,提高集约度水平和土地利用的强度。推进农村建设用地整治,倡导小城镇和中心村新居住区集中,提高乡镇产业集中度,引导集约化、高效化增长各类建设用地。建议存量建设用地管理制度还应包括以下几个方面:(1)低使用率用地的改良:削减城市低使用率的住房建筑面积,大幅度地提高住房容积率;推动个人或公司租赁闲置房屋,改造企业厂房,提高土地利用效率;(2)完善动态监管制度:建立建设用地节约集约利用指标体系,并实行评估监测城市、农村和产业开发区土地利用水平,利用地理信息系统技术和土地流转数据库对集中利用率低的土地进行统一管理和改造。

4 结束语

大中城市经济飞速发展和建设用地极其紧张的矛盾,使得城市空间增长的管理捉襟见肘。当前,国家相关部委提出的绿色智慧城市、高品质城市建设为先进的城市规划管理提供了良好的发展土壤。在此背景下,本文以港口城市为研究领域,利用GIS遥感技术、土地适宜性评价、细胞自动机、景观生态学等方法,在基于港口发展、基于生态优先情急以及常规发展情景三个方面对建设用地扩张规律的现状进行对比研究,确定了港口发展和生态优先发展的优越性,有助于引导未来城市空间增长,科学确定城市增长边界的规模和布局,协调土地资源保护与城市发展建设。

本研究仅设定了一套土地利用适宜性评价系统,且仅针对港口城市展开探讨,未来需要对不同城市制定多样化的评价系统,使得评价更加灵活,更贴近城市发展情景。另外,当前城市边界划定范围是一条线,而未来城市必将朝着内涵式空间发展,具有带状田园式的风格,因此,后续地研究应更侧重此类空间结构的城市增长边界划定,符合绿色、宜居、可持续发展的理念。