張 海 龍,郭 彥 龍,高 蓓

(1.商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000；3.陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，陜西 西安 710015)

基于生態(tài)位理論的多模型秦嶺山區(qū)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)
——以商洛市商州區(qū)為例

張 海 龍1,郭 彥 龍2,高 蓓3

(1.商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000；3.陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，陜西 西安 710015)

借助生態(tài)位理論，利用地形條件、生產(chǎn)條件、生活條件以及生態(tài)條件等17個(gè)適宜性評(píng)價(jià)因子構(gòu)建秦嶺局部山區(qū)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用廣義相加模型(GAM)、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)、隨機(jī)森林模型(RF)以及最大熵模型(MaxEnt)，分別對(duì)商洛市商州區(qū)建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后以AUC值(ROC曲線下面積) 為權(quán)重集成4個(gè)模型的模擬結(jié)果，定量評(píng)價(jià)商州區(qū)建設(shè)用地適宜性。結(jié)果表明：商州區(qū)最適宜建設(shè)用地面積為118.32 km2，占研究區(qū)總面積的2.47%，說明該區(qū)適宜建設(shè)用地開發(fā)的土地相對(duì)較少；低適宜建設(shè)用地面積為297.73 km2，占研究區(qū)總面積的7.26 %，可以適度進(jìn)行開發(fā)。生態(tài)位模型為秦嶺山區(qū)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)提供了新的方法與途徑，也可為當(dāng)前區(qū)域建設(shè)用地優(yōu)化布局提供理論基礎(chǔ)。

建設(shè)用地；生態(tài)位理論；集成模型；秦嶺山區(qū)

0 引言

生態(tài)位是指目標(biāo)種群在其生存的生態(tài)系統(tǒng)中的位置，具體是指其與環(huán)境以及其他相關(guān)種群之間的功能關(guān)系與相互作用[1-3]。由于其實(shí)用性和可操作性，生態(tài)位理論在學(xué)界得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前其應(yīng)用逐漸由生態(tài)學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到城市、旅游、企業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域[4-6]。近年來，越來越多的學(xué)者將生態(tài)位理論用于土地資源利用研究中，一般將土地利用方式比作物種生態(tài)位，而土地利用方式適宜性評(píng)價(jià)目的就是尋找最適宜生物生存的空間位置[7,8]。本文將秦嶺山區(qū)建設(shè)用地對(duì)自然條件以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的需求所構(gòu)成的n維資源空間稱為建設(shè)用地資源需求生態(tài)位;建設(shè)用地的現(xiàn)實(shí)自然條件以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件也構(gòu)成對(duì)應(yīng)的資源空間，稱為現(xiàn)實(shí)資源生態(tài)位[9]。現(xiàn)實(shí)生態(tài)位與需求生態(tài)位的耦合關(guān)系，表達(dá)了現(xiàn)實(shí)建設(shè)用地條件滿足其需求條件的程度，在本文中稱之為建設(shè)用地生態(tài)位適宜度[10]。

秦嶺山區(qū)是我國南北地理與氣候分界線[11]，該區(qū)面積廣闊，地形地貌復(fù)雜，氣候條件多變，生態(tài)敏感而脆弱，同時(shí)該區(qū)也是生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一[11-13]。近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，旅游開發(fā)和城鎮(zhèn)化建設(shè)在一定程度上影響了當(dāng)?shù)刈匀坏纳鷳B(tài)過程，使野生物種生境日趨破碎化，種群數(shù)量下降。相對(duì)地形平緩的平原城鎮(zhèn)，秦嶺山區(qū)建設(shè)用地條件特殊，受自然地理?xiàng)l件的制約較大，生態(tài)環(huán)境脆弱，資源承載能力有限[4]。因此對(duì)秦嶺山區(qū)建設(shè)用地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，對(duì)科學(xué)指導(dǎo)該區(qū)建設(shè)用地選擇和布局以及協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系起著重要作用。

目前國內(nèi)關(guān)于山地建設(shè)用地分布研究主要采用傳統(tǒng)的相關(guān)分析、景觀分析以及GIS空間分析等方法[7,10,14]。秦天天等借助生態(tài)位理論，利用專家打分法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，對(duì)山地農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)研究[7]；齊增湘等利用遙感和地理信息技術(shù)，從自然環(huán)境條件、生態(tài)限制條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件三方面構(gòu)建秦嶺山區(qū)聚落用地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用人為定義因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并采用層次分析法(AHP)確定各因子權(quán)重值[10]，綜合評(píng)價(jià)了秦嶺山區(qū)聚落用地適宜性；楊子生將山區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)因子分為特殊因子和一般因子兩類，采用德爾菲法確定因子權(quán)重，并結(jié)合“極限條件法”與“適宜性指數(shù)法”構(gòu)建新評(píng)價(jià)方法，對(duì)傳統(tǒng)的單一的綜合指數(shù)法有一定的改進(jìn)[14]。以上研究為本文提供了一定的理論基礎(chǔ)，但其人為因素影響較大，在一定程度上降低了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。本文以商洛市商州區(qū)為例，基于生態(tài)位理論，利用非線性回歸模型——廣義相加模型(Generalized Additive Model,GAM)以及3個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型——人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks,ANN)、隨機(jī)森林模型(Random Forest,RF)、最大熵模型(MaxEnt)分別對(duì)商洛市商州區(qū)建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后以曲線下面積(Receiver Operating Characteristic Curve,ROC)為權(quán)重集成4個(gè)模型的模擬結(jié)果，對(duì)商州區(qū)建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。本研究構(gòu)建的建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)模型利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，能夠最大限度體現(xiàn)研究區(qū)建設(shè)用地?cái)?shù)值特征，避免主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。本文的研究結(jié)果可以為秦嶺地區(qū)合理利用土地資源、保護(hù)耕地、制定村莊發(fā)展建設(shè)規(guī)劃提供參考，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

商洛市商州區(qū)位于秦嶺東段南側(cè)腹地，陜西省東南部，是秦嶺山區(qū)人口、資源、環(huán)境矛盾相對(duì)集中的地區(qū)之一，其地理坐標(biāo)介于北緯33°38′～34°12′、東經(jīng)109°30′～110°14′之間。區(qū)內(nèi)地貌類型復(fù)雜，山地、丘陵、河谷、平原等地貌類型齊全，自然景觀和人文景觀匯集，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾不斷激化，嚴(yán)重影響了該區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。商州區(qū)轄30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦事處，2013年研究區(qū)總?cè)丝?5.39萬人，土地總面積為2 644.36 km2，建設(shè)用地面積為82.79 km2占土地總面積的3.13%。目前，商州區(qū)是陜西省重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)和南水北調(diào)重要水源涵養(yǎng)基地，該區(qū)大部分地區(qū)屬于限制開發(fā)區(qū)，經(jīng)濟(jì)條件較差，生態(tài)基礎(chǔ)較好，環(huán)境保護(hù)意義重大。

本文的研究數(shù)據(jù)來源于：1)2013年商州區(qū)土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)依照國土資源部2007 年頒布的《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(TD/T1014—2007)，將全國土地根據(jù)其利用現(xiàn)狀進(jìn)行分類。本研究采用權(quán)威土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，可以減少以遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源解譯的人為誤差，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的各類土地利用圖斑的空間位置以及圖斑面積的精度[15]。2)商州區(qū)90 m分辨率的 DEM(數(shù)字高程模型)和坡度(SLOPE)、坡位指數(shù)(Topographic Position Index，TPI)數(shù)據(jù)以及30 m分辨率TM數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。3)商州區(qū)土地利用總體規(guī)劃圖(2005—2020)、2013年商州區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料來源于商州區(qū)各相關(guān)部門。

2 研究方法

建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)是科學(xué)管理建設(shè)用地的基礎(chǔ)。本研究評(píng)價(jià)步驟為:建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，測(cè)算各指標(biāo)實(shí)際值，構(gòu)建商州區(qū)建設(shè)用地資源現(xiàn)實(shí)生態(tài)位。隨機(jī)選擇多個(gè)現(xiàn)有建設(shè)用地中符合要求的點(diǎn)位作為I類采樣點(diǎn)(存在點(diǎn))，同時(shí)隨機(jī)選擇多個(gè)非建設(shè)用地的點(diǎn)位作為II類采樣點(diǎn)(不存在點(diǎn))；利用ArcGIS等軟件獲取每一個(gè)采樣點(diǎn)所有評(píng)價(jià)因子信息，利用不同生態(tài)位模型分別總結(jié)研究區(qū)域建設(shè)用地在其生態(tài)位中的統(tǒng)計(jì)特征，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，得到區(qū)域條件下建設(shè)用地的N維空間集合體;最后在整個(gè)研究區(qū)應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果，評(píng)價(jià)其建設(shè)用地適宜性。

2.1 建設(shè)用地分布點(diǎn)位數(shù)據(jù)獲取

本文將整個(gè)研究區(qū)劃分為106 020個(gè)200 m*200 m的網(wǎng)格，選擇現(xiàn)有建設(shè)用地斑塊面積大于40 000 m2的區(qū)域作為采樣點(diǎn)，共獲得323個(gè)I類采樣，隨機(jī)選擇其中150個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行建模，同時(shí)在非建設(shè)用地區(qū)隨機(jī)選擇300個(gè)II類采樣點(diǎn)進(jìn)行建模。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)相關(guān)研究以及本區(qū)建設(shè)用地特點(diǎn)，遵循方便性、經(jīng)濟(jì)性、永續(xù)性及可操作性等原則，參考專家意見，從影響該區(qū)建設(shè)用地的地形條件、生態(tài)條件、生產(chǎn)條件和生活條件中選取具有代表性的16個(gè)指標(biāo)，確立商州區(qū)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[7,10,14,16]。根據(jù)商州區(qū)建設(shè)用地自然條件選取海拔、坡度、坡向、坡位指數(shù)作為地形條件的評(píng)價(jià)指標(biāo)；生產(chǎn)條件選取到河流的距離、工商業(yè)用地可達(dá)性、500 0m范圍內(nèi)農(nóng)用地面積(耕地、園地)以及人均純收入排名作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；選取到中心城市的距離、到鎮(zhèn)級(jí)服務(wù)中心的距離、已建成居民點(diǎn)密度、已建成居民點(diǎn)面積、到省道和國道距離、到縣道距離以及道路通達(dá)性作為生活條件評(píng)價(jià)指標(biāo)；選取植被歸一化指數(shù)(NDVI)、地質(zhì)災(zāi)害以及生態(tài)保護(hù)區(qū)和南水北調(diào)重要水源涵養(yǎng)基地作為生態(tài)條件的評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系測(cè)算

本研究中X1(海拔)、X2(坡度)、X3(坡向)以及X4(坡位指數(shù))4個(gè)地形條件利用 DEM 分析得到；X5(到河流的距離)、X9(到中心城市的距離)、X10(到鎮(zhèn)級(jí)服務(wù)中心距離)、X13(到省道和國道距離)等距離相關(guān)因子采用歐式距離量測(cè)每一單元到最近要素的距離，生成200 m*200 m的距離柵格圖層；根據(jù)文獻(xiàn)[17]以及《商州區(qū)統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃》等數(shù)據(jù)繪制得到X16(地質(zhì)災(zāi)害)；利用網(wǎng)格分析法分別以500 m*500 m為網(wǎng)格單位與農(nóng)用地(耕地和林地)圖斑做疊置分析，統(tǒng)計(jì)各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的聚落面積值，然后將該數(shù)據(jù)與200 m*200 m網(wǎng)格疊置分析，統(tǒng)計(jì)屬性賦予對(duì)應(yīng)網(wǎng)格，生成X7(500 m范圍內(nèi)農(nóng)用地面積);同理以200 m*200 m為網(wǎng)格單位與建設(shè)用地圖斑做疊置分析生成X12(已建成居民點(diǎn)面積)，以商州區(qū)建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用密度制圖得到200 m*200 m研究區(qū)建設(shè)用地密度柵格圖層；從2013年商州區(qū)土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)提取商州區(qū)主要道路數(shù)據(jù)，采用《城鎮(zhèn)土地定級(jí)規(guī)程》定義的通達(dá)度模型，由式(1)計(jì)算商州區(qū)2013年道路通達(dá)度。

表1 建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)與商州區(qū)現(xiàn)狀值

Y3=[100-100(1-ri)]/100

(1)

式中：Y3為道路通達(dá)度，ri為道路相對(duì)影響半徑,ri=d/di(di為緩沖距離，d為影響距離,d=g/2l)，g為商州區(qū)總面積，l為商州區(qū)主干道路總長(zhǎng)。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均純收入數(shù)據(jù)采用2013年商州區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均純收入排名數(shù)據(jù)，植被歸一化指數(shù)(NDVI)利用研究區(qū)TM衛(wèi)星影像獲取，生態(tài)保護(hù)區(qū)和南水北調(diào)重要水源涵養(yǎng)基地來自于商州區(qū)土地利用總體規(guī)劃圖，以上數(shù)據(jù)處理后均轉(zhuǎn)換為200m*200m的柵格數(shù)據(jù)。

2.4 空間分布模型

2.4.1 廣義相加模型(GAM) 廣義相加模型是廣義線性模型的半?yún)?shù)擴(kuò)展[18]，其特點(diǎn)是不強(qiáng)行改變數(shù)據(jù)的自然度量,數(shù)據(jù)可以具有非線性和非恒定方差結(jié)構(gòu)，通常適用于數(shù)據(jù)非線性分布的模型擬合。在本研究中單個(gè)因子對(duì)于建設(shè)用地適宜性的響應(yīng)曲線由數(shù)據(jù)分布決定，不指定統(tǒng)一的參數(shù)模型。本文通過平滑方法(smoother) 繪制變量響應(yīng)曲線，為每個(gè)變量繪制一條平滑曲線，并將結(jié)果相加。GAM模型是基于數(shù)據(jù)的模型(data-driven),而不是基于模型本身(notmodel-driven),數(shù)據(jù)決定著響應(yīng)變量和預(yù)測(cè)因子之間的關(guān)系，而不是假設(shè)的響應(yīng)變量與預(yù)測(cè)因子間的某種參數(shù)關(guān)系[19]。本研究中依靠參與建模的采樣點(diǎn)位置獲取相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值，構(gòu)成17個(gè)數(shù)據(jù)序列，依據(jù)數(shù)據(jù)特征，探索評(píng)價(jià)指標(biāo)與現(xiàn)有建設(shè)用地分布的非線性關(guān)系，以此作為訓(xùn)練，進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)研究區(qū)適宜建設(shè)用地的分布。從統(tǒng)計(jì)上講GAM不同于本文中其他模型，它可以顯式地表達(dá)評(píng)價(jià)指標(biāo)與現(xiàn)有建設(shè)用地分布的非線性關(guān)系。

2.4.2 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN) 本研究在R編程環(huán)境下利用BIOMOD軟件包進(jìn)行前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(一種輸入信號(hào)向前傳播無反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))的相應(yīng)計(jì)算。本文利用連續(xù)單層感應(yīng)器，構(gòu)建的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含輸入層、隱藏層(中間層)和輸出層，每一層都有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，前一層和后一層之間靠權(quán)值連接。本文主要學(xué)習(xí)過程為信號(hào)的正向傳播和誤差的反向傳播[20]，采用Sigmoid函數(shù)作為傳遞函數(shù)。本文BP算法中常用的參數(shù)設(shè)置如下：通過對(duì)學(xué)習(xí)率η、動(dòng)量因子α的取值進(jìn)行運(yùn)算，確定本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)為：η=0.7，α=0.9；通過實(shí)驗(yàn)不同初始權(quán)、閾值的賦值范圍對(duì)網(wǎng)絡(luò)收斂速度的影響，在考慮運(yùn)算成本以及精度的前提下，確定模型的初始權(quán)和閾值的隨機(jī)賦值范圍為-0.5～0.5。參照相關(guān)研究，本文確定誤差界值Emin為0.0001[21]。本研究中通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸入，構(gòu)建研究區(qū)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中I類采樣與II類采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的建設(shè)用地適宜性值分別為1和0，通過網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)以及不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)擬合。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，其預(yù)測(cè)結(jié)果精確，但計(jì)算量很大。

2.4.3 隨機(jī)森林模型(RF)RF本質(zhì)上是一個(gè)分類算法，決策樹是隨機(jī)森林模型的基礎(chǔ)分類器，由一個(gè)獨(dú)立同分布的隨機(jī)向量決定其組成。研究采用Breiman的隨機(jī)森林代碼(Fortran),其基本思想是利用Bagging(Bootstrapaggregation，自助聚集)及其原理隨機(jī)生成大量的分類樹參與運(yùn)算[22]。在本文中評(píng)價(jià)指標(biāo)是解釋變量，建設(shè)用地適宜性是被解釋變量。在模型運(yùn)算過程中每次隨機(jī)從17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和450個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中抽取含9個(gè)變量以及不小于200個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)作為單個(gè)決策樹的訓(xùn)練集。綜合評(píng)估所有單個(gè)決策樹結(jié)果，取評(píng)分最高的分類樹作為最后結(jié)果。RF是目前應(yīng)用廣泛的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，模型在運(yùn)算量沒有顯著增大的前提下提高了預(yù)測(cè)精度。RF對(duì)多線性不敏感，預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)缺失數(shù)據(jù)和非平衡的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)健。

2.4.4 最大熵模型(MaxEnt) 最大熵模型是目前應(yīng)用最為廣泛的基于生態(tài)位理論的物種分布模型[23],其基本思想是根據(jù)不完全的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷，即根據(jù)樣本信息對(duì)其他未知分布進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，使其滿足樣本的統(tǒng)計(jì)規(guī)則和限制條件，并使該分布滿足最大熵的條件。最大熵估計(jì)以研究區(qū)域不同位置目標(biāo)事物的概率分布描述事物的真實(shí)分布，因此，對(duì)于研究區(qū)所在空間上每一個(gè)位置均對(duì)應(yīng)一個(gè)非負(fù)概率，最后以事物分布點(diǎn)的背景數(shù)據(jù)作為限制因子對(duì)概率分布進(jìn)行建模[24]。本研究中只采用I類采樣點(diǎn)進(jìn)行建模，依據(jù)有限的適宜建設(shè)用地采樣點(diǎn)分布信息推斷研究區(qū)適宜建設(shè)用地概率分布。本文采用MaxEnt3.3.3版本，選取75%的分布點(diǎn)作為訓(xùn)練集(trainingdata)，25%的分布點(diǎn)作為驗(yàn)證集(testingdata)。相較其他3種模型，最大熵模型在實(shí)現(xiàn)上最為復(fù)雜，其優(yōu)勢(shì)在于可以將不完整的知識(shí)轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)潔且準(zhǔn)確的模型。

2.5 模型評(píng)價(jià)

本研究采用ROC(ReceiverOperatingCharacteristicCurve,受試者工作特征曲線)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型的精度。ROC曲線基于非閾值依賴判斷(threshold-independentevaluation)模型精度,即以預(yù)測(cè)結(jié)果的每一個(gè)值作為可能的判斷閾值,由此計(jì)算得到相應(yīng)的靈敏度和特異度。然后以1-特異度(即假陽性率)和靈敏度(即真陽性率)分別為橫、縱坐標(biāo)繪制ROC曲線[25]，ROC曲線與橫坐標(biāo)圍成的封閉幾何圖形的面積值即為AUC(theAreaundertheROCCurve)值，AUC值的大小表征著模型的準(zhǔn)確性，值越大說明模型準(zhǔn)確性越高，取值范圍為[0,1]。

2.6 模型綜合

為了更加科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)商州區(qū)建設(shè)用地適宜性，本研究綜合考慮參與建模的4種生態(tài)位模型的精度和穩(wěn)定性，結(jié)合各模型的優(yōu)點(diǎn)，采用加權(quán)平均方法對(duì)參與建模的4種生態(tài)位模型進(jìn)行綜合。各模型權(quán)重由其AUC值歸一化確定。計(jì)算公式為：

(2)

式中：wj為第j個(gè)模型的權(quán)重，rj為第j個(gè)模型的AUC值，h為模型個(gè)數(shù)，在本文中取4。

研究區(qū)建設(shè)用地適宜性綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算公式如下[12,13]：

(3)

式中：yi是第i個(gè)柵格的建設(shè)用地適宜性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，wj為第j個(gè)模型的權(quán)重，xij為第j個(gè)模型中的第i個(gè)柵格的數(shù)值。yi的取值范圍為[0,1]，yi越接近1，表明該柵格單元代表的地理空間范圍越適宜規(guī)劃為建設(shè)用地。

3 結(jié)果分析

3.1 不同模型預(yù)測(cè)結(jié)果的精度比較

本文中4種模型各自的AUC值均顯著大于0.5且接近于1，表明這4種生態(tài)位模型對(duì)商州區(qū)建設(shè)用地的評(píng)價(jià)結(jié)果都可以接受，將研究區(qū)實(shí)際建設(shè)用地與模型結(jié)果做相關(guān)性分析(表2)，二者相關(guān)性較高，說明模型預(yù)測(cè)是成功的。4種模型中MaxEnt模型的AUC值最大，說明該模型的預(yù)測(cè)能力最強(qiáng)，但是綜合模型的AUC值比任何單一模型都大，且綜合模型結(jié)果與實(shí)際建設(shè)用地的結(jié)果相關(guān)性更強(qiáng)，因此綜合模型的結(jié)果更為科學(xué)、準(zhǔn)確。

表2 模型AUC值、權(quán)重以及與實(shí)際建設(shè)用地相關(guān)性Table 2 The AUC value,weight of the model and correlation with the actual construction land

3.2 評(píng)價(jià)變量的重要性

根據(jù)不同模型的內(nèi)置算法程序，分別計(jì)算了各個(gè)評(píng)價(jià)變量在模型計(jì)算過程中的重要性(表3)。綜合看4個(gè)模型中評(píng)價(jià)變量的重要性并不相同，但是地形因子(海拔、坡度、坡位指數(shù))在各個(gè)模型中均占較大權(quán)重。其次是生活條件因子，其中到鎮(zhèn)級(jí)服務(wù)中心距離以及到省道、國道的距離權(quán)重普遍較高。研究結(jié)果表明，地形以及交通因子是研究區(qū)建設(shè)用地分布的主要限制條件。

3.3 商州區(qū)建設(shè)用地適宜性空間格局

本研究中的4種生態(tài)位模型對(duì)商州區(qū)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果為連續(xù)的柵格表面，加權(quán)平均后得到的綜合模型結(jié)果也是連續(xù)的柵格表面，其值為 0.03～0.96。按照建設(shè)用地適宜性綜合評(píng)價(jià)值從低到高，采用Natural Breaks分級(jí)方法將綜合模型的結(jié)果劃分為不適宜建設(shè)用地、一般適宜建設(shè)用地和高適宜建設(shè)用地3類。Natural Breaks[12,13,25]方法基于聚類分析，能較好保持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性[23]。分級(jí)后用地適宜性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)低于0.328的區(qū)域?yàn)榻菇ㄔO(shè)用地，同時(shí)在土地利用現(xiàn)狀圖中提取河流、水庫等不適宜建設(shè)的區(qū)域，也歸并為禁止建設(shè)用地。適宜指數(shù)介于0.328～0.764的地區(qū)為一般適宜建設(shè)用地，高適宜建設(shè)用地的適宜指數(shù)等于或大于0.764。同時(shí)計(jì)算綜合模型中各適宜等級(jí)的分布面積，得出商州區(qū)不同等級(jí)建設(shè)用地適宜性潛在分布結(jié)果(表4)。為便于比較，本文按照相同標(biāo)準(zhǔn)將GAM、ANN、RF及MaxEnt模型結(jié)果進(jìn)行分類，利用ArcGIS 9.3空間分析模塊將上述5種模型分級(jí)后的結(jié)果與研究區(qū)行政區(qū)域圖疊加顯示,如圖1、圖2所示。

表3 商州區(qū)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)因子重要性

表4 建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)綜合分析

圖1 基于4種生態(tài)位模型的商州區(qū)建設(shè)用地適宜性分級(jí)結(jié)果

圖2 基于綜合模型的商州區(qū)建設(shè)用地適宜性分級(jí)結(jié)果

結(jié)果表明，由于自然條件的制約，商州區(qū)最適宜建設(shè)用地較少，只占其面積的 2.47%，主要分布于丹江及其主要支流兩岸，包括陳塬以東至孝義，以及楊峪河、大荊、腰市、李廟等地的川道和兩側(cè)坡塬。該地區(qū)地勢(shì)平坦，交通便捷，自然地理?xiàng)l件優(yōu)越，同時(shí)也是商洛市市區(qū)所在地，基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施齊全，人口密集，經(jīng)濟(jì)水平較高，是未來商州區(qū)建設(shè)用地的主要發(fā)展方向。一般適宜建設(shè)用地面積相對(duì)較大，為297.73 km2，主要分布于適宜建設(shè)用地周邊低山區(qū)，同時(shí)在研究區(qū)北部的腰市鎮(zhèn)、大荊鎮(zhèn)、李廟鄉(xiāng)以及西荊鄉(xiāng)也有一定分布，這些地區(qū)地形較為平坦，離水源地較近，離較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)服務(wù)中心距離適中，基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施完善，交通便利，生活和生產(chǎn)條件相對(duì)優(yōu)越，建設(shè)用地具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

商州地貌是東秦嶺山地地貌的組成部分，是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的以中、低山體為主的土石山區(qū)，境內(nèi)地貌復(fù)雜、山系縱橫，主要山系有位于研究區(qū)西北的秦嶺主脈，研究區(qū)北部的蟒嶺，南部的流嶺，以及研究區(qū)中部的熊耳，構(gòu)成了北、西、南三面高聳，向丹江河谷傾斜的趨勢(shì)，因此不適宜建設(shè)用地占研究區(qū)總面積較大。經(jīng)計(jì)算，商州區(qū)90.27%的區(qū)域不適合建設(shè)用地開發(fā)，主要包括以下兩種地貌類型：1)低山丘陵地貌區(qū)。該區(qū)為復(fù)合地貌類型，主體位于境內(nèi)北部和東北部及中部的廣大地區(qū);其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差，風(fēng)化強(qiáng)烈，自然坡面坡度較大，植被稀少，水土碎石流失較為嚴(yán)重。對(duì)該區(qū)建設(shè)用地建議維持現(xiàn)狀，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)其周邊一般適宜建設(shè)用地以及最適宜建設(shè)用地社區(qū)的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施，尤其是教育設(shè)施的財(cái)政投入，引導(dǎo)人口外遷，逐步減少居民點(diǎn)建設(shè)面積，使其自然衰退。2)中高山地區(qū)。該區(qū)分布于境內(nèi)西北部和西部秦嶺南翼，西南部和南部的流嶺，東北部的蟒嶺;其自然坡面坡度多在30°以上,耕地分布于梁、洼、槽及溝道，陡坡地所占數(shù)量很大，是棄耕還林還牧的重點(diǎn)地區(qū)。該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，交通不便，人口稀疏，優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)資源較少，不適宜居民點(diǎn)建設(shè)，應(yīng)作為重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)域。

4 結(jié)論與討論

建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)研究是社會(huì)建設(shè)的實(shí)際需求，也是我國城鎮(zhèn)化過程中居民點(diǎn)以及公共設(shè)施優(yōu)化布局的理論基礎(chǔ)。本文運(yùn)用4種生態(tài)位模型，以商州區(qū)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)為切入點(diǎn)，以GIS空間分析技術(shù)為支撐，對(duì)商州區(qū)建設(shè)用地適宜性進(jìn)行了多因素綜合適宜性評(píng)價(jià)，并應(yīng)用加權(quán)平均方法構(gòu)建綜合模型，采用系統(tǒng)聚類方法，將商州區(qū)建設(shè)用地適宜性劃分為3種類型。分析結(jié)果表明，受生態(tài)條件、生活條件、生產(chǎn)條件限制，商州區(qū)建設(shè)用地適宜度分布具有明顯差異，該區(qū)大部分區(qū)域不適合建設(shè)用地分布，最適宜建設(shè)用地主要分布于丹江及其主要支流兩岸，該區(qū)域應(yīng)加快最適宜建設(shè)用地區(qū)域建設(shè)和中高山地區(qū)居民點(diǎn)搬遷與撤并工作，在此基礎(chǔ)上，逐漸開展一般適宜建設(shè)用地的集中建設(shè)。

科學(xué)的建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)體系與方法，將為地區(qū)土地利用總體規(guī)劃以及村級(jí)規(guī)劃提供理論依據(jù)。生態(tài)位理論是生態(tài)學(xué)重要的基礎(chǔ)理論，其方法不僅能廣泛應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng)，而且對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)也具有重要意義。本文將其理論與方法引進(jìn)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)中，進(jìn)行了有益的探索，各種模型在較大程度上規(guī)避了主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，取得了較好的效果，對(duì)經(jīng)典生態(tài)位理論的深化和發(fā)展具有一定意義。但是，通過生態(tài)位理論與多模型相結(jié)合的方式進(jìn)行建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)尚屬嘗試，且決策者的主觀意愿表現(xiàn)不足，那么如何在評(píng)價(jià)因子中加入一定的地域特點(diǎn)和政策制度等因素還有待進(jìn)一步研究。

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Multi-model Suitability Assessment of Construction Land in Tsinling Mountains Based on the Niche Theory:A Case Study of Shangzhou，Shangluo

ZHANG Hai-long1,GUO Yan-long2,GAO Bei3

(1.CollegeofUrban,RuralPlanningandArchitecturalEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo726000；2.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,CAS,Lanzhou730000；3.ShaanxiProvincialRemoteSensingInformationCenterforAgriculture,Xi′an710015,China)

Based on the niche theory,the paper uses 17 suitability evaluation factors:terrain conditions,production conditions,living conditions and ecological conditions to build suitability evaluation system of construction land in Tsinling Mountains.Using GAM,ANN,RF and MaxEnt,the paper evaluates the suitability of construction land in Shangzhou district,Shangluo respectively.Finally,simulation result of four models that is weighted by AUC value (area under the ROC curve) is integrated.And it is quantitatively used to evaluate the suitability of construction land in Shangzhou.The result shows that niche model can better evaluate the suitability of construction land in Tsinling Mountains.In an overall view,the most suitable land for construction area is 118.32 km2in Shangzhou,accounting for 2.47% of the total area,indicating that the area of land suitable for the development of construction land is relatively small.In Shangzhou,then,low suitable land for construction area of 297.73 km2in the area,accounting for 7.26% of the total area.This can be appropriate for development.The paper objectively evaluates the suitability of construction land in Shangzhou,providing new ways for the suitability evaluation of construction land in Tsinling mountains.It provides a theoretical basis for optimizing the layout of construction land as well.

construction land;niche theory;integrated mode;Tsinling Mountains

2016-03-03；

2016-05-17

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JK1231)

張海龍(1982-)，男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榭臻g數(shù)字模型與GIS 應(yīng)用研究。E-mail：hlsanfx@sina.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.04.014

F301.23

A

1672-0504(2016)04-0083-07