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    經濟論文

    多元信息綜合的市縣國土空間規劃空間功能識別方法

    時間:2021年08月20日 所屬分類:經濟論文 點擊次數:

    摘要:空間功能識別是確定國土空間規劃空間開發保護格局的關鍵環節,理論和實踐意義重大;谕恋乩煤偷乇砀采w現狀、精細化DEM、地形單元等基礎地理信息,水、生態、環境、災害等專題數據,社會統計數據等多元信息,利用空間分析、多元統計、計量模型、基

      摘要:空間功能識別是確定國土空間規劃空間開發保護格局的關鍵環節,理論和實踐意義重大;谕恋乩煤偷乇砀采w現狀、精細化DEM、地形單元等基礎地理信息,水、生態、環境、災害等專題數據,社會統計數據等多元信息,利用空間分析、多元統計、計量模型、基于規則的分類模型等技術方法,從多元信息綜合集成和自動分類識別的角度,研究構建了一套市縣國土空間規劃空間主導功能識別的關鍵技術與方法,并對榆林市域進行空間功能分區。研究表明:本文方法有效將地理實體單元、功能評價指標綜合于統一的地域單元,保證了空間功能分類識別的準確性;通過自動分類算法建模,實現空間功能識別的自動化,提高了國土空間規劃的客觀性和工作效率。

      關鍵詞:國土空間規劃;空間功能;功能識別;多元信息;集成

    國土空間規劃

      國土空間規劃是國家空間發展的指南、可持續發展的空間藍圖,是各類開發保護建設活動的基本依據,中央在對國土空間規劃體系建設的指導意見中指出,我國目標在2020年基本建立國土空間規劃體系,到2025年健全國土空間規劃技術標準體系?臻g功能識別作為國土空規劃的關鍵環節,是對市縣全域進行生態保護、農業生產、城鎮發展總體布局的前提,是國家空間治理的基礎,也是國土空規劃研究的重點和難點。

      隨著數據資源的不斷豐富和技術手段的不斷進步,對空間功能基礎理論和識別方法的研究將進一步成為該領域的研究熱點?臻g功能識別是基于自然資源稟賦條件和經濟社會發展狀況對一定尺度地域單元所承載國土利用功能的科學定位,只有在對地域單元充分理解的基礎上,才能客觀、科學地識別其空間功能,為國土空間規劃服務。

      目前,國內外學者主要從如下三方面展開了相關研究:從空間功能識別的內涵概念與指標體系來看,學者們普遍認為“因地制宜”是空間功能識別落地的基本原則。根據當前研究成果,市縣國土空間規劃中空間功能的主要類型包括生態、農業和城鎮或生態、生產和生活三大類功能類型,是自然空間和經濟社會空間協同耦合的產物。

      空間的多功能分析一般通過指標分析方法進行定量的測度和表達,其中空間功能評價指標的選取是對國土空間開發或保護不同目標的綜合實現,是空間利用行為多樣化的保障,如何使經濟社會功能與自然功能得到最好的空間耦合則是目前空間功能識別研究的重要共識。此外,中央關于建立國土空間規劃體系的指導意見中也明確將資源環境承載力和國土空間開發適宜性評價(簡稱“雙評價”)作為評價指標體系的基礎要求。綜上所述,在空間功能識別的基礎研究和指標類型方面己形成較一致的認識。

      從空間功能的識別尺度來看,國家和省級主體功能區規劃已在宏觀層面出臺實施,其中的優化開發、重點開發、限制開發和禁止開發成為統一規范,相關研究和實踐相對成熟10。中央在近期也對市縣尺度的國土空間規劃做出具體要求——“市縣國土空間規劃是本級政府對上級國土空間規劃要求的細化落實,是對本行政區域開發保護做出的具體安排,側重實施性”。這些都使得該領域的研究重心不斷向市縣尺度轉移。但是,市縣空間尺度下的地域分異規律相較國家和省級尺度更加顯著,因此功能類型更加豐富,評價單元更加細致1114。

      受限于資料收集、數據處理等可操作性的問題,絕大多數的研究仍采用行政單元作為基本評價對象1516。在基本單元的選取上,余亮亮等17、周璞等18認為空間功能的基本單元應盡量與行政區劃界線相吻合,從而便于規劃的實施與管理;而王金巖19、高國力20則認為市縣尺度下應明確具體地域單元的空間功能,突出空間開發保護利用的多樣性;熊鷹等21則建議將空間功能與具體的土地利用現狀圖斑聯系起來。因此,目前對市縣尺度下空間功能識別基礎單元的認識并不統一,相關的國土空間規劃標準急需研究?臻g功能的識別過程較為繁瑣,涉及的方法眾多,其中空間信息綜合集成與功能單元的類型識別是其最為關鍵、也是難度最高的環節。賈克敬等22、顧朝林等23、陳雯等24、Aguilera等25通過構建層次分析二維矩陣,相互比較地域開發利用或保護功能來劃分空間功能類型,該類方法成為空間功能識別研究最常用的方法。

      謝高地等2627采用決策樹分類法構建定量識別的函數群對區域空間主體功能進行分類判別?好宪姷28、高湛等29借助地理信息系統工具對分區結果的閾值進行不斷調整與優化,實現空間功能分類的靈活調整。此外,紀學朋等30、傅鼎等31綜合特爾斐法、木桶原理法則、線性加權求和法進行多要素空間疊置與綜合集成。這些已有的方法或技術方案在多元信息綜合集成方面,基本以統計為主。一方面在面對不同空間尺度、矢量柵格異構多源數據綜合時,存在單元內自然格局分異過大的問題;另一方面,還存在細節信息極易丟失等缺陷。

      此外,分類判別過程存在的主觀影響因素較多,分區結果的科學性和客觀性受到影響;诖,本文從理論和實踐兩個層面利用GIS空間分析、多元統計分析、計量模型、基于規則的分類模型等技術,構建一套融合多元信息的陸域市縣國土空間規劃空間主導功能識別的方法,定量測度和自動分類識別市縣國土空間規劃空間主導功能,提高國土空間規劃的科學性和工作效率,最后結合實證案例對研究區域的空間主導功能進行識別劃定。研究方法與數據來源研究方法基本思路國土空間主導功能的發揮由空間自身的地理條件、資源稟賦、開發利用現狀、經濟社會發展狀況等基礎條件和特征所決定,同時也受到國家和省級上位的發展戰略和政策導向影響32。

      對市縣尺度的國土空間規劃,只有將自上而下和自下而上的思路相結合,才能準確識別特定國土空間的主導功能,明確其發展定位。因此,市縣國土空間主導功能識別,應從外部視角綜合考慮上位國土空間規劃定位,從內部視角綜合考慮自身基礎條件和特征,通過信息綜合與多維判別,開展生態保護、農業農村發展、城鎮產業建設國土空間主導功能的分級評價,進而確定不同區域的主導功能,具體方法如下。

      首先,基于地形分區、土地利用現狀分區、上位主導功能分區等地理實體單元以及反映地理特征的雙評價結果,綜合構建國土空間規劃空間功能分區的最基礎自然地域單元——空間功能單元,并在這一過程中利用基于精細化DEM的地形分區方法以及基于自然地域單元的雙評價兩項關鍵技術,提高自然格局分異的準確性。

      其次,根據數據結構分別對矢量數據的地形分區、土地利用現狀分區和上位主導功能分區以及柵格數據的雙評價結果進行綜合集成,并在這一過程中基于統一空間功能單元,進行分層次和差異化策略的矢柵混合空間綜合集成,得到多元信息綜合的空間功能單元實體,改良由于數據結構與尺度差異引起的精度下降和屬性丟失問題。最后,以空間功能單元為對象,使用自動化的方式進行分區類型識別,得到空間功能分區結果,識別過程引入關聯規則和決策樹模型對專家知識進行顯式表達,提高空間功能分區的客觀性和自動化水平。技術路線見圖。

      1關鍵技術

      (1)基于精細化DEM的地形分區地形是國土空間規劃的基礎本底,精細的地形單元有助于自然地理特征與經濟社會特征的空間綜合與準確分區。為了使地形單元的數據精度與市縣空間規劃尺度相匹配,本文采用∶100萬地貌類型單元數據為基礎,依據∶萬高分辨率DEM數據、DLG數據、遙感影像數據,經過暈渲生成、坡度因子提取、高程帶劃分、水系與地貌的疊加等處理,根據圖所示的地貌單元精確定位分區方法,分別從空間特征、海拔、起伏度、坡度等不同地貌分區特征對地貌類型數據的界線進行精確定位,最終得到定位精度不低于原始DEM數據的精細化地形單元結果。

      (2)基于自然地域單元的雙評價以往的評價多以行政區劃作為基本單元,無論是在搜集資料或是功能邊界劃分都具有較強的操作性,但是市縣國土空間規劃注重實施性和落地性,以行政區為基本單元的評價方式已無法滿足要求。本文從自然地域單元的角度在更加精細的尺度上選取適宜的評價單元,以期更好地體現空間地理特征分布的連續性和漸變性,提高國土空間規劃結果的準確性。評價指標體系借鑒雙評價指標內容,考慮市縣層面的空間尺度與地表現狀空間信息綜合等特點,以數據的科學性、全面綜合性、穩定性、通用可比性、可度量性以及可操作性為原則,構建了基于自然地域單元的雙評價識別指標體系。

      在評價單元的選用原則上,市縣級別優先采用矢量數據形式分項評價,或者以2030柵格為基本單元進行評價,在地形條件單一或幅員遼闊的區域可適當降低精度。數據來源方面,在收集如土地利用現狀數據、基礎地理信息數據、遙感影像、地表參量、流域數據、水文數據、氣象數據、經濟社會數據、統計年鑒等數據的基礎上,著重收集精細尺度的區域數據,如災害類型與分布數據、人口分布與大型工程以及專項規劃數據等。

      (3)基于矢柵混合的空間綜合鑒于各類評價成果的數據結構與尺度往往存在差異,數據在綜合集成過程中會出現精度下降的現象,部分占比較小但又較為重要的信息也極易損失3334。為了改進這一問題,本文提出了基于統一空間功能單元的空間綜合方法,進行矢量柵格不同數據結構類型信息之間的綜合集成。該方法以空間功能單元為基礎網格,以不同評價結果為對象,根據不同評價結果數據特點構建差異性的策略進行綜合集成,根據成果精度要求分析多元數據空間綜合集成的最佳匹配尺度進行數據格式轉換。另外為了進一步降低空間綜合集成過程中由于尺度效應帶來的屬性信息損失,本文構建矢量數據屬性信息分層柵格化的機制,通過將原矢量數據的不同類型圖斑分層柵格化的方式避免占比較低信息的損失,最終達到避免或降低前文所述的精度下降和信息損失問題。

      (4)基于分類模型的分區類型識別基于空間綜合結果進行分區類型識別,即空間功能識別。通過分區傳導、底線管控、控制指標、名錄管理、政策要求等進行專家知識總結,設定一系列分類模型顯式表達以及定量規則來判別空間功能單元歸屬的功能分區,其本質是對融合了地形、土地利用現狀、上位主導功能分區、地域評價結果等一系列信息的空間功能單元的分類處理。但是空間功能識別考慮的各類因素情況繁多,實際情況復雜多樣,僅單個市縣區域便具有百萬級別的圖斑規模,傳統方法通過總結分區知識進行人工判斷工作量大,主觀影響因素多,并需要專家全程參與。

      本文將空間功能分區知識與機器分類模型相結合,采用決策樹和關聯規則兩類目前主流的基于規則知識的分類方法,更加直觀和準確地進行離散屬性分類,實現對空間功能分區的自動分類與識別,具有較高的客觀性和準確性。其中,決策樹分類方法利用了信息論中的互信息或信息增益理論來尋找具有最大信息量屬性而建立決策樹節點的原理,具體通過增益函數判斷增益率作為度量進行最佳屬性的選擇,并在每個分支子集重復這個過程進行分類35。

      1.2研究區概況

      榆林市位于中國陜西省最北部,轄區10縣,總面積42920km,約占全省總面積的21,常駐人口338萬,占全省常駐人口的。榆林市地勢高亢,梁塬寬廣,梁澗交錯,地貌大體以長城為界,北部為風沙草灘區,南部為黃土丘陵溝壑區,水資源、礦產資源豐富。近年來,榆林市生態環境有了明顯改善,經濟得到快速增長。但同時,榆林市地處黃土高原與毛烏素沙地交界,屬于典型農牧交錯地帶,生態敏感性強,生態環境相對脆弱,在一定程度上限制了榆林市未來經濟社會快速發展。如何協調經濟社會發展和生態環境保護之間的矛盾,引導城市空間布局的分布,是榆林市未來很長一段時期都必須面臨的問題。

      1.3數據來源

      文中數據包括來自自然資源部門的∶萬DEM數據、DLG數據、地理國情監測成果數據、土地利用數據;來自公開途徑收集的國家和省級主體功能區規劃、地貌類型數據界線;來自政府專業部門的水利普查成果、土壤普查數據、榆林市自然災害易發區范圍及相關屬性資料、水資源承載能力報告、大氣污染物監測資料、水污染監測資料、大氣與水環境承載力報告、人口用地專題研究報告;統計數據來自榆林市各區縣統計年鑒、榆林市各區縣產業園區產值統計等最新統計公報的數據資料。

      1.4結果分析

      本文以榆林市為例,應用前文構建的方法,進行該市全域市縣級國土空間規劃空間功能分區的嘗試;A分區與評價地形分區本文綜合研究區域的∶萬DEM數據、DLG數據、遙感影像數據、100萬地形單元,進行精細化地形分區與分級處理,提取了榆林市∶萬比例尺的地形分區結果,共分為四級類別,級別越高,說明空間越不適宜用于生產和生活功能。土地利用現狀分區土地利用現狀分區根據榆林市實際情況,以土地利用和地表覆蓋現狀數據為基礎,區分國土空間的開發建設現狀、農業生產現狀、生態功能現狀以及國家和當地法律以及上位規劃規定的明確禁止開發的空間地域,其中生態服務功能現狀根據其服務能力的顯著程度分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三種級別。

      1.5綜合集成

      分步驟對各類分區與評價結果進行綜合集成。首先進行矢量類型數據的綜合集成,包括地形分區、土地利用現狀分區和上位主導功能分區結果三項;其次按照如表的判別矩陣對地形和土地利用現狀信息經過疊加分析得到地表現狀分級綜合集成結果,保持四類級別,對主導功能分區結果的集成采用疊置分析進行處理,主導功能分區類型屬性單獨保留;最后對結果中小于50無實際意義的圖斑設置限差進行融合處理,得到綜合了地形、土地利用現狀和上位主導功能分區信息的空間功能單元。

      對于數據類型為柵格的雙評價結果,根據基于矢柵的空間綜合方法,在平均精度損失不超過10的情況下,計算選取25m×25空間分辨率作為空間評價結果綜合集成的統一單元大小,建立空間功能單元數據與柵格評價結果數據的關系索引。參照表的匹配策略選取對應方法,通過評價對象空間特征與屬性特征的空間映射,實現多元信息綜合集成,得到相互獨立、內部均質、結構穩定可以表征局部區域空間屬性特征的空間功能單元。

      為了保證分類規則的可讀性,本文對完成關聯的評價結果從生態保護重要性、農業生產適宜性、城鎮建設適宜性三個維度分別進行進一步的綜合集成,集成權重及判別矩陣如表。權重的確定根據榆林市相關部門專家填寫的評估表,通過AHP方法建立判斷矩陣,進行一致性檢驗,確定各單項指標權重,進行加權綜合。因此,每個單元均包含了其對應的上位主導功能類型、地表現狀、生態保護重要性、農業生產適宜性、城鎮建設適宜性五大類,地形、土地利用現狀、土地可利用度、水資源豐度、環境容量、生態功能重要性、生態敏感脆弱性、土地資源約束性、水資源約束性、環境約束性、災害影響、經濟發展水平、人口集聚度、交通影響、區位優勢度15小類屬性信息。最終共提取約832萬個面積在20015000的空間功能單元,形成了分區類型識別的實體對象和特征屬性基礎。

      2分區類型識別

      2.1分類規則模型

      分類規則模型根據上位規劃主導功能分區的分區傳導、底線管控、控制指標、名錄管理、區域政策等不同定位進行設計,通過將不同主導功能分區類型單元輸入對應的分類模型實現,在模型中均綜合地表現狀分級、生態保護重要性、農業生產適宜性、城鎮建設適宜性屬性進行分類識別。目前陜西省省級國土空間規劃暫未出臺,本文使用了陜西省主體功能區規劃的功能分區作為上位規劃分區指導。

      榆林市的主體功能類型(國土空間規劃中亦稱主導功能)包括重點開發區、限制開發區(農產品主產)、限制開發區(重點生態功能區)、禁止開發區四類,研究根據不同的上位主體功能導向分別設計四類對應的分類規則模型。限于篇幅原因,本文僅以上位規劃限制開發區(生態功能區)內的分類規則模型構建為例證。根據限制開發區內的功能定位與發展方向,其生態保護與保留區占比應高于50,在保證生態優先原則下,以增加生態保護與保留區、減少工礦和農業生產空間為導向進行分類規則模型的構建。

      3結論

      國土空間規劃的空間功能分區研究對于深化國土空間規劃編制的理論與方法有著重要意義,但是這方面的研究工作開展時間還較為有限,其理論體系和技術方法仍然有待進一步拓展和深化。本文聚焦國土空間規劃空間功能分區的技術方法探索,梳理了空間功能分區的基本思路和技術流程,構建了一套能夠融合多元信息并在陸域市縣尺度下科學客觀劃定空間功能分區的方法和關鍵技術。創新了規劃編制流程,是對傳統規劃編制的豐富、強化、完善。相較于傳統方法,本文融合了地理信息技術、地統計學、機器分類等多個學科的跨領域技術。

      (1)提出以精細化地形分區、土地利用現狀分區、上位規劃功能分區、基于自然地理單元的雙評價機制構建空間功能分區的基本單元,將地理實體單元與地理特征綜合于統一的單元內,實現國土空間規劃分區類型識別粒度的細化,提高了自然格局分異表達的準確性。

      (2)通過提出一種矢柵混合空間綜合方法,實現了不同空間分布特征的自然資源要素與經濟社會要素、不同空間尺度矢量柵格異構數據的有效綜合和表征,改良由于數據結構與尺度差異引起的精度下降和屬性丟失問題,提高了分區結果的科學性;此外,借助分塊單元網格分塊和索引關系的構建,也為本文方法在大規模數據處理的應用場景提供了數據結構基礎。

      (3)通過關聯規則和決策樹模型對專家知識進行顯式表達,以自動化的方式進行空間功能分區的定量分類識別,促進新技術與傳統分析方法的集成應用,提高工作效率,使國土空間規劃從業者從傳統重復的工作中得以解放,在普適性方面,本文方法不僅可以用于國土空間規劃空間功能分區類型識別,也可以用于其他類型的空間區劃、功能分區、地理區劃等工作,提升類似工作的工作效率與成果質量。

      規劃師職稱論文: 國土空間規劃背景下城市交通規劃變革分析

      雖然,本文重點探討了國土空間規劃空間功能分區方法,但由于篇幅的限制和相關方法實證研究較少,并未對每一項關鍵技術展開討論,該部分還需在今后緊密結合最新政策和技術不斷創新完善,與傳統分區方法的對比研究也是本文進一步研究的重點。本文的研究方向可在利用機器學習進行空間功能分區自動化聚類、利用大數據技術進一步準確劃定空間功能分區邊界、在區域和國家尺度下進行空間功能分區、引入互聯網大數據豐富多元信息等方面進一步深化,通過促進多學科技術的交叉融合,創新國土空間規劃編制的技術方法。

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      作者:鞏垠熙,劉若梅,王發良,周治武,楊揚

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