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如何利用FLUS模型对国土空间开发进行模拟与评估?

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2020-10-14

作者福州大学建筑与城乡规划学院硕士研究生薛峰,福州大学建筑与城乡规划学院副教授、院长助理李苗裔,福州大学建筑与城乡规划学院副教授马妍,中国城市规划设计研究院创新中心徐辉在《规划师》2020年第8期撰文。



在快速城镇化背景下,我国建设用地无序扩张现象十分普遍,对国土空间开发的模拟与评估成为科学编制国土空间规划的重要依据。研究以江西省为案例,在评价江西省2010年后备适宜建设用地潜力的基础上,采用FLUS模型,对江西省2035年建设用地的扩张进行模拟,将模拟预测结果与后备土地资源潜力进行对比,在区县尺度上对2010~2035年期间江西省的国土空间开发走势进行评估,并提出差异化的政策建议。


结果表明,江西省省域后备适宜建设用地主要呈“以南昌盆地为中心集聚,向省域外围逐步稀疏”的态势分布;面向2035年,江西省建设用地呈现出以南昌市为核心节点,以南昌市周边的抚州市、宜春市与上饶市为主要扩张区域的“点极式”扩张;在不进行任何政策约束的情况下,省域建设用地扩张表现为“整体较可持续,局部较不可持续”。



[ 关键词 ] 江西省;建设用地扩张;模拟;评估;FLUS 模型 


[ 文章编号 ]1006-0022(2020)08-0012-08 

[ 中图分类号 ]TU984.199 

[ 文献标识码 ]B 

[ 引文格式 ]薛峰,李苗裔,马妍,等.基于FLUS 模型的江西省国土空间开发模拟与评估[J].规划师,2020(8):12-19,32.




      一      

 研究方法 


(一)后备适宜建设用地潜力评价 

1.技术路线


本文首先在参考已有文献及考虑评价因子数据可得性的基础上,选取适宜性评价因子并建立适宜性评价指标体系。其次,对江西省全域先后进行自然地质的一级评价及区位潜力的二级修正,以实现建设用地的适宜性评价。最后,减除适宜建设用地中现状已建设的用地与基本农田,得到省域后备适宜建设用地(图1)。



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2.评价指标选取与指标体系构建


在众多的影响土地开发为建设用地的因素中,研究依据因素对建设用地适宜性的影响程度、因素的差异性、独立性及数据的可获取性,首先选取自然及生态安全因素作为硬性评价指标,在此基础上选取社会经济及区位因素作为软性修正调整指标。最终,确定了以下几种主要因素:地形坡度、水域、地质灾害重度高发区、风景名胜区、自然保留地及交通条件、城镇影响力等(表1)。


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3.建设用地适宜性评价


本文在总结已有研究方法的基础上,首先依据自然地质条件筛选出城市建设用地的适宜等级,扣除依照相应法律法规严格禁止开发为建设用地的地块区域,以及地质条件不适宜开发为建设用地的地块区域,其他地块依据地形坡度条件,参考BP模型设定阈值,将地块划分为适宜、较适宜、条件适宜和不适宜四类。具体评价指标选取及阈值设定如表2 所示。


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其次,依据交通、城镇影响等区位因素对承载力结果进行适宜性调整。其中,交通因素的选取,主要是基于江西省未来交通体系的规划,选取现状及规划铁路以及现状及规划道路等各类交通设施的通达性。现有城镇的影响力,主要是考虑到现有城镇用地对于未来建设用地开发的空间临近影响。各因素的权重主要是参考未来江西省建设的战略部署(表3)、各类交通自身的运输能力特点,以及对于现状城镇建设用地影响的回归分析等来进行设置,按照指标综合,最终得出各地区位开发潜力指数,并将区位潜力划分为三个等级:适宜、比较适宜、一般。研究结合区位潜力等级,以及自然环境适宜性评价等级,对江西省建设用地的适宜性进行了调整。


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4.后备建设用地潜力评价


传统意义上的后备适宜建设用地在《省级主体功能区划分技术规程》中被称为“可利用土地资源”,广义上指可被用于未来人口集聚、工业布局和城镇发展的土地资源,能够客观反映不同区域对未来人口集聚、工业化和城镇化发展的土地承载能力,侧重地区后备适宜建设用地总量的测度,但并没有考虑到后备建设用地的需求主体——人的因素。研究结合人口因素,采用人均后备适宜性建设用地,以更好地测算地区土地资源丰富程度。


后备适宜建设用地与人均后备适宜建设用地的计算公式如下:



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(二)基于FLUS 模型的建设用地扩张模拟 

FLUS模型是用于模拟人类活动与自然影响下的土地利用变化及未来土地利用情景的模型,耦合了自上而下的总量预测模型与自下而上的元胞自动机模型,从而得到较高模拟精度的未来城市发展形态,模拟流程如图2所示。


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其中,总量预测模型能在模拟的每个阶段自上而下地控制元胞自动机的发展,从而在全局上约束元胞自动机的空间发展,纠正元胞自动机数量上和空间上的变化轨迹。而马尔科夫模型作为该类模型的典型代表,由于具有无后效性(在事件的发展过程中,系统的第n 次结果状态只与第n-1次有关,与以前所处的状态无关)与稳定性( 在较长时间后,马尔可夫过程逐渐趋于稳定状态,而与初始状态无关) 特征,恰好符合土地利用变化规律,因此在相关领域得到了广泛应用。


而人工神经网络算法(Artificial Neural Network,简称“ANN”) 从一期土地利用数据与包含人为活动、自然效应的多种驱动力因子(高程、坡度、交通及城镇影响力)中获取各类用地类型在研究范围内的适宜性概率,并依次分为输入层、隐藏层与输出层。


此外,FLUS模型提出一种基于轮盘赌选择的自适应惯性竞争机制,能有效处理多种土地利用类型在自然作用与人类活动共同影响下发生相互转化时的不确定性与复杂性,使得模型具有较高的模拟精度并且能获得与现实土地利用分布相似的结果。此次研究采用自适应惯性系数来表征自适应惯性竞争机制 。而邻域影响反映了城市周围单元与中心单元的相互影响程度,表示邻域范围内用地单元间的作用。


综合各类用地类型在研究范围内的适宜性概率、自适应惯性系数和邻域影响因子,可以确定各元胞的土地利用总体转换概率,公式如下:

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      二      

 研究框架 


本文在评价江西省2010年建设用地适宜性的基础上,对江西省域2010年后备适宜建设用地潜力进行评价,并利用FLUS模型,对江西省2035年建设用地的扩张情况进行模拟预测,将模拟结果与后备土地资源潜力进行对比,从而在区县尺度上对2010~ 2035年江西省的国土空间开发走势进行评估,最终提出优化省域国土空间分配格局的差异化政策建议(图3)。

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      三      

 应用实例 


(一)研究区概况 


江西省位于中国东南部,长江中下游南岸。2017 年全省总面积为16.71万平方千米,常住人口为4622.1万,下辖11个地级行政区、100个县级行政区、1个国家级新区。江西省地貌类型以山地、丘陵为主,平原、盆地和谷地广布,省内除北部鄱阳湖平原地势较为平坦外,东、西、南三面环山,中部丘陵和平原交错分布。全省有大小河流2400余条,汇聚形成抚河、信江、赣江、修河和饶河五大河系。研究区域土地利用结构类型多样,农用地比重较高,农用地中林地比重较大,建设用地比重较低。


(二)数据来源 


研究使用的江西省1990年、2000年、2010年、2015年四期1︰25万土地利用图、基本农田矢量数据、1︰25万DEM 数据、现状及规划的高速公路与铁路数据、省域及县域边界数据、地质灾害数据、风景名胜区数据均来自中国城市规划设计研究院创新中心。2010年各县级行政区的常住人口数据来自中国2010年人口普查资料。




      四      

 研究结果 


(一)江西省后备适宜建设用地潜力评价


1.建设用地适宜性评价


江西省处于适宜建设等级的用地面积为14591.06km², 占省域面积的8.97%;处于较适宜建设等级的用地面积为77918.83km², 占省域面积的46.5%(表4)。虽然省域适宜与较适宜建设用地面积总量达55.47%,但是适宜建设用地的土地利用现状主要在农用地类型,且并不代表评价结果适宜性等级为适宜的农用地都可以大量开发。可见,江西省可供开发建设的土地资源十分有限,存在结构性不足的问题。在实际开发过程中要利用好这类土地资源还需协调多方面的关系,诸如生态保护、耕地占补平衡、基本农田保护和林地保护等。


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从空间分布角度来看,处于适宜建设等级的用地基本分布在地势较为平坦的南昌盆地,总体上呈现“一群、两轴、三区、多点”的格局(图4),其中“一群”指以南昌市为中心的城市群,“两轴”指北起景德镇市浮梁县,南至赣州市信丰县的适宜建设轴和省域北部东西向的适宜建设轴线,“三区”指南昌市适宜建设区、吉安—赣州适宜建设区和鹰潭—上饶—景德镇适宜建设区,与《江西省城镇体系规划(2015—2030 年)》提出的“一群、两带、三区、多节点”空间布局基本吻合。

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2.后备适宜建设用地潜力评价 



江西省后备适宜建设用地的总面积为12507.27km²,占土地总面积的7.49%。研究根据组内差异小、组间差异大的分类原则,将江西省100个县级单元的后备适宜建设用地面积分为小于50km²、50~100km²、100~175km²、175~275km²和大于275km²五个等级,分别对应缺乏、较缺乏、中等、较丰富和丰富,其空间分布情况如图5-a 所示。总体上看,江西省后备适宜建设用地空间分布特点为东北部多于西南部,地形平坦地区多于地形崎岖地区。



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可见,从后备适宜建设用地总量上看,江西省存在9 个后备适宜建设用地丰富的县级行政区,可利用土地资源面积为2984km²,占全省可利用土地资源的23.86%,相对集中分布于南昌盆地与平原地区;存在16个后备适宜建设用地较丰富的县级行政区,可利用土地资源面积为3427.69km²,占全省可利用土地资源的27.41%,其空间分布较为广泛,散布于各个地级市;存在26 个后备适宜建设用地中等的县级行政区,可利用土地资源面积为3380.26km²,占全省可利用土地资源的27.03%;存在31个后备适宜建设用地较缺乏的县级行政区,可利用土地资源面积为2297.95km²,占全省可利用土地资源的18.37%,主要分布于省域外围的山地地区;存在18个后备适宜建设用地缺乏的县级行政区,可利用土地资源面积为417.37km²,占全省可利用土地资源的3.34%,主要分布于省域南端和鄱阳湖平原。


同样,根据组内差异小、组间差异大的分类原则,将江西省100 个县级单元的人均后备适宜建设用地面积分为小于100m²、100~235m²、235~355m²、355~510m²和大于510m²五个等级,分别对应缺乏、较缺乏、中等、较丰富和丰富,其空间分布情况如图5-b 所示。与后备适宜建设用地总量的分布特征不同的是,人均后备适宜建设用地丰富的地区在空间上较为分散,而不是仅集聚于鄱阳湖平原地带,这与鄱阳湖平原适宜居住、人口密度较大有关。



(二)江西省国土空间开发走势评估 

1.模型精度验证


首先,根据江西省1990年和2000年的各类用地分布,利用FLUS模型对江西省2010 年各类用地分布进行模拟预测,然后对比2010 年江西省各类用地分布的实际情况,进行模型精度验证:首先引入Kappa系数,计算得到总体精度可达到0.9211,Kappa系数为0.8536,模拟精度较高。其次,采用由Pontius 等人于2008年提出的Fom系数,以此评价城市增长部分的精度,计算得到模拟的Fom系数为0.14,模拟精度较高,进一步验证了FLUS模型应用于预测城市未来用地发展的可靠性。


2.2035年建设用地扩张模拟


研究在自然地质条件约束下,对2035年江西省建设用地扩张进行模拟。首先以预测的江西省2035年的建设用地规模为目标,运行FLUS模型,经过迭代生成江西省2035 年的各类用地分布,并对建设用地、水域和非建设用地进行分类(图6)。

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模拟得到,至2035年江西省建设用地面积为4932km²,相比2010年的3956km², 增加了24.67%, 呈现出以省域北部的南昌市为核心城市节点,以南昌市周边的抚州市、宜春市与上饶市为主要扩张区域的“点极式”扩张模式,其中抚州市的建设用地主要向西南部市辖区及市域西北部的崇仁县扩张;宜春市与上饶市的建设用地突破既有市辖区范围,“飞地式”大幅扩张,其中宜春市建设用地向市域中部的上高县与高安市扩张,上饶市建设用地向市域西北部的鄱阳县扩张。建设用地的扩张是人口与产业集聚的表现,需要配套相应规模的基础设施,以适应建设用地大幅扩张后的人员出行及货物运输需要,因而针对2010~2035年建设用地扩张面积较大的地区(表5),对其现状及规划交通基础设施情况进行分析。分析发现,鄱阳湖中部、临川区西南部及宜丰县、高安市、上高县四地接壤处新增大量建设用地,却缺乏铁路或主要公路,且尚未规划交通干线,难以满足人员出行与货物运输在物质载体上的需求,需要进行规划响应。

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此外,省域南部地级市的建设用地扩张规模普遍较小,这在一定程度上与江西省南部山地、丘陵广布,平原面积较小有关;同时,省域南部的大量土地处于生态保护红线内,这些因素都限制了该地区建设用地的扩张。为了进一步探索江西省建设用地扩张与可利用土地资源分布的在空间上的耦合关系,本文从区县尺度出发对江西省国土空间开发走势进行评估。


3.2010~2035年后备适宜建设用地变化评价


根据后备适宜建设用地计算公式,得到江西省各区县经模拟的2035年后备适宜建设用地情况(图7) 及2010~2035年后备适宜建设用地变化情况(图8),可见从各县级行政区后备适宜建设用地变化总量上看,2010~2035年绝大多数县级行政区表现为后备适宜建设用地规模缩减,其中后备适宜建设用地小于50km²的县级行政区从17个增加到了32个,且规模缩减的地区主要分布在省域中北部的鄱阳湖平原地带,这主要与该区域地形条件较好、后备适宜建设用地较丰富有关。一般来说,后备适宜建设用地的减少是土地城镇化的表现,因而江西省绝大多数县级行政区未来将迎来新一轮的土地城镇化,而鄱阳湖平原地带为重点开发建设区域,其中宜春市为开发建设的主要地级市。而期间西湖区、青云谱区、浔阳区与珠山区表现为后备适宜建设用地规模扩张,这不仅与其现状后备适宜建设用地总量稀缺有关,还与交通条件改善使得适宜建设用地面积增加有关。

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从各县级行政区后备适宜建设用地变化比例上看,相比总量面积的缩减主要集中于鄱阳湖平原的现象,2010~2035年后备适宜建设用地大比例缩减或中等程度缩减的县级行政区在空间上较为分散,体现了以南昌市为核心的鄱阳湖平原地带后备土地资源丰厚,大量后备适宜建设用地的减少对其总体存量影响较小。此外,全南县、安远县的后备适宜建设用地总量仅小幅缩减,但由于其本身可利用土地资源存量不足的问题,对县级行政区来说,后备土地资源的大比例缩减,需要引起相关部门的注意,限制地方后备土地资源的开发。


4.2010~2035年省域国土空间开发走势评估


为了进一步评估模拟得到的江西省2010~2035年建设用地扩张结果,研究将2010~2035年省域后备适宜建设用地变化方向与可利用土地资源本底进行对比,从区县尺度对2010~2035年江西省的国土空间开发走势进行评估。


一般认为,后备土地资源较贫乏的地区,如未来该指标大比例或中等比例缩减,则后备土地资源的利用表现为显著不可持续;如未来该指标较小比例缩减或扩张,则后备土地资源的利用表现为可持续。而后备土地资源较丰富的地区,如未来该指标较大比例缩减,则后备土地资源的利用表现为较不可持续;如未来该指标中等比例或小比例缩减,则后备土地资源的利用表现为可持续;如未来该指标扩张,则后备土地资源的利用较不合理。


根据上述准则,研究耦合地区2010年人均后备适宜建设用地与2010~2035年后备适宜建设用地变化比例,从区县尺度评估江西省国土空间开发走势(图9)。分析发现,在建设用地扩张上,87%的县级行政区表现为可持续,5% 的县级行政区表现为较不可持续,8% 的县级行政区表现为显著不可持续,且表现为不可持续的地区在空间上较为分散。其中,全南县、宜黄县、乐安县、濂溪区、安远县、上犹县、广丰区与青山湖区后备土地资源较缺乏,但2010~2035年后备土地资源存在较大比例的缩减。此外,虽然上高县、宜丰县、安义县、安福县与鄱阳县的后备土地资源较丰富,但2010~2035年后备土地资源大比例缩减。


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        五       

 结论与建议 



研究在评价江西省2010年建设用地适宜性的基础上,对省域2010年后备适宜建设用地潜力进行评价。同时,采用FLUS模型,对省域2035年建设用地的扩张进行模拟,并将2010~2035 年江西省后备适宜建设用地变化方向与可利用土地资源本底进行对比,从区县尺度对这期间江西省的国土空间开发走势进行评估,得到以下结论:江西省省域后备适宜建设用地主要呈“以南昌盆地为中心集聚,向省域外围逐步稀疏”的分布态势;面向2035年,江西省建设用地呈现出以南昌市为核心节点,以南昌市周边的抚州市、宜春市与上饶市为主要扩张区域的“点极式”扩张;在不进行任何政策约束的情况下,省域建设用地扩张表现为“整体较可持续,局部较不可持续”。


针对本文的研究结论,提出以下建议:


(1) 全南县、宜黄县、乐安县、濂溪区、安远县、上犹县、广丰区与青山湖区的后备土地资源较缺乏,但2010~2035年后备土地资源较大比例缩减,政府管理部门应加以重视,在严格保护辖区内永久基本农田与生态保护区的基础上,严格控制城乡建设用地规模,以有效制止后备土地资源的流失。为了较好地管控城乡建设用地规模,应强化土地用途管制,完善土地利用相关政策法规,从而规范土地审批,强化土地监管。在此基础上,还应着力盘活存量建设用地,并提高建设用地利用效率。具体来看,一方面应加快推进城乡低效用地的再开发,充分利用闲置土地,并统筹城镇地上地下空间开发,推进建设用地的多功能立体开发和复合利用,使城市有限的土地得以承载更多的人口;另一方面产业用地作为建设用地的重要组成部分,应重点保障同区域资源环境与发展条件相适应的主导产业用地,对于占地大且低效的产业应进行外迁、企业兼并重组或直接淘汰。


(2) 上高县、宜丰县、安义县、安福县与鄱阳县的后备土地资源较丰富,但2010~2035年后备土地资源大比例缩减,应引起土地资源管理部门的注意,在逐步减少新增建设用地规模的同时对低效的已建用地进行集约利用。具体来看,应在严格保护辖区内永久基本农田与生态保护区的基础上,与国民经济和社会发展计划、节约集约用地目标要求相适应,逐步减少新增建设用地的计划和供应。同时,由于地方存量建设用地总量的快速增加,应对低效利用土地与闲置土地进行梳理,引导产业集群集聚发展,并加大区域在创新方面的投入力度,包括加大研究与试验发展(R&D) 经费投入、制定吸引高新技术企业开设与高层次人才落户的政策。此外,政府应加快推行全面而彻底的土地有偿使用制度,使土地资源在市场上能够自由流动。


(3) 对于其余国土空间开发走势较可持续的区县,后备适宜建设用地较丰富或减少速度较慢,可适当增设高新技术企业及服务于地方主导产业、特色优势产业的相关企业,从而吸引人口集聚,激发地方活力,促进地方经济发展。


同时,研究也存在一定的不足,在模拟2035 年省域后备土地资源时,模拟结果主要参考的是历史趋势,并没有考虑到2010~2035年期间不确定的政策约束,这也是下一步需要提升的地方。


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