老挝凯山丰威汉市土地资源的空间优化配置

彭玉玲, 徐学娴, 隗剑秋, 刘斐旸, 秦文杰, 夏 钰

(1.武汉工程大学 土木工程与建筑学院, 湖北 武汉 430073; 2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司, 云南 昆明 650000; 3.湖北省国土测绘院, 湖北 武汉 430000)

土地利用空间优化配置有利于合理高效利用有限的土地资源，从而促进区域经济的可持续发展。如何实现土地资源在空间上的优化配置，仍然是当前国土空间规划领域研究的热点问题。目前国内外学者围绕这一领域开展了大量研究[1-3]，主要包括基于多源数据融合的土地利用变化研究[4-5]、基于GIS(geographic information system)的空间分析[6]、基于适宜性评价的优化配置[7]以及土地利用模拟[8-9]、优化算法研究等[10]，研究内容不断深化[11-13]，研究方法也日趋完善[14-16]。

凯山丰威汉市作为老挝的经济中心、仅次于首都万象的第二大城市，在老挝区域发展和未来规划中具有重要的战略地位。近年来，凯山丰威汉市城镇化发展迅速，粮食生产基地建设和经济特区发展急需合理的用地规划为其提供保障。然而，目前其土地规划滞后，规划体系不完善，同时，国内外围绕凯山丰威汉市开展的土地配置方面的研究和实践探索较少[6,17-18]，虽然这些研究在一定程度上为凯山丰威汉市及老挝的土地利用提供了方法和数据支持，但成果仍比较匮乏，不足以为其规划实践提供充分支撑。作为经济发展的前提和基础，合理配置土地资源仍是凯山丰威汉市国土和经济领域亟待解决的关键科学问题。

本研究在借鉴国内外相关经验的基础上，将GIS空间分析方法与CLUE-S模型相结合，开展土地资源空间优化配置研究。同时，考虑老挝的实际情况，对不同类型土地利用规模的控制指标以自然条件适宜性为基础，并以当地用地政策的限制和用地发展目标为约束，以期促进土地资源的开发和合理利用，从而为当地经济发展提供可靠保障。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

凯山丰威汉市位于老挝南部边境，湄公河左岸，是老挝第二大城市，沙湾拿吉省省会，也是老挝的经济中心。凯山丰威汉市又名“沙湾拿吉市 ”，意为“天堂里的城市”，2005年为纪念老挝第二任国家主席凯山·丰威汉而更名为凯山丰威汉市，下辖人口1.20×105人，土地面积650.51 km2。

1.2 数据来源

研究基础数据共包含土地利用数据、社会经济数据、问卷调查数据3种类型。其中，土地利用数据来源于老挝政府部门提供的土地利用现状数据(2006年)、相关规划数据(2006—2015年)，中科院地理空间数据云提供的研究区遥感影像数据(2015—2020年)，以及研究区现场踏勘与测试数据(2015年)等；社会经济数据来源于研究区统计年鉴(2005—2013年)；问卷调查数据来源于土地规划及社会经济领域的专家咨询打分(2019—2020年)。

2 研究方法

2.1 模型构建

基于GIS空间分析技术和CLUE-S模型，将土地利用现状、适宜性、最优数量结构、驱动因素、限制因素等数据按照模型的格式要求，转换为相应的模型输入参数，进行模型运算，得到凯山丰威汉市土地资源空间优化配置方案。该模型由转换规则、限制因素、用地需求、空间特征4个输入模块，以及一个空间布局分配模块构成[16]。

(1) 转移规则。通过转移矩阵来定义和实现不同地类之间的转变规则，转移矩阵见表1。其中值为1代表可以转移，值为0代表不可转移。具体赋值根据2015年研究区政策调研、实地踏勘和2020年专家咨询的方法，多轮征集相关专家、当地政府和居民意见后汇总统计获得(表1)。

表1 老挝凯山丰威汉市各二级地类之间的转换矩阵

(2) 限制因素。限制因素包括自然保护区等控制性的约束条件，在CLUE-S模型中，通过限制因素的设定，以影响用地格局的分配。限制类型分为区域限制和地类限制两种情况。如：保护区范围内的用地不允许转移为其他类型的用地，属于特定区域限制；各地类之间是否允许转移属于地类限制。

(3) 用地需求。用地需求通过模糊预测计算获得，并用来限定模拟过程中各用地类型的变化量。用地需求为正值表示用地数量增加，为负值则表示用地数量减少，所有用地类型的总变化量为零，即各用地类型总面积恒定。凯山丰威汉市在老挝区域发展和未来规划中具有重要的战略地位，其对建设用地和农业用地的需求不仅要考虑研究区内的人口增长、经济发展和粮食供给等因素，同时要考虑对整个地区发展的作用和贡献。因此，在用地需求预测时，需考虑区域因素进行预测。

(4) 空间特征。以所有用地类型分配在其最可能出现的位置上为原则，通过Logistic回归运算来分析各用地类型变化与导致变化发生的驱动因素之间的定量关系，获得各用地类型在空间上的分布概率[19]。具体计算表达式如下：

(1)

式中：Pi表示某栅格单元可能成为某用地类型i的概率;B0为回归方程常量;B为各驱动因子的回归系数;X为驱动因素。

(5) 空间分配。空间分配是在对土地利用转换规则、限制因素、空间特征等要素进行分析的基础上，按照用地分配的总概率从大到小的顺序，通过多次迭代运算，依次对用地需求在空间上进行分配。

2.2 空间特征分析

(1) 栅格数据二值化处理。为提高数据处理的效率，本研究采用抽样的方法进行回归分析[3]。首先对各用地类型的栅格数据进行二值化处理，将属性为某种用地类型的栅格单元赋值为1，属性非此用地类型的栅格单元赋值为0，生成值为0，1的栅格数据(图1)。

图1 老挝凯山丰威汉市各类用地二值化栅格图

(2) 随机采样与重分类。将各用地类型进行二值化处理后，使用ArcGIS的Create Random Raster功能，生成覆盖区域的随机栅格，用于对各用地类型与各驱动因子的随机采样。采样过程中，元胞值为0的案例与值为1的案例百分比校正越接近50%，则采样结果越理想。因此，需要按照一定比例对随机栅格进行重分类，使每种用地类型采样比例保持1，0的样本数量基本相当。如：凯山丰威汉市水田栅格数为169 022，非水田栅格数为553 735，二者比例约为1比3，则将覆盖凯山丰威汉市范围的随机栅格按照30%的比例进行重分类，运用栅格计算器将重分类后的随机栅格与非水田栅格图层进行相乘运算，得到以30%的比例进行随机抽样的非水田样本数为166 615，与水田样本数量接近。根据采样结果，各用地类型随机采样的百分比校正结果均保持在50.0%～62.0%之间，采样数据较可靠。

对各用地类型元胞值为0，1的随机栅格进行重分类后，根据重分类结果，使用ArcGIS的Sample工具依次对各驱动因子进行采样，获得的抽样数据即为回归分析的自变量(各用地类型)和因变量(驱动因子)。其中，驱动因子从12个适宜性评价指标中选取。由于12个指标中，土地利用类型因子和保护区因子在模型中的其他模块重复约束，故从中去除这两个指标，共设定10个驱动因子，分别为：高程(X1)、坡度(X2)、坡向(X3)、土壤类型(X4)、土壤有机质含量(X5)、土壤pH值(X6)、距水源距离(X7)、距道路距离(X8)、距居民点距离(X9)、植被覆盖率(X10)。将用地类型与驱动因子进行回归分析，则可得到模型中各用地类型的回归系数。

(3) 二元Logistic回归分析。通过对各自变量与因变量进行二元Logistic回归分析，获得用地类型变化与驱动因子之间的相关性、回归系数、回归方程常量以及地类转换概率等参数。凯山丰威汉市各类用地回归方程系数及常量见表2。

(4) 回归方程拟合度检验。回归方程的拟合程度一般采用ROC曲线来对其进行检验。ROC值为曲线下的面积，该值一般为0.5～1之间，值越大，则拟合度越好，模型运行时的土地利用分配越精确。经过检验，各用地类型ROC值均大于0.85，回归方程拟合度较好，空间模拟结果较准确。

表2 老挝凯山丰威汉市各用地类型回归方程系数及常量

3 结果与分析

3.1 土地资源优化配置前后的土地利用变化

通过用地需求预测、限制因素分析、转换规则研究和空间适宜性特征分析，基于CLUE-S模型进行求解，得到研究区土地利用空间优化配置结果。研究结果表明，凯山丰威汉市主要用地类型为农业用地、林业用地、建设用地和水资源地，各类用地以现状分布区域为中心向外发展，集中连片布局。土地资源空间优化配置的结果见附图4a(封3)。

用地类型变化主要为林业用地和其他用地向水田和建设用地的转化(表3)，土地利用方式为对水土资源条件较好的稀疏荒芜林地、具备耕地和建设用地开发潜力的其他用地进行开发利用，在生态用地满足区域生态保护要求的前提下，提高土地利用效率，保障粮食产量，促进城镇化发展。

3.2 土地资源空间配置方案三维可视化

利用研究区的数字高程模型数据，通过ArcGIS平台，将其与土地资源空间优化配置数据叠加，生成土地利用三维效果图。通过对三维景观格局的构建和分析，可以为微观层面的规划设计以及工程布局等提供便捷、直观、多视角、全方位的决策依据。

表3 老挝凯山丰威汉市土地资源优化配置前后的土地利用变化

优化配置方案的三维可视化流程如下： ①将各县用地转化为由100×100的大小相等的规则格网组成的矢量数据； ②提取该规则格网数据中心点，并与各县土地资源空间优化配置的结果进行相交分析，生成由带有土地利用属性数据的规则点状标识组成的点图层； ③将该图层与各县数字高程模型叠加，并设置三维可视化参数，形成凯山丰威汉市土地资源空间优化布局三维效果图(附图4b，见封3)。

3.3 空间优化结果与分析

研究结果表明，建设用地和水田规模的增长以及林业用地规模的减少较为明显，其他用地变化幅度较小。凯山丰威汉市拥有沙湾拿吉平原以及湄公河沿岸的水土资源和地形等自然地理方面的天然优势，具有发展农业生产的巨大潜力。同时，作为沙湾拿吉省的省会城市、老挝第二大城市、老挝的经济中心，凯山丰威汉市拥有城镇化发展和经济建设的政策优势，粮食生产基地建设和经济特区发展需要对其土地资源进行合理布局，为国家和地区发展提供基础和保障。

空间布局上，研究区林业用地减少的区域为稀疏的林木，建设用地和农业用地在原有用地的基础上，沿交通和水系，向未开发且分布稀疏的林业用地扩张，扩张空间次序受适宜性控制，扩张规模受结构优化结果控制，建设用地扩张区域可发展为新区和经济特区，农业用地扩张区域可发展为粮食生产基地。

数量结构上，规划后的水田面积所占比重最大，占研究区总面积的46.08%；其次为林业用地，占研究区总面积的34.03%；第三为建设用地，占研究区总面积的13.18%。规划后的用地结构相对较合理，符合老挝以农业为主的产业发展特色，有利于发挥水稻种植等产业优势；同时，生态用地比例较高，通过规划提升现有林业用地的质量和生态服务价值，能够营造该区域良好的生活环境；此外，适当扩充建设用地规模，为经济特区建设和城镇化发展提供空间，有利于促进地区社会经济的发展和居民生活水平的提高。

另外，通过土地利用空间优化配置结果的三维可视化表达，能够更直观地指导微观的用地决策和设施布局，从而为各类规划衔接，以及进一步为凯山丰威汉市的城市建设和城市服务职能的发挥提供数据支撑。

4 结论与建议

4.1 结 论

本研究将适宜性分析、数量优化和空间优化三者结合，基于GIS空间分析技术、Logistic回归分析方法以及CLUE-S模型，实现了研究区土地资源的优化配置，为精准地控制用地布局、防止土地资源浪费和生态环境破坏提供决策支持。

通过土地资源优化配置，研究区建设用地和农业用地以现状为基础向自然和区位条件较好的区域扩张，规模增加明显。质量较差的林业用地规模减少，得到更合理的利用，从而使各类用地质量得到提升，土地利用效率显著提高，同时有利于土地资源的有效管理。

优化配置方案的三维可视化表达，有利于辅助进行建设用地的建筑选址、产业布局、交通规划、工程管线设施布局，以及农业用地的灌溉排水设施布局等，为土地利用规划向三维空间发展提供借鉴。

4.2 建 议

(1) 在对凯山丰威汉市林业用地、农业用地、建设用地进行空间优化布局的同时，需要兼顾生态环境的保护。①将低矮稀疏的林业用地重新规划为行道树、防护林； ②从区域统筹的角度出发，在区域内发展经济特区、粮食生产基地和生态保护的同时，在区域外其他适宜的地区实行退耕还林、植树造林，地区间协同规划； ③划定严格的保护红线，实施专项保护。通过以上措施，将现状无序的林地转换整合为以高大乔木为主的生态林，提高土地利用效益，同时实现区域协调发展的目的，促进土地资源的有序管理和分区保护。

(2) 借鉴其他国家和地区的先进经验，建立健全规划管理保障机制。随着中国与“一带一路”沿线国家的持续深入合作，中国经济特区和粮食生产基地的发展经验可以为老挝提供借鉴，同时结合凯山丰威汉市的发展现状、特色、需求和未来发展目标，在土地资源优化配置研究的基础上，合理布局经济特区、粮食生产基地和生态保护区，并建立健全规划管理保障机制，促进地区经济建设、农业生产和生态保护协调发展，真正发挥研究区作为老挝经济中心的优势。

(3) 利用区位优势发展经济特区，利用地形和水土资源优势发展水稻、咖啡、茶叶等绿色农业和特色产业，布局灌溉排水设施和交通设施。通过农业、旅游业等产业的反哺作用，促进农业现代化和机械化建设，改变部分地区原始的农业生产模式，提高农业生产效率、解放生产力，形成土地、产业、生产力之间相互促进的良性发展模式，促进区域经济发展。