土地适宜性评价数据处理方法探讨

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2015 Vol.30, No.1

Discussion on Data Processing Method of Land Suitability Evaluation

土地适宜性评价数据处理方法探讨

陈晨 宋小冬 钮心毅

Chen Chen, Song Xiaodong, Niu Xinyi

引言

土地适宜性分析是城乡规划的基础性工作。在国内的规划实践中，传统的土地适宜性分析工作关注于建设用地适建性评价，该内容早已纳入规划教科书；近年出台的城乡规划行业技术标准《城乡用地评定标准（CJJ132-2009）》[1]对此进行了进一步规范。2006年以来，

《城市规划编制办法》[2]将“禁止建设区、限制建设区、适宜建设区、已经建成区”划分纳入城市总体规划的必备内容，提升了土地适宜性分析的重要性，也扩大了土地适宜性评价的外延。

土地适宜性分析须考虑多种因素，一般涉及外界对城市建设的不利影响（如工程地质、洪水淹没、地形坡度、土地产权），外界对城市建设的有利条件（如现有城镇、基础设施、供水排水）

，城市发展对外界的不利影响（如历史文物、风景名胜、基本农田）

，等等。不同城市，不同规划，不同历史阶段，考虑因素会有差异，如果需要考虑的因素较多，往往将它们标注在地图上，先做单项判断，再做综合评定。在计算机技术尚不普及，或者规划设计人员所掌握的技术尚不充分的条件下，不管是单项判断还是综合评定，都比较粗略。随着地理信息系统（GIS: Geographic Information System ）的推广，传统方法正在被基于GIS 的分析方法所替代。

传统的土地适宜性分析技术已有很长的历史。麦克哈格（McHarg ）在《设计结合自然》（Design With Nature ）一书中对其进行了系统性的归纳和应用，将影响土地适宜性的每一因素分别形成单一图层，进而叠合多个图层，求得适宜的选址[3]。在GIS 出现以后，使用GIS 叠合（overlay ）功能进行土地适宜性分析，可以减少工作量，增加灵活性，提高精确性。叠合方法用于土地适宜性评价是GIS 在城乡规划中的传统应用领域。经过多年研究和应用实践，在城乡规划领域，基于GIS 的土地适宜性分析技术本身在不断演进，应用领域

摘要：土地适宜性评价是规划前期的重要环节，规划行业已广泛采用地理信息系统（GIS ）作为评价分析工具。GIS 提高了分析精度与处理效率，分析成果便于可视化，鼓励了多方参与。随着规划行业实际应用的探索与进展，评价因素趋于多样化，数据趋于复杂化，这对空间数据的处理提出了挑战。本文结合案例针对传统的矢量与栅格数据的处理方法的局限性进行讨论，进而对研究工作中提出的“伪栅格”的阶段性改进方案进行了优劣势分析。为进一步发挥矢量、栅格模型各自的优势，本项研究又提出了矢量、栅格互为补充的处理方法。该方法可以减少误差，提高效率，使约束条件、评价权重的调整变得简单、灵活，也可增强专题地图的显示效率。

Abstract: Land suitability evaluation is an important part of the planning work.

At present, planning industry widely uses Geographic Information System (GIS) as the evaluation analysis tool. GIS improves the accuracy and efficiency of analysis, which can also facilitate public participation because its analysis results are visual. With the deepening of the research on planning, evaluation factors tend to be diversified, evaluation data tend to be complicated. Therefore, data processing work become more complicated than ever before. This paper discusses the limitations of traditional vector and raster data processing method, then puts forward the “pseudo grid” data process method, and discusses the advantages and disadvantages. In order to fully combine with the advantages of vector and raster, the study proposed an integrated method of data process, which can reduce errors, improve the efficiency of data analysis and the analysis flexibility, as well as enhance display efficiency of thematic map.关键词： 土地适宜性评价；栅格；矢量；伪栅格；地理信息系统Keywords: Land Suitability Evaluation; Grid; Vector; Pseudo Grid;

Geographic Information System

国家科技支撑计划《城镇群空间规划与动态监测关键技术研发与集成示范》（2012BAJ15B03）阶段成果

作者： 陈晨，同济大学建筑与城市规划学院，博士研究生。

2009chen@https://www.360docs.net/doc/9d12730432.html,

宋小冬（通信作者），同济大学建筑与城市规划学院，教授。

spt@https://www.360docs.net/doc/9d12730432.html,

钮心毅，同济大学建筑与城市规划学院，副教授。niuxinyi@https://www.360docs.net/doc/9d12730432.html,

文章编号：1673-9493（2015）01-0070-08 中图分类号：TU984 文献标识码：A

陈晨 宋小冬 钮心毅 土地适宜性评价数据处理方法探讨

也在不断拓展。

在技术方法上，早期方法是简单叠合，也就是直接运用GIS叠合功能进行土地适宜性分析。简单叠合方法存在诸多局限性[4]——往往不能做出适宜性排序，也不能体现多个影响因素之间的相对重要性。1990年代开始引入了多准则决策分析（MCDA: Multi-criteria Decision Analysis）技术，与GIS 叠合功能结合应用于土地适宜性评价[4,5]。在GIS叠合基础上，发挥了多准则评价在决策分析上的优势，又引入层次分析法（AHP: Analytic Hierarchy Process）等用于确定多个影响因素之间的相对权重。结合GIS的多准则评价方法已经成为当前城乡规划领域中土地适宜性分析的成熟和主流方法[6-8]。

随着技术方法的演进，土地适宜性分析在城乡规划中的应用领域也不断拓展。简单叠合适用于评判是否适合建设，即通常所说的用地评定。引入结合多准则决策的方法，使得土地适宜性分析能应用于较为复杂的特定项目选址，如废弃物处置场的选址研究[9]、输水管选线[10]等等。结合多准则决策的适宜性分析也应用于土地使用规划布局：从单一用途的土地规划布局，如工业用地布局[11,12]、居住用地布局[13]，进一步扩展到多种土地使用用途配置，用于辅助土地使用规划布局的决策支持和政策评估[14-17]。也出现了支持上述土地使用布局决策的专用土地适宜性分析软件工具[18]。近些年来，又出现了将多种人工智能技术引入土地适宜性分析的尝试，用于支持土地使用规划决策，如采用神经元网络、模糊数学、遗传算法等[6,7]。这些技术进一步拓展了土地适宜性分析的应用领域，但尚处于研究探索阶段，未达到实用化程度。

本文讨论的土地适宜性分析主要涉及城乡规划的三方面业务：（1）评价土地是否适合城市建设，在规划行业较多被称为用地评定，是目前行政规章、技术规范的重点；（2）通过适宜性分析，配置不同功能的用地，或对开发时序提出建议，此类业务较多被称为土地适宜性评价[17]；（3）运用适宜性分析方法，为特定项目选址，该类业务也可看成是土地适宜性评价的应用之一。

当土地适宜性评价的应用领域从一般建设用地评定，向特定项目选址、不同土地用途配置、发展时序分析等领域扩展，势必引发评价过程的复杂化，也带来了处理数据的膨胀，处理方法的多样化。本文将举例讨论土地适宜性评价过程中数据模型、处理方法所面临的难点和挑战，进一步探讨处理方法的改进。

1 案例概述与处理步骤

1.1 评价对象

本案例位于海滨，靠近山地，是一个小城市。评价范围约42.32 km2，一条主要河流穿境而过。该城市现状建成区约4.48 km2，建成区内有两个城市公共中心，分别位于河流的南北两侧；城区以南有一处基本农田，面积约6.35 km2；距离海岸线500 m 范围内为生态保护区；研究范围内有一条铁路、一个客运车站、一条高速公路（设有一个出入口），还有两条一般对外公路（图1）。

1.2 评价目的

（1）根据研究范围内的地形、水文、交通、设施、政策等条件，对城市建设扩张涉及的土地进行用地适宜性评价。

（2）在用地适宜性评价基础上，对近期、远期开发时序进行分析，进行用地分配。

1.3 基础数据

基础数据有矢量型和栅格型两类，参见表1和图2。

1.4 处理步骤

数据处理步骤按照多因素用地评价的一般过程。首先确定需要评价的因子，进行单因子评价，得到单因子评价结果图层；然后对评价结果进行标准化处理，再对因子进行叠合处理，同时运用权重，对所有因子进行综合处理，从而得出适宜性评价结果；最后按用地需求，对新增建设用地进行空间分配（图3）。

（1）确定因子、单因子评价

影响本案例土地评价与用地分配的因子有5大类12项，

表1 基础数据分类表

数据类型主要内容

栅格高程、坡度

矢量

点火车站、高速路出入口、公共中心

线铁路、高速公路、主要公路、海岸线等

面现状建成区、基本农田等

图1 研究对象示意图

图例

研究范围

火车站

高速出入口

公共中心

铁路

高速公路

主要公路

河流

现状建成区

基本农田

km

0 .5 1 2 3

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图2 基础数据

（a ）高程（栅格）

图例

0~5

5~1010~2020~3030~5050~100100~150150~200200~300300~400400~500>500

研究范围高程单位：m

（b ）坡度（栅格）

图例

研究范围坡度单位：%

<2

2~55~88~1515~2525~50>50

（c ）河流（矢量面）（d ）铁路与火车站（矢量线、点）（e ）主要公路（矢量线）（f ）高速公路与出入口（矢量线、点）

图例研究范围河流图例研究范围火车站铁路图例研究范围主要公路图例研究范围高速出入口高速公路

（g ）现状建成区（矢量面）图例研究范围现状建成区（h ）公共中心（矢量点）图例研究范围公共中心（i ）基本农田（矢量面）图例研究范围基本农田（j ）生态保护区（矢量面）

图例研究范围生态保护区

包含地形因子、交通因子、设施因子、用地阻隔因子、生态安全因子。每个具体因子的评价方法如图3所示，可大致分为以下三类：1）按属性评价（例如高程、坡度等）；2）按距离评价（例如火车站、主要公路等）；3）按位置评价（例如铁路阻隔、基本农田、生态保护区等，参见图2）

。（2）权重评定与数据标准化

各个因子权重的评定，一般通过层次分析法、专家打分法等方法确定。权重指标有两类，一类是程度性的权重指标，这类权重总和为1；另一类指标不参与权重的数值运算，直接在空间上确定用地评价结果，而不受其他任何因子的影响，例如基本农田区内直接列为禁止开发区域，无论其他因子是

否有利于该地块的开发（表2）

。数据的标准化对某个因子评价取值做无量纲化处理，并采用统一的取值范围，本案例定为0~10，数值越大越适合建设、开发。对基本农田、生态保护因子，取值只有两种：0表示禁止建设，1表示允许建设。表2为权重和取值范围。

（3）土地适宜性综合评价

针对任何空间单元，将各准则的标准化评分取值与权重相乘，并进行累加，即可得到该单元的综合评价值，见公式（1）。

∑

=a i × s i

（1）

其中a i ：

第i 个准则的权重；s i ：第i 个准则的标准化数值（不含生态和粮食安全）

。km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

km

km

0 .5 1 2 3

0 .5 1 2 3

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① 本案例的综合评价值的计算公式为：综合评价值＝([高程]×0.15 + [坡度]×0.20 + [河流距离]×0.05 + [主要公路]×0.05+ [火车站]×0.10 + [高

速出入口]×0.10 + [铁路分割]×0.10 + [高速公路分割]×0.05+ [建成区]×0.10 + [公共中心]×0.10)×[生态保护]×[基本农田]

表2 各因子权重表

因子权重标准化取值值域

地形

高程

0.150~10坡度0.200~10河流0.050~10交通

火车站

0.100~10高速路出入口0.100~10主要公路

0.050~10设施

现状建成区0.100~10城市公共中心0.100~10用地阻隔

铁路阻隔0.100~10高速公路阻隔0.050~10生态和粮食安全

基本农田直接肯定或否定0或1生态保护区

直接肯定或否定

0或1

图3 本案例的评价步骤

由于基本农田与生态保护区范围内必须为禁建区，其取值为0或1，因此待其他因子按照公式（1）计算完毕后，将结果与这两个因子的标准化值相乘得到最终结果①。

将综合计算结果进行重分类，即可得到土地适宜性评价结果。按照一般要求，通常分为已建区、适建区、限建区、禁建区等几类。

（4）未来用地分配

上述步骤之后，还可根据用地需求，进一步在空间上进行规划用地分配。本案例中，近期需要分配的用地规模为2 km 2，远期另增加2 km 2的用地。根据土地适宜性综合评价数值进行排序，得分较高的用地单元先分配，较低者后分配。

2 常规数据处理方法的局限性

2.1 矢量模型的局限性

矢量型数据表达的图形精确，易于人机交互式编辑。多个准则的矢量数据叠合后，多项属性数据（即标准化的数值）将存储在叠合后的要素属性表中，可以方便地对属性表进行计算、综合评分。如果权重等条件发生变化，可直接对属性表操作，不需要再次做空间处理。但是矢量型处理方法也有以下局限性。

（1）矢量模型不利于分析与存储地形数据

目前比较成熟的地形分析方法主要基于栅格模型，分析

结果也保存为栅格。矢量模型不利于直接进行地形分析与存储，往往不得不将矢量转换成栅格再处理。如果再将处理结果的栅格转换成矢量，不但精度降低，误差增大，而且处理过程复杂，因此反向转换不值得提倡。

（2）难以表达连续值

矢量是离散模型，难以表达连续值，例如距离分析。为了接近连续，尽可能缩小空间单元，也就导致了矢量模型简练的特征丧失。

（3）易产生叠合碎片

不同专题图层相互叠合是土地适宜性分析的基本方法，如果涉及的因素较多，各专题的空间单元的形状、边界不一致，叠合后的多边形会变得很复杂，当不同专题图层中某些多边形边界很相近，就会产生细小的碎片（图4），不但耗费计算时间，还带来了计算误差，甚至出错，导致事先设想好的分析过程逻辑上合理，但是受技术制约无法正常完成。根据国内外的经验，矢量模型的适用条件为：参与叠合的专题图层不多，多边形形状比较规整。

（4）不便于数值分类

由于矢量叠合后的空间单元大小不一（图4），因此若要将综合计算结果进行分类，再根据规划的要求（如分配用地）

，按不同大小的面积组合，很难把握分类面积大小。2.2 栅格模型的局限性

栅格数据易于分析与表达地形数据，为连续空间模型。如果不同栅格数据集的单元大小一致，多次叠合后，结果数据量不会膨胀，处理过程也不会随着数据量的增加而变得复杂（图5）

。栅格型叠合计算的稳定性、可靠性较高，在目

前硬件条件下，多层叠合的处理速度也优于矢量模型。但是栅格型处理方法也有以下局限性。

（1）属性表功能较弱

通常，栅格模型的基本单元只有单一属性，只能表达一个专题图层。同一个用地单元的多重属性（地形、交通、设施距离等）往往对应多个栅格数据集，各数据集相互之间的逻辑、算术计算不方便。

（2）难以编辑

不能直接对栅格数据的空间划分、单元属性值进行编辑，这是栅格相对于矢量的重要劣势之一。

（3）易产生大量的过程数据

由于栅格数据集的固有特征，每次计算均会产生新的数据集。一旦用地评价的约束条件、准则权重需要调整，不得不重新计算，过程较长，数据冗余量较大，也会降低工作效率。

3 “伪栅格”数据处理方法及其局限性

3.1 基本方法

为了分别吸取矢量和栅格两种数据模型的优点，避免它们的缺点，本课题研究者曾经尝试了“伪栅格”处理方法。所谓“伪栅格”，就是在评价范围内，用矢量模型划分格网，表面上看，和栅格非常相似，内部却是矢量模型。

“伪栅格”的基本单元（图6）采用矢量模型（看似栅格，实则矢量）表示空间事物，可以在同一个图层中存储多重属性（表3）。若有需要，可直接对“伪栅格”属性表中的字段进行计算，实现综合评价，获得结果。

实际应用中，“伪栅格”的基本单元的尺度应当依据实例的空间范围、计算机的性能，凭经验灵活确定。基本单元尺度过大，影响分析过程与用地分配结果的精度；基本单元尺度过小，增加计算机的负担。

3.2 优点

“伪栅格”可避免多边形多次叠合容易出错的问题，而且要素属性表允许多字段，使每个空间单元有多重属性，依据属性表就可针对单元做多因素的逻辑判断、算术运算，结果依然在属性表中，不需要判断空间关系，计算效率不但高于栅格叠合，更高于矢量多边形叠合，计算的可靠性、分类的灵活性和栅格模型相同。

3.3 缺点

如何将各种属性传递到伪栅格的属性表中，有两种途径：一是对一般的矢量多边形做转换，二是将栅格数据的单元值传递到“伪栅格”的属性表。相比于栅格数据与矢量数据之间的直接转换，上述两种方法相对复杂，也容易引起误差。对于高程、坡度等栅格类的地形数据，将其属性传递到“伪栅格”中尤为不便。因此，“伪栅格”最明显的局限性为缺乏高效且准确的数据传递途径。

4 矢量、栅格互为补充的数据处理方法

在上述经验的基础上，本课题研究者进一步尝试，提出了矢量、栅格互为补充的处理方法。

图6 “伪栅格”基本分析单元“政合”计算原理示意图

准则A准则B准则C计算结果

其他准则

表3 “伪栅格”的属性表示意

内部标识准则A准则B准则C……计算结果110 55…… 6.8

2 8 53……7.7

310 88…… 3.3

4 5103……9.1

5 5101……7.2

………………………………

图4 矢量政合结果以及带来的碎片

大量的叠合碎片

图例

研究范围

综合评分

<3.5

3.5~6.0

>6.0

图5 栅格政合结果图例

研究范围综合评分

<3.5

3.5~6.0

>6.0

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

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4.1 基本方法

首先，原始数据分别按矢量、栅格模型处理，哪种合适，就用哪种，实现单因素分析、单因素评价。其次，将要进入综合评价的各项矢量、栅格数据集做标准化处理。取任一标准化后的栅格数据集，转换成矢量点要素类，每个点的位置位于栅格单元的中心（图7）

。然后，将各项矢量、栅格数据集的属性值提取至矢量点（图8）

。ArcGIS for Desktop 提供多值（多栅格）提取至点的功能，将每个需要综合评价的栅格单元的属性值提取出来，成为矢量点的属性。根据矢量点在栅格单元中心这一特征，使点要素每条记录中每个属性均来自对应的栅格单元。还可以使用空间链接功能，将每个需要综合评价的矢量单元的属性值提取出来，成为矢量点的属性。上述两种处理方法，使单因素的栅格、矢量的属性均转换成矢量点的属性，每个点均位于标准栅格的中心。

下一步，进行综合评价，直接在点要素的属性表中进行属性计算，实现综合评价。如果要在评价结果的基础上，进一步对用地进行分配，假设每个矢量点所代表的用地单元尺度是a hm 2，需要划定b hm 2的近期开发用地，那么就要在非已建区中，取出综合评分排序前b/a 个的点要素，将其判定为近期需要开发的用地。

4.2 优势

上述方法可借助软件平台ArcGIS for Desktop 实现，基本实现了矢量、栅格的优势互补。

（1）充分发挥栅格、矢量的各自优势

在单因素分析的初始阶段，充分发挥了矢量、栅格各自的优势。如：地形处理用栅格，现有城镇、公路、铁路用矢量。

（2）取消了栅格、矢量互相转换的步骤

由于矢量点直接从栅格、矢量数据集中提取数据，因此分析过程中不需要为了便于叠合计算而进行栅格与矢量格式之间的互相转换，简化了数据处理过程。

（3）实现了矢量点中多重属性的存储

该方法不仅通过空间链接提取矢量数据的属性，还可以使用多值提取至点的方法将栅格的属性值提取至矢量点。根据点坐标位置，从多个栅格数据集的单元中提取属性，一次可以处理多个栅格数据集，结果放入点要素属性表的对应字段（图8）

。（4）综合评价高效

由于综合评价是在矢量点的属性表中进行，不发生空间坐标值的计算，因此处理效率高、稳定性好，数据精炼。

（5）便于调整与修改

当约束规则、评价权重等因素发生变化时，便于修改与调整。由于最终的综合评价是基于矢量数据，因此便于针对属性表字段进行删除、增加、修改。整个修改过程几乎不产生新的过程数据。

（6）便于用地分配

由于矢量点的空间分布密度是均等的，每个矢量点所代表的空间单元尺度是相同的。这一特征有利于按面积、指标分配新增建设用地。

4.3 案例应用结果

根据1.4小节所列的研究步骤，将上述矢量、栅格互为补充的数据处理方法运用于案例。

为了分析范围内的“矢量点”总数（即栅格像元总数）数量，确保计算机处理速度适当，

需要设置合适的栅格单元

图7 点要素位于各栅格数据单元的中心位置图8 将多个数据集的属性提取到点要素类的不同字段

矢量点

高程标准化值

（栅格）

坡度标准化值（栅格）

河流标准化值（矢量）

矢量点按照位置多值提取栅格数据

提取数值之后的矢量点属性表

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尺寸。本案例将分析范围内的矢量点总数控制在4 000多个，每个“矢量点”对应1 hm 2的用地规模。

所有准则的属性值均存储在矢量点的属性表中（表4），得分越高说明越适合用地开发。结合权重表直接在属性表中进行综合评分计算，根据评分结果划定的用地适宜性分析结果如图9（a ）所示。

基于上述分析结果，可以利用本处理方法的优势，根据用地需求进行近、远期的用地开发范围和过程分析。按照要求，近期选择2 km 2优先开发，远期再用2 km 2。由于每个矢量点对应的用地单元尺度为1 hm 2，则近期选取非已建区范围内评分最高的200个矢量点定义为近期开发用地，远期再选取得分较高的200个矢量点定义为远期开发用地。用地建设时序的评价结果如图9（b ）所示。

4.4 改进专题地图的表达

用矢量点直接来表达专题图也有一些弱点，例如不能准

表4 矢量点的属性表

内部标识

高程坡度河流主要公路火车站高速出入口铁路分割高速公路分隔......110103 8221010......210103 8221010......310103 8221010......410103 5221010......51010310201010......61010310221010......71010310221010......81010310221010 (910)

10

3

10

2

21010…………

…………………………

……

……

……

……

（a ）用地评价结果（矢量点表达）

（b ）用地建设时序（矢量点表达）

图9 用地综合地评价结果

确填满区域，显示速度较慢。如果需要进一步提高专题图的表达效果与显示效率，可使用栅格图层链接矢量点的处理方法来表达专题地图。

矢量点要素的每条记录有唯一标识号，为整数型。将矢量点要素类转换成栅格数据集，可称为“显示栅格”，单元取值为点要素的标识号（整数型）

。按关系数据库的连接方法，将点要素属性表连接到“显示栅格”的属性表，用于分析结果的专题地图显示。

综合分析结果的专题图的显示效果如图10，表达效果明显优于矢量点方法。除了综合分析结果，单项分析结果也都可以运用“显示栅格”

。根据实际的软件操作过程，使用该方法表达专题地图，显示速度明显快于矢量点表示方法。

5 小结

GIS 使土地适宜性评价的精度、效率大大提高，由此也扩展了土地适宜性评价的应用领域。基于多准则决策分析的适宜性评价方法一般均要依靠GIS 实现。但是分析因素多了，会暴露出不同处理方法的局限性，为了避免矢量、栅格数据

模型各自的缺点，发挥各自优点，本项研究提出了矢量、栅格互为补充的处理方法，可以防止误差，提高效率，使约束条件、评价权重的调整变得简单、灵活，也增强了显示专题地图的灵活性，便于多方参与。希望本方法能够供各地规划设计专业人员参考、运用。

注：本文图表均为作者绘制

研究范围

火车站高速出入口铁路高速公路主要公路河流已建区适建区限建区禁建区

研究范围火车站高速出入口铁路高速公路主要公路河流已建区近期用地远期用地非建设区

图例

图例

评价结果

建设时序

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3

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（本文编辑：王枫）

（a ）用地评价结果（栅格图表达）

（b ）用地建设时序（栅格图表达）

图10 栅格属性表连接矢量点属性表后的专题图

研究范围火车站高速出入口铁路高速公路主要公路河流已建区禁建区适建区限建区

图例

评价结果

研究范围火车站高速出入口铁路高速公路主要公路河流已建区近期建设区远期建设区非建设区

图例

建设时序

km

0 .5 1 2 3

km

0 .5 1 2 3