Dynamic evaluation of land development suitability of uninhabited islands ——a case study in Dayu island in Pingtan, Fujian province
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摘要:
无居民海岛开发与保护是当前我国国土空间开发与海洋可持续发展的重要议題，开发适宜性评价关乎其开发保护格局的优化。本研究以福建平潭大屿岛为例，采用GIS空间分析技术和层次分析法评估海岛开发前（2014年）和开发后（2019年）的土地开发适宜性动态变化。结果表明，2019年现状开发区域占2014年土地适宜性评价中适宜开发区的43.8%，反映现有开发空间格局尚待优化；对比开发前后，适宜开发位置基本不变，但部分开发前的不适宜开发地区转为开发后的限制开发区，说明2019年以后开发潜力增大。研究结果可为大屿岛的空间用途管制以及我国类似无居民海岛的开发与保护提供借鉴。
Abstract:The development and protection of uninhabited islands have become one of the hotspots for land and ocean sustainability in China nowadays. Land suitability evaluation is critical for designing optimization schemes of development and protection in uninhabited islands. In this study, Dayu island in Pingtan was taken as an example, spatial analysis function in GIS and analytic hierarchy process method were used to assess the dynamic changes of land development suitability during pre- (2014) and post- periods (2019). Results showed that the developed areas in 2019 only accounted for 43.8% of the proportion of suitable development zones identified in 2014, inferring that spatial allocation of development needs to be improved. Compared with the suitability evaluation results before and after development, the suitable development zone basically remains unchanged, but the unsuitable development zone changed to restricted development zone, indicating that the development potentials tend to increase over time. The study can provide helpful insights into spatial allocation and utility for Dayu island, as well as the other similar uninhabited islands in China.
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国土空间是承载人类生产生活的地域空间，是人类生存和发展的重要物质基础，是国民经济与社会发展的重要生产要素[1]。《国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》指出，国土空间开发适宜性评价是编制国土空间规划、完善空间治理的基础性工作，是优化国土空间开发保护格局、完善主体功能定位、确定用地用海等规划指标的参考依据[2]。随着建设用地的持续开发与林地等生态空间的严重破坏，如何平衡开发与保护以达到区域可持续发展状态面临巨大的挑战[3-4]。科学全面的土地开发评价已被公认为是评估土地是否适用于特定用途、规划未来的土地利用以及管理土地资源的关键措施，有助于实现区域可持续发展[5]。
土地适宜性评价是基于某种特定目的评估土地开发适宜性的过程，它可提供土地开发和规划的综合视图，支撑土地资源的持续利用[6]。土地适宜性评价在国内外有大量的应用实践。自20世纪60年代开始，土地适宜性评价已成为土地规划的基础[7]。进入20世纪70年代，地理信息技术有力地促进了土地适宜性评价的发展[8]。随着数据收集方法和评价体系的日益完善，土地适宜性评价被广泛地应用于农业用地适宜性评价[9]、景观规划[10]、土地恢复[11]、价值评估[12-13]、城市可持续发展[14-15]等领域，但是，以生态环境脆弱的无居民海岛为研究对象进行系统的开发适宜性评价还鲜见报道。另外，考虑政策导向或发展模式等因素对土地适宜性评价的影响研究也较为缺乏。
海岛具有特殊的地理位置、有限的规模和明显的空间隔离等自身条件，同时受到气象灾害、海洋灾害、地质灾害等自然扰动及旅游、养殖等人类开发的双重影响，具有海岛生态系统特有的生态脆弱性[16-17]，如何协调好海岛开发和保护的关系尤为重要。本研究以福建省平潭综合实验区的大屿岛为例，开展土地利用适宜性动态评价研究。作为无居民海岛，大屿岛在2014年后开始建设“生态示范岛”，其生态环境与土地利用方式发生变化。因此，开展合理的土地开发适宜性评价对于岛屿的土地开发与保护至关重要。本研究的目标包括：（1）建立海岛土地适宜性评价指标体系；（2）探索大屿岛开发前后土地开发适宜性动态变化。研究结果可为大屿岛的开发与保护提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域
平潭大屿（以下简称大屿）隶属福建省平潭综合实验区（以下简称平潭），位于海坛海峡中段东侧、黄门澳西侧、平潭海峡大桥南侧，是平潭最具有旅游开发价值的4个无居民海岛之一，也是福建省于2014年“世界海洋日暨全国海洋宣传日”正式推介的首批“福建省最具特色的20个魅力海岛”之一。大屿岛屿中心地理坐标为25°27′05″N，119°39′51″E，近陆距离2.35 km。大屿为基岩岛，海岛东部距离吉钓岛约1.8 km，东北距平潭娘宫码头约2.8 km，西北距福清小山东码头约2.9 km（图1），均可通过轮渡到达。
1.2 指标选取
基于确定岛屿未开发区域是否适用于建设等开发用途的目的，本研究在Li等[18]的研究基础上选取海拔、坡度、土地利用方式和植被覆盖度等用于大屿岛开发前的土地适宜性评价，选取海拔、坡度、交通、土地利用方式和植被覆盖度等5个指标用于大屿岛开发后的土地适宜性评价（表1）。
表 1 土地适宜性的标准和属性Tab. 1 Criteria and attributes that determine land suitability类型 因素 属性 级别 归一化值 开发适宜性 海拔 <10 m 高 1 10～15 m 中 0.5 >15 m 低 0 坡度 <8° 高 1 8～15° 中 0.5 >15° 低 0 交通 道路距离=0 m 高 1 0<道路距离<25 m 中 0～1 道路距离>25 m 低 0 土地利用方式 建设用地 0 0 水体 0 0 沙地 1 0.1 林地 3 0.3 未利用地 5 0.5 0<NDVI≤0.35 高 1 植被覆盖度 0.35<NDVI≤0.6 中 0～1 0.6<NDVI≤1 低 0 1.3 指标权重确定方法
层次分析法（AHP）是由Saaty提出的一种决策方法，该方法将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析[19]。在AHP方法中，每个问题使用一个由目标、准则、子准则和可选方案组成的层次模型。将问题设置在层次结构上，计算形成层次结构准则的权重。为了将一个层次所包含的标准与下一个层次所包含的其他标准进行比较，使用偏好量表（表2）进行评分，并创建一个两两比较矩阵来比较一个因素与另一个因素对决策目的的重要性。AHP法通过专家判断的意见进行定量化，获得评估目标的重要性权重值，在实际应用中发挥重要作用。AHP方法包括以下5个步骤：（1）建立AHP决策树；（2）确定判断矩阵中某一因素对其他因素的相对重要性；（3）对判断矩阵表格进行一致性验证；（4）计算各因素的相对重要性，并对各层的总评分进行加权；（5）根据评分指标体系对各因素进行评分。特征值及其特征向量的最大值需要通过临界比重（CR）来计算和验证，CR值应小于0.10，否则必须再次调整矩阵。本研究分别创建了海岛开发前（2014年）与开发后（2019年）两两比较矩阵，用以确定各因素的权重（表3和表4）。一个因素相对于其他因素的重要性是通过咨询专家组的意见确定的，专家组主要为从事地理、海洋和生态研究的专家。
表 2 要素成对比较的基本尺度Tab. 2 The fundamental scale for pairwise comparison of the factors评分 定义 解释 1 同样重要 两项指标对这一目标的贡献是相等的 3 稍微重要 经验和判断会稍微偏向于一项指标 5 比较重要 经验和判断强烈倾向于一项指标而不是另一项 7 十分重要 一项指标受到热烈欢迎，并在实践中表现出其优势 9 绝对重要 支持某一指标的证据是最显著的 2, 4, 6, 8 重要程度介于相邻的两个等级之间 当需要妥协时 倒数 如果指标i与指标j相比，分配给它的是上述数字之一，那么j与i相比，则为i/j的倒数 表 3 2014年适宜性评价指标的两两比较矩阵与权重Tab. 3 Pairwise comparison matrix and weights for land suitability evaluation indices in 2014指标 海拔
指数坡度
指数土地利
用方式植被覆
盖指数权重 CR值 海拔指数 1 1/2 1/2 1/1 0.1886 0.015 坡度指数 2 1 3/2 3/1 0.3866 土地利用方式 2 2/3 1 3/1 0.3160 植被覆盖指数 1/2 1/3 1/3 1 0.1088 表 4 2019年适宜性评价指标的两两比较矩阵与权重Tab. 4 Pairwise comparison matrix and weights for land suitability evaluation indices in 2019指标 海拔
指数坡度
指数交通
指数土地利
用方式植被覆
盖指数权重 CR值 海拔指数 1 1/2 1/2 4 1/1 0.1264 0.044 坡度指数 2 1 3/2 2 3/1 0.1466 交通指数 2 2/3 1 3/4 3/1 0.2416 土地利用方式 4/1 4/2 4/3 1 4/1 0.3786 植被覆盖指数 1/2 1/3 1/3 4 1 0.1068 1.4 数据来源与处理方法
海拔与坡度数据所需的DEM数据以及土地利用方式所需的遥感影像来源于谷歌地球（GoogleEarth）影像与陆地高程数据，数据级别均为16级。由于海拔与坡度数据变化不大，故2014年与2019年采用同一套高程数据。2019年的交通图根据高清谷歌地球影像解译获得，使用欧几里德距离归一化方法提取大屿岛交通适宜性分布图。研究区域的植被覆盖图是根据2014年与2019年Landsat OLI卫星影像（http://www.gscloud.cn/）生成的，分辨率为30 m。将以上图件均重采样至3 m×3 m，并做归一化处理。根据AHP方法确定因子权重之后，将因子权重和因子得分进行栅格计算，通过ArcGIS 10.2中栅格分类的自然断点法，生成2014年与2019年大屿岛开发适宜性分布图。
2 结果与讨论
2.1 单因子评价
图2和图3分别为大屿岛2014年及2019年大屿岛开发适宜性评价单因子评价图，对应海岛开发前后的状况。将开发适宜性评价结果分为3类（表5），得分最高的区域为适宜开发区，其次是限制性开发区，得分最低的区域被确定为不适宜开发区。由图2（a）和图2（b）可知，大屿岛的西北侧和东南侧的海拔与坡度较高，开发适宜性较差；由图2（c）看出，岛屿西南侧多为沙地，开发适宜性较差；由图2（d）看出，大屿岛中部植被覆盖较高，开发适宜性较差。图3是2019年单因子土地适宜性分析，由图3（a）可知，2019年大屿岛交通设施增加，道路周边的开发适宜性较高；图3（b）表明，未利用地的开发适宜性较高，大多处于林地与沙地的交界处；由图3（c）可知，2019年植被指数反映的空间开发适宜性与2014年差别不大。
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图 2 2014年单因子土地适宜性分析Fig. 2 Standardized maps used in land suitability analysis in 2014![]()
图 3 2019年单因子土地适宜性分析Fig. 3 Standardized maps used in land suitability analysis in 2019表 5 大屿岛开发适宜性划分Tab. 5 Land suitability division in Dayu island年份 不适宜区 限制区 适宜区 2014 0～0.11 0.11～0.62 0.62～1 2019 0～0.32 0.32～0.65 0.65～1 2.2 土地开发适宜性动态变化
表6是研究区开发前后适宜性评价不同等级的面积及百分比分布。由表6可知，2014年大屿岛不适宜开发区的面积最大，为11.6 ha，占全岛面积的52.5%；其次为适宜开发区（5.8 ha），占全岛面积的26.4%；限制开发区面积最小（4.7 ha），占全岛面积的21.1%。2019年大屿岛适宜开发区面积为7.4 ha，占全岛面积的33.4%；不适宜开发区面积为8.8 ha，占全岛面积的39.8%；限制性开发区面积为5.9 ha，占全岛面积的26.8%。
表 6 研究区开发前后的面积及百分比分布Tab. 6 Areal and percentile distributions of zones in study area before and after development规划 2014 2019 面积/ha 百分比/（%） 面积/ha 百分比/（%） 适宜区 5.8 26.4 7.4 33.4 限制区 4.7 21.1 5.9 26.8 不适宜区 11.6 52.5 8.8 39.8 总计 22.1 100 22.1 100 从土地开发适宜性空间分布上看（图4），2014年与2019年的不适宜开发区主要集中在沙地，适宜开发区处于海拔及坡度较低区域。由图4可知，2019年大屿岛已开发区基本处于2014年土地适宜性评价结果中的适宜开发区。与2014年评价结果相比，2019年的开发适宜性评价中的适宜开发区基本保持不变，大量林地由不适宜开发区转变为限制性区域，这可能与2019年土地利用方式的改变以及交通设施的增加有关。对比开发前后适宜性评价结果（图4），适宜开发位置基本不变，但部分开发前的不适宜开发区转为开发后的限制开发区，说明2019年以后开发潜力增大。另外，适宜区主要分布在平原地区，而不适宜区主要分布在丘陵地区，这与其他研究发现相似[20]。这些丘陵包括高海拔和斜坡区域，不仅直接影响建筑和耕作，而且还间接影响与建筑和耕作有关的交通、土壤和水资源[21]。大屿岛西侧的沿海地区为不适宜开发区，有助于形成大屿岛的生态屏障[22]。
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图 4 开发前后综合土地开发适宜性Fig. 4 Suitability of comprehensive land development during pre-/post- periods2.3 现状土地开发布局的适宜性分析
基于GIS技术，本文对比了2014年适宜性评价结果（图5a）与现状已开发区域（即2019年的土地利用图中的建设用地，图3b）分布情况，评估并验证现状开发的合理性。由图5可知，大屿岛2019年已开发区域有大部分位于2014年开发适宜性评价中的适宜开发区，部分位于限制区，少量位于不适宜区，分别占开发总面积的43.8%、39.0%和17.2%，反映现有整体开发布局具有一定合理性，但现状仍有超过一半的开发区域属限制或不适宜开发区域，开发空间需要进一步优化。在今后的开发中，应充分考虑资源环境比较优势和限制因素，通过国土空间规划多方案决策，并结合承载规模来优化空间布局[2, 14]。
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图 5 2019年已开发区分布（a）2014年土地开发适宜性评价；（b）2019年开发现状Fig. 5 Distribution map of existing developed zones in 2019基于海岛资源保护和进一步建设开发的目的，在大屿项目建成后，岛内应加强生态环境建设，绿化工程周边的“边角料”，对海岛植被进行修复。坚持“生态绿化、因岛制宜”的原则，尽量选用适合本岛环境生存的乡土植物。禁止擅自将外来物种引入大屿岛，防止生物入侵对海岛生态环境带来灾难性影响。建筑高度一般不超过10 m，且不得高出山脊线，建筑密度控制在20%以内。少建永久性建筑物，不建与海岛景观不协调的建筑物，建材需采用防火、防潮、防腐的环保节能材料，从功能和景观上最大程度地降低对海岛生态环境造成的不良影响。
3 结 论
（1）本研究构建的方法可定量评估无居民海岛土地适宜性的动态变化，为海岛开发定位和目标的确定提供技术支撑。研究结果可为大屿岛的空间用途管制以及我国类似无居民海岛的开发与保护提供借鉴。
（2）大屿岛开发前（2014年）和开发后（2019年）的适宜开发位置基本不变，但部分开发前的不适宜开发区转为开发后的限制开发区，表明开发后潜力增大；2019年现状开发区仅占开发前（2014年）适宜性评价中适宜开发区的43.8%，表明现有开发空间格局尚待优化。
（3）本研究采用AHP法确定评价因子权重，下一步可采取主客观相结合的方式，如熵值法、均方差决策法等共同确定指标权重。
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图 2 2014年单因子土地适宜性分析
Fig. 2. Standardized maps used in land suitability analysis in 2014
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图 3 2019年单因子土地适宜性分析
Fig. 3. Standardized maps used in land suitability analysis in 2019
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图 4 开发前后综合土地开发适宜性
Fig. 4. Suitability of comprehensive land development during pre-/post- periods
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图 5 2019年已开发区分布
（a）2014年土地开发适宜性评价；（b）2019年开发现状
Fig. 5. Distribution map of existing developed zones in 2019
表 1 土地适宜性的标准和属性
Tab. 1 Criteria and attributes that determine land suitability
类型 因素 属性 级别 归一化值 开发适宜性 海拔 <10 m 高 1 10～15 m 中 0.5 >15 m 低 0 坡度 <8° 高 1 8～15° 中 0.5 >15° 低 0 交通 道路距离=0 m 高 1 0<道路距离<25 m 中 0～1 道路距离>25 m 低 0 土地利用方式 建设用地 0 0 水体 0 0 沙地 1 0.1 林地 3 0.3 未利用地 5 0.5 0<NDVI≤0.35 高 1 植被覆盖度 0.35<NDVI≤0.6 中 0～1 0.6<NDVI≤1 低 0 
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表 2 要素成对比较的基本尺度
Tab. 2 The fundamental scale for pairwise comparison of the factors
评分 定义 解释 1 同样重要 两项指标对这一目标的贡献是相等的 3 稍微重要 经验和判断会稍微偏向于一项指标 5 比较重要 经验和判断强烈倾向于一项指标而不是另一项 7 十分重要 一项指标受到热烈欢迎，并在实践中表现出其优势 9 绝对重要 支持某一指标的证据是最显著的 2, 4, 6, 8 重要程度介于相邻的两个等级之间 当需要妥协时 倒数 如果指标i与指标j相比，分配给它的是上述数字之一，那么j与i相比，则为i/j的倒数
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表 3 2014年适宜性评价指标的两两比较矩阵与权重
Tab. 3 Pairwise comparison matrix and weights for land suitability evaluation indices in 2014
指标 海拔
指数坡度
指数土地利
用方式植被覆
盖指数权重 CR值 海拔指数 1 1/2 1/2 1/1 0.1886 0.015 坡度指数 2 1 3/2 3/1 0.3866 土地利用方式 2 2/3 1 3/1 0.3160 植被覆盖指数 1/2 1/3 1/3 1 0.1088
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表 4 2019年适宜性评价指标的两两比较矩阵与权重
Tab. 4 Pairwise comparison matrix and weights for land suitability evaluation indices in 2019
指标 海拔
指数坡度
指数交通
指数土地利
用方式植被覆
盖指数权重 CR值 海拔指数 1 1/2 1/2 4 1/1 0.1264 0.044 坡度指数 2 1 3/2 2 3/1 0.1466 交通指数 2 2/3 1 3/4 3/1 0.2416 土地利用方式 4/1 4/2 4/3 1 4/1 0.3786 植被覆盖指数 1/2 1/3 1/3 4 1 0.1068
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表 5 大屿岛开发适宜性划分
Tab. 5 Land suitability division in Dayu island
年份 不适宜区 限制区 适宜区 2014 0～0.11 0.11～0.62 0.62～1 2019 0～0.32 0.32～0.65 0.65～1
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表 6 研究区开发前后的面积及百分比分布
Tab. 6 Areal and percentile distributions of zones in study area before and after development
规划 2014 2019 面积/ha 百分比/（%） 面积/ha 百分比/（%） 适宜区 5.8 26.4 7.4 33.4 限制区 4.7 21.1 5.9 26.8 不适宜区 11.6 52.5 8.8 39.8 总计 22.1 100 22.1 100
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