基于MCE-CA的東莞市緊湊城市形態(tài)模擬*

陳逸敏，李少英，黎 夏，劉小平

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.中山大學(xué)管理學(xué)院，廣東 廣州 510275)

我國正處在快速城市化時期，根據(jù)中科院的預(yù)計，2025年我國城市化水平將達(dá)到55%左右[1]。許多城市的發(fā)展出現(xiàn)了無序蔓延的狀況[2]，對資源和環(huán)境造成嚴(yán)重的影響[3-4]，產(chǎn)生諸如亂占耕地、違背規(guī)模經(jīng)濟(jì)原理的鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)化等問題[5]。對于城市蔓延的遏制，西方學(xué)者提出了緊湊城市(Compact City)、精明增長(Smart Growth)等理論和對策，如Jenks等在其論著中對緊湊城市的概念及其城市形態(tài)進(jìn)行探討[6-7]；國內(nèi)也有學(xué)者根據(jù)開展緊湊城市的實證研究[8-10]。在緊湊城市中用地較為密集，對道路交通的依賴大為減少，石油等能源的消耗得以降低[2]，因此具有很大的優(yōu)越性。緊湊型城市的緊湊性體現(xiàn)在諸多方面：如緊湊的空間形態(tài)、用地密集布局、集約型的土地利用、人口密度高等特點。研究表明，城市空間形態(tài)與可持續(xù)發(fā)展有密切的聯(lián)系[11]。本文主要探討緊湊城市空間形態(tài)在抑制城市蔓延方面的積極作用。利用嵌入規(guī)劃目標(biāo)的元胞自動機(jī)(Cellular Automata，CA)模型，模擬出緊湊的城市空間形態(tài)。將規(guī)劃結(jié)果與現(xiàn)實城市形態(tài)加以比較，體現(xiàn)緊湊城市形態(tài)的優(yōu)越性。

城市作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的自上而下的研究方法存在較大的弊端。CA作為一種自下而上的研究方法，常用于自組織系統(tǒng)演變過程的研究[12]，很多學(xué)者將其應(yīng)用到城市地理研究中[13-16]。這些研究多集中于城市發(fā)展模擬和預(yù)測，而城市自身及模擬模型等方面具有諸多不確定性，使CA在城市模擬方面受到一定限制[17]。在CA中嵌入城市規(guī)劃目標(biāo)，可以模擬出在各種規(guī)劃策略下的城市發(fā)展情景，因此CA模型在城市規(guī)劃方面具有很大的價值。目前已有學(xué)者開展了將可持續(xù)發(fā)展理論納入城市發(fā)展規(guī)劃的CA模擬研究[18-19]。

本文以廣東省東莞市為例，利用MCE-CA的方法開展城市形態(tài)的模擬。模型考慮了城市發(fā)展區(qū)位屬性和農(nóng)田適宜性，通過AHP方法確定模型的參數(shù)。在模擬2001-2005年的城市形態(tài)演變基礎(chǔ)上，預(yù)測了未加干預(yù)情形下2010和2020年的城市空間形態(tài)，進(jìn)而與緊湊城市形態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行對比，通過緊湊度和優(yōu)質(zhì)農(nóng)田消耗量來體現(xiàn)緊湊城市形態(tài)的優(yōu)越性。

1 MCE-CA模型

多準(zhǔn)則判斷CA模型(MCE-CA)最早由Wu和Webster[20]提出，是一種簡單、易于實現(xiàn)的CA模型。模型中一個元胞j在t+1時刻的狀態(tài)由其元胞i及其鄰域在t時刻的狀態(tài)所決定。具體如何發(fā)生這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，則需要靠轉(zhuǎn)換規(guī)則來確定。MCE-CA的轉(zhuǎn)換規(guī)則可以用式(1)和(2)表示：

(1)

(2)

(3)

其中，vn為空間變量，wn為權(quán)重。Ri為限制性因素，如當(dāng)元胞i處于限制發(fā)展區(qū)時，Ri取值為0；否則取值為1。權(quán)重的值可以用層次分析法(AHP)獲取[21]。該方法通過將所有變量進(jìn)行兩兩比較重要性來最終確定各自的權(quán)重。首先建立一個比較矩陣，輸入變量兩兩比較后得到的相對重要性得分，包括：1/9、1/8、1/7、1/6、1/5、1/4、1/3、1/2、1、2、3、4、5、6、7、8或者9。其中1/9表示變量A與變量B相比極不重要，9則表示變量A與變量B相比極重要，1則表示兩者同等重要。當(dāng)輸入的得分值能夠通過一致性檢驗時，則產(chǎn)生各個變量的權(quán)重值；否則需要重新進(jìn)行重要性評分以通過一致性檢驗。

本文將MCE-CA模型用于城市形態(tài)模擬，所考慮的區(qū)位因素包括一系列空間可達(dá)性變量和農(nóng)田適宜性(varg)?？蛇_(dá)性變量包括：市中心可達(dá)性(vcity)、鎮(zhèn)中心可達(dá)性(vtown)、高速公路可達(dá)性(vhway)、鐵路可達(dá)性(vrway)和一般道路可達(dá)性(vroad)。由于缺少詳細(xì)的地塊農(nóng)業(yè)適宜度數(shù)據(jù)，本文使用多年歸一化植被指數(shù)(NDVI)平均值來近似的替代農(nóng)業(yè)適宜性varg。NDVI指數(shù)能夠有效反映植物的生長狀況，是一種對農(nóng)田優(yōu)質(zhì)程度的間接評價。NDVI利用式4計算，其中TM4、TM3分別為TM影像的4波段和3波段。

(4)

此外，城市發(fā)展概率還與局部鄰域的發(fā)展密度Ω有關(guān)。本文將鄰域定義為3×3的摩爾鄰域，發(fā)展密度Ω表示為：

(5)

Ra=1+(-lnγ)β

(6)

最后，在考慮發(fā)展區(qū)位、鄰域發(fā)展密度和隨機(jī)性因素后，元胞發(fā)展概率可以用式7來表示。在求出元胞i的發(fā)展概率之后，利用隨機(jī)函數(shù)生成取值范圍為(0, 1)之間的隨機(jī)數(shù)ε，若發(fā)展概率大于ε，則i發(fā)展為城市用地，否則仍保持當(dāng)前狀態(tài)，如式(8)所示。

(7)

(8)

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

由于缺乏科學(xué)規(guī)劃和管理，東莞市出現(xiàn)了城市發(fā)展無序蔓延的問題，大片農(nóng)田和果園被推平，城市用地呈現(xiàn)較為分散、零亂的格局，直接威脅城市發(fā)展的可持續(xù)性。通過對1995、1999、2001、2003和2005年的Landsat TM遙感影像進(jìn)行分類，提取城市用地信息，并計算緊湊度[22]、信息熵[23]的變化情況，如表1所示。各個年份的緊湊度指數(shù)都比較低，且不斷下降，表明城市用地趨于分散，斑塊趨于破碎。信息熵指數(shù)逐年上升，同樣體現(xiàn)出城市發(fā)展日趨無序，空間格局越來越凌亂。因此，有必要通過科學(xué)的城市規(guī)劃，對城市發(fā)展進(jìn)行干預(yù)，遏制城市無序蔓延。

表1 1995-2005年東莞市城市用地緊湊度和信息熵

利用GIS獲取模型所需的空間數(shù)據(jù)，如圖1所示，包括2001和2005年的土地利用數(shù)據(jù)，市中心、鎮(zhèn)中心可達(dá)性，鐵路、高速公路和一般道路可達(dá)性，以及農(nóng)田適宜性。所有數(shù)據(jù)的分辨率均統(tǒng)一到100 m×100 m；空間變量的數(shù)值均進(jìn)行了歸一化，取值范圍在0和1之間。

圖1 CA模擬所需的空間數(shù)據(jù)

3 模型運行結(jié)果與比較

首先將模型用于現(xiàn)實城市形態(tài)演變的模擬。利用專家打分和層次分析法(AHP)求取各個空間變量的權(quán)重值，分別為0.082(vcity)、0.124(vtown)、0.274(vhway)、0.074(vrway)、0.404(vroad)和0.042(varg)。將2005年與2001年的土地利用數(shù)據(jù)疊加，提取新增的城市用地信息。與2001年相比，東莞市2005年新增了160 km2的城市用地，平均每年以5.7%的速度增長，增速很快。城市用地主要沿交通干線擴(kuò)張，用地呈現(xiàn)出破碎、分散的空間格局。

現(xiàn)實城市形態(tài)模擬結(jié)果如圖2所示，初步的目視判別顯示兩者的用地空間格局均體現(xiàn)出了較高的一致性。進(jìn)一步采用點對點比較的方法對模擬結(jié)果與實際用地格局進(jìn)行比較，如表2所示。其中城市用地模擬結(jié)果的生產(chǎn)精度、用戶精度均超過77%，非城市用地的模擬結(jié)果的精度也都超過了80%，整體精度在82%以上，能夠滿足實際應(yīng)用的需要。因此，驗證結(jié)果表明上述權(quán)重組合準(zhǔn)確反映了各個空間變量在城市發(fā)展中所起到的作用，可以用于未來城市空間形態(tài)的預(yù)測。利用上述權(quán)重組合分別模擬了東莞市2010和2020年的城市形態(tài)(圖2)。為使未來城市形態(tài)趨于緊湊，避免用地過于分散、破碎，需要采取措施對城市空間擴(kuò)張的趨勢加以干預(yù)。此外，盡管城市發(fā)展需要消耗后備的土地資源，如農(nóng)田，但盲目的城市擴(kuò)張將會導(dǎo)致大量優(yōu)質(zhì)農(nóng)田的流失。因此，應(yīng)該有選擇性的利用城市后備土地資源，盡量減少優(yōu)質(zhì)農(nóng)田的流失?；谏鲜鲆?guī)劃目標(biāo)，本文首先利用AHP方法確定各個變量的重要性，加強(qiáng)了農(nóng)田適宜性，城市中心、鎮(zhèn)中心可達(dá)性變量的影響，最后得到用于模擬緊湊城市形態(tài)的權(quán)重值組合：0.297(vcity)、0.245(vtown)、0.065(vhway)、0.047(vrway)、0.048(vroad)和0.298(varg)。

圖2 AHP-MCE-CA模擬結(jié)果

表2 現(xiàn)實形態(tài)模擬結(jié)果混淆矩陣

Table 2 Validation of AHP-MCE-CA

項目實際城市用地km2實際非城市用地km2合計km2混淆 用戶精度%模擬城市用地64 77516 32981 10420.179.9模擬非城市用地19 17599 601118 77616.183.9合計83 950115 930199 880混淆/%22.814.1生產(chǎn)精度/%77.285.9總精度 ((64 775+99 601)/118 776)×100%=82.2%

利用緊湊城市形態(tài)的權(quán)重值組合模擬了2010和2020年的城市形態(tài)。初步的目視對比可以發(fā)現(xiàn)，在緊湊城市模型的限制下城市無序蔓延的趨勢得到了遏制，用地逐漸趨向于緊湊，城市用地凌亂布局的狀況得到改善。對緊湊城市形態(tài)與預(yù)測的現(xiàn)實形態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和比較。兩者的城市規(guī)模在2020年均達(dá)到1 166 km2左右，現(xiàn)實城市形態(tài)稍高比緊湊形態(tài)稍高出1.8 km2。由于對城市空間擴(kuò)張趨勢施加了人為干預(yù)，緊湊城市形態(tài)在緊湊度上遠(yuǎn)大于未施加干預(yù)的現(xiàn)實城市形態(tài)(0.035>0.023，約提高了52.2%)。此外，假定varg> 0.5的屬于優(yōu)質(zhì)農(nóng)田，通過統(tǒng)計優(yōu)質(zhì)農(nóng)田損耗情況發(fā)現(xiàn)：緊湊城市形態(tài)減少了對優(yōu)質(zhì)農(nóng)田的侵占，所消耗的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田數(shù)量與現(xiàn)實城市形態(tài)相比約減少了19.4%(181.1 < 216.3，單位：km2)。可見緊湊城市形態(tài)的規(guī)劃結(jié)果能夠起到優(yōu)化城市發(fā)展的作用。

4 結(jié) 論

當(dāng)前我國處在快速城市化的階段，部分城市出現(xiàn)了城市蔓延的情況，若不加以調(diào)控勢必影響城市的可持續(xù)發(fā)展。相比之下，緊湊的城市形態(tài)因有助于提高用地效率、保證城市發(fā)展的可持續(xù)性等諸多優(yōu)點而受到提倡。本文利用在MCE-CA中嵌入規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行緊湊城市形態(tài)模擬的方法，生成緊湊型的城市空間格局，并通過與未施加人為干預(yù)的現(xiàn)實城市發(fā)展形態(tài)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，緊湊城市形態(tài)避免了城市用地凌亂布局的問題，在城市規(guī)模與現(xiàn)實發(fā)展情形相當(dāng)?shù)臈l件下，所消耗的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田較少，節(jié)省了約19.4%，起到了優(yōu)化城市發(fā)展的作用。

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