營口城市用地擴展模擬預測研究

王立波，吳 凡，宋丹丹，介冬梅

（1.東北師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林長春130024；2.元氏縣國土資源局，河北石家莊051130）

營口城市用地擴展模擬預測研究

王立波1，2，吳 凡1，宋丹丹1，介冬梅1

（1.東北師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林長春130024；2.元氏縣國土資源局，河北石家莊051130）

基于CA原理，結合GIS與RS技術，在ArcGIS平臺中進行二次開發(fā)，構建了GIS－CA模型系統(tǒng).以營口市為研究區(qū)域，對其城市用地擴展進行了模擬和預測.研究表明：GIS與CA集成，增強了GIS的時空動態(tài)建模功能，CA模型和GIS耦合是研究城市擴展動態(tài)模擬與預測的較為可行的研究方法；利用GIS－CA模型模擬和預測了營口城市用地變化趨勢，對營口城市用地擴展模擬的結果比較合理，模擬的精度達到70%以上.

土地管理；GIS－CA模型；GIS；CA；城市用地擴張；營口市

自改革開放以來，我國的城市化已經(jīng)過了一段時間的發(fā)展，到2008年城市化水平已達到44.9%左右［1］.根據(jù)城市化發(fā)展規(guī)律，我國城市化已進入快速發(fā)展階段.城市化是城市的外延發(fā)展過程，是城市發(fā)展在“量”上的表現(xiàn)，反映在用地上就是城市用地規(guī)模的擴展.因此，需要引進新的技術手段來對城市的擴展過程進行準確的模擬和預測，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供合理的決策信息.

元胞自動機（cellular automata，CA）又稱細胞自動機或單元自動機，是由號稱“現(xiàn)代計算機之父”的馮·諾依曼（Von Neumann）在上世紀40年代提出的一種離散模型，它是描述自然界復雜現(xiàn)象的常用工具，最初被用于模擬生命系統(tǒng)特有的自復制現(xiàn)象［2］.Helen Couclelis是將元胞自動機利用到城市發(fā)展研究中的奠基人，她就元胞自動機在城市發(fā)展中的應用理論和元胞自動機模型與地理信息系統(tǒng)（GIS）的集成進行了進一步的研究［3－4］.

受國際研究的推動，國內地理學界近年來也開始了類似的研究嘗試.孫戰(zhàn)利通過對地理復雜性的分析，提出了一種基于元胞自動機的地理模型框架，并對美國的巴爾的摩城市的增長與擴散進行了模擬和預測［5］；黎夏等人將各種尺度的約束因素引入到模型中，構建約束性單元自動機演化模型，并結合主成分分析和神經(jīng)網(wǎng)絡等技術對東莞市的城市用地擴展進行了成功的模擬［6－7］.

目前，GIS的迅速發(fā)展大大推動了CA技術在城市模擬中的應用，GIS為CA的規(guī)則制定提供了重要的數(shù)據(jù)源［3］.CA的空間不再是固定不變的，借助GIS可以把空間的分異性引進到CA模型中.現(xiàn)有的GIS在空間分析模型方面有很大的局限性，而CA和GIS的結合可以很好地增強GIS的空間模型運算及分析能力.CA模型與GIS結合用于模擬地理實體的空間演化具有廣闊的前景，有待進一步的研究和發(fā)展.鑒于以上研究背景，本文在相關研究的基礎上，開發(fā)了一個基于GIS的CA模型（GIS－CA模型），對城市的擴展過程進行了模擬和預測.

在“振興東北老工業(yè)基地”的政策背景下，遼寧省以沿黃海、渤海的5個重點發(fā)展區(qū)域和一條貫通全省海岸線的濱海公路建設為核心，實施了“五點一線”的對外開放新戰(zhàn)略，其中營口市有較大的發(fā)展機遇.當前，營口市只處于城市快速發(fā)展的初級階段，隨著其城市化和工業(yè)化的逐步推進，建設用地需求會持續(xù)增加.因此，必須對城市的擴展做出合理的規(guī)劃決策，以使城市向著良性的、可持續(xù)的方向發(fā)展.然而由于城市發(fā)展的復雜性，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)無法真實準確地模擬城市的發(fā)展與土地利用變化過程.因此，需要引進新的技術手段來對城市的擴展過程進行準確的模擬和預測，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供合理的決策信息.

1 研究區(qū)概況

營口市位于遼寧省南部、千山余脈西側、渤海遼東灣東北岸、大遼河入?？谔帲乩砦恢脼闁|經(jīng)121°58′～123°02′、北緯39°55′～40°56′.南同大連市接壤，東北與鞍山市相連，西北隔大遼河與盤錦市相望，西臨渤海遼東灣.地域東西寬50.7km，南北長111.8km，地勢東南高，向西北傾斜，自然構成低山、丘陵、平原地貌類型，土地構成為“五山一水四分田”.總土地面積為5365.5km2，占遼寧省總面積的4.88%.根據(jù)營口市2005年土地利用變更數(shù)據(jù)，營口市土地總面積為536545.54hm2，其中農業(yè)用地面積為385819.89hm2，占總土地面積的71.91%；建設用地面積為100036.34hm2，占總土地面積的18.64%；未利用地面積為50689.31hm2，占土地總面積的9.45%.土地利用三大類的比例為72∶19∶9（本文采用的是2002年國土資源部規(guī)定的三級分類方法）.

2 GIS－CA模型的應用

2.1 GIS－CA模型的構建

基于CA的基本理論和原理，對其進行擴展，建立GIS－CA模型.建立的GIS－CA模型的根本出發(fā)點是在邏輯上將城市的擴展視為非城市用地向城市用地轉化的結果，利用CA的演化來模擬城市的擴展過程.

2.1.1 確定GIS－CA組成要素

（1）元胞空間：GIS－CA模型是基于二維正方形的擴展型CA，選取城市和城市周邊一定范圍的整個地區(qū)作為研究區(qū)域，即元胞空間.為了與遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率一致，把元胞空間的大小定義為30m×30m.

（2）元胞狀態(tài)：城市土地利用元胞的狀態(tài)無疑就是元胞的城市土地利用類型，那么城市土地利用元胞的狀態(tài)就取決于土地利用類型的劃分.

（3）鄰域：根據(jù)城市土地利用狀態(tài)變化的特點，土地利用元胞狀態(tài)的變化與周圍元胞的狀態(tài)有密切關系.對于不同的土地利用類型的元胞，其鄰域可能有所不同.GIS－CA模型在處理時采用摩爾領域的元胞空間，即一個元胞周圍的8個元胞為該元胞的鄰域（見圖1）.

圖1 GIS－CA模型的鄰域分布

（4）時間：CA是一個動態(tài)系統(tǒng)，它在時間維上的變化是離散的，即時間t是一個整數(shù)值，而且連續(xù)等間距，一個元胞在t＋1的時刻只取決于t時刻的該元胞及其鄰域元胞的狀態(tài).基于CA的城市模型時間的確定比較復雜，在GIS－CA模型中，選擇初始數(shù)據(jù)為基期數(shù)據(jù)，輸入演化周期T和演化次數(shù)，并將時間參與模型計算，計算結果與第二個時間點的實際數(shù)據(jù)進行對比，經(jīng)過大量的反復試驗和對比，模型中選擇最理想的時間單位為年，這也意味著模型每次向前運行時經(jīng)歷的一步就代表一年.

（5）轉化規(guī)則：轉變規(guī)則是CA的核心.轉變規(guī)則確定了基于鄰域條件更新前后的元胞狀態(tài)，通常利用“if－then”語句表達，內部是簡單的，然而這些簡單的轉變規(guī)則產(chǎn)生了復雜的發(fā)展模式.本次研究的GIS－CA模型有4種轉變規(guī)則：邊緣蔓延增長、沿交通網(wǎng)絡增長、沿海岸線增長和規(guī)劃增長.

2.1.2 GIS－CA模型模擬城市擴展需要的數(shù)據(jù)

GIS－CA模型需要5類數(shù)據(jù)：土地利用類型數(shù)據(jù)是模型的核心，不同土地利用單元的相互作用和動態(tài)變化造成了城市的動態(tài)發(fā)展變化；交通數(shù)據(jù)可以作為土地利用單元變化的影響因素和控制因素，控制土地利用單元的行為，而它自身又是一個發(fā)展變化的動態(tài)數(shù)據(jù)層；坡度數(shù)據(jù)由地形圖生成，在坡度大于建設的臨界坡度值時，控制城市的生成；不可建設用地數(shù)據(jù)，其圖層是具有不同特性的空間區(qū)域構成的圖層，它作為元胞模型的一個外部環(huán)境，影響和控制上述土地利用和交通單元的行為；規(guī)劃建設用地數(shù)據(jù)代表了政府對城市的影響，在模型中起著引導和控制農村用地轉變成城市用地的作用.它們通過同一空間分辨率的柵格結構相互聯(lián)系在一起.

2.1.3 確定GIS－CA模型中的參數(shù)

GIS－CA模型中設置了5個參數(shù)，分別為：蔓延參數(shù)——用于確定一個散布中心周圍的元胞產(chǎn)生另外一個城市元胞的可能性；沿交通線增長參數(shù)——用于確定在臨近交通線處，摩爾鄰域中有一個城市元胞的中心元胞轉變成城市元胞的可能性；沿海岸線增長參數(shù)——用于確定在臨近海岸線處，摩爾鄰域中有一個城市元胞的中心元胞轉變成城市元胞的可能性；規(guī)劃增長參數(shù)——用于確定在城市規(guī)劃區(qū)域內，城市規(guī)劃用地元胞優(yōu)先轉化為城市用地元胞的可能性；坡度參數(shù)——影響全部增長規(guī)則，當某一位置小于坡度參數(shù)時，在那里可能發(fā)生城市化現(xiàn)象，反之則不可能.

2.1.4 確定GIS－CA模型的元胞轉變規(guī)則

一般城市的擴展分為4種類型，即集中型密集發(fā)展、交通軸線帶狀發(fā)展、分散式一城多點發(fā)展以及多向交通走廊式發(fā)展.新的模型包括了建設用地擴展的各種不同的發(fā)展路徑，即蔓延生長、沿交通線生長、沿海岸線生長和規(guī)劃因素增長.相應的轉換規(guī)則為：邊界蔓延增長規(guī)則、沿交通線增長規(guī)則、沿海岸線生長規(guī)則、規(guī)劃因素增長規(guī)則.

2.1.5 選擇開發(fā)環(huán)境

對以上確定要素的GIS－CA模型進行開發(fā)，并不斷調試，使GIS－CA模型趨于完善.為了模擬的方便，根據(jù)營口市城市土地利用的具體情況，對模型中的轉換規(guī)則增加如下幾個約束條件：

（1）已變成建設用地的土地不再發(fā)生土地利用類型的變化，即如果t時刻某元胞為建設用地，則在t時刻以后的任何時刻，該元胞始終為建設用地元胞；

（2）水域的面積變化不大，因此，模型中假設如果t時刻某元胞為水域地類，則在t時刻以后的任何時刻，該元胞始終為水域元胞；

（3）本文研究的是營口市中心城區(qū)的土地利用變化，主要的地類變化是從農用地轉化為建設用地，因此，在模擬過程中主要討論農用地轉化為建設用地的轉換規(guī)則.

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 范圍確定

以營口市市轄區(qū)（即站前、西市兩區(qū)）為研究范圍.根據(jù)投影坐標系WGS＿1984＿UTM＿Zone＿40N取得營口市市轄區(qū)的東南西北坐標，利用ArcCatolog創(chuàng)建一個與所采用的投影坐標范圍相同的polygon文件，將polygon文件轉成GRID文件，再用所得的GRID文件為模板，使用模板MASK工具，把所有的數(shù)據(jù)都定成相同的范圍.

2.2.2 數(shù)據(jù)源

由于數(shù)據(jù)源的限制，模型涉及的主要數(shù)據(jù)包括：

（1）柵格數(shù)據(jù)：TM影像（1988年，1998年）；

（2）市區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖（1998年、2006年），2001－2010年營口市總體規(guī)劃圖，2005－2020年營口市城市總體規(guī)劃圖，營口市地形圖（1∶5萬）以及表1的1997－2006年營口建設用地面積統(tǒng)計數(shù)據(jù).

表1 近十年營口市建設用地面積以及其變化統(tǒng)計表 hm2

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

選用美國遙感圖形分析軟件Erdas 8.7進行圖像處理與分析，采用計算機自動解譯與人工解譯相結合的方法進行信息提取.

（1）遙感影像的幾何校正.由于遙感器、遙感平臺以及地球本身等方面的原因，在遙感成像時往往會引起難以避免的幾何畸變，因此在進行目視解譯之前必須對原始遙感圖像進行幾何校正［8］.對營口市的2個時相的遙感影像的校正工作主要包括影像到地圖空間的校正和影像到影像的配準兩個方面.

（2）波段組合及融合.本文將TM 2，3，4組合進行監(jiān)督分類，提取出城市用地、農村用地和水域.采用分辨率融合的方法提高遙感影像的分辨率.

（3）遙感影像的增強處理.未經(jīng)增強處理的影像直接用于解譯和分類，其效果是不理想的，如影像的亮度層次很少、平均亮度值偏低，輪廓、邊界辨認不清等.本研究采用調整直方圖的方式來實現(xiàn)圖像增強.從直方圖上可以直觀地了解圖像的亮度值范圍、峰值位置、均值以及亮度值分布的離散程度等［8］.

3.2.4 數(shù)據(jù)提取

圖2 采用遙感數(shù)據(jù)分類得到的城市用地范圍圖

（1）城市用地范圍提取.由于數(shù)據(jù)源的限制，城市用地范圍提取方法要分成兩類：一類是利用遙感影像分類提?。涣硪活愂抢猛恋乩矛F(xiàn)狀圖提取.樣.采用的土地利用現(xiàn)狀圖是1998年和2006年的數(shù)據(jù)，提取方法：首先是將土地利用現(xiàn)狀圖與遙感影像配準，然后進行城市土地范圍和河流矢量化提取，剩余的一類便是農用地.將矢量化后的數(shù)據(jù)轉換成GRID格式的數(shù)據(jù).根據(jù)營口城市經(jīng)濟發(fā)展和空間變化指標特點以及遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率確定元胞柵格的大小為30m×30m.

（2）交通圖層的獲取.在Erdas下對影像進行增強處理，并進行邊緣增強、高通濾波以突出線狀物，通過肉眼判讀道路后進行屏幕手工跟蹤，數(shù)字化描繪出道路層數(shù)據(jù)，然后把數(shù)字化的結果以矢量格式存儲成為ArcGIS的SHP格式.

（3）坡度數(shù)據(jù)獲取.將等高線格式的地形圖經(jīng)過ArcGIS文件轉換成SHP格式，在ArcMAP中進行3維分析，生成TIN數(shù)字高程模型圖，然后將轉成的TIN轉成柵格進行坡度分析，生成以百分數(shù)表示的坡度層.

（4）限制建設用地圖層的獲取.限制建設用地屬于宏觀控制因素層，其數(shù)據(jù)的獲取主要來自兩個方面：一是通過遙感技術在遙感影像中提取的水體.為了研究的方便，水體的選擇主要包括遼東灣部分海域、遼河及一些溝渠.獲取的方法是利用分類后的影像及土地利用現(xiàn)狀圖來提取.提取完成后導入到ArcGIS下轉化成為GRID格式，然后把較小的內陸水體當作噪音來過濾掉.二是從城市規(guī)劃圖中獲取的限制建設用地的區(qū)域，如一些自然保護區(qū)等.首先要對規(guī)劃圖進行配準以定位，然后對不可建設用地進行手工數(shù)字化，并最終轉換為GRID格式.同樣柵格像元的大小也設定為30m×30m.

（5）規(guī)劃建設用地的提取.利用城市規(guī)劃圖，經(jīng)過配準和矢量化得到規(guī)劃范圍，并轉成GRID格式，柵格像元的大小為30m×30m.

2.3 模型的檢驗

模型檢驗是體現(xiàn)模型是否準確的關鍵步驟，本研究選取Lee－Sallee形狀形似指數(shù)［9］來檢驗模型模擬的效果.Lee－Sallee形狀形似指數(shù)指的是數(shù)據(jù)單元的空間交集和并集面積之比，它可以反映兩個數(shù)據(jù)層面的相似性，其計算公式為：式中A0，A1分別為模擬結果和實際數(shù)據(jù).在理想狀態(tài)下，這個指數(shù)可達到1，但在實際計算過程中，一般指數(shù)只能達到0.3～0.7.

將1998年和2006年城市用地模擬結果與對應的實際城市用地分布圖在ArcMap中進行疊合，然后通過屬性表中Select by attribute命令，選出實際建設用地分布圖和模擬建設用地分布圖中在相同空間位置上的單元，用選擇出的單元數(shù)除以實際建設用地的柵格單元數(shù)，得到當年模擬模型的擬合精度.經(jīng)計算，1998年擬合精度為86.4%，2006年擬合精度為74.7%.再在疊合的的圖形中選出實際建設用地和模擬建設用地在空間上的并集，求得Lee－Sallee形狀形似指數(shù)，1998年為0.537，2006年為0.425.

從模型擬合的精度和Lee－Sallee形狀指數(shù)可以看到GIS－CA模型具有較好模擬效果，可以嘗試用于預測未來營口市城市用地擴展的主要趨勢（見圖3）.

圖3 1998和2006年模擬結果與當年實際比較

2.4 規(guī)劃期內城市用地情況的預測

利用獲得的最優(yōu)參數(shù)組合以2006年土地分類數(shù)據(jù)為基期數(shù)據(jù)，以2001－2020年交通數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)及坡度數(shù)據(jù)和限制建設用地為控制因素層進行營口市2020年城市用地擴展方向預測，結果見圖4.

圖4 2020年營口城市用地擴展預測圖

把城市用地的真實柵格個數(shù)與模擬的柵格個數(shù)做成統(tǒng)計表（見表2），可以看出營口城市用地面積的變化情況.

表2 1988－2020年模擬和真實元胞數(shù)目一覽表個

3 結果分析

從城市實際擴展分布看，并通過與現(xiàn)有數(shù)據(jù)的比較，GIS－CA模型在總體上模擬出了營口城市用地擴展的主要趨勢.根據(jù)模型模擬和預測的結果可以看出營口城市用地增長的基本特征：

（1）營口市在不斷的加速擴展，城市用地面積在不斷增加，占用農村用地也越來越多.通過遙感圖像的分析，將各個時期元胞數(shù)量轉化為城市用地面積，1988年城市用地面積為30.1km2，1998年擴張到36.9km2，2006年擴張到62.1km2，預計到2020年營口市用地面積將擴張到83.7km2.

（2）1988－1998年，城市用地增長以在城市周邊蔓延為主，且增長速度比較緩慢.在這一階段，自然條件對營口城市影響比較大.營口市北部有遼河流經(jīng)、西部臨遼東灣，城市發(fā)展受到較大限制，城市發(fā)展總是優(yōu)先利用條件優(yōu)越的土地，而后通過改造不利的自然條件進行城市建設.

（3）1998年至今，營口城市用地以星形變化為主，主要受交通線和規(guī)劃因素影響，且增長速度較快.這一階段政策因素對營口城市的影響較大.受國家振興東北老工業(yè)基地政策的影響，營口市于2003年成立了沿海產(chǎn)業(yè)基地，同時受濱海公路的影響，城市用地也體現(xiàn)出沿交通線發(fā)展的趨勢.在未來10年內，營口城市用地擴展的區(qū)域主要體現(xiàn)在城市的西側和西南方，同時在其他方向上也會有一定程度的擴展.

在模擬過程中，仍存在問題，原因有兩方面：一是遙感影像分類中存在誤差.數(shù)據(jù)的精確程度對模擬結果的分析及結論也有很大的影響.在實際工作中，無論是從數(shù)據(jù)的精確程度，還是從數(shù)據(jù)的詳細程度及數(shù)據(jù)的一致性方面，都很難達到技術方法所要求的程度.二是政策和規(guī)劃的影響.在2000年前后營口市政府的政策就開始使城市向西南方向發(fā)展，而規(guī)劃因素的量化是GIS－CA不能夠模擬的.但總體來說，模擬的結果是可以接受的.

4 結論

（1）GIS與CA集成，增強了GIS的時空動態(tài)建模功能，CA模型和GIS耦合是研究城市擴展動態(tài)模擬與預測的較為可行的研究方法.

（2）利用GIS－CA模型模擬和預測了營口城市用地變化趨勢，對營口城市用地擴展模擬的結果比較合理，模擬的精度達到70%以上.

從模擬和預測的結果可以看出，營口市在加速擴展，其城市用地越來越多地占用農用地；1988－1998年，城市用地增長以在城市周邊蔓延為主，且增長速度比較緩慢；1998年至今，營口城市用地以星形變化為主，主要受交通線和規(guī)劃因素影響，且增長速度較快；在未來10年內，營口城市用地擴展的區(qū)域主要體現(xiàn)在城市的西側和西南方，同時在其他方向上也會有一定程度的擴展.

預測的結果為未來營口城市的土地利用規(guī)劃提供了依據(jù)，可以幫助管理者制定有效的土地管理措施和方針政策.

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Abstract：At present，most of the cities in our country are at the initial stage of fast expanding，more and more construction land will be needed.Therefore a new technique should be introduced to forecast the increasing of construction land of a city，and help the managers to make reasonable decisions.Based on CA（cellular automata），and combined the techniques of GIS and RS，this paper designed a model named GIS－CA on the platform of ArcGIS，to simulate and forecast the expansion of Yingkou’s construction land.Conclusion can be classified into followings：firstly，the integration of GIS and CA is a feasible method for simulating urban expansion；secondly，by using GIS－CA，we forecast the changing tendency of urban land use of Yingkou，and the result is reasonable，and the simulation accuracy reaches 70%.

Keywords：land management；GIS－CA model；GIS；CA；urban land expansion；Yingkou city

（責任編輯：方 林）

The research on Yingkou urban landuse expansion

WANG Li－bo1，2，WU Fan1，SONG Dan－dan1，JIE Dong－mei1
（1.College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Yuanshi Bureau of Land ＆Resources，Shijiazhuang 051130，China）

F293.2［學科代碼］790·47

A

2011－06－11

國家自然科學基金資助項目（40971116）.

王立波（1982—），男，碩士，助理工程師；通訊作者：介冬梅（1969—），女，博士，副教授，主要從事土地集約利用評價研究.

1000－1832（2012）02－0132－06