基于CA模型的重慶市沙坪壩區(qū)土地利用變化模擬

張玲玲，頡耀文，2*，穆亞超(.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730000;2.蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

土地利用變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果，如何準(zhǔn)確和合理地模擬土地利用的變化過(guò)程是許多人研究的重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)［1］。與GIS結(jié)合的元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型被越來(lái)越多地運(yùn)用于對(duì)城市空間擴(kuò)展的模擬研究中［2-3］。CA模型通過(guò)轉(zhuǎn)換規(guī)則的適當(dāng)定義，不僅可以很好地模擬土地利用的時(shí)空復(fù)雜性，也可模擬城市發(fā)展的某些規(guī)劃場(chǎng)景。該文以重慶市沙坪壩區(qū)為例，基于GeoSOS平臺(tái)，運(yùn)用Logistic—CA模型模擬重慶市沙坪壩區(qū)土地利用擴(kuò)展的過(guò)程及預(yù)測(cè)重慶市沙坪壩地區(qū)未來(lái)不同情景下的土地利用發(fā)展格局，從而為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 沙坪壩區(qū)是重慶市主城區(qū)和都市圈的重要組成部分，位于重慶的中心［4］，地處 106°14'36″～106°31'35″E，29°27'13″～ 29°46'36″N，面積 396.20 km2，轄小龍坎、沙坪壩、磁器口等11個(gè)街道，覃家崗、井口、歌樂(lè)山等12個(gè)鎮(zhèn)和聯(lián)芳村經(jīng)濟(jì)園區(qū)(圖1)。東與江北區(qū)、渝北區(qū)隔江相望，東南與渝中區(qū)接壤，東北與北碚區(qū)相連，南與九龍坡區(qū)相靠，西與壁山縣相依。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理 該數(shù)據(jù)源包括2004、2006年的土地利用數(shù)據(jù)(圖2、3)、2008年道路現(xiàn)狀、鎮(zhèn)政府點(diǎn)分布以及高程。借助GIS平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件(.txt)，使之能在GeoSOS中進(jìn)行相應(yīng)的模擬操作。首先，將2004、2006年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，土地利用類型有農(nóng)田、森林、城市用地、果園和水域五大類型。其次，從2008年道路現(xiàn)狀圖中提取普通公路(Road)、快速道路(fastRoad)2個(gè)二進(jìn)制文件。坡度影響因子從高程圖中提取并轉(zhuǎn)換，鎮(zhèn)政府點(diǎn)分布圖直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換。最終得到離鎮(zhèn)政府點(diǎn)距離、快速道路距離、普通公路距離3個(gè)距離變量、坡度變量。注意在進(jìn)行處理及格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、投影轉(zhuǎn)換，保持投影及研究區(qū)范圍的一致性。

圖1 重慶市沙坪壩區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)界圖

1.3 CA模型 元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata，CA)具有強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力，常用于自組織系統(tǒng)演變過(guò)程的研究。它是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，空間相互作用和時(shí)間因果關(guān)系都為局部的網(wǎng)格動(dòng)力學(xué)模型，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演化過(guò)程的能力［5］。

CA的一個(gè)主要特征是CA與GIS的耦合。CA和GIS的耦合能使CA模擬出與實(shí)際情況更為接近的模擬結(jié)果。目前也有多個(gè)系列的CA模擬軟件，在模擬城市格局變化時(shí)常把GIS作為集成平臺(tái)，用GIS軟件提供的二次開(kāi)發(fā)宏語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)城市CA，如Arc/Info GRID模塊開(kāi)發(fā)城市CA［6］。

圖2 重慶市沙坪壩區(qū)2004年土地利用類型圖

圖3 重慶市沙坪壩區(qū)2006年土地利用類型圖

2 結(jié)果與分析

2.1 基于GeoSOS平臺(tái)的CA模型土地利用變化模擬 GeoSOS平臺(tái)提供的轉(zhuǎn)換規(guī)則有多準(zhǔn)則判斷、邏輯回歸、主成分分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹5種方法。管超等［7］利用該系統(tǒng)進(jìn)行了基于耦合地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)GeoSOS的旅順口區(qū)城市空間擴(kuò)展等應(yīng)用并得到了很好的效果，Logistic回歸方法將土地利用類型中的某一小塊作為一個(gè)元胞，只需判斷某個(gè)元胞的狀態(tài)在［t，t+1］時(shí)刻間是否從0變化到1，就可判斷該元胞所代表的地塊是否城市化，這就是邏輯回歸CA模型的最基本思想，用其在元胞空間的狀態(tài)來(lái)確定［8］。因此該文將采用GeoSOS來(lái)對(duì)重慶市沙坪壩區(qū)土地利用變化進(jìn)行模擬，并以Logistic—CA作為理論模型，對(duì)重慶市沙坪壩區(qū)2006年土地利用情況模擬，定義1代表的是耕地，2代表的是林地，3代表的是城市用地，4代表的是園地，5代表的是水系，并設(shè)置好顏色。其中農(nóng)田、果園可轉(zhuǎn)換為城市用地，森林、水域不可轉(zhuǎn)換為城市用地，自動(dòng)計(jì)算各空間變量的回歸系數(shù)。

設(shè)置轉(zhuǎn)換總量為1 000 000個(gè)柵格單元，迭代次數(shù)為2次，模擬結(jié)果精度為95.2%，得到的結(jié)果利用Arcgis分析，把原始的2006年的土地利用類型圖像(圖3)與基于邏輯回歸的CA模型模擬的2006年結(jié)果圖像(圖4)進(jìn)行疊加分析，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果是極其接近的(表1)。

圖4 重慶市沙坪壩區(qū)2006年土地利用類型模擬

2.2 模型的評(píng)價(jià) 城市用地的數(shù)量在不斷增多，而在無(wú)較強(qiáng)約束和管理?xiàng)l件下，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全起重要作用的森林和水域也不可避免地受到城市建設(shè)用地的侵占。從土地利用類型分布上看，分布基本上接近，尤其在沙坪壩東南部的井口鎮(zhèn)、井口街道、沙坪壩、歌樂(lè)山鎮(zhèn)的模擬精度極高。此外，值得注意的是在曾家鎮(zhèn)及虎溪鎮(zhèn)交界地帶及其周邊有一塊集中的城市區(qū)，在模擬圖像上是沒(méi)有的。說(shuō)明模擬的結(jié)果仍然與實(shí)際的土地利用/覆蓋有一定的誤差。從城市用地的發(fā)展走向來(lái)看，除曾家鎮(zhèn)及虎溪鎮(zhèn)的交界地帶，重慶市沙坪壩區(qū)的發(fā)展大體還是集中在該區(qū)域的東南部，即沙坪壩、井口鎮(zhèn)、井口街道、歌樂(lè)山鎮(zhèn)，其他地區(qū)主要依托先前的地區(qū)周邊逐步發(fā)展起來(lái)。

表1 2004、2006年研究區(qū)土地利用各類型面積比較 km2

從模擬結(jié)果可推測(cè)，未來(lái)沙坪壩區(qū)的土地利用變化仍然會(huì)按照2004～2006年的趨勢(shì)，依托現(xiàn)有城市逐步實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村、果園等向城市用地的轉(zhuǎn)換。曾家鎮(zhèn)及虎溪鎮(zhèn)交界地帶也依然會(huì)依托自身優(yōu)勢(shì)發(fā)展周邊，逐步完成城鄉(xiāng)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)籌發(fā)展。并且按照2004～2006年的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)沙坪壩區(qū)建設(shè)用地面積將大規(guī)模增加，其他用地類型面積均有不同程度減少，其中耕地流失量最大，林地、果園、農(nóng)田等建設(shè)用地也有一定程度的減少，水域面積也有一定縮減。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由城市化進(jìn)程導(dǎo)致的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)谖磥?lái)土地利用演變過(guò)程中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。其中，農(nóng)田(耕地)、果園及其他非建設(shè)用地是城市建設(shè)用地的主要來(lái)源。從城市擴(kuò)展格局上看，未來(lái)城市擴(kuò)展將集中在現(xiàn)有城鎮(zhèn)邊緣，沿道路發(fā)展的趨勢(shì)也較為明顯。此外，虎溪大學(xué)城區(qū)域也將得到較高程度的發(fā)展。

2.3 土地利用功能性發(fā)展分析 考慮不同的城市發(fā)展政策，調(diào)整模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同管理情景下土地利用變化預(yù)測(cè)。除上述目前趨勢(shì)發(fā)展情景，還設(shè)計(jì)了城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理情景。

城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景，即考慮重慶市城市整體發(fā)展規(guī)劃、沙坪壩區(qū)發(fā)展規(guī)劃及其他建設(shè)區(qū)域開(kāi)發(fā)政策對(duì)未來(lái)土地利用的可能影響。生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理情景，限制城市用地侵占連續(xù)成片的林地、基本農(nóng)田、水體和東部水源涵養(yǎng)地等對(duì)區(qū)域生態(tài)安全起重要作用的生態(tài)系統(tǒng)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，尋求城市區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和生態(tài)環(huán)境保護(hù)情景下，土地利用類型面積變化趨勢(shì)與目前趨勢(shì)發(fā)展情景下的發(fā)展變化相似，即城市建設(shè)用地面積增加，其他用地類型面積減少。相比而言，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)情景下，應(yīng)鼓勵(lì)城鎮(zhèn)沿現(xiàn)有建設(shè)用地向外邊緣式擴(kuò)展，城市建設(shè)用地面積增加較慢，但是耕地、林地、水域和未利用土地類型損失面積比例較低，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策對(duì)重要的生態(tài)系統(tǒng)和自然資源起到良好的保護(hù)作用。城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景下，城市用地?cái)U(kuò)展受到較強(qiáng)的空間限制，邊緣增長(zhǎng)類型受到約束，城市增長(zhǎng)面積低于目前趨勢(shì)發(fā)展情景，但是耕地的損失比例較高。從城市用地?cái)U(kuò)展空間格局上來(lái)看，城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和生態(tài)環(huán)境保護(hù)情景與目前趨勢(shì)發(fā)展情景存在明顯的空間差異。城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景下，城市用地?cái)U(kuò)展集中政策開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，新城鎮(zhèn)不斷產(chǎn)生，且城鎮(zhèn)沿道路擴(kuò)展的趨勢(shì)較為明顯。相比而言，生態(tài)環(huán)境保護(hù)情景下，城市用地格局非常緊湊?？偟膩?lái)說(shuō)，2種管理情景下城市建設(shè)用地對(duì)具有重要生態(tài)功能的林地威脅較小，但對(duì)非基本農(nóng)田之外的耕地或農(nóng)田占用較多。

3 結(jié)論與討論

(1)研究表明，重慶市沙坪壩區(qū)城市的空間擴(kuò)張以外延式為主，集中在現(xiàn)有城鎮(zhèn)邊緣，沿道路發(fā)展的趨勢(shì)也較為明顯。對(duì)重慶市沙坪壩區(qū)2004～2006年的土地利用情況模擬結(jié)果表明，運(yùn)用Logistic—CA模型能夠較好地模擬土地利用變化，總體精度達(dá)到95.2%。在城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理情景2種管理情景下，未來(lái)的重慶市沙坪壩區(qū)城市建設(shè)用地將持續(xù)增加，大量的耕地資源被侵占。該文基于Logistic—CA模型對(duì)重慶市沙坪壩區(qū)土地利用模擬主要采用歷史數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化參數(shù)，是一種靜態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，這種方法對(duì)城市規(guī)劃調(diào)整、重大事件、重大建設(shè)項(xiàng)目和行政區(qū)劃調(diào)整影響無(wú)法明確體現(xiàn)，尤其在考慮大學(xué)城區(qū)域的政策規(guī)劃下模擬城市的擴(kuò)展，這是導(dǎo)致沙坪壩區(qū)西南部曾家鎮(zhèn)及虎溪鎮(zhèn)交界處土地利用模擬誤差的主要原因。

(2)由于存在數(shù)據(jù)源、CA模型不確定性、未考慮到的政策規(guī)劃［9］以及空間尺度［10］利用等不同程度的誤差，今后可以通過(guò)優(yōu)化CA模型參數(shù)，定量化社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政策因素等提高模型精度，也可以發(fā)揮GIS軟件的功能，使之與GeoSOS集成，這樣將會(huì)給用戶更大的使用空間。

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