基于CA模型的重慶市沙坪壩區(qū)土地利用變化模擬

張玲玲等

摘要該文以重慶市沙坪壩區(qū)為研究區(qū)域，借助GeoSOS平臺(tái)，采用2004、2006年的土地利用、道路、鎮(zhèn)政府點(diǎn)、高程數(shù)據(jù)，利用基于Logistic—CA模型方法對(duì)土地利用變化進(jìn)行模擬研究。結(jié)果顯示，CA模型模擬土地利用變化與實(shí)際土地利用類型面積相差不大，具有較高精度。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，未來的重慶市沙坪壩區(qū)城市建設(shè)用地將持續(xù)增加，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。

關(guān)鍵詞CA模型；GeoSOS；重慶市沙坪壩區(qū)；土地利用變化模擬

中圖分類號(hào)S29；F301.24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）24-246-03

土地利用變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，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)展的過程及預(yù)測(cè)重慶市沙坪壩地區(qū)未來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。

1.3CA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軟件提供的二次開發(fā)宏語言來開發(fā)城市CA，如Arc/Info GRID 模塊開發(fā)城市CA[6]。

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)來確定[8]。因此該文將采用GeoSOS來對(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）。

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)，在模擬圖像上是沒有的。說明模擬的結(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。

從模擬結(jié)果可推測(cè)，未來沙坪壩區(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)谖磥硗恋乩醚葑冞^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)用地的主要來源。從城市擴(kuò)展格局上看，未來城市擴(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)域開發(fā)政策對(duì)未來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?？偟膩碚f，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。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

參考文獻(xiàn)

[1]

朱守輝.基于CA模型的土地利用變化研究——以新疆鄯善縣為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（15）：6887-6891.

[2] 鄭占.基于CA模型的城市用地?cái)U(kuò)張模擬研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 徐昔保. 基于GIS與元胞自動(dòng)機(jī)的城市土地利用動(dòng)態(tài)演化模擬與優(yōu)化研究——以蘭州市為例[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2007.

[4] 江華麗，李華民.重慶市沙坪壩區(qū)土地集約利用評(píng)價(jià)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（24）：10593-10595.

[5] 周成虎，孫戰(zhàn)利，謝一春，等.地理元胞自動(dòng)機(jī)研究[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[6] 李愛民，呂安民，隋春玲，等.集成GIS的元胞自動(dòng)機(jī)在城市擴(kuò)展模擬中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，26（3）：165-169.

[7] 管超，哈斯. 基于GeoSOS的城市擴(kuò)展模擬——以旅順口區(qū)為例[J].測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（3）：49-54.

[8] 岳彩榮，盧鵬，趙憲文，等.基于CA模型的香格里拉縣土地利用變化模擬[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（4）：2380-2384.

[9] 黎夏，葉嘉安，劉小平，等.地理模擬系統(tǒng)：元胞自動(dòng)機(jī)與多智能體[M].北京：科學(xué)出版社，2007：57-61.

[10] 黃慶旭，何春陽(yáng)，史培軍，等.城市擴(kuò)展多尺度驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析——以北京為例[J].經(jīng)濟(jì)地理，2009，29（5）：46-49.