基于邏輯回歸的CA模型的重慶市沙坪壩區(qū)土地利用變化模擬研究

張垚垚,密長林,張中銀,王榮華

(1.國土資源部信息中心；北京　100812；2.臨沂市國土資源局，山東 臨沂　276001；3.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶　400047)

基于邏輯回歸的CA模型的重慶市沙坪壩區(qū)土地利用變化模擬研究

張垚垚1,密長林2,張中銀3,王榮華2

(1.國土資源部信息中心；北京100812；2.臨沂市國土資源局，山東 臨沂276001；3.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶400047)

以重慶市沙坪壩區(qū)為研究區(qū)，利用2010年、2012年的數(shù)據(jù)得出土地利用變化信息，利用基于邏輯回歸的CA模型理論對土地利用變化、城市擴展進行模擬研究，并結合實際的政策對其發(fā)展變化過程和生態(tài)環(huán)境影響進行分析與比較。結果顯示該研究區(qū)域內(nèi)在今后一個時期，建設用地將持續(xù)增加,耕地資源將因城市建設而繼續(xù)減少。

CA模型；邏輯回歸；城市擴展模擬；重慶市沙坪壩區(qū)

引文格式：張垚垚,密長林,張中銀,等.基于邏輯回歸的CA模型的重慶市沙坪壩區(qū)土地利用變化模擬研究[J].山東國土資源，2015，31(5)：86-90.ZHANG Yaoyao, MI Changlin, ZHANG Zhongyin,etc. Simulation Study on Land Use Change Based on Logistic Regression CA Model in Shapingba District of Chongqing City[J].Shandong Land and Resources,2015，31(5)：86-90.

未來城市空間擴展研究目前主要應用與GIS結合的元胞自動機(Cellular Automata, CA)模型來開展。CA模型既可以模擬不同時空的城市模型，也可以反映城市規(guī)劃發(fā)展的某些具體場景[1]。單純的CA模擬還仍然是一種近似模擬[2]，本身也具有一定的局限性，主要原因就是數(shù)據(jù)源誤差、操作或轉(zhuǎn)換誤差、城市CA建模中模型不同的影響，該次研究基于邏輯回歸的CA模型基本上可以避免以上因素的影響。該研究以重慶市沙坪壩區(qū)為例，運用CA模型模擬重慶市沙坪壩區(qū)城市空間擴展的過程，及預測研究區(qū)未來不同情景下的城市發(fā)展變化格局，從而為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供有效決策支持。

1　研究數(shù)據(jù)及研究方法

1.1研究區(qū)

該文以重慶市沙坪壩區(qū)為對象進行模擬研究。該研究區(qū)位于重慶市主城區(qū)西部，是重慶市科教文化區(qū)。區(qū)內(nèi)轄小龍坎等11個街道，覃家崗等12個鎮(zhèn)，面積約396 km2。東面與江北區(qū)、渝北區(qū)隔江相望，東北方向與北碚區(qū)相連，東南方向與渝中區(qū)接壤，西與壁山縣相鄰，南面與九龍坡區(qū)相接。

該研究區(qū)內(nèi)的主要特點:人多地少，人均土地資源占有量僅約0.056 hm2，其中人均耕地面積僅為0.021 hm2，約占全市人均耕地面積的31.5%；平地少，丘陵多，全區(qū)丘陵地區(qū)面積約占總面積的67.3%；農(nóng)業(yè)后備可利用資源有限，區(qū)域城市化率相對較高;土地利用生態(tài)效應較低等。

1.2數(shù)據(jù)準備

數(shù)據(jù)源包括2個時相的遙感影像(2010年、2012年)、道路現(xiàn)狀圖、以及高程圖elev。利用ArcGIS軟件平臺對數(shù)據(jù)進行處理及格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為二進制文件(.txt)，使之能在GeoSOS中進行相應的模擬操作。首先，將2010年、2012年的土地利用圖像按土地利用類型分類進行格式轉(zhuǎn)換，土地利用類型有農(nóng)田、森林、城市用地、果園和水域5大類型。其次，從道路現(xiàn)狀圖中提取普通公路(Road)、快速道路(fastRoad)2個二進制文件。坡度影響因子從高程圖elev中提取并轉(zhuǎn)換，鎮(zhèn)政府點分布圖直接進行轉(zhuǎn)換。在進行處理及格式轉(zhuǎn)換過程中，要進行投影轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一投影，保持投影及研究范圍的一致性。

1.3 CA模型

元胞自動機(CA)是利用動態(tài)模擬方法建立城市土地利用的微觀規(guī)劃模型,因其可以簡潔的模擬出城市土地利用變化過程,特別是在城市擴張過程中土地利用格局演變過程的模擬中具有明顯優(yōu)勢。因此許多學者都基于CA對城市系統(tǒng)動態(tài)進行研究,同時運用新理論(分形理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、多因子評價模型等)、新方法(Logistic模擬、馬爾柯夫鏈等)和新技術(3S技術)不斷地擴展標準CA的基礎，構建城市擴展CA模型。通過擴展CA模型利用情景(Scenario)模擬方法，實現(xiàn)對未來的發(fā)展趨勢的預測；用于各種政府決策和實施城市規(guī)劃評估；產(chǎn)生不同城市增長類型或者優(yōu)化的城市形態(tài)和城市空間結構；與多智能體系統(tǒng)的公共建模平臺相結合, 對未來城市擴展進行模擬和預測，評估未來城市擴展所帶來的一系列生態(tài)環(huán)境效應，為城市規(guī)劃和土地規(guī)劃提供依據(jù)[3]。

元胞自動機(CA)模型應用的思路為“自下而上”式，其模型的核心是轉(zhuǎn)換規(guī)則變量參數(shù)值[4]，數(shù)值的選取合適與否對建立CA模型至關重要，定義轉(zhuǎn)換規(guī)則尋找適合研究區(qū)參數(shù)值方法很多，比如可以通過轉(zhuǎn)換矩陣、人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型、決策樹、遺傳算法、灰度、主成分分析、多準則判斷、層次分析法、自適應模型等方法來確定的[5]。

1.4邏輯回歸

Logistic模型是針對二分類或多分類響應變量而建立起來的回歸模型, 其自變量可為定性數(shù)據(jù)或定量數(shù)據(jù)假設，其模型表達式可以描述為:

(1)

P(時間發(fā)生的概率)為因變量，后面的變量依次為自變量為x1，x2，……xkβ1;β2，……βk為待求 Logistic回歸系數(shù)。通過對(1)式進行Logistic變換，求的Logistic系數(shù)，得到一個線性形式為:

(2)

由于(2)式存在異方差性，常用加權最小二乘方法求解 Logistic回歸系數(shù)[6]。

1.5基于邏輯回歸的轉(zhuǎn)換規(guī)則定義

城市化過程就是社會經(jīng)濟變化過程，城市用地不斷向非城市用地擴展，邏輯回歸CA模型基本的思想：若給地理元胞{0為非城市化，1為城市化}，通過在[t，t+1]時刻間賦值的變化，就可知道該地理元胞是否已城市化。

城市的發(fā)展狀況是由一系列獨立變量和因變量組成，獨立變量包括城市的地理因素及交通情況等因素；因變量是將土地利用分為0(非城市化)與1 (城市化)，因這種狀況不滿足正態(tài)分布的條件，所以可以用邏輯回歸分析。利用邏輯回歸技術對CA的轉(zhuǎn)換規(guī)則進行校正，則有t時刻地理元胞(i，j)的城市化最終發(fā)展概率為:

(3)

樣本選取以能反映被調(diào)查事物總體為準，按照邏輯回歸技術定義轉(zhuǎn)換規(guī)則，樣本數(shù)量可按照總體數(shù)據(jù)20%的來采集。獲取到一定樣本量的空間變量與土地利用變化的歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)后，再利用邏輯回歸得到合適的模擬權重參數(shù)[7]。

2　結果與分析

2.1 城市擴展與土地利用變化趨勢

利用基于邏輯回歸的CA模型對重慶市沙坪壩區(qū)2010--2012年城市擴展情況的模擬，定義農(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，自動計算各空間變量的回歸系數(shù)(圖1)。

圖1　基于邏輯回歸的CA模型回歸系數(shù)

設置轉(zhuǎn)換總量為100萬個柵格單元，迭代次數(shù)為2次，模擬結果精度為95.2%，得到的結果利用ArcGIS分析，把從遙感手段得到的2010年的影像數(shù)據(jù)與基于邏輯回歸的CA模型模擬的結果圖像進行對比，發(fā)現(xiàn)結果是極其接近的，具體如圖2～圖4所示。

從城市的分布上看，城市的分布基本上接近，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，這說明模擬的結果仍然與實際城市發(fā)展存有一定的誤差。從城市的發(fā)展走向來看，除曾家鎮(zhèn)及虎溪鎮(zhèn)的交界地帶，研究區(qū)的發(fā)展大體還是集中在東南部即沙坪壩、井口鎮(zhèn)、井口街道、歌樂山鎮(zhèn)，其他城市的發(fā)展主要依托先前的城市周邊逐步發(fā)展起來。從數(shù)量上看，城市用地的數(shù)量在不斷增多，但是在無序開發(fā)和沒有有效管理的情況下，森林和水域必將不斷減少，這將對區(qū)域生態(tài)安全敲響警鐘。

從模擬結果中，可推測未來研究區(qū)的發(fā)展仍然會按照2010--2012年的發(fā)展趨勢，依托現(xiàn)有城市逐步實現(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)交界地帶也依然會依托自身優(yōu)勢發(fā)展周邊，逐步完成城鄉(xiāng)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)籌發(fā)展。并且按照2010--2012年的發(fā)展趨勢， 未來沙坪壩區(qū)建設用地面積將大規(guī)模增加，其他用地類型面積均有不同程度的減少，其中耕地流失量最大；林地、果園、農(nóng)田等建設用地也有一定程度的減少；水域面積也有一定程度的減少。分析圖2、圖3可以總結出，土地利用演變過程在未來城市化進程中占據(jù)舉足輕重的地位，其中耕地、園地及未利用土地是城市建設用地的主要來源。在城鎮(zhèn)邊緣，沿道路發(fā)展是未來城市擴展格局的兩大趨勢(圖4)。

圖2　重慶市沙坪壩區(qū)2010年土地利用圖

圖3　重慶市沙坪壩區(qū)2012年土地利用模擬圖

圖4　重慶市沙坪壩區(qū)2012年土地利用圖

2.2功能性發(fā)展分析

考慮不同的城市發(fā)展政策，通過調(diào)整CA 模型的輸入?yún)?shù)，可以模擬不同條件下的城市向外擴展與土地利用變化情景。除上述目前趨勢發(fā)展情景外，即未來城市擴展保持2010--2012年間的發(fā)展趨勢，還設計了城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和生態(tài)環(huán)境保護管理情景。

尋求城市區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護管理就必須保護林地、基本農(nóng)田、水體不被侵占。城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景，也就是考慮全市城市整體發(fā)展規(guī)劃、研究區(qū)發(fā)展規(guī)劃及其他建設區(qū)域開發(fā)政策對未來城市擴展的可能影響。城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和保護生態(tài)環(huán)境情景下, 城市建設用地侵占其他類型土地利用趨勢與目前發(fā)展趨勢基本一致。在城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景下, 城市建設用地增長趨勢低于目前的增長趨勢，但是耕地的縮減趨勢高于目前的增長趨勢，究其原因是城市建設用地沿道路向外擴展,開發(fā)區(qū)及其他工業(yè)園區(qū)內(nèi)有較大面積的基本農(nóng)田被城市建設用地占用。相對應而言，在保護生態(tài)環(huán)境情景下，城市建設用地沿現(xiàn)有建設用地向外擴展, 城市建設用地增長趨勢高于目前的增長趨勢，但是林地、水域等利用類型縮減趨勢低于目前的趨勢,顯示保護生態(tài)環(huán)境政策發(fā)揮了保護的功能作用。從城市擴展空間格局上講，城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和生態(tài)環(huán)境保護情景與目前趨勢發(fā)展情景存在明顯的空間差異。

2.3誤差分析

城市空間擴展是城市建設規(guī)模不斷擴大，主要為橫向的城市用地面積的增加即向周邊郊區(qū)擴展。它受自然條件限制，也受政治、經(jīng)濟、文化以及社會諸多因素支配和影響，它既不會完全按照城市整體規(guī)劃運行，也不會完全按照其他因素的影響運行，其根本實質(zhì)是多種因素共同作用城市空間擴展，影響城市土地利用變化的因素就包括著政府、市場經(jīng)濟和個體3個方面，其影響結果是多層次、多尺度、多維度的綜合作用效果[8]。個體因素主要是微觀尺度因素；市場經(jīng)濟(社會經(jīng)濟基礎和市場發(fā)展條件)因素是中觀尺度的因素；政策因素是宏觀尺度因素包括城市的總體規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃、土地利用的相關政策[9]。在約束性CA模型中政府因素是全局約束變量，市場經(jīng)濟因素是區(qū)域約束變量，個體因素是局部約束變量。在該文采用空間距離變量和局部變量作為空間數(shù)據(jù)的結果輸入到CA模型中進行模擬計算和分析。這些在一定程度上模糊了尺度效應，造成模擬精度的降低。

政府的規(guī)劃在城市的演化過程中起著根本性的導向作用。但市場經(jīng)濟的發(fā)展不以政府的意志為轉(zhuǎn)移，因此市場經(jīng)濟為未來城市發(fā)展的土地利用變化增加了不確定性；市場經(jīng)濟的發(fā)展同樣會對城市規(guī)劃和個體因素產(chǎn)生影響，由于這些不確定的因素對CA模型中進行模擬計算和分析產(chǎn)生影響。所以在元胞自動機模型中不能完全模擬出真實的城市擴展進程的。因此，城市規(guī)劃的調(diào)整修編、重大事件、重大項目都會對城市空間擴展造成深刻影響[10-11]，并將導致CA模型中空間距離變量和局部變量發(fā)生變化，造成模擬失真。該文研究所運用研究區(qū)歷史數(shù)據(jù)來優(yōu)化參數(shù)，是一種靜態(tài)的轉(zhuǎn)換，無法對上述變化做出反映。

3 　結論與討論

運用邏輯回歸建立的CA模型研究表明，重慶市沙坪壩區(qū)城市的空間擴張以外延式為主，集中在現(xiàn)有的城鄉(xiāng)結合部，沿道路呈帶狀發(fā)展的趨勢較為明顯。在對該區(qū)域2010--2012年的城市發(fā)展狀況的模擬結果表明，未來的重慶市沙坪壩區(qū)城市建設用地將持續(xù)增加,大量的耕地資源被占用，CA模型基本地模擬其發(fā)展變化過程。但是由于客觀因素的影響，造成CA模型輸入?yún)?shù)無法精確地反映客觀的變化，所以CA模擬結果還存在不同程度的誤差。

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Simulation Study on Land Use Change Based on Logistic Regression CA Model in Shapingba District of Chongqing City

ZHANG Yaoyao1, MI Changlin2, ZHANG Zhongyin3, WANG Ronghua2

(1.Information Center of the Ministry of Land and Resources, Beijing 100812, China; 2. Linyi Bureau of Land and Resources, Shandong Linyi 276001, China; 3.Geography and Tourism College of Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

Taking Shapingba District of Chongqing city as the study area, by using datas in 2010 and 2012, land use change information has been gained. By using the theory of CA model of logistic regression, simulation study on land use change and urban expansion has been carried out. Combining with actual policies, development process and ecological environment impact have been analyzed and compared. It is showed that within a period of time in the future, the construction using land will continue to increase, while land resources will continue to decline due to urban construction.

CA model; logistic regression; city expansion simulation; Shapingba district of Chongqing city

2014-10-20；

2015-02-09；編輯：王敏

張垚垚(1978--)，女，北京市人，助理研究員，主要從事國土資源信息化建設和應用；E-mail:yyzhang@infomail.mlr.gov.cn

P209;F301.2

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