用地布局模擬預(yù)測動態(tài)性研究

孟 成，潘琛玲，徐 寅

（1.華中科技大學(xué) 公共管理學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430014）

用地布局模擬預(yù)測動態(tài)性研究

孟 成1,2，潘琛玲2，徐 寅2

（1.華中科技大學(xué) 公共管理學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430014）

分析了用地模擬預(yù)測中的空間因子動態(tài)性，并通過主成分分析法將各空間因子變化量融合成新空間因子，再帶入預(yù)測模型對模擬結(jié)果進行修正。以武漢市為例進行了實例論證，通過該模型修正的預(yù)測結(jié)果和傳統(tǒng)靜態(tài)模型的預(yù)測結(jié)果的擬合度在80%以上，說明該動態(tài)修正模型具有較高的可靠性，能有效提高模擬預(yù)測工作效率、模擬精度以及預(yù)測成果的延用性。

用地規(guī)模；用地布局；模擬預(yù)測；動態(tài)模型

改革開放以來，我國進入快速城鎮(zhèn)化時期，特別在2000年以后，我國城鎮(zhèn)面積的年均增長率達到7%，隨著城市的快速發(fā)展，有限的土地資源與人類對土地的無限需求、社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人口不斷增加間的矛盾日益明顯。科學(xué)合理地模擬預(yù)測用地規(guī)模和用地布局有利于人民生活水平的穩(wěn)步提高和國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，也能為合理地解決土地資源與人口、經(jīng)濟、社會等之間的矛盾提供技術(shù)方法[1]。

現(xiàn)行的用地布局模擬預(yù)測方法多屬于靜態(tài)預(yù)測，是在假設(shè)各作用力不變的情況下進行的外推計算。當(dāng)有新數(shù)據(jù)加入樣本時，靜態(tài)預(yù)測模擬方法無法充分挖掘和利用原有預(yù)測成果與新樣本的聯(lián)系，需重新設(shè)定樣本進行預(yù)測模擬工作，預(yù)測效率較低、結(jié)果時效性差，且中遠期預(yù)測結(jié)果誤差大。目前，針對預(yù)測模型動態(tài)修正性的研究主要是將統(tǒng)計學(xué)理論與不確定性分析、進化算法等相結(jié)合，例如陳曉懷[2]等提出基于貝葉斯模型研究的動態(tài)誤差實時修正方法，陳小祥[3]進行的基于貝葉斯概率城市土地利用動態(tài)變化模擬研究，以及基于傅里葉變換的質(zhì)量預(yù)測動態(tài)殘差修正模型等[4-6]。這些研究主要集中在統(tǒng)計學(xué)模型方面，針對用地空間布局模擬預(yù)測動態(tài)修正方法的研究較少[7-9]?；诖?，本文設(shè)計了一種動態(tài)修正的用地布局模擬預(yù)測方法，通過挖掘和利用新加入的樣本數(shù)據(jù)和同期預(yù)測值間的聯(lián)系對原預(yù)測結(jié)果進行修正，從而減少了預(yù)測工作量，提高了預(yù)測效率和預(yù)測成果的延用性。

1 研究思路及方法

1.1 用地模擬預(yù)測動態(tài)性分析

空間因子指對城市用地發(fā)展和變化有較大影響，具有空間特征的影響因子，主要包括地形地貌因子、區(qū)域因子、交通因子等。地形地貌因子主要包括城市坡度、坡向，山體等；區(qū)域因子主要包括城市中心點、城市行政區(qū)中心點等；交通因子主要包括城市環(huán)線、軌道交通線、城市主干路網(wǎng)、鐵路線、機場、交通換乘點等。

地形地貌因子是較為穩(wěn)定的一類空間因子，城市坡度、坡向，山體等屬于城市的自然屬性，一般不會輕易發(fā)生變化。城市邊界、城市行政區(qū)劃等區(qū)域因子，在一定時期內(nèi)變化較小，也屬較為穩(wěn)定的一類空間因子。與其他兩種因子相比，交通因子具有非穩(wěn)定性特點，隨著城市經(jīng)濟發(fā)展，人口不斷聚集，機動車保有量不斷上升，城市的交通壓力逐步增大，城市交通也逐步從路面交通向地下、路面、地上3層的立體式交通轉(zhuǎn)變，地下通道、高架立交不斷增加，輕軌地鐵也進入快速建設(shè)時期。因此，空間因子動態(tài)性主要體現(xiàn)在交通因子的動態(tài)性變化上。

1.2 用地布局模擬預(yù)測動態(tài)修正模型

本文將城市中心點、行政區(qū)中心點、都市發(fā)展區(qū)中心點、環(huán)線、主干路網(wǎng)、交通路網(wǎng)、軌道交通線、鐵路線、高程9個因子作為空間因子進行研究。首先，通過空間主成分分析對以上空間因子進行融合。根據(jù)§1.1中分析可知，空間因子的動態(tài)性主要集中在環(huán)線道路、主干交通路網(wǎng)和軌道交通等交通因子方面，因此，當(dāng)交通因子發(fā)生變化時，將各交通因子中新增的部分單獨提出并融合為一類空間因子，記為PC_traffic，將PC_traffic作為新主成分帶入CA模型進行運算。具體研究流程如圖1所示。

設(shè)原交通因子為P1、P2、…、Pn；新交通因子為變化的交通因子為p1、p2、…、pn；原有主成分空間因子為PC_DEM、PC1、PC2、…、PCn。

圖1 空間因子動態(tài)性修正流程圖

空間因子動態(tài)修正模型的驗證主要包括兩方面：

1）計算新融合的交通因子變化量PC_traffic與原主成分空間因子間的相關(guān)性，記為R。|R|介于0～1之間，通常|R|≥0.8表示高度相關(guān)；0.8＞|R|≥0.5表示中度相關(guān)；|R|≤0.5表示低度相關(guān)。本文中，若相關(guān)性較低，則說明PC_traffic可作為新的主成分空間因子帶入模型計算。

2）將新交通因子與城市區(qū)域因子和城市地形地貌因子進行主成分分析，融合為新主成分空間因子[10]。

3）將融合后得到的主成分空間因子帶入預(yù)測模型的模擬結(jié)果與將新融合的交通因子變化量PC_traffic與原有主成分空間因子作為變量帶入CA預(yù)測模型得到的結(jié)果進行比較，計算兩種結(jié)果的相似度，以驗證修正模型的可靠性。CA模型公式為：

4）評價模擬結(jié)果精度，通常采用Kappa系數(shù)表示，其計算公式為：

設(shè)柵格總像元數(shù)為n；真實柵格單元為1的像元數(shù)為a1，為0的像元數(shù)記為a0；模擬柵格單元記為1的像元數(shù)為b1，為0的像元數(shù)為b0；兩柵格對應(yīng)的相等像元數(shù)為s；則

Kappa計算結(jié)果通常是落在 0～1之間，可分5組表示不同級別的一致性：0～0.20時為極低一致性，0.21～0.40時為一般一致性，0.41～0.60時為中等一致性，0.61～0.80時為高度一致性，0.81～1時則幾乎為完全一致。

2 模型檢驗與結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)概況

武漢市地處江漢平原東部，長江中下游地帶與漢水交匯處，總面積為8 569.36 km2，截至2012年，武漢市共有常住人口1 012萬，國民生產(chǎn)總值8 003.82億 元（數(shù)據(jù)來源于《武漢市統(tǒng)計年鑒2013》）。本文依據(jù)2007年版《土地利用現(xiàn)狀分類》對土地進行分類，根據(jù)研究需要將耕地、園地、林地和草地歸并為一類，交通運輸用地除街巷用地外作為一類，水域及水利設(shè)施用地作為一類，其他土地中除空閑地以外的部分作為一類，一級地類中的公共管理與公共服務(wù)用地、住宅用地、商服用地、工礦倉儲用地、特殊用地及二級地類中的街巷用地、空閑地歸并為一類稱為城鎮(zhèn)村及工礦用地，同時對該類地進行二級劃分，分為城市用地、建制鎮(zhèn)用地、村莊用地、采礦和風(fēng)景名勝用地及特殊用地5類，如表1所示。

表1 武漢市2002～2012年各類土地數(shù)據(jù)表/km2

2.2 空間因子動態(tài)修正模型論證

作為國家中心城市之一，近年來，武漢市正在大規(guī)模進行城市建設(shè)。城市基礎(chǔ)道路、快速道路、地鐵等軌道交通設(shè)施處于快速建設(shè)階段，按照武漢軌道交通建設(shè)的近遠期規(guī)劃，截至2020年主城區(qū)線網(wǎng)規(guī)模將達到333 km，建成7條過江通道。位于漢口地區(qū)的武漢軌道交通1號線的一期線路于2004-09-28投入運營，二期工程也于2010-07-29投入運營；武漢地鐵2 號線一期工程于2012-12-28投入運營；地鐵4號線一期工程于2013年12月28日投入運營；目前已形成了約70 km的“工”字形軌道路網(wǎng)骨架，武漢三鎮(zhèn)除漢陽區(qū)外的7個主城區(qū)以及東西湖區(qū)實現(xiàn)軌道路網(wǎng)的連通。由于軌道交通1號線一期于2004年通車，二期于2009 年鋪軌，2010年正式通車；地鐵2號線于2006年底開建，2007年7月全線開工，2012年12月正式運行。因此研究中以2008年、2009年、2010年、2011年和2012年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

空間因子動態(tài)修正模型論證思路如下：首先將軌道交通1號線，地鐵2號線連同其他空間因子進行主成分分析，以2008年土地利用數(shù)據(jù)為基期數(shù)據(jù)，2009 年土地利用數(shù)據(jù)為末期數(shù)據(jù)，預(yù)測2012年各類土地規(guī)模與分布，記為方案1；再將軌道交通1號線與其他空間因子進行主成分分析，以地鐵2號線作為空間因子變量PC_traffic，以2008年土地利用數(shù)據(jù)為基期數(shù)據(jù)，2009年土地利用數(shù)據(jù)為末期數(shù)據(jù)，預(yù)測2012年各類土地規(guī)模與分布，記為方案2；最后比較兩種預(yù)測結(jié)果，驗證空間因子動態(tài)修正模型的可靠性。方案1主成分空間因子和方案2新增主成分空間因子PC_traffic如圖2所示。

圖2 主成分空間因子圖集

分別計算PC_traffic與PC1、PC2、PC3、PC4、PC5之間的相關(guān)系數(shù)，以確定PC_traffic與原各主成分空間因子間的相關(guān)性。PC_traffic與PC1之間相關(guān)系數(shù)為0.59，與PC2之間相關(guān)系數(shù)為-0.43，與PC3之間相關(guān)系數(shù)為-0.16，與PC4之間相關(guān)系數(shù)為-0.47，與PC5之間相關(guān)系數(shù)為0.54?？芍琍C_traffic與PC1和PC5正相關(guān)，與PC2、PC3、PC4負相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均小于0.6，因此PC_traffic與原主成分空間因子之間相關(guān)性較低。

方案1預(yù)測的2012年的各類土地規(guī)模布局如圖3。

圖3 空間因子動態(tài)性修正結(jié)果對比模擬圖

將方案2和方案1的預(yù)測結(jié)果進行比較得到，城市用地相似度為93.62%，建制鎮(zhèn)用地相似度為98.63%，村莊用地相似度為93.50%，采礦用地相似度為96.93%，風(fēng)景名勝及特殊用地相似度為95.72%，交通運輸用地相似度為81.81%，水域及水利設(shè)施用地相似度為98.74%，農(nóng)林地相似度為99.57%，其他用地面相似度為99.48%，兩方案的整體相似度為89.04%。綜上所述，經(jīng)空間因子動態(tài)修正模型修正的模擬結(jié)果與采用原方法進行模擬的結(jié)果之間具有較高的擬合度，證明該修正模型具有較高可靠性。

3 結(jié) 語

本文分析了用地布局模擬中的空間動態(tài)性因素，提出了用地布局模擬預(yù)測動態(tài)修正模型。經(jīng)過實例論證，該模型具有較高的可靠性，經(jīng)過修正的結(jié)果具有較高的精度，能替代基于新數(shù)據(jù)重新預(yù)測的結(jié)果。本文對用地布局模擬預(yù)測動態(tài)修正方面進行了初探。下一步可在此基礎(chǔ)上對國家、地方層面的相關(guān)政策、法規(guī)等控制因子的動態(tài)性進行研究；還可將本文的研究思路和方法應(yīng)用到人口、經(jīng)濟、交通等其他領(lǐng)域的模擬預(yù)測研究中。

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P208

B

1672-4623（2016）07-0006-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.002

孟成，博士，主要研究方向為土地資源管理和地理信息。

2016-01-22。

項目來源：教育部人文社會科學(xué)研究項目青年基金資助項目（15YJC630093）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2015M582229）。