基于CA-Markov的雄安新區(qū)城市增長(zhǎng)模擬預(yù)測(cè)

薛 燕，李曉丹，張倩倩

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100089)

隨著遙感數(shù)據(jù)和模型理論的發(fā)展，城市空間增長(zhǎng)模型得到廣泛應(yīng)用，Markov模型和CA(Cellular Automata)模型是目前預(yù)測(cè)城市增長(zhǎng)較為常用的方法[1]。Markov模型擅長(zhǎng)時(shí)間維度上的數(shù)據(jù)分析與模擬，CA模型擅長(zhǎng)空間維度上的城市增長(zhǎng)模擬，兩者有效結(jié)合可發(fā)揮自身長(zhǎng)處，提高模擬精度[2]。目前，CA-Markov模型在分析和模擬城市增長(zhǎng)方面取得了良好的效果，榮月靜等[3]利用CA-Markov模型對(duì)南京市2025年城市增長(zhǎng)狀況進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示模擬精度較高，預(yù)測(cè)效果良好。2017年國(guó)家設(shè)立雄安新區(qū)，初始規(guī)劃將涉及土地開發(fā)利用和建設(shè)用地分布等基礎(chǔ)規(guī)劃問(wèn)題，目前研究領(lǐng)域?qū)π聟^(qū)相關(guān)方面的規(guī)劃探討數(shù)據(jù)還不完善，而且尚沒(méi)有人運(yùn)用CA-Markov模型對(duì)雄安新區(qū)的城市增長(zhǎng)進(jìn)行研究。所以本文運(yùn)用CA-Markov模型，結(jié)合遙感、GIS軟件對(duì)雄安新區(qū)前身2007年到2017年城市增長(zhǎng)進(jìn)行模擬，得到城市增長(zhǎng)轉(zhuǎn)換規(guī)則，以此模擬2027年新區(qū)增長(zhǎng)狀況。分析模擬結(jié)果，并提出相應(yīng)的規(guī)劃建議。

1 CA-Markov模型

CA-Markov模擬除了上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率還需要狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。假設(shè)事物發(fā)展的過(guò)程有n種可能的狀態(tài)，即E1，E2，…，En，記作Pij為狀態(tài)Ei轉(zhuǎn)為狀態(tài)Ej的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，表示為：

(1)

2 雄安新區(qū)的城市增長(zhǎng)模擬

2.1 研究范圍

雄安新區(qū)，涉及河北省雄縣、榮城、安新3縣及周邊地區(qū)[6]，地處北京、天津、保定腹地。雄縣總面積524 km2，安新總面積738 km2，榮城總面積323 km2，三縣與北京、天津的距離約110 km，2015年三縣的戶籍人口113萬(wàn)人，GDP總量211億元(查閱2015年河北省年鑒所得)。模擬范圍是包括三個(gè)行政縣在內(nèi)的整體區(qū)域范圍。

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

模擬采用的土地利用數(shù)據(jù)源為2007年和2017年TM影像，在ERDAS IMA GINE9.2軟件的支持下，對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行假彩色合成和輻射糾正處理，結(jié)合監(jiān)督分類和人際交互綜合釋譯法，完成遙感影像的土地利用分類解譯[7]。根據(jù)新區(qū)土地利用現(xiàn)狀和特點(diǎn)，共分為水體、耕地、濕地、水田、林地、建設(shè)用地等六類。最后，在ArcGIS9.2的支持下，形成2007年和2017年土地利用數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)為grid格式，用于空間疊加運(yùn)算[8]。

2.3 城市增長(zhǎng)模擬

以雄安新區(qū)2007年和2017年的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)2027年新區(qū)城市增長(zhǎng)進(jìn)行模擬。

(1) 確定轉(zhuǎn)換規(guī)則。在CA-Markov模型運(yùn)算下，對(duì)新區(qū)2007年—2017年城市增長(zhǎng)進(jìn)行模擬，得出轉(zhuǎn)移概率矩陣(見表1)。矩陣包含2007年到2017年土地利用變化的規(guī)則，依據(jù)既得的規(guī)則，可模擬雄安新區(qū)未來(lái)10 a土地利用發(fā)展趨勢(shì)。

(2) 創(chuàng)建適宜性圖集。運(yùn)用CA-Markov模型中MCE模塊生成地圖集，它包含一種運(yùn)算法則，運(yùn)算法則中土地利用的變化受到多種因子的影響，如土壤性質(zhì)、坡度、道路、限制建設(shè)圖層等[3]。

(3) 確定CA-Markov過(guò)濾器。細(xì)胞的生長(zhǎng)受到周邊環(huán)境的影響，將5×5的過(guò)濾器作為元細(xì)胞組成的基本矩陣，通常5×5是具有密切影響的一種鄰里狀態(tài)空間。

(4) 確定循環(huán)次數(shù)。將2017年的土地利用定義為原始時(shí)刻，CA-Markov的循環(huán)次數(shù)取10，即可模擬得出2027年雄安新區(qū)土地利用的狀況。

(5) 測(cè)試CA-Markov模擬測(cè)試的精度?；贙appa空間相關(guān)統(tǒng)計(jì)的土地利用數(shù)據(jù)集，所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精度為0.865，證明這兩個(gè)數(shù)據(jù)集有很高的精度。

3 雄安新區(qū)城市增長(zhǎng)結(jié)果

三個(gè)年份具體土地利用數(shù)據(jù)(見表2)，城市增長(zhǎng)變化(見圖1)。模擬得到的2027年土地利用狀況中，變化最明顯的是耕地面積、白洋淀水域面積的大幅度減少和建設(shè)面積的顯著增加。具體而言，白洋淀水域面積的減少主要位于水域中部，水域的形態(tài)在2007年時(shí)整個(gè)片區(qū)較為連續(xù)，之后20 a水域的邊界都向內(nèi)收進(jìn)，尤其是原來(lái)水域的腹部區(qū)域向南北收進(jìn)明顯，橫向上向西邊擴(kuò)張，整體呈現(xiàn)出較為分散的形態(tài)。建設(shè)用地急劇增加，20 a的漲幅達(dá)到400%，增速為1 508.2 hm2/a。2007年到2017年建設(shè)用地的分布主要集中于榮城、雄縣、安新縣的縣政府中央，輻射半徑逐漸擴(kuò)大。2027年建設(shè)用地在雄縣和榮城縣及其以北的區(qū)域顯著增加，雄安新區(qū)北部區(qū)域聚集了約整個(gè)新區(qū)3/4的建設(shè)用地(見圖2)。濕地的面積在這20 a間以每年308.9 hm2的速度持續(xù)增加，增加的濕地面積多數(shù)由原有的水域面積轉(zhuǎn)換而來(lái)，形態(tài)上呈現(xiàn)由分散到整合的態(tài)勢(shì)。水田的面積變化與濕地相似，增速為541.3 hm2/a，形態(tài)上在原有基礎(chǔ)上有規(guī)律地向外擴(kuò)張。耕地面積則由原來(lái)85.5%的占比到2027年53.7%的占比呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，減少區(qū)域集中在雄安新區(qū)的北部，這里與北京毗鄰。林地的面積有所增加，形態(tài)變化無(wú)序。

表1土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表2 2007年、2017年、2027年土地利用數(shù)據(jù)

圖1雄安新區(qū)城市生長(zhǎng)變化

4 結(jié) 論

圖2 2007年，2017年，模擬2027年雄安建設(shè)用地

以雄安新區(qū)2007年和2017年TM影像為基礎(chǔ)，在GIS技術(shù)的支持下，利用遙感解譯和CA-Markov模型模擬了新區(qū)未來(lái)10 a的城市增長(zhǎng)。結(jié)果表明白洋淀水域面積的大幅度減少，分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和相關(guān)政策可知這是由于供水量不足[9]，地下水超采、雨水利用不合理造成的。因此相關(guān)部門應(yīng)重視對(duì)水量上的補(bǔ)給，從周邊恰當(dāng)?shù)乃刺幎〞r(shí)引流，直接有效地增加水量，嚴(yán)格控制水量的輸出[10]。同時(shí)，可以利用海綿城市原理，將降落到地面和建筑物的自然雨水通過(guò)有效的途徑收集起來(lái)，通過(guò)凈水措施處理后，恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間段內(nèi)輸送給水域，形成一套完整的水域處理和貯存供給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雨水利用的最大化，緩解白洋淀水域急劇減少的現(xiàn)狀。模擬顯示，建設(shè)用地急劇增加，且雄安新區(qū)北部區(qū)域聚集了約整個(gè)新區(qū)3/4的建設(shè)用地，一方面是由于北京通往雄安新區(qū)的交通為人口涌入帶來(lái)便利，另一方面是由于新區(qū)北部?jī)蓷l重要交通干線的聚集，這就造成了區(qū)域土地開發(fā)分布的嚴(yán)重不平衡。所以在城市規(guī)劃層面上建議在新區(qū)西南部增設(shè)交通要道，使整個(gè)區(qū)域均衡協(xié)調(diào)發(fā)展[11]。模擬可知新區(qū)未來(lái)10 a，城鄉(xiāng)水田占比增加，耕地占比減少，總體可種植區(qū)域?qū)⒋蠓鶞p少，糧食安全問(wèn)題值得重視[12]。因此，在大規(guī)模的城市開發(fā)建設(shè)中，保護(hù)優(yōu)質(zhì)土壤則成為重中之重[13]。具體而言，政府或企業(yè)在城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)之前應(yīng)對(duì)土質(zhì)狀況進(jìn)行等級(jí)評(píng)估，根據(jù)特定的土壤特征進(jìn)行合理的開發(fā)、利用、改良，確保耕地開發(fā)與耕地保護(hù)的均衡性[14]。同時(shí)，模擬區(qū)域內(nèi)林地的面積有所增加，但整個(gè)區(qū)域林地面積嚴(yán)重不足，形態(tài)變化無(wú)序，這基本是由于林地建設(shè)多為私人承包造成，因此相關(guān)部分應(yīng)加強(qiáng)林地統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)[15]。

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