基于地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)的贊皇縣用地演變模擬試驗(yàn)

（中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

0 引言

地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)（Geographical Simulation and Optimization System，GeoSOS）理論，是根據(jù)黎夏教授、葉嘉安院士、劉小平教授及其團(tuán)隊(duì)多年來在地理元胞自動(dòng)機(jī)、多智能體建模和空間優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上，由黎夏教授提出。該系統(tǒng)耦合了地理模擬和空間優(yōu)化等模型，用于模擬、預(yù)測和優(yōu)化復(fù)雜地理格局和過程，可彌補(bǔ)GIS在空間過程模擬和優(yōu)化方面的功能不足[1]。

2018年在河北省贊皇縣“多規(guī)合一”項(xiàng)目的實(shí)踐過程中，贊皇“五線”劃定為空間管控的核心，針對城鄉(xiāng)建設(shè)用地演變、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定等相關(guān)問題，運(yùn)用ANN-CA元胞自動(dòng)機(jī)模型作為理論模型，以主要交通線、中心距離、高程、坡度等空間變量作為區(qū)位因素的影響因子，以坡度25%以上、生態(tài)紅線、基本農(nóng)田紅線等禁止開發(fā)用地作為全局限制約束條件，在GeoSOS的支持下，對贊皇的城鄉(xiāng)建設(shè)用地演變過程進(jìn)行模擬，獲取控制性參數(shù)，對贊皇縣城鄉(xiāng)用地演變進(jìn)行模擬試驗(yàn)，可為未來贊皇國土空間規(guī)劃特別是“三區(qū)三線”的劃定提供參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 研究對象概況

贊皇縣地處太行山東麓，河北省西南邊陲，坐標(biāo)位置在北緯 37°26′～37°46′，東經(jīng) 114°2′～114°31′。本次研究確定以贊皇全縣域（行政區(qū)面積893km2）為研究范圍，城鄉(xiāng)建設(shè)用地由2009年55.07km2增加到2015年60.29km2，研究對象城鄉(xiāng)建設(shè)用地整體處于空間擴(kuò)張狀態(tài)。在《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》中，2017年贊皇被納入國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，因此城鄉(xiāng)建設(shè)用地的開發(fā)與布局受到嚴(yán)格控制。

1.2 GeoSOS軟件介紹

GeoSOS由3個(gè)重要模塊組成：地理元胞自動(dòng)機(jī)（CA）、多智能體系統(tǒng)（MAS）、生物智能（SI）。其中地理元胞自動(dòng)機(jī)模塊包含了常用的CA模型，包括ANN-CA、DT-CA和Logistic-CA等。這些模型可有效進(jìn)行地理模擬，同時(shí)GeoSOS能根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，自動(dòng)獲取最佳模型參數(shù)[2]?；谠撓到y(tǒng)模擬耦合能力，可為復(fù)雜資源環(huán)境的模擬和優(yōu)化提供便利的過程分析工具。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對于前期獲取的各類空間數(shù)據(jù)需進(jìn)行一定的前期處理才能符合GeoSOS for ArcGIS軟件運(yùn)行的要求。目前元胞自動(dòng)機(jī)模擬多使用經(jīng)典的格網(wǎng)CA模擬，因此使用的贊皇土地利用數(shù)據(jù)（2009，2014，2015年）和空間因子數(shù)據(jù)均為柵格數(shù)據(jù)類型。

數(shù)據(jù)預(yù)處理中保持處理后的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的空間范圍；對贊皇的土地?cái)?shù)據(jù)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)利用ArcGIS的重分類工具進(jìn)行重分類操作；空間影響因子進(jìn)行歸一化處理，處理為ArcGIS可讀取的柵格格式，并保證分辨率和空間范圍與土地利用分類數(shù)據(jù)一致。

1.4 影響因子

本文采用的空間影響因子變量有：與贊皇中心城區(qū)的距離和與贊皇主要交通線的距離。城鄉(xiāng)建設(shè)用地與非城鄉(xiāng)建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)換除受空間變量影響外，還受一些全局限制約束條件的影響。本文模型中考慮了其他約束條件，即坡度25%以上、高程1 500m以上、生態(tài)紅線范圍以內(nèi)、基本農(nóng)田紅線范圍以內(nèi)。如果某個(gè)元胞處于坡度大于25%、高程1 500m以上、生態(tài)紅線范圍以內(nèi)、基本農(nóng)田紅線范圍以內(nèi)，則認(rèn)為該元胞不能向城鄉(xiāng)建設(shè)用地元胞發(fā)生轉(zhuǎn)換。

2 基于ANN-CA轉(zhuǎn)換規(guī)則的模擬過程

2.1 ANN-CA運(yùn)行原理及參數(shù)設(shè)計(jì)

ANN-CA模型是指將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial NeuralNetwork，簡稱ANN）與CA結(jié)合的土地利用變化預(yù)測模型。其原理是將土地利用變化的相關(guān)影響因素作為ANN的神經(jīng)元，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練自動(dòng)獲取CA局部轉(zhuǎn)換規(guī)則的參數(shù)值（見圖1）。

圖1 ANN-CA模型原理

模型運(yùn)行依據(jù)地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)，具體訓(xùn)練數(shù)據(jù)為從2009年贊皇縣土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中對整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行5%的分層抽樣，獲得5 168條單元數(shù)據(jù)，模型運(yùn)行起始前對用地類型轉(zhuǎn)化方向進(jìn)行以下限制：規(guī)定耕地、林地、水域在模擬過程中不可轉(zhuǎn)化為其他類型用地，城鄉(xiāng)建設(shè)用地、園地、未利用地可相互轉(zhuǎn)化，也可向耕地林地轉(zhuǎn)化；水域與其他用地類型轉(zhuǎn)化不可相互轉(zhuǎn)化。贊皇各類用地相互轉(zhuǎn)變的適宜性參數(shù)如圖2所示。

圖2 適宜性參數(shù)設(shè)置

2.2 ANN-CA訓(xùn)練模擬過程

CA模型的核心內(nèi)容是定義轉(zhuǎn)換規(guī)則，該模型的全部模擬過程均受到轉(zhuǎn)換規(guī)則的控制。每個(gè)元胞從t時(shí)刻到t+1時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)變根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則決定。ANN-CA采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提取贊皇土地利用變化規(guī)則，然后將規(guī)則用于后續(xù)的模擬和預(yù)測中。

在ANN-CA的訓(xùn)練階段，通過抽樣數(shù)據(jù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲得網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值。其中輸入數(shù)據(jù)為：影響贊皇土地利用變化的交通因子、中心距離因子、DEM因子，鄰域窗口內(nèi)各土地利用類型統(tǒng)計(jì)值，以及當(dāng)前土地利用類型。輸出值為各種土地利用類型的概率值。

在ANN-CA模擬階段，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到應(yīng)轉(zhuǎn)換的類型，判別當(dāng)前柵格是否可以轉(zhuǎn)換并達(dá)到終止條件結(jié)束模擬過程。模擬時(shí)通過ANN得到所有用地類型的概率值，最大值對應(yīng)需轉(zhuǎn)換的土地利用類型，再進(jìn)行閾值比較等判別，決定是否可以轉(zhuǎn)換。

在GeoSOS軟件中進(jìn)行基ANN-CA的建模：

式中，元胞k時(shí)刻t第l種土地利用類型轉(zhuǎn)換概率P=隨機(jī)因素×人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算概率×鄰域發(fā)展密度×轉(zhuǎn)換適宜性；(1+(-lnγ)α)為隨機(jī)因素；Pann（k,t,l）為使用已訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的某種土地利用類型的轉(zhuǎn)換概率；Ωtk為所定義鄰域窗口中城市用地的密度，即城市用地元胞總數(shù)/鄰域窗口柵格總數(shù)；con（Stk）為兩兩土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換適宜性，值為1和0，分別代表可以轉(zhuǎn)換和不能轉(zhuǎn)換。

最后計(jì)算得到的概率再與設(shè)定的0～1之間的轉(zhuǎn)換閾值Threshold進(jìn)行比較，如果大于等于閾值則發(fā)生土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換[3]。

2.3 Kappa系數(shù)驗(yàn)證

Kappa系數(shù)檢驗(yàn)法由Cohen于1960年提出，該方法能較好地驗(yàn)證模擬精度。公式如下：

式中，P0，Pc，Pp分別表示正確的模擬比例、隨機(jī)條件期望下的模擬比例和理想狀態(tài)下模擬比例（一般情況下取1）；n1，n，N分別表示現(xiàn)狀柵格總數(shù)、模擬正確的柵格數(shù)和土地利用類型數(shù)量。

當(dāng)Kappa系數(shù)＜0.4時(shí)，說明模擬柵格與實(shí)際情況相差較大，模擬精度較差，模擬結(jié)果不可信；當(dāng)0.40≤Kappa＜0.75時(shí)，說明模擬柵格與實(shí)際情況一致性一般，模擬精度一般，模擬結(jié)果可信度一般；當(dāng)Kappa系數(shù)≥0.75時(shí)，說明模擬柵格結(jié)果與實(shí)際情況匹配程度很好，模擬精度很高，模擬結(jié)果可信度高。

根據(jù)模擬的結(jié)果，Kappa系數(shù)為0.995，匹配程度很好，模擬結(jié)果可信。

2.4 實(shí)例結(jié)果

通過GeoSOS for ArcGIS軟件中多時(shí)段土地利用數(shù)據(jù)分析工具得到2009—2015年贊皇縣土地利用變化狀況，通過混淆矩陣模對贊皇縣用地現(xiàn)狀的分析與研究，得出贊皇各類用地的分布很有規(guī)律，其分布特征與高程、坡度等因子關(guān)系密切。

地類空間分布主要表現(xiàn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地分布零散，且由東往西隨海拔坡度的增長而減少，中心城區(qū)在縣域東部；林地集中分布在縣域西部地區(qū)、耕地集中在中東部地區(qū)且圍繞城鄉(xiāng)建設(shè)用地分布在東部和中部。2009—2015年之間，各地類向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化比較活躍，是贊皇城鄉(xiāng)建設(shè)用地快速擴(kuò)張的幾年，土地開發(fā)速度與強(qiáng)度增大較為明顯。

3 結(jié)語

本文以贊皇縣全縣域土地為研究對象，基于GeoSOS for ArcGIS平臺(tái)，對贊皇2009年和2014年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)柵格化處理，分析贊皇縣2009到2014年全縣域各地類相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過程，探求贊皇縣土地利用類型變化與各類影響因子之間的相互關(guān)系，以期探究各類影響因子對贊皇土地利用變化的影響規(guī)律。構(gòu)建ANN-CA模型對贊皇2015年用地情況進(jìn)行模擬，并以Kappa系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并對贊皇2020年用地情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，為贊皇未來國土空間規(guī)劃及政策制定提供參考。