基于CA-Markov模型的南昌市城市擴(kuò)張合理性研究

楊 楚 燕

(杭州師范大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，311121，杭州)

0 引言

城市土地作為城市形成和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托，其擴(kuò)張的合理性一直備受我國(guó)土地利用規(guī)劃和城市規(guī)劃的重點(diǎn)關(guān)注[1-3]。若擴(kuò)張過(guò)慢，將會(huì)阻礙城市經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)；擴(kuò)張過(guò)快，容易產(chǎn)生城市土地資源粗放利用，城市無(wú)序擴(kuò)張，市郊農(nóng)田被占用、污染，生態(tài)環(huán)境破壞等問(wèn)題，甚至威脅我國(guó)未來(lái)糧食安全[4-7]。

現(xiàn)有關(guān)于城市擴(kuò)張合理性的研究方法，主要包括：1)計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型，如孟鵬[8]等通過(guò)構(gòu)建城鎮(zhèn)最佳規(guī)模分析模型和發(fā)展適度性判斷模型研究三大城市群的合理規(guī)模，舒幫榮[9]等使用C-D生產(chǎn)函數(shù)、成本效益曲線分析太倉(cāng)市城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張合理規(guī)模，康靖[10]等利用成本效益模型研究河西走廊地級(jí)市合理城市用地規(guī)模，余慶年[11]等使用回歸模型對(duì)我國(guó)各級(jí)城市用地規(guī)模進(jìn)行合理性比較分析。2)綜合評(píng)價(jià)模型，如詹長(zhǎng)根[12]、劉穎[13]均通過(guò)構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，再引入?yún)f(xié)調(diào)系數(shù)綜合評(píng)價(jià)城市擴(kuò)張的合理性。3)元胞自動(dòng)機(jī)模型，如蘇偉忠[14]等、龍瀛[15]等、徐康[16]等從限制城市擴(kuò)張的因素出發(fā)，采用元胞自動(dòng)機(jī)模型來(lái)模擬城市擴(kuò)張演變，劃定合理的城市擴(kuò)張邊界。以上方法均存在一定程度的缺陷，如容易產(chǎn)生考慮因素不全面，無(wú)法表現(xiàn)和處理不能量化的因素，主觀因素影響大，僅從數(shù)量或空間單一角度進(jìn)行研究，具有片面性。而CA-Markov模型綜合了元胞自動(dòng)機(jī)(CA)和馬爾科夫(Markov)的優(yōu)點(diǎn)，可以長(zhǎng)期有效地監(jiān)測(cè)土地利用規(guī)模變化，提高土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的預(yù)測(cè)精度，是研究時(shí)間、空間規(guī)模變化最有效的方法[17]。

1 研究區(qū)概況

南昌市是江西省的省會(huì)城市，是連接長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的省際交通廊道。至2018年，南昌市城鎮(zhèn)常住人口由上年的546.35萬(wàn)人增長(zhǎng)到554.55萬(wàn)人，城鎮(zhèn)居民人均住房建筑面積為38.27 m2，常住人口城鎮(zhèn)化率為74.23%，城鎮(zhèn)人口不斷增加，城鎮(zhèn)化水平正在穩(wěn)步提升。南昌市經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)態(tài)良好，全年實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)5 274.67億元，比上年增長(zhǎng)8.9%[18]。作為長(zhǎng)江中游城市群中心城市之一的南昌市，交通便利，不僅是江西最重要的綜合交通樞紐，在全國(guó)也具有重要的交通地位。而近年來(lái)，工業(yè)化帶動(dòng)城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致城市用地出現(xiàn)“攤大餅”式粗放利用土地的方式，這不僅與我國(guó)節(jié)約集約利用土地的理念是相悖的，更是帶來(lái)了一系列負(fù)面影響，諸如：社會(huì)治安混亂、住房緊張、配套基礎(chǔ)設(shè)施落后、農(nóng)用地(尤其是耕地)大量流失、社會(huì)結(jié)構(gòu)趨向不合理以及出現(xiàn)能源危機(jī)。因此，有必要采取恰當(dāng)?shù)姆绞窖芯砍鞘袛U(kuò)張的合理性，提高城市土地利用效率，優(yōu)化城市土地資源配置。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究方法

CA-Markov模型主要通過(guò)IDRISI軟件實(shí)現(xiàn)，綜合了CA模型復(fù)雜空間系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演變及Markov模型時(shí)間動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。CA模型元胞數(shù)量的轉(zhuǎn)化規(guī)則遵從利用Markov模型構(gòu)建的土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣，這不僅便于在數(shù)量上和空間格局上模擬土地利用時(shí)空演變狀況，還可以高效提升轉(zhuǎn)換概率的精確度，使得模擬結(jié)果的土地利用空間格局更加合理[19]。本文借助CA-Markov模型來(lái)模擬南昌市城鎮(zhèn)用地動(dòng)態(tài)演變狀況，預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)，對(duì)于分析城市用地?cái)U(kuò)張的合理性、優(yōu)化土地資源配置具有重大作用。操作步驟如下。

1)借助ArcGIS將1995年、2005年、2015年的土地利用現(xiàn)狀的.shp文件轉(zhuǎn)為.tif文件，使用IDRISI軟件將.tif文件轉(zhuǎn)為.rst格式的文件，將這3期的土地利用現(xiàn)狀圖使用reclass功能重分類使得影像分類更加清晰。

2)用1995年、2005年的影像獲取馬爾科夫矩陣，用1995年的影像作為轉(zhuǎn)換矩陣的前一期影像，2005年的影像作為后一期影像，比例誤差設(shè)置為0.15，獲取的馬爾科夫矩陣記錄了在下一個(gè)時(shí)期，從每個(gè)土地利用類型轉(zhuǎn)換為其他土地利用類型的概率。

3)實(shí)現(xiàn)CA-Markov模型預(yù)測(cè)，用2005年影像作為依據(jù)影像來(lái)模擬2015年土地利用變化，通過(guò)適宜性圖集、馬爾科夫轉(zhuǎn)換矩陣面積文件輔助，將元胞自動(dòng)機(jī)的循環(huán)次數(shù)設(shè)置為10，得到模擬的2015年土地利用變化數(shù)據(jù)。

4)將模擬產(chǎn)生的2015年土地變化數(shù)據(jù)與實(shí)際的2015年土地利用數(shù)據(jù)使用IDRISI軟件的CROSSTAB功能進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，得出的Kappa指數(shù)在0～1之間，數(shù)值越接近1，精度越高。

5)使用2015年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)2025年的土地利用狀況。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文研究主要采用南昌市1995年、2005年、2015年土地利用數(shù)據(jù)。一些其他的輔助數(shù)據(jù)信息主要通過(guò)查閱《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《江西統(tǒng)計(jì)年鑒》《南昌市統(tǒng)計(jì)年鑒》獲得[20-22]。

2.2.1 確定土地利用分類標(biāo)準(zhǔn) 由于研究土地的目標(biāo)各有不同，對(duì)土地分類的劃分差異也是非常大。為了提高研究的精確性，需要按照研究區(qū)實(shí)際情況對(duì)土地利用分類系統(tǒng)進(jìn)行分類調(diào)整[23]。本文在對(duì)南昌市土地利用類型充分了解的情況下，結(jié)合所要探究的實(shí)際問(wèn)題，參考張亞麗等對(duì)于土地分類的研究[24]，把南昌市的土地劃分為耕地、建設(shè)用地、林地、草地、水域、其他用地。草地面積比較小，所以把草地歸類至耕地。具體分類情況如表1所示。

表1 土地利用分類表

2.2.2 土地重分類處理 通過(guò)使用ArcGIS軟件，對(duì)南昌市1995年、2005年、2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類處理。處理操作包括將值組合、舊值賦新值、缺失值更改為Notdata等操作，重分類結(jié)果如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 界定擴(kuò)張區(qū)域范圍分析

本文借鑒Ferreira[25]提出的界定擴(kuò)張區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)，即城市用地周邊界限劃分在考慮土地登記數(shù)據(jù)以及空氣環(huán)境因素和公共事業(yè)地役權(quán)的情況下，通過(guò)判斷基礎(chǔ)設(shè)施的道路網(wǎng)絡(luò)和其他建設(shè)用地的情況劃定界限。結(jié)合南昌市的基礎(chǔ)道路設(shè)施情況和城鎮(zhèn)用地做恰當(dāng)調(diào)整。借助ArcGIS軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)擴(kuò)張區(qū)域范圍的界定，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

(a)1995年 (b)2005年

(c)2015年

圖2 2025年城鎮(zhèn)建設(shè)用地預(yù)測(cè)圖

2025年南昌市城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展區(qū)域主要沿原有城鎮(zhèn)用地向四周發(fā)散蔓延，其中新建區(qū)和南昌縣處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展期，城鎮(zhèn)化也在加快腳步進(jìn)行，發(fā)展了連續(xù)大面積的城鎮(zhèn)用地，易于形成集聚經(jīng)濟(jì)。安義縣和進(jìn)賢縣與主城區(qū)(主要包括青山湖區(qū)、青云譜區(qū)、東湖區(qū)、西湖區(qū)和灣里區(qū))距離較遠(yuǎn)、受主城區(qū)輻射影響弱，城鎮(zhèn)化水平較低，未來(lái)還具有較大的發(fā)展空間。

3.2 CA-Markov模型模擬城鎮(zhèn)擴(kuò)張分析

使用IDRISI軟件CA-Markov模型預(yù)測(cè)，用2005年的南昌市土地利用現(xiàn)狀圖作為依據(jù)模擬2015年南昌市土地利用現(xiàn)狀，通過(guò)精度評(píng)價(jià)得到的Kappa指數(shù)為0.814 1，模擬結(jié)果精度高。因此，再次利用修正的CA-Markov模型使用2015年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)2025年的南昌市的土地利用狀況。預(yù)測(cè)成果如圖3所示。

圖3 CA-Markov模型預(yù)測(cè)圖

由預(yù)測(cè)圖分析可知，南昌市城鎮(zhèn)用地(深色)發(fā)展依舊主要沿著贛江兩岸向外擴(kuò)張，城鎮(zhèn)用地趨向規(guī)模利用，新建區(qū)、安義縣、南昌縣、進(jìn)賢縣各個(gè)縣中單塊零散的城鎮(zhèn)用地不斷聚集起來(lái)，形成新的城鎮(zhèn)用地中心地塊向四周擴(kuò)張。在一定程度上來(lái)說(shuō)，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張“攤大餅”的現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)。

3.3 城市擴(kuò)張合理性分析

3.3.1 整體合理性分析 將IDRISI軟件預(yù)測(cè)得到的2025年的.rst格式的土地利用狀況數(shù)據(jù)使用Arcraster功能轉(zhuǎn)為ASCII碼，使用ArcGIS軟件的轉(zhuǎn)換工具將ASCII碼轉(zhuǎn)成30 m×30 m大小尺寸柵格文件，利用轉(zhuǎn)換工具將.tif格式文件轉(zhuǎn)換為.shp格式文件。從預(yù)測(cè)的2025年土地利用現(xiàn)狀圖中提取出城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)，與根據(jù)界定城鎮(zhèn)擴(kuò)張區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)確定的合理擴(kuò)張區(qū)域疊置，進(jìn)行合理性分析(圖4)。

圖4 合理性分析圖

由圖4可知，使用CA-Markov模型計(jì)算出來(lái)的2025年城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布基本符合界定城市擴(kuò)張區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)的擴(kuò)張范圍。南昌市的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張宏觀走向?yàn)闁|南-西北走向，城鎮(zhèn)用地沿贛江兩岸向外擴(kuò)張，由主城區(qū)向外擴(kuò)張。這主要是因?yàn)槟喜鞒菂^(qū)內(nèi)的青山湖區(qū)、東湖區(qū)、西湖區(qū)、青云譜區(qū)是南昌市最早開(kāi)始城市化的地區(qū)，城鎮(zhèn)用地水平遙遙領(lǐng)先其他地區(qū)，城鎮(zhèn)化水平高，可再利用的土地面積有限，而灣里區(qū)位于山脈地段，多發(fā)展風(fēng)景名勝、森林用地，所以，南昌市主城區(qū)未來(lái)城鎮(zhèn)用地再擴(kuò)張的面積十分有限，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張以主城區(qū)為基點(diǎn)向四周蔓延。

3.3.2 區(qū)域合理性分析 使用合理性分析圖的屬性數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)域疊置面積和占比情況(圖5、圖6)，來(lái)分析南昌市各區(qū)域城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張的合理性。

圖5 重疊面積

圖6 占比情況

根據(jù)界定城鎮(zhèn)擴(kuò)張區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)確定的合理擴(kuò)張區(qū)域與CA-Markov模型模擬的南昌市2025年城鎮(zhèn)建設(shè)用地重疊面積大，其中又以南昌市(主城區(qū))和新建區(qū)、南昌縣疊置面積居多。進(jìn)賢縣(20.73 km2)和安義縣(39.86 km2)重疊面積較小，主要是由于進(jìn)賢縣和安義縣與南昌市城區(qū)距離較遠(yuǎn)、輻射效應(yīng)弱。新建區(qū)的重疊面積高達(dá)131.49 km2，南昌市(主城區(qū))為116.88 km2、南昌縣為64.96 km2。由此可見(jiàn)，南昌市的城鎮(zhèn)發(fā)展主要集中在南昌市(主城區(qū))、新建區(qū)和南昌縣。而南昌市(主城區(qū))可供城鎮(zhèn)用地再擴(kuò)張的空間不大，新建區(qū)地域面積廣闊、距離南昌市主城區(qū)相對(duì)較近、擁有得天獨(dú)厚的地理位置(鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)中心位置)、區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，與南昌市城區(qū)融為一體，南昌縣地形平坦、地處鄱陽(yáng)湖平原、與南昌市城區(qū)交界線長(zhǎng)、交通便利、具備良好的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，未來(lái)南昌市城鎮(zhèn)用地發(fā)展方向?qū)⒅饕獮樾陆▍^(qū)和南昌縣。

綜上所述，南昌市的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張基本符合發(fā)展規(guī)律，主城區(qū)領(lǐng)跑城鎮(zhèn)擴(kuò)展的發(fā)展進(jìn)程。新建區(qū)、南昌縣受主城區(qū)的輻射影響較大、且有政策支持，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展速度快，距離主城區(qū)較遠(yuǎn)的進(jìn)賢縣和安義縣具有較大的城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿εc空間。

4 結(jié)論

1)根據(jù)界定擴(kuò)張區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)，使用2015年南昌市城鎮(zhèn)用地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)南昌市2025年城鎮(zhèn)用地的合理規(guī)模，預(yù)測(cè)得到的南昌市2025年城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張區(qū)域的面積為785.82 km2，城鎮(zhèn)建設(shè)用地沿贛江兩岸分布，擴(kuò)張主要是在原有城鎮(zhèn)用地的基礎(chǔ)上向外擴(kuò)張。

2)通過(guò)使用IDRISI軟件的Markov模型獲取了馬爾科夫矩陣、CA-Markov模型用2005年南昌市土地利用現(xiàn)狀圖模擬2015年南昌市土地利用現(xiàn)狀，將模擬得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)得到的Kappa指數(shù)為0.814 1，表明模型模擬精度較高，與實(shí)際數(shù)據(jù)接近。因此，保持該模型的參數(shù)和設(shè)置不變來(lái)預(yù)測(cè)南昌市2025年土地利用現(xiàn)狀具有較高的可信度。

3)通過(guò)城鎮(zhèn)擴(kuò)張預(yù)測(cè)圖合理性分析可知，CA-Markov模型模擬得到的2025年南昌市城鎮(zhèn)用地在2025年南昌市城鎮(zhèn)用地合理規(guī)模范圍之內(nèi)，重疊面積中非主城區(qū)以新建區(qū)和南昌縣居多，分別為131.49 km2和64.96 km2，說(shuō)明未來(lái)南昌市的城鎮(zhèn)用地發(fā)展主要是集中在新建區(qū)和南昌縣。這一結(jié)果與《南昌市城市總體規(guī)劃2016-2035年》綱要方案規(guī)劃發(fā)展方向一致，未來(lái)南昌市城鎮(zhèn)發(fā)展重點(diǎn)區(qū)域?yàn)樾陆▍^(qū)的九龍湖新城、儒樂(lè)湖新城和南昌縣的瑤湖新城、南昌東站高鐵新區(qū)。

4)在實(shí)現(xiàn)CA-Markov模型模擬預(yù)測(cè)時(shí)，因重做適宜性圖集需要道路、河流、坡度等信息制作，主觀性強(qiáng)且模擬精度低，所以選用的適宜性圖集為2005年影像作為前一期影像2015年影像作為后一期影像獲取的馬爾科夫矩陣文件，但科學(xué)性仍有待考究，在未來(lái)的研究中還需不斷完善，以便為南昌市未來(lái)城市發(fā)展規(guī)劃提供更有價(jià)值的理論指導(dǎo)。