基于GeoSOS系統(tǒng)的土地利用變化模擬分析
——以云南省曲靖市為例

張琳

天津市市政工程設(shè)計研究院 天津 300000

引言

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市用地也在不斷擴(kuò)張。伴隨著城市用地的不斷增多，大量農(nóng)田、林地、草地等土地不斷轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)建設(shè)用地。為防止城市無序蔓延，出現(xiàn)“攤大餅”式的發(fā)展模式，應(yīng)有效控制城市增長邊界，提高土地利用率，倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展。

因此城市的土地動態(tài)模擬應(yīng)運(yùn)而生。在眾多研究中，元胞自動機(jī)模型其強(qiáng)大的運(yùn)算能力和準(zhǔn)確性得到了廣大學(xué)者的認(rèn)同。并被應(yīng)用到城市擴(kuò)張、城市災(zāi)難、城市交通等相關(guān)內(nèi)容模擬中，并取得了很好的成效。黎夏等人在對元胞自動機(jī)模型和地理模擬系統(tǒng)展開深入研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)（GeoSOS），并模擬了東莞的擴(kuò)張過程以及長株潭城市群的開發(fā)邊界，模擬結(jié)果準(zhǔn)確性很高。

本文基于GeoSOS系統(tǒng)，采用元胞自動機(jī)模型算法構(gòu)建城鄉(xiāng)建設(shè)用地動態(tài)模型，并以云南省曲靖市為實證對象，模擬了云南省曲靖市近幾年的土地利用變化，預(yù)測2025年云南省曲靖市土地利用動態(tài)演變結(jié)果。探尋云南省曲靖市的土地利用變化規(guī)律及發(fā)展趨勢，為城市的開發(fā)、規(guī)劃提供輔助決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

曲靖位于云南省東部、珠江源頭，東與貴州省、廣西壯族自治區(qū)毗鄰，南與文山州、紅河州接壤，西接昆明市，北臨昭通市，素有“滇黔鎖鑰”“云南咽喉”之稱。國土面積2.89萬平方千米，轄3區(qū)1市5縣和1個國家級經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，常住人口661萬，有彝、回、苗、壯、布依、水、瑤族等世居少數(shù)民族。市域東西最大橫距175km，南北最大縱距302km，占云南省面積的13.63%，是長江和珠江兩大水系的上游分水嶺地帶，又是珠江的發(fā)源地，自古有“入滇鎖鑰”之稱。

1.2 約束條件

構(gòu)建要素評價系統(tǒng)，分為全局約束條件要素和局部約束條件要素。對各項要素評價進(jìn)行歸一化處理，各項要素均為正向影響，即其值越接近1越有可能轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地，反之可能性越小。采用層次分析法，逐一確定各項要素影響權(quán)重后，再進(jìn)行綜合評判。

（1）局部約束條件。結(jié)合曲靖市城市發(fā)展以及各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等進(jìn)行影響因素考慮，結(jié)合實際情況選取了城鎮(zhèn)臨近因素、交通臨近因素為局部影響因素。這些要素均為正向影響，即與這些要素越臨近說明越有可能轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)建設(shè)用地[1]。

（2）全局約束條件?？紤]曲靖市的地形地貌特征以及上位規(guī)劃，選取高程、坡度、地形起伏度以及建設(shè)適宜分區(qū)為全局約束條件。其中，用地如有下列情況之一的，均不允許轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地：禁止建設(shè)區(qū)內(nèi)；坡度大于25°；高程大于5000m；地形起伏度大于200m。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）數(shù)據(jù)源。①GlobeLand30全球地理信息公共產(chǎn)品是一個全面開源的信息平臺，同時也是中國向聯(lián)合國提供的首個全球地理信息公共產(chǎn)品，被國際同行專家譽(yù)為“對地觀測與地理信息開放共享的里程碑”。本文研究從此網(wǎng)站申請獲取了云南省曲靖市2010年和2020年的地表覆蓋數(shù)據(jù)。②從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站申請下載了SRTMDEM 90M 分辨率的原始高程數(shù)據(jù)。③從OpenStreetMap（開源地圖）網(wǎng)站下載了鐵路、公路、市中心、城鎮(zhèn)等矢量數(shù)據(jù)。④從《曲靖市城市總體規(guī)劃（2017-2035年）》獲取了上位規(guī)劃等相關(guān)內(nèi)容。

（2）數(shù)據(jù)處理。①首先對全部柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為90m*90m的柵格數(shù)據(jù)。并且對所有數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，均投影變換為WGS1984-UTM48N平面投影坐標(biāo)系。②根據(jù)GlobeLand30的用地分類，對柵格進(jìn)行重分類。③利用ArcGis中的歐氏距離工具，生成到市中心、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心、鐵路、主要道路、高速等要素的可達(dá)性變量，并數(shù)據(jù)歸一化為0-1。④生成約束控制要素的柵格數(shù)據(jù)。其中，值為0代表不能轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地，值為1代表可以轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地。

全局約束變量一覽表

局部約束變量一覽表

1.4 地理優(yōu)化系統(tǒng)介紹

GeoSOS地理優(yōu)化系統(tǒng)是以元胞自動機(jī)和多智能體系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，對城市用地進(jìn)行模擬分析的工具?；诂F(xiàn)狀用地情況，以及各類影響因子，快速模擬出未來時刻的土地利用情況，為城市化地區(qū)的空間管制和土地利用規(guī)劃提供引導(dǎo)、調(diào)控、優(yōu)化[2]。同時，GeoSOS可以集成在ArcGis平臺上，方便與“國土一張圖”等規(guī)劃成果有效結(jié)合。楊文龍利用GeoSOS系統(tǒng)對佛山順德區(qū)村鎮(zhèn)城市建設(shè)用地擴(kuò)張過程及規(guī)劃模擬分析[3]，管超、哈斯學(xué)者利用GeoSOS系統(tǒng)對旅順口區(qū)的城市擴(kuò)展趨勢進(jìn)行了探究[4]，史焱文，李小建，許家偉等人利用GeoSOS系統(tǒng)對河南省長垣縣的工業(yè)化地區(qū)的土地變化進(jìn)行了探究[5]。眾多學(xué)者利用GeoSOS系統(tǒng)探究了不同城市土地利用的變化情況，均取得了不錯的效果[6]。

2 預(yù)測結(jié)果

土地利用模擬結(jié)果圖

利用GeoSOS系統(tǒng)模擬了2025年云南省曲靖市的土地利用情況。根據(jù)《曲靖市城市總體規(guī)劃（2017-2035年）》的內(nèi)容，2025年，城鄉(xiāng)建設(shè)用地控制在445平方公里以內(nèi)。經(jīng)10迭代計算后，得出模擬結(jié)果，且準(zhǔn)確度為82.3%。

分類用地轉(zhuǎn)移矩陣

根據(jù)模擬結(jié)果可知，曲靖市城鄉(xiāng)建設(shè)用地的變化仍主要以中心城區(qū)即麒麟老城區(qū)周邊的建設(shè)為主，多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)也有向外擴(kuò)張的趨勢。

麒麟?yún)^(qū)老城區(qū)的擴(kuò)展趨勢為向西擴(kuò)張，即現(xiàn)在的曲靖市經(jīng)開區(qū)，以及沾益區(qū)的南部。建設(shè)向外擴(kuò)張建設(shè)方向均是基于老城區(qū)的，可見麒麟?yún)^(qū)老城區(qū)以及其周邊區(qū)域?qū)窃颇鲜∏甘械陌l(fā)展重點[7]。

3 結(jié)束語

本文基于2010年和2020年土地覆蓋數(shù)據(jù)，預(yù)測了云南省曲靖市2025年的土地利用情況。通過模擬不同類型用地在不同時間內(nèi)的演變過程，可以判別未來城市的發(fā)展方向和建設(shè)重點。

另外，一些剛性的政策對城市的建設(shè)影響作用也是不容忽視的。比如，新建開發(fā)區(qū)的設(shè)立，保護(hù)區(qū)的設(shè)立，一些重大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等。現(xiàn)實規(guī)劃過程中需要考慮這些因素的影響，并將其進(jìn)行落位和結(jié)合，這也是用地模擬無法代替的部分。

但是，總體來說GeoSOS系統(tǒng)對于制定規(guī)劃方案具有一定的參考價值?？梢宰鳛橐?guī)劃工作的前期分析借鑒，為城鄉(xiāng)規(guī)劃的制定提供一種思路。