基于空間交互作用的單核城市群擴張模擬預測及應用研究

【摘要]本文選擇基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)表征的空間信息流，結(jié)合當前靜態(tài)的城市引力模型構(gòu)建城市群內(nèi)部動態(tài)的作用力模型，并與城市擴張模擬中最常用的模型——元胞自動機模型進行耦合，探究基于信息流的城市群協(xié)同擴張模擬和預測模型框架，并以湖北省東部的單核城市群——武漢城市圈為典型示范應用，武漢城市圈近十年來的城市擴張變化，并對未來的城市擴張方向提出合理化的預測，為今后武漢城市圈的規(guī)劃建設(shè)與發(fā)展提供決策參考，具有重要的理論和實踐意義。

【關(guān)鍵詞】空間交互作用;單核城市群;擴張模擬預測

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

22.006

1、前言

隨著區(qū)域城市化與城市區(qū)域化的發(fā)展，城市群成為中國城市化進程中最引人注目的地區(qū)，我國相關(guān)城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃提出將長三角城市群、珠三角城市群和京津冀城市群建設(shè)為世界級城市群，這些地區(qū)將成為全國城市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展的重要領(lǐng)路者和支撐者，參與全球的合作與競爭[1]。

城市用地擴張與變化模擬是城市發(fā)展研究的一個熱點問題[2]。當前城市群的模擬研究多集中在單個城市，對較大區(qū)域的城市擴張模擬大多從分區(qū)模擬的角度考慮，模型忽略了城市群空間內(nèi)部聯(lián)系對城市擴張的影響[3]。近年來，有學者開始注重研究城市空間聯(lián)系與城市群發(fā)展的關(guān)系，嘗試從重力模型，數(shù)據(jù)場模型，GIS網(wǎng)絡(luò)分析模型[4]等多方面分析城市群內(nèi)部空間的聯(lián)系對城市群擴張的影響，但主要從城市的人口和經(jīng)濟等靜態(tài)指標來反應空間聯(lián)系，缺乏全面性，同時，未充分考慮與城市動態(tài)模擬模型的結(jié)合，使城市群擴張模擬的精度普遍不高。

本研究基于城市規(guī)劃與發(fā)展理論，以城市模擬城市未來擴張狀態(tài)和方向為目的，從城市群內(nèi)部空間動態(tài)聯(lián)系的視角出發(fā)，圍繞城市空間靜態(tài)聯(lián)系、動態(tài)聯(lián)系及其與城市群擴張的相互關(guān)系，采用理論歸納、模型構(gòu)建與實證研究相結(jié)合的思路，依據(jù)現(xiàn)有的城市群研究的理論方法體系，綜合運用重力模型，網(wǎng)絡(luò)信息流模型和元胞自動機模型等多種方法，探究基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的空間信息流聯(lián)系對城市群擴張的影響，構(gòu)建整合信息流的元胞自動機模型框架，探究城市群尺度下更優(yōu)的城市擴張模擬模型和精度檢驗方法。

2、以武漢城市圈典型案例開展實例研究

2.1 基于空間信息流的城市群內(nèi)部空間交互作用研究

選取城市擴張研究中普遍認為對城市用地增長有影響的自然地理因子，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)——百度指數(shù)和空間網(wǎng)絡(luò)流模型表征城市間的信息流，研究更全面測度城市群空間交互作用的模型，針對傳統(tǒng)城市群模型的不足，構(gòu)建整合信息流的加權(quán)城市流模型，并分析其與城市擴張的聯(lián)系。

2.2 基于城市內(nèi)部空間相互作用的城市群擴張模擬研究

基于傳統(tǒng)元胞自動機模型和重力模型表征的空間相互作用在模擬城市群擴張過程中的局限性，本研究選取整合信息流的加權(quán)城市流模型與CA模型結(jié)合，綜合考慮城市群內(nèi)部各城市間的動態(tài)和靜態(tài)相互作用對城市群建設(shè)用地擴張的影響，構(gòu)建整合多種空間聯(lián)系的改進元胞自動機模型，模擬城市群范圍內(nèi)城市土地的擴張動態(tài)，探究城市群擴張的規(guī)律。

2.3 開展城市群空間聯(lián)動增長模擬及預測的應用實例研究

選取武漢1+8城市圈作為研究區(qū)，采用數(shù)據(jù)融合與同化技術(shù)構(gòu)建城市用地擴張空間數(shù)據(jù)庫，分析研究區(qū)內(nèi)空間相互作用力的格局和變化趨勢，基于研究區(qū)的特征構(gòu)建基于空間交互作用的城市群擴張模擬模型，開展模型的實例化研究，并檢驗模型的有效性。選取最優(yōu)的模型，對城市圈未來的擴張趨勢做出合理的預測。

2.4 元胞自動機模型

元胞自動機（Cellular Automata，CA）是一種時間、空間均離散，具有時空計算特征的動力學模型，用于自組織系統(tǒng)的演變規(guī)律。其中，轉(zhuǎn)換規(guī)則是元胞自動機的核心。GIS柵格中的每個格網(wǎng)與單個元胞完全對應，使得CA模型非常適合處理土地利用柵格數(shù)據(jù)，從而模擬土地利用類型的轉(zhuǎn)換。在局部轉(zhuǎn)換規(guī)則的基礎(chǔ)上，元胞自動機通過迭代，自下而上的推演區(qū)域土地利用格局。因此，CA模型可模擬不同情境下城市擴張的情景，并采用遙感影像分類精度檢驗的方法檢驗模擬精度。

3、構(gòu)建基于信息流的空間交互作用模型

在梳理有關(guān)城市空間相互作用與城市擴張模擬研究背景基礎(chǔ)上，從城市擴張理論、城市空間聯(lián)系以及網(wǎng)絡(luò)分析視角解析城市空間動態(tài)交互作用的內(nèi)涵，構(gòu)建基于信息流的空間交互作用模型，分析空間交互作用與城市群擴張的關(guān)系;建立基于空間交互作用的元胞自動機轉(zhuǎn)換規(guī)則，模擬城市群的擴張，以湖北省武漢城市圈為研究區(qū)，收集整理研究區(qū)內(nèi)的多期土地利用數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及其他輔助數(shù)據(jù)，開展實地調(diào)研，進行模型應用，并驗證其科學性。

3.1 網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)環(huán)境下城市空間動態(tài)相互作用的構(gòu)建技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)表征城市間的動態(tài)聯(lián)系，彌補傳統(tǒng)引力模型分析城市群空間作用力的不足，全面地反應城市群間的動態(tài)與靜態(tài)聯(lián)系。

3.2 整合信息流模型的城市群擴張模擬關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)建合適的元胞自動機轉(zhuǎn)換規(guī)則，整合信息流模型及傳統(tǒng)的城市流模型，在充分顧及城市間相互作用力的前提下模擬城市群擴張的情景，并且基于城市群尺度如何選擇合適的精度檢驗方法，也是本研究需要解決的問題

3.3 單核城市群城市擴張模擬關(guān)鍵技術(shù)及預測典型示范應用

除方法模型外，研究案例主要集中在我國較發(fā)達的沿海城市群，如京津冀城市群，長三角城市群，珠三角城市群等，這些城市群均為多核城市群，城市之間有顯著的等級差異。而武漢城市圈是為數(shù)不多的單核城市群，又是湖北省經(jīng)濟發(fā)展的風向標，因此，如何構(gòu)建科學的單核城市群擴張及預測模型，結(jié)合武漢城市圈作為單核城市群的典型特征，探索武漢城市圈擴張中空間聯(lián)系對城市擴張的影響，也是本研究的一個技術(shù)難題。

參考文獻：

[1]何建華等，顧及空間交互作用的城市群聯(lián)動空間增長模擬——以武漢都市區(qū)為例.武漢大學學報（信息科學版），2016.41（4）：462-467頁.

[2]高金龍.陳江龍，中國城市擴張態(tài)勢與驅(qū)動機理研究學派綜述.地理科學進展，2013.32（5）：743-754頁.

[3]楊青生.黎夏，多智能體與元胞自動機結(jié)合及城市用地擴張模擬.地理科學，2007（04）：p.542-548.

[4]焦利民，唐欣.劉小平，城市群視角下空間聯(lián)系與城市擴張的關(guān)聯(lián)分析.地理科學進展，2016（10）：1177-1185頁.

作者簡介：

何力，1989年8月生，長江大學教師，講師，研究方向：城市土地利用及大數(shù)據(jù)與城市規(guī)劃研究

課題：2019年湖北省自然科學基金計劃青年項目“基于空間交互作用的單核城市群擴張模擬預測及應用研究（項目編號：2019CFB355）

（本文作者單位為長江大學，湖北荊州，434023）