基于MCCA 的上海市土地利用結(jié)構(gòu)變化預測及分析

朱北宇，周 侗

（1.南通大學 地理科學學院，江蘇 南通 226007；2.南通大學 經(jīng)濟與管理學院，江蘇 南通 226019）

0 引言

元胞自動機（CA）模型能夠在離散的空間單元內(nèi)進行非線性的復雜問題模擬[1]，且具有強大的可視化特點，被廣泛用于土地利用結(jié)構(gòu)時空動態(tài)模擬預測研究。由于單純的CA 模型難以滿足多種地類結(jié)構(gòu)變化的模擬，開始出現(xiàn)各類優(yōu)化的CA 模型，如結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與CA 模型模擬復雜的土地利用系統(tǒng)[2]，融合多智能體系統(tǒng)的CA 模型等[3]。

雖然上述模型能夠滿足大部分的土地利用結(jié)構(gòu)模擬預測研究，但某些地塊內(nèi)部存在多種地類混合現(xiàn)象，CA 模型無法體現(xiàn)內(nèi)部的復雜性，而MCCA（Mixed-cell Cellular Automata）模型能夠探究每個元胞內(nèi)部的多種用地類型及其覆蓋比例，解決了上述問題[4]。本文選取MCCA 模型，對上海市土地利用結(jié)構(gòu)進行模擬研究，并對模擬結(jié)果進行分析，為上海市后期規(guī)劃發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

上海市地處我國東部的長江入?？?，位于我國南北弧形海岸線中部，屬亞熱帶季風氣候，平均海拔4米，總面積達6 340.5 平方公里。上海市共有16 個區(qū)，是我國最大的經(jīng)濟中心，同時也是我國最大的綜合性工業(yè)城市和重要科技中心、經(jīng)濟貿(mào)易中心。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心，根據(jù)中國土地利用/ 土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)，進行重分類處理，將其分為耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地等五種土地利用類型。

基于已有研究[5]，本文在考慮數(shù)據(jù)完備性與可獲取性的基礎(chǔ)上，對影響因子數(shù)據(jù)進行搜集，數(shù)據(jù)均來源于國家公開網(wǎng)站平臺（表1）。

表1 影響因子數(shù)據(jù)列表

2 研究方法

2.1 MCCA 模型

MCCA 模型能夠較好地反映土地利用結(jié)構(gòu)的復雜性，在小尺度研究區(qū)域上可以更加精確地體現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)變化情況，有利于相應政策建議的提出，MCCA模型的運作機理主要分為以下兩個部分[4]：

（1）土地利用變量轉(zhuǎn)變的機理挖掘。根據(jù)已獲取的兩期土地利用結(jié)構(gòu)分布數(shù)據(jù)獲取各用地間的變化情況，利用隨機森林回歸得到各類用地與驅(qū)動因素間的關(guān)系，進而得到各土地利用類型的變化規(guī)律。

（2）土地利用結(jié)構(gòu)變化模擬。首先，獲取每種土地利用類型的總體變化概率；之后，對各土地利用類型的總變化概率進行歸一化處理，并通過輪盤賭方式確定每個元胞內(nèi)各用地類型的增長比例；最后，根據(jù)各類用地增長比例，獲取各土地利用類型的減少比例。

2.2 土地利用混合度模型

土地利用成分的混合度與社會、經(jīng)濟及環(huán)境等因素息息相關(guān)，是研究單元內(nèi)土地利用成分變化的重要方法，由于MCCA 模型能夠得到亞元細胞尺度上的土地利用情況，因此可以根據(jù)各用地類型的覆蓋比例，根據(jù)熵值直接測算混合度，熵值越大表明土地利用的多樣性越高。

式中，Hi代表元胞i 的混合度，且Hi∈(0,1)；pi,k代表元胞i 內(nèi)第k 種土地利用結(jié)構(gòu)的占比。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)模擬效果驗證

基于MCCA 模型，選取2005 年和2010 年兩期上海市土地利用數(shù)據(jù)進行模擬，得到上海市2015 年的土地利用結(jié)構(gòu)空間分布結(jié)果，并以2015 年上海市實際土地利用結(jié)構(gòu)作為依據(jù)，對模擬結(jié)果進行精度檢驗（表2）。檢驗結(jié)果顯示，總體精度（OA）為0.942，Kappa 系數(shù)為0.909，兩者均達到0.9 以上，說明模擬結(jié)果與土地利用實際情況一致性較高，證明MCCA 模型可以用于上海市土地利用結(jié)構(gòu)的模擬。

表2 2000-2015 年上海市土地利用結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果精度評價

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果時間變化分析。由于上海市根據(jù)“十四五”規(guī)劃和《二〇三五年遠景目標》提出了2025 年與2035 年的發(fā)展目標，因此本文基于2000-2015 年四期上海市土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合該市耕地紅線規(guī)定，利用MCCA 模型預測了2025 年與2035年五種用地類型占比，清晰地反映了上海市五種土地利用類型的變化情況（表3）。

表3 上海市土地利用類型占比表

2000-2015 年，耕地的總占比高于建設(shè)用地，但2025-2035 年，建設(shè)用地反超耕地，成為上海市土地利用類型中占比最大的用地類型。耕地面積占比的大幅度下降主要是建設(shè)用地侵占造成的，然而建設(shè)用地增加是上海發(fā)展的必然趨勢。首先，1978 年改革開放政策的提出，加快了上海的發(fā)展建設(shè)；其次，國務(wù)院2001年5 月正式批復的《上海市城市總體規(guī)劃（1999 年-2020 年）》綱要，明確提出集中力量建設(shè)新城，加快郊區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，進一步提高了建設(shè)用地的占比量；最后，上海作為我國經(jīng)濟中心，其優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)設(shè)施與勞動待遇吸引了大量的人口，外來人口的流入使得建設(shè)用地面積再次增加。草地雖然在五類用地類型中占比最小，但在整個預測年限內(nèi)，依然呈現(xiàn)出穩(wěn)步的增長狀態(tài)，其主要原因在于上海市對城市公園的規(guī)劃建設(shè)，如上海市綠委會宣布2017 年規(guī)劃新增20 座以上的城市公園，完成綠地建設(shè)不少于1 200 公頃；2021年響應國家“十四五”規(guī)劃內(nèi)容，提出完善綠化建設(shè)布局，提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。水域和林地的總體占比稍有下降，由于歷史上上海就是一個少林區(qū)，且地價昂貴，因此林業(yè)發(fā)展有所忽略；此外，隨著經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，部分林地和水域也將會被開發(fā)成為建設(shè)用地。

3.1.2 土地利用結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果空間變化分析。本研究結(jié)合人口、GDP 等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)和高程、坡度等環(huán)境數(shù)據(jù)（詳見表1），以2015 年上海市土地利用數(shù)據(jù)為初始點，根據(jù)預測的各類用地覆蓋比例數(shù)據(jù)，分別模擬了每個元胞內(nèi)2025 年和2035 年的五種地類密度分布情況，并得到綜合的土地利用結(jié)構(gòu)分布格局（圖1）。根據(jù)圖1 可知，2025-2035 年耕地主要以徐匯區(qū)、長寧區(qū)和普陀區(qū)等市區(qū)為中心，向外呈現(xiàn)縮減狀態(tài)，耕地整體破碎度提高，斑塊間連接度降低。

圖1 上海市土地利用結(jié)構(gòu)分布圖

隨著耕地的減少，建設(shè)用地在“南—北”“東南—西北”兩條軸線上呈現(xiàn)出蔓延擴張趨勢?！澳稀薄陛S線上，主要以北部崇明區(qū)和南部的金山區(qū)為極點，向四周進行建設(shè)用地擴張。北部的崇明區(qū)是上海為數(shù)不多的剩余開發(fā)空間，長興島作為崇明區(qū)內(nèi)離上海市區(qū)最近的工業(yè)重地，集中了大量產(chǎn)業(yè)。隨著全市產(chǎn)業(yè)更新與遷移，崇明區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地將持續(xù)增加。同時崇明區(qū)位于上海市區(qū)與南通的連接軸，2011 年崇啟大橋的正式投用，進一步加快了崇明區(qū)的發(fā)展建設(shè)[6]。南部金山區(qū)臨近浙江嘉興與寧波，2020 年上半年，金山區(qū)交通委啟動《金嘉甬立體交通研究》，正式明確金山區(qū)的鐵路樞紐功能定位，隨著滬甬跨海鐵路的建設(shè)，金山區(qū)的部分耕地也將逐漸變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。而在“東南—西北”軸線上，主要以東南方向的浦東新區(qū)和西北方向的青浦區(qū)為極點，向外進行建設(shè)用地的擴張。浦東新區(qū)是上海各區(qū)中發(fā)展最快的市轄區(qū)，2002 年上海市委、市政府啟動黃浦江兩岸綜合開發(fā)工程，促使浦東浦西聯(lián)動發(fā)展；2013-2020 年實施“五免五減半”政策等吸引大量的投資企業(yè)進駐浦東辦廠，加上房地產(chǎn)迎來飛速發(fā)展的紅利時代，使得浦東新區(qū)的建設(shè)用地逐年增加。青浦區(qū)緊挨江蘇昆山和浙江嘉興，作為滬杭、滬蘇及滬皖南等多條發(fā)展線交匯點，青浦區(qū)于2018 年分別同浙江、江蘇簽訂合作框架協(xié)議，隨著長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略的實施，其建設(shè)用地面積總量也將逐漸上漲。

研究期間長江水域和黃浦江水域變化不大，大治河水域面積稍有縮小，主要減少區(qū)域為青浦區(qū)南部與金山區(qū)西部，結(jié)合建設(shè)面積的發(fā)展趨勢，判斷是交通樞紐的建設(shè)導致兩區(qū)水域面積占比下降。最后，林地與草地的面積占比變化微弱，由于兩者生長區(qū)域的特殊性，大多分布于長江、黃浦江以及大治河兩岸。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)混合度變化分析

圖2 反映了研究期內(nèi)上海市五種土地利用結(jié)構(gòu)混合度的變化情況。2015-2025 年，混合度下降的元胞數(shù)量明顯高于混合度上升的元胞數(shù)量，且減少的區(qū)域主要集中于市中心，主要由上海市中心建設(shè)用地外擴導致。建設(shè)用地的增加迫使耕地、林地及水域等用地面積下降，使得區(qū)域范圍內(nèi)的土地利用多樣性逐步減少，從而導致混合度的降低。在2025-2035 年，上海南部地區(qū)依舊保持著上述趨勢，而上海北部的崇明區(qū)，混合度上升的元胞數(shù)量卻多于下降數(shù)量，主要是因為崇明區(qū)大力發(fā)展產(chǎn)業(yè)與生態(tài)，使得該區(qū)域的土地利用多樣性增加?？傮w而言，未來上海市由于持續(xù)不斷的發(fā)展建設(shè)，城市用地逐步外擴，草地、耕地與水域持續(xù)減少，加上林地的演變，其土地利用混合度將呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。

圖2 上海市土地利用結(jié)構(gòu)混合度變化圖

4 結(jié)論與政策建議

4.1 結(jié)論

本文基于四期土地利用數(shù)據(jù)，運用MCCA 模型對上海市2025 年和2035 年土地利用結(jié)構(gòu)變化進行模擬，從時空兩個維度進行分析，同時運用土地利用混合度模型，探討了研究期內(nèi)土地利用多樣性的增減變化情況。首先，上海市土地利用結(jié)構(gòu)預測結(jié)果顯示，建設(shè)用地將超過耕地，成為市內(nèi)總量最大的地類結(jié)構(gòu)，其擴張方向主要為“南—北”與“東南—西北”兩條軸線；其次，耕地減少的原因主要是由于建設(shè)用地的侵占，而水域、林地和草地的變化幅度不大，且林地與草地大多分布于水域兩岸；最后，上海市建設(shè)用地不斷增加，導致整體的土地利用多樣性呈下降趨勢。

4.2 政策建議

加強國土空間用途管制，嚴守耕地保護紅線。嚴格規(guī)范耕地用途轉(zhuǎn)換行為，切實保護城市糧食與生態(tài)安全“生命線”，同時推動全市土地綜合整治工作，優(yōu)化耕地占補平衡制度，將耕地保護納入政府績效考核。

優(yōu)化城市功能布局，打造城市空間新格局。推進嘉定、松江及青浦等新城建設(shè)，強化南匯、普陀等老城區(qū)城市管理制度，禁止侵占水域面積，還江（河）于民，堅持新城與城市管理并重，形成“一極多強”的城市格局。

提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，建設(shè)綠色城市。大力建設(shè)城市公園與綠色廊道，增加綠化面積，加大濕地保護力度，將具有先天地理優(yōu)勢的崇明島打造為世界級生態(tài)島，提高土地利用結(jié)構(gòu)的多樣性。