基于元胞自動機的城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展策略研究以三亞市為例

關鍵詞：元胞自動機；模擬預測；城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展；三亞市中圖分類號：F303 文獻標志碼：ADOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.08.004文章編號：1674-7909（2025）8-23-4

0 引言

自改革開放以來，我國城市化進程快速推進[1]，城市用地不斷向農(nóng)村腹地持續(xù)蔓延，城鄉(xiāng)之間的空間形態(tài)及空間范圍在不斷演變[2]。2018年《全球城市化展望》表明：現(xiàn)階段全球 5 5 % 的人口居住在城市，到2050年這一比例將上升至 。然而，快速的城市化在帶來經(jīng)濟發(fā)展的同時[4]，會引發(fā)城鄉(xiāng)發(fā)展失衡、土地資源緊張、貧富差距加大、國土空間開放利用效率低下等一系列負面問題[5-7]。城市擴張是城市化進程的必經(jīng)階段[8]，已經(jīng)成為國內(nèi)外學者關注的重點議題。

目前，國內(nèi)外學者圍繞城市擴張展開了大量研究，主要集中在影響因素分析、時空特征、驅(qū)動機制等方面。例如，劉奎等在分析中國城市空間擴張?zhí)卣鞯幕A上，探討空間集散效應的城市空間擴張驅(qū)動機制；張敏等[3采用空間分析方法和計量模型，在分析長江經(jīng)濟帶1990一2020年城市擴張時空分異特征的基礎上，探索不同區(qū)域城市人口規(guī)模與城市擴張的關系。

對城市擴張情況進行模擬和預測，對農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃具有重要的現(xiàn)實意義[14]。一方面，城市擴張往往伴隨著土地利用的改變，可能導致對周邊農(nóng)村資源的重新配置[15]，而對城市擴張情況進行模擬預測，農(nóng)村地區(qū)可以提前進行規(guī)劃，有助于保護耕地、推動農(nóng)村土地的集約化使用，進而提升基礎設施建設水平、提高生產(chǎn)效率[16]。另一方面，城市擴張會帶來多種變化，通過對城市擴張情況進行模擬預測，管理者可以更好地理解城市擴張對農(nóng)村發(fā)展的影響，如經(jīng)濟發(fā)展機會、生態(tài)環(huán)境承載力、社會結(jié)構(gòu)變化等[17]，從而制定出更加科學合理的政策，促進城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

因此，該研究以三亞市為研究區(qū)，采用精準度高、應用范圍廣的元胞自動機模型，模擬預測2035年、2050年三亞市多情景城市擴張狀況，以期為三亞市城市與農(nóng)村地區(qū)權衡協(xié)同發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和決策參考。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

三亞市是海南省的第二大城市，地處海南島最南端，屬熱帶海洋性季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，終年溫暖，四季常青。三亞市簡稱為崖，別稱鹿城，陸地總面積為 ，共轄4個市轄區(qū)，分別是海棠區(qū)、吉陽區(qū)、天涯區(qū)和崖州區(qū)。截至2023年末，三亞市常住人口為110.60萬人。三亞市農(nóng)村地區(qū)主要位于市區(qū)周邊，包括天涯區(qū)、吉陽區(qū)、崖州區(qū)等地，農(nóng)村人口相對較少，隨著城市化進程加快，部分農(nóng)村居民向城市遷移。三亞市在經(jīng)濟、社會和生態(tài)等方面都面臨機遇與挑戰(zhàn)，未來的發(fā)展仍應綜合考慮資源的合理利用與可持續(xù)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究的基礎數(shù)據(jù)主要包括2018年、2023年三亞市土地利用數(shù)據(jù)，來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心；三亞市國土空間總體規(guī)劃成果數(shù)據(jù)，來源于海南省政府官方網(wǎng)站；河流、道路、公共設施、住宿服務、風景名勝、政府駐點等多源數(shù)據(jù)和POI(PointofInternet)數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云和高德地圖。

1.3 研究方法

1.3.1 元胞自動機模型

元胞自動機模型（CellularAutomata，CA）具有模擬復雜系統(tǒng)時空演化過程的能力，在模擬城市用地擴張方面應用廣泛。CA將整個區(qū)域分為規(guī)則的格網(wǎng)，每個格網(wǎng)賦予一種狀態(tài)，網(wǎng)格下一秒的狀態(tài)不僅受本身的自然、經(jīng)濟、社會、區(qū)位等因素的影響，同時受到周圍鄰域狀態(tài)的影響。CA可以按照特定的、簡單的、局部的轉(zhuǎn)換規(guī)則，完成復雜的、動態(tài)的、全部的演化過程的模擬，體現(xiàn)出從“局部到整體\"“自下而上\"的特點。表達式見式（1）。

式（1)中，S代表一個元胞自動機系統(tǒng)， 表示 n 維元胞空間； R 是元胞有限個離散狀態(tài)集合； X 表示領域內(nèi)所有元胞的集合；f代表轉(zhuǎn)換規(guī)則。

1.3.2 模型參數(shù)設置

首先，考慮自然、社會經(jīng)濟、區(qū)位條件等多方面的影響，選定6項土地利用影響因子，包括到道路的距離、到風景名勝的距離、到公共設施的距離、到河流的距離、到住宿服務的距離、到政府駐點的距離，并設定不同的影響力，分別為 0 . 3 1 ， 0 . 4 6 ， 0 . 4 0 ， 0 . 2 2 0.20、0.17。

其次，設定限制因子，即水體、河流湖泊及現(xiàn)有建設用地不能轉(zhuǎn)為建設用地。

最后，結(jié)合三亞市未來不同的發(fā)展目標，設置3種發(fā)展情景，分別是耕地保護優(yōu)先情景、生態(tài)保護優(yōu)先情景、經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)先情景。

1.3.3 模型精度計算

CA模型的精度通過基于混淆矩陣的Kappa系數(shù)來計算，Kappa值通常處于0到1之間，并且，當Kappa系數(shù)越趨近于1時，說明模擬結(jié)果的一致性越高。具體計算方法見式(2)。

式(2）中， 為正確模擬柵格單元比例； 為隨機情況下的正確模擬柵格單元比例； 為理想狀況下正確模擬柵格單元比例。

2 結(jié)果與分析

2.1模型精度驗證

將CA模型模擬結(jié)果與2023年實際的土地利用分布狀況進行比對，可以發(fā)現(xiàn)二者在城市擴張形態(tài)上具有高度相似性，城市建設用地擴張主要集中在三亞市南部，包括崖州區(qū)、天涯區(qū)、吉陽區(qū)，并在東部海棠區(qū)沿海地帶零散擴張。通過計算Kappa系數(shù)，得到結(jié)果為0.96951，接近1，表明CA模型模擬精準度高，具有科學合理性。

2.2多情景模擬結(jié)果分析

該研究采用CA模型對三亞市2035年與2050年的城市擴張開展多情景模擬預測，通過3種不同的政策導向情景，揭示三亞市不同發(fā)展策略下的土地利用演變規(guī)律及其空間分異特征，主要結(jié)果如下。

在不同用地類型的數(shù)量變化方面：在耕地保護優(yōu)先情景下，三亞市未來城市擴張保留了更多耕地，侵占了更多林地和園地；在生態(tài)保護優(yōu)先情景下，三亞市未來城市擴張保留了更多林地和草地，侵占了更多耕地和未利用地；在經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)先情景下，相比于其他兩種情景，三亞市未來建設用地侵占其他用地類型較為均衡。由于研究設定水體和原有建設用地不能轉(zhuǎn)變，且未利用地數(shù)量太少，故此處對該地類沒有進行分析。

在城市擴張形態(tài)方面，仍然主要是圍繞三亞市南部崖州區(qū)、天涯區(qū)、吉陽區(qū)，以及東部海棠區(qū)沿海地帶擴張，這些地區(qū)離海岸較近，與三亞市發(fā)達的旅游業(yè)、經(jīng)濟基礎、人口分布及區(qū)位條件等密切相關。具體地，在耕地保護優(yōu)先情景下，城市擴張優(yōu)先保留耕地用地，建設用地在三亞市北部林地附近擴張較多，在南部耕地附近擴張較少；在生態(tài)保護優(yōu)先情景下，城市擴張優(yōu)先保留林地、草地等生態(tài)用地，建設用地主要向南部、西部、東部原有建設用地周邊擴張，北部林地和草地附近擴張較少；在經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)先情景下，城市擴張優(yōu)先顧及經(jīng)濟發(fā)展的需求，建設用地主要在南部原有建設用地集中的地方擴張，在北部林區(qū)也有少許建設用地擴張。

2.3 三亞市城鄉(xiāng)發(fā)展建議

綜合三亞市未來城市擴張多情景模擬預測結(jié)果，提出促進三亞市城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展的建議。

第一，嚴格貫徹落實耕地保護政策，確保在城市擴張中優(yōu)先保留永久基本農(nóng)田。此外，可以通過設立耕地保護區(qū)，制定詳細的管理規(guī)定，根據(jù)土地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力和生態(tài)功能進行科學劃定，以實現(xiàn)最佳的資源配置，限制城市建設用地的進一步擴張。對于因保護耕地而侵占的林地和草地，可以考慮開展生態(tài)恢復項目，種植當?shù)貥浞N和作物，提升生物多樣性和生態(tài)功能，減輕對生態(tài)效益的影響。

第二，明確生態(tài)保護區(qū)域，尤其是生態(tài)保護紅線區(qū)域，加強對重點生態(tài)區(qū)的監(jiān)測和管理，防止非法開發(fā)。在城市擴張中，優(yōu)先向南部、西部和東部原建設用地周邊發(fā)展，減少對北部生態(tài)系統(tǒng)服務價值高的林地侵占，對已被侵占的生態(tài)區(qū)域，開展植樹造林、濕地恢復等活動，提升生態(tài)系統(tǒng)的自我修復能力，保持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

第三，均衡用地分配，制定綜合的用地規(guī)劃，確保建設用地的擴張在不同用地類型之間保持一定的平衡，避免對某一類型用地的過度開發(fā)。同時，鼓勵農(nóng)村地區(qū)發(fā)展多元化產(chǎn)業(yè)，如生態(tài)農(nóng)業(yè)、鄉(xiāng)村旅游和手工藝品加工業(yè)等，以提升農(nóng)村經(jīng)濟活力，減少耕地和生態(tài)用地的壓力。鼓勵城市企業(yè)與農(nóng)村合作社、農(nóng)戶建立緊密的合作關系，共同開發(fā)市場，推動農(nóng)產(chǎn)品的銷售。注重改善城鄉(xiāng)之間的交通網(wǎng)絡，尤其是連接南部和西部的道路，以便于農(nóng)產(chǎn)品運輸和居民出行，促進城鄉(xiāng)經(jīng)濟互動。

第四，加大對農(nóng)村地區(qū)教育、醫(yī)療等公共服務的投人，提升農(nóng)村居民的生活質(zhì)量和幸福感，吸引更多人返鄉(xiāng)發(fā)展。同時，鼓勵農(nóng)村居民參與城鄉(xiāng)規(guī)劃編制，收集多方面的意見與建議，使規(guī)劃更具針對性和可行性。此外，考慮建立城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展的監(jiān)測與評估機制，定期檢查城市擴張對各類用地的影響，評估耕地、林地、園地等不同地類的變化情況，以確保生態(tài)環(huán)境和資源的可持續(xù)利用。通過及時調(diào)整政策和規(guī)劃，靈活應對新的挑戰(zhàn)和變化，促進農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)城鄉(xiāng)之間的良性互動，推動經(jīng)濟社會的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

3結(jié)束語

該研究基于2018年、2023年兩期土地利用數(shù)據(jù)，采用元胞自動機模型模擬三亞市2035年、2050年多情景城市擴張狀況，得到的主要研究結(jié)論如下： ① 在不同的情景下，三亞市2035年、2050年用地類型數(shù)量和城市擴張形態(tài)呈現(xiàn)不同狀況。具體地，在耕地保護優(yōu)先情景下，保留了更多的耕地，城市建設用地向三亞市北部擴張更多；在生態(tài)保護優(yōu)先情景下，保留了更多林地和草地，城市建設用地優(yōu)先向三亞市南部、西部和東部擴張；在經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)先情景下，城市建設用地擴張侵占地類更為均衡，優(yōu)先向南部原有建設用地大規(guī)模分布區(qū)域擴張，在北部林區(qū)也有零星建設用地擴張。 ② 三亞市未來發(fā)展要在嚴格貫徹落實耕地保護政策和生態(tài)保護政策的基礎上，鼓勵農(nóng)村地區(qū)發(fā)展多元化產(chǎn)業(yè)，加強基礎設施和公共服務建設，促進城鄉(xiāng)之間的經(jīng)濟互動與合作，形成互惠共贏的局面。

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Research on Urban-Rural Coordinated Development Strategy Based on Cellular Automata

-A Case Study of Sanya City

GAO Yueming

School of International TourismandPublic Administration，Hainan University，Haikou 57O228，China

Abstract: Simulating and predicting the future expansion of cities has important practical significance for the economic development planning of rural areas.This study adopts a high-precision and widely applicable celular automata model，based on land use data from 2018 and 2O23，to simulate and predict the urban expansion of Sanya City in 2O35 and 2O5O under the priority scenarios of farmland protection，ecological protection，and economic development，providing data support for the economic development of rural areas.The research results indicate that the urban expansion pattems of Sanya City in 2O35 and 205O will show significant changes in land use typesand spatial forms under different scenarios;The future development of Sanya City should adhere to the policies of farmland protection and ecological protection，encourage the development of diversified industries in rural areas，strengthen infrastructure and public service construction，and promote economic interaction and cooperation between urban and rural areas.

Key words:cellular automata; simulation prediction; urban-rural coordinated development; Sanya City