不規(guī)則鄰域CA的城市增長邊界研究
——以大連市經濟技術開發(fā)區(qū)為例

劉偉玲，張育慶，楊 俊,2

(1. 遼寧師范大學人居環(huán)境研究中心，遼寧 大連 116029； 2. 中國科學院地理科學與資源研究所中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101)

1978—2008年，我國的城市化率由17.9%增長到45.68%，平均年增長率達0.93%。在其發(fā)展進程中，經濟發(fā)展取得巨大成就，但也帶來了土地利用資源供需平衡矛盾增大、生態(tài)環(huán)境日趨惡化和城市呈現(xiàn)蔓延增長、攤大餅式增長的問題，影響了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[1]。城市增長邊界的制定(urban growth boundary，UGB)作為遏制城市無序蔓延和引導城市健康發(fā)展的有效工具，引起了眾多學者的廣泛關注和研究[2-3]。UGB最早產生于城市蔓延問題的研究中，是西方國家控制城市增長和無序蔓延的技術手段，含義為“阻止城市無序蔓延，劃分城市和鄉(xiāng)村的界限”。在我國，目前應用較成熟的理論認為：UGB不僅是建設用地和非建設用地的分界線，也是城市空間擴張的邊界，包含“剛性邊界”和“彈性邊界”。剛性邊界的制定，學者多以現(xiàn)有建設用地的邊界為參考或土地的生態(tài)格局等方法進行劃分，但是城市增長邊界與城市自身的生態(tài)適宜性密切相關[4]，因此本文以學者提出的生態(tài)適宜性模型進行建設用地的生態(tài)適宜性評價來制定城市增長邊界。

彈性邊界的制定，學者多采用元胞自動機(cellular automata，CA)方法[5-8]，但是元胞鄰域作為CA的重要組成部分，傳統(tǒng)的規(guī)則鄰域[9](如Moore型)難以體現(xiàn)真實地理空間的異質性特征，在一定程度上對CA的模擬精度產生影響。因此本文以大連市經濟技術開發(fā)區(qū)2003—2012年土地利用數(shù)據、遙感影像等多源數(shù)據為基礎[10]，從街道的尺度出發(fā)，首先通過不規(guī)則鄰域算法對元胞鄰域進行劃分，模擬大連市經濟技術開發(fā)區(qū)2012年的建設用地空間分布并進行精度驗證，進而對2021年的建設用地進行模擬[11]。最后，對結果進行修正并制定城市擴張邊界，為城市規(guī)劃提供參考依據。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據源

1.1 研究區(qū)概況

大連市經濟技術開發(fā)區(qū)是大連市第一個國家級開發(fā)區(qū)，包括9個街道，總面積403.32 km2。2003年，建設用地面積為122.74 km2，2012年建設用地面積為192.56 km2，9年間建設用地相對于2003年增長56.88%，變化顯著，因此具有較高的研究價值。

1.2 數(shù)據源

本文所需數(shù)據包括：1∶10 000道路數(shù)據(SPOT5解譯)、2003—2012年遙感影像數(shù)據(國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心)、1∶10 000土地利用數(shù)據(大連市國土資源和房屋局)、1∶10 000土地利用規(guī)劃數(shù)據(大連市國土資源和房屋局)、數(shù)字高程數(shù)據(地理空間數(shù)據云)，通過ArcGIS空間分析與處理建立數(shù)據庫。

2 研究方法與實例分析

2.1 基于不規(guī)則CA的彈性邊界的制定

2.1.1 不規(guī)則鄰域CA模型的構建

傳統(tǒng)CA模型中的鄰域在地理空間上通常表現(xiàn)為鄰近關系，而在復雜的城市內部，影響城市土地利用類型變化的不僅僅包括地理空間上鄰近的土地利用類型，還往往涉及地理空間中相離的土地利用類型。因此本文通過Python和GDAL實現(xiàn)不規(guī)則鄰域算法中元胞鄰域的劃分[12-13]，見式(1)。

(1)

2.1.2 元胞轉換規(guī)則構建

元胞狀態(tài)轉換的過程中涉及眾多的空間因子和非空間因子。各因子的權重大小通過邏輯回歸[14-15]確定，具體權重大小詳見表1。

表1 空間因子的邏輯回歸結果

此外，土地利用變化過程中往往存在不確定因素和偶然因素的影響，本文經過多次模擬驗證得到隨機因子為0.86。2012年模擬的Kappa系數(shù)為0.875 8，精度較高，該模型可對大連市經濟技術開發(fā)區(qū)2021年的建設用地進行模擬(如圖1(b)和圖1(c)所示)。

2.2 基于生態(tài)適宜性評價的剛性邊界制定

“剛性邊界”即城市擴張過程中不可逾越的邊界線，也是保護城市的基本生態(tài)安全底線。本文基于研究區(qū)和模型的特點，通過生態(tài)適宜性評價模型確定建設用地的剛性邊界。選取因子見表2。

2.3 建設用地擴張邊界制定結果

城市增長邊界的最終確定需要考慮多方面的因素，因此，將基于不規(guī)則鄰域CA模擬得到的彈性擴張邊界按照剛性增長邊界和政府規(guī)劃進行修正，并且對邊界進行平滑處理，得到大連市經濟技術開發(fā)區(qū)建設用地的彈性擴張邊界和剛性邊界，如圖1(d)所示。

表2 建設用地生態(tài)適宜性評價

如圖1(d)所示，大連市經濟技術開發(fā)區(qū)彈性邊界面積為230.54 km2，占總面積的57.03%，剛性邊界面積為260.09 km2，占總面積的64.45%。在大孤山街道部分林地轉換為建設用地，相對于灣里街道、董家溝街道、金石灘街道、得勝鎮(zhèn)和大李家鎮(zhèn)等建設用地擴張面積較小。從擴張方向來看，西北方向街道和沿海方向街道建設用地擴張更為顯著。

圖1 模型應用結果圖

3 結 論

本文以大連市經濟技術開發(fā)區(qū)為研究區(qū)，街道作為研究尺度，基于不規(guī)則鄰域CA和生態(tài)適宜性評價方法，綜合建設用地擴張的內部驅動機制和自然條件限制，制定了大連市經濟技術開發(fā)區(qū)2021年城市擴張的彈性邊界和剛性邊界，結果表明：

(1) 模擬精度方面，與傳統(tǒng)CA模擬相比，不規(guī)則鄰域CA的Kappa為0.875 8，具有較高的模擬精度，彌補了傳統(tǒng)CA對真實地理空間異質性特征模擬的不足，使結果更具科學性。

(2) 建設用地增長方面，2021年大連市經濟技術開發(fā)區(qū)彈性邊界面積為230.54 km2，剛性擴張邊界面積為260.09 km2，建設用地增長較快，尤其灣里街道、董家溝街道、金石灘街道、得勝鎮(zhèn)和大李家鎮(zhèn)街道。

(3) 建設用地擴張趨勢方面，與北京、京津冀等城市呈輻射狀擴張的趨勢不同，大連市經濟技術開發(fā)區(qū)受已建成區(qū)房價、交通等因素的影響呈現(xiàn)出由東南向西北擴張的趨勢，沿海街道擴張比內陸街道更為顯著。