基于CA模型的重慶市沙坪壩區土地利用變化模擬

張玲玲，頡耀文，2*，穆亞超(.蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州730000;2.蘭州大學西部環境教育部重點實驗室，甘肅蘭州730000)

土地利用變化是一個復雜的過程，是自然因素和人為因素共同作用的結果，如何準確和合理地模擬土地利用的變化過程是許多人研究的重點，也是一個難點［1］。與GIS結合的元胞自動機(CA)模型被越來越多地運用于對城市空間擴展的模擬研究中［2-3］。CA模型通過轉換規則的適當定義，不僅可以很好地模擬土地利用的時空復雜性，也可模擬城市發展的某些規劃場景。該文以重慶市沙坪壩區為例，基于GeoSOS平臺，運用Logistic—CA模型模擬重慶市沙坪壩區土地利用擴展的過程及預測重慶市沙坪壩地區未來不同情景下的土地利用發展格局，從而為區域可持續發展提供決策支持。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況 沙坪壩區是重慶市主城區和都市圈的重要組成部分，位于重慶的中心［4］，地處 106°14'36″～106°31'35″E，29°27'13″～ 29°46'36″N，面積 396.20 km2，轄小龍坎、沙坪壩、磁器口等11個街道，覃家崗、井口、歌樂山等12個鎮和聯芳村經濟園區(圖1)。東與江北區、渝北區隔江相望，東南與渝中區接壤，東北與北碚區相連，南與九龍坡區相靠，西與壁山縣相依。

1.2 數據來源及處理 該數據源包括2004、2006年的土地利用數據(圖2、3)、2008年道路現狀、鎮政府點分布以及高程。借助GIS平臺對數據進行處理及格式轉換，轉換為二進制文件(.txt)，使之能在GeoSOS中進行相應的模擬操作。首先，將2004、2006年的土地利用數據進行格式轉換，土地利用類型有農田、森林、城市用地、果園和水域五大類型。其次，從2008年道路現狀圖中提取普通公路(Road)、快速道路(fastRoad)2個二進制文件。坡度影響因子從高程圖中提取并轉換，鎮政府點分布圖直接進行轉換。最終得到離鎮政府點距離、快速道路距離、普通公路距離3個距離變量、坡度變量。注意在進行處理及格式轉換過程中，要進行標準化處理、投影轉換，保持投影及研究區范圍的一致性。

圖1 重慶市沙坪壩區鄉鎮界圖

1.3 CA模型 元胞自動機(Cellular Automata，CA)具有強大的空間運算能力，常用于自組織系統演變過程的研究。它是一種時間、空間、狀態都離散，空間相互作用和時間因果關系都為局部的網格動力學模型，具有模擬復雜系統時空演化過程的能力［5］。

CA的一個主要特征是CA與GIS的耦合。CA和GIS的耦合能使CA模擬出與實際情況更為接近的模擬結果。目前也有多個系列的CA模擬軟件，在模擬城市格局變化時常把GIS作為集成平臺，用GIS軟件提供的二次開發宏語言來開發城市CA，如Arc/Info GRID模塊開發城市CA［6］。

圖2 重慶市沙坪壩區2004年土地利用類型圖

圖3 重慶市沙坪壩區2006年土地利用類型圖

2 結果與分析

2.1 基于GeoSOS平臺的CA模型土地利用變化模擬 GeoSOS平臺提供的轉換規則有多準則判斷、邏輯回歸、主成分分析、神經網絡、決策樹5種方法。管超等［7］利用該系統進行了基于耦合地理模擬優化系統GeoSOS的旅順口區城市空間擴展等應用并得到了很好的效果，Logistic回歸方法將土地利用類型中的某一小塊作為一個元胞，只需判斷某個元胞的狀態在［t，t+1］時刻間是否從0變化到1，就可判斷該元胞所代表的地塊是否城市化，這就是邏輯回歸CA模型的最基本思想，用其在元胞空間的狀態來確定［8］。因此該文將采用GeoSOS來對重慶市沙坪壩區土地利用變化進行模擬，并以Logistic—CA作為理論模型，對重慶市沙坪壩區2006年土地利用情況模擬，定義1代表的是耕地，2代表的是林地，3代表的是城市用地，4代表的是園地，5代表的是水系，并設置好顏色。其中農田、果園可轉換為城市用地，森林、水域不可轉換為城市用地，自動計算各空間變量的回歸系數。

設置轉換總量為1 000 000個柵格單元，迭代次數為2次，模擬結果精度為95.2%，得到的結果利用Arcgis分析，把原始的2006年的土地利用類型圖像(圖3)與基于邏輯回歸的CA模型模擬的2006年結果圖像(圖4)進行疊加分析，發現模擬結果是極其接近的(表1)。

圖4 重慶市沙坪壩區2006年土地利用類型模擬

2.2 模型的評價 城市用地的數量在不斷增多，而在無較強約束和管理條件下，對區域生態安全起重要作用的森林和水域也不可避免地受到城市建設用地的侵占。從土地利用類型分布上看，分布基本上接近，尤其在沙坪壩東南部的井口鎮、井口街道、沙坪壩、歌樂山鎮的模擬精度極高。此外，值得注意的是在曾家鎮及虎溪鎮交界地帶及其周邊有一塊集中的城市區，在模擬圖像上是沒有的。說明模擬的結果仍然與實際的土地利用/覆蓋有一定的誤差。從城市用地的發展走向來看，除曾家鎮及虎溪鎮的交界地帶，重慶市沙坪壩區的發展大體還是集中在該區域的東南部，即沙坪壩、井口鎮、井口街道、歌樂山鎮，其他地區主要依托先前的地區周邊逐步發展起來。

表1 2004、2006年研究區土地利用各類型面積比較 km2

從模擬結果可推測，未來沙坪壩區的土地利用變化仍然會按照2004～2006年的趨勢，依托現有城市逐步實現鄉村、果園等向城市用地的轉換。曾家鎮及虎溪鎮交界地帶也依然會依托自身優勢發展周邊，逐步完成城鄉轉換，統籌發展。并且按照2004～2006年的發展趨勢，未來沙坪壩區建設用地面積將大規模增加，其他用地類型面積均有不同程度減少，其中耕地流失量最大，林地、果園、農田等建設用地也有一定程度的減少，水域面積也有一定縮減。經分析發現，由城市化進程導致的城市建設用地擴張在未來土地利用演變過程中仍占據主導地位。其中，農田(耕地)、果園及其他非建設用地是城市建設用地的主要來源。從城市擴展格局上看，未來城市擴展將集中在現有城鎮邊緣，沿道路發展的趨勢也較為明顯。此外，虎溪大學城區域也將得到較高程度的發展。

2.3 土地利用功能性發展分析 考慮不同的城市發展政策，調整模型參數，實現不同管理情景下土地利用變化預測。除上述目前趨勢發展情景，還設計了城市規劃與區域發展情景和生態環境保護管理情景。

城市規劃與區域發展情景，即考慮重慶市城市整體發展規劃、沙坪壩區發展規劃及其他建設區域開發政策對未來土地利用的可能影響。生態環境保護管理情景，限制城市用地侵占連續成片的林地、基本農田、水體和東部水源涵養地等對區域生態安全起重要作用的生態系統，保護生態環境，尋求城市區域的可持續發展。城市規劃與區域發展情景和生態環境保護情景下，土地利用類型面積變化趨勢與目前趨勢發展情景下的發展變化相似，即城市建設用地面積增加，其他用地類型面積減少。相比而言，在生態環境保護情景下，應鼓勵城鎮沿現有建設用地向外邊緣式擴展，城市建設用地面積增加較慢，但是耕地、林地、水域和未利用土地類型損失面積比例較低，說明生態環境保護政策對重要的生態系統和自然資源起到良好的保護作用。城市規劃與區域發展情景下，城市用地擴展受到較強的空間限制，邊緣增長類型受到約束，城市增長面積低于目前趨勢發展情景，但是耕地的損失比例較高。從城市用地擴展空間格局上來看，城市規劃與區域發展情景和生態環境保護情景與目前趨勢發展情景存在明顯的空間差異。城市規劃與區域發展情景下，城市用地擴展集中政策開發區內，新城鎮不斷產生，且城鎮沿道路擴展的趨勢較為明顯。相比而言，生態環境保護情景下，城市用地格局非常緊湊。總的來說，2種管理情景下城市建設用地對具有重要生態功能的林地威脅較小，但對非基本農田之外的耕地或農田占用較多。

3 結論與討論

(1)研究表明，重慶市沙坪壩區城市的空間擴張以外延式為主，集中在現有城鎮邊緣，沿道路發展的趨勢也較為明顯。對重慶市沙坪壩區2004～2006年的土地利用情況模擬結果表明，運用Logistic—CA模型能夠較好地模擬土地利用變化，總體精度達到95.2%。在城市規劃與區域發展情景和生態環境保護管理情景2種管理情景下，未來的重慶市沙坪壩區城市建設用地將持續增加，大量的耕地資源被侵占。該文基于Logistic—CA模型對重慶市沙坪壩區土地利用模擬主要采用歷史數據來優化參數，是一種靜態的轉換規則，這種方法對城市規劃調整、重大事件、重大建設項目和行政區劃調整影響無法明確體現，尤其在考慮大學城區域的政策規劃下模擬城市的擴展，這是導致沙坪壩區西南部曾家鎮及虎溪鎮交界處土地利用模擬誤差的主要原因。

(2)由于存在數據源、CA模型不確定性、未考慮到的政策規劃［9］以及空間尺度［10］利用等不同程度的誤差，今后可以通過優化CA模型參數，定量化社會、經濟、政策因素等提高模型精度，也可以發揮GIS軟件的功能，使之與GeoSOS集成，這樣將會給用戶更大的使用空間。

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