基于CA-Markov模型的南昌市城市擴張合理性研究

楊 楚 燕

(杭州師范大學經濟與管理學院，311121，杭州)

0 引言

城市土地作為城市形成和社會經濟發展的重要依托，其擴張的合理性一直備受我國土地利用規劃和城市規劃的重點關注[1-3]。若擴張過慢，將會阻礙城市經濟的穩步增長；擴張過快，容易產生城市土地資源粗放利用，城市無序擴張，市郊農田被占用、污染，生態環境破壞等問題，甚至威脅我國未來糧食安全[4-7]。

現有關于城市擴張合理性的研究方法，主要包括：1)計量經濟模型，如孟鵬[8]等通過構建城鎮最佳規模分析模型和發展適度性判斷模型研究三大城市群的合理規模，舒幫榮[9]等使用C-D生產函數、成本效益曲線分析太倉市城鎮用地擴張合理規模，康靖[10]等利用成本效益模型研究河西走廊地級市合理城市用地規模，余慶年[11]等使用回歸模型對我國各級城市用地規模進行合理性比較分析。2)綜合評價模型，如詹長根[12]、劉穎[13]均通過構建綜合評價指標體系，采用熵權法確定指標權重，再引入協調系數綜合評價城市擴張的合理性。3)元胞自動機模型，如蘇偉忠[14]等、龍瀛[15]等、徐康[16]等從限制城市擴張的因素出發，采用元胞自動機模型來模擬城市擴張演變，劃定合理的城市擴張邊界。以上方法均存在一定程度的缺陷，如容易產生考慮因素不全面，無法表現和處理不能量化的因素，主觀因素影響大，僅從數量或空間單一角度進行研究，具有片面性。而CA-Markov模型綜合了元胞自動機(CA)和馬爾科夫(Markov)的優點，可以長期有效地監測土地利用規模變化，提高土地利用類型相互轉化的預測精度，是研究時間、空間規模變化最有效的方法[17]。

1 研究區概況

南昌市是江西省的省會城市，是連接長江三角洲、珠江三角洲、海峽西岸經濟區的省際交通廊道。至2018年，南昌市城鎮常住人口由上年的546.35萬人增長到554.55萬人，城鎮居民人均住房建筑面積為38.27 m2，常住人口城鎮化率為74.23%，城鎮人口不斷增加，城鎮化水平正在穩步提升。南昌市經濟發展勢態良好，全年實現地區生產總值(GDP)5 274.67億元，比上年增長8.9%[18]。作為長江中游城市群中心城市之一的南昌市，交通便利，不僅是江西最重要的綜合交通樞紐，在全國也具有重要的交通地位。而近年來，工業化帶動城鎮化發展導致城市用地出現“攤大餅”式粗放利用土地的方式，這不僅與我國節約集約利用土地的理念是相悖的，更是帶來了一系列負面影響，諸如：社會治安混亂、住房緊張、配套基礎設施落后、農用地(尤其是耕地)大量流失、社會結構趨向不合理以及出現能源危機。因此，有必要采取恰當的方式研究城市擴張的合理性，提高城市土地利用效率，優化城市土地資源配置。

2 研究方法與數據處理

2.1 研究方法

CA-Markov模型主要通過IDRISI軟件實現，綜合了CA模型復雜空間系統動態演變及Markov模型時間動態預測的優勢。CA模型元胞數量的轉化規則遵從利用Markov模型構建的土地利用類型轉移概率矩陣，這不僅便于在數量上和空間格局上模擬土地利用時空演變狀況，還可以高效提升轉換概率的精確度，使得模擬結果的土地利用空間格局更加合理[19]。本文借助CA-Markov模型來模擬南昌市城鎮用地動態演變狀況，預測未來土地利用變化趨勢，對于分析城市用地擴張的合理性、優化土地資源配置具有重大作用。操作步驟如下。

1)借助ArcGIS將1995年、2005年、2015年的土地利用現狀的.shp文件轉為.tif文件，使用IDRISI軟件將.tif文件轉為.rst格式的文件，將這3期的土地利用現狀圖使用reclass功能重分類使得影像分類更加清晰。

2)用1995年、2005年的影像獲取馬爾科夫矩陣，用1995年的影像作為轉換矩陣的前一期影像，2005年的影像作為后一期影像，比例誤差設置為0.15，獲取的馬爾科夫矩陣記錄了在下一個時期，從每個土地利用類型轉換為其他土地利用類型的概率。

3)實現CA-Markov模型預測，用2005年影像作為依據影像來模擬2015年土地利用變化，通過適宜性圖集、馬爾科夫轉換矩陣面積文件輔助，將元胞自動機的循環次數設置為10，得到模擬的2015年土地利用變化數據。

4)將模擬產生的2015年土地變化數據與實際的2015年土地利用數據使用IDRISI軟件的CROSSTAB功能進行精度評價，得出的Kappa指數在0～1之間，數值越接近1，精度越高。

5)使用2015年的土地利用現狀數據來預測2025年的土地利用狀況。

2.2 數據處理

本文研究主要采用南昌市1995年、2005年、2015年土地利用數據。一些其他的輔助數據信息主要通過查閱《中國城市統計年鑒》《江西統計年鑒》《南昌市統計年鑒》獲得[20-22]。

2.2.1 確定土地利用分類標準 由于研究土地的目標各有不同，對土地分類的劃分差異也是非常大。為了提高研究的精確性，需要按照研究區實際情況對土地利用分類系統進行分類調整[23]。本文在對南昌市土地利用類型充分了解的情況下，結合所要探究的實際問題，參考張亞麗等對于土地分類的研究[24]，把南昌市的土地劃分為耕地、建設用地、林地、草地、水域、其他用地。草地面積比較小，所以把草地歸類至耕地。具體分類情況如表1所示。

表1 土地利用分類表

2.2.2 土地重分類處理 通過使用ArcGIS軟件，對南昌市1995年、2005年、2015年土地利用現狀數據進行重分類處理。處理操作包括將值組合、舊值賦新值、缺失值更改為Notdata等操作，重分類結果如圖1所示。

3 結果分析

3.1 界定擴張區域范圍分析

本文借鑒Ferreira[25]提出的界定擴張區域的標準，即城市用地周邊界限劃分在考慮土地登記數據以及空氣環境因素和公共事業地役權的情況下，通過判斷基礎設施的道路網絡和其他建設用地的情況劃定界限。結合南昌市的基礎道路設施情況和城鎮用地做恰當調整。借助ArcGIS軟件來實現預測擴張區域范圍的界定，預測結果如圖2所示。

(a)1995年 (b)2005年

(c)2015年

圖2 2025年城鎮建設用地預測圖

2025年南昌市城鎮用地擴展區域主要沿原有城鎮用地向四周發散蔓延，其中新建區和南昌縣處于經濟快速發展期，城鎮化也在加快腳步進行，發展了連續大面積的城鎮用地，易于形成集聚經濟。安義縣和進賢縣與主城區(主要包括青山湖區、青云譜區、東湖區、西湖區和灣里區)距離較遠、受主城區輻射影響弱，城鎮化水平較低，未來還具有較大的發展空間。

3.2 CA-Markov模型模擬城鎮擴張分析

使用IDRISI軟件CA-Markov模型預測，用2005年的南昌市土地利用現狀圖作為依據模擬2015年南昌市土地利用現狀，通過精度評價得到的Kappa指數為0.814 1，模擬結果精度高。因此，再次利用修正的CA-Markov模型使用2015年的土地利用現狀數據來預測2025年的南昌市的土地利用狀況。預測成果如圖3所示。

圖3 CA-Markov模型預測圖

由預測圖分析可知，南昌市城鎮用地(深色)發展依舊主要沿著贛江兩岸向外擴張，城鎮用地趨向規模利用，新建區、安義縣、南昌縣、進賢縣各個縣中單塊零散的城鎮用地不斷聚集起來，形成新的城鎮用地中心地塊向四周擴張。在一定程度上來說，城鎮用地擴張“攤大餅”的現象有所好轉。

3.3 城市擴張合理性分析

3.3.1 整體合理性分析 將IDRISI軟件預測得到的2025年的.rst格式的土地利用狀況數據使用Arcraster功能轉為ASCII碼，使用ArcGIS軟件的轉換工具將ASCII碼轉成30 m×30 m大小尺寸柵格文件，利用轉換工具將.tif格式文件轉換為.shp格式文件。從預測的2025年土地利用現狀圖中提取出城鎮建設用地數據，與根據界定城鎮擴張區域的標準確定的合理擴張區域疊置，進行合理性分析(圖4)。

圖4 合理性分析圖

由圖4可知，使用CA-Markov模型計算出來的2025年城鎮建設用地分布基本符合界定城市擴張區域標準預測的擴張范圍。南昌市的城鎮用地擴張宏觀走向為東南-西北走向，城鎮用地沿贛江兩岸向外擴張，由主城區向外擴張。這主要是因為南昌主城區內的青山湖區、東湖區、西湖區、青云譜區是南昌市最早開始城市化的地區，城鎮用地水平遙遙領先其他地區，城鎮化水平高，可再利用的土地面積有限，而灣里區位于山脈地段，多發展風景名勝、森林用地，所以，南昌市主城區未來城鎮用地再擴張的面積十分有限，城鎮用地擴張以主城區為基點向四周蔓延。

3.3.2 區域合理性分析 使用合理性分析圖的屬性數據，統計各個區域疊置面積和占比情況(圖5、圖6)，來分析南昌市各區域城鎮用地擴張的合理性。

圖5 重疊面積

圖6 占比情況

根據界定城鎮擴張區域的標準確定的合理擴張區域與CA-Markov模型模擬的南昌市2025年城鎮建設用地重疊面積大，其中又以南昌市(主城區)和新建區、南昌縣疊置面積居多。進賢縣(20.73 km2)和安義縣(39.86 km2)重疊面積較小，主要是由于進賢縣和安義縣與南昌市城區距離較遠、輻射效應弱。新建區的重疊面積高達131.49 km2，南昌市(主城區)為116.88 km2、南昌縣為64.96 km2。由此可見，南昌市的城鎮發展主要集中在南昌市(主城區)、新建區和南昌縣。而南昌市(主城區)可供城鎮用地再擴張的空間不大，新建區地域面積廣闊、距離南昌市主城區相對較近、擁有得天獨厚的地理位置(鄱陽湖生態經濟區中心位置)、區位優勢明顯，與南昌市城區融為一體，南昌縣地形平坦、地處鄱陽湖平原、與南昌市城區交界線長、交通便利、具備良好的發展優勢，未來南昌市城鎮用地發展方向將主要為新建區和南昌縣。

綜上所述，南昌市的城鎮用地擴張基本符合發展規律，主城區領跑城鎮擴展的發展進程。新建區、南昌縣受主城區的輻射影響較大、且有政策支持，城鎮用地擴展速度快，距離主城區較遠的進賢縣和安義縣具有較大的城鎮發展潛力與空間。

4 結論

1)根據界定擴張區域的標準，使用2015年南昌市城鎮用地現狀數據來預測南昌市2025年城鎮用地的合理規模，預測得到的南昌市2025年城鎮用地擴張區域的面積為785.82 km2，城鎮建設用地沿贛江兩岸分布，擴張主要是在原有城鎮用地的基礎上向外擴張。

2)通過使用IDRISI軟件的Markov模型獲取了馬爾科夫矩陣、CA-Markov模型用2005年南昌市土地利用現狀圖模擬2015年南昌市土地利用現狀，將模擬得到的數據與實際2015年的數據進行精度評價得到的Kappa指數為0.814 1，表明模型模擬精度較高，與實際數據接近。因此，保持該模型的參數和設置不變來預測南昌市2025年土地利用現狀具有較高的可信度。

3)通過城鎮擴張預測圖合理性分析可知，CA-Markov模型模擬得到的2025年南昌市城鎮用地在2025年南昌市城鎮用地合理規模范圍之內，重疊面積中非主城區以新建區和南昌縣居多，分別為131.49 km2和64.96 km2，說明未來南昌市的城鎮用地發展主要是集中在新建區和南昌縣。這一結果與《南昌市城市總體規劃2016-2035年》綱要方案規劃發展方向一致，未來南昌市城鎮發展重點區域為新建區的九龍湖新城、儒樂湖新城和南昌縣的瑤湖新城、南昌東站高鐵新區。

4)在實現CA-Markov模型模擬預測時，因重做適宜性圖集需要道路、河流、坡度等信息制作，主觀性強且模擬精度低，所以選用的適宜性圖集為2005年影像作為前一期影像2015年影像作為后一期影像獲取的馬爾科夫矩陣文件，但科學性仍有待考究，在未來的研究中還需不斷完善，以便為南昌市未來城市發展規劃提供更有價值的理論指導。