基于空間交互作用的單核城市群擴張模擬預測及應用研究

【摘要]本文選擇基于網絡大數據表征的空間信息流，結合當前靜態的城市引力模型構建城市群內部動態的作用力模型，并與城市擴張模擬中最常用的模型——元胞自動機模型進行耦合，探究基于信息流的城市群協同擴張模擬和預測模型框架，并以湖北省東部的單核城市群——武漢城市圈為典型示范應用，武漢城市圈近十年來的城市擴張變化，并對未來的城市擴張方向提出合理化的預測，為今后武漢城市圈的規劃建設與發展提供決策參考，具有重要的理論和實踐意義。

【關鍵詞】空間交互作用;單核城市群;擴張模擬預測

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

22.006

1、前言

隨著區域城市化與城市區域化的發展，城市群成為中國城市化進程中最引人注目的地區，我國相關城鎮化發展規劃提出將長三角城市群、珠三角城市群和京津冀城市群建設為世界級城市群，這些地區將成為全國城市建設和經濟發展的重要領路者和支撐者，參與全球的合作與競爭[1]。

城市用地擴張與變化模擬是城市發展研究的一個熱點問題[2]。當前城市群的模擬研究多集中在單個城市，對較大區域的城市擴張模擬大多從分區模擬的角度考慮，模型忽略了城市群空間內部聯系對城市擴張的影響[3]。近年來，有學者開始注重研究城市空間聯系與城市群發展的關系，嘗試從重力模型，數據場模型，GIS網絡分析模型[4]等多方面分析城市群內部空間的聯系對城市群擴張的影響，但主要從城市的人口和經濟等靜態指標來反應空間聯系，缺乏全面性，同時，未充分考慮與城市動態模擬模型的結合，使城市群擴張模擬的精度普遍不高。

本研究基于城市規劃與發展理論，以城市模擬城市未來擴張狀態和方向為目的，從城市群內部空間動態聯系的視角出發，圍繞城市空間靜態聯系、動態聯系及其與城市群擴張的相互關系，采用理論歸納、模型構建與實證研究相結合的思路，依據現有的城市群研究的理論方法體系，綜合運用重力模型，網絡信息流模型和元胞自動機模型等多種方法，探究基于網絡大數據的空間信息流聯系對城市群擴張的影響，構建整合信息流的元胞自動機模型框架，探究城市群尺度下更優的城市擴張模擬模型和精度檢驗方法。

2、以武漢城市圈典型案例開展實例研究

2.1 基于空間信息流的城市群內部空間交互作用研究

選取城市擴張研究中普遍認為對城市用地增長有影響的自然地理因子，結合互聯網大數據——百度指數和空間網絡流模型表征城市間的信息流，研究更全面測度城市群空間交互作用的模型，針對傳統城市群模型的不足，構建整合信息流的加權城市流模型，并分析其與城市擴張的聯系。

2.2 基于城市內部空間相互作用的城市群擴張模擬研究

基于傳統元胞自動機模型和重力模型表征的空間相互作用在模擬城市群擴張過程中的局限性，本研究選取整合信息流的加權城市流模型與CA模型結合，綜合考慮城市群內部各城市間的動態和靜態相互作用對城市群建設用地擴張的影響，構建整合多種空間聯系的改進元胞自動機模型，模擬城市群范圍內城市土地的擴張動態，探究城市群擴張的規律。

2.3 開展城市群空間聯動增長模擬及預測的應用實例研究

選取武漢1+8城市圈作為研究區，采用數據融合與同化技術構建城市用地擴張空間數據庫，分析研究區內空間相互作用力的格局和變化趨勢，基于研究區的特征構建基于空間交互作用的城市群擴張模擬模型，開展模型的實例化研究，并檢驗模型的有效性。選取最優的模型，對城市圈未來的擴張趨勢做出合理的預測。

2.4 元胞自動機模型

元胞自動機（Cellular Automata，CA）是一種時間、空間均離散，具有時空計算特征的動力學模型，用于自組織系統的演變規律。其中，轉換規則是元胞自動機的核心。GIS柵格中的每個格網與單個元胞完全對應，使得CA模型非常適合處理土地利用柵格數據，從而模擬土地利用類型的轉換。在局部轉換規則的基礎上，元胞自動機通過迭代，自下而上的推演區域土地利用格局。因此，CA模型可模擬不同情境下城市擴張的情景，并采用遙感影像分類精度檢驗的方法檢驗模擬精度。

3、構建基于信息流的空間交互作用模型

在梳理有關城市空間相互作用與城市擴張模擬研究背景基礎上，從城市擴張理論、城市空間聯系以及網絡分析視角解析城市空間動態交互作用的內涵，構建基于信息流的空間交互作用模型，分析空間交互作用與城市群擴張的關系;建立基于空間交互作用的元胞自動機轉換規則，模擬城市群的擴張，以湖北省武漢城市圈為研究區，收集整理研究區內的多期土地利用數據、遙感影像數據，基礎地理信息數據、社會經濟統計數據以及其他輔助數據，開展實地調研，進行模型應用，并驗證其科學性。

3.1 網絡大數據環境下城市空間動態相互作用的構建技術

基于網絡大數據表征城市間的動態聯系，彌補傳統引力模型分析城市群空間作用力的不足，全面地反應城市群間的動態與靜態聯系。

3.2 整合信息流模型的城市群擴張模擬關鍵技術

構建合適的元胞自動機轉換規則，整合信息流模型及傳統的城市流模型，在充分顧及城市間相互作用力的前提下模擬城市群擴張的情景，并且基于城市群尺度如何選擇合適的精度檢驗方法，也是本研究需要解決的問題

3.3 單核城市群城市擴張模擬關鍵技術及預測典型示范應用

除方法模型外，研究案例主要集中在我國較發達的沿海城市群，如京津冀城市群，長三角城市群，珠三角城市群等，這些城市群均為多核城市群，城市之間有顯著的等級差異。而武漢城市圈是為數不多的單核城市群，又是湖北省經濟發展的風向標，因此，如何構建科學的單核城市群擴張及預測模型，結合武漢城市圈作為單核城市群的典型特征，探索武漢城市圈擴張中空間聯系對城市擴張的影響，也是本研究的一個技術難題。

參考文獻：

[1]何建華等，顧及空間交互作用的城市群聯動空間增長模擬——以武漢都市區為例.武漢大學學報（信息科學版），2016.41（4）：462-467頁.

[2]高金龍.陳江龍，中國城市擴張態勢與驅動機理研究學派綜述.地理科學進展，2013.32（5）：743-754頁.

[3]楊青生.黎夏，多智能體與元胞自動機結合及城市用地擴張模擬.地理科學，2007（04）：p.542-548.

[4]焦利民，唐欣.劉小平，城市群視角下空間聯系與城市擴張的關聯分析.地理科學進展，2016（10）：1177-1185頁.

作者簡介：

何力，1989年8月生，長江大學教師，講師，研究方向：城市土地利用及大數據與城市規劃研究

課題：2019年湖北省自然科學基金計劃青年項目“基于空間交互作用的單核城市群擴張模擬預測及應用研究（項目編號：2019CFB355）

（本文作者單位為長江大學，湖北荊州，434023）