楊青生，游細(xì)斌

(1.廣東財經(jīng)大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 廣州　510230；2.贛南師范學(xué)院 地理與規(guī)劃學(xué)院，江西 贛州　341000)

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基于CA的多背景生態(tài)安全土地空間格局模擬* 1

楊青生1，游細(xì)斌2

(1.廣東財經(jīng)大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 廣州510230；2.贛南師范學(xué)院 地理與規(guī)劃學(xué)院，江西 贛州341000)

摘要：以城市化快速發(fā)展的東莞市為例，采用約束性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元胞自動機(jī)，在轉(zhuǎn)換規(guī)則中嵌入控制城市發(fā)展的變量，引導(dǎo)城市分別向“單中心”和“多中心”模式發(fā)展，形成城市沿“市中心”、“市中心——鎮(zhèn)中心”緊湊發(fā)展的土地利用格局，并對不同城市發(fā)展模式的生態(tài)安全進(jìn)行評價.研究結(jié)果表明：控制城市沿市中心擴(kuò)展的“單中心”城市發(fā)展格局生態(tài)安全指數(shù)為0.479，城市用地聚集指數(shù)為0.92；控制城市沿市中心和鎮(zhèn)中心發(fā)展的“多中心”城市發(fā)展格局生態(tài)安全指數(shù)為0.477，城市用地聚集指數(shù)為0.640；單中心發(fā)展模式的城市生態(tài)安全程度最高，城市用地最為集中，多中心發(fā)展模式的城市生態(tài)安全和城市用地聚集度均比實(shí)際(0.383、0.250)高.“單中心”和“多中心”的發(fā)展模式可以形成城市聚集，鄉(xiāng)村生態(tài)安全的區(qū)域土地利用格局，是未來新型城鎮(zhèn)化空間布局的理想形態(tài)之一.

關(guān)鍵詞：元胞自動機(jī)；城市發(fā)展情景；生態(tài)安全；東莞市

1引言

隨著我國新型城鎮(zhèn)化的進(jìn)一步發(fā)展，研究符合我國國情的可持續(xù)發(fā)展城市形態(tài)，可以為新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃提供科學(xué)的決策依據(jù).如果能模擬出不同的城市形態(tài)并對其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評價，就可以綜合考量決定更有利于新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的城市形態(tài).目前，對城市空間發(fā)展的模擬已取得了許多研究成果[1-10]，而對模擬結(jié)果的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價相對不足.如，Batty和Xie采用CA通過獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則模擬Buffalo市城市發(fā)展[11]，Syphard等預(yù)測了南加州區(qū)域城市發(fā)展及影響[12]，Li等分別采用案例推理(CBR)、遺傳算法(GA)和主成分分析(CPA)模擬了珠三角城市的發(fā)展[13-15].這些研究從實(shí)證角度證明CA在模擬城市發(fā)展時具有非常好的性能.

近年來，越來越多的學(xué)者采用CA模擬交替的城市發(fā)展模式和多情景下的城市發(fā)展形態(tài)，這類模型首先假設(shè)各種問題，再按照假設(shè)問題具備的不同假設(shè)條件模擬出各自發(fā)展模式下的城市形態(tài)，如Li將土地可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)作為約束條件嵌入模型中，模擬了東莞市保護(hù)基本農(nóng)田約束下的城市發(fā)展模式[16]，Li等也采用調(diào)整參數(shù)的方法模擬了緊湊發(fā)展的城市形態(tài)[17].目前，用CA模擬不同城市發(fā)展模式的研究，主要通過在模型中嵌入農(nóng)業(yè)適宜性、城市緊湊度等單一假設(shè)條件模擬期望的城市形態(tài)，如果在模型中嵌入既能考慮城市發(fā)展又能反映城市擴(kuò)展影響的綜合指標(biāo)控制城市形態(tài)的發(fā)展，可以模擬不同情景下的可持續(xù)城市形態(tài)發(fā)展[18].其中，采用CA模擬緊湊發(fā)展的城市形態(tài)時，發(fā)現(xiàn)城市用地的聚集使城市地區(qū)的生態(tài)安全程度不高，而在嘗試模擬生態(tài)安全的土地利用模式時，卻發(fā)現(xiàn)城市用地相對比較分散的發(fā)展模式又往往是生態(tài)安全較高的土地利用模式[18].

為了給城市和區(qū)域規(guī)劃提供科學(xué)的決策依據(jù)，本文采用約束性元胞自動機(jī)模擬城市沿“單中心”和“多中心”緊湊發(fā)展的情景，并對不同發(fā)展情景的城市用地聚集程度及其生態(tài)安全度進(jìn)行評價，將其與實(shí)際城市發(fā)展模式比較，研究不同城市發(fā)展情景的城市用地緊湊度及其生態(tài)安全程度.

2控制城市發(fā)展的約束性CA

2.1基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正的CA

早期的CA只考慮元胞本身狀態(tài)及其鄰域元胞狀態(tài)的組合來決定下一時刻元胞的狀態(tài)，CA應(yīng)用在城市系統(tǒng)時，由于城市空間擴(kuò)展除了考慮元胞鄰域狀態(tài)外，還和元胞的商業(yè)服務(wù)業(yè)繁華度、道路通達(dá)性和城市規(guī)劃等各種因素相關(guān)，在城市CA的轉(zhuǎn)換規(guī)則中，除了運(yùn)用局部變量外，還需要引入距離變量，如離市中心的距離、離道路的距離等，反映市中心和道路等對元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的影響[25].如何定義元胞轉(zhuǎn)換為城市用地的概率是城市CA的核心之一，由于城市系統(tǒng)的復(fù)雜性和非線性特征，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來反映元胞轉(zhuǎn)換為城市用地的概率和空間變量之間的關(guān)系，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定義CA的轉(zhuǎn)換規(guī)則時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常常由3層組成：輸入層、隱含層和輸出層[19].輸入層有n個神經(jīng)元，對應(yīng)著n個空間變量(元胞的屬性)：

(1)

(2)

隱含層接收到輸入層傳遞的信號，隱含層的第j個神經(jīng)元所接受到的信號為：

(3)

其中，x為輸入信號對應(yīng)的模擬單元，t為模擬時間，netj(x,t)為隱含層第j神經(jīng)元接收到的信號，wij為連接輸入層第i個神經(jīng)元和隱含層第j個神經(jīng)元的權(quán)重.隱含層對該信號的響應(yīng)為：

(4)

輸出層只有一個神經(jīng)元，輸出層的信號為：

(5)

其中，pd(x,t)為元胞x在時刻t的城市發(fā)展概率，wj為連接隱含層第j個神經(jīng)元與輸出層的權(quán)重.

為了反映城市系統(tǒng)的不確定性，常常在CA中引入一隨機(jī)變量，該隨機(jī)項可以表達(dá)為：

(6)

其中，γ為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)，a為控制隨機(jī)變量大小的參數(shù).因此，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定義和校正CA時，元胞x在時刻t的城市發(fā)展概率為：

(7)

在每次迭代運(yùn)算中，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的元胞城市轉(zhuǎn)換概率與一隨機(jī)數(shù)比較，如果該值大于該隨機(jī)數(shù)，則在該次迭代中，該元胞轉(zhuǎn)換為城市用地，即：

(8)

2.2約束性CA

緊湊式城市發(fā)展理論認(rèn)為，城市發(fā)展應(yīng)該更緊湊些，緊湊式城市發(fā)展可以減少基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，降低能源的消耗，有利于節(jié)約農(nóng)業(yè)土地資源.緊湊發(fā)展的城市形態(tài)主要有“單中心”和“多中心”發(fā)展的中心聚集模式，為了模擬緊湊式發(fā)展城市形態(tài)，在CA轉(zhuǎn)換規(guī)則中嵌入控制變量，控制城市偏離歷史發(fā)展的規(guī)律，沿控制的城市形態(tài)發(fā)展.控制城市沿“單中心”(市中心)發(fā)展時，可以在式(8)中嵌入一控制變量，控制離市中心一定距離內(nèi)的元胞轉(zhuǎn)換為城市用地，其它元胞不轉(zhuǎn)換，即：

(9)

其中，DisToUc(x)是元胞x離市中心的距離，D閾值.

控制城市沿“多中心”(市中心和鎮(zhèn)中心)發(fā)展時，式(8)可以調(diào)整為：

(10)

其中，DisToUc(x)是元胞x離鎮(zhèn)中心的距離，D′為閾值.

3案例分析

3.1研究區(qū)概況

東莞市位于廣東省中南部，與廣州、深圳相鄰，經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)位優(yōu)勢非常顯著.2014年全市完成生產(chǎn)總值5 881億元，同比增長7.8%，第二產(chǎn)業(yè)增加值2 697.90億元，增長9.2%，第三產(chǎn)業(yè)增加值3 162.44億元，增長6.3%，三大產(chǎn)業(yè)比例為0.3∶45.9∶53.8，工業(yè)和服務(wù)業(yè)成為東莞市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要產(chǎn)業(yè)；2014年末，常住人口834.31萬人，人口城鎮(zhèn)化率為88.81%；全市建成區(qū)土地面積922.02平方公里，公共管理與公共服務(wù)用地面積45.60平方公里，森林覆蓋率為36%；城市建成區(qū)綠地率為44.5%，城市人均公園綠地面積17.3平方米[20].過去20年中東莞的經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展，與之相應(yīng)的城市建設(shè)用地規(guī)模快速增長，已經(jīng)帶來了一系列資源環(huán)境問題[21].采用合理的方法評價經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題，可以為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展政策制定提供科學(xué)依據(jù).

3.2數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(1988年12月10日，1997年8月6日和2013年10月20日)，衛(wèi)星軌道號為122/44，該景遙感影像覆蓋了東莞市全部區(qū)域，土地利用類型(7類)通過遙感數(shù)據(jù)分類獲取.人口數(shù)據(jù)來自于東莞市統(tǒng)計年鑒，道路交通資料和自然保護(hù)區(qū)、森林公園等資料采用城市規(guī)劃及環(huán)境保護(hù)規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃資料.

3.3結(jié)果及分析

3.3.1不同發(fā)展模式的城市形態(tài)模擬結(jié)果

圖1　約束性CA模擬的2013年不同發(fā)展模式的城市形態(tài)

模擬時，以1988年的土地利用現(xiàn)狀為初始狀態(tài)，用1988-1993年的城市發(fā)展數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，然后用訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嵌入控制變量模擬1993-2013年的不同發(fā)展模式下的城市形態(tài)(圖1).模擬結(jié)果表明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬的城市形態(tài)與實(shí)際城市形態(tài)非常接近；控制城市沿“單中心”模式發(fā)展的城市形態(tài)城市用地越來越集中在市中心，形成市中心城市緊湊，城郊過渡和鄉(xiāng)村建設(shè)用地較少的發(fā)展模式；控制城市沿“市中心——鎮(zhèn)中心”發(fā)展的“多中心”城市發(fā)展模式，城市用地主要集中在市中心和鎮(zhèn)中心，形成市中心——鎮(zhèn)中心城市緊湊而鄉(xiāng)村建設(shè)用地較少的城市發(fā)展模式.

3.3.2不同城市形態(tài)的景觀生態(tài)安全評價和城市用地緊湊度評價結(jié)果

為進(jìn)一步了解不同城市形態(tài)的景觀生態(tài)安全狀況和城市緊湊度，對景觀生態(tài)安全和城市緊湊度進(jìn)行了評價.對不同城市形態(tài)的景觀生態(tài)安全評價采用景觀生態(tài)安全評價體系[21].對城市用地的緊湊度評價，結(jié)合Li等的研究，考慮研究區(qū)的實(shí)際，主要采用城市用地斑塊密度(Patch density, PD)、景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index, LSI)、斑塊分離指數(shù)(Split)和聚集指數(shù)(Aggregation Index, AI)綜合評價.為了研究城市用地的集中程度，對上述四項指標(biāo)歸一化后加權(quán)運(yùn)算，計算斑塊在景觀中的緊湊程度：

(11)

其中，Aggregation表示城市用地聚集度，值越大，城市用地越集中.城市用地緊湊度評價指標(biāo)采用Fragstats3.3軟件計算.景觀生態(tài)安全評價結(jié)果見圖2和表1，城市緊湊度評價見表1.

對不同形態(tài)景觀的評價結(jié)果表明，單中心生態(tài)安全發(fā)展模式的城市用地最為集中(0.920)，總體生態(tài)安全程度也最高(0.479)；其次是多中心生態(tài)安全城市形態(tài)，城市用地緊湊度和生態(tài)安全指數(shù)分別為0.640和0.477；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬的城市形態(tài)城市用地較為分散，生態(tài)安全較低，城市用地緊湊度和生態(tài)安全指數(shù)分別為0.400和0.453；實(shí)際城市形態(tài)城市用地最分散，生態(tài)安全最低，城市用地緊湊度和生態(tài)安全指數(shù)分別為0.250和0.383.

圖2　2013年不同模式城市形態(tài)的景觀生態(tài)安全評價

指數(shù)實(shí)際城市神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬城市單中心生態(tài)安全城市多中心生態(tài)安全城市生態(tài)安全指數(shù)0.3830.453 0.479 0.477 城市斑塊緊湊指數(shù)0.2500.400 0.920 0.640 其中斑塊密度(PD)景觀形狀指數(shù)(LSI)斑塊分離指數(shù)(SPLIT)斑塊聚集指數(shù)(AI)1.52546.5175.85294.8616.962 39.283 2.855 95.688 2.515 27.124 2.810 97.082 4.707 35.426 2.332 96.130

從區(qū)域整體生態(tài)安全的平均值來看，實(shí)際城市形態(tài)的生態(tài)安全程度最低(0.383)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬的土地利用格局生態(tài)安全比實(shí)際稍高(0.453)，多中心生態(tài)安全土地利用空間格局生態(tài)安全比CA模擬結(jié)果高(0.477)，而單中心生態(tài)安全土地利用空間格局生態(tài)安全最高(0.479).與區(qū)域生態(tài)安全的平均值比較，生態(tài)安全的空間差異可以為我們選擇一種城市發(fā)展模式提供科學(xué)的決策依據(jù).圖2表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬的土地利用格局景觀生態(tài)安全空間分異與實(shí)際比較接近，低生態(tài)安全區(qū)域分布在市中心、鎮(zhèn)中心和道路附近；單中心生態(tài)安全土地利用格局的景觀生態(tài)安全空間分布上市中心為低生態(tài)安全區(qū)，其他地區(qū)基本為中高生態(tài)安全區(qū)和高生態(tài)安全區(qū)；而多中心生態(tài)安全土地利用格局的景觀生態(tài)安全空間分布上低生態(tài)安全區(qū)主要集中在市中心和鎮(zhèn)中心城市用地聚集區(qū)，而其它地區(qū)為中高生態(tài)安全區(qū)和高生態(tài)安全區(qū).

從城市斑塊緊湊度的具體指標(biāo)分析，實(shí)際城市形態(tài)的斑塊密度最低，單中心生態(tài)安全城市形態(tài)的斑塊密度次之，多中心生態(tài)安全城市形態(tài)的斑塊密度較高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬城市形態(tài)的斑塊密度最高.說明實(shí)際城市用地破碎化程度最低，單中心生態(tài)安全城市用地破碎化程度較低，多中心生態(tài)安全城市用地較破碎，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬城市用地最為破碎.景觀形狀指數(shù)的測算結(jié)果表明：實(shí)際城市形態(tài)最為分散，然后是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬的城市形態(tài)，多中心生態(tài)安全的城市形態(tài)，單中心生態(tài)安全的城市形態(tài)最為集中.斑塊分離指數(shù)的測算結(jié)果表明，實(shí)際城市形態(tài)斑塊最分散，然后是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬的城市形態(tài)，多中心生態(tài)安全的城市形態(tài)，單中心生態(tài)安全的城市形態(tài)最為集中.斑塊聚集指數(shù)的測算結(jié)果表明: 實(shí)際城市形態(tài)斑塊最分散，然后是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬的城市形態(tài)，多中心生態(tài)安全的城市形態(tài)，單中心生態(tài)安全的城市形態(tài)最為集中.

4結(jié)論

CA自下而上的建模特點(diǎn)，可以探索不同的城市發(fā)展模式及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng).通過采用約束性CA，模擬了“城市集中在市中心，農(nóng)村生態(tài)安全”“城市集中在市中心和鎮(zhèn)中心，農(nóng)村生態(tài)安全”的城市發(fā)展模式，并與非約束性CA模擬的城市形態(tài)和實(shí)際城市形態(tài)的城市用地緊湊度進(jìn)行了比較，同時對不同發(fā)展模式城市形態(tài)的生態(tài)安全進(jìn)行了評價.結(jié)果表明，“城市集中在市中心，農(nóng)村生態(tài)安全”的城市形態(tài)最為集中，區(qū)域生態(tài)安全程度最高；“城市集中在市中心和鎮(zhèn)中心，農(nóng)村生態(tài)安全”的城市發(fā)展模式，城市形態(tài)較為集中，生態(tài)安全程度較高；實(shí)際城市形態(tài)的城市用地最為分散，生態(tài)安全程度最低；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA模擬的城市形態(tài)城市用地較為分散，生態(tài)安全程度較低.利用CA探索不同的城市發(fā)展模式，并對其生態(tài)安全進(jìn)行評價，可以為城市及區(qū)域規(guī)劃提供科學(xué)的決策依據(jù).

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* 收稿日期：2016-03-02

DOI：10.13698/j.cnki.cn36-1037/c.2016.03.018

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(40801236)

作者簡介：楊青生(1974-)，男，青海樂都人，廣東財經(jīng)大學(xué)地理與旅游學(xué)院副教授、博士，研究方向：地理信息系統(tǒng)建模.

中圖分類號：X171

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-8332(2016)03-0067-05

Ecological Security Land Use Scenarios Simulation based on CA

YANG Qingsheng1, YOU Xibin2

(1.SchoolofResourcesandEnvironment,GuangdongUniversityofFinance&Economics,Guangzhou510320,China;2.SchoolofGeographyandPlanning,GannanNormalUniversity,Ganzhou341000,China)

Abstract:Cellular Automata (CA) has been used for simulating urban development recently. Most of the research concentrate on the transition rules of CA and simulate real urban development. Scientists begin to simulate optimized urban development by using CA. For taking scientific basis for urban planning, this paper simulates different urban development scenarios and its environmental effects by using constraint CA in Dongguan City. An artificial neural network (ANN) calibrated CA model was created for simulating real urban development firstly. The training data is selected from 1988 to 1993 land use types and database. The transition rule is then calibrated by using artificial neural network.. After obtaining the weights of ANN-CA model, the model is then used to simulate urban development from 1993 to 2005. Based on the ANN-CA model, a constraint variable-distance to urban center of distance to town center is embedded into ANN-CA for simulating compact urban development scenarios. Variable, distance to urban center is used to control urban development around urban center and distance to town center is used to control urban development around town center. Then integrated urban land aggregation index and ecological index are used for evaluating urban form and its environmental effects. The result shows that urban center development scenario is the most compact urban form and the best ecologically secure patterns. The value of integrated urban land aggregation index and ecological index are 0.92, 0.479 respectively. The scenario of town center development is the second compact urban form and ecologically secures patterns. The value of integrated urban land aggregation index and ecological index are 0.640, 0.477 respectively. The real urban form is the most disaggregation urban form and the ecological security is the worst. The value of integrated urban land aggregation index and ecological index are 0.383, 0.250 respectively. The compact urban development may be the better urban form for better ecological security.

Key words:cellular automata (CA); urban development scenarios; ecological security; Dongguan city

·贛江流域資源與環(huán)境·

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