張曉丹

(廣州市增城區(qū)國土資源測繪院，廣東 廣州 511399)

城市擴張對生態(tài)控制線的影響
——以廣州市為例

張曉丹*

(廣州市增城區(qū)國土資源測繪院，廣東 廣州 511399)

以廣州市為實證對象，利用元胞自動機模型，使用GeoSOS軟件構(gòu)建城市擴張動態(tài)模型，模擬廣州市近幾年的城市擴張動態(tài)，預(yù)測2017年廣州城市擴張動態(tài)演變結(jié)果，最后利用GIS空間分析方法將預(yù)測結(jié)果與生態(tài)控制線區(qū)域相結(jié)合，提取生態(tài)保護區(qū)域與城市擴張產(chǎn)生沖突的區(qū)域，并對廣州的城市發(fā)展提出指導(dǎo)性意見。

城市擴張；基本生態(tài)控制線；GeoSOS；元胞自動機

1 引 言

城市建設(shè)用地的不斷擴張是城市發(fā)展的一個標志性象征，城市發(fā)展占用大量土地，其中不少是優(yōu)質(zhì)的農(nóng)田。為保證社會的可持續(xù)發(fā)展，保護城市生態(tài)資源，防止城市建設(shè)盲目擴張和無序蔓延，為處理好城市發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾，城市生態(tài)控制線逐漸成為保護城市生態(tài)資源和生態(tài)格局的重要手段。

基本生態(tài)控制線是為保障城市基本生態(tài)安全，維系生態(tài)系統(tǒng)的科學性、完整性和連續(xù)性，防止城市建設(shè)無序蔓延，在尊重城市自然生態(tài)系統(tǒng)和合理環(huán)境承載力的前提下，根據(jù)有關(guān)法律法規(guī)，結(jié)合城市實際情況劃定的城市生態(tài)保護控制界線[1]。

近年來，許多學者利用元胞自動機(cellular automata，CA)[2]開展城市擴張、疾病擴散、火災(zāi)蔓延等過程的模擬，取得了豐碩的成果。Wu和Webster模擬廣州市的城市用地變化和美國舊金山的城市發(fā)展。黎夏和劉小平模擬東莞的城市擴張，還提出地理模擬與優(yōu)化(GeoSOS)系統(tǒng)理論，將土地利用變化與空間優(yōu)化結(jié)合起來，模擬結(jié)果與實際情況非常吻合[3]。這些研究表明，CA模型能夠模擬出于城市擴張非常吻合的模擬模型。

本文利用元胞自動機模型，使用GeoSOS軟件構(gòu)建城市擴張動態(tài)模型，并以廣州市為實證對象，模擬了廣州市近幾年的城市擴張動態(tài)，預(yù)測2017年廣州城市擴張動態(tài)演變結(jié)果，最后利用GIS空間分析方法將預(yù)測結(jié)果與生態(tài)控制線區(qū)域相結(jié)合，提取生態(tài)保護區(qū)域與城市擴張產(chǎn)生沖突的區(qū)域，并對廣州的城市發(fā)展提出指導(dǎo)性意見，以此取得生態(tài)保護與城市擴張之間的平衡。

2 研究概況

本文選取廣州市作為研究區(qū)，位于東經(jīng)113°17′，北緯23°8′，地處中國大陸南部。全市面積 7 434.4 km2，市區(qū)面積 3 843.43 km2。2012年建成區(qū)面積 1 005.34 km2，排名廣東省第一位，城市發(fā)展可以利用的土地存量已經(jīng)非常有限，土地、水資源、人口容量以及環(huán)境容量的難以為繼。

廣州市是我國城市擴展問題突出的典型區(qū)域，城市土地利用規(guī)?！俺Ｅ蛎洝保酝膱A式蔓延、局部扇-面-式擴展、廊道式輻射、飛地式增長和粘合式填充等方式擴展，逐步形成“攤大餅”外延發(fā)展的局面[4]。

2005年～2009年間廣州人均生態(tài)足跡總趨勢為緩慢上升，可持續(xù)指數(shù)平均值為0.53，接近0.5，表明廣州生態(tài)足跡和自然生態(tài)承載力大致相當，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展性接近邊緣狀態(tài)[5]。

根據(jù)廣州市土地利用變更調(diào)查，2004年廣州非建設(shè)用地為 5 888 km2，比1996年減少 418 km2，平均每年減少 52.3 km2。

廣州市在2007年著手進行《基本生態(tài)控制線規(guī)劃》的編制工作，該規(guī)劃通過構(gòu)建生態(tài)控制區(qū)、保護原生植被和人工植被，建設(shè)生態(tài)通道、提高景觀連通度，建設(shè)關(guān)鍵點位，打破生念城市中生態(tài)島嶼的隔離局面，提高自然板塊之間的連通程度，構(gòu)建廣州市生態(tài)格局，打造三大生態(tài)控制區(qū)，完善城市綠地系統(tǒng)、綠道網(wǎng)建設(shè)，建立三縱四橫的生態(tài)廊道，形成多個關(guān)鍵點位，即“三縱、四橫、三區(qū)、多節(jié)點串連”的生態(tài)格局。

圖1 廣州市基本生態(tài)控制線范圍

根據(jù)劃分生態(tài)控制線的基本原則和空間布局，劃分出基本農(nóng)田及耕地控制線、河流與濕地控制線、林地控制線、山體控制線和海岸沙灘控制線，共同組成了廣州市生態(tài)控制線。圖1為廣州市生態(tài)控制線范圍圖，表1為生態(tài)控制線統(tǒng)計表。

生態(tài)控制線統(tǒng)計表 表1

3 城市擴張現(xiàn)狀及趨勢預(yù)測

3.1 城市擴張的模式及特征分析

城市建設(shè)用地的擴張是城市化的一個重要表現(xiàn)，城市化過程除人口與經(jīng)濟的集中外，特別強調(diào)城市空間布局的變化。為了揭示廣州市城市用地擴張的驅(qū)動機理，以廣州市建成區(qū)面積變化動態(tài)度為因變量，分別比較廣州市不同經(jīng)濟發(fā)展階段城市用地擴張的驅(qū)動機理。根據(jù)廣東省城市用地擴張的特征，結(jié)合經(jīng)濟發(fā)展階段，選擇 2003年、2008年、2017年3個時點進行研究。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，廣州城市建設(shè)用地的面積都有不同程度的增加：1990 年時建設(shè)用地面積為 408.27 km2，占廣州市總面積的5.49%；1995年建設(shè)用地面積占廣州市總面積的9.47%；2003年增長到 884.2 km2，占廣州市面積的11.9%，2008用地面積增長到 1 556.4 km2，占廣州市面積的20.9%[6]。

3.2 使用GeoSOS軟件預(yù)測城市擴張趨勢

城市空間的演變可以采取地理模擬的方式來進行，本文使用的軟件主要是GeoSOS和ArcGIS，進行城市擴張模擬的基本流程包括以下幾大步驟：使用GeoSOS模擬城市擴張并提取城市擴張用地信息；使用ArcGIS將柵格圖像轉(zhuǎn)為矢量；將城市用地與生態(tài)控制線疊加；最終實現(xiàn)城市擴張分析。

(1)時空約束下的城市CA模型

城市空間演變的預(yù)測可以采取地理模擬的方法進行。黎夏等提出了地理模擬系統(tǒng)的理論框架[7]，以彌補常規(guī)GIS模擬過程的分析能力不足的問題，并將多智能體系統(tǒng)(Multi-agent Systems，MAS)、元胞自動機(Cellular Automata，CA)和群集智能(Swarm Intelligence，SI)集成為地理模擬和空間優(yōu)化系統(tǒng)[8]。GeoSOS整合了多個城市元胞自動機模型，如邏輯回歸CA 模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA 模型、決策樹-CA模型等，為城市擴張模擬提供了一個良好的平臺。元胞自動機模型是一種模擬復(fù)雜系統(tǒng)時空演變的工具，能夠有效反映城市增長形態(tài)和演變規(guī)律，被廣泛用于城市空間擴張的模擬和預(yù)測以及城市規(guī)劃情景分析等研究。

利用CA模型可以有效模擬城市空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程，其模擬過程由轉(zhuǎn)換規(guī)則來控制。在定義CA模型轉(zhuǎn)換規(guī)則時，需要確定一系列影響因素[9]，包括區(qū)域的社會經(jīng)濟條件、人口狀況、距市中心、距道路的距離等空間變量等。

(2)模型變量獲取及模擬

①空間邏輯回歸模型

采用GeoSOS中的Logistic-CA進行廣州市城市擴張的模擬，Logistic-CA假設(shè)一個區(qū)位的發(fā)展概率是一系列獨立變量構(gòu)成的函數(shù)，并利用數(shù)據(jù)挖掘方法自動獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則，利用計算機迭代的方法得出城市擴張的預(yù)測。

Logistic-CA可以用下式表示：

式中：a是常量，bk是邏輯回歸模型的系數(shù)；xk是一組空間距離變量。

②數(shù)據(jù)描述

由于城市用地擴展帶來的土地需求是城市發(fā)展內(nèi)部與外部作用的共同產(chǎn)物，它受到歷史發(fā)展的延續(xù)性、地理環(huán)境條件，城市職能及結(jié)構(gòu)規(guī)模、交通網(wǎng)絡(luò)、社會文化以及政治與規(guī)劃等因素的影響。

文章以TM圖像獲取的2003年和2008年土地利用分類圖作為初始數(shù)據(jù)，TM的分辨率是 30 m×30 m，土地利用分類數(shù)據(jù)包括3種類型，分別是城市用地、非城市用地和水域，空間變量為距市中心距離、距鎮(zhèn)中心距離、距地鐵距離、公路距離等。利用CA運算獲得2015年模擬廣州市土地利用分類圖，通過與實際數(shù)據(jù)對比來確定模型中模擬所確定的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上對未來廣州市城市用地土地資源的空間格局進行模擬。

研究采用邏輯回歸CA模型，首先使用2003年和2008年的土地利用分類數(shù)據(jù)和空間變量數(shù)據(jù)作為輸入變量，元胞空間內(nèi)的數(shù)據(jù)只有兩種狀態(tài)，即“轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地”和“未轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地”兩種狀態(tài)[10]。由于本文只考慮綠地向城市用地轉(zhuǎn)變，因此工業(yè)用地、市政用地、商業(yè)用地及居住用地全部劃分為城市建設(shè)用地，代碼標識為1，而綠地代碼標識為0，水體標識為2。通過對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的回歸得到每個因子的權(quán)重，構(gòu)建具有可靠因子的轉(zhuǎn)換規(guī)則，得到在元胞自動機模型中元胞空間內(nèi)每個柵格像城市用地轉(zhuǎn)化的概率。本次模擬的轉(zhuǎn)換總量為：70 000個柵格單元，模擬要迭代的次數(shù)為：100次，每次迭代的轉(zhuǎn)換量為：700個柵格單元。

③實驗結(jié)果分析

通過GeoSOS獲取城市空間演變規(guī)律，2003年～2008年的數(shù)據(jù)用以進行結(jié)果驗證以及隨后的廣州市2017年城市用地變化情況的預(yù)測。

邏輯回歸的CA模型的參數(shù) 表2

由表2可知，2003年～2008年距公路的距離變量的權(quán)重絕對值最大，然后依次是距鐵路距離、距市中心距離、距地鐵距離、距區(qū)中心距離、距小城鎮(zhèn)距離、距高速公路距離和距大城鎮(zhèn)中心距離。權(quán)重的差異表明，2003年～2008年廣州市城市擴張主要沿公路、鐵路和市中心發(fā)展，區(qū)中心、城鎮(zhèn)對城市發(fā)展的影響相對較小。

模擬時，利用2003年的TM圖像作為起始年份遙感圖像，2008年TM圖像作為終止年份遙感圖像提取城市發(fā)展規(guī)律，根據(jù)發(fā)展規(guī)律，經(jīng)過100次迭代運算預(yù)測2017年城市發(fā)展狀況。模擬總精度為82.3%，說明模擬結(jié)果是有效的，符合模擬要求。根據(jù)2003年～2008年城市發(fā)展趨勢模擬2017年城市發(fā)展狀況，圖2為2017年廣州市城市建設(shè)用地模擬結(jié)果圖。

從圖2中可以看出，未來幾年如果按當前的模式發(fā)展，廣州市城市用地面積將大大增加，坡度較小的山地、林地、村鎮(zhèn)將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?。預(yù)測結(jié)果顯示，2017年廣州市在規(guī)劃導(dǎo)向的約束下，城市面積將達到 2 437.7 km2。總體上看，城市發(fā)展仍然是以沿主要交通網(wǎng)絡(luò)和以老城區(qū)為中心的放射狀規(guī)律擴張，水體分布對城市格局有很大的約束作用。新增地鐵和中心鎮(zhèn)區(qū)域?qū)Τ鞘袛U張存在微弱的帶動作用，但不改變未來城市擴張的總體格局和發(fā)展方向。

圖2 2017年廣州市城市建設(shè)用地

4 城市擴張對生態(tài)控制線的影響

4.1 廣州市2017年城市土地利用動態(tài)模擬

2003年～2017年廣州市城市擴張新增城市用地時空動態(tài)變化特征非常明顯。根據(jù)表3可知，2003年和2008年廣州城市用地面積分別約為 884.2km2和 1 556.4 km2，而在2017年模擬城市用地將達到 2 437.7 km2，新增城市用地約為 881.3 km2，建設(shè)用地擴張了將近一半，平均年增長約8%，城市建設(shè)對生態(tài)功能用地和農(nóng)業(yè)用地的侵占將越來越明顯。

廣州市建設(shè)用地面積變化 表3

如表3所示，通過廣州市2003年和2008年土地利用現(xiàn)狀圖與2017年土地利用模擬圖對比可以看出，2008年～2017年城市建成區(qū)范圍不斷擴張，并呈持續(xù)增長的趨勢。2003年～2017年，城市擴張用地主要集中在廣州市中心，同時花都、南沙等地區(qū)城市用地也處于快速擴張狀態(tài)，其他區(qū)域和城鎮(zhèn)用地增長速度較緩慢。廣州城市擴張從空間分布看有三種發(fā)展方向：

(1)城鎮(zhèn)用地向東部、南部、西部、北部都有擴張，以向西部部和南部擴張最為明顯，同時呈現(xiàn)出沿市中心和大城鎮(zhèn)中心多中心擴張的特點。

(2)到2017年廣州的老城區(qū)和天河、珠江新城等新區(qū)的大部分城鎮(zhèn)用地將連成一體，建設(shè)用地連續(xù)性越來越好，擴展圈分布較為集中；而白云、番禺等區(qū)域也逐漸與中心城區(qū)融合，成為一體化區(qū)域。

(3)南沙和花都、增城、從化等地區(qū)呈現(xiàn)沿江發(fā)展態(tài)勢，和中心城區(qū)的距離逐漸縮小，南沙開發(fā)區(qū)建設(shè)效果顯著，得到大力發(fā)展，城市化進程明顯加快，其他城郊和外圍地區(qū)沿大小中心鎮(zhèn)呈現(xiàn)放射性擴張的趨勢。

圖3 廣州市2003年，2008年，2017年城市用地圖

4.2 生態(tài)控制線與城市擴張沖突區(qū)域分析

城市用地信息提取出后，將影像導(dǎo)入ArcMap中，利用ArcMap中的ASCII to raster命令生成2017年城市擴張動態(tài)變化的柵格數(shù)據(jù)集，再利用Raster to polygon命令將柵格數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)集以便疊加分析，接著利用Select by attribute把2017年模擬的城市用地選出來(如圖4所示)，最后用interset命令將城市擴張用地與生態(tài)控制線重疊的區(qū)域提取出來，將城市擴張用地與生態(tài)控制線內(nèi)重疊的區(qū)域定義為沖突區(qū)域，圖5中區(qū)域即為沖突區(qū)域。

圖4 城市用地分布 圖5 2017年城市用地與生態(tài)控制線沖突區(qū)域

4.3 廣州市用地擴張可持續(xù)發(fā)展對策

通過本文研究分析，廣州市城市用地擴張存在發(fā)展過快和嚴重侵占生態(tài)用地的問題，因此要使廣州市用地可持續(xù)發(fā)展，要從以下幾方面著手：

(1)依法劃定和公布生態(tài)控制線。把生態(tài)控制線劃定和保護工作納入制度化、法制化軌道。公布的基本生態(tài)控制線必須控制范圍清晰，附有明確地理坐標及相應(yīng)界址地形圖。

(2)對環(huán)境影響重大的項目依法進行可行性研究、環(huán)境影響評價及規(guī)劃選址論證，除重大道路交通設(shè)施、市政公用設(shè)施、旅游設(shè)施和公園以外，禁止在基本生態(tài)控制線范圍內(nèi)進行建設(shè)。

(3)利用遙感技術(shù)對城市擴張動態(tài)進行監(jiān)測。有關(guān)部門利用遙感對在生態(tài)控制線內(nèi)的城市建設(shè)用地進行嚴格檢測，對破壞被保護生態(tài)用地的建筑物的合理性進行評估，對不合理的建筑物給予拆除并要求其盡量恢復(fù)生態(tài)原貌。

5 結(jié) 論

基本生態(tài)控制線規(guī)劃將逐步成為我國快速城市化過程中保護城市生態(tài)底線和生態(tài)資源，提升城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要手段之一，大幅拓展了城市規(guī)劃和管理的內(nèi)涵，必須不斷地更新和完善。要全面認識和綜合利用生態(tài)線資源，還需要制定更加精細和科學的生態(tài)管理政策，以政策為支撐，以法律為保障，使之成為權(quán)威的法律準繩，才能達到劃定生態(tài)控制線的預(yù)期目標。

本文根據(jù)已收集的數(shù)據(jù)，研究廣州市的用地變化規(guī)律，用GeoSOS和GIS技術(shù)結(jié)合的方法分析土地利用變化，有利于定量描述土地利用變化過程，并且能夠說明土地利用變化過程中土地利用的轉(zhuǎn)變關(guān)系，清晰地看出土地轉(zhuǎn)變的劇烈程度。但是，CA模型在一定集合大小情況下模擬大區(qū)域的城市擴張時，運算量將非常大，而且本論文未能很好地與土地利用與城市擴張的驅(qū)動力相結(jié)合研究，這是今后要解決的問題和工作的重點。

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The Effect of the Urban Expansion on Ecological Control Line ——Taking Guangzhou City as an Example

Zhang Xiaodan

(Surveying and Mapping Institute of Land and Resources in Zengcheng of Guangzhou，Guangzhou 511399，China)

Based on the model of Guangzhou City，this paper uses the cellular automata model to construct the dynamic model of urban expansion using GeoSOS software，and simulates the urban expansion dynamics of Guangzhou in recent years，and predicts the dynamic evolution of urban expansion in 2017.Using the GIS spatial analysis method to combine the prediction results with the ecological control region to extract the regions where the ecological protection areas conflict with the urban expansion，and provide the guiding opinions for the urban development of Guangzhou.

city expansion；basic ecological control line；GeoSOS；cellular automaton

1672-8262(2017)02-50-05

P208.2

B

2017—02—24

張曉丹(1975—)，女，工程師，主要從事國土資源管理及地形、地籍測量工作。