劉偉玲，張育慶，楊 俊,2

(1. 遼寧師范大學(xué)人居環(huán)境研究中心，遼寧 大連 116029； 2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

1978—2008年，我國的城市化率由17.9%增長到45.68%，平均年增長率達(dá)0.93%。在其發(fā)展進(jìn)程中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得巨大成就，但也帶來了土地利用資源供需平衡矛盾增大、生態(tài)環(huán)境日趨惡化和城市呈現(xiàn)蔓延增長、攤大餅式增長的問題，影響了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[1]。城市增長邊界的制定(urban growth boundary，UGB)作為遏制城市無序蔓延和引導(dǎo)城市健康發(fā)展的有效工具，引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[2-3]。UGB最早產(chǎn)生于城市蔓延問題的研究中，是西方國家控制城市增長和無序蔓延的技術(shù)手段，含義為“阻止城市無序蔓延，劃分城市和鄉(xiāng)村的界限”。在我國，目前應(yīng)用較成熟的理論認(rèn)為：UGB不僅是建設(shè)用地和非建設(shè)用地的分界線，也是城市空間擴(kuò)張的邊界，包含“剛性邊界”和“彈性邊界”。剛性邊界的制定，學(xué)者多以現(xiàn)有建設(shè)用地的邊界為參考或土地的生態(tài)格局等方法進(jìn)行劃分，但是城市增長邊界與城市自身的生態(tài)適宜性密切相關(guān)[4]，因此本文以學(xué)者提出的生態(tài)適宜性模型進(jìn)行建設(shè)用地的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)來制定城市增長邊界。

彈性邊界的制定，學(xué)者多采用元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automata，CA)方法[5-8]，但是元胞鄰域作為CA的重要組成部分，傳統(tǒng)的規(guī)則鄰域[9](如Moore型)難以體現(xiàn)真實(shí)地理空間的異質(zhì)性特征，在一定程度上對(duì)CA的模擬精度產(chǎn)生影響。因此本文以大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)2003—2012年土地利用數(shù)據(jù)、遙感影像等多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[10]，從街道的尺度出發(fā)，首先通過不規(guī)則鄰域算法對(duì)元胞鄰域進(jìn)行劃分，模擬大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)2012年的建設(shè)用地空間分布并進(jìn)行精度驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)2021年的建設(shè)用地進(jìn)行模擬[11]。最后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正并制定城市擴(kuò)張邊界，為城市規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)是大連市第一個(gè)國家級(jí)開發(fā)區(qū)，包括9個(gè)街道，總面積403.32 km2。2003年，建設(shè)用地面積為122.74 km2，2012年建設(shè)用地面積為192.56 km2，9年間建設(shè)用地相對(duì)于2003年增長56.88%，變化顯著，因此具有較高的研究價(jià)值。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文所需數(shù)據(jù)包括：1∶10 000道路數(shù)據(jù)(SPOT5解譯)、2003—2012年遙感影像數(shù)據(jù)(國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心)、1∶10 000土地利用數(shù)據(jù)(大連市國土資源和房屋局)、1∶10 000土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)(大連市國土資源和房屋局)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)(地理空間數(shù)據(jù)云)，通過ArcGIS空間分析與處理建立數(shù)據(jù)庫。

2 研究方法與實(shí)例分析

2.1 基于不規(guī)則CA的彈性邊界的制定

2.1.1 不規(guī)則鄰域CA模型的構(gòu)建

傳統(tǒng)CA模型中的鄰域在地理空間上通常表現(xiàn)為鄰近關(guān)系，而在復(fù)雜的城市內(nèi)部，影響城市土地利用類型變化的不僅僅包括地理空間上鄰近的土地利用類型，還往往涉及地理空間中相離的土地利用類型。因此本文通過Python和GDAL實(shí)現(xiàn)不規(guī)則鄰域算法中元胞鄰域的劃分[12-13]，見式(1)。

(1)

2.1.2 元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則構(gòu)建

元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中涉及眾多的空間因子和非空間因子。各因子的權(quán)重大小通過邏輯回歸[14-15]確定，具體權(quán)重大小詳見表1。

表1 空間因子的邏輯回歸結(jié)果

此外，土地利用變化過程中往往存在不確定因素和偶然因素的影響，本文經(jīng)過多次模擬驗(yàn)證得到隨機(jī)因子為0.86。2012年模擬的Kappa系數(shù)為0.875 8，精度較高，該模型可對(duì)大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)2021年的建設(shè)用地進(jìn)行模擬(如圖1(b)和圖1(c)所示)。

2.2 基于生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)的剛性邊界制定

“剛性邊界”即城市擴(kuò)張過程中不可逾越的邊界線，也是保護(hù)城市的基本生態(tài)安全底線。本文基于研究區(qū)和模型的特點(diǎn)，通過生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)模型確定建設(shè)用地的剛性邊界。選取因子見表2。

2.3 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張邊界制定結(jié)果

城市增長邊界的最終確定需要考慮多方面的因素，因此，將基于不規(guī)則鄰域CA模擬得到的彈性擴(kuò)張邊界按照剛性增長邊界和政府規(guī)劃進(jìn)行修正，并且對(duì)邊界進(jìn)行平滑處理，得到大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)用地的彈性擴(kuò)張邊界和剛性邊界，如圖1(d)所示。

表2 建設(shè)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)

如圖1(d)所示，大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)彈性邊界面積為230.54 km2，占總面積的57.03%，剛性邊界面積為260.09 km2，占總面積的64.45%。在大孤山街道部分林地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，相對(duì)于灣里街道、董家溝街道、金石灘街道、得勝鎮(zhèn)和大李家鎮(zhèn)等建設(shè)用地?cái)U(kuò)張面積較小。從擴(kuò)張方向來看，西北方向街道和沿海方向街道建設(shè)用地?cái)U(kuò)張更為顯著。

圖1 模型應(yīng)用結(jié)果圖

3 結(jié) 論

本文以大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)為研究區(qū)，街道作為研究尺度，基于不規(guī)則鄰域CA和生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法，綜合建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)機(jī)制和自然條件限制，制定了大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)2021年城市擴(kuò)張的彈性邊界和剛性邊界，結(jié)果表明：

(1) 模擬精度方面，與傳統(tǒng)CA模擬相比，不規(guī)則鄰域CA的Kappa為0.875 8，具有較高的模擬精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)CA對(duì)真實(shí)地理空間異質(zhì)性特征模擬的不足，使結(jié)果更具科學(xué)性。

(2) 建設(shè)用地增長方面，2021年大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)彈性邊界面積為230.54 km2，剛性擴(kuò)張邊界面積為260.09 km2，建設(shè)用地增長較快，尤其灣里街道、董家溝街道、金石灘街道、得勝鎮(zhèn)和大李家鎮(zhèn)街道。

(3) 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張趨勢方面，與北京、京津冀等城市呈輻射狀擴(kuò)張的趨勢不同，大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)受已建成區(qū)房價(jià)、交通等因素的影響呈現(xiàn)出由東南向西北擴(kuò)張的趨勢，沿海街道擴(kuò)張比內(nèi)陸街道更為顯著。