何東靈　徐嘉源　莊嘉　王偉華

[提要] 本文中的研究區(qū)域是廣州市管轄下的南沙區(qū)，借助過(guò)往CA對(duì)城市空間擴(kuò)展研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用SLEUTH模型對(duì)南沙區(qū)未來(lái)城市空間擴(kuò)展?fàn)顩r進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，從而得出有利于南沙區(qū)未來(lái)城市發(fā)展與生態(tài)格局優(yōu)化建議。在本研究中先是借助GIS和Envi收集整理南沙區(qū)歷史年份的遙感數(shù)據(jù)和土地利用矢量數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)集后輸入SLEUTH模型。通過(guò)三次校正后，得出適合于該研究區(qū)域預(yù)測(cè)的最佳參數(shù)組，并在SLEUTH模型得到確認(rèn)。通過(guò)本次研究結(jié)果，證明南沙區(qū)的生態(tài)用地在政府嚴(yán)格控制下能與城市用地平衡發(fā)展，從而達(dá)到南沙區(qū)高速發(fā)展中的生態(tài)用地格局優(yōu)化的目的。最后提出相關(guān)有利于政府措施的建議。

關(guān)鍵詞：SLEUTH模型預(yù)測(cè);城市空間擴(kuò)展;生態(tài)保護(hù);南沙區(qū)

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201811845040）

中圖分類號(hào)：F293.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收錄日期：2019年9月17日

土地利用整體規(guī)劃一直都是國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，同時(shí)也是影響人們生活和發(fā)展的一個(gè)重要方面。城市土地的開(kāi)發(fā)利用，其實(shí)就是生態(tài)用地和建設(shè)用地之間權(quán)衡的過(guò)程，而生態(tài)格局的調(diào)整和優(yōu)化也直接受到了城市空間擴(kuò)展的影響。而其中城市空間的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展會(huì)受到自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治等條件影響，所以調(diào)整生態(tài)格局的時(shí)候需要進(jìn)行多方面因素的綜合考慮。根據(jù)十九大報(bào)告的指導(dǎo)，中國(guó)的現(xiàn)今經(jīng)濟(jì)要以保護(hù)環(huán)境為前提，發(fā)展經(jīng)濟(jì)已經(jīng)不能再以犧牲環(huán)境和生態(tài)為代價(jià)。

而在城市空間擴(kuò)展過(guò)程的研究中，以CA為代表，在1900年后就開(kāi)始出現(xiàn)以及逐漸成熟，而SLEUTH模型作為CA模型中最為經(jīng)典分支，誕生在以元胞自動(dòng)機(jī)和多主體模型為代表的動(dòng)態(tài)城市模型階段，是基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的真實(shí)城市系統(tǒng)演化模擬。在SLEUTH模型開(kāi)發(fā)和初步應(yīng)用階段，Clarke教授開(kāi)發(fā)了SLEUTH模型并模擬預(yù)測(cè)了美國(guó)加利福尼亞州舊金山灣地區(qū)與美國(guó)東部華盛頓/巴爾的莫兩個(gè)差異較大的城市空間的擴(kuò)展情況。到了SLEUTH模型的修正和應(yīng)用區(qū)域擴(kuò)大后階段，以Jantz、Goldstein和Straaman等為首對(duì)模型的校準(zhǔn)方法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)巴爾的摩-華盛頓大都市等地區(qū)進(jìn)行不同情景的模樣研究。再到模型優(yōu)化和城市擴(kuò)展模擬深化階段，Dietzel和Clark在2007年又一起合作利用非監(jiān)督學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的自組織圖譜產(chǎn)生的優(yōu)化指數(shù)，進(jìn)一步校準(zhǔn)SLEUTH模型，得到更為理想的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的SLEUTH研究也在開(kāi)始跟上世界城市空間擴(kuò)展研究的大潮，盡管國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究總體比國(guó)外起步稍晚，但總體應(yīng)用得較為到位，國(guó)內(nèi)很多地區(qū)都能通過(guò)SLEUTH模型進(jìn)行相關(guān)的城市空間擴(kuò)展動(dòng)態(tài)研究，證明模型對(duì)國(guó)內(nèi)情況也是具有普適性，如陳學(xué)剛在2005年應(yīng)用了SLEUTH模型對(duì)烏魯木齊市城市空間的動(dòng)態(tài)演化進(jìn)行模擬;米麗娜在2007年的《基于 SLEUTH模型的銀川市空間擴(kuò)展研究》一文中，重點(diǎn)比較分析了Lee-Sallee指數(shù)和OSM指數(shù)兩種校準(zhǔn)方案;等等。

廣州市南沙區(qū)是國(guó)家自貿(mào)區(qū)和粵港澳大灣區(qū)地理幾何中心，是廣州重要的發(fā)展區(qū)域。近年來(lái)，南沙區(qū)持續(xù)開(kāi)發(fā)，全新規(guī)劃多條地鐵線路，進(jìn)一步打開(kāi)南沙腹地，大量建設(shè)用地拍賣出讓，城市范圍快速擴(kuò)張，城市化進(jìn)程不斷加快，由此引發(fā)的濕地、農(nóng)用地縮減、水污染、大氣污染等生態(tài)難題將逐漸顯現(xiàn)。因此，本文以南沙為例，借助SLEUTH模型對(duì)南沙區(qū)生態(tài)用地進(jìn)行不同情景下的動(dòng)態(tài)模擬，預(yù)測(cè)南沙未來(lái)空間格局，并探討城市發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響及平衡對(duì)策，以期為城市空間可持續(xù)發(fā)展與管理提供參考。

一、研究區(qū)域與研究方法

（一）研究區(qū)域。廣州市南沙區(qū)，為廣州城市副中心，位于廣州市最南端、珠江虎門水道西岸，介于北緯22°26′～23°06′，東經(jīng)113°13′～113°43′。全區(qū)總面積803平方公里，下轄3個(gè)街道、6個(gè)鎮(zhèn)。截至2017年末，南沙區(qū)常住人口72.5萬(wàn)人，其中戶籍人口41.54萬(wàn)人。

（二）方法與數(shù)據(jù)

1、SLEUTH模型。SLEUTH模型是一個(gè)以元胞為單位，每個(gè)元胞有相鄰的4個(gè)單元格，可根據(jù)五個(gè)轉(zhuǎn)換規(guī)則被定義為城市/非城市屬性，從而進(jìn)行城市空間動(dòng)態(tài)模擬研究的模型。模型特點(diǎn)是有自我修改規(guī)則，模型可以通過(guò)自我修改來(lái)組合出區(qū)域內(nèi)最佳參數(shù)組合，然后模擬出歷史數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，被研究人員確認(rèn)過(guò)與現(xiàn)實(shí)相符后可繼續(xù)用于預(yù)測(cè)未來(lái)城市空間發(fā)展的研究。

SLEUTH模型的使用需要起碼四個(gè)年份的分別五個(gè)數(shù)據(jù)源圖層，這五個(gè)數(shù)據(jù)圖層包括山體陰影層、城市范圍層、坡度層、交通道理層和排除層，其中以排除圖層最為特別，排除圖層的參數(shù)設(shè)置對(duì)最后城市空間發(fā)展預(yù)測(cè)的情景模擬環(huán)節(jié)有直接的影響。本研究根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，分別應(yīng)用2000年、2005年、2010年、2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行。

在模型的參數(shù)設(shè)置部分，SLEUTH模型通過(guò)五個(gè)增長(zhǎng)系數(shù)，來(lái)說(shuō)定義五個(gè)增長(zhǎng)規(guī)則，從而得出五種增長(zhǎng)類型。其中，增長(zhǎng)系數(shù)有如下：繁殖系數(shù)用于表示新的城市分離定居點(diǎn)開(kāi)始自增長(zhǎng)周期的程度、蔓延系數(shù)用于表示城市元胞自組織繁衍情況、擴(kuò)散系數(shù)表示城市總體分散程度、道路引力因子是表示已有道路對(duì)新的定居點(diǎn)吸引情況和距離、坡度阻礙因子則是表示坡度對(duì)城市擴(kuò)張的影響情況，不過(guò)一般若研究區(qū)是平原的話，此系數(shù)影響不大。

SLEUTH模型是以增長(zhǎng)環(huán)為單位執(zhí)行的。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的SLEUTH模型有三個(gè)增長(zhǎng)環(huán)：第一個(gè)增長(zhǎng)環(huán)為建立數(shù)據(jù)集，主要是處理和標(biāo)準(zhǔn)化收集的數(shù)據(jù)。第二個(gè)增長(zhǎng)環(huán)是模型校準(zhǔn)，大量數(shù)據(jù)通過(guò)粗校準(zhǔn)、精校準(zhǔn)和終校準(zhǔn)，在蒙特卡羅運(yùn)算下大量迭代，從而組合出最佳參數(shù)組合用于設(shè)定最后的SLEUTH模型參數(shù)。第三個(gè)增長(zhǎng)環(huán)是模型預(yù)測(cè)，模型先運(yùn)算歷史數(shù)據(jù)并與現(xiàn)實(shí)圖像比對(duì)確定模型的精度可參照性，再輸入種子年數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)年份中的城市空間擴(kuò)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后輸出模擬結(jié)果的圖像和表格數(shù)據(jù)。根據(jù)最新的南沙區(qū)土地利用總體規(guī)劃對(duì)耕地和基本農(nóng)田保護(hù)、建設(shè)用地規(guī)?？刂频鹊戎贫ǖ哪繕?biāo)，本次研究設(shè)置以2018年為種子年，最佳參數(shù)組來(lái)進(jìn)行未來(lái)2019～2035年南沙區(qū)的城市空間發(fā)展?fàn)顩r情景模擬。

2、數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理。本次研究采用的原始數(shù)據(jù)類型主要有南沙區(qū)的4年的Landsat 7和Landsat 8的TM衛(wèi)星影像圖，美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)圖（SRTM）數(shù)據(jù)采集下的DEM數(shù)據(jù);廣州市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和廣州市南沙區(qū)土地利用總體規(guī)劃。其中，Landsat TM衛(wèi)星影像圖用于數(shù)據(jù)矢量化的基礎(chǔ)圖，創(chuàng)建面要素對(duì)南沙區(qū)的城市范圍和交通道路進(jìn)行數(shù)據(jù)的矢量化，再通過(guò)Arctool轉(zhuǎn)柵格把城市范圍和交通道路的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)。南沙區(qū)的DEM高程圖應(yīng)用于GIS中采樣成研究區(qū)30米的DEM。本研究中所有影像、柵格和矢量數(shù)據(jù)均按照統(tǒng)一的投影坐標(biāo)為WGS1984設(shè)定?！稄V州市南沙區(qū)土地利用總體規(guī)劃（2006-2020年）》是用于2000年和2010年土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)屬性表編輯的依據(jù)。

3、情景模擬。為了觀察南沙區(qū)土地在未來(lái)不同強(qiáng)度的規(guī)劃約束下的發(fā)展?fàn)顩r，情景模擬會(huì)設(shè)為現(xiàn)狀發(fā)展、基本保護(hù)和嚴(yán)格保護(hù)三種情景，具體如下：（1）現(xiàn)狀發(fā)展：公共基礎(chǔ)設(shè)施作為排除層，其轉(zhuǎn)換為城市的排除概率為100%;其他用地不進(jìn)行設(shè)置;由于坡度會(huì)影響城市發(fā)展，所以把限制坡度設(shè)置為25°，即元胞的坡度一旦超過(guò)了25°就無(wú)法轉(zhuǎn)變成城市用地。（2）基本保護(hù)：將南沙區(qū)的水域保護(hù)概率設(shè)置為60%，農(nóng)業(yè)用地的保護(hù)概率設(shè)置為50%，坡度限制保持不變。（3）嚴(yán)格保護(hù)：在情景2的參數(shù)基礎(chǔ)上，把水域的保護(hù)概率直接設(shè)置為100%，農(nóng)業(yè)用地的保護(hù)概率設(shè)置為90%，坡度限制也更加的嚴(yán)格，設(shè)置為15°。具體的各情景模擬參數(shù)參照表1。（表1）

二、結(jié)果與討論

（一）模型校正。利用南沙區(qū)2000～2015年歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行粗校準(zhǔn)、精校準(zhǔn)、終校準(zhǔn)，根據(jù)指數(shù)最大的原則選取南沙區(qū)城市增長(zhǎng)系數(shù)最佳組合。最終以Lee-Sallee指數(shù)排列比較選取了最佳的增長(zhǎng)系數(shù)組合，而本次終校準(zhǔn)Lee-Sallee指數(shù)最大為0.4129，增長(zhǎng)系數(shù)組合如表2所示。（表2）

（二）不同情景下的城市空間預(yù)測(cè)結(jié)果。以2018年為種子年，基于最終確定的最佳參數(shù)組，根據(jù)現(xiàn)狀發(fā)展情景、基本保護(hù)情景和嚴(yán)格保護(hù)情景的排除層設(shè)置，得到2035年的城市空間擴(kuò)展的模擬結(jié)果如圖1、圖2、圖3、表3所示。（圖1、圖2、圖3、表3）

在情景1的現(xiàn)狀發(fā)展中，公共基礎(chǔ)設(shè)施的排除概率設(shè)置為100%和坡度設(shè)置為25°。從模擬圖可見(jiàn)，在這樣任性、不受約束的城市化發(fā)展下，城市的空間擴(kuò)展面積會(huì)出現(xiàn)非理性增長(zhǎng)，生態(tài)環(huán)境會(huì)保護(hù)力度嚴(yán)重不足。城市呈現(xiàn)一個(gè)攤大餅式的沿外沿?zé)o序地?cái)U(kuò)展，整個(gè)城市的空間格局呈現(xiàn)了一種較為破碎的形態(tài)。其中，由于建設(shè)用地的面積大幅度增加，導(dǎo)致農(nóng)用地和其他用地的面積迅速減少。從上表可知，在這種模式下，轉(zhuǎn)換為城市概率為90%～100%的像元個(gè)數(shù)最多，占總像元的9.5%?？梢?jiàn)，現(xiàn)狀發(fā)展模式下的南沙區(qū)環(huán)境壓力巨大，這樣的發(fā)展模式會(huì)加大城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾，不符合可持續(xù)發(fā)展的原則，不利于發(fā)展環(huán)境友好型社會(huì)。

在情景2的基本保護(hù)中，模型設(shè)置是在情景1的基礎(chǔ)上，加上了水域保護(hù)概率為60%和農(nóng)業(yè)用地保護(hù)概率為50%，城市用地轉(zhuǎn)化的限制較大，以達(dá)到基本保護(hù)的要求。從圖表可見(jiàn)，轉(zhuǎn)換為城市概率為90%～100%的像元個(gè)數(shù)顯著減少，下降率達(dá)到55.9%?？梢?jiàn)，在基本保護(hù)情景下，能成功加大對(duì)耕地、林地和水體的保護(hù)，城市的發(fā)展速度在規(guī)劃之下能有所控制，有利于南沙區(qū)生態(tài)的持續(xù)發(fā)展。

在情景3的嚴(yán)格保護(hù)中，繼續(xù)繼續(xù)加大對(duì)規(guī)劃對(duì)南沙區(qū)的城區(qū)空間發(fā)展的影響度，把坡度限制改為15°，水域從原先的保護(hù)概率60%提升至100%，農(nóng)業(yè)用地的保護(hù)概率也從50%提升至90%。在此情景下，模型進(jìn)一步加大保護(hù)河流湖泊和基本農(nóng)田的力度，城市空間發(fā)展進(jìn)一步限制住，使得城市擴(kuò)展速度顯著降低。在圖標(biāo)數(shù)據(jù)方面，可見(jiàn)轉(zhuǎn)換為城市概率為90%～100%的像元個(gè)數(shù)進(jìn)一步降低，比起基本現(xiàn)狀像元個(gè)數(shù)降低了75.1%?？梢?jiàn)，在嚴(yán)格保護(hù)情景下，對(duì)南沙區(qū)的生態(tài)保護(hù)力度大，對(duì)生態(tài)格局調(diào)整有明顯作用，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

三、南沙區(qū)未來(lái)生態(tài)格局優(yōu)化發(fā)展建議

（一）嚴(yán)格控制南沙區(qū)的人口增長(zhǎng)，優(yōu)化區(qū)域人口素質(zhì)。南沙區(qū)由于開(kāi)發(fā)較晚，目前整個(gè)區(qū)域的人口密度較低，其城市人口主要以農(nóng)民為主。但隨著南沙區(qū)的自貿(mào)區(qū)政策和城市發(fā)展進(jìn)一步深入，需要引入大量的高端人才和勞動(dòng)力，城市人口的機(jī)械增長(zhǎng)會(huì)大量增加，其相應(yīng)的人口居住地和工作用地會(huì)同時(shí)增長(zhǎng)來(lái)滿足大人在南沙定居和工作的需求。因此，相關(guān)政府部門，要落實(shí)好城市規(guī)劃和人口數(shù)量控制，緊抓人口素質(zhì)教育工作，讓城市人口按著城市適合的發(fā)展速度增長(zhǎng)，讓市民深入生態(tài)環(huán)保理念，從而減少對(duì)生態(tài)承載力的負(fù)擔(dān)和對(duì)城市建設(shè)下對(duì)生態(tài)環(huán)境不可逆的傷害。

（二）控制城市空間發(fā)展速度，嚴(yán)格打擊違建，加強(qiáng)閑置土地懲罰力度。為了讓城市建設(shè)用地和各種農(nóng)用地，尤其是基本農(nóng)田，能按政府規(guī)劃進(jìn)行利用，城管部門必須加大對(duì)違建房的處罰力度，尤其是私自把集體用地下的宅基地和耕地進(jìn)行違規(guī)建設(shè)或使用權(quán)出售等行為，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須進(jìn)行違建房拆除和對(duì)建筑人的處罰。此外，各種閑置沒(méi)被及時(shí)有效利用的土地，政府可以先通過(guò)政策優(yōu)化或者資金傾斜鼓勵(lì)土地使用者及時(shí)對(duì)土地進(jìn)行按計(jì)劃使用，后設(shè)定相關(guān)的處罰制度進(jìn)行土地閑置的后果處罰，從而提供土地的集約利用優(yōu)化度，減少土地的浪費(fèi)。

（三）制定土地整理計(jì)劃，建立生態(tài)補(bǔ)償制度。首先，在規(guī)劃上，政府在進(jìn)行任何的土地規(guī)劃或者決策前，必須充分征求農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)保等相關(guān)部門和進(jìn)行專家論證，確保決策的科學(xué)性和生態(tài)友好性。其次，政府加大對(duì)土地整理的資金投入和政策傾斜，確保政府發(fā)揮領(lǐng)頭作用的同時(shí)鼓勵(lì)社會(huì)各界對(duì)土地整理的投入，調(diào)動(dòng)人們對(duì)土地整理和生態(tài)保護(hù)的主動(dòng)性。在建設(shè)生態(tài)補(bǔ)償制度方面，明確“誰(shuí)開(kāi)發(fā)、誰(shuí)保護(hù)，誰(shuí)破壞、誰(shuí)恢復(fù)，誰(shuí)受益、誰(shuí)補(bǔ)償，誰(shuí)污染、誰(shuí)付費(fèi)”的生態(tài)補(bǔ)償主體。除此之外，基本農(nóng)田保護(hù)面積、耕地保有量和生態(tài)用地減少的地區(qū)向增加的地區(qū)支付相應(yīng)費(fèi)用，補(bǔ)償其資源占用成本。

（四）加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的防治，保障生態(tài)格局動(dòng)態(tài)平衡。不同于其他城市發(fā)展地區(qū)，南沙區(qū)由于靠近大海，其土地含水量高，易受創(chuàng)，土地強(qiáng)度較低，其土壤主要為軟粘，其土壤的有機(jī)質(zhì)和腐殖酸含量較高，是導(dǎo)致土體強(qiáng)度低、壓縮性高的主要原因。因此，在南沙區(qū)的城市發(fā)展建設(shè)過(guò)程中，要嚴(yán)格關(guān)注建筑物沉降或其他地質(zhì)災(zāi)害情況，以免出現(xiàn)大面積土地受創(chuàng)限制，保障南沙區(qū)的生態(tài)格局動(dòng)態(tài)平衡，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定維持。

四、結(jié)論

在本次研究中，借助SLEUTH模型對(duì)南沙區(qū)未來(lái)2035年空間擴(kuò)展進(jìn)行了情景模擬，并針對(duì)模擬結(jié)果提出相關(guān)的建議。得出以下結(jié)論：

（一）在模型校準(zhǔn)精度方面，在2000～2018年的城市空間模擬的校準(zhǔn)中，形狀指數(shù)（Lee-Sallee指數(shù)）較大，與歷史數(shù)據(jù)的空間匹配度以及精度均較高，因此SLEUTH元胞自動(dòng)機(jī)模型具有較強(qiáng)的普適性與可移植性，可以應(yīng)用于城市用地動(dòng)態(tài)模擬。

（二）空間擴(kuò)展的模擬結(jié)果表明，另外三種情景下城市建設(shè)用地均不同程度明顯增加，對(duì)農(nóng)業(yè)用地、濕地等生態(tài)用地均有侵占。結(jié)合增長(zhǎng)系數(shù)，可看出南沙的建設(shè)用地主要是在原有的城市范圍上向外圍郊區(qū)逐漸拓展，同時(shí)輔以平坦空地自發(fā)增長(zhǎng)。其中，現(xiàn)狀發(fā)展和基本保護(hù)情景下，城市建設(shè)用地均大幅度增長(zhǎng)，大面積侵占農(nóng)田、水域等生態(tài)用地，嚴(yán)重?fù)p害區(qū)域生態(tài)服務(wù)能力，影響城市可持續(xù)發(fā)展。相較于前兩種情景，嚴(yán)格保護(hù)情景下，城市建設(shè)用地的擴(kuò)張程度較少，大面積侵占生態(tài)用地的情況得以控制，較好地保留了城市自然生態(tài)服務(wù)能力，保障城市可持續(xù)發(fā)展。

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