楊麗萍 張 真 陳 春 蕭嘉明 胡月明2，3，

（1.廣州市華南自然資源科學技術(shù)研究院，廣東廣州 510642；2.自然資源部建設(shè)用地再開發(fā)重點實驗室，廣東廣州 510642；3.廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東廣州 510642；4.易智瑞（中國）信息技術(shù)有限公司，廣東廣州 510620；5.華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東廣州 510642）

隨著中國的經(jīng)濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化的進程越來越快，中小城鎮(zhèn)在此過程中發(fā)揮著重要的作用。中小城鎮(zhèn)是一種受到自然、社會人為因素共同影響的動態(tài)系統(tǒng)，微觀空間個體的相互作用及空間決策在城市空間演變過程中起到了關(guān)鍵作用[1]。城市空間規(guī)劃問題可通過GIS解決，但無法滿足動態(tài)分析的要求，難以模擬分析中小城鎮(zhèn)用地擴展的問題和各微觀空間個體之間的關(guān)系[2]。通過GIS的分析、表現(xiàn)能力和多智能體系統(tǒng)，構(gòu)建城鎮(zhèn)用地擴展模型，提高運用GIS分析中小城鎮(zhèn)系統(tǒng)的能力，預測中小城鎮(zhèn)系統(tǒng)的發(fā)展方向及演化過程，為中小城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

近年來，研究主要通過結(jié)合數(shù)學和空間模型，模擬和預測城市空間擴展。Batty[3]采用分形理論和元胞自動機（CA）模型分析城市空間擴展；CLARKE[4]以圣弗朗西斯哥和華盛頓為研究區(qū)，利用城市發(fā)展的歷史數(shù)據(jù)結(jié)合城市的交通、地形條件等要素設(shè)置相關(guān)參數(shù)，建立SLEUTH模型進行模擬和分析；Waddell[5]采用CA和多主體（MAM）的結(jié)合，建立了城市仿真Urbanism預測模型；黎夏等[6]以東莞市的城市用地為例，采用約束性單元自動演化CA模型，以綜合主成分分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)輔助，模擬城市用地空間擴展。多智能體城市模型通過建立城市土地資源時空配準規(guī)則，表達城市土地利用智能體的關(guān)系，反映土地利用變化的基本特征和規(guī)律[7-9]。多智能體模型具有較好的決策“空間顯性”表達性能，比土地利用轉(zhuǎn)化和效應(yīng)、CA等模型效果好。但多智能體如何適應(yīng)社會經(jīng)濟環(huán)境變化的機制尚未完善，需要對社會經(jīng)濟環(huán)境中多智能體間空間互動進行進一步研究。本研究以發(fā)展較快的中小城鎮(zhèn)的典型代表——廣東省佛山市順德區(qū)為例，通過多智能體仿真技術(shù)對研究區(qū)的城鎮(zhèn)用地進行模擬預測，探討中小城鎮(zhèn)的用地格局變化情況以及未來發(fā)展趨勢。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍

順德區(qū)位于珠三角腹地，北接廣州，南近港澳，面積為806 km2，毗鄰廣州、中山、江門三市，常住人口278.32萬。2020年，順德地區(qū)生產(chǎn)總值增長4.1%，主要經(jīng)濟指標位居全國縣域前列，被評為2020全國高質(zhì)量發(fā)展百強區(qū)第一。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究以Landsat 7 TM影像為主要數(shù)據(jù)來源，對影像融合、幾何校正、大氣校正等預處理，再利用順德區(qū)的行政邊界作為裁剪邊界，裁剪三幅影像。根據(jù)研究區(qū)的情況，影像分類大致分為城鎮(zhèn)用地、耕地、坑塘、林地和河流，采用最大似然分類法分別獲得了順德區(qū)1990年、2000年和2010年土地利用現(xiàn)狀分布。

順德區(qū)土地利用現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 順德區(qū)土地利用現(xiàn)狀

利用用地擴展面積和擴展強度指數(shù)分析順德城鎮(zhèn)用地情況。城市用地擴展速度表示整個研究期內(nèi)的不同階段城市用地擴展面積的年增長速率，表征各階段城市用地擴展的總體規(guī)模。城市用地擴展強度是用各空間單元的土地面積對其年平均擴展速度進行標準化處理，比較不同時期城市用地擴展的速度。城市擴展速度和強度指數(shù)表達式[10-11]：

式中：Mue——城市用地擴展速度；Iue——擴展強度；ΔUi——某一時段城市用地擴展面積；Δt——某一時段時間跨度；ULAi——某一時段初期的城鎮(zhèn)用地總面積；TLA——研究區(qū)土地總面積。

不同年份城鎮(zhèn)用地面積、不同時期城鎮(zhèn)擴展時間特征如表1、表2所示。

表1 不同年份的城鎮(zhèn)用地面積 單位：km2

表2 不同時期段的城鎮(zhèn)擴展的時間特征統(tǒng)計

順德區(qū)城鎮(zhèn)面積不斷增大，從1990年的60.25 km2增加至2010年281.69 km2，2增加了221.44 km2，擴展強度從1.014增至1.733，城鎮(zhèn)擴展強度不斷增大。

1.3 多智能體城市模型的原理

基于多智能體的建模方法[7-10]是一種“自下而上”的集成建模方法，Agent是系統(tǒng)的基本抽象單元，采用了相關(guān)的Agent技術(shù)。復雜適應(yīng)系統(tǒng)的每個Agent模型都給Agent分配一定的智能，采用合適的MAS體系結(jié)構(gòu)將Agent組裝起來，設(shè)置多個Agent之間的交互模式，建立適應(yīng)系統(tǒng)的模型。該方法的核心是研究局部細節(jié)變化如何通過反映個體結(jié)構(gòu)函數(shù)的局部細節(jié)模型、全局表示之間的循環(huán)反饋和校正，突出復雜的全局行為[12]。根據(jù)研究需要的系統(tǒng)局部細節(jié)、Agent的反應(yīng)規(guī)則和各種局部行為，構(gòu)建具有復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的系統(tǒng)模型。

（1）建模步驟。

①Agent Analyst添加矢量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)層。

②設(shè)置模型的環(huán)境變量，全局參數(shù)（模型運行變量、柵格數(shù)據(jù)路徑、導出文件路徑），方法（初始化所有Agent、獲得柵格數(shù)據(jù)，智能體屬性寫入、ArcGIS顯示更新）。

③設(shè)置模型中Agent的變量，方法（初始化單個Agent變量、Agent決策方法）。

（2）模型的實現(xiàn)。

①根據(jù)人口增長量計算城鎮(zhèn)用地擴展需求。

②在研究區(qū)的范圍內(nèi)生成100 m×100 m規(guī)格相同的網(wǎng)格，按照Agent決策得到每個網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地的概率。

③根據(jù)人均建筑密度獲得每個網(wǎng)格可容納的人口數(shù)，對利用Agent進行分類，確定各類型Agent的數(shù)量，計算各種偏好因素的選擇權(quán)重。

④按照開發(fā)Agent計算城鎮(zhèn)用地擴展概率。

⑤計算在政府Agent、開發(fā)Agent、利用Agent三者的綜合決策下的城鎮(zhèn)用地擴展的概率。

⑥按照得到的城鎮(zhèn)用地擴展的概率由高到低進行轉(zhuǎn)變，直到滿足城鎮(zhèn)用地增長的要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 城鎮(zhèn)用地擴展模擬分析

（1）模擬結(jié)果與精度檢驗。

在Repast平臺下，通過建立政府、開發(fā)利用三種類型的agent，設(shè)置它們的屬性和行為，選擇一個100 m×100 m的柵格單元作為城市土地基本擴展單元，減少數(shù)據(jù)量。以順德區(qū)距中心距離、距鎮(zhèn)中心的距離、距高速公路的距離、距基本農(nóng)田保護區(qū)的距離、坡度為城市土地利用擴張的因素，計算城市土地擴展的轉(zhuǎn)移概率，作為模型的環(huán)境層。從順德區(qū)1990年、2000年和2010年獲得該地區(qū)的人口、收入等數(shù)據(jù)，以1990年為基礎(chǔ)，模擬2000年，以2000年尾為基礎(chǔ)，模擬2010年的城市擴張，與實際數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示。

圖3 不同年份的實際與模擬城鎮(zhèn)用地

城市土地擴張現(xiàn)象是一個復雜的系統(tǒng)，不確定因素的存在，無法完全準確地模擬其動態(tài)變化。運用多智能體系統(tǒng)理論模擬真實的城市土地擴張時，還需要對其實際情況進行檢驗，一般采用逐點對比和整體對比的方法[4]。利用“逐點對比法”，根據(jù)已有數(shù)據(jù)和建立的模型運行參數(shù)，重構(gòu)順德區(qū)城市用地擴張，將2000年和2010年城市用地擴張仿真結(jié)果與實際情況進行對比，得出2000年城市用地擴張仿真結(jié)果，精度為81.94%，2010年城市用地擴張模擬精度為83.77%。

逐點對比模擬精度如表3所示。

表3 逐點對比的模擬精度

本研究還通過計算修正的Lee-Sal lee形狀指數(shù)[4]進行模型精確度的檢驗：

式中：A0、A1——模擬結(jié)果和檢驗數(shù)據(jù)。L值在0～1范圍之間，值越趨近1表明模擬的結(jié)果與實際數(shù)據(jù)越接近。

通過對2000年和2010年模擬結(jié)果與實際城鎮(zhèn)用地進行Lee-Sal lee形狀指數(shù)計算，得到L值分別為0.80和0.82，說明多智能體城鎮(zhèn)用地擴展模型的精度可以接受，并對2020年的順德區(qū)城鎮(zhèn)用地擴展情形分情景進行了預測。

（2）分情景模擬預測。

在模擬中，以2010年順德區(qū)城市地層、2006～2020年順德區(qū)城市總體規(guī)劃水平、城市發(fā)展適宜度層、交通通行層、地價、公共設(shè)施層、環(huán)境質(zhì)量層、教育資源層為輸入層，設(shè)置限制性因素。折現(xiàn)率r=0數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換有效校正。設(shè)置幾種情景，即耕地保護情景（情景1）、規(guī)劃情景（情景2）、無限制情景（情景3），如圖4所示。

圖4 三種情況的模擬場景

情景1：根據(jù)可持續(xù)發(fā)展理論和環(huán)境經(jīng)濟數(shù)據(jù)分布理論，城市發(fā)展應(yīng)首先避免侵占優(yōu)質(zhì)農(nóng)田，開發(fā)最適宜的土地。在微觀調(diào)控下，政府需要充分考慮公眾的意愿和要求，并與居民協(xié)商，使政府的規(guī)劃更人性化。

情景2：城鎮(zhèn)嚴格按照政府規(guī)劃進行發(fā)展，政府的微觀調(diào)控不考慮公眾的意愿和要求。

情景3：城鎮(zhèn)發(fā)展處于無政府狀態(tài)，完全根據(jù)居民的喜好和意愿進行城鎮(zhèn)資源的開發(fā)。

2.2 模型結(jié)果分析

分析根據(jù)不同模擬情景的城鎮(zhèn)用地的模擬結(jié)果，情景1城鎮(zhèn)的發(fā)展避免了占用基本農(nóng)田保護區(qū)，城鎮(zhèn)的形狀會有點亂，政府考慮了Agent的意愿，開發(fā)了政府規(guī)劃用地外的區(qū)域；情景2城鎮(zhèn)的形狀顯得非常緊湊，發(fā)展根據(jù)政府的規(guī)劃，但和城鎮(zhèn)的真實發(fā)展情況不同；情景3城鎮(zhèn)的發(fā)展非常凌亂，土地資源浪費嚴重，城鎮(zhèn)土地的發(fā)展不具有可持續(xù)性。

在日后的規(guī)劃決策中需要綜合考慮三種情景，在三者中找到城鎮(zhèn)用地擴展的平衡點，才能有利于城鎮(zhèn)用地的可持續(xù)發(fā)展，解決中小城鎮(zhèn)土地資源和經(jīng)濟發(fā)展問題。

3 結(jié)語

（1）順德區(qū)城鎮(zhèn)用地擴展受到多個主體相互作用的影響，使該模型比較復雜，但模擬的精度比較高，說明多智能體城鎮(zhèn)用地擴展建模的先進性，能夠更好地為政府決策，促進城鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展。

（2）地理環(huán)境對城市空間擴展具有重要影響，區(qū)位因素在城市擴張中尤為重要。在順德區(qū)城市擴展模擬中，城市擴展主要沿公路擴展。順德區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展和人口增長，除主城區(qū)快速發(fā)展外，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)也在迅速發(fā)展，但擴張混亂，需要加強城市擴張的規(guī)劃。

（3）通過以順德區(qū)為例，分三種情景模擬了2020年城鎮(zhèn)用地擴展情況，模擬結(jié)果表明三種情景都無法充分滿足順德區(qū)城鎮(zhèn)用地的擴展，政府需要綜合考慮三種發(fā)展情景，才能保證順德區(qū)城鎮(zhèn)用地的可持續(xù)發(fā)展。