關(guān)鍵詞：元胞自動機(jī)；模擬預(yù)測；城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展；三亞市中圖分類號：F303 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.08.004文章編號：1674-7909（2025）8-23-4

0 引言

自改革開放以來，我國城市化進(jìn)程快速推進(jìn)[1]，城市用地不斷向農(nóng)村腹地持續(xù)蔓延，城鄉(xiāng)之間的空間形態(tài)及空間范圍在不斷演變[2]。2018年《全球城市化展望》表明：現(xiàn)階段全球 5 5 % 的人口居住在城市，到2050年這一比例將上升至 。然而，快速的城市化在帶來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時[4]，會引發(fā)城鄉(xiāng)發(fā)展失衡、土地資源緊張、貧富差距加大、國土空間開放利用效率低下等一系列負(fù)面問題[5-7]。城市擴(kuò)張是城市化進(jìn)程的必經(jīng)階段[8]，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)議題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞城市擴(kuò)張展開了大量研究，主要集中在影響因素分析、時空特征、驅(qū)動機(jī)制等方面。例如，劉奎等在分析中國城市空間擴(kuò)張?zhí)卣鞯幕A(chǔ)上，探討空間集散效應(yīng)的城市空間擴(kuò)張驅(qū)動機(jī)制；張敏等[3采用空間分析方法和計(jì)量模型，在分析長江經(jīng)濟(jì)帶1990一2020年城市擴(kuò)張時空分異特征的基礎(chǔ)上，探索不同區(qū)域城市人口規(guī)模與城市擴(kuò)張的關(guān)系。

對城市擴(kuò)張情況進(jìn)行模擬和預(yù)測，對農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[14]。一方面，城市擴(kuò)張往往伴隨著土地利用的改變，可能導(dǎo)致對周邊農(nóng)村資源的重新配置[15]，而對城市擴(kuò)張情況進(jìn)行模擬預(yù)測，農(nóng)村地區(qū)可以提前進(jìn)行規(guī)劃，有助于保護(hù)耕地、推動農(nóng)村土地的集約化使用，進(jìn)而提升基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平、提高生產(chǎn)效率[16]。另一方面，城市擴(kuò)張會帶來多種變化，通過對城市擴(kuò)張情況進(jìn)行模擬預(yù)測，管理者可以更好地理解城市擴(kuò)張對農(nóng)村發(fā)展的影響，如經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)會、生態(tài)環(huán)境承載力、社會結(jié)構(gòu)變化等[17]，從而制定出更加科學(xué)合理的政策，促進(jìn)城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

因此，該研究以三亞市為研究區(qū)，采用精準(zhǔn)度高、應(yīng)用范圍廣的元胞自動機(jī)模型，模擬預(yù)測2035年、2050年三亞市多情景城市擴(kuò)張狀況，以期為三亞市城市與農(nóng)村地區(qū)權(quán)衡協(xié)同發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和決策參考。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

三亞市是海南省的第二大城市，地處海南島最南端，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，終年溫暖，四季常青。三亞市簡稱為崖，別稱鹿城，陸地總面積為 ，共轄4個市轄區(qū)，分別是海棠區(qū)、吉陽區(qū)、天涯區(qū)和崖州區(qū)。截至2023年末，三亞市常住人口為110.60萬人。三亞市農(nóng)村地區(qū)主要位于市區(qū)周邊，包括天涯區(qū)、吉陽區(qū)、崖州區(qū)等地，農(nóng)村人口相對較少，隨著城市化進(jìn)程加快，部分農(nóng)村居民向城市遷移。三亞市在經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)等方面都面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)，未來的發(fā)展仍應(yīng)綜合考慮資源的合理利用與可持續(xù)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括2018年、2023年三亞市土地利用數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心；三亞市國土空間總體規(guī)劃成果數(shù)據(jù)，來源于海南省政府官方網(wǎng)站；河流、道路、公共設(shè)施、住宿服務(wù)、風(fēng)景名勝、政府駐點(diǎn)等多源數(shù)據(jù)和POI(PointofInternet)數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云和高德地圖。

1.3 研究方法

1.3.1 元胞自動機(jī)模型

元胞自動機(jī)模型（CellularAutomata，CA）具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時空演化過程的能力，在模擬城市用地?cái)U(kuò)張方面應(yīng)用廣泛。CA將整個區(qū)域分為規(guī)則的格網(wǎng)，每個格網(wǎng)賦予一種狀態(tài)，網(wǎng)格下一秒的狀態(tài)不僅受本身的自然、經(jīng)濟(jì)、社會、區(qū)位等因素的影響，同時受到周圍鄰域狀態(tài)的影響。CA可以按照特定的、簡單的、局部的轉(zhuǎn)換規(guī)則，完成復(fù)雜的、動態(tài)的、全部的演化過程的模擬，體現(xiàn)出從“局部到整體\"“自下而上\"的特點(diǎn)。表達(dá)式見式（1）。

式（1)中，S代表一個元胞自動機(jī)系統(tǒng)， 表示 n 維元胞空間； R 是元胞有限個離散狀態(tài)集合； X 表示領(lǐng)域內(nèi)所有元胞的集合；f代表轉(zhuǎn)換規(guī)則。

1.3.2 模型參數(shù)設(shè)置

首先，考慮自然、社會經(jīng)濟(jì)、區(qū)位條件等多方面的影響，選定6項(xiàng)土地利用影響因子，包括到道路的距離、到風(fēng)景名勝的距離、到公共設(shè)施的距離、到河流的距離、到住宿服務(wù)的距離、到政府駐點(diǎn)的距離，并設(shè)定不同的影響力，分別為 0 . 3 1 ， 0 . 4 6 ， 0 . 4 0 ， 0 . 2 2 0.20、0.17。

其次，設(shè)定限制因子，即水體、河流湖泊及現(xiàn)有建設(shè)用地不能轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

最后，結(jié)合三亞市未來不同的發(fā)展目標(biāo)，設(shè)置3種發(fā)展情景，分別是耕地保護(hù)優(yōu)先情景、生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景、經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先情景。

1.3.3 模型精度計(jì)算

CA模型的精度通過基于混淆矩陣的Kappa系數(shù)來計(jì)算，Kappa值通常處于0到1之間，并且，當(dāng)Kappa系數(shù)越趨近于1時，說明模擬結(jié)果的一致性越高。具體計(jì)算方法見式(2)。

式(2）中， 為正確模擬柵格單元比例； 為隨機(jī)情況下的正確模擬柵格單元比例； 為理想狀況下正確模擬柵格單元比例。

2 結(jié)果與分析

2.1模型精度驗(yàn)證

將CA模型模擬結(jié)果與2023年實(shí)際的土地利用分布狀況進(jìn)行比對，可以發(fā)現(xiàn)二者在城市擴(kuò)張形態(tài)上具有高度相似性，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張主要集中在三亞市南部，包括崖州區(qū)、天涯區(qū)、吉陽區(qū)，并在東部海棠區(qū)沿海地帶零散擴(kuò)張。通過計(jì)算Kappa系數(shù)，得到結(jié)果為0.96951，接近1，表明CA模型模擬精準(zhǔn)度高，具有科學(xué)合理性。

2.2多情景模擬結(jié)果分析

該研究采用CA模型對三亞市2035年與2050年的城市擴(kuò)張開展多情景模擬預(yù)測，通過3種不同的政策導(dǎo)向情景，揭示三亞市不同發(fā)展策略下的土地利用演變規(guī)律及其空間分異特征，主要結(jié)果如下。

在不同用地類型的數(shù)量變化方面：在耕地保護(hù)優(yōu)先情景下，三亞市未來城市擴(kuò)張保留了更多耕地，侵占了更多林地和園地；在生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下，三亞市未來城市擴(kuò)張保留了更多林地和草地，侵占了更多耕地和未利用地；在經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先情景下，相比于其他兩種情景，三亞市未來建設(shè)用地侵占其他用地類型較為均衡。由于研究設(shè)定水體和原有建設(shè)用地不能轉(zhuǎn)變，且未利用地?cái)?shù)量太少，故此處對該地類沒有進(jìn)行分析。

在城市擴(kuò)張形態(tài)方面，仍然主要是圍繞三亞市南部崖州區(qū)、天涯區(qū)、吉陽區(qū)，以及東部海棠區(qū)沿海地帶擴(kuò)張，這些地區(qū)離海岸較近，與三亞市發(fā)達(dá)的旅游業(yè)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、人口分布及區(qū)位條件等密切相關(guān)。具體地，在耕地保護(hù)優(yōu)先情景下，城市擴(kuò)張優(yōu)先保留耕地用地，建設(shè)用地在三亞市北部林地附近擴(kuò)張較多，在南部耕地附近擴(kuò)張較少；在生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下，城市擴(kuò)張優(yōu)先保留林地、草地等生態(tài)用地，建設(shè)用地主要向南部、西部、東部原有建設(shè)用地周邊擴(kuò)張，北部林地和草地附近擴(kuò)張較少；在經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先情景下，城市擴(kuò)張優(yōu)先顧及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，建設(shè)用地主要在南部原有建設(shè)用地集中的地方擴(kuò)張，在北部林區(qū)也有少許建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。

2.3 三亞市城鄉(xiāng)發(fā)展建議

綜合三亞市未來城市擴(kuò)張多情景模擬預(yù)測結(jié)果，提出促進(jìn)三亞市城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展的建議。

第一，嚴(yán)格貫徹落實(shí)耕地保護(hù)政策，確保在城市擴(kuò)張中優(yōu)先保留永久基本農(nóng)田。此外，可以通過設(shè)立耕地保護(hù)區(qū)，制定詳細(xì)的管理規(guī)定，根據(jù)土地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力和生態(tài)功能進(jìn)行科學(xué)劃定，以實(shí)現(xiàn)最佳的資源配置，限制城市建設(shè)用地的進(jìn)一步擴(kuò)張。對于因保護(hù)耕地而侵占的林地和草地，可以考慮開展生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目，種植當(dāng)?shù)貥浞N和作物，提升生物多樣性和生態(tài)功能，減輕對生態(tài)效益的影響。

第二，明確生態(tài)保護(hù)區(qū)域，尤其是生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域，加強(qiáng)對重點(diǎn)生態(tài)區(qū)的監(jiān)測和管理，防止非法開發(fā)。在城市擴(kuò)張中，優(yōu)先向南部、西部和東部原建設(shè)用地周邊發(fā)展，減少對北部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高的林地侵占，對已被侵占的生態(tài)區(qū)域，開展植樹造林、濕地恢復(fù)等活動，提升生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力，保持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

第三，均衡用地分配，制定綜合的用地規(guī)劃，確保建設(shè)用地的擴(kuò)張?jiān)诓煌玫仡愋椭g保持一定的平衡，避免對某一類型用地的過度開發(fā)。同時，鼓勵農(nóng)村地區(qū)發(fā)展多元化產(chǎn)業(yè)，如生態(tài)農(nóng)業(yè)、鄉(xiāng)村旅游和手工藝品加工業(yè)等，以提升農(nóng)村經(jīng)濟(jì)活力，減少耕地和生態(tài)用地的壓力。鼓勵城市企業(yè)與農(nóng)村合作社、農(nóng)戶建立緊密的合作關(guān)系，共同開發(fā)市場，推動農(nóng)產(chǎn)品的銷售。注重改善城鄉(xiāng)之間的交通網(wǎng)絡(luò)，尤其是連接南部和西部的道路，以便于農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸和居民出行，促進(jìn)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)互動。

第四，加大對農(nóng)村地區(qū)教育、醫(yī)療等公共服務(wù)的投人，提升農(nóng)村居民的生活質(zhì)量和幸福感，吸引更多人返鄉(xiāng)發(fā)展。同時，鼓勵農(nóng)村居民參與城鄉(xiāng)規(guī)劃編制，收集多方面的意見與建議，使規(guī)劃更具針對性和可行性。此外，考慮建立城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展的監(jiān)測與評估機(jī)制，定期檢查城市擴(kuò)張對各類用地的影響，評估耕地、林地、園地等不同地類的變化情況，以確保生態(tài)環(huán)境和資源的可持續(xù)利用。通過及時調(diào)整政策和規(guī)劃，靈活應(yīng)對新的挑戰(zhàn)和變化，促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)之間的良性互動，推動經(jīng)濟(jì)社會的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

3結(jié)束語

該研究基于2018年、2023年兩期土地利用數(shù)據(jù)，采用元胞自動機(jī)模型模擬三亞市2035年、2050年多情景城市擴(kuò)張狀況，得到的主要研究結(jié)論如下： ① 在不同的情景下，三亞市2035年、2050年用地類型數(shù)量和城市擴(kuò)張形態(tài)呈現(xiàn)不同狀況。具體地，在耕地保護(hù)優(yōu)先情景下，保留了更多的耕地，城市建設(shè)用地向三亞市北部擴(kuò)張更多；在生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下，保留了更多林地和草地，城市建設(shè)用地優(yōu)先向三亞市南部、西部和東部擴(kuò)張；在經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先情景下，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張侵占地類更為均衡，優(yōu)先向南部原有建設(shè)用地大規(guī)模分布區(qū)域擴(kuò)張，在北部林區(qū)也有零星建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。 ② 三亞市未來發(fā)展要在嚴(yán)格貫徹落實(shí)耕地保護(hù)政策和生態(tài)保護(hù)政策的基礎(chǔ)上，鼓勵農(nóng)村地區(qū)發(fā)展多元化產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)建設(shè)，促進(jìn)城鄉(xiāng)之間的經(jīng)濟(jì)互動與合作，形成互惠共贏的局面。

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Research on Urban-Rural Coordinated Development Strategy Based on Cellular Automata

-A Case Study of Sanya City

GAO Yueming

School of International TourismandPublic Administration，Hainan University，Haikou 57O228，China

Abstract: Simulating and predicting the future expansion of cities has important practical significance for the economic development planning of rural areas.This study adopts a high-precision and widely applicable celular automata model，based on land use data from 2018 and 2O23，to simulate and predict the urban expansion of Sanya City in 2O35 and 2O5O under the priority scenarios of farmland protection，ecological protection，and economic development，providing data support for the economic development of rural areas.The research results indicate that the urban expansion pattems of Sanya City in 2O35 and 205O will show significant changes in land use typesand spatial forms under different scenarios;The future development of Sanya City should adhere to the policies of farmland protection and ecological protection，encourage the development of diversified industries in rural areas，strengthen infrastructure and public service construction，and promote economic interaction and cooperation between urban and rural areas.

Key words:cellular automata; simulation prediction; urban-rural coordinated development; Sanya City