区域尺度城市增长时空动态模型及其应用

地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第66卷第2期

2011年2月V ol.66,No.2Feb.,2011

区域尺度城市增长时空动态模型及其应用

匡文慧1,刘纪远1,邵全琴1,何剑锋1,孙朝阳1,田汉勤2,班艺舫3

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2.美国奥本大学，奥本36849；

3.瑞典皇家理工学院，斯德哥尔摩S-10044)

摘要：区域尺度城市增长动态模拟(Reg-UGM)是城市化影响下的土地利用/覆盖变化以及全球

环境变化研究的重要手段之一。针对单个城市增长未来情景模拟难以在区域尺度刻画与解释

城市化影响下的土地利用/覆盖变化以及与全球环境变化交互过程与作用机理主要问题，本研

究集成人工神经网络模型(ANN)与元胞自动机模型(CA)构建适合不同情景的区域尺度城市

增长动态模型，通过1979年以来高分辨率遥感信息探测获取的4个时段京津唐都市圈城市增

长时空特征分析提取先验知识规则，模拟京津唐都市圈在基准模式、经济模式、政策模式与

结构调整模式未来不同情景模式下城市增长过程。研究表明，Reg-UGM 在模拟区域尺度受国

家宏观政策等影响城市非线性增长过程具有较好的可靠性，为进一步研究城市化影响下的宏

观生态效应提供前提保障。模拟结果显示京津唐都市圈在不同情景模式下城市增长呈现较大

的时空格局差异，未来城市增长结构调整模式更符合区域城市化的实际情况，未来区域城市

增长将由特大城市向中小城市转移，滨海沿线城镇发展带将经历更快的城市增长过程。

关键词：城市增长；情景模拟；京津唐都市圈；GIS

1引言

城市化影响下的土地利用/覆盖变化(LUCC)被认为是引起全球气候变化和温室效应的重要因素，其中CO 2排放的80%来源于城市区域[1-3]。城市扩张以及由此引起的地表不透水层的增长(Impervious Surface)在城市—区域乃至全球尺度的生物地球化学循环以及生物多样性的影响受到国际国内科学家的广泛关注[4-6]。2005年IHDP 第15号报告《城市化与全球环境变化》提出通过时空尺度比较，人文科学与自然的学科交叉与耦合等方式加强在局地、区域以及全球尺度城市化与全球环境变化(UGEC)之间的交互与反馈的理解[7]。城市系统动态模拟是深刻理解城市化对周边土地利用/覆盖变化影响机制，进而揭示其对全球环境变化影响的重要工具，成为当前研究的热点内容。目前针对城市动态模拟发展了CA 模型、系统动力学模型和多主体模型(Multi-agent)等主流模型，对于单个城市的模拟产生了较好的模拟效果[8-12]。但是，如何进行尺度拓展开展精准的区域尺度或全国尺度城市空间增长动态模拟仍然具有很大的挑战。过去与未来时段城市化影响下的区域土地利收稿日期：2010-01-07;修订日期：2010-07-18

基金项目：国家自然科学青年基金项目(40901224);国家“973”计划项目(2010CB950900);国家“863”计划项目

(2009AA122002-3);遥感科学国家重点实验室开放基金项目(2009KFJJ005);国家资源与环境信息系统重点

实验室开放基金项目(A0725);瑞典国际合作项目(2006-24724-44416-13)[Foundation:The Young Scientist

Fund of Nataional Natural Science Fundation of China,No.40901224;National High Technology Research and

Development Program,No.2009AA122002-3;National Key Technology R&D Program,No.2006BAC08B00;

Opening Foundation of State Key Laboratory of Remote Sensing Science,No.2009KFJJ005;Opening

Foundation of State Key Lab of Resources and Environmental Information System,No.A0725;Swedish

Research Links,No.2006-24724-44416-13]

作者简介：匡文慧(1978-),男,助研,博士后。主要从事土地利用/覆盖变化和城市遥感应用研究。

E-mail:kuangwh1978@

通讯作者：刘纪远(1947-),男,研究员,博士生导师。中国自然资源学会理事长,主要从事资源环境遥感与土地利用/覆

盖变化及其宏观生态效应研究。E-mail:liujy@

178-188页

2期匡文慧等：区域尺度城市增长时空动态模型及其应用

用/覆盖变化研究是揭示在人类剧烈活动与全球气候变化双重影响下的陆地生态系统、大气系统与土地利用/覆盖变化之间交互与作用机理研究的一项重要内容。区域或全国尺度城市增长模拟是大尺度城市化影响下的土地利用/覆盖变化以及城市化与环境变化交互机理研究的重要手段。

京津唐都市圈成为继长江三角洲、珠江三角洲城市群中国经济增长的第三极，作为北方地区经济发展重心，在中国政治、经济发展中起着重要的战略地位。该区位于中国生态环境脆弱带边缘，尤其是北京、天津、唐山等地严重缺水成为中国3大城市群水资源短缺最为严重的都市圈之一[13-14]。1978年改革开放以来，都市圈城市快速发展与高强度开发，特别是大规模科技园区、经济园区与工业园区等新开发区建设，都市圈正呈现城市“蔓延式”与“冒进式”增长，并形成大都市连绵带，向着区域城市化过程发展，城市快速增长与水土资源矛盾日益突出[15-16]。京津唐都市圈未来城市增长的精准模拟与预测将对缓减这一矛盾具有重要参考价值。

基于上述背景，本研究集成人工神经网络模型(ANN)与元胞自动机模型(CA)构建适合不同情景的区域尺度城市增长动态模型(Reg-UGM)，通过1979年以来高分辨率遥感信息探测获取的4个时段京津唐都市圈城市增长时空特征分析提取先验知识规则，模拟京津唐都市圈在基准模式、经济模式、政策模式与结构调整模式未来不同情景模式城市增长过程。区域尺度城市增长动态模型为进一步在更大尺度研究城市增长以及全球环境变化带来的影响提供方法基础，研究结果为京津唐都市圈城市增长管理规划提供科学参考。

2模型结构与研究方法

2.1模型概念结构与基本功能

城市增长过程即农村用地向城市用地的转化受到自然条件限制、社会经济因素、交通道路等区位因素以及人文政策等多重因素综合作用的复杂过程。区域尺度城市土地利用扩张模型表达为：

t U

x,y

=f(S x,y,t N x,y,t E x,y,t L x,y,t P x,y,)(1)式中：t U x,y表示城市在t时段的增长过程；t S x,y表示土地用途以及自身的邻域状态；t N x,y表示自然影响因素，包括地形因子、水域控制等；t E x,y表示社会经济因子，主要包括GDP、国外投资、产业结构等因

子对城市增长产生的影

响。t L x,y表示城市交通道

路、环城公路、铁路等

区位因素对城市空间增

长的牵引作用。t P x,y主要

指区域发展战略与土地

利用政策对城市增长的

影响。

根据模型的功能结

构特征，模型分为区域

城市增长动态格局分析

模块、需求分析与情景

模块、空间影响因素分

析模块以及空间配置与

预测模块共4个模块(图1)。需求分析与情景模图1区域尺度城市增长动态模型(Reg-UGM)概念与功能结构Fig.1Conception frame and structure of Reg-UGM model

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