基于CA模型的乌鲁木齐都市圈城市用地扩展模拟研究.

第29卷第5期2009年9月中国沙漠JOURNALOFDESERTRESEARCHVol.29No.5Sep.2009文章编号:1000694X(2009)05082008基于CA模型的乌鲁木齐都市圈城市用地扩展模拟研究张新焕,祁毅,杨德刚,徐建刚22(1.中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆乌鲁木齐830011;2.南京大学城市与区域规划系,江苏南京210093)摘要:借助CA模型技术,基于乌鲁木齐都市圈城市用地发展的特点,构建了模拟多个城市群体扩展的CA模型,重点对模型的转换规则进行了扩展,把用地适宜性约束、城市内部社会经济驱动、城市之间相互作用力、区域生态格局限制、城市发展规模有限这几个方面的作用机制融入到模型的规则制定中,通过宏观约束、中观调节、微观驱动3个层次逐步实现;为了使社会经济数据与CA模型中的空间数据相匹配,对社会经济数据进行了空间化表达;在历史数据的参照下,所构建的模型经过反复调试与修正,模拟结果达到了较为满意的效果;应用此模型模拟了经济优先、生态优先与规划优先3种不同情景下的城市用地扩展,对都市圈城市用地今后的发展起到重要的启示作用。

关键词:乌鲁木齐;都市圈;CA模型;多情景;模拟中图分类号:F291.1文献标识码:A城镇发展的日益区域化、区域发展的日益城镇化已成为城市 区域发展的全球性主体趋势,并形成了复杂的区域城镇群体化发展现象[1]。

都市圈作为当前城镇群体演化的一种趋势,是区域城镇群体发展到一定阶段的产物,它是一种圈域层面的城镇群体空间,是一个大的城市以及与其有着密切社会经济联系的具有一体化倾向邻接地域组合[3]。

随着城市化进程的加快,在我国经济社会发展水平最高的长江三角洲与珠江三角洲地区,已经形成一些较为成熟的都市圈。

同时,在一些经济发展水平较高的大中城市,一些区域性都市圈和地方性都市圈也在逐渐形成[5],我国西北干旱区这一特殊地理背景下也出现了绿洲城镇群体地域空间。

天山北坡是新疆城镇最为集中的地方,在空间上形成了绿洲城镇群体发展格局,乌鲁木齐及其周边中小城市的一体化发展尤为显著[6-7]。

乌鲁木齐、昌吉、米泉、阜康与五家渠在地理空间上分布集中、在经济发展中相互渗透、在交通联系上日益紧密,已经形成一个绿洲型都市圈的雏形,并成为新疆绿洲经济发展的增长极[8]。

2004年末起,乌鲁木齐都市圈经济一体化过程开始实施,这一进程将对今后区域用地空间造成较大的影响,尤其会在很大程度上影响作为绿洲经济载体的城市空间。

在都市圈发展中,城市用地不可避免地要继续扩大,城市[4][2]用地今后发展到多大规模、向哪里发展以及如何扩展是都市圈用地可持续发展需要关注的内容。

由于元胞自动机(CellularAutomaton,CA)模型可以通过一些简单的局部规则有效模拟出复杂系统的空间格局形成过程[9],笔者尝试利用CA模型模拟乌鲁木齐都市圈城市用地的扩展过程,模拟对象为都市圈多个城市的空间扩展。

在现有CA模型技术支持下,把相关理论与城市扩展的特征融合到CA模型中,模型构建不仅考虑城市自身的扩展规律,而且也需要体现都市圈城市群体发展的特征,以期能改进模型的结构并改善模拟结果,更为真实地反映都市圈城市群体扩展过程。

1乌鲁木齐都市圈城市群体扩展CA模型构建1.1模型构建思路本研究仅从城市形态角度模拟城市空间扩展,只考虑非城市用地向城市用地的变化。

构建都市圈城市群体空间扩展的CA模型将按照以下的思路展开。

首先,都市圈内的城市均遵循个体扩张的规律,即每个城市的用地在内部社会经济驱动力的影响下向外扩展,并且在扩展的方向、速度等方面具有自身收稿日期:20080423;改回日期:20080608基金项目:国家自然科学青年基金项目(40801065);中国科学院西部博士资助项目(XBBS200805)资助作者简介:张新焕(1978),女,新疆裕民人,博士,助理研究员,主要研究方向为区域经济与区域规划。

Email:cheungant@第5期张新焕等:基于CA模型的乌鲁木齐都市圈城市用地扩展模拟研究821的规律或特征。

其次,都市圈内城市用地的发展受到区域用地适宜性的支持或约束,并且当城市规模越大时,用地适宜性的影响也越显著。

第三,随着都市圈经济一体化进程的加快,城市已不再是封闭式的发展,城市之间的相互作用力逐渐成为影响城市扩展的重要因素。

因此,模型构建过程中不仅要考虑城市用地适宜性的影响和城市用地自身的扩展规律,而且还要考虑城市之间的相互作用。

1.2模型构建1.2.1元胞与元胞空间构建城市增长的时空动态变化过程首先是一个地理过程,因而模型中的元胞空间可以很自然地转变为笛卡尔坐标体系下的地理空间,这样元胞空间就被赋予了空间尺度的概念,具有一定的地理意义[10]。

将研究区(图1)作为元胞空间,总面积为7903.53km。

元胞取四方网格状,元胞大小为100m 100m,元胞空间内共有790353个元胞。

经过数据的前期处理,所有参与CA模型运算的图层均经过地理校正并且转变为与元胞大小一致的栅格数据。

在干旱区绿洲中,城市扩展主要侵占裸地与农田,城市扩展与周围用地类型的关系较为简单,因此可以将研究区内的元胞状态设定为城市用地与非城市用地两种类型。

图1乌鲁木齐都市圈及核心区土地利用状况(2002年)Fig.1Landuse(cover)situationofthecenterpartofUrumqiMetropolitanAreain20021.2.2邻居定义邻居是CA模型中最重要的概念之一,在确定转换规则前必须先确定邻居定义,因为在CA模型中,规则集中体现了空间实体的相互作用,而这种相互作用通过与邻居的关系来实现[11]1)城市用地扩展的影响因子总结。

为了合理制定规则,需要对都市圈城市空间扩张的约束条件与驱动机制进行总结。

!新的城市用地一般是受现有城市用地的影响在其近邻地区发展起来的,因此城市用地现状是模型的基础层;∀研究区土地面积虽然很大,但综合考虑地形、土壤、地质、水系等因素,适合城市发展的用地有限,因此,有必要进行城市用地适宜性评价来确定城市空间可以扩展的最大范围;#交通便利的地方容易发展为城市用地,人口增长、经济发展既需要又推动城市用地向外扩展。

因此,将叠合的社会经济因子层作为影响城市扩展的驱动概率层;∃城市现有的空间格局是经过一定时期演变而成,具有自身的合理性,并且在今后一段时期仍有向此方向发展的惯性。

所以,城市空间扩展趋势对今后的城市扩展有一定影响,可以将其作为。

CA模型中的邻居概念,在地理上则体现为地理相邻实体的相互作用。

根据城市规模的不同,核心城市乌鲁木齐选择24邻域摩尔型邻居类型,其他中小城市选择8邻域摩尔型邻居类型。

1.2.3规则制定标准CA模型的转换规则是局部并由空间排列决定的映射函数[12],而城市地理实体的动态变化是复杂的,不仅受局部邻域元胞间的相互作用,而且还受区域范围多种因素作用。

因此,在确定元胞状态转换规则时必须综合考虑微观、中观与宏观因素,建822中国沙漠地。

(2)邻居作用值N{x,y}=[ni=1第29卷的影响下,城市会出现非常规性的扩展,而且目前这种因素对城市扩展的影响日益加重,所以将这类因子作为模型的引导概率层;&都市圈内有多个规模不同的城市共同发展,城市之间的相互影响力,尤其是核心城市的集聚与扩散作用导致各城市用地的扩展在概率与速率上有所差异,因此在模型中把这种影响力设置成一种调节机制,以体现都市圈内各城市的非同步发展;∋由于都市圈是在干旱区背景下形成的城市群体空间,水资源有限导致所能承载的人口规模和城市用地规模也相应受到限制,因此,CA模拟的城市用地规模是有限的。

2)转换规则的制定。

基于影响因素的作用机制,结合城市用地扩展的规律,制定CA 模型元胞演化规则(图2)。

规则制定流程中所涉及的判断条件分别由下面的数学模型计算得出:(X[13](i,j)]式中:N{x,y}为位于{x,y}处的元胞受到邻近范围城市化元胞的影响值;X(i,j)为邻域n内状态为城市用地的元胞;为邻居元胞集合。

为了避免模型中元胞均匀向外扩展这一弊端,要真实反映出城市向优势方向发展这一规律,需要对邻域作用值公式进行相应的扩展:ND{x,y}=N{x,y}Dp式中:ND{x,y}表示受方向发展概率影响下的邻居作用影响值;Dp表示{x,y}处元胞受8个方向概率的影响值,每个城市在8个方向有不同的发展概率,后文的数据处理部分会对其进行阐述。

(3)影响概率值P{x,y}=i=1(Wpini{x,y}式中:P{x,y}为位于{x,y}处的元胞向城市用地转化的概率值;Wi为影响因子的权重;pi为某类影响因子对城市用地扩展的驱动概率。

由于本文研究的是多个城市的空间扩展,为了表现核心城市对其他城市的吸引力也影响城市用地扩展这一规律,这里对上述公式进行如下扩展:PF{x,y}=P{x,y}F{x,y}式中:PF{x,y}表示核心城市作用力下的城市扩展影响概率值;F{x,y}为核心城市对周边各城市的影响系数,后文的数据处理部分也会对其进行阐述。

模型参数对于模拟和预测结果具有决定性的作用,因此,确定一套合适的模型参数是保证模拟效果的关键。

然而,CA模型中的参数与模拟结果之间的不确定性关系,以及较多模型参数和参数的可选值,使得模型参数的优选工作非常困难,模型参数的选取通常需要经过反复调试来确定[14]。

本研究基图2CA模型规则制定流程图Fig.2TheflowchartforruleofCAmodel于2002年与2006年的历史数据,通过反复运行、比较和调试确定一套较为适合的参数初选方案。

1.3参与模型运算的数据处理(1)用地适宜性S{x,y}=[i=1(Wskii{x,y}]j=k+1)smj{x,y}城市总是与一定的地理空间相关联,为了研究发生于某一定地理空间上并与地理要素有关系的社会现象,就必须将反映空间现象和社会现象的两类数据集成起来[15]。

因为,本研究所构建的CA模型机制涵盖了较多的社会现象,需要对这些数据进行,式中:S{x,y}为位于{x,y}处的元胞能够转化为城市用地的适宜性程度;Wi为限制因子的权重;si是部分限制因子,一般通过因子量化分级法进行赋值或分级;sj为绝对限制因子,其值取0和1,分别表示,y}∗第5期张新焕等:基于CA模型的乌鲁木齐都市圈城市用地扩展模拟研究823与空间数据很好地结合起来。

1.3.1城市建设用地适宜性评价结果选择地形、地质、水文、用地等自然因子评价都市圈城市建设用地的适宜性[16],在对各因子进行专家赋权以及量化分级的基础上,将各因子加权叠置,得到建设用地综合适宜性评价结果(图3A),评价将用地适宜性分为5个等级,城市用地需要在适宜区域发展。