近50年兰州城市空间扩展模拟及其未来预测

3 收稿日期 : 2008 - 06 - 30; 修订日期 : 2008 - 08 - 20 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 (973计划 ) (2005CB422001)和国家自然科学基金创新群体项目 (40721061) 作者简介 : 徐昔保 (1978 - ) ,男 ,浙江东阳人 ,博士后 ,主要从事土地利用与环境效应 、GIS空间分析等方面研究. E - mail: xuxibao@163. com
1 研究方法
SLEUTH模型由加州大学圣巴巴拉分校 C larke 教授等在 1997年提出的基于 GIS与元胞自动机松
散藕合的城市 CA 模型〔11 - 12〕。在大型空间数据库 和各种分辨率遥感卫星影像数据支持下 ,该模型在 宏观和中观尺度上模拟人为因素造成的土地利用变 化情况 ,通过历史年份数据重建历史演化过程 ,并在 10～100年甚至 150年的时间尺度上进行中长期预 测 。输入 数据 包括 坡度 ( slope ) 、土 地 利 用 ( land use) 、排除层 ( excluded) 、城市范围 ( urban extent) 、 道路 ( transportation)和阴影 ( hillshade) ,模型运行由 散布系数 、繁殖系数 、扩展系数 、坡度系数和道路权 重系数 5个系数控制 ,模拟城市自发增长 、新扩展中 心增长 、边界增长和道路影响增长 4 种增长方式 。 该模型具有一定的自调节功能 ,即上述 4 种增长方 式的增长率总和超过增长速度最高临界阈值时 ,散 布系数 、繁殖系数和扩展系数均乘以一个大于 1 的 乘数 ,模拟城市发展“繁荣 ”状态 ;反之 ,当增长率总 和低于增长速度最低临界阈值时 ,散布系数 、繁殖系 数和扩展系数均乘以一个小于 1 的乘数 ,模拟城市 发展“萧条 ”状态 。 SLEUTH 模型具有高度开放性 、 高精度 、高移植性和实用性等特点 ,现已被成功地运 用于 Santa Barbara San和 W ashington等 100多个城 市或区域〔11 - 16〕,模型具体流程见图 1。本研究侧重 于兰州市城市空间扩展重建与预测 ,不考虑详细的 土地利用变化 ,因此屏蔽 SLEUTH模型中的 Delta 2
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5期 徐昔保等 :近 50年兰州城市空间扩展模拟及其未来预测 765
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干 旱 区 研 究 26卷
情景 1
情景 2
散布 系数
扩展 系数
繁殖 系数
坡度 系数
道路权 重系数
散布 系数
扩展 系数
繁殖 系数
坡度 系数
1
88
52
25
50
1
49
55
60
1. 00
88. 00
52. 00
25. 00
50. 00
1. 09
96. 24
56. 87
21. 44
50. 36
1. 02
89. 33
52. 78
23. 73
2 研究区与数据处理
兰州市为甘肃省省会 , 35°34′20″～37°07′07″ N , 102°35′58″～104°34′29″E,辖城关区 、七里河区 、 安宁区 、西固区 、红古五区 、永登县 、皋兰县和榆中县 5区 3县 ,总人口约 2. 52 ×106 ,有汉 、回 、满 、藏 、东 乡 、蒙古 、土等 38 个民族 ,其中少数民族约 9. 00 × 104 人 ,占全市总人口 3. 6%。黄河自西向东横贯城 区 ,南北两山隔河相对 ,南面有皋兰山 、龙首山 、五泉 山 ,北面有白塔山 、五一山 、仁寿山 ,东面有将军岭 , 西面有虎头崖 ,属于典型的河谷盆地型城市 ,经过近 50多年发展 ,形成了两山夹一川沿河带状组团式的 城市空间格局 。本研究选择兰州市主城区的城关 、 七里河 、安宁和西固 4 个区作为研究区域 。兰州市 建成区迅速扩展 ,建成区面积从 1949年的 8. 88 km2 增加到 2005年的 132. 31 km2 ,人口从 1949年 3. 87 ×104 人增长到 2005 年 2. 02 ×105 人 ,其中流动人 口 3. 20 ×104 ,国民生产总值从 1949 年 3. 30 ×108 元增长到 2005 年 5. 00 ×1010元 。快速的城市扩展
土地利用 /土地覆被变化 (LUCC) 是全球环境 变化研究的重要组成部分〔1〕,也是人类活动对自然 环境施加影响的显著表现形式之一 。伴随当今快速 城市化进程 ,城市扩展特别是城市边缘区土地利用 / 土地覆盖变化过程 、空间特征和社会经济机制 ,成为 国际上城市地理和土地利用等研究领域的热点问题 之一 。从 20世纪 90年代起 ,以王爱民和杨永春等 人为代表 ,对兰州市河谷型城市的内涵与特征 、土地 利用空间结构和城市发展模式等进行了较深入的研 究 ,辅助 GIS分析了兰州市建成区 1959 - 2004年用 地结构动态演变特征和 1950年至今城市土地利用 扩展时空分异规律 ,并对其城市土地利用的时空迁 移模式与机制进行了探讨〔2 - 8〕。前期研究侧重于静 态层面定性或定量研究 ,对兰州市城市扩展的动态 定量研究较少涉及〔9 - 10〕。本研究侧重于利用遥感 和 GIS技术获取历史年份数据 ,应用 SLEUTH 模型 重建兰州市 1949 - 2005 年城市扩展历史动态演化 过程 ,情景模拟其动态扩展趋势 ,为兰州市城市发展 和城市规划提供科学依据 。
最佳值 1949 1959 1976 1980 1986 1993 2001 2005
表 1 SL EUTH模型两种不同情景校准的最佳预测参数 Tab. 1 O ptima l pred iction param eters under two d ifferen t scenar ios for SL EUTH m odel
50. 13
1. 00
88. 00
52. 00
25. 00
50. 00
1. 00
88. 00
52. 00
25. 00
50. 00
1. 00
49. 00
55. 00
60. 00
1. 00
88. 00
52. 00
25. 00
50. 00
1. 00
49. 12
55. 14
Fra Baidu bibliotek
59. 46
1. 00
88. 00
52. 00
25. 00
50. 00
1. 00
49. 00
55. 00
60. 00
1. 00
88. 00
52. 00
25. 00
50. 00
1. 00
49. 00
55. 00
60. 00
道路权 重系数
3
3. 00 3. 05 3. 00 3. 00
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徐昔保 1 , 杨桂山 1 , 张建明 2
(1. 中国科学院 南京地理与湖泊研究所 ,江苏 南京 210008; 2. 兰州大学 资源环境学院 ,甘肃 兰州 730000)
摘 要 : 利用高分辨率航片 、Landsat TM 影像和土地利用现状图 ,建立兰州市 1949 - 2005年城市扩展 GIS空间数 据库 ,应用改进的 SLEUTH模型 ,重建兰州市 1949 - 2005年城市空间扩展过程 ,并情景模拟未来扩展趋势 。采用两 种不同历史年份跨度情景 、校准 SLEUTH模型 。研究表明 :该模型客观地重建了兰州市 1949 - 2005年城市动态扩 展过程 ;两种不同情景预测仍将继续沿河谷扩散发展 ,在城市增长方式与空间分布上既相似又有显著差异 :情景 1 预测城市扩展趋势快于情景 2预测 ,更接近于现实城市扩展趋势 ;情景 2预测对城市扩展控制较严格 ,更趋向于可 持续发展 。建议近期内加强兰州建成区内部土地利用空间结构优化与空间置换 ,进而加快城市职能的空间置换 , 同时为未来发展预留一定的土地储备和发展空间 。 关键词 : 空间扩展 ; 土地利用 /土地覆被变化 ; 环境变化 ; SLEUTH模型 ; 城市化 ; 兰州 中图分类号 : F301. 2 文献标识码 : A
第
26卷 第 5期 2009年 9月
AR
ID干 Z旱ON 区E R研ESE究ARCH VSoel.p.26 2N00o.9 5
文章编号 : 1001 - 4675 (2009) 05 - 0763 - 07
近 50年兰州城市空间扩展模拟及其未来预测3
已引发了一系列问题 ,如交通 、环境污染及土地资源 紧缺等问题 。
本研究采用的数据包括 1949 年和 1976 年的 1∶50 000土地利用现状图 、1959年 1∶30 000和 1980 年 1∶10 000的黑白航片 、2001年 1∶4 000的彩红外 航片 、1986, 1993年和 2005年的 Landsat TM 遥感影 像 、1∶50 000的 2001 - 2010年的兰州市总体规划图 和 DEM。3期航片分别经过正射投影 、拼接和剪切 后目视解译建成区范围 ; Landsat TM 影像经辐射纠 正后参照精校正的 2001 年 1 ∶4 000 彩红外航片镶 嵌图进行几何校准 ,采用监督分类和目视解译相结 合矢量化建成区范围 ; 1949 年和 1976 年土地利用 现状图参照 1982 年 1 ∶50 000 地形图进行几何校 准 ,再进行数字化 。道路层数据从各历史年份遥感 影像和土地利用现状图中数字化提取 ,根据其通达 性从低到高相应地赋值为 0, 25, 50和 100。因 1976 - 1980年道路变化很小 ,模型应用中省略 1980 年 道路层以 提 高 模 型 效 率 。坡 度 ( slope ) 和 阴 影 层 ( hillshade)直接从 DEM 生成 。排除层既控制着模 型城市化的区域 ,也便于考虑城市规划及政策等因 素 ,对排除层设置分 3 个步骤 : ① 定义坡度超 过 25%的区域和黄河水域不可城市化 , 赋值 100; ② 2001 - 2010年在兰州城市总体规划图中 ,将城市建 设用地的区域定义为对城市化无限制区 ,赋值为 0; ③城市规划中将非城市用地且坡度低于 25%的区 域定义为具有一定的城市化随机概率 ,赋值 50。最 后 ,将所有数据都统一到相同的空间范围和横轴墨 卡托投影坐标系 ,应用 A rcGIS生成 30 m Grid栅格 , 再转换成模型所需的 Gif格式 (图 2) 。
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3 结果分析
3. 1 模型校准与重建 两种不同情景校准的最佳预测参数分别为 { 1,
tron模块 。我国经历了 1949 - 1978 年的计划经济 和从 1978年改革开放后的市场经济 ,两个不同的社 会经济体制对城市发展影响的机制和结果相差很 大 。因此 ,本研究设计了两种不同情景校准模型 :情 景 1 包括 1949, 1959, 1976, 1980, 1986, 1993, 2001 年和 2005年 8期历史年份数据 ;情景 2包括 1986, 1993, 2001 年和 2005 年 4 期历史年份数据 。模型 中城市增长速度最高阈值分别采用 1949 - 2005 年 和 1986 - 2005 年 的 平 均 增 长 速 度 , 即 5. 0% 和 2. 1% ,最低阈值都设为 0. 05% ;两种不同情景都采 用 SOM 方法进行校准 。 〔17〕