基于MCR與CA模型的城市擴(kuò)張模擬對(duì)比分析——以武漢市為例.pdf

1、隨著城市化的發(fā)展，城市擴(kuò)張速度不斷加快，作為人均土地利用資源稀缺的國家，必須科學(xué)合理的規(guī)劃城市擴(kuò)張規(guī)模和未來發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。城市擴(kuò)張作為復(fù)雜動(dòng)態(tài)空間系統(tǒng)，傳統(tǒng)模型難以對(duì)城市用地?cái)?shù)量、空間布局進(jìn)行模擬預(yù)測。元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata，簡稱CA)具有動(dòng)態(tài)演化的功能，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geography Information System，簡稱GIS）空間分析功能，能夠很好地模擬復(fù)雜空間地理信息的時(shí)空變化

2、過程，彌補(bǔ)傳統(tǒng)模型的不足。最小累計(jì)阻力模型（Minimal Cumulative Resistance Model，簡稱MCR）可以揭示景觀格局與生態(tài)過程、功能的關(guān)系，在保護(hù)原有生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，進(jìn)行城市擴(kuò)張模擬。目前對(duì)兩種模型進(jìn)行城市擴(kuò)張模擬結(jié)果對(duì)比分析研究較少，本文基于GIS-Logistic回歸模型制作適宜性圖集修正CA模型的參數(shù)，利用MCR模型和CA模型進(jìn)行城市擴(kuò)張模擬，然后將兩種模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
　　基于最小

3、累計(jì)阻力模型進(jìn)行城市擴(kuò)張模擬預(yù)測。首先，在闡述最小累計(jì)阻力模型原理、構(gòu)成的基礎(chǔ)上，選取坡度、高程、高速公路、鐵路、主干道、次干道、河流等影響因子進(jìn)行空間分析。其次，進(jìn)行擴(kuò)展源選擇，借助德爾菲法分析確定指標(biāo)的單因子得分和綜合權(quán)重，進(jìn)而構(gòu)建綜合阻力面。然后，利用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)根據(jù)實(shí)際情況劃分為五個(gè)適宜性等級(jí)，分別為很適宜、適宜、較不適宜、不適宜、很不適宜，根據(jù)適宜性分區(qū)結(jié)果進(jìn)行面積匯總統(tǒng)計(jì)和各等級(jí)評(píng)價(jià)。最后，根據(jù)城市擴(kuò)張速度假定城市建設(shè)

4、用地面積，基于MCR模型對(duì)2020年城市擴(kuò)張進(jìn)行模擬。研究發(fā)現(xiàn)：武漢都市區(qū)中部平原阻力值較低，其平均阻力值為358.89，漢江沿岸和著名的景點(diǎn)附近阻力值最大，其平均阻力值為5485.94。各個(gè)適宜性等級(jí)中很適宜開發(fā)建設(shè)面積為218732.21公頃，主要分布在舊城區(qū)，是城市空間擴(kuò)展的優(yōu)化開發(fā)地區(qū)；很不適宜開發(fā)建設(shè)地區(qū)主要分布在武湖、漲渡湖、九峰城市森林公園、南湖和漢江等沿岸的水體和風(fēng)景名勝區(qū)，共同組成了武漢都市區(qū)的生態(tài)基質(zhì)，面積為4706

5、.38公頃，建議禁止開發(fā)建設(shè)。基于MCR模型模擬得到2020年城市擴(kuò)張空間分布情況，精度檢驗(yàn)結(jié)果kappa系數(shù)為0.7285，為后續(xù)與元胞自動(dòng)機(jī)模擬結(jié)果對(duì)比分析做好鋪墊。
　　基于CA模型進(jìn)行城市擴(kuò)張模擬。首先，基于Logistic回歸模型構(gòu)建GIS-Logistic回歸數(shù)據(jù)庫，選取對(duì)城市空間演變密切相關(guān)的影響因子作為自變量，選取城市用地類型狀態(tài)作為因變量。采用分層隨機(jī)抽樣的方法選取均勻分布在研究區(qū)的7000個(gè)樣本點(diǎn)參與計(jì)算，利用

6、SPSS軟件進(jìn)行Logistic回歸模型評(píng)價(jià)，根據(jù)求解結(jié)果制作適宜性圖集。然后，通過若干約束條件加入適宜性圖集修正CA模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，從而提高元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)城市擴(kuò)張的模擬精度。最后，基于修正后的CA模型以1996年作為起始年份，2006年作為終止年份，模擬2013年城市擴(kuò)張空間變化情況，模擬結(jié)果與真實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到kappa系數(shù)是0.8639，模擬結(jié)果具有很高的精度。保持模型參數(shù)和轉(zhuǎn)換規(guī)則不變，對(duì)2020年武漢都市區(qū)城市擴(kuò)張空

7、間分布情況進(jìn)行模擬預(yù)測。為檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的效果，將模擬結(jié)果與該地區(qū)城市土地利用總體規(guī)劃進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)總體規(guī)劃中建設(shè)用地?cái)U(kuò)展部分與本研究模擬結(jié)果大致吻合，兩者都顯示東、西部地區(qū)較北部地區(qū)更加適合城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展。
　　MCR模型與CA模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)城市擴(kuò)張速度，假定2020年城市建設(shè)用地面積增長至320000公頃時(shí)，將MCR模型與CA模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。MCR模型模擬結(jié)果kappa系數(shù)0.7285，CA模型模

8、擬結(jié)果kappa系數(shù)是0.8639。研究結(jié)果表明：CA模型比MCR模型模擬精度更高?；贛CR模型城市擴(kuò)張模擬呈組團(tuán)式聚集現(xiàn)象比較明顯，應(yīng)用其進(jìn)行適宜性分區(qū)時(shí)，擴(kuò)展方向往往出現(xiàn)依次包圍擴(kuò)展源的趨勢(shì)，分布形式較為固定，但是該模型更加注重生態(tài)因子。CA模型在考慮生態(tài)因素的條件下對(duì)細(xì)部進(jìn)行了更好的模擬，結(jié)果更加具體化，但擴(kuò)張?jiān)谝欢ǔ潭壬鲜艿搅撕?、漢江、長江等水域的影響。比較發(fā)現(xiàn)兩種模型都呈現(xiàn)出一定的共性，研究區(qū)總體空間擴(kuò)展趨勢(shì)都是在2006