基于土地利用的城市空間擴展預(yù)測模型研究

1基于城市擴展的土地需求預(yù)測模型城市空間擴張是一個長期而復(fù)雜的過程。在一個城市的發(fā)展過程中，一定存在一些主要的影響因素，其中一些因素主導(dǎo)著城市空間擴張的速度和方向。因此，可以描述城市擴展過程、模擬和預(yù)測。國內(nèi)外很多學(xué)者利用如元胞自動機(CA)、系統(tǒng)動力學(xué)模型等不同的模型對城市擴展過程進行模擬、預(yù)測,取得了很好的成果。但是這些模型的建模思想與城市規(guī)劃和土地管理的實際工作思路不一致,其成果難以與實際工作緊密結(jié)合。本文分析了宏觀因素與微觀因素對城市擴展的作用機制差異,提出從城市用地需求總量和城市用地需求空間分布兩個方面分別考慮,構(gòu)建了城市用地需求總量預(yù)測模型和城市用地空間邏輯回歸模型,解答了城市擴展用地“需求多少”和“需求如何分布”問題。最后,本文以深圳市龍崗區(qū)為例,驗證了這種思路。2“地規(guī)模”的設(shè)定城市規(guī)劃和土地利用管理的實際工作中通常需要考慮兩個問題:①隨著城市發(fā)展,城市建設(shè)在目標年需要多少建設(shè)用地?②這些土地需求將可能在城市的哪個位置?第一個問題要求從城市發(fā)展戰(zhàn)略和國家政策實施的角度出發(fā),在宏觀上確定城市發(fā)展的規(guī)模(包括用地規(guī)模),所依據(jù)的往往是能反映城市社會經(jīng)濟發(fā)展的總體情況的各項宏觀指標(如國民生產(chǎn)總值,人口、固定資產(chǎn)投資等)。第二個問題要求在制定城市規(guī)劃用地空間布局時,除了要考慮城市發(fā)展戰(zhàn)略,如用地規(guī)模,既有規(guī)劃等,還應(yīng)該顧及城市空間各個地塊單元的自然屬性和社會屬性方面的差異,如地形條件、人口密度、經(jīng)濟狀況等。因為城市空間擴展是有條件的、有序的,它必須符合城市發(fā)展的自然、經(jīng)濟規(guī)律和城市發(fā)展的門檻要求,在微觀上必須考慮各土地利用單元本身的位置、狀態(tài)等因素的影響。基于以上考慮,本文從城市擴展規(guī)模和城市擴展空間分布兩個方面處理城市擴展問題,一方面從宏觀上確定城市建設(shè)用地預(yù)期規(guī)模,另一方面分析城市空間內(nèi)各非建設(shè)用地單元向建設(shè)用地單元轉(zhuǎn)化的可能性分析,最后將兩者結(jié)合得到城市擴展的空間分布,其技術(shù)路線如圖1所示。3學(xué)習方法的介紹本文采用多元優(yōu)化組合預(yù)測模型進行城市規(guī)模擴展預(yù)測,采用空間邏輯回歸模型進行城市擴展土地過程中非建設(shè)用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的概率分析。3.1合預(yù)測模型的運用對城市擴展規(guī)模問題,回歸方法是一種常用來探索城市擴展用地規(guī)模與其影響因子間相關(guān)關(guān)系的有效手段。但影響城市擴展的各因子間往往存在錯綜復(fù)雜的聯(lián)系,彼此之間存在強相關(guān)關(guān)系,不符合簡單的多元回歸模型所要求的各自變量彼此獨立的要求。優(yōu)化組合預(yù)測模型是兩個或者兩個以上方法對某一現(xiàn)象進行預(yù)測的組合。其基本原理是用回歸方法分別擬合各自變量與因變量的關(guān)系,建立一組一元回歸方程{yi=φi(Xi)},然后根據(jù)各回歸方程擬合結(jié)果的誤差大小,確立總方程與各單變量回歸方程之間的關(guān)系,如:Y=φ(X,λ)=λ1φ1(X1)+λ2φ2(X2)+?+λmφm(Xm)m∑i=1λi=1,λi≥0,(i=1,2,?,m)(1)Y=φ(X,λ)=λ1φ1(X1)+λ2φ2(X2)+?+λmφm(Xm)∑i=1mλi=1,λi≥0,(i=1,2,?,m)(1)優(yōu)化組合預(yù)測模型的特點在于能突破回歸模型要求各自變量之間不存在自相關(guān)關(guān)系的限制,綜合考慮多個相關(guān)自變量對因變量的影響,進而提高精度并增強預(yù)測的穩(wěn)健性,使其具有較高的適應(yīng)未來預(yù)測環(huán)境的能力。3.2城市擴展土地利用轉(zhuǎn)化概率的回歸模型Logistic模型是針對二分類或多分類響應(yīng)變量建立的回歸模型,其自變量可為定性數(shù)據(jù)或定量數(shù)據(jù)假設(shè),其模型表達式為:Ρ=eα+β1x1+β2x2+?+βkxk1+eα+β1x1+β2x2+?+βkxkP=eα+β1x1+β2x2+?+βkxk1+eα+β1x1+β2x2+?+βkxk(2)因變量P表示時間發(fā)生的概率,自變量為x1,x2,……xnβ1,β2,……βk為待求Logistic回歸系數(shù)。在求取Logistic系數(shù)時,常對(3)式進行Logit變換,得到一個線性形式:Z=ln[P/(1-P)]=β0+β1x1+β2x2……+βnxn(3)由于(3)式存在異方差性,常用加權(quán)最小二乘方法或Newton-Raphson方法求解Logistic回歸系數(shù)。城市擴展的實質(zhì)是地塊單元土地利用形式由城市非建設(shè)用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化,其可能性大小與地塊的位置、自然條件等密切相關(guān)。符合城市擴展的自然、經(jīng)濟規(guī)律和城市用地門檻條件的地塊在一定時期內(nèi)向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的可能性要大于那些低于城市用地門檻條件的地塊,這種可能性可以用概率來衡量。本文中將城市擴展中的土地利用轉(zhuǎn)化看作一個受多種影響因子影響的概率事件,建立了以地塊單元土地利用轉(zhuǎn)化概率為因變量,各影響因子為自變量的空間邏輯回歸模型,求取各影響因子與土地利用轉(zhuǎn)化概率之間的相關(guān)關(guān)系。其基本步驟如圖2所示:1)指標選取人為選取指標,納入所有理論上可以接受的自變量。再根據(jù)自變量的整體與因變量的相關(guān)性、自變量對于因變量預(yù)測的準確率及單個自變量對于因變量進行解釋的相對重要性,刪除部分自變量。2)數(shù)據(jù)預(yù)處理采用30m×30m的格網(wǎng),將歷史和預(yù)測的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)格網(wǎng)化;基于GIS軟件獲得距各類道路的距離數(shù)據(jù);將政策類數(shù)據(jù)量化處理:將規(guī)劃中重點發(fā)展的地區(qū)賦高權(quán)值(0.7～1.0),將非重點發(fā)展地區(qū)賦低權(quán)值(0～0.3)。3)選取樣本點擬合模型利用歷史時段土地利用變化情況確定因變量Z值:期間由非建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的格網(wǎng)其Z值為1,期間沒有發(fā)生變化的格網(wǎng)其Z值為0。將格網(wǎng)中各影響因子歷史數(shù)值作為自變量x的值。隨機抽取樣本點,擬合空間邏輯回歸模型。目前,樣本點數(shù)量在理論上尚無明確的確定方法,本文中,多次增加樣本點數(shù)量進行擬合直至模型擬合結(jié)果基本穩(wěn)定。4)計算網(wǎng)格單元轉(zhuǎn)化概率利用預(yù)測基年的自變量數(shù)值代入擬合模型計算格網(wǎng)單元土地利用轉(zhuǎn)化概率并進行空間濾波處理。3.3模型定值按照轉(zhuǎn)換概率大于等于某概率值的網(wǎng)格面積與根據(jù)城市規(guī)模擴展模型得到的城市建設(shè)用地預(yù)期增量相等的規(guī)則確定各目標年轉(zhuǎn)換概率的閾值。轉(zhuǎn)化概率在各目標年概率閾值之內(nèi)的范圍即為各年城市空間擴展范圍。4研究和結(jié)果4.1土地利用現(xiàn)狀本文采用選用深圳市龍崗區(qū)為研究區(qū)域。龍崗是深圳市下轄的一個區(qū),位于深圳東部(如圖3所示),下轄10個鎮(zhèn),土地面積844.1km2,其2002年土地利用現(xiàn)狀如圖4所示,建設(shè)用地面積為128.47km2,占19.92%,人口為174.65萬,其中流動人口22.83萬,戶籍人口151.56萬。該區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速,2002年地區(qū)生產(chǎn)總值523.08億(當年價)相對上一年增長19.92%,其中第二產(chǎn)業(yè)占64.79%,第三產(chǎn)業(yè)占33.98%。近年來,該區(qū)經(jīng)濟一直保持高速增長,據(jù)統(tǒng)計2003-2005年,其地區(qū)生成總值增長率分別為:23.13%,21.93%,19.18%。4.2通過建立城市擴張模型本文選用了1992～2005年有關(guān)的土地利用數(shù)據(jù),相關(guān)遙感影像數(shù)據(jù),地形數(shù)據(jù),以及規(guī)劃控制線和社會經(jīng)濟屬性統(tǒng)計數(shù)據(jù)。4.2.1各變量分別于建設(shè)用地建立回歸模型在城市擴展規(guī)模預(yù)測模型中,經(jīng)過相關(guān)性分析,篩選出了國民生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資、總?cè)丝凇⒇斦С隹傤~作為自變量,建設(shè)用地總量為因變量,構(gòu)建了建設(shè)用地總量預(yù)測的優(yōu)化組合模型。為了方便采用實際數(shù)據(jù)對模型進行驗證,本文首先采用1992～2002年的數(shù)據(jù),對各變量分別于建設(shè)用地建立回歸模型可得:①y=f(x1)=x1/(0.001027x1+1.5849)②y=f(x2)=165.25362+059365x2-9.71485E-05x22③y=f(x3)=246.26766+1.92103x3-0.0006x2x3④y=f(x4)=214.17820+1.0589x4+0.00043x24。(4)運用優(yōu)化組合模型得到因變量與各自變量之間的總方程為:y=f(x1,x2,x3,x4)=0.01f(x1)+0.312887f(x2)+0.20679f(x3)+0.470324f(x4)(5)從表2可以看出優(yōu)化組合模型比其他單變量回歸模型的擬合精度要高。最后得到龍崗區(qū)在2003年到2005年城市建設(shè)用地增量分別為24.21km2,18.26km2和17.76km2。4.2.2不同地域的土地擴展?jié)摿︻A(yù)測在城市擴展空間分布預(yù)測模型中,經(jīng)過篩選確定了鄰域密度、坡度、高程等多項影響因素作為Logistic模型的自變量,如表3所示。求解后得到城市擴展用地單元轉(zhuǎn)化概率計算公式:Ρ=y1+y(6)y=-0.461+0.2α1-0.654α2-0.676α3+0.864α4-2.256α5-2.858α6+1.91α7由式(6)中可知,在城市擴展中,土地轉(zhuǎn)化概率與鄰域密度、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值密度、城市規(guī)劃狀況成正相關(guān)關(guān)系,而與到道路的距離、到街道的距離、坡度和高度成負相關(guān)關(guān)系。概率計算結(jié)果如圖6所示,城市空間擴展預(yù)測示意圖如圖7所示。從圖4和圖6的對比可以看出,土地轉(zhuǎn)化概率結(jié)果基本與建設(shè)用地現(xiàn)狀相符合。預(yù)測結(jié)果與2003～2005年實際數(shù)據(jù)進行疊加分析,2003～2005年空間分布預(yù)測的精度依次為67.38%,63.42%,61.02%,說明預(yù)測模型有一定的參考價值。按照此方法,本文以1992～2005年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),得到了2006～2008年的預(yù)測結(jié)果,如圖8所示。從該圖可以看出,2006年用地主要集中在圖中方框所對應(yīng)的四個位置,對照實地地形圖發(fā)現(xiàn),A所指的三處位置,均處于建設(shè)用地包圍之中,區(qū)位條件相對較好,另一矩形所示位置經(jīng)核實為近期規(guī)劃用地區(qū)域;2007年擴展范圍主要為B、C所指三處位置,對照實際情況,B所指二處位置主要是因為交通不便利,C處主要是地形因素影響所致。2008年主要用地擴展范圍集中在D所指的兩處。圖8的意義在于,從表2中因子所代表的幾個方面來考慮,應(yīng)用基于Logisitic模型的城市空間預(yù)測方法可以得到當前區(qū)域中具有開發(fā)潛力的地塊的大概位置及其優(yōu)劣比較,從而回答城市空間擴展中“分布在哪里”的問題,可以為城市規(guī)劃和土地管理工作,特別是土地供應(yīng)決策提供參考。5城市擴展模型自身的復(fù)雜性本文從土地利用的角度出發(fā),將城市擴展預(yù)測任務(wù)分為城市用地規(guī)模擴展預(yù)測和城市空間擴展預(yù)測兩個部分,分別從宏觀和微觀因素對城市發(fā)展作用機制著手,采用優(yōu)化組合模型和邏輯回歸模型對城市規(guī)模擴展過程和城市空間擴展過程進行建模,以GIS技術(shù)為支持手段對深圳龍崗區(qū)為例進行了實例研究,驗證了技術(shù)方案的可行性。但和大多數(shù)城市擴展預(yù)測模型