張垚垚,密長(zhǎng)林,張中銀,王榮華

(1.國(guó)土資源部信息中心；北京　100812；2.臨沂市國(guó)土資源局，山東 臨沂　276001；3.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶　400047)

基于邏輯回歸的CA模型的重慶市沙坪壩區(qū)土地利用變化模擬研究

張垚垚1,密長(zhǎng)林2,張中銀3,王榮華2

(1.國(guó)土資源部信息中心；北京100812；2.臨沂市國(guó)土資源局，山東 臨沂276001；3.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶400047)

以重慶市沙坪壩區(qū)為研究區(qū)，利用2010年、2012年的數(shù)據(jù)得出土地利用變化信息，利用基于邏輯回歸的CA模型理論對(duì)土地利用變化、城市擴(kuò)展進(jìn)行模擬研究，并結(jié)合實(shí)際的政策對(duì)其發(fā)展變化過(guò)程和生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行分析與比較。結(jié)果顯示該研究區(qū)域內(nèi)在今后一個(gè)時(shí)期，建設(shè)用地將持續(xù)增加,耕地資源將因城市建設(shè)而繼續(xù)減少。

CA模型；邏輯回歸；城市擴(kuò)展模擬；重慶市沙坪壩區(qū)

引文格式：張垚垚,密長(zhǎng)林,張中銀,等.基于邏輯回歸的CA模型的重慶市沙坪壩區(qū)土地利用變化模擬研究[J].山東國(guó)土資源，2015，31(5)：86-90.ZHANG Yaoyao, MI Changlin, ZHANG Zhongyin,etc. Simulation Study on Land Use Change Based on Logistic Regression CA Model in Shapingba District of Chongqing City[J].Shandong Land and Resources,2015，31(5)：86-90.

未來(lái)城市空間擴(kuò)展研究目前主要應(yīng)用與GIS結(jié)合的元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata, CA)模型來(lái)開(kāi)展。CA模型既可以模擬不同時(shí)空的城市模型，也可以反映城市規(guī)劃發(fā)展的某些具體場(chǎng)景[1]。單純的CA模擬還仍然是一種近似模擬[2]，本身也具有一定的局限性，主要原因就是數(shù)據(jù)源誤差、操作或轉(zhuǎn)換誤差、城市CA建模中模型不同的影響，該次研究基于邏輯回歸的CA模型基本上可以避免以上因素的影響。該研究以重慶市沙坪壩區(qū)為例，運(yùn)用CA模型模擬重慶市沙坪壩區(qū)城市空間擴(kuò)展的過(guò)程，及預(yù)測(cè)研究區(qū)未來(lái)不同情景下的城市發(fā)展變化格局，從而為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供有效決策支持。

1　研究數(shù)據(jù)及研究方法

1.1研究區(qū)

該文以重慶市沙坪壩區(qū)為對(duì)象進(jìn)行模擬研究。該研究區(qū)位于重慶市主城區(qū)西部，是重慶市科教文化區(qū)。區(qū)內(nèi)轄小龍坎等11個(gè)街道，覃家崗等12個(gè)鎮(zhèn)，面積約396 km2。東面與江北區(qū)、渝北區(qū)隔江相望，東北方向與北碚區(qū)相連，東南方向與渝中區(qū)接壤，西與壁山縣相鄰，南面與九龍坡區(qū)相接。

該研究區(qū)內(nèi)的主要特點(diǎn):人多地少，人均土地資源占有量?jī)H約0.056 hm2，其中人均耕地面積僅為0.021 hm2，約占全市人均耕地面積的31.5%；平地少，丘陵多，全區(qū)丘陵地區(qū)面積約占總面積的67.3%；農(nóng)業(yè)后備可利用資源有限，區(qū)域城市化率相對(duì)較高;土地利用生態(tài)效應(yīng)較低等。

1.2數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)源包括2個(gè)時(shí)相的遙感影像(2010年、2012年)、道路現(xiàn)狀圖、以及高程圖elev。利用ArcGIS軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件(.txt)，使之能在GeoSOS中進(jìn)行相應(yīng)的模擬操作。首先，將2010年、2012年的土地利用圖像按土地利用類型分類進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，土地利用類型有農(nóng)田、森林、城市用地、果園和水域5大類型。其次，從道路現(xiàn)狀圖中提取普通公路(Road)、快速道路(fastRoad)2個(gè)二進(jìn)制文件。坡度影響因子從高程圖elev中提取并轉(zhuǎn)換，鎮(zhèn)政府點(diǎn)分布圖直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行處理及格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一投影，保持投影及研究范圍的一致性。

1.3 CA模型

元胞自動(dòng)機(jī)(CA)是利用動(dòng)態(tài)模擬方法建立城市土地利用的微觀規(guī)劃模型,因其可以簡(jiǎn)潔的模擬出城市土地利用變化過(guò)程,特別是在城市擴(kuò)張過(guò)程中土地利用格局演變過(guò)程的模擬中具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此許多學(xué)者都基于CA對(duì)城市系統(tǒng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究,同時(shí)運(yùn)用新理論(分形理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多因子評(píng)價(jià)模型等)、新方法(Logistic模擬、馬爾柯夫鏈等)和新技術(shù)(3S技術(shù))不斷地?cái)U(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)CA的基礎(chǔ)，構(gòu)建城市擴(kuò)展CA模型。通過(guò)擴(kuò)展CA模型利用情景(Scenario)模擬方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)；用于各種政府決策和實(shí)施城市規(guī)劃評(píng)估；產(chǎn)生不同城市增長(zhǎng)類型或者優(yōu)化的城市形態(tài)和城市空間結(jié)構(gòu)；與多智能體系統(tǒng)的公共建模平臺(tái)相結(jié)合, 對(duì)未來(lái)城市擴(kuò)展進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，評(píng)估未來(lái)城市擴(kuò)展所帶來(lái)的一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，為城市規(guī)劃和土地規(guī)劃提供依據(jù)[3]。

元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型應(yīng)用的思路為“自下而上”式，其模型的核心是轉(zhuǎn)換規(guī)則變量參數(shù)值[4]，數(shù)值的選取合適與否對(duì)建立CA模型至關(guān)重要，定義轉(zhuǎn)換規(guī)則尋找適合研究區(qū)參數(shù)值方法很多，比如可以通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、決策樹(shù)、遺傳算法、灰度、主成分分析、多準(zhǔn)則判斷、層次分析法、自適應(yīng)模型等方法來(lái)確定的[5]。

1.4邏輯回歸

Logistic模型是針對(duì)二分類或多分類響應(yīng)變量而建立起來(lái)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(dá)式可以描述為:

(1)

P(時(shí)間發(fā)生的概率)為因變量，后面的變量依次為自變量為x1，x2，……xkβ1;β2，……βk為待求 Logistic回歸系數(shù)。通過(guò)對(duì)(1)式進(jìn)行Logistic變換，求的Logistic系數(shù)，得到一個(gè)線性形式為:

(2)

由于(2)式存在異方差性，常用加權(quán)最小二乘方法求解 Logistic回歸系數(shù)[6]。

1.5基于邏輯回歸的轉(zhuǎn)換規(guī)則定義

城市化過(guò)程就是社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化過(guò)程，城市用地不斷向非城市用地?cái)U(kuò)展，邏輯回歸CA模型基本的思想：若給地理元胞{0為非城市化，1為城市化}，通過(guò)在[t，t+1]時(shí)刻間賦值的變化，就可知道該地理元胞是否已城市化。

城市的發(fā)展?fàn)顩r是由一系列獨(dú)立變量和因變量組成，獨(dú)立變量包括城市的地理因素及交通情況等因素；因變量是將土地利用分為0(非城市化)與1 (城市化)，因這種狀況不滿足正態(tài)分布的條件，所以可以用邏輯回歸分析。利用邏輯回歸技術(shù)對(duì)CA的轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行校正，則有t時(shí)刻地理元胞(i，j)的城市化最終發(fā)展概率為:

(3)

樣本選取以能反映被調(diào)查事物總體為準(zhǔn)，按照邏輯回歸技術(shù)定義轉(zhuǎn)換規(guī)則，樣本數(shù)量可按照總體數(shù)據(jù)20%的來(lái)采集。獲取到一定樣本量的空間變量與土地利用變化的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，再利用邏輯回歸得到合適的模擬權(quán)重參數(shù)[7]。

2　結(jié)果與分析

2.1 城市擴(kuò)展與土地利用變化趨勢(shì)

利用基于邏輯回歸的CA模型對(duì)重慶市沙坪壩區(qū)2010--2012年城市擴(kuò)展情況的模擬，定義農(nóng)田、果園可轉(zhuǎn)換為城市用地，森林、水域不可轉(zhuǎn)換為城市用地，自動(dòng)計(jì)算各空間變量的回歸系數(shù)(圖1)。

圖1　基于邏輯回歸的CA模型回歸系數(shù)

設(shè)置轉(zhuǎn)換總量為100萬(wàn)個(gè)柵格單元，迭代次數(shù)為2次，模擬結(jié)果精度為95.2%，得到的結(jié)果利用ArcGIS分析，把從遙感手段得到的2010年的影像數(shù)據(jù)與基于邏輯回歸的CA模型模擬的結(jié)果圖像進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果是極其接近的，具體如圖2～圖4所示。

從城市的分布上看，城市的分布基本上接近，尤其在沙坪壩東南部的井口鎮(zhèn)、井口街道、沙坪壩、歌樂(lè)山鎮(zhèn)的模擬精度極高。此外，值得注意的是在曾家及虎溪鎮(zhèn)交界地帶及其周邊有一塊集中的城市區(qū)，在模擬圖像上是沒(méi)有的，這說(shuō)明模擬的結(jié)果仍然與實(shí)際城市發(fā)展存有一定的誤差。從城市的發(fā)展走向來(lái)看，除曾家鎮(zhèn)及虎溪鎮(zhèn)的交界地帶，研究區(qū)的發(fā)展大體還是集中在東南部即沙坪壩、井口鎮(zhèn)、井口街道、歌樂(lè)山鎮(zhèn)，其他城市的發(fā)展主要依托先前的城市周邊逐步發(fā)展起來(lái)。從數(shù)量上看，城市用地的數(shù)量在不斷增多，但是在無(wú)序開(kāi)發(fā)和沒(méi)有有效管理的情況下，森林和水域必將不斷減少，這將對(duì)區(qū)域生態(tài)安全敲響警鐘。

從模擬結(jié)果中，可推測(cè)未來(lái)研究區(qū)的發(fā)展仍然會(huì)按照2010--2012年的發(fā)展趨勢(shì)，依托現(xiàn)有城市逐步實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村、果園等向城市用地的轉(zhuǎn)換，曾家鎮(zhèn)及虎溪鎮(zhèn)交界地帶也依然會(huì)依托自身優(yōu)勢(shì)發(fā)展周邊，逐步完成城鄉(xiāng)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)籌發(fā)展。并且按照2010--2012年的發(fā)展趨勢(shì)， 未來(lái)沙坪壩區(qū)建設(shè)用地面積將大規(guī)模增加，其他用地類型面積均有不同程度的減少，其中耕地流失量最大；林地、果園、農(nóng)田等建設(shè)用地也有一定程度的減少；水域面積也有一定程度的減少。分析圖2、圖3可以總結(jié)出，土地利用演變過(guò)程在未來(lái)城市化進(jìn)程中占據(jù)舉足輕重的地位，其中耕地、園地及未利用土地是城市建設(shè)用地的主要來(lái)源。在城鎮(zhèn)邊緣，沿道路發(fā)展是未來(lái)城市擴(kuò)展格局的兩大趨勢(shì)(圖4)。

圖2　重慶市沙坪壩區(qū)2010年土地利用圖

圖3　重慶市沙坪壩區(qū)2012年土地利用模擬圖

圖4　重慶市沙坪壩區(qū)2012年土地利用圖

2.2功能性發(fā)展分析

考慮不同的城市發(fā)展政策，通過(guò)調(diào)整CA 模型的輸入?yún)?shù)，可以模擬不同條件下的城市向外擴(kuò)展與土地利用變化情景。除上述目前趨勢(shì)發(fā)展情景外，即未來(lái)城市擴(kuò)展保持2010--2012年間的發(fā)展趨勢(shì)，還設(shè)計(jì)了城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理情景。

尋求城市區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理就必須保護(hù)林地、基本農(nóng)田、水體不被侵占。城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景，也就是考慮全市城市整體發(fā)展規(guī)劃、研究區(qū)發(fā)展規(guī)劃及其他建設(shè)區(qū)域開(kāi)發(fā)政策對(duì)未來(lái)城市擴(kuò)展的可能影響。城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和保護(hù)生態(tài)環(huán)境情景下, 城市建設(shè)用地侵占其他類型土地利用趨勢(shì)與目前發(fā)展趨勢(shì)基本一致。在城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景下, 城市建設(shè)用地增長(zhǎng)趨勢(shì)低于目前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是耕地的縮減趨勢(shì)高于目前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，究其原因是城市建設(shè)用地沿道路向外擴(kuò)展,開(kāi)發(fā)區(qū)及其他工業(yè)園區(qū)內(nèi)有較大面積的基本農(nóng)田被城市建設(shè)用地占用。相對(duì)應(yīng)而言，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境情景下，城市建設(shè)用地沿現(xiàn)有建設(shè)用地向外擴(kuò)展, 城市建設(shè)用地增長(zhǎng)趨勢(shì)高于目前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是林地、水域等利用類型縮減趨勢(shì)低于目前的趨勢(shì),顯示保護(hù)生態(tài)環(huán)境政策發(fā)揮了保護(hù)的功能作用。從城市擴(kuò)展空間格局上講，城市規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展情景和生態(tài)環(huán)境保護(hù)情景與目前趨勢(shì)發(fā)展情景存在明顯的空間差異。

2.3誤差分析

城市空間擴(kuò)展是城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，主要為橫向的城市用地面積的增加即向周邊郊區(qū)擴(kuò)展。它受自然條件限制，也受政治、經(jīng)濟(jì)、文化以及社會(huì)諸多因素支配和影響，它既不會(huì)完全按照城市整體規(guī)劃運(yùn)行，也不會(huì)完全按照其他因素的影響運(yùn)行，其根本實(shí)質(zhì)是多種因素共同作用城市空間擴(kuò)展，影響城市土地利用變化的因素就包括著政府、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和個(gè)體3個(gè)方面，其影響結(jié)果是多層次、多尺度、多維度的綜合作用效果[8]。個(gè)體因素主要是微觀尺度因素；市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)(社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和市場(chǎng)發(fā)展條件)因素是中觀尺度的因素；政策因素是宏觀尺度因素包括城市的總體規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃、土地利用的相關(guān)政策[9]。在約束性CA模型中政府因素是全局約束變量，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)因素是區(qū)域約束變量，個(gè)體因素是局部約束變量。在該文采用空間距離變量和局部變量作為空間數(shù)據(jù)的結(jié)果輸入到CA模型中進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。這些在一定程度上模糊了尺度效應(yīng)，造成模擬精度的降低。

政府的規(guī)劃在城市的演化過(guò)程中起著根本性的導(dǎo)向作用。但市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不以政府的意志為轉(zhuǎn)移，因此市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)為未來(lái)城市發(fā)展的土地利用變化增加了不確定性；市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展同樣會(huì)對(duì)城市規(guī)劃和個(gè)體因素產(chǎn)生影響，由于這些不確定的因素對(duì)CA模型中進(jìn)行模擬計(jì)算和分析產(chǎn)生影響。所以在元胞自動(dòng)機(jī)模型中不能完全模擬出真實(shí)的城市擴(kuò)展進(jìn)程的。因此，城市規(guī)劃的調(diào)整修編、重大事件、重大項(xiàng)目都會(huì)對(duì)城市空間擴(kuò)展造成深刻影響[10-11]，并將導(dǎo)致CA模型中空間距離變量和局部變量發(fā)生變化，造成模擬失真。該文研究所運(yùn)用研究區(qū)歷史數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化參數(shù)，是一種靜態(tài)的轉(zhuǎn)換，無(wú)法對(duì)上述變化做出反映。

3 　結(jié)論與討論

運(yùn)用邏輯回歸建立的CA模型研究表明，重慶市沙坪壩區(qū)城市的空間擴(kuò)張以外延式為主，集中在現(xiàn)有的城鄉(xiāng)結(jié)合部，沿道路呈帶狀發(fā)展的趨勢(shì)較為明顯。在對(duì)該區(qū)域2010--2012年的城市發(fā)展?fàn)顩r的模擬結(jié)果表明，未來(lái)的重慶市沙坪壩區(qū)城市建設(shè)用地將持續(xù)增加,大量的耕地資源被占用，CA模型基本地模擬其發(fā)展變化過(guò)程。但是由于客觀因素的影響，造成CA模型輸入?yún)?shù)無(wú)法精確地反映客觀的變化，所以CA模擬結(jié)果還存在不同程度的誤差。

[1]李開(kāi)宇，張艷芳，楊青生.基于CA模型的西安城市空間擴(kuò)展模擬及誤差分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36(5)：106-108.

[2]尹長(zhǎng)林，張鴻輝.元胞自動(dòng)機(jī)城市增長(zhǎng)模型的空間尺度特征分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2008，33(5)：78-80.

[3]吳曉青,胡遠(yuǎn)滿,賀紅士,等. 沈陽(yáng)市城市擴(kuò)展與土地利用變化多情景模擬[J].地理研究，2009，28(5)：1264-1275.

[4]劉小平，黎夏.Fisher判別及自動(dòng)獲取元胞自動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換規(guī)則[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2007,36(1)：112-118.

[5]周嵩山，李紅波.元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型在土地利用領(lǐng)域的研究綜述[J].地理信息世界，2012，5：6-10.

[6]姜文亮，張曉通，李霖，等.基于GIS和空間邏輯回歸模型的城市空間擴(kuò)展預(yù)測(cè)----以深圳市龍崗區(qū)為例[J].測(cè)繪科學(xué)，2008,33(4)：172-174.

[7]聶婷，肖榮波，王國(guó)恩，等.基于Logistic回歸的CA模型改進(jìn)方法----以廣州為例[J].地理研究,2010,29(10)：1909-1919.

[8]黃慶旭，何春陽(yáng)，史培軍等.城市擴(kuò)展多尺度驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析----以北京為例[J].經(jīng)濟(jì)地理，2009,29(5)：714-721.

[9]李開(kāi)宇.行政區(qū)劃調(diào)整對(duì)城市空間擴(kuò)展的影響研究[J].經(jīng)濟(jì)地理，2010，30(1):22-26.

[10]黎夏,葉嘉安,劉小平，等.地理模擬系統(tǒng)：元胞自動(dòng)機(jī)與多智能體[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

[11]密長(zhǎng)林，孫景廣，王榮華，等．臨沂市國(guó)土資源行政許可審批系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．山東國(guó)土資源,2013,(1)：52-55.

Simulation Study on Land Use Change Based on Logistic Regression CA Model in Shapingba District of Chongqing City

ZHANG Yaoyao1, MI Changlin2, ZHANG Zhongyin3, WANG Ronghua2

(1.Information Center of the Ministry of Land and Resources, Beijing 100812, China; 2. Linyi Bureau of Land and Resources, Shandong Linyi 276001, China; 3.Geography and Tourism College of Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

Taking Shapingba District of Chongqing city as the study area, by using datas in 2010 and 2012, land use change information has been gained. By using the theory of CA model of logistic regression, simulation study on land use change and urban expansion has been carried out. Combining with actual policies, development process and ecological environment impact have been analyzed and compared. It is showed that within a period of time in the future, the construction using land will continue to increase, while land resources will continue to decline due to urban construction.

CA model; logistic regression; city expansion simulation; Shapingba district of Chongqing city

2014-10-20；

2015-02-09；編輯：王敏

張垚垚(1978--)，女，北京市人，助理研究員，主要從事國(guó)土資源信息化建設(shè)和應(yīng)用；E-mail:yyzhang@infomail.mlr.gov.cn

P209;F301.2

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