城市扩张对生态控制线的影响——以广州市为例

张晓丹

(广州市增城区国土资源测绘院，广东 广州 511399)

城市扩张对生态控制线的影响
——以广州市为例

张晓丹*

(广州市增城区国土资源测绘院，广东 广州 511399)

以广州市为实证对象，利用元胞自动机模型，使用GeoSOS软件构建城市扩张动态模型，模拟广州市近几年的城市扩张动态，预测2017年广州城市扩张动态演变结果，最后利用GIS空间分析方法将预测结果与生态控制线区域相结合，提取生态保护区域与城市扩张产生冲突的区域，并对广州的城市发展提出指导性意见。

城市扩张；基本生态控制线；GeoSOS；元胞自动机

1 引 言

城市建设用地的不断扩张是城市发展的一个标志性象征，城市发展占用大量土地，其中不少是优质的农田。为保证社会的可持续发展，保护城市生态资源，防止城市建设盲目扩张和无序蔓延，为处理好城市发展与环境保护之间的矛盾，城市生态控制线逐渐成为保护城市生态资源和生态格局的重要手段。

基本生态控制线是为保障城市基本生态安全，维系生态系统的科学性、完整性和连续性，防止城市建设无序蔓延，在尊重城市自然生态系统和合理环境承载力的前提下，根据有关法律法规，结合城市实际情况划定的城市生态保护控制界线[1]。

近年来，许多学者利用元胞自动机(cellular automata，CA)[2]开展城市扩张、疾病扩散、火灾蔓延等过程的模拟，取得了丰硕的成果。Wu和Webster模拟广州市的城市用地变化和美国旧金山的城市发展。黎夏和刘小平模拟东莞的城市扩张，还提出地理模拟与优化(GeoSOS)系统理论，将土地利用变化与空间优化结合起来，模拟结果与实际情况非常吻合[3]。这些研究表明，CA模型能够模拟出于城市扩张非常吻合的模拟模型。

本文利用元胞自动机模型，使用GeoSOS软件构建城市扩张动态模型，并以广州市为实证对象，模拟了广州市近几年的城市扩张动态，预测2017年广州城市扩张动态演变结果，最后利用GIS空间分析方法将预测结果与生态控制线区域相结合，提取生态保护区域与城市扩张产生冲突的区域，并对广州的城市发展提出指导性意见，以此取得生态保护与城市扩张之间的平衡。

2 研究概况

本文选取广州市作为研究区，位于东经113°17′，北纬23°8′，地处中国大陆南部。全市面积 7 434.4 km2，市区面积 3 843.43 km2。2012年建成区面积 1 005.34 km2，排名广东省第一位，城市发展可以利用的土地存量已经非常有限，土地、水资源、人口容量以及环境容量的难以为继。

广州市是我国城市扩展问题突出的典型区域，城市土地利用规模“超常膨胀”，以同心圆式蔓延、局部扇-面-式扩展、廊道式辐射、飞地式增长和粘合式填充等方式扩展，逐步形成“摊大饼”外延发展的局面[4]。

2005年～2009年间广州人均生态足迹总趋势为缓慢上升，可持续指数平均值为0.53，接近0.5，表明广州生态足迹和自然生态承载力大致相当，区域可持续发展性接近边缘状态[5]。

根据广州市土地利用变更调查，2004年广州非建设用地为 5 888 km2，比1996年减少 418 km2，平均每年减少 52.3 km2。

广州市在2007年着手进行《基本生态控制线规划》的编制工作，该规划通过构建生态控制区、保护原生植被和人工植被，建设生态通道、提高景观连通度，建设关键点位，打破生念城市中生态岛屿的隔离局面，提高自然板块之间的连通程度，构建广州市生态格局，打造三大生态控制区，完善城市绿地系统、绿道网建设，建立三纵四横的生态廊道，形成多个关键点位，即“三纵、四横、三区、多节点串连”的生态格局。

图1 广州市基本生态控制线范围

根据划分生态控制线的基本原则和空间布局，划分出基本农田及耕地控制线、河流与湿地控制线、林地控制线、山体控制线和海岸沙滩控制线，共同组成了广州市生态控制线。图1为广州市生态控制线范围图，表1为生态控制线统计表。

生态控制线统计表 表1

3 城市扩张现状及趋势预测

3.1 城市扩张的模式及特征分析

城市建设用地的扩张是城市化的一个重要表现，城市化过程除人口与经济的集中外，特别强调城市空间布局的变化。为了揭示广州市城市用地扩张的驱动机理，以广州市建成区面积变化动态度为因变量，分别比较广州市不同经济发展阶段城市用地扩张的驱动机理。根据广东省城市用地扩张的特征，结合经济发展阶段，选择 2003年、2008年、2017年3个时点进行研究。

随着经济的发展，广州城市建设用地的面积都有不同程度的增加：1990 年时建设用地面积为 408.27 km2，占广州市总面积的5.49%；1995年建设用地面积占广州市总面积的9.47%；2003年增长到 884.2 km2，占广州市面积的11.9%，2008用地面积增长到 1 556.4 km2，占广州市面积的20.9%[6]。

3.2 使用GeoSOS软件预测城市扩张趋势

城市空间的演变可以采取地理模拟的方式来进行，本文使用的软件主要是GeoSOS和ArcGIS，进行城市扩张模拟的基本流程包括以下几大步骤：使用GeoSOS模拟城市扩张并提取城市扩张用地信息；使用ArcGIS将栅格图像转为矢量；将城市用地与生态控制线叠加；最终实现城市扩张分析。

(1)时空约束下的城市CA模型

城市空间演变的预测可以采取地理模拟的方法进行。黎夏等提出了地理模拟系统的理论框架[7]，以弥补常规GIS模拟过程的分析能力不足的问题，并将多智能体系统(Multi-agent Systems，MAS)、元胞自动机(Cellular Automata，CA)和群集智能(Swarm Intelligence，SI)集成为地理模拟和空间优化系统[8]。GeoSOS整合了多个城市元胞自动机模型，如逻辑回归CA 模型、神经网络CA 模型、决策树-CA模型等，为城市扩张模拟提供了一个良好的平台。元胞自动机模型是一种模拟复杂系统时空演变的工具，能够有效反映城市增长形态和演变规律，被广泛用于城市空间扩张的模拟和预测以及城市规划情景分析等研究。

利用CA模型可以有效模拟城市空间结构的转变过程，其模拟过程由转换规则来控制。在定义CA模型转换规则时，需要确定一系列影响因素[9]，包括区域的社会经济条件、人口状况、距市中心、距道路的距离等空间变量等。

(2)模型变量获取及模拟

①空间逻辑回归模型

采用GeoSOS中的Logistic-CA进行广州市城市扩张的模拟，Logistic-CA假设一个区位的发展概率是一系列独立变量构成的函数，并利用数据挖掘方法自动获取转换规则，利用计算机迭代的方法得出城市扩张的预测。

Logistic-CA可以用下式表示：

式中：a是常量，bk是逻辑回归模型的系数；xk是一组空间距离变量。

②数据描述

由于城市用地扩展带来的土地需求是城市发展内部与外部作用的共同产物，它受到历史发展的延续性、地理环境条件，城市职能及结构规模、交通网络、社会文化以及政治与规划等因素的影响。

文章以TM图像获取的2003年和2008年土地利用分类图作为初始数据，TM的分辨率是 30 m×30 m，土地利用分类数据包括3种类型，分别是城市用地、非城市用地和水域，空间变量为距市中心距离、距镇中心距离、距地铁距离、公路距离等。利用CA运算获得2015年模拟广州市土地利用分类图，通过与实际数据对比来确定模型中模拟所确定的参数。在此基础上对未来广州市城市用地土地资源的空间格局进行模拟。

研究采用逻辑回归CA模型，首先使用2003年和2008年的土地利用分类数据和空间变量数据作为输入变量，元胞空间内的数据只有两种状态，即“转化为城镇用地”和“未转化为城镇用地”两种状态[10]。由于本文只考虑绿地向城市用地转变，因此工业用地、市政用地、商业用地及居住用地全部划分为城市建设用地，代码标识为1，而绿地代码标识为0，水体标识为2。通过对经验数据的回归得到每个因子的权重，构建具有可靠因子的转换规则，得到在元胞自动机模型中元胞空间内每个栅格像城市用地转化的概率。本次模拟的转换总量为：70 000个栅格单元，模拟要迭代的次数为：100次，每次迭代的转换量为：700个栅格单元。

③实验结果分析

通过GeoSOS获取城市空间演变规律，2003年～2008年的数据用以进行结果验证以及随后的广州市2017年城市用地变化情况的预测。

逻辑回归的CA模型的参数 表2

由表2可知，2003年～2008年距公路的距离变量的权重绝对值最大，然后依次是距铁路距离、距市中心距离、距地铁距离、距区中心距离、距小城镇距离、距高速公路距离和距大城镇中心距离。权重的差异表明，2003年～2008年广州市城市扩张主要沿公路、铁路和市中心发展，区中心、城镇对城市发展的影响相对较小。

模拟时，利用2003年的TM图像作为起始年份遥感图像，2008年TM图像作为终止年份遥感图像提取城市发展规律，根据发展规律，经过100次迭代运算预测2017年城市发展状况。模拟总精度为82.3%，说明模拟结果是有效的，符合模拟要求。根据2003年～2008年城市发展趋势模拟2017年城市发展状况，图2为2017年广州市城市建设用地模拟结果图。

从图2中可以看出，未来几年如果按当前的模式发展，广州市城市用地面积将大大增加，坡度较小的山地、林地、村镇将逐渐转变为城市用地。预测结果显示，2017年广州市在规划导向的约束下，城市面积将达到 2 437.7 km2。总体上看，城市发展仍然是以沿主要交通网络和以老城区为中心的放射状规律扩张，水体分布对城市格局有很大的约束作用。新增地铁和中心镇区域对城市扩张存在微弱的带动作用，但不改变未来城市扩张的总体格局和发展方向。

图2 2017年广州市城市建设用地

4 城市扩张对生态控制线的影响

4.1 广州市2017年城市土地利用动态模拟

2003年～2017年广州市城市扩张新增城市用地时空动态变化特征非常明显。根据表3可知，2003年和2008年广州城市用地面积分别约为 884.2km2和 1 556.4 km2，而在2017年模拟城市用地将达到 2 437.7 km2，新增城市用地约为 881.3 km2，建设用地扩张了将近一半，平均年增长约8%，城市建设对生态功能用地和农业用地的侵占将越来越明显。

广州市建设用地面积变化 表3

如表3所示，通过广州市2003年和2008年土地利用现状图与2017年土地利用模拟图对比可以看出，2008年～2017年城市建成区范围不断扩张，并呈持续增长的趋势。2003年～2017年，城市扩张用地主要集中在广州市中心，同时花都、南沙等地区城市用地也处于快速扩张状态，其他区域和城镇用地增长速度较缓慢。广州城市扩张从空间分布看有三种发展方向：

(1)城镇用地向东部、南部、西部、北部都有扩张，以向西部部和南部扩张最为明显，同时呈现出沿市中心和大城镇中心多中心扩张的特点。

(2)到2017年广州的老城区和天河、珠江新城等新区的大部分城镇用地将连成一体，建设用地连续性越来越好，扩展圈分布较为集中；而白云、番禺等区域也逐渐与中心城区融合，成为一体化区域。

(3)南沙和花都、增城、从化等地区呈现沿江发展态势，和中心城区的距离逐渐缩小，南沙开发区建设效果显著，得到大力发展，城市化进程明显加快，其他城郊和外围地区沿大小中心镇呈现放射性扩张的趋势。

图3 广州市2003年，2008年，2017年城市用地图

4.2 生态控制线与城市扩张冲突区域分析

城市用地信息提取出后，将影像导入ArcMap中，利用ArcMap中的ASCII to raster命令生成2017年城市扩张动态变化的栅格数据集，再利用Raster to polygon命令将栅格数据集转化为矢量数据集以便叠加分析，接着利用Select by attribute把2017年模拟的城市用地选出来(如图4所示)，最后用interset命令将城市扩张用地与生态控制线重叠的区域提取出来，将城市扩张用地与生态控制线内重叠的区域定义为冲突区域，图5中区域即为冲突区域。

图4 城市用地分布 图5 2017年城市用地与生态控制线冲突区域

4.3 广州市用地扩张可持续发展对策

通过本文研究分析，广州市城市用地扩张存在发展过快和严重侵占生态用地的问题，因此要使广州市用地可持续发展，要从以下几方面着手：

(1)依法划定和公布生态控制线。把生态控制线划定和保护工作纳入制度化、法制化轨道。公布的基本生态控制线必须控制范围清晰，附有明确地理坐标及相应界址地形图。

(2)对环境影响重大的项目依法进行可行性研究、环境影响评价及规划选址论证，除重大道路交通设施、市政公用设施、旅游设施和公园以外，禁止在基本生态控制线范围内进行建设。

(3)利用遥感技术对城市扩张动态进行监测。有关部门利用遥感对在生态控制线内的城市建设用地进行严格检测，对破坏被保护生态用地的建筑物的合理性进行评估，对不合理的建筑物给予拆除并要求其尽量恢复生态原貌。

5 结 论

基本生态控制线规划将逐步成为我国快速城市化过程中保护城市生态底线和生态资源，提升城市生态环境质量的重要手段之一，大幅拓展了城市规划和管理的内涵，必须不断地更新和完善。要全面认识和综合利用生态线资源，还需要制定更加精细和科学的生态管理政策，以政策为支撑，以法律为保障，使之成为权威的法律准绳，才能达到划定生态控制线的预期目标。

本文根据已收集的数据，研究广州市的用地变化规律，用GeoSOS和GIS技术结合的方法分析土地利用变化，有利于定量描述土地利用变化过程，并且能够说明土地利用变化过程中土地利用的转变关系，清晰地看出土地转变的剧烈程度。但是，CA模型在一定集合大小情况下模拟大区域的城市扩张时，运算量将非常大，而且本论文未能很好地与土地利用与城市扩张的驱动力相结合研究，这是今后要解决的问题和工作的重点。

[1] 徐源，朱旭辉. 基本生态控制线与生态城市建设[A]. 中国城市发展与规划论文集[C]. 北京：中国城市出版社，2006：633～637.

[2] 黎夏，刘小平. 基于案例推理的元胞自动机及大区域城市演变模拟[J]. 地理学报，2007，62(10)：1097～1109.

[3] 陈逸敏，黎夏，刘小平等. 基于耦合地理模拟优化系统GeoSOS的农田保护区预警[J]. 地理学报，2010，65(9)：1137～1145.

[4] 蒋芳，刘盛和，袁弘. 北京城市蔓延的测度与分析[J]. 地理学报，2007，6.

[5] 郭秀锐，杨居荣，毛显强. 城市生态足迹计算与分析——以广州市为例[J]. 地理研究，2003，22(5)，654～660.

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[7] 黎夏. 地理模拟系统[M]. 北京：科学出版社，2007.

[8] 黎夏，刘小平，何晋强. 基于耦合的地理模拟优化系统[J]. 地理学报，2009，64(8)：1009～1018.

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The Effect of the Urban Expansion on Ecological Control Line ——Taking Guangzhou City as an Example

Zhang Xiaodan

(Surveying and Mapping Institute of Land and Resources in Zengcheng of Guangzhou，Guangzhou 511399，China)

Based on the model of Guangzhou City，this paper uses the cellular automata model to construct the dynamic model of urban expansion using GeoSOS software，and simulates the urban expansion dynamics of Guangzhou in recent years，and predicts the dynamic evolution of urban expansion in 2017.Using the GIS spatial analysis method to combine the prediction results with the ecological control region to extract the regions where the ecological protection areas conflict with the urban expansion，and provide the guiding opinions for the urban development of Guangzhou.

city expansion；basic ecological control line；GeoSOS；cellular automaton

1672-8262(2017)02-50-05

P208.2

B

2017—02—24

张晓丹(1975—)，女，工程师，主要从事国土资源管理及地形、地籍测量工作。