SSP人口情景下宁夏城市扩展分析

广西壮族自治区应急管理信息技术中心 朱访

城市空间扩展是城市化的一个重要的衡量指标，也是未来国家或地区经济发展以及整体提升居民幸福度的重要因素。未来人口变化则是影响城市扩展的直接动力[1]。随着计算机及GIS技术发展，城市扩展理论以及模型方法不断完善。资料表明，城市扩展模型的发展主要分三个阶段，即城市空间结构模型、城市扩展静态模型和城市扩展动态模型。城市扩展静态模型的典型代表模型是引力模型，该模型能够分析和预测两个物体之间的空间相互作用能力，该类模型较好地解决了要素之间作用力的大小及概率等，但不能体现城市自身结构的动态调整或适应；城市扩展动态模型主要是元胞自动机模型(CA)。CA模型是由S.Ulan和J.vonNeumann提出的，主要包括细胞、细胞空间、邻居和规则四个部分内容。CA是一种时间和空间离散，具备自下而上地进行时空格局变化反演、模拟的特点，可综合考虑自然和人文因素影响，近年来应用较多。该模型初次应用于城市扩展是Tobler模拟了底特律的城市扩展过程，有研究者结合CA及多因素评价模型(MCE)，模拟了广州市的城市发展过程；等结合系统动力学模型和元胞自动机模型，建立土地利用情景变化动力学(LUSD)模型，并模拟了中国北方13省未来土地利用情况[2]等。

基于以上背景，基于三种SSP路径下的未来宁夏地市级单元人口变化，综合考虑邻域、交通、地形及土地利用等主要因子，结合CA原理构建未来城市扩展模型，并模拟了宁夏各地市近（2030）、中（2050）、远期（2100）城市扩展情景，可为政府决策、城市土地利用规划等提供科学参考。

一、数据方法

（一）SSP下未来人口情景

根据姜彤等关于SSP下未来出生率、死亡率、迁徙率、教育水平情景设置方法，结合中国城镇化规划，考虑国家二胎政策变化影响，以2010年全国第六次人口普查数据为基准年，以宁夏地市级行政区为单元，利用人口-发展-环境分析模型（PDE模型）计算宁夏未来五种路径下人口总量情景变化，得到2030年、2050、2100年三种SSP路径下的地市级城市人口总量数据。

（二）主要数据来源

主要数据来源见表1。

表1 主要数据来源

（三）CA模型

1.计算方法

通过坡度、交通、周围土地单元的影响（邻域）以及土地利用类型等四个关键因子，计算单位土地在某一时刻发展为城市的概率P，具体计算方式如下：

式中，Slope代表地形中的主要因素坡度，其中1-Ws是坡度对城市扩展的影响权重。不同土地利用类型对坡度的需求有着差异，对于城镇建设用地，可以根据以下公式，得到他们的取值。坡度对城镇用地的影响Ws可以使用下面的公式标准化到0和1之间[9]:

Road代表交通，1-Wr是交通对城市扩展的影响权重。

Cityneibor代表邻域，即四周其它土地单位对某单位土地转变为其他土地利用类型的影响，1-Wc是邻域对城市扩展的影响权重。

Lulc代表土地利用，1-Wl是土地利用对城市扩展的影响权重。

模型精度计算方法如公式1-3所示：

式中，Sr代表2010年真实的城市面积，Sm代表基于2000年土地利用数据模拟的2010年城市区域面积；|Sr-Sm|代表真实结果比模拟结果多出来的区域的面积绝对值，|Sm-Sr|代表模拟结果比真实结果多出来的区域的面积绝对值。

2.参数设置

模型构建初始阶段，将影响城市扩展的四个主要参数（Ws、Wr、Wc、WI）均设置为0～1的随机数，并通过模型迭代优选参数。

根据公式1-3方法，模型叠代筛选模型精度最优的参数化方案，见表2。

表2 参数设置

二、结果分析

（一）宁夏全区及各地级城市未来人口情景变化分析

从图1中可知，银川市、石嘴山市和中卫市在21世纪初到中叶，人口呈上升趋势，21世纪中后期SSP1、SSP4、和SSP5路径下人口下降趋势较快，SSP2路径下降速度较弱而SSP3路径表现出人口继续增长的趋势。固原市和吴中市人口持续增长，其中SSP2和SSP3路径下增长速度快，其他三种路径增速缓慢。对比五种路径可以发现，SSP1和SSP5路径变化趋势较为相似，SSP2和SSP3表现出人口持续增长的态势，特别是SSP3路径，表现为人口的急剧增长。分析固原市和吴忠市人口发展较快的原因，在于未来两市农村人口较多，基准生育率高，未来发展潜力大，人口增长速度快。

图1 五种路径下宁夏人口总量变化趋势图

（二）模型验证

模型假设城市人口密度不发生变化，基于2000年土地利用数据中城市区域，结合2010年真实的城市人口数量，按照城市发展潜力大小依次进行分配，最终得到扩展后的2010年城市区域模拟结果。以2010年土地利用数据中城市用地区域作为真实值，与模拟结果对比，可以看出模拟结果与真实值匹配度较好，计算后总体模拟结果准确度为81.3%。

（三）重点城市扩展情景分析

城市扩展结果可知，可持续发展情景（SSP1）下受地形等综合因素影响，银川市未来城市扩展向南、向东发展的潜力较大，吴忠市主要向北、向东扩展，固原市城市沿谷地走向发展，而中卫市以及石嘴山市两市沿城市中心向四周扩展；此外，受2010年基准年地市级单元人口生育率基数影响，2050年以后吴忠市和固原市的城市扩展速度相对其他城市要快得多。

三、结论与讨论

根据SSP情景设置，基于PDE模型模拟了宁夏各地市单元未来人口变化，并结合CA模型原理构建了城市扩展模型，模型模拟精度达81.3%。根据模拟结果，对不同城市发展情境分析，发现主要受西部受贺兰山脉影响限制。

未来银川市城市主要向东以及向南扩展，吴忠市城市主要向北以及向东扩展；固原市位于宁夏以南地区，山地众多、地势高，该地区城市主要分布在谷地地区，所以城市扩展大致沿东北—西南走向；中卫市和石嘴山市，地势相对平坦，城市扩展主要沿城市中心向四周扩展。

受生育率基数相对偏高等因素影响，吴忠市和固原市2050年以后人口增速较快，从而导致未来吴忠市和固原市城市扩展的速度也相对较快。