基于Markov-ANN-CA模型的城镇建设用地扩张模拟研究——以苏锡常区域为例

刘文锋

(南京农业大学公共管理学院，江苏 南京 210095)

1 城镇建设用地扩张驱动力研究

本文考虑苏锡常地区自然经济特征和数据的可获得性，建立城镇建设用地扩张指标体系，一级项目层分为自然地理、区位距离、经济发展、人口聚集和行政中心因素。除了自然地理、区位距离和经济发展等因素对土地利用/覆被变化有影响外，用地管控因素也是影响土地利用/覆被变化的主要影响因素。我国《土地管理法》规定，根据土地利用总体规划，实施土地用途管制。本文遵循土地用途管制目标，强调水域保护理念，规定水域不可以向其他土地利用类型转化。

2 基于 Markov-ANN-CA 模型多情景城镇建设用地扩张模拟

2.1 基于Markov-CA模型[1]的建设用地规模预测

其中建设用地栅格个数确定过程为：在ArcGIS中将苏锡常地区2005年和2015年土地利用现状图转换为分辨率为90mm×90m的栅格数据，再利用ArcGIS软件转为ASCII格式，运用IDRISI Selva软件，将ASCII数据格式转换为rst格式，并对rst格式数据进行重分类，将数据中空值(-9999)转化为0。基于此，运用Markov-CA模型，计算2005-2015年土地利用概率转移矩阵，根据2015年土地利用状态、转移概率矩阵和适宜性图集，计算得到2025年建设用地栅格数为655 545个，每个栅格实际面积为0.008 1km2，即2025年建设用地预测面积约为5 310km2。2015—2025年建设用地栅格转换总量等于2025年预测建设用地栅格数量减去2005年建设用地栅格数量，共有98 152个，建设用地面积扩张795.03km2。

2.2 模型纠正(训练)

2.2.1 数据预处理

模型运行利用GeoSOS-FLUS软件，由于数据量较大，难以对所有苏锡常土地利用栅格数据进行模拟，设置参与模拟数据比例为5%，共有107 274个栅格。具体的训练数据又从参与模拟的数据中均匀采样80%，共有85 819个栅格单元数据，考虑到现实土地利用转换难易程度和政策因素等影响，模型运行起始前限制土地利用类型转化方向，其他土地利用类型不能转化为水域[2]。

2.2.2 元胞与元胞空间

本研究基于Markov-ANN-CA模型，结合地理信息系统(GIS)平台，以苏锡常土地利用现状图为底图，确定90m×90m的栅格单元为一个元胞，每个元胞的实际面积为0.008 1km2；遵循《土地利用现状分类》(GBT 21010-2017)国家标准，结合苏锡常地区土地利用特征，简化地类数量，运用重分类工具，将研究区划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用用地6类景观，因此有6种类型的元胞。

2.2.3 训练与模拟参数设定

Markov-ANN-CA模型设置2005年、2015年土地利用变更数据为训练初始年数据与终止年数据，输入城镇建设用地影响因子，并设置输入层为15个神经元，对应8项影响城镇建设用地扩张的影响因子，1项当前土栅格土地利用类型和6项当前栅格邻域内各土地利用类型；经过误差收敛验证，隐藏层元胞数量设定为20个；输出层包括6个输出项，分别对应不同土地利用类型，学习速率设为0.05，迭代次数达500次时训练终止，获得训练集模拟精度为88.655%，验证集模拟精度为88.842%，误差收敛至0.14，达到模拟精度要求。

2.3 Markov-ANN-CA模型模拟

城镇空间扩张模拟：以现状城镇区域作为建设用地扩张的源，根据2015—2025年建设用地转换元胞约束条件划分城市发展情景，将城市建设用地扩张分为低速发展、惯性发展和高速发展情景，研究区全域为对应情景下的元胞空间[3]。

将神经网络元胞自动机训练参数，不同情景下苏锡常地区各土地利用类型控制规模输入模型中。各情景土地利用类型预测数量如表1所示。

表1 2025年苏锡常地区各土地利用类型预测规模

3 结果和建议

由表1可以看出，高速发展情景下耕地占用最多，达119771.46hm2；其次是惯性发展情景下，达73 360.89hm2；占用耕地最少的是低速发展情景，占用23 980.05hm2。占用其他土地最多的用地类型是建设用地，高速发展情景下建设用地扩张130 909.77hm2，惯性发展情景下建设用地扩张79 272.27hm2，低速发展情景下建设用地扩张25962.12hm2。我们提出以下建议。

(1)加大基础设施建设力度。公路和轨道交通的分布是影响城镇建设用地扩张的重要因素，完善交通基础设施建设，可引导城镇建设用地合理布局。

(2)提高土地集约利用程度。政府应通过土地集约利用缓解土地供需矛盾，减少城镇建设用地扩张对林地，水域等重要生态景观的占用。

(3)合理调整人口布局。政府应以人口布局为基本立足点调控城镇建设用地规模，落实“地随人走”的城镇建设用地配置原则。

(4)注重粮食安全保护。政府可结合“城乡建设用地增减挂钩”“高标准基本农田建设”等政策，在城镇周边配置一定规模的耕地，发挥生态隔离作用，合理控制城镇建设用地扩张。

(5)加强土地利用规划调控。政府应强化土地用途管制，提高城镇建设用地空间配置的科学性，避免对生态环境的不可逆破坏。