基于CA-Markov模型的南昌市城市扩张合理性研究

杨 楚 燕

(杭州师范大学经济与管理学院，311121，杭州)

0 引言

城市土地作为城市形成和社会经济发展的重要依托，其扩张的合理性一直备受我国土地利用规划和城市规划的重点关注[1-3]。若扩张过慢，将会阻碍城市经济的稳步增长；扩张过快，容易产生城市土地资源粗放利用，城市无序扩张，市郊农田被占用、污染，生态环境破坏等问题，甚至威胁我国未来粮食安全[4-7]。

现有关于城市扩张合理性的研究方法，主要包括：1)计量经济模型，如孟鹏[8]等通过构建城镇最佳规模分析模型和发展适度性判断模型研究三大城市群的合理规模，舒帮荣[9]等使用C-D生产函数、成本效益曲线分析太仓市城镇用地扩张合理规模，康靖[10]等利用成本效益模型研究河西走廊地级市合理城市用地规模，余庆年[11]等使用回归模型对我国各级城市用地规模进行合理性比较分析。2)综合评价模型，如詹长根[12]、刘颖[13]均通过构建综合评价指标体系，采用熵权法确定指标权重，再引入协调系数综合评价城市扩张的合理性。3)元胞自动机模型，如苏伟忠[14]等、龙瀛[15]等、徐康[16]等从限制城市扩张的因素出发，采用元胞自动机模型来模拟城市扩张演变，划定合理的城市扩张边界。以上方法均存在一定程度的缺陷，如容易产生考虑因素不全面，无法表现和处理不能量化的因素，主观因素影响大，仅从数量或空间单一角度进行研究，具有片面性。而CA-Markov模型综合了元胞自动机(CA)和马尔科夫(Markov)的优点，可以长期有效地监测土地利用规模变化，提高土地利用类型相互转化的预测精度，是研究时间、空间规模变化最有效的方法[17]。

1 研究区概况

南昌市是江西省的省会城市，是连接长江三角洲、珠江三角洲、海峡西岸经济区的省际交通廊道。至2018年，南昌市城镇常住人口由上年的546.35万人增长到554.55万人，城镇居民人均住房建筑面积为38.27 m2，常住人口城镇化率为74.23%，城镇人口不断增加，城镇化水平正在稳步提升。南昌市经济发展势态良好，全年实现地区生产总值(GDP)5 274.67亿元，比上年增长8.9%[18]。作为长江中游城市群中心城市之一的南昌市，交通便利，不仅是江西最重要的综合交通枢纽，在全国也具有重要的交通地位。而近年来，工业化带动城镇化发展导致城市用地出现“摊大饼”式粗放利用土地的方式，这不仅与我国节约集约利用土地的理念是相悖的，更是带来了一系列负面影响，诸如：社会治安混乱、住房紧张、配套基础设施落后、农用地(尤其是耕地)大量流失、社会结构趋向不合理以及出现能源危机。因此，有必要采取恰当的方式研究城市扩张的合理性，提高城市土地利用效率，优化城市土地资源配置。

2 研究方法与数据处理

2.1 研究方法

CA-Markov模型主要通过IDRISI软件实现，综合了CA模型复杂空间系统动态演变及Markov模型时间动态预测的优势。CA模型元胞数量的转化规则遵从利用Markov模型构建的土地利用类型转移概率矩阵，这不仅便于在数量上和空间格局上模拟土地利用时空演变状况，还可以高效提升转换概率的精确度，使得模拟结果的土地利用空间格局更加合理[19]。本文借助CA-Markov模型来模拟南昌市城镇用地动态演变状况，预测未来土地利用变化趋势，对于分析城市用地扩张的合理性、优化土地资源配置具有重大作用。操作步骤如下。

1)借助ArcGIS将1995年、2005年、2015年的土地利用现状的.shp文件转为.tif文件，使用IDRISI软件将.tif文件转为.rst格式的文件，将这3期的土地利用现状图使用reclass功能重分类使得影像分类更加清晰。

2)用1995年、2005年的影像获取马尔科夫矩阵，用1995年的影像作为转换矩阵的前一期影像，2005年的影像作为后一期影像，比例误差设置为0.15，获取的马尔科夫矩阵记录了在下一个时期，从每个土地利用类型转换为其他土地利用类型的概率。

3)实现CA-Markov模型预测，用2005年影像作为依据影像来模拟2015年土地利用变化，通过适宜性图集、马尔科夫转换矩阵面积文件辅助，将元胞自动机的循环次数设置为10，得到模拟的2015年土地利用变化数据。

4)将模拟产生的2015年土地变化数据与实际的2015年土地利用数据使用IDRISI软件的CROSSTAB功能进行精度评价，得出的Kappa指数在0～1之间，数值越接近1，精度越高。

5)使用2015年的土地利用现状数据来预测2025年的土地利用状况。

2.2 数据处理

本文研究主要采用南昌市1995年、2005年、2015年土地利用数据。一些其他的辅助数据信息主要通过查阅《中国城市统计年鉴》《江西统计年鉴》《南昌市统计年鉴》获得[20-22]。

2.2.1 确定土地利用分类标准 由于研究土地的目标各有不同，对土地分类的划分差异也是非常大。为了提高研究的精确性，需要按照研究区实际情况对土地利用分类系统进行分类调整[23]。本文在对南昌市土地利用类型充分了解的情况下，结合所要探究的实际问题，参考张亚丽等对于土地分类的研究[24]，把南昌市的土地划分为耕地、建设用地、林地、草地、水域、其他用地。草地面积比较小，所以把草地归类至耕地。具体分类情况如表1所示。

表1 土地利用分类表

2.2.2 土地重分类处理 通过使用ArcGIS软件，对南昌市1995年、2005年、2015年土地利用现状数据进行重分类处理。处理操作包括将值组合、旧值赋新值、缺失值更改为Notdata等操作，重分类结果如图1所示。

3 结果分析

3.1 界定扩张区域范围分析

本文借鉴Ferreira[25]提出的界定扩张区域的标准，即城市用地周边界限划分在考虑土地登记数据以及空气环境因素和公共事业地役权的情况下，通过判断基础设施的道路网络和其他建设用地的情况划定界限。结合南昌市的基础道路设施情况和城镇用地做恰当调整。借助ArcGIS软件来实现预测扩张区域范围的界定，预测结果如图2所示。

(a)1995年 (b)2005年

(c)2015年

图2 2025年城镇建设用地预测图

2025年南昌市城镇用地扩展区域主要沿原有城镇用地向四周发散蔓延，其中新建区和南昌县处于经济快速发展期，城镇化也在加快脚步进行，发展了连续大面积的城镇用地，易于形成集聚经济。安义县和进贤县与主城区(主要包括青山湖区、青云谱区、东湖区、西湖区和湾里区)距离较远、受主城区辐射影响弱，城镇化水平较低，未来还具有较大的发展空间。

3.2 CA-Markov模型模拟城镇扩张分析

使用IDRISI软件CA-Markov模型预测，用2005年的南昌市土地利用现状图作为依据模拟2015年南昌市土地利用现状，通过精度评价得到的Kappa指数为0.814 1，模拟结果精度高。因此，再次利用修正的CA-Markov模型使用2015年的土地利用现状数据来预测2025年的南昌市的土地利用状况。预测成果如图3所示。

图3 CA-Markov模型预测图

由预测图分析可知，南昌市城镇用地(深色)发展依旧主要沿着赣江两岸向外扩张，城镇用地趋向规模利用，新建区、安义县、南昌县、进贤县各个县中单块零散的城镇用地不断聚集起来，形成新的城镇用地中心地块向四周扩张。在一定程度上来说，城镇用地扩张“摊大饼”的现象有所好转。

3.3 城市扩张合理性分析

3.3.1 整体合理性分析 将IDRISI软件预测得到的2025年的.rst格式的土地利用状况数据使用Arcraster功能转为ASCII码，使用ArcGIS软件的转换工具将ASCII码转成30 m×30 m大小尺寸栅格文件，利用转换工具将.tif格式文件转换为.shp格式文件。从预测的2025年土地利用现状图中提取出城镇建设用地数据，与根据界定城镇扩张区域的标准确定的合理扩张区域叠置，进行合理性分析(图4)。

图4 合理性分析图

由图4可知，使用CA-Markov模型计算出来的2025年城镇建设用地分布基本符合界定城市扩张区域标准预测的扩张范围。南昌市的城镇用地扩张宏观走向为东南-西北走向，城镇用地沿赣江两岸向外扩张，由主城区向外扩张。这主要是因为南昌主城区内的青山湖区、东湖区、西湖区、青云谱区是南昌市最早开始城市化的地区，城镇用地水平遥遥领先其他地区，城镇化水平高，可再利用的土地面积有限，而湾里区位于山脉地段，多发展风景名胜、森林用地，所以，南昌市主城区未来城镇用地再扩张的面积十分有限，城镇用地扩张以主城区为基点向四周蔓延。

3.3.2 区域合理性分析 使用合理性分析图的属性数据，统计各个区域叠置面积和占比情况(图5、图6)，来分析南昌市各区域城镇用地扩张的合理性。

图5 重叠面积

图6 占比情况

根据界定城镇扩张区域的标准确定的合理扩张区域与CA-Markov模型模拟的南昌市2025年城镇建设用地重叠面积大，其中又以南昌市(主城区)和新建区、南昌县叠置面积居多。进贤县(20.73 km2)和安义县(39.86 km2)重叠面积较小，主要是由于进贤县和安义县与南昌市城区距离较远、辐射效应弱。新建区的重叠面积高达131.49 km2，南昌市(主城区)为116.88 km2、南昌县为64.96 km2。由此可见，南昌市的城镇发展主要集中在南昌市(主城区)、新建区和南昌县。而南昌市(主城区)可供城镇用地再扩张的空间不大，新建区地域面积广阔、距离南昌市主城区相对较近、拥有得天独厚的地理位置(鄱阳湖生态经济区中心位置)、区位优势明显，与南昌市城区融为一体，南昌县地形平坦、地处鄱阳湖平原、与南昌市城区交界线长、交通便利、具备良好的发展优势，未来南昌市城镇用地发展方向将主要为新建区和南昌县。

综上所述，南昌市的城镇用地扩张基本符合发展规律，主城区领跑城镇扩展的发展进程。新建区、南昌县受主城区的辐射影响较大、且有政策支持，城镇用地扩展速度快，距离主城区较远的进贤县和安义县具有较大的城镇发展潜力与空间。

4 结论

1)根据界定扩张区域的标准，使用2015年南昌市城镇用地现状数据来预测南昌市2025年城镇用地的合理规模，预测得到的南昌市2025年城镇用地扩张区域的面积为785.82 km2，城镇建设用地沿赣江两岸分布，扩张主要是在原有城镇用地的基础上向外扩张。

2)通过使用IDRISI软件的Markov模型获取了马尔科夫矩阵、CA-Markov模型用2005年南昌市土地利用现状图模拟2015年南昌市土地利用现状，将模拟得到的数据与实际2015年的数据进行精度评价得到的Kappa指数为0.814 1，表明模型模拟精度较高，与实际数据接近。因此，保持该模型的参数和设置不变来预测南昌市2025年土地利用现状具有较高的可信度。

3)通过城镇扩张预测图合理性分析可知，CA-Markov模型模拟得到的2025年南昌市城镇用地在2025年南昌市城镇用地合理规模范围之内，重叠面积中非主城区以新建区和南昌县居多，分别为131.49 km2和64.96 km2，说明未来南昌市的城镇用地发展主要是集中在新建区和南昌县。这一结果与《南昌市城市总体规划2016-2035年》纲要方案规划发展方向一致，未来南昌市城镇发展重点区域为新建区的九龙湖新城、儒乐湖新城和南昌县的瑶湖新城、南昌东站高铁新区。

4)在实现CA-Markov模型模拟预测时，因重做适宜性图集需要道路、河流、坡度等信息制作，主观性强且模拟精度低，所以选用的适宜性图集为2005年影像作为前一期影像2015年影像作为后一期影像获取的马尔科夫矩阵文件，但科学性仍有待考究，在未来的研究中还需不断完善，以便为南昌市未来城市发展规划提供更有价值的理论指导。