基于多智能體的東莞市建設用地變化模擬與分析

摘要：基于多智能體模型和ＧＩＳ技術，在對應不同的城市規劃和土地政策因素輸入下，利用２００６年土地利用圖模擬并預測了東莞市２０１０年的建設用地變化情況，并與２０１０年的東莞市土地利用圖進行了對比。結果表明，基于多智能體的模擬結果與實際建設用地空間格局基本一致。

關鍵詞：多智能體；ＧＩＳ；東莞市

中圖分類號：Ｆ３０１．２４ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）02－0283-03

Ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｌａｎｄ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｃｉｔｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ Ｍｏｄｅｌ

ＬＩＵ Ｃｈａｏ１，ＦＡＮＧ Ｙｕａｎ１，ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ－ｊｉｎｇ２

（１．Ｈｕａｎｇｇａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｕａｎｇｇａｎｇ，４３８０００，Hubei，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｃｈｉnese Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｌａｎｄ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ２０１０ in Dongguan city was simmlated and predicted ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ＧＩＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， choosing ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｌａｎｄ ｐｏｌｉｃｙ ｉｎｐｕｔ． Ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ Ｄｏｎｇｇｕａｎ cｉｔｙ was ｃｏｎｔｒａｓｔ ｗｉｔｈ the ｌａｎｄ ｕｓｅ ｍａｐ ｉｎ ２０１０， ａｎｄ ｉｔ was ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ－ｂａｓｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗａｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎ

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ； ＧＩＳ； Ｄｏｎｇｇｕａｎ cｉｔｙ

隨著經濟和社會的快速發展，珠江三角洲核心城市東莞市迅速從以傳統農業用地為主的地區轉變為新興的高度城市化地區，土地利用深深打上了人類活動的烙印，城市化水平不斷提高，已經進入城市化加速時期，研究其變化過程、動力并進行預測具有很好的代表性，如何合理利用有限的土地資源已經成為東莞市城市化進程中的關鍵問題。許多學者對于東莞市的研究局限于經濟比較發達的街、鎮，研究的時間尺度較小，研究方法比較單一［１，２］，而東莞市獨特的“衛星城”發展模式、劇烈的土地利用變化使其成為ＬＵＣＣ研究的理想場所。

選擇東莞市作為典型地區，綜合集成多智能體、遙感和ＧＩＳ技術，在準確獲取城市土地利用時空演變信息的基礎上，積極開展東莞市城市化進程中的建設用地空間格局演變研究，可在實踐上為當前東莞市的土地合理利用、城市化建設和區域可持續發展提供科學依據和決策支持。

１ 研究區概況

東莞市位于廣東省中南部、珠江口東岸，瀕臨南海，氣候溫和，地勢自東向西傾斜，大部分為丘陵臺地和沖擊平原，研究區東部多山，山體龐大，地形分割強烈，是珠江三角洲重要的作物生產基地。研究區屬南亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫２１．０～２２．４ ℃，年降雨量１ ６００～２ ３００ ｍｍ，氣候溫暖，雨量充沛。

改革開放以來，東莞市充分利用毗鄰香港、澳門的區位優勢和深圳、珠海經濟特區的政策優勢，當地經濟經歷了區域經濟模式的迅速轉變，加之其地緣和親緣的優勢（該地區港澳同胞和華僑較多），使得東莞市成為珠江三角洲外商投資的中心之一，迅速發展為中國東南沿海經濟發展最為活躍的地區。

２ 數據來源與處理方法

城市環境七層元胞自動機的構建涉及到各種各樣的數據，包括社會經濟、人口、交通、教育、醫療衛生、地價、城市綠地等數據［３，４］。數據的格式也多種多樣，如統計圖、表、文本及地圖等，準確、全面地收集各項基礎數據資料是進行城市發展模擬的基本條件，其來源于東莞相關年份統計年鑒、東莞國土局和東莞公安局。

由于研究區的社會統計數據、土地利用變化歷史數據、交通、商業服務、學校資源及地價等數據在數據格式、空間范圍、時間范圍等方面各不相同（表1），需借助強大的ＧＩＳ數據處理工具來進行數據轉換等處理工作，數據處理主要包括空間范圍的統一、數據格式的轉換和離散數據網格化處理等。

多智能體建模中將智能體主要劃分為政府智能體、企業智能體、房地產商智能體和居民智能體等４種類型［５］；檢驗模擬結果與實際情況的吻合程度采用柵格計算的方法，包括逐像元對比（Ｐｉｘｅｌ－ｔｏ－ｐｉｘｅｌ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ）和格局對比（Ｐａｔｔｅｒｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ）兩種方法［６］。

３ 建設用地模擬

模型運行的結束條件由模擬過程中某一時刻對應的各類用地需求的剩余量來決定，如果剩余需求量大于一定門限值，則繼續激活Ａｇｅｎｔ進行用地申請，如果小于該門限值，則模型運行結束。為了簡化圖形表述，將土地利用類型簡單地劃分為建設用地和其他用地兩種類型，新增建設用地是指從模擬運行前的初始狀態到模擬開始后一段時間所增加的建設用地量。Ｔ代表模型運行的次數，Ｔ＝０表示模型處于初始狀態，即２００６年的東莞市土地利用圖，Ｔ＝１ ２５５表示模型運行了１ ２５５次，達到最終終止狀態，輸出結果為２０１０年的東莞市建設用地空間分布模擬圖。從模擬的東莞市城市發展趨勢來看，可以認識到以下幾點：

１）東莞市城市用地擴張區別于一般的城市，是一種“衛星城”式空間蔓延式擴張，新增用地通常位于東莞街、鎮的近郊邊緣地帶。這些區域經濟發達、交通方便、人口稠密，對房地產業、商業服務業和企業具有較大的吸引力。

２）從城市發展的方向上看，東莞市各街、鎮的發展較為不平衡，其北部和中部發展較好，南部則發展比較緩慢。北部毗鄰廣州市，南部與深圳市相鄰，具有較好的區位優勢，必將是今后發展的重點區域。

３）各個發展片區有向空間聚攏的趨勢。城市發展與研究區主干路網之間存在明顯的鄰近效應，城市用地沿著連接各個街、鎮的主干道向兩邊擴展。整個城市北部發展快于南部，主要得益于西北部交通路網的覆蓋密度大。

圖１是通過模型模擬獲得的２０１０年東莞市土地利用圖，通過對比ＥＴＭ影像獲取的東莞市２０１０年土地利用圖，可以清楚地看出模擬的結果與東莞市實際的土地利用變化趨勢大致相符，其中的一些細微差別體現在：實際的土地利用模式顯得較為有規則，而模擬的結果有些零碎，在農田及綠地中間有少數點狀區塊存在，產生點狀區塊的主要原因是該區域交通便利，且地價比較低，另外由于模型中Ａｇｅｎｔ每次申請用地的數量是有限制的，默認為在１×１方格和２×３方格之間，即Ａｇｅｎｔ申請的地塊單元數介于１～６塊之間，Ａｇｅｎｔ每次申請用地的具體數量由隨機函數分配，因而顯得有些零碎。

４ 模型檢驗

模型檢驗方法采用逐像元對比（Ｐｉｘｅｌ－ｔｏ－ｐｉｘｅｌ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ）和格局對比（Ｐａｔｔｅｒｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ）兩種方式。將２０１０年東莞市建設用地模擬圖與實際土地利用情況進行逐像元對比，計算模擬精度的結果（表２）表明，建設用地模擬的精度為８５．９２％，非建設用地模擬的精度為７６．９２％，總精度為８３．４６％；格局對比方法采用Ｍｏｒａｎ Ｉ指數進行對比，模擬結果的Ｍｏｒａｎ Ｉ指數為０．６１８ ２，實際情況的Ｍｏｒａｎ Ｉ指數為０．６２１ １，兩者的值相近，證明模擬的空間格局與實際情況較為接近。

５ 結論

選擇珠江三角洲經濟發展典型區域東莞市為研究對象，構建了一系列獨立智能體，從時間和空間角度對東莞市土地利用變化進行了計算機建模與仿真，模擬了東莞市建設用地變化，在實踐上為當前東莞市的土地合理利用、城市化建設和區域可持續發展提供科學依據和決策支持，具有十分重要的科學意義和應用價值［7-9］。

參考文獻：

［１］ 黎 夏，葉嘉安．利用遙感和監測分析珠江三角洲的城市擴張過程——以東莞市為例［Ｊ］．地理研究，１９９７，１６（４）：５６－６1．

［２］ 張燦榮． 利用遙感進行土地利用動態變化監測——以東莞市長安鎮為例［Ｊ］． ２００７，２３（３）：１７－１９．

［３］ 薛 領，楊開忠．城市演化的多主體（ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ）模型研究［Ｊ］．系統工程理論與實踐， ２００３，２３ （１２）：１－１０．

［４］ 楊青生，黎 夏，劉小平． 基于Ａｇｅｎｔ和ＣＡ的城市土地利用變化研究［Ｊ］．地球信息科學， ２００５，７（２）：７８－８１．

［５］ ＢＥＮＥＮＳＯＮ Ｉ． Ｍｕlｔｉ－ａｇｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｉｔｙ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ， Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｕｒｂａｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９８，２２：２５－４２．

［６］ ＢＲＯＷＮ Ｄ Ｇ， ＰＡＧＥ Ｓ Ｅ， ＲＩＯＬＯ Ｒ， ｅｔ ａｌ． Ａｇｅｎｔ－ｂａｓｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｇｒｅｅｎｂｅｌｔｓ［Ｊ］． Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Mｏｄｅｌｉｎｇ ＆ Sｏｆｔｗａｒｅ，２００３，１９（１２）：１０９７－１１０９．

［7］ 方 剛．淮北市城市建設用地變化遙感分析［Ｊ］．安徽農業科學，２００９，３７（１７）：８０７２－８０７４．

［8］ 郭 杰，歐名豪，劉 瓊，等． 建設用地需求預測改進思路及應用［Ｊ］．江西農業學報，２００９，２１（３）：１７３－１７６．

［9］ 徐新創，程東來，劉成武．湖北省耕地與建設用地變化的人文驅動力對比研究［Ｊ］．安徽農業科學，２０１０，３８（１７）：９１３７－９１４０．