基于SLEUTH模型的鄂爾多斯城市擴張模擬分析

米 媛 姜 博 陳 顏 崔順利

(東北農業大學 資源與環境學院，哈爾濱150030)

快速城市化背景下城市空間擴張一直是地理學研究的核心問題。城市擴張侵占大量農業土地資源，帶來諸如環境污染、交通擁擠、居住環境惡化等的一系列城市病問題，城市發展陷入惡性循環，從而影響到區域和城市的可持續發展[1]。近年來學者對城市擴張的研究日益深化，研究范式不斷豐富，呈現多尺度、多視角，理論與實證、定性與定量相結合的研究體系。在研究區域尺度上，不僅著眼于對單個城市的空間擴展特征分析[2-5]，對于區域內各個城市的擴張及其聯系[6-7]也有較多涉及；在研究內容上，對于城市擴張的研究主要分為四類：時空特征及空間結構分析[8-9]、擴張的動力機制研究[3,10]、擴張后的影響[11]、建立模型模擬未來城市擴張的趨勢[12-14]，此外在已有的研究中，有部分學者開始關注城市內部功能的演化，認為不同的城市用地功能主導著擴張模式的轉變，且這種轉變進行與城市的發展階段相適應[6,15]；研究方法上，主要以定量研究為主、結合定性分析[7-9]總結城市擴張的發展規律,并且隨著遙感技術的發展與普及應用，逐漸成為城市擴張動態監測的應用手段之一[2,4]，結合GIS分析技術，能夠及時掌握城市用地變化信息，使得城市擴張的定量化研究更加完善。進入快速城市化階段以來，國內學者對于城市擴張的研究多集中于對大中型城市擴張的模擬預測[14]，對小尺度的城市發展核心區的預測較少[16]。

2009年，鄂爾多斯確定了“建設百年鄂爾多斯，打造百萬人口城市”的發展要求，加快了城市的大面積建設與擴張的速度。康巴什新區成為全國城市規劃的典范。但是，2010年美國《時代周刊》中一篇文章認為康巴什新區是中國房地產泡沫的最佳展示品，更將其稱之為“鬼城”。一時間，康巴什成為眾矢之的，其發展狀況成為人們最關心的話題[17]。2014年我國出臺《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》，提出新型城鎮化是以“人”為核心的城鎮化，造城運動及空間無序蔓延等過度城市化不屬于新型城鎮化的本質特征。在新型城鎮化發展理念的指導下，鄂爾多斯的城市擴張是否得到有效遏制，是否遵循城市發展的客觀規律，目前城市擴張的主要模式和未來擴張趨勢如何？這些問題亟待解決，因此，本研究以東勝區、康巴什新區、伊旗阿鎮及其周邊城鎮組成的鄂爾多斯市多組團中心城區作為研究區，在遙感解譯2000—2015年以來該區域土地利用信息的基礎上，定量描述城鎮用地的歷史變化特征及其擴張模式，再利用SLEUTH模型開展城市空間擴張的長時間序列模擬預測，以期探究中心城區未來用地擴張特征與趨勢，及其在現行規劃的引導下的發展路徑。

1 研究區概況、數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

以《鄂爾多斯市土地利用總體規劃》劃定的東勝區、康巴什新區、阿勒騰席熱鎮組成的鄂爾多斯市中心城區為研究區(圖1)。該區域位于鄂爾多斯市東北部，地貌總體上北高南低，地勢起伏較大，中部烏蘭木倫河谷地區地勢較為平緩，屬于典型的丘陵溝壑區。中心城區屬于干旱半干旱溫帶高原大陸性季風氣候，四季分明。土地資源類型多樣，包括工礦用地、林地、天然牧草地、沙地、鹽堿地和裸巖等。

鄂爾多斯市中心城區總規模為571.82 km2，中心城區城市建設現狀用地138.59 km2，現狀人口80萬，人均城市建設用地173.24 m2。中心城區發展通過合理的功能分工形成東勝片區和康阿片區，兩大片區間交通便利，包茂高速公路貫穿南北，東勝區與康巴什新區以東康快速路相連。為了加快推進新型城鎮化建設的進程，規劃將東勝片區定位于市級經濟中心，康阿片區定位于市級政治文化中心。

圖1 鄂爾多斯中心城區位置圖Fig.1 Location of Ordos central district

1.2 數據來源及處理

本研究采用的遙感數據源自于USGS，其中2000、2005和2010年數據所采用的是空間分辨率為30 m的Landsat5的遙感影像，2015年采用的是landsat8-OIL遙感影像；還包括鄂爾多斯市的數字高程影像(DEM)。在ArcGIS軟件平臺的支持下，對鄂爾多斯市城市總體規劃圖進行了地理配準，確定研究區范圍并進行矢量化。

根據中國《土地利用現狀調查技術規程》，考慮土地利用方式等因素，將研究區土地利用類型分為城鎮建設用地、林地、耕地、水域、牧草地、裸地6個一級類型，其中研究區內有一些工礦用地，以及通過道路劃分擬作為建設用地的一些用地情況，但本研究中不作為建設用地考慮，所以將其統一劃分到裸地一類中。基于ENVI5.3對遙感數據依次進行幾何校正、數據融合、根據矢量邊界進行裁剪等預處理，采用人工目視結合最大似然法解譯出四期土地利用類型空間分布數據，借助Google earth影像對分類結果進行修正，獲取鄂爾多斯市中心城區土地利用信息。

1.3 研究方法

1.3.1擴張強度指數

擴張強度指數是反映城鎮用地擴張的重要指標，用于描述在不同時段內研究區域內城鎮用地面積擴張的強弱與快慢[2-5]。為了更好地反映城市擴張的時空分異特征,根據已獲得的城鎮信息進行面積統計，并以單一土地利用動態度公式來計算城鎮用地擴張強度指數，公式如下所示：

(1)

式中:K表示2000—2015年研究區內的城鎮用地類型的動態度；Ui為研究初期的城鎮用地用地類型的數量；Ui′為研究末期的城鎮用地類型的數量；T為研究時段,年。

1.3.2SLEUTH模型及參數設置

SLEUTH模型是一種成熟的CA模型，在預測城市增長方面具有典型的代表性。SLEUTH最早由Clarke等[18]提出，并且運用該模型對美國舊金山和華盛頓都市區進行了成功模擬和長期預測，而后進行推廣運用[19]，近年來我國學者也開始應用該模型進行城市擴張模擬，尤其是針對較為發達的大城市，如廣州、阜新、上海和武漢等城市，而對于西部城市的時空動態的模擬尚未深入。考慮到SLEUTH模型本身的普適性，是對鄂爾多斯中心城區用地擴張進行模擬預測的最佳選擇，并且能夠更加豐富西部城市擴張的研究。

SLEUTH模型的設計思路是在地形、交通等條件的約束之下，在環境適合情況下，以已城市化的元胞為基礎，預測每個未城市化的元胞改變自身狀態成為城市用地的情況，計算其發展為城市的可能性[19]。其中，每個元胞狀態的變化由相鄰元胞的狀態來決定，離種子點越近的元胞越容易被城市化，通過種子點擴散帶動整個區域的發展。SLEUTH模型執行的基本單位是一個增長環，其模擬過程就是由一系列的從初始日期開始并在終止日期完成運算的增長環組成的增長周期。SLEUTH模型通過擴散系數、傳播系數、繁衍系數、坡度阻礙系數、道路引力系數控制元胞增長，從而產生4種增長規則，即自發增長、邊緣增長、新擴散點增長和道路影響增長。擴散系數決定一個元胞被隨機選擇成為可能的城市化元胞的次數；繁衍系數決定一個自發增長形成的城市化元胞成為一個新的擴展中心的概率；蔓延系數決定一個擴展中心周圍任一元胞在其鄰域產生另外一個城市元胞的可能性；坡度系數決定了坡度對于元胞可城市化概率的限制程度；道路重力系數控制著道路影響元胞增長，吸引向著或沿著道路分布的元胞進行城市化。

SLEUTH模型的運行總體上分為2個板塊：校準板塊和預測板塊。其中校準是為了得到最優的系數組合，采用強制蒙特卡洛迭代算法分三步進行：粗校準、精校準和終校準，每一步校準得出的系數范圍不斷縮小，本文選擇OSM指數(Optional SLEUTH Metric)確定下一步校準所使用的參數范圍，最后利用校準模塊最終得出的參數進行城市用地擴張的模擬預測。

SLEUTH模型要求輸入六種圖層：坡度圖層(Slope)、土地利用圖層(Land use)、排除層(Excluded)、城市范圍圖層(Urban)、道路圖層(Transportation)、山體陰影圖層(Hillshade)。因本研究旨在利用SLEUTH模型模擬預測中心城區的城鎮用地變化，故未激活使用土地利用數據預測模塊。圖層具體的制作過程如下： 1)城市范圍圖層：在土地利用分類圖的基礎上，提取2000、2005、2010和2015年中心城區城鎮用地范圍，重分類生成二進制分類的城市/非城市(用1、0表示)柵格圖； 2)道路圖層：參照Google earth，對各時期的遙感影像進行道路矢量化，以此作為賦值的基礎，道路統一賦值為1，非道路賦值為0； 3)坡度和山體陰影圖層：在ArcGIS中對DEM數據以百分比的形式計算坡度，并在此基礎之上生成山體陰影圖，但只作為輸出背景，不參與計算； 4)排除層：排除層的作用是為了設置城市增長的限制因素，校準階段的排除層只將河流水域設置為限制因素。最后生成的輸入圖層數據集均需通用橫軸墨卡托投影設定，并且按照SLEUTH模型要求的8 bit-unsigned數據格式進行轉換。

2 結果與分析

2.1 鄂爾多斯市中心城區城鎮用地擴張分析

為了更好地反映城鎮用地擴張的時空分異特征,根據《鄂爾多斯市城市總體規劃》，以G18榮烏高速為界，將鄂爾多斯市中心城區劃分為東勝片區和康阿片區，在土地類用分類的基礎上進行斑塊邊界整合，分別統計2個片區的城鎮用地面積，以式(1)計算城鎮擴展動態度，來表征城市擴張強度(表1)，為了直觀分析城鎮用地擴張的模式，運用GIS 技術將四期中心城區城鎮用地范圍、研究區主要道路、研究區邊界進行疊加(圖2)，分析城市擴張模式。

就中心城區整體的城鎮用地擴張強度而言，可進行3個階段的劃分：2000—2005年城市擴張強度為17.82%，為平穩發展階段；2005—2010年城市擴張強度為70.95%，為快速急劇擴張階段；2010—2015年城市擴張強度為9.17%，則為低速擴張階段。總體來說，鄂爾多斯市中心城區擴張大體經歷了“平穩-快速急劇-低速”的發展過程，這與其經濟發展水平以及城市發展規劃的引導密切相關。

研究時段內中心城區城鎮用地面積持續增加，但各片區增加的程度有所不同。2000—2005年東勝片區面積從20.24增加到35.18 km2，擴張強度指數為14.76%，康阿片區面積從3.52增加到9.75 km2，擴張強度指數為35.40%，增加速度高于東勝片區；2005—2010年變化劇烈，東勝片區面積增加了89.03 km2, 擴張強度指數達到了50%以上，康阿片區更是急速增加了70.35 km2,擴張強度指數則高達144.31%，擴展速度遠高于東勝片區，產生這一現象的主要原因是在康阿片區內烏蘭木倫湖兩側區域，開發建設康巴什行政文化商務中心，用地需求量大；2010—2015年，由于前期城鎮用地急劇擴張帶來用地結構比例失調、大量土地閑置等諸多負面影響，鄂爾多斯市積極推進東勝區和阿鎮舊城棚戶區改造工程，東勝片區和康阿片區擴展速度均大幅度下降，擴張強度指數達到了研究時段內的最低值，分別為9.27%及9.02%，且康阿片區的擴張強度指數低于東勝片區。

表1 城鎮用地面積與擴展動態度統計表Table 1 The statistics of urban land area and extended dynamic degree

如圖2所示，平穩發展階段的擴張模式比較單一，各片區均以外延式擴張為主，在此階段，鄂爾多斯市市級行政中心位于東勝片區，城市服務職能較完善，城市面積有序增加。快速急劇擴張階段各片區擴張模式發生了顯著變化，東勝片區以星狀蔓延式為主、內部填充式為輔進行擴張，這主要是由于東勝片區為提升居住環境，配套建設公共服務設施、增加公共綠地所導致；康巴什新區升級成為新的城市增長中心，位于烏蘭木倫河兩岸的區域發展尤為迅猛，康阿片區則呈現出團狀蔓延式為主、飛地式為輔的擴張模式；此時位于東勝片區和康阿片區之間的裝備制造產業初步形成規模，并且呈星狀式進行擴張。低速擴張階段各片區城市功能逐漸發展成熟、定位清晰，隨著市級行政單位逐漸搬遷至康巴什新區，東勝片區擴張強度減弱，發展速度開始下降，以外延式為主、填充式為輔的模式擴張；康阿片區主要以內部填充的方式進行擴張，同時通過特別零散的斑塊擴大用地范圍。

圖2 鄂爾多斯中心城區城鎮用地擴張分析圖Fig.2 Analysis of urban land expansion in Ordos central district

2.2 中心城區擴張模擬預測

SLEUTH模型校準后獲取的模擬參數如表2所示，3個校準階段的OSM指數值分別為0.627 7、0.601 4和0.588 9，總結前人的研究經驗[12-14,19]，OSM指數在0.5～0.8說明其模擬效果較好。模擬的最優參數組合分別為擴散系數78、繁衍系數100、蔓延系數31、坡度抗阻系數63、道路引力系數68。從獲取的最優系數組合來看，擴散系數、蔓延系數及道路引力系數均比較高，則說明中心城區城鎮用地的歷史擴張趨勢是沿擴張中心城市的邊界向外擴展，結合沿道路新增建設用地自發增長模式。

表2 SLEUTH模型校準與模擬參數設置Table 2 Calibration and settings of coefficients in SLEUTH model

為了更準確的預測在現行城市規劃下中心城區城鎮用地擴張的范圍，對模擬的2005、2010和2015年的中心城區進行了模擬及歷史重建。利用Kappa指數來驗證實際圖與模擬圖的一致性，通過計算實際城市范圍圖和城市范圍模擬圖的Kappa指數來定量評價模擬效果[19]。當Kappa≥0.75，說明兩者的一致性很高，差異很小，即模擬效果較好，具有較高的可信度；當0.4≤Kappa≤0.75說明兩者的一致性一般，差異明顯，即模擬效果一般；當Kappa≤0.4，說明兩者的一致性低，差異較大，即模擬效果較差。模擬的3期中心城區城鎮用地的Kappa指數為0.657 6、0.679 3 和0.737 6，說明模擬效果較好。

根據《鄂爾多斯市城市總體(2011—2030)》中劃定的“四區”(禁建區、限建區、適建區、已建區)設置排除層，其中，河流水源、生態綠地、基本農田等為禁建區，賦值為100；林地植被、煤礦開采區等為限建區，賦值為85；其他地勢條件較好的、適宜作為城市建設用地的為適建區，各片區的城鎮用地、工業用地等為已建區，均賦值為0。預測結果輸出如圖3所示。

圖3 基于SLEUTH模型的2020—2030年鄂爾多斯中心城區擴張預測結果Fig.3 Prediction results of 2020-2030 Ordos central district expansion based on sleuth model

通過對2020—2030年中心城區城鎮用地擴張的預測結果進行像元統計，以高概率增長區為指標，計算得至2030年該區域城鎮用地面積將增加至350.28 km2，年平均增長3.49 km2。其中，2025—2030年的增長相對較大，為25.84 km2，年平均增長5.17 km2。從城鎮用地擴張的空間格局上看，以中概率增長區為標識，未來15年鄂爾多斯市中心城區的發展，是一個逐步完成東勝片區和康阿片區對接的過程，其中，東勝片區的擴張主要有兩大特征，東北部呈外延—填充式發展，西南部呈外延-擴散式發展；康阿片區以外延式趨于北向發展，中部產業組團區不斷擴大規模，架起東勝片區與康阿片區銜接的橋梁，未來可能成為鄂爾多斯市新的經濟增長中心。

3 結論與討論

1)城市擴張是一個長期而復雜的演變過程，受經濟與人口、自然與交通、規劃與政策等諸多因素的影響和制約，是多種因素綜合作用和博弈的結果。2000—2015年，鄂爾多斯市城市擴張呈現出顯著的三階段特征：①平穩擴張階段(2000—2005)。城市擴張強度適中，擴張模式較為單一，呈現出明顯的外延式擴張模式；②快速急劇擴張階段(2005—2010)。城市擴張強度大，擴張模式多元化，東勝片區以星狀蔓延式擴張為主、內部填充式為輔，康阿片區則呈現團狀式增長，與東勝片區對接的趨勢明顯，且二者之間發展產業組團區，形成了新的增長區域；③低速擴張階段(2010—2015)。城市擴張強度小，東勝片區的擴張以外延式為主、內部填充式為輔，康阿片區則以內部填充的模式擴張。

2)地理學上將“鬼城”定義為資源枯竭并被廢棄的城市，而康巴什新區是鄂爾多斯市為尋求更大的發展空間，解決“大工業、小城鎮”的發展矛盾，順應城市形態由“單一中心”向“組團式”演變的發展趨勢而規劃建設的[20]。但是，康巴什新區建設擴張迅速，雖有裝備制造業的布局，但尚未形成完整的產業體系，2012年以后經濟發展停滯，對于人口的吸收能力不足，人口增加與產業集聚的速度遠遠落后于建設的速度，從而導致其成為了一座“空城”。國內新區建設與康巴什新區發展情形相似的有河南鄭東新區、廣東惠州大亞灣新城、上海松江新城等，然而這些新城以房地產開發為主，大量興建住宅樓，住房空置率高，而康巴什新區基礎設施建設相應配套，并承擔市級行政辦公、文化會展、教育研發等城市服務職能，與東勝城區、伊旗阿鎮共同組成鄂爾多斯市“一核、一圈、一帶”中心城區。

3)利用SLEUTH模型可以較好地模擬預測未來15年鄂爾多斯市中心城區城鎮用地擴張的趨勢，獲取的模擬的最優參數組合分別為擴散系數78、繁衍系數100、蔓延系數31、坡度抗阻系數63及道路引力系數68。其中擴散系數、繁衍系數和蔓延系數表面研究對象在未來15年主要表現為沿擴張中心城市的邊界向外擴展，結合沿道路新增建設用地自發增長模式。鄂爾多斯市作為資源型城市，中心城區周邊煤炭資源豐富，煤炭開采所帶來的滑坡、塌陷等自然災害影響，導致城市在擴張建設的過程中受到的坡度阻抗也相對較大。隨著能源產業的發展，中心城區的道路條件較好，尤其康巴什新區處于航空、鐵路、高速公路縱橫交匯的立體交通樞紐位置，因此受道路引力也很大。從預測結果來看，未來15年內，中心城區用地面積增長幅度較小，年平均增長3.49 km2，且主要的增長區域在康阿片區。就擴張的趨勢而言，東勝片區、康阿片區及產業組團區的發展逐漸形成空間對接的發展態勢，東勝片區以外延-擴散式向西南方向發展，康阿片區則以蔓延式向四周發展，產業組團區以飛地-蔓延式逐漸將2個功能片區相連接，使得中心城區的空間結構形成條帶狀。其中，產業組團區的發展態勢較好，且與東勝片區、康阿片區聯系緊密，可能會形成新的城市增長中心。

4)按照現行發展趨勢，鄂爾多斯市未來的發展將以康阿片區為主，其中康巴什新區為重點發展區域。康巴什新區要擺脫“空城”的現狀，一方面要避免無序擴大規模，更加注重城市功能與服務的提升，實現質量統一，在較高的城市化水平上，突出城市特色、塑造城市形象；另一方面要激發城市發展活力，轉變傳統的發展方式，推進產城融合的發展進程，發展相應的配套產業，吸引人口集聚，尤其是高精尖技術人才，發展高新技術產業，孵化新的增長點，作為康巴什新區發展的支撐點。