基于Markov-ANN-CA模型的城鎮建設用地擴張模擬研究
——以蘇錫常區域為例

劉文鋒

(南京農業大學公共管理學院，江蘇 南京 210095)

1 城鎮建設用地擴張驅動力研究

本文考慮蘇錫常地區自然經濟特征和數據的可獲得性，建立城鎮建設用地擴張指標體系，一級項目層分為自然地理、區位距離、經濟發展、人口聚集和行政中心因素。除了自然地理、區位距離和經濟發展等因素對土地利用/覆被變化有影響外，用地管控因素也是影響土地利用/覆被變化的主要影響因素。我國《土地管理法》規定，根據土地利用總體規劃，實施土地用途管制。本文遵循土地用途管制目標，強調水域保護理念，規定水域不可以向其他土地利用類型轉化。

2 基于 Markov-ANN-CA 模型多情景城鎮建設用地擴張模擬

2.1 基于Markov-CA模型[1]的建設用地規模預測

其中建設用地柵格個數確定過程為：在ArcGIS中將蘇錫常地區2005年和2015年土地利用現狀圖轉換為分辨率為90mm×90m的柵格數據，再利用ArcGIS軟件轉為ASCII格式，運用IDRISI Selva軟件，將ASCII數據格式轉換為rst格式，并對rst格式數據進行重分類，將數據中空值(-9999)轉化為0。基于此，運用Markov-CA模型，計算2005-2015年土地利用概率轉移矩陣，根據2015年土地利用狀態、轉移概率矩陣和適宜性圖集，計算得到2025年建設用地柵格數為655 545個，每個柵格實際面積為0.008 1km2，即2025年建設用地預測面積約為5 310km2。2015—2025年建設用地柵格轉換總量等于2025年預測建設用地柵格數量減去2005年建設用地柵格數量，共有98 152個，建設用地面積擴張795.03km2。

2.2 模型糾正(訓練)

2.2.1 數據預處理

模型運行利用GeoSOS-FLUS軟件，由于數據量較大，難以對所有蘇錫常土地利用柵格數據進行模擬，設置參與模擬數據比例為5%，共有107 274個柵格。具體的訓練數據又從參與模擬的數據中均勻采樣80%，共有85 819個柵格單元數據，考慮到現實土地利用轉換難易程度和政策因素等影響，模型運行起始前限制土地利用類型轉化方向，其他土地利用類型不能轉化為水域[2]。

2.2.2 元胞與元胞空間

本研究基于Markov-ANN-CA模型，結合地理信息系統(GIS)平臺，以蘇錫常土地利用現狀圖為底圖，確定90m×90m的柵格單元為一個元胞，每個元胞的實際面積為0.008 1km2；遵循《土地利用現狀分類》(GBT 21010-2017)國家標準，結合蘇錫常地區土地利用特征，簡化地類數量，運用重分類工具，將研究區劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用用地6類景觀，因此有6種類型的元胞。

2.2.3 訓練與模擬參數設定

Markov-ANN-CA模型設置2005年、2015年土地利用變更數據為訓練初始年數據與終止年數據，輸入城鎮建設用地影響因子，并設置輸入層為15個神經元，對應8項影響城鎮建設用地擴張的影響因子，1項當前土柵格土地利用類型和6項當前柵格鄰域內各土地利用類型；經過誤差收斂驗證，隱藏層元胞數量設定為20個；輸出層包括6個輸出項，分別對應不同土地利用類型，學習速率設為0.05，迭代次數達500次時訓練終止，獲得訓練集模擬精度為88.655%，驗證集模擬精度為88.842%，誤差收斂至0.14，達到模擬精度要求。

2.3 Markov-ANN-CA模型模擬

城鎮空間擴張模擬：以現狀城鎮區域作為建設用地擴張的源，根據2015—2025年建設用地轉換元胞約束條件劃分城市發展情景，將城市建設用地擴張分為低速發展、慣性發展和高速發展情景，研究區全域為對應情景下的元胞空間[3]。

將神經網絡元胞自動機訓練參數，不同情景下蘇錫常地區各土地利用類型控制規模輸入模型中。各情景土地利用類型預測數量如表1所示。

表1 2025年蘇錫常地區各土地利用類型預測規模

3 結果和建議

由表1可以看出，高速發展情景下耕地占用最多，達119771.46hm2；其次是慣性發展情景下，達73 360.89hm2；占用耕地最少的是低速發展情景，占用23 980.05hm2。占用其他土地最多的用地類型是建設用地，高速發展情景下建設用地擴張130 909.77hm2，慣性發展情景下建設用地擴張79 272.27hm2，低速發展情景下建設用地擴張25962.12hm2。我們提出以下建議。

(1)加大基礎設施建設力度。公路和軌道交通的分布是影響城鎮建設用地擴張的重要因素，完善交通基礎設施建設，可引導城鎮建設用地合理布局。

(2)提高土地集約利用程度。政府應通過土地集約利用緩解土地供需矛盾，減少城鎮建設用地擴張對林地，水域等重要生態景觀的占用。

(3)合理調整人口布局。政府應以人口布局為基本立足點調控城鎮建設用地規模，落實“地隨人走”的城鎮建設用地配置原則。

(4)注重糧食安全保護。政府可結合“城鄉建設用地增減掛鉤”“高標準基本農田建設”等政策，在城鎮周邊配置一定規模的耕地，發揮生態隔離作用，合理控制城鎮建設用地擴張。

(5)加強土地利用規劃調控。政府應強化土地用途管制，提高城鎮建設用地空間配置的科學性，避免對生態環境的不可逆破壞。