基于CA-Markov的臺前縣城鎮開發邊界劃定研究

安濟文

(大連市勘察測繪研究院集團有限公司，遼寧 大連 116000)

當前，中國經濟已邁入高質量發展階段，城市的發展建設也由粗放外延增長向集約內涵發展轉變，城市“攤大餅”式發展模式將一去不復返。但據統計，2009—2018年，我國土地城鎮化遠遠快于人口城鎮化，二者發展速度極不協調。因此，通過劃定城鎮開發邊界，促進城鎮發展由外延增長向內涵提升轉變已成為國土空間規劃的核心任務。城鎮開發邊界作為遏制城市盲目擴張的政策工具，近年來全國很多地區都對其內涵和劃定方法進行了探索，但尚未形成統一的規則。

2019年5月10日，國務院印發《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》，要求在“雙評價”基礎上，科學有序劃定“三條控制線”等空間管控邊界，強化底線約束，為可持續發展預留空間。2019年11月2日，中辦、國辦聯合印發《關于在國土空間規劃中統籌劃定落實三條控制線的指導意見》，進一步明確了“三條控制線”劃定的基本原則、具體要求和管制規則，為全國統籌劃定三條控制線提供了政策依據。本文結合河南省臺前縣國土空間總體規劃實踐，借鑒國內外相關經驗，通過對城鎮建設用地增長規律研究，探索臺前縣城鎮開發邊界的劃定方法，以期為城鎮開發邊界劃定工作提供經驗借鑒。

1 研究方法

目前預測城市增長的模型有很多，元胞自動機(Cellular Automata)模型和Markov模型是較為常用的2種方法。元胞自動機模型具有十分強大的空間運算能力，擅長從空間維度上對城市發展進行模擬，但對于土地利用變化的預測結果不夠精準。Markov 模型擅長從時間維度上進行數據的預測和模擬，但其對空間位置變化的預測結果不夠精確。如果將二者結合形成CA-Markov模型，彼此互為補充，就能夠提高預測結果的準確性。

CA-Markov模型是以歷年土地利用變化數據計算出土地利用轉移概率矩陣，再運用MCE模塊生成土地利用變化適宜性圖集為基礎，并在此基礎上預測未來土地利用的變化趨勢，該模型綜合了CA模型在空間維度上模擬復雜系統的預測水平和Markov模型在時間維度的數據分析優勢，既能高精度的預測土地利用類型變化趨勢，又可以準確的模擬國土空間利用變化，克服2個模型的不足，大大提高了預測的準確性。基于此，本文運用CA-Markov模型，結合遙感、GIS軟件對河南省臺前縣2009—2018年的城市擴張情況進行模擬，得到城市增長趨勢轉換規則，以此趨勢模擬2035年城鎮開發邊界的空間分布狀態。

2 項目區概況及數據處理

2.1 項目區概況

臺前縣隸屬于河南省濮陽市管轄，位于黃河下游北岸，豫魯兩省交界位置。南臨黃河接山東省鄆城、梁山縣，北跨金堤河與山東省陽谷縣接壤，西鄰河南省范縣，東與山東省東平縣隔黃河相望。全縣東西長約40.4km，南北寬約31km，土地總面積448.48km2。全縣轄6鎮3鄉，372個行政村。全縣1/3土地位于黃河灘區，2/3土地位于蓄滯洪區，發展限制因素較多。

2.2 數據處理

根據土地利用現狀和特點，將臺前縣的土地利用現狀數據分為耕地、林地、水域、建設用地、其它用地等5類，見表1。同時，為了便于數據處理和統計分析，本文從理論分析的角度將鄉和鎮的規劃建設邊界統稱為城鎮開發邊界，即城鎮開發邊界包括城區的開發邊界、鎮區開發邊界和鄉集中建設邊界。

表1 臺前縣土地利用類型分類

在CA-Markov模型運算下，對臺前縣2009—2018年城市增長進行模擬，得出轉移概率矩陣。運用CA-Markov模型中MCE模塊生成地圖集，其運算法則中土地利用的變化受到多種因子的影響，如耕地受到土壤性質、坡度、水域等因素影響，建設用地受到高程、坡度、道路、基本農田等因素的影響。

以2009年為預測起點，定義5×5的元胞濾波器，將適宜性圖集加入到預測的模型中，使其作為約束性因素，預測2018年土地利用狀況，并將結果與2018年土地利用現狀數據進行對比，以便于驗證模型構建的合理性與科學性。在預測精度較好的情況下，以2018年為起點，對2035年進行模擬預測。

表2 土地利用轉移矩陣表

3 結果與分析

3.1 精度校驗

為了保證2035年土地利用狀況的模擬精度，先將模擬預測的2018年的土地利用情況與2018年土地利用變更調查現狀對比，進行精度檢驗，以保證預測結果的準確性。

表3 臺前縣土地利用現狀模擬誤差分析

從數量誤差來看，耕地、林地、水域的誤差較小，都在95%以上。建設用地的誤差稍大，但基本在10%范圍內。從空間誤差來看，建設用地和耕地誤差較大，主要存在2方面原因：黃河灘區遷建政策因素的影響，灘區內部分農村居民點拆除，在城區和鎮區周邊布局了安置區，導致灘區建設用地減少，城鎮周邊建設用地增加；2016年臺前產業集聚區擴區規劃獲河南省發改委批復，2016—2018年產業集聚區增加了大量建設用地。不考慮政策因素，預測結果與建設用地實際發展方向和規模基本符合。

基于以上分析，CA-Markov模型可以對臺前縣城鎮開發邊界進行預測。

圖1 2018年土地利用現狀

圖2 預測2018年土地利用情況

3.2 2035年城鎮開發邊界預測

3.2.1 預測結果

利用CA-Markov模型，以2018年為起始年，進行2035年的土地利用空間分布預測，預測結果見表4。

表4 臺前縣土地利用結構預測分析

3.2.2 結果分析

從規模上分析，2035年臺前縣建設用地規模9674hm2，凈增加1594hm2，其中城鎮建設用地4350hm2。城鎮建設用地中，城區3292hm2，占城鎮建設用地規模的76%；鄉鎮1098hm2，占城鎮建設用地規模的24%，主要分布在侯廟鎮和夾河鄉。從空間布局上分析，新增城鎮建設用地主要集中在中心城區產業集聚區和鎮區周邊和以S101為發展主軸的兩側，見圖3。

圖3 新增建設用地分布圖

總體來說，預測結果符合臺前縣發展趨勢。但是，本輪國土空間規劃是存量優化提升與高質量增量配置并重的國土空間規劃，更加注重向存量要空間，因此，本輪規劃確定的新增建設用地指標規模必然會少于上輪土地利用總體規劃確定的規模，從這個角度來說，模型預測的新增城鎮建設用地規模指標偏高。

3.3 邊界協調

基于軟件分析的城鎮開發邊界是對以往的土地利用變化趨勢進行的預測，對政策環境因素、規劃傳導因素和資源本底情況考慮不夠充分，因此，需從以下3方面進行修正。

3.3.1 國家重大戰略調整，國家重大項目建設影響

黃河流域生態保護和高質量發展戰略的提出，明確要求在保護生態的前提下，優化調整區域經濟結構和生產力布局。對臺前縣而言，黃河灘區內應以保育生態為主，灘區外可結合實際優化布局城鎮建設用地。京雄商高鐵臺前站的建設，是臺前縣未來發展的重大機遇，因此要將高鐵經濟區的發展納入城鎮開發邊界劃定的重要影響因素予以考慮。

3.3.2 城鎮建設用地指標約束

“自上而下、上下結合”的編制方式是本輪國土空間規劃的特點，城鎮開發邊界的劃定受到上級規劃建設用地規模指標的約束，城鎮開發邊界劃定過程中既要考慮自身的用地需求，還要嚴格落實上級規劃下達的建設用地總規模等約束性指標，不得突破。

3.3.3 與“雙評價”成果銜接

CA-Markov模型適宜性圖集的制作對高程、坡度、基本農田等土地資源因素考慮較多，但對水資源、氣候資源、災害情況等因素考慮較少，預測結果精確度有所不足。而這些內容是“雙評價”工作的主要內容，因此，可通過與“雙評價”成果的銜接，完善CA-Markov模型預測的結果。

3.4 邊界劃定

利用政策環境因素、規劃傳導因素和資源本底情況對預測結果進行修正。布局上，核減了黃河灘區內清水河鄉的用地布局，將其安置區納入中心城區開發邊界，同時將高鐵經濟區范圍納入中心城區開發邊界；規模上，依據上級部門初步確定的建設用地規模指標的要求，核減了城鎮開發邊界內城鎮用地規模。修正后的城鎮開發邊界劃定方案比模型預測的結果更符合實際，既保障了重點建設項目用地需求，又達到節約集約用地的目的。

規劃到2035年，臺前縣城鎮開發邊界規模4175hm2，其中，城區城鎮開發邊界規模3231hm2，鎮開發邊界規模944hm2。

圖4 2035年城鎮開發邊界

4 結論

本輪國土空間總體規劃確定臺前縣“一核兩副多節點”的總體格局，重點發展區域“一核兩副”指的就是中心城區、侯廟和夾河。基于CA-Markov模型所確定的重點發展區域與臺前縣未來重點發展方向基本一致，因此，可以說CA-Markov模型預測結果為城鎮開發邊界劃定提供了切實可行的思路。

但是，模型預測結果對一些外部因素考慮不足，在實際預測過程中需要用政策環境、規劃傳導以及資源本底等因素對結果進行修正，使城鎮開發邊界劃定結果更符合實際，從而有效引導城鎮發展由外延擴張向內涵提升轉變，促進地區經濟高質量發展。