基于MCCA 的上海市土地利用结构变化预测及分析

2022-04-08朱北宇

国土与自然资源研究 2022年3期

朱北宇，周侗

（1.南通大学地理科学学院，江苏南通 226007；2.南通大学经济与管理学院，江苏南通 226019）

0 引言

元胞自动机（CA）模型能够在离散的空间单元内进行非线性的复杂问题模拟[1]，且具有强大的可视化特点，被广泛用于土地利用结构时空动态模拟预测研究。由于单纯的CA 模型难以满足多种地类结构变化的模拟，开始出现各类优化的CA 模型，如结合神经网络与CA 模型模拟复杂的土地利用系统[2]，融合多智能体系统的CA 模型等[3]。

虽然上述模型能够满足大部分的土地利用结构模拟预测研究，但某些地块内部存在多种地类混合现象，CA 模型无法体现内部的复杂性，而MCCA（Mixed-cell Cellular Automata）模型能够探究每个元胞内部的多种用地类型及其覆盖比例，解决了上述问题[4]。本文选取MCCA 模型，对上海市土地利用结构进行模拟研究，并对模拟结果进行分析，为上海市后期规划发展提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

上海市地处我国东部的长江入海口，位于我国南北弧形海岸线中部，属亚热带季风气候，平均海拔4米，总面积达6 340.5 平方公里。上海市共有16 个区，是我国最大的经济中心，同时也是我国最大的综合性工业城市和重要科技中心、经济贸易中心。

1.2 数据来源

土地利用数据来源于资源环境科学与数据中心，根据中国土地利用/ 土地覆盖遥感监测数据分类系统，进行重分类处理，将其分为耕地、林地、草地、水域和建设用地等五种土地利用类型。

基于已有研究[5]，本文在考虑数据完备性与可获取性的基础上，对影响因子数据进行搜集，数据均来源于国家公开网站平台（表1）。

表1 影响因子数据列表

2 研究方法

2.1 MCCA 模型

MCCA 模型能够较好地反映土地利用结构的复杂性，在小尺度研究区域上可以更加精确地体现土地利用结构变化情况，有利于相应政策建议的提出，MCCA模型的运作机理主要分为以下两个部分[4]：

（1）土地利用变量转变的机理挖掘。根据已获取的两期土地利用结构分布数据获取各用地间的变化情况，利用随机森林回归得到各类用地与驱动因素间的关系，进而得到各土地利用类型的变化规律。

（2）土地利用结构变化模拟。首先，获取每种土地利用类型的总体变化概率；之后，对各土地利用类型的总变化概率进行归一化处理，并通过轮盘赌方式确定每个元胞内各用地类型的增长比例；最后，根据各类用地增长比例，获取各土地利用类型的减少比例。

2.2 土地利用混合度模型

土地利用成分的混合度与社会、经济及环境等因素息息相关，是研究单元内土地利用成分变化的重要方法，由于MCCA 模型能够得到亚元细胞尺度上的土地利用情况，因此可以根据各用地类型的覆盖比例，根据熵值直接测算混合度，熵值越大表明土地利用的多样性越高。

式中，Hi代表元胞i 的混合度，且Hi∈(0,1)；pi,k代表元胞i 内第k 种土地利用结构的占比。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构模拟效果验证

基于MCCA 模型，选取2005 年和2010 年两期上海市土地利用数据进行模拟，得到上海市2015 年的土地利用结构空间分布结果，并以2015 年上海市实际土地利用结构作为依据，对模拟结果进行精度检验（表2）。检验结果显示，总体精度（OA）为0.942，Kappa 系数为0.909，两者均达到0.9 以上，说明模拟结果与土地利用实际情况一致性较高，证明MCCA 模型可以用于上海市土地利用结构的模拟。

表2 2000-2015 年上海市土地利用结构模拟结果精度评价

3.1.1 土地利用结构模拟结果时间变化分析。由于上海市根据“十四五”规划和《二〇三五年远景目标》提出了2025 年与2035 年的发展目标，因此本文基于2000-2015 年四期上海市土地利用数据，结合该市耕地红线规定，利用MCCA 模型预测了2025 年与2035年五种用地类型占比，清晰地反映了上海市五种土地利用类型的变化情况（表3）。

表3 上海市土地利用类型占比表

2000-2015 年，耕地的总占比高于建设用地，但2025-2035 年，建设用地反超耕地，成为上海市土地利用类型中占比最大的用地类型。耕地面积占比的大幅度下降主要是建设用地侵占造成的，然而建设用地增加是上海发展的必然趋势。首先，1978 年改革开放政策的提出，加快了上海的发展建设；其次，国务院2001年5 月正式批复的《上海市城市总体规划（1999 年-2020 年）》纲要，明确提出集中力量建设新城，加快郊区基础设施建设，进一步提高了建设用地的占比量；最后，上海作为我国经济中心，其优质的基础设施与劳动待遇吸引了大量的人口，外来人口的流入使得建设用地面积再次增加。草地虽然在五类用地类型中占比最小，但在整个预测年限内，依然呈现出稳步的增长状态，其主要原因在于上海市对城市公园的规划建设，如上海市绿委会宣布2017 年规划新增20 座以上的城市公园，完成绿地建设不少于1 200 公顷；2021年响应国家“十四五”规划内容，提出完善绿化建设布局，提升生态环境质量。水域和林地的总体占比稍有下降，由于历史上上海就是一个少林区，且地价昂贵，因此林业发展有所忽略；此外，随着经济建设的高速发展，部分林地和水域也将会被开发成为建设用地。

3.1.2 土地利用结构模拟结果空间变化分析。本研究结合人口、GDP 等社会经济数据和高程、坡度等环境数据（详见表1），以2015 年上海市土地利用数据为初始点，根据预测的各类用地覆盖比例数据，分别模拟了每个元胞内2025 年和2035 年的五种地类密度分布情况，并得到综合的土地利用结构分布格局（图1）。根据图1 可知，2025-2035 年耕地主要以徐汇区、长宁区和普陀区等市区为中心，向外呈现缩减状态，耕地整体破碎度提高，斑块间连接度降低。

图1 上海市土地利用结构分布图

随着耕地的减少，建设用地在“南—北”“东南—西北”两条轴线上呈现出蔓延扩张趋势。“南—北”轴线上，主要以北部崇明区和南部的金山区为极点，向四周进行建设用地扩张。北部的崇明区是上海为数不多的剩余开发空间，长兴岛作为崇明区内离上海市区最近的工业重地，集中了大量产业。随着全市产业更新与迁移，崇明区内的建设用地将持续增加。同时崇明区位于上海市区与南通的连接轴，2011 年崇启大桥的正式投用，进一步加快了崇明区的发展建设[6]。南部金山区临近浙江嘉兴与宁波，2020 年上半年，金山区交通委启动《金嘉甬立体交通研究》，正式明确金山区的铁路枢纽功能定位，随着沪甬跨海铁路的建设，金山区的部分耕地也将逐渐变为建设用地。而在“东南—西北”轴线上，主要以东南方向的浦东新区和西北方向的青浦区为极点，向外进行建设用地的扩张。浦东新区是上海各区中发展最快的市辖区，2002 年上海市委、市政府启动黄浦江两岸综合开发工程，促使浦东浦西联动发展；2013-2020 年实施“五免五减半”政策等吸引大量的投资企业进驻浦东办厂，加上房地产迎来飞速发展的红利时代，使得浦东新区的建设用地逐年增加。青浦区紧挨江苏昆山和浙江嘉兴，作为沪杭、沪苏及沪皖南等多条发展线交汇点，青浦区于2018 年分别同浙江、江苏签订合作框架协议，随着长三角一体化发展战略的实施，其建设用地面积总量也将逐渐上涨。

研究期间长江水域和黄浦江水域变化不大，大治河水域面积稍有缩小，主要减少区域为青浦区南部与金山区西部，结合建设面积的发展趋势，判断是交通枢纽的建设导致两区水域面积占比下降。最后，林地与草地的面积占比变化微弱，由于两者生长区域的特殊性，大多分布于长江、黄浦江以及大治河两岸。

3.2 土地利用结构混合度变化分析

图2 反映了研究期内上海市五种土地利用结构混合度的变化情况。2015-2025 年，混合度下降的元胞数量明显高于混合度上升的元胞数量，且减少的区域主要集中于市中心，主要由上海市中心建设用地外扩导致。建设用地的增加迫使耕地、林地及水域等用地面积下降，使得区域范围内的土地利用多样性逐步减少，从而导致混合度的降低。在2025-2035 年，上海南部地区依旧保持着上述趋势，而上海北部的崇明区，混合度上升的元胞数量却多于下降数量，主要是因为崇明区大力发展产业与生态，使得该区域的土地利用多样性增加。总体而言，未来上海市由于持续不断的发展建设，城市用地逐步外扩，草地、耕地与水域持续减少，加上林地的演变，其土地利用混合度将呈现逐步下降的趋势。

图2 上海市土地利用结构混合度变化图

4 结论与政策建议

4.1 结论

本文基于四期土地利用数据，运用MCCA 模型对上海市2025 年和2035 年土地利用结构变化进行模拟，从时空两个维度进行分析，同时运用土地利用混合度模型，探讨了研究期内土地利用多样性的增减变化情况。首先，上海市土地利用结构预测结果显示，建设用地将超过耕地，成为市内总量最大的地类结构，其扩张方向主要为“南—北”与“东南—西北”两条轴线；其次，耕地减少的原因主要是由于建设用地的侵占，而水域、林地和草地的变化幅度不大，且林地与草地大多分布于水域两岸；最后，上海市建设用地不断增加，导致整体的土地利用多样性呈下降趋势。