城市快速扩张驱动下的耕地演化模拟与预测——以广东省东莞市为例

doi:10.3724/SP.J.1047.2016.00493

地球信息科学学报 ›› 2016, Vol. 18 ›› Issue (4): 493-505.doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.00493

城市快速扩张驱动下的耕地演化模拟与预测——以广东省东莞市为例

林浩嘉(), 赵耀龙^*()

华南师范大学地理科学学院,广东省智慧国土工程技术研究中心,广州 510631

收稿日期:2015-07-27 修回日期:2015-08-21 出版日期:2016-04-20 发布日期:2016-04-19
通讯作者: 赵耀龙 E-mail:603798255@qq.com;zhaoyaolong@m.scnu.edu.cn
作者简介:
作者简介：林浩嘉（1993-）,男,广东揭阳人,本科生,主要从事地理信息科学研究。E-mail: 603798255@qq.com
基金资助:
“973”项目计划前期研究专项（2014CB460614）;广州市产学研协同创新重大专项民生科技项目（156100021）;广东省科技计划项目（2015A010103013）;教育部留学回国人员科研启动基金项目（2012-940）;华南师范大学学生科技创新“金种子”平台支持项目

Simulation and Forecast of Cultivated Land Evolution under Rapid Urban Expansion: A Case Study of Dongguan City in Guangdong Province

LIN Haojia(), ZHAO Yaolong^*()

School of Geography, South China Normal University, Guangdong Provincial Center for Smart Land Research, Guangzhou 510631, China

Received:2015-07-27 Revised:2015-08-21 Online:2016-04-20 Published:2016-04-19
Contact: ZHAO Yaolong E-mail:603798255@qq.com;zhaoyaolong@m.scnu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

在快速城市化进程中,有效地保护耕地数量和质量是一个重要的科学命题。本文以广东省东莞市为例,通过构建Logistic-CA城市扩张模型,试图探明城市快速扩张主导下的耕地演化特征和机制,对耕地演化进行模拟与预测,为城市的可持续发展规划和耕地保护提供科学的参考依据。首先,分析了1998-2013年东莞市各用地类型间的转换关系,对城市扩张与耕地演化的机制进行了探究;其次,综合考虑地理、经济与政策因子,通过对地理因子模拟和地理与经济结合模拟2种结果的比较分析,选取最优因子组合定义了CA转换规则,构建Logistic-CA模型;最后,基于该模型,依据2006-2020年东莞市土地利用总体规划图,对耕地演化进行预测,并进行数量、质量和空间形态上的分析。模拟结果表明,在耕地演化机制上,东莞市在2003-2008年和2008-2013年2个时段中新增城市用地分别有71.96%和80.86%直接或间接来源于耕地,且相应时段内的耕地补给量远小于耕地流失量;在空间形态上,呈现大块耕地边缘破碎化,细碎耕地逐步消亡的空间演化模式。模型的预测结果表明,至2020年耕地将会减少8205.4 hm²,且优等耕地和高等耕地的减少比重分别达到5.16%和5.27%。

关键词: Logistic回归, 城市扩张, 元胞自动机, 耕地演化, 模拟与预测

Abstract:

In the process of rapid urbanization, how to effectively protect the quantity and quality of cultivated land is an important scientific proposition. Through constructing Logistic Cellular Automata model (Logistic-CA) for urban expansion and carrying out the simulation and forecast of cultivated land evolution, this paper intend to explore the characteristics and mechanisms of cultivated land evolution under the rapid urban expansion in a case study of Dongguan city in Guangdong province, so as to provide a scientific reference to the sustainable development planning of the city and the protection of cultivated land resources. Firstly, the mechanism of urban expansion and cultivated land evolution is explored through analyzing the conversion relationship between different land use types of Dongguan city in 1998-2013. Based on the result, the optimal factor combination is chosen to define the conversion rule of CA by comparing the simulation results of cultivated land evolution using geographical, economic and policy factors respectively, and the Logistic-CA model is constructed. Finally, in accordance with the general planning of land use in Dongguan city from 2006 to 2020, the evolution of the cultivated land is predicted using Logistic-CA model built based on the optimal factor combination, and the analysis of quantity, quality and spatial patterns is carried out. Simulation results show that 71.96% and 80.86% of the new urban land in Dongguan city directly or indirectly come from the cultivated land in the 2003-2008 and 2008-2013 two periods, and the quantity of the cultivated land supplementation is far less than its loss in the corresponding period. The spatial evolution pattern of the cultivated land has the characteristics that large tracts are turning into fragmentary lands toward the margin, and the fragmentary land parcels gradually disappear. The forecast results show that 8205.41 hectares of the cultivated land will disappear by 2020. At the same time, 5.16% of the top level and 5.27% of the high level cultivated land will disappear.

Key words: logistic regression, urban expansion, cellular automata, evolution of cultivated land, simulation and forecast

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图/表 22

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参考文献 48

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数据类别	数据内容
遥感卫星影像	Landsat-5 TM（1998年）
	Landsat-7 ETM（2003年、2008年）
	Landsat-8 OLI_TIRS（2013年）
矢量数据	东莞市各个镇区行政中心图层
	东莞市各个镇区行政边界图层
	东莞市各交通网图层（公路、高速公路、铁路）
	东莞市农用地分等单元图
栅格数据	东莞市数字高程模型图层
栅格数据	东莞市坡度图层
辅助数据	2005年1：70 000东莞市土地利用现状图
	2009年1：50 000东莞市土地利用现状图
	2006-2020年东莞市土地利用总体规划图
	2013年东莞市高分辨率影像
	1998-2014年东莞市统计年鉴

因子	类别	内容
地理因子	自然环境因素	东莞市数字高程模型图层（DEM）
	自然环境因素	东莞市坡度图层（Slope）
	中心辐射因素	到市中心距离（DistoCity）
	中心辐射因素	到最近镇中心距离（DistoTowns）
	交通距离因素	到最近公路距离（DistoRoad）
		到最近高速公路距离（DistoHighway）
		到最近铁路距离（DistoRailway）
经济因子	产业规模因素	各镇区GDP（GDP）
	工业规模因素	各镇区第二产业产值（SecIndustry）
	工业规模因素	各镇区企业密度（DenofCom）
	人口规模因素	各镇区人口密度（DenofPop）

类型	约束条件
城市用地	城市用地（P_control = 1）
未利用地	可转换为城市用地（P_control = 1）
水体	不可转换为城市用地（P_control = 0）
林地	可转换为城市用地（P_control = 1）
耕地	可转换为城市用地（P_control = 1）
基本农田	不可转换为城市用地（P_control = 0）

时段	因子	DEM	Disto City	Disto Highway	Disto Railway	Disto Road	Disto Towns	Slope	常量a
1998-2008	系数	-6.620	0.540	-0.471	-0.375	-0.448	0.839	2.400	0.287
1998-2008	标准差	0.293	0.054	0.054	0.041	0.065	0.067	0.183	0.030
2003-2013	系数	-7.315	0.526	-0.127	-0.499	-0.624	0.818	1.357	0.464
2003-2013	标准差	0.362	0.055	0.055	0.042	0.066	0.069	0.210	0.031
平均	系数	-6.968	0.533	-0.299	-0.437	-0.536	0.829	1.879	0.376

	1998-2008年	2003-2013年
实际非城市用地模拟精度	84.8	78.4
实际城市用地模拟精度	63.4	76.8
总模拟精度	78.6	77.6

城市快速扩张驱动下的耕地演化模拟与预测——以广东省东莞市为例

Simulation and Forecast of Cultivated Land Evolution under Rapid Urban Expansion: A Case Study of Dongguan City in Guangdong Province

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时段	因子	DEM	Disto Road	Disto Towns	GDP	Sec Industry	Denof Com	Denof Pop	常量a
1998-2008	系数	-3.304	-0.432	0.633	0.721	-0.921	0.388	-0.921	0.148
1998-2008	标准差	0.180	0.065	0.066	0.140	0.174	0.044	0.104	0.034
2003-2013	系数	-8.137	-0.358	1.008	1.060	-1.907	0.007	-1.979	1.168
2003-2013	标准差	0.255	0.066	0.068	0.351	0.391	0.069	0.108	0.037
平均	系数	-5.721	-0.395	0.821	0.891	-1.414	0.198	-1.450	0.658

	1998-2008年	2003-2013年
实际非城市用地模拟精度	86.6	81.0
实际城市用地模拟精度	67.4	79.0
总模拟精度	81.0	80.1

地理因子	经济因子
高程（DEM）距最近城镇中心距离（DistoTowns）距最近公路距离（DistoRoad）	镇区国内生产总值（GDP）
	镇区第二产业生产总值（SecIndustry）
	镇区单位面积企业数（DenofCom）
	镇区人口密度（DenofPop）

因子	DEM	Disto Road	Disto Towns	GDP	Sec Industry	Denof Com	Denof Pop	常量a
系数	-11.250	-0.227	0.721	2.855	-3.528	0.180	-2.027	1.254
标准差	0.276	0.067	0.068	0.212	0.186	0.051	0.110	0.036

耕地演化模拟/hm²
2013年耕地面积	34 846.410
2020年耕地面积	31 045.916
不变区域	26 641.000
减少区域	8205.410
增加区域	4404.915

耕地等级	耕地面积/hm²	2013-2020年耕地减少面积/hm²	减少比重/（%）
4等耕地	5422.36	279.84	5.16
5等耕地	20 812.04	1064.90	5.12
6等耕地	11 781.88	636.12	5.40
7等耕地	2970.23	172.78	5.82

年份	平均斑块面积/hm²	斑块个数	形状指数	分维数	破碎度	分离度
2013	1.818	10138	1.947	1.176	0.550	0.667
2020	6.090	5098	1.269	1.021	0.164	1.150

[1]	单渌铱, 王海军, 张彬, 潘鹏. 顾及土地生态安全的环鄱阳湖城市群土地利用情景模拟[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 543-556.
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	类型	1998年
	类型	城市用地	水体	林地	未利用地	耕地
2003年	城市用地	33 300	5640	140	2700	5920
	水体	107	14 500	53.2	63.1	571
	林地	619	4010	23 700	235	20 600
	未利用地	5450	1580	571	8370	13 000
	耕地	7740	4660	1300	6740	78 700

	类型	2003年
	类型	城市用地	水体	林地	未利用地	耕地
2008年	城市用地	38 500	2540	2110	11 600	15 600
	水体	849	10 900	252	246	617
	林地	297	79	32 400	300	4350
	未利用地	5230	1190	3280	12 200	24 100
	耕地	2830	603	11 200	4520	54 500

	类型	2008年
	类型	城市用地	水体	林地	未利用地	耕地	基本农田
2013年	城市用地	59 100	199	394	33 800	19 400	0
	水体	4500	11 400	398	1390	1730	0
	林地	1920	217	29 700	5520	28 000	0
	未利用地	598	46.7	222	2450	2770	0
	耕地	1490	274	1990	1060	8380	0
	基本农田	0	0	0	0	0	21 700