快速城市化地區(qū)土地供應空間擴展模型研究

快速城市化地區(qū)土地供應空間擴展模型研究

該市具有開放、動態(tài)性、自組織性等特點，其發(fā)展過程非常復雜。該模型的預測結果通常受到靜態(tài)模型、宏觀模型和不確定性的影響。19世紀以來,人們已經從不同角度建立了許多模型來揭示城市擴展的動態(tài)機制。目前城市擴展理論已有比較成熟的體系,相關研究有從模型本身的建構,到城市擴展機制和預測等;實踐上也有從土地動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境效應等近一步進行城市空間格局優(yōu)化等。應用城市擴展模型于在土地供應決策過程中,將有助于提升決策的科學性與合理性。城市是區(qū)域系統(tǒng)的中心也是最具影響力的時空復合系統(tǒng),城市化是區(qū)域土地利用演化的主導過程,而土地供應更是控制城市化進程的重要環(huán)節(jié)。土地供應具有兩大效應,一方面,滿足了由于城市擴展所帶來的土地需求,同時也限制城市擴展的速度和方向,通過對土地供應數量、質量以及分布的調整,可對城市擴展產生的約束或助長效應,從而直接或間接影響新的土地需求。城市土地供應的相關研究始于90年代中后期,當時的研究重點主要利用總量控制、供需平衡等手段就城市土地供應機制進行分析,目前研究則偏向供給引導需求、壟斷一級土地市場以及建立土地儲備制度等;也有針對土地供應存在的問題,提出規(guī)劃管理引導及定量預測等解決途徑;或基于相關研究分析土地供應與城市擴展形態(tài)的關系等。整體而言,目前研究多偏向由市場角度出發(fā),以經濟或政策手段調控土地供應與需求的數量,甚少考慮土地需求的空間差異,因而于實際操作上容易造成土地供應和需求的空間分布發(fā)生沖突,進而導致城市無序的擴展,對城市空間布局與整體發(fā)展造成不利影響?？偟恼f來,目前土地供應的問題有三,一是缺乏科學合理性,導致擬定的各項數據無法有效落實于實際應用中;二是缺乏時間序列性,限制了其與各級規(guī)劃的聯(lián)系;三是缺乏與相關部門的銜接性,造成土地出讓的數量與空間定位無法符合城市規(guī)劃具體需要。針對上述問題,本研究擬通過城市擴展模型及相關數學方法,支持城市土地供應的空間決策,期望在滿足土地需求的同時,實現(xiàn)對城市空間形態(tài)的宏觀調控。1數據與方法的研究1.1數據處理與研究投影本研究的數據分析處理是在遙感圖像處理軟件ENVI3.5、地理信息系統(tǒng)軟件Arcview3.2和ARC/INFO8.3的支持下共同完成的。遙感數據采用龍崗區(qū)1986年、1990年、1995年和2001年TM衛(wèi)星影像,空間分辨率為30m,通過與行政邊界掩膜(MASKING)處理與幾何精校正,誤差在半個象元以內。投影坐標系采用雙標準緯線等積圓錐投影(ALBERS)橢球體為KRASOVSKY,坐標系為Beijing1954。土地利用數據采用龍崗區(qū)土地利用詳查數據(1999)與土地利用規(guī)劃(1990～2010),統(tǒng)計數據主要利用《深圳市龍崗區(qū)統(tǒng)計年鑒》(2003)以及相關地籍資料。1.2基于區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征的土地需求預測為了明確土地供應的空間決策,本研究將城市擴展模型與土地供應計劃加以結合,操作過程主要可分為土地需求影響分析、土地需求預測和土地供應空間配置3項步驟。首先基于區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征,獲得城市用地擴展?jié)摿?并結合目前城市布局與未來發(fā)展規(guī)劃等對城市用地擴展有著重要影響的因子進行識別;其次,利用城市擴展模型與數學方法分別由空間和數量兩個方面進行土地需求預測;最后基于數量和區(qū)位特征平衡土地供應的類型與空間分布,進而獲得完整的土地供應決策(圖1)。1.3邏輯回歸模型城市擴展是自然、經濟、政策等多方面因素共同作用的結果,其規(guī)模和形態(tài)與城市內部功能緊密聯(lián)系,了解城市擴展的動力機制有助于精確掌握城市擴展的時空差異。傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析技術,如線性回歸、邏輯回歸、對數線性回歸等,在城市擴展模式研究中有廣泛的應用。如Lopez等利用線性回歸研究城市擴展與人口增長的關系,WuF.等和WuF.則利用邏輯回歸的方法研究土地擴展模式與工業(yè)廠址選擇的關系。這些技術在探索諸如城市擴展等空間現(xiàn)象發(fā)生的決定因素時,其效果已經得到了公認。與線性回歸、對數線性回歸以及元胞自動機相比,邏輯回歸在因變量、自變量、正態(tài)假設等方面具有優(yōu)勢。目前,邏輯回歸模型已被成功應用于城市土地利用變化及擴展模式,農業(yè)土地利用影響,野生動物棲息地,森林火災預測以及森林采伐分析等研究中,通過探索影響反應變量的因素,邏輯回歸在一定條件下可明確呈現(xiàn)在不同自變量取值組合下個體呈現(xiàn)某種狀態(tài)的相對概率。城市用地擴展涵括復雜的社會經濟系統(tǒng),其影響因素絕大多數都是分類變量和連續(xù)變量的混合效應,通過邏輯回歸,可得到各影響因素的重要性和貢獻率,并能夠通過模型的應用對城市用地擴展進行模擬。邏輯回歸的一般形式如下:y=a+b1x1+b2x2+???+bmxm(1)y=log(p1-p)=logit(p)(2)p=ey1+ey(3)y=a+b1x1+b2x2+???+bmxm(1)y=log(p1?p)=logit(p)(2)p=ey1+ey(3)式中:x1,x2,x3,…,xm為自變量,y為自變量的線性函數(公式1);a為常數,與參數b1,b2,b3,…,bm同為待求的回歸系數。本文指定z為二進制的響應變量(0或1),1值(z=1)表示統(tǒng)計單元的發(fā)生了如農業(yè)用地向城市用地的轉換,0值(z=0)表示無變化。p表示統(tǒng)計單元發(fā)生變化即z=1出現(xiàn)的概率。函數y描述的是logit(p)(公式2),即對因變量z為1的比數比取自然對數。在邏輯回歸中,概率值可以是說明變量的非線性函數(公式3),這是一個嚴格遞增的函數,p值隨y值的增加而增加?；貧w系數b1～bm表現(xiàn)了各自變量對于概率值p的貢獻,若為正,則其對應的自變量增加有利于概率值的增長,反之,為負則作用相反。此統(tǒng)計方法是一種研究各影響因素(自變量)的相關程度和顯著性的多元評估法。2年5年的求預測3年首先從城市用地變化過程入手,評價城市擴展?jié)摿Υ笮?并通過相關分析識別土地需求的可能影響因子。2.1.1城市用地潛力的確定根據《深圳市城市規(guī)劃標準與準則》和龍崗區(qū)城市建設的實際狀況,利用研究區(qū)1∶1萬數字地形圖以及土地利用規(guī)劃圖件設定了龍崗區(qū)可建設用地的劃分標準如下:①海拔不超過80m;②坡度≤30%;③不得位于深圳市劃定的水源保護用地(一級水源保護區(qū))、自然保護區(qū)和風景區(qū)以及農業(yè)保護區(qū)、組團隔離帶內;④不包括部分位于連片山體,遠離交通干線和建成區(qū)的孤立零散用地。2.1.2土地需求空間影響因子選取由于城市用地擴展帶來的土地需求是城市發(fā)展內部與外部作用的共同產物,它受到歷史發(fā)展的延續(xù)性、地理環(huán)境條件、城市職能及規(guī)模結構、交通網絡特征、政治與規(guī)劃、社會與文化、土地市場機制以及投資者行為等因素的影響。因此在土地開發(fā)影響因子與用地需求的定量關系建立上,需要對上述各影響因子進行比較和分析。本研究首先利用多時段景觀分類結果確定土地利用變化,構建模型的因變量。同時,將影響因子通過距離反比插值(IDW)轉換為空間變量,構建模型的自變量,并基于各變量對于用地需求影響方式的差異,將變量分為鄰域變量和距離變量。另外,考慮到需求的差異,增加統(tǒng)計變量(表1)。2.2土地需求預測這部分主要從土地需求的數量和空間兩個方面進行預測。首先利用各項社會經濟指標和規(guī)劃目標對各類城市用地數量進行預測,在此基礎上,利用邏輯回歸方法構建城市擴展模型,建立用地擴展相對于各變量的回歸模型,并進行相應的模型精度評價及檢驗。在模型可信和可行的前提下,預測用地擴展的數量組成和空間分布,并對土地供應加以合理的空間配置,以期實現(xiàn)土地供應的科學化。2.2.1土地需求數量預測根據建設用地需求的社會經濟影響因子分析,利用《深圳市龍崗區(qū)統(tǒng)計年鑒》(2003)提供的數據,選取總人口、暫住人口、GDP、人均GDP、財政支出、全社會固定資產投資額等6項社會經濟指標作為城市建設用地影響因子,采用相關分析方法,通過曲線模擬建立數學模型,可得龍崗區(qū)2003年～2008年建設用地需求總量。同時根據人口預測結果、人均居住用地指標以及相應的商業(yè)配套設施,預計到2005年全區(qū)居住和商業(yè)用地的需求量分別為4529.76hm2和495.03hm2,人均居住和商業(yè)用地面積分別達到33m2和3.6m2。結合政府“十五”計劃中對于工業(yè)行業(yè)發(fā)展制定的目標,對全區(qū)單位面積工業(yè)用地的工業(yè)產值和工業(yè)總產值進行預測,得到2005年的工業(yè)總產值和單位面積產值。經預測,龍崗區(qū)在2005年對于工業(yè)用地的需求量為5485.36hm2。通過以上對居住、商業(yè)及工業(yè)用地所作的預測,可得未來3年～5年建設用地的需求情況(表2)。2.2.2土地需求空間預測在邏輯回歸分析的基礎上,利用回歸結果,對城市用地擴展的概率建立多元變量的模型。模型與結果如下:y=-0.530+0.778?Ρlan+0.432?Dens-Ρrod-1.910?Dens-Agri+1.532?Dens-Ιndus+0.583?Dens-Urban+0.940?Dens-Dev-0.257?Dis-Freeway-0.880?Dis-Road+1.454?Shape-Aw(4)y=?0.530+0.778?Plan+0.432?Dens?Prod?1.910?Dens?Agri+1.532?Dens?Indus+0.583?Dens?Urban+0.940?Dens?Dev?0.257?Dis?Freeway?0.880?Dis?Road+1.454?Shape?Aw(4)式中:自變量為總體規(guī)劃(Plan)、單位面積的工農業(yè)總產值變化(Dens-Prod)、農業(yè)保護用地的鄰域密度(Dens-Agri)、工業(yè)用地的鄰域密度(Dens-Indus)、建設用地的鄰域密度(Dens-Urban)、可建設用地的鄰域密度(Dens-Dev)、距高速公路的距離(Dis-Freeway)、距一般公路的距離(Dis-Road)和形狀指數(Shape-Aw)。(1)在ArcGIS軟件中應用此模型對龍崗區(qū)2003年的各變量進行計算,最終得到龍崗區(qū)2003年～2008年用地擴展概率的空間模擬圖(圖3);(2)對不同預測概率區(qū)間像元的分布進行分析,發(fā)生概率主要集中于15%～40%之間,基本呈偏正態(tài)分布(圖4);(3)將1995年～2001年城市用地擴展概率的空間預測結果與龍崗區(qū)2001年實際城市用地分布圖進行疊合,城市擴展用地模擬結果在空間分布的位置上存在20%左右的誤差?？偟膩碚f,從模型擬合的精度、優(yōu)度等方面都可以看到模型具有較好模擬效果,可以嘗試用于預測未來3年～5年龍崗區(qū)城市擴展的主要方向。根據城市擴展模型結果提供了城市擴展概率的空間分布,可知概率高的地區(qū)即是城市用地擴展主要方向(圖5)。由圖5可知,城市用地需求空間分布趨勢主要分為相對于道路集中和相對于行政中心集中兩種。前者典型為橫崗、平湖和布吉等西部各鎮(zhèn),特點是擴展規(guī)模大、強度高且分散度大;后者典型為南澳、大鵬和葵涌等東部各鎮(zhèn),表現(xiàn)為擴展規(guī)模小、強度低且分散度小,主要集中于行政中心周圍,是城市發(fā)展的重要控制區(qū)。通過對結果的統(tǒng)計分析(圖6),近期土地需求重點主要在龍崗、平湖以及布吉等,中期土地需求重點主要在龍崗、坪地、橫崗和布吉等;整體而言,東部的葵涌、大鵬和南澳3鎮(zhèn)在未來5年的城市發(fā)展過程中對土地需求的面積相對較少。2.3土地供應決策的空間配置結合土地需求的數量及空間預測方案以及可供應土地的數量及分布情況,綜合確定近期土地供應總面積為963hm2,其中商業(yè)和居住用地主要配置在西部的布吉、橫崗以及龍崗等鎮(zhèn),工業(yè)用地主要配置在平湖以及龍崗等鎮(zhèn)(表3,圖7),中期土地供應面積為1450hm2,其中居住及商業(yè)用地主要配置在平湖和布吉等鎮(zhèn)工業(yè)用地主要配置在橫崗鎮(zhèn)(表3,圖8)。3擴展模型預測結果分析從龍崗區(qū)的城市擴展背景來看,其已經從城市發(fā)展初期經過高速發(fā)展階段,進入到相對穩(wěn)定的發(fā)展階段。由于其城市擴展的主要方向、速率和基本影響因素都相對容易確立,亦提高了城市擴展模型的理論依據與實用價值。基于邏輯回歸建立的城市擴展模型預測結果可知,在農