b8城擴(kuò)展模型-以北京城擴(kuò)展模擬為例

1、b8城市擴(kuò)展模型-以北京城市擴(kuò)展模擬為例本文為自本人珍藏版權(quán)所有僅供參考都市區(qū)城市擴(kuò)展模型一以北京城市擴(kuò)展模擬為例1 引言大都市區(qū)是指一定規(guī)模的中心城市和與中心城市具有緊密社會(huì)經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的外圍地域。 當(dāng)城市規(guī)模較小時(shí)，城市功能的對(duì)應(yīng)空間主要集中在中心區(qū)和建成區(qū)；而當(dāng)核心城市的焦 聚超過一定的門檻規(guī)模時(shí)，核心與周圍地域的空間相互作用將產(chǎn)生具有一體化特征的緊密 聯(lián)系區(qū)，即大都市區(qū)1。事實(shí)上，從空間上看，中國(guó)近 20多年的城市化過程主要可以概 括為2大類，一是新興城市的發(fā)展興起，一是原有大城市在改革開放背景下的快速發(fā)展， 并在部分地區(qū)形成大都市區(qū)和都市連綿區(qū)2。后者與前者相比，在中國(guó)的城市化進(jìn)程中也是

2、普遍存在的，而且無論是空間形態(tài)，變化過程，驅(qū)動(dòng)機(jī)制還是后果影響都比前者更為 復(fù)雜1,同時(shí)已有的研究表明，隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的進(jìn)一步深入發(fā)展，大都市將成為 中國(guó)城市化進(jìn)程中最引人注目的地區(qū)，同時(shí)也是中國(guó)未來城市化最具有活力的地區(qū)3。因此，開展大都市區(qū)城市化過程中的土地利用/覆蓋變化研究，認(rèn)識(shí)其格局特征和演變過程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的模擬、預(yù)測(cè)，從而最大限度地降低城市化過程的風(fēng)險(xiǎn)水平， 促使城市化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，已經(jīng)成為了當(dāng)前區(qū)域土地利用/覆蓋變化研究的重要內(nèi)容4。CA是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散， （空間上的）相互作用和（時(shí)間上的）因 果關(guān)系皆局部的格網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型，它“自下而上”的研究思

3、路，強(qiáng)大的復(fù)雜計(jì)算功能、固 有的并行計(jì)算能力、高度動(dòng)態(tài)特征以及具有空間概念等特征，使得它在模擬空間復(fù)雜系統(tǒng) 的時(shí)空演變方面具有很強(qiáng)的能力，在地理學(xué)研究中具有天然優(yōu)勢(shì)5。其中，CA在城市增長(zhǎng)、擴(kuò)散和土地利用演化的模擬方面研究最早，最為深入，同時(shí)也是當(dāng)前CA應(yīng)用的熱點(diǎn)5 。Tobler在20世紀(jì)70年代認(rèn)識(shí)到CA在模擬地理復(fù)雜現(xiàn)象方面的優(yōu)勢(shì)，首次正式采用 CA的概念來模擬當(dāng)時(shí)美國(guó) 5大湖區(qū)底特律城市的迅速擴(kuò)展5。隨后，Coucleis的工作使人們看到了應(yīng)用CA進(jìn)行城市模擬的巨大潛力6,7,引起了人們應(yīng)用CA開展城市模擬的極大興趣。Batty、Clarke、White、Wu等人先后開展了相關(guān)的研究,

4、并取得了積極的進(jìn)展8-18。如Clarke等根據(jù)城市發(fā)展的歷史數(shù)據(jù)對(duì)美國(guó)西海岸的SanFrancisco 和東部的 Washingto-Baltimore都市區(qū)城市發(fā)展的模擬和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)11, 12；White等應(yīng)用CA模型對(duì)美國(guó)Cincinnati 市的城市增長(zhǎng)、全球氣候變化對(duì)Caribbean島的土地利用構(gòu)成變化影響進(jìn)行的系列研究13-16 ; Wu.集成CA模型和多因子評(píng)價(jià)模型對(duì)中國(guó)廣州市城市擴(kuò)展的模擬研究等17,均是CA模型在城市模擬中較為成功的應(yīng)用案例。 此外，受國(guó)際研究的推動(dòng)，國(guó)內(nèi)地理學(xué)界近年來也開始了類似的研究，周成虎等于1999年出版了 “地理元胞自動(dòng)機(jī)” 一書，對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行了

5、介紹和總結(jié)，并提出了地理元胞自 動(dòng)機(jī)（GeoCA）的概念5 。 Li、Yeh等在對(duì)廣東東莞土地利用變化系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，禾 用約束CA模型對(duì)廣東東莞的土地利用變化進(jìn)行了成功模擬19,20。但從研究?jī)?nèi)容上看，目前國(guó)內(nèi)已有的工作主要還是集中在對(duì)城市發(fā)展的初期階段，尤其是對(duì)一些新興城市的模 擬上，針對(duì)大都市區(qū)土地利用/覆蓋變化特征的CA模擬工作還比較少見。因此，在理解大都市區(qū)土地利用/覆蓋變化機(jī)制的基礎(chǔ)上，建立和發(fā)展基于CA的大都市區(qū)城市發(fā)展動(dòng)態(tài)模型，無疑具有重要的理論和實(shí)踐意義。鑒于以上研究背景，在有關(guān)研究的基礎(chǔ)上4, 21，我們發(fā)展了一個(gè)基于 CA和經(jīng)濟(jì)學(xué)Tietenberg 模型的大都市區(qū)城市

6、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)模型（City Expanding Model in MetropolitanArea; CEM）,對(duì)北京地區(qū)改革開放以來的城市擴(kuò)展過程進(jìn)行系統(tǒng)的模擬和預(yù)測(cè)。研究的基 本目的在于：（1）利用CA模型模擬中國(guó)改革開放背景下大都市區(qū)城市發(fā)展過程；（2）重建北京地區(qū)改革開放以來的城市發(fā)展過程（19751997年），進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解城市擴(kuò)展的基本過程和機(jī)制；（3）模擬預(yù)測(cè)北京地區(qū)未來不同情景下的城市發(fā)展格局（19982019年），從而為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。2大都市區(qū)城市擴(kuò)展的 CEMi型2.1 CEM 模型的基本特征2.1.1 CEM的城市擴(kuò)展模擬是一個(gè)在宏觀外部約束因素和局部城市單元

7、自身擴(kuò)展能力變化因素共同影響作用下的變化過程。大都市區(qū)的城市發(fā)展過程必然受到不同尺度的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然因素的綜合影響和共同制約，很明顯城市的整體格局不可能僅僅用局部小尺度城市單元的相互作用結(jié)果來反映 22。止匕外，城市發(fā)展一般包括向心型城市化和離心型城市化2種過程，前者指城市中的商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施以及政府部門、企事業(yè)公司的總部、 銀行、報(bào)社等腦力勞動(dòng)機(jī)關(guān)，不斷向城市中心集聚，促使城市中心土地利用密度升高，向 立體發(fā)展，形成中心商業(yè)事務(wù)區(qū)；后者指部分城市設(shè)施和部門，如大型企業(yè)、煤氣廠等則 自城市中心向外緣移動(dòng)擴(kuò)散，導(dǎo)致城市外圍農(nóng)村地域變質(zhì)，城市平面擴(kuò)大23。在城市發(fā)展的初期，可利用土地資源一般比較豐

8、富，離心型城市化過程往往占有優(yōu)勢(shì)，城市發(fā)展以 二維平面擴(kuò)展為主，但隨著城市的發(fā)展，在有限用地資源限制的影響下，向心型城市化過 程逐漸加強(qiáng)，原有城市單元上往往向三維方向發(fā)展，常常表現(xiàn)為空間容積率的提高和自身 平面擴(kuò)展能力的下降。這種現(xiàn)象，在城市發(fā)展的中后期階段，尤其是大都市階段，顯然是 比較明顯的23。然而目前已有的CA城市模擬工作主要把城市發(fā)展看成是一定外部約束 條件控制下，非城市單元在二維平面上向城市單元的轉(zhuǎn)化4, 20。盡管已有的部分工作在利用CA進(jìn)行虛擬城市研究時(shí)對(duì)城市單元本身的發(fā)展演變能力也進(jìn)行了定義和考慮10,但在實(shí)際城市的模擬中，卻較少考慮城市單元本身擴(kuò)展能力的變化4, 20。因此

9、，CEM1T先對(duì)彳統(tǒng)的CA模型進(jìn)行了進(jìn)一步的修改，將大都市區(qū)的城市發(fā)展演變看 成是一個(gè)宏觀外部約束因素和局部城市單元自身擴(kuò)展能力變化因素共同影響作用下的變化 過程，認(rèn)為大都市區(qū)的城市發(fā)展演變模擬不僅要考慮各種外部約束因素的影響，而且還要 考慮局部城市單元自身平面擴(kuò)展能力變化因素的影響（圖1a）。對(duì)于影響城市發(fā)展演變的各種外部約束性因素，根據(jù)其對(duì)城市發(fā)展過程的作用效果，CEMB它們分為一般約束性因素和強(qiáng)制約束性因素2大類。前者一般包括交通狀況，到城市中心的耗費(fèi)距離，坡度坡向 等因素，它們對(duì)城市的發(fā)展只起到一般性的限制作用，后者一般包括湖泊，水庫(kù)，規(guī)劃保護(hù)用地，河流洪泛區(qū)等因素，它們對(duì)城市的發(fā)展起

10、到絕對(duì)性的排斥作用。對(duì)于城市單元自 身擴(kuò)展能力的變化，CEM則主要定義了一個(gè)隨時(shí)間變化的指數(shù)衰減函數(shù)來進(jìn)行反映。同時(shí)， 為了把大尺度因素和局部因素（鄰域影響）綜合反映在CA模型的轉(zhuǎn)移規(guī)則中，很有必要 對(duì)這些因素進(jìn)行統(tǒng)一量化并合理決定它們對(duì)城市化過程的相對(duì)貢獻(xiàn)（權(quán)重）。在這種情況下，各種外在因素的定量化和相應(yīng)因素權(quán)重確定就成為了CEM真型十分關(guān)注的問題。鑒于各種影響因素在城市擴(kuò)展過程中的作用一般隨時(shí)間和空間的變化而不斷改變，而目前的許 多研究在考慮這個(gè)問題時(shí)主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和專家的建議來確定影響因素的權(quán)重，不免顯得武 斷和主觀，因此CEMg型在利用模糊關(guān)系函數(shù)對(duì)各種因素進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上發(fā)展

11、了一種自適應(yīng)Monte-Carlo隨機(jī)方法來確定影響因素的權(quán)重并進(jìn)行城市擴(kuò)展的模擬。2.1.2 CEM的城市擴(kuò)展預(yù)測(cè)是用地總量最優(yōu)和位置最佳有機(jī)統(tǒng)一，從而達(dá)到用地效益的最優(yōu)的過程。在中國(guó)，土地資源十分有限，城市擴(kuò)展占用耕地與未來糧食安全的矛盾一直十分突出，因而大都市區(qū)的城市擴(kuò)展實(shí)際上是受到政策、經(jīng)濟(jì)等多種因素嚴(yán)格控制 2。鑒于此，在預(yù)測(cè)思路上，CEMA為大都市區(qū)未來城市的發(fā)展格局應(yīng)該是一個(gè)用地總量最優(yōu)和位置最佳的有機(jī)統(tǒng)一，從而達(dá)到用地效益最優(yōu)的過程。由于目前自下而上的CA英型對(duì)未來城市發(fā)展的總量難以有效控制，因此，CEM巴微觀CA過程和宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)模型結(jié)合起來進(jìn)行未來的城市擴(kuò)展預(yù)測(cè)。即把土地資源

12、視為一種不可再生資源，首先使用Tietenberg資源分配模型來完成未來各個(gè)時(shí)段內(nèi)城市用地?cái)?shù)量上的最優(yōu)分配19,然后再利用CA模型完成位置上的最佳分配（圖1b）。止匕外，考慮到大都市區(qū)的城市擴(kuò)展過程還存在著各種隨機(jī)的、不完備信息和不確定性的因素，CEM®在模型中引入Monte-Carlo隨機(jī)方法來確定有關(guān)參數(shù)，力圖在模型中對(duì)這些不確定因素也有所反映。2.2 CEM 模型的基本內(nèi)容CEM模型的基本框架可以分成 2個(gè)部分（圖2）: 一是在城市增長(zhǎng)歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采 用自適應(yīng)Monte-Carlo方法確定各種影響因素的最佳權(quán)重并重建城市擴(kuò)展過程，二是在 CA 模型和Tietenberg模型

13、的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)未來大都市區(qū)城市發(fā)展演變格局。2.2.1 城市單元自身平面擴(kuò)展能力變化的影響。Batty等人進(jìn)行城市模擬工作時(shí)，引入城市土地單元活力值的概念，把城市單元?jiǎng)澐譃榍嗄辍⒅心旰屠夏?，認(rèn)為城市土地單元 有一個(gè)從產(chǎn)生到死亡的完整的生命周期過程，在不同的階段具有不同的演化特征10。不過城市單元死亡后變成其它用地單元的情況盡管具有理論上的意義，但在實(shí)際的城市發(fā)展 中，尤其是中國(guó)過去 20多年的快速城市化過程中，還很少出現(xiàn)2。在CEMfr,參考他們的工作，借用相關(guān)概念來反映城市單元平面擴(kuò)展能力自身的衰減性。我們將城市土地單元 劃分為青年城市單元和非青年城市單元。認(rèn)為城市單元的平面擴(kuò)展能力隨著年齡的

14、變化而 衰減，青年城市單元年齡的較小，平面擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以對(duì)周圍的非城市單元產(chǎn)生影響。非青年的城市單元年齡較大，平面擴(kuò)展能力弱，對(duì)周圍的非城市單元?jiǎng)t不產(chǎn)生影響。設(shè)一個(gè)城市土地單元j產(chǎn)生的日t刻為tj ,則在時(shí)刻ti時(shí)，該單元j的擴(kuò)展衰減值由 下式給出，Pji (t) = Mexp-姿(ti - tj) (1)式中：M為一標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù)，表示土地單元平面擴(kuò)展能力的的衰減速率。在得到該城市單元擴(kuò)展衰減值后，就可以利用 Monte-Carlo隨機(jī)方法來確定該單元所 處的城市發(fā)展階段。具體的，設(shè)P1代表該單元的擴(kuò)展衰減值，隨機(jī)在 0, 1內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)實(shí)數(shù)a,如果aC0, P1,則認(rèn)為該單元屬于青年，可以對(duì)周

15、圍的城市單元產(chǎn)生影響，如 果aCP1, 1,則認(rèn)為該單元屬于非青年，對(duì)周圍的非城市單元不產(chǎn)生影響。2.2.2 基于模糊關(guān)系函數(shù)的因素標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)一般約束性因素，根據(jù)其對(duì)城市單元的作用特點(diǎn)，我們首先設(shè)計(jì)了各種模糊關(guān)系函數(shù)，將其因素標(biāo)準(zhǔn)化到0 , 100,然后再采用線性權(quán)重組合法得到最終的影響值。對(duì)強(qiáng)制性約束因素，則用0、1二值數(shù)據(jù)表示4。2.2.3 CA鄰域的定義。在城市模擬中，將有更多的鄰域單元對(duì)中心單元發(fā)生影響，因此，有必要對(duì)一般的 4單元諾依曼(Neumann)鄰域和8單元(Moore)鄰域進(jìn)行擴(kuò)展。 參考有關(guān)研究20,本模型采用一個(gè)以7為半徑的標(biāo)準(zhǔn)圓形鄰域。具體的，對(duì)中心單元 j的鄰域影響

16、Nj可以表示為：N = A XI (2)式中：drj為鄰域范圍到中心單元距離，Ik為一個(gè)二值變量，如果鄰域單元為青年城 市單元，則值取1 ,否則取0, A是標(biāo)準(zhǔn)化因子。N也采用模糊關(guān)系函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理表 示在0, 100內(nèi)。2.2.4 確定影響因素權(quán)重的自適應(yīng) Monte-Carlo方法。 一般的，模擬結(jié)果總是希望 盡可能的與實(shí)際的城市擴(kuò)展相一致，因此各種影響因素權(quán)重的確定可以看成是一個(gè)在已知 城市增長(zhǎng)結(jié)果的情況下確定權(quán)重影響參數(shù)的優(yōu)化問題。假設(shè)權(quán)重總和為100并且所有的權(quán)重是正數(shù)，則這個(gè)問題變成了約束性的求極值問題，可以表示如下：約束條件： Wk = 100 (3)目標(biāo)函數(shù)：MaxF (w

17、1, w2, ., wm) (4) 式中：Wk為因素k的權(quán)重，F(xiàn)為表示模 擬結(jié)果和實(shí)際結(jié)果之間擬合程度的函數(shù)值。我們的目標(biāo)是尋找最佳的權(quán)重以使模擬結(jié)果和 實(shí)際結(jié)果之間的擬合函數(shù)值F達(dá)到最大。這個(gè)函數(shù)可以利用Monte-Carlo方法進(jìn)行求解，與AHPT法和Delphi方法相比，Monte-Carlo方法更客觀并且可以避免尋找專家打分?；?于自適應(yīng)Monte-Carlo方法的城市擴(kuò)展模擬具體流程如下：(1) 根據(jù)約束條件，在1到100 + m ?C 1之間隨機(jī)產(chǎn)生產(chǎn)生正整數(shù)(L1, L2 ,Lm -1),然后對(duì)L1, L2, Lm -1進(jìn)行升序排列(L(1)W1 = L (1)W2 = L (2

18、) - L (1)Wm = 100 - L (m-1) (5)(2) 由式(6)計(jì)算出t時(shí)刻非城市單元ij向青年城市單元轉(zhuǎn)化的概率。P = W x S + W x NC (6)式中：WXS表示各種一般約束性因素的影響，S代表對(duì)于一般約束因素 K的標(biāo)準(zhǔn)化值，Wk是該因素的權(quán)重；N代表鄰域影響， Wm是其權(quán)重；C是一系列二值變量的乘積， 表示對(duì)城市擴(kuò)展的各種強(qiáng)制性約束因素，如果C = 0 ,則該單元可能是海、河、湖或其它被保護(hù)土地，它們?cè)谀Ｐ椭胁荒鼙挥米鞒擎?zhèn)用地。(3) 在得到轉(zhuǎn)移概率P后，就可以根據(jù)概率的高低對(duì)土地單元ij進(jìn)行初次分配。(4) 在完成所有非城市單元的初次轉(zhuǎn)化后，則采用上述定義和方

19、法，計(jì)算出各種城市單元的平面擴(kuò)展衰減值，完成城市單元的再次分配(5)重復(fù)第(2)到第(4)步，直到完成該模擬時(shí)段的土地利用變化總量為止。(6) 把第5步得到的模擬結(jié)果和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值F。在北京的模擬中，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)主要來自于由1984, 1991和1997年的遙感數(shù)據(jù)得到的土地利用 /覆蓋圖21 , F值的定義同遙感精度評(píng)價(jià)中常用的Kappa系數(shù)，如式(7)。F = (7) 式中：xii表示錯(cuò)誤矩陣主對(duì)角線上的元素，xi+表示錯(cuò)誤矩陣i行的和，x+i示錯(cuò)誤矩陣i列的和。第1到第6步之間需要重復(fù)多次以使模擬結(jié)果和實(shí)際結(jié)果盡可能接近，最高 F值對(duì)應(yīng) 的權(quán)重就是各因素的最佳權(quán)重，而此時(shí)

20、的模擬結(jié)果就是城市擴(kuò)展的最佳模擬結(jié)果。這里， 我們需要確定重復(fù)的次數(shù)。根據(jù) Miyatake and Wakimoto 的工作，利用 Monte-Carlo方法 當(dāng)重復(fù)次數(shù)達(dá)到500次時(shí)，模擬極值逼近實(shí)際極值的可能性可以達(dá)到0.9924。因此，我們?cè)诘?步到第6步之間重復(fù)500次以確?？梢缘玫娇煽康臋?quán)重和模擬結(jié)果。2.2.5未來城市最佳用地總量分配對(duì)未來城市格局的預(yù)測(cè)，主要應(yīng)該滿足城市用地?cái)?shù)量最優(yōu)和位置最佳 2個(gè)條件。參考有關(guān)工作，我們采用Tietenberg模型來確定未來各個(gè)時(shí)段的最佳城市用地土總量19 。 Tietenberg模型是一個(gè)不可再生資源的動(dòng)態(tài)時(shí)間分配 模型，該模型把涉及時(shí)間因素

21、的貼現(xiàn)率放進(jìn)了模型中，認(rèn)為對(duì)于一定量的不可再生資源，問題是如何在時(shí)間上安排它的使用，以獲得最大的收益。在n年內(nèi)最有效地分配 Q總量的資源應(yīng)該滿足如下的最大值條件：(aq - bq - cq)(1 + r)+ ?姿(Q - q) (8)式中：Q是所提供的資源總量。a是邊際收益曲線的截距，即邊際收益曲線的最大理 論值。b是邊際收益曲線的斜率，可以選為 1, c為邊際費(fèi)用的常數(shù)，其值比 a小，可以 選為c = a/2，是貼現(xiàn)率，t是時(shí)間，？姿是極值公式的常數(shù)。Yeh等采用該模型來進(jìn)行土地利用總量的分配，建立了下面的方程19:a - bqt / Pta - c ) / (1 + r)t-1 - ?姿=

22、0Q - qt = 0 (9)式中：Pta是t時(shí)期的增加人口， qt是所對(duì)應(yīng)的用地量，Q是分配的土地總量，其它 參數(shù)的意義同式（8）。3北京地區(qū)的城市擴(kuò)展模擬案例3.1 模擬區(qū)域和使用的數(shù)據(jù)具體模擬區(qū)域主要包括北京城區(qū)的東城、西城、宣武、崇文；近郊區(qū)的石景山、海淀、 朝陽(yáng)、豐臺(tái)和遠(yuǎn)郊區(qū)的昌平、順義、通縣等11個(gè)區(qū)縣級(jí)行政單元，范圍為115o50' E11605g E,39036' N40023 No 該區(qū) 1998 年人口 919.4X104 人，面積4649.9 km2 ,分別占北京市的74 %和28 %;地形上西北高東南低，由西北向東南呈現(xiàn)出 低地-丘陵-山前洪積-平原區(qū)的

23、有序排列；經(jīng)濟(jì)上具有從城市核心區(qū)、城鄉(xiāng)過渡區(qū)到遠(yuǎn)郊 區(qū)縣的明顯過渡，映射出人類活動(dòng)由強(qiáng)到弱的梯度變化；空間上則呈現(xiàn)從中央大區(qū)、城市 邊緣區(qū)到外圍地域的明顯圈層變化并且整體上聯(lián)系緊密，表現(xiàn)出大都市區(qū)的基本特征1模型中使用白土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)主要是來自于編號(hào)為123/32的4期Landsat TM/MSS（1975年5月6日獲取的MSS及1984年10月2日，1991年5月6日和1997年5月16 日分別獲取的TM）數(shù)據(jù)21,由于遙感影響覆蓋能力限制的原因，實(shí)際模擬區(qū)域總面積為4499.57 km2 ,像元大小為 150mx 150m3.2 19751997城市發(fā)展過程重建和模擬結(jié)合北京地區(qū)實(shí)際情

24、況，主要考慮了9個(gè)對(duì)區(qū)域城市發(fā)展演變過程起作用的外部約束因素，其中包括6個(gè)一般性約束因素（對(duì)鐵路、高速公路、一級(jí)公路、首都機(jī)場(chǎng)、城市中 心的耗費(fèi)距離和坡度）和3個(gè)強(qiáng)制性約束因素（河流洪泛區(qū)、城市規(guī)劃中的保護(hù)綠地、各 種面狀水體（水庫(kù)、人工湖泊）。首先利用CEM模型對(duì)北京地區(qū)19751984年， 19841991年，19911997年3個(gè)時(shí)段的城市發(fā)展過程進(jìn)行了模擬重建（圖3）,并得到各個(gè)時(shí)期各種約束因素的最佳模擬權(quán)重（表1）。據(jù)表1可見：（1）各種限制因素的影響能力隨著城市的發(fā)展在不斷發(fā)生變化的，現(xiàn)有 的許多CA城市模型使用單一影響權(quán)重來進(jìn)行城市模擬顯然是不符合實(shí)際情況的。（2）城市單元鄰域作

25、用影響的絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它因素，分別達(dá)到了69, 60和53,由此可見模擬時(shí)間內(nèi)大都市區(qū)舊有城市格局對(duì)城市發(fā)展的影響是非常巨大的。 （3）交通狀況的影響總 體上表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，從16上升到了 27,其中尤以高速公路的影響上升明顯，而同期鄰域的影響作用則表現(xiàn)出比較大的下降趨勢(shì)，可見隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市單元自身擴(kuò)展能力 的下降，大都市區(qū)的城市格局也在一定程度上發(fā)生著變化。同時(shí)，19751984年，19841991年，19911997年模擬結(jié)果和實(shí)際遙感測(cè)量結(jié)果之間 的kappa系數(shù)分別達(dá)到了 0.59、0.65、0.67,這說明CE則以在一定程度上反映大都市區(qū) 城市發(fā)展演變的基本特征和規(guī)律。模擬結(jié)

26、果和實(shí)際結(jié)果的差異主要表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：一是模擬結(jié)果的中央大區(qū)表現(xiàn) 出放射狀的星型趨勢(shì)，而實(shí)際的中央大區(qū)主要還是一種“餅狀”的圓形；二是模擬結(jié)果中 次級(jí)中心如昌平，順義和通縣的發(fā)展明顯高于實(shí)際的城市發(fā)展；三是模擬結(jié)果中對(duì)中心大 區(qū)和次級(jí)中心之間的許多中小城鎮(zhèn)沒有很好的反映。其原因可能主要在于模擬時(shí)夸大了區(qū) 域線狀交通狀況對(duì)舊有城市格局的影響，而CA自身模擬的局限性可能導(dǎo)致了模擬結(jié)果對(duì)許多點(diǎn)狀的中小城鎮(zhèn)沒有很好的反映。實(shí)際上，基于局部自組織規(guī)則的CA模型對(duì)于許多宏觀政策性因素難于有效的反映，如政府 20世紀(jì)90年代對(duì)區(qū)域中小城鎮(zhèn)發(fā)展的鼓勵(lì)措施 等。3.3 19982019年城市發(fā)展格局動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

27、由于2-9式分配未來的城市用地總量需要未來的人口數(shù)量，考慮到歷史資料的可靠性 和有關(guān)政策背景，采用 19801998年的區(qū)域人口統(tǒng)計(jì)資料，依據(jù) Logistic 模型，從式（10） 用最小二乘法擬合出式（11）,并據(jù)此完成區(qū)域20012019年增加人口的預(yù)測(cè)（表2）。X二（10） 式中：X 表示t時(shí)間的人口數(shù)量，Xmf弋表人口增長(zhǎng)率為0時(shí)的人 口總量，即人口承載力，r是當(dāng)人口增量為0時(shí)的增長(zhǎng)率，稱為固有增長(zhǎng)率， X0表示預(yù)測(cè) 開始時(shí)的人口總量。0.0418*t) (t = 0, 1,2, 3 ,) (11)y (t) = 1220.05419/(1 + 0.9019*exp(-式中：y （t）

28、表示總?cè)丝冢浅Ｗ∪丝诤土鲃?dòng)人口50 %折算后白總和19 , t = 0代表1980年。以1997年遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可知區(qū)域總面積為4499.57 km2 , 1997年城鎮(zhèn)用地總量為1023.55 km2 ,占研究區(qū)域總面積的 22.5 %21。由于區(qū)域城鎮(zhèn)用地的增加一方面 將導(dǎo)致耕地、園地，尤其是平原區(qū)耕地的大量減少，從而影響區(qū)域的糧食安全，另一方面 將影響區(qū)域的生態(tài)調(diào)節(jié)功能，改變區(qū)域的生態(tài)安全格局，產(chǎn)生一系列生態(tài)環(huán)境問題，所以 會(huì)受到政府嚴(yán)格控制。假定政府實(shí)行不同的城市化政策，到 2019年，區(qū)域城鎮(zhèn)用地可以 分別占到區(qū)域總面積的 25 %, 30 %和35 %,那么區(qū)域城市用地增加的總量將分別為 101.34 km2, 326.32 km2 和551.30 km2。以1997年城鎮(zhèn)用地為基礎(chǔ)，則城鎮(zhèn)用地的年增 加率將分別達(dá)到 0.5 %, 1.7 %和2.9 %?？紤]19751984年，19841991年，19911997 年區(qū)域城鎮(zhèn)用地的年增加率曾分別達(dá)到13.6 % , 4.4 %和5.0 % ,可以認(rèn)為這3種速度事實(shí)上都是一種嚴(yán)格限制下的城市