基于元胞自动机模型的城市群空间扩展模拟与预测过程中的不确定性分析

本项目拟选取京津唐城市群作为研究对象，将遥感技术、地理信息系统技术、系统动力学方法、最优化方法等进行有机结合，首先重建1998年-2010年京津唐城市群空间扩展数据库，然后分别从转换规则、模拟时间、城市群空间扩展过程中各城市之间的相互作用、元胞自动机模型模拟过程中不合理结果的产生等方面入手，找寻并定量分析基于元胞自动机模型开展京津唐城市群空间扩展模拟与预测研究时所产生的不确定性，真实、生动地反映群内各城市空间扩展特征及相互之间的影响、协作关系，最后利用构建好的元胞自动机模型预测未来20年京津唐城市群的空间扩展趋势及其对周边土地利用的影响。本项目将拓宽利用元胞自动机模型模拟、预测城市空间扩展研究的空间尺度，填补基于元胞自动机模型开展城市群空间扩展模拟与预测过程中的不确定性分析研究空白，拓展遥感与GIS技术的应用领域，为进一步优化元胞自动机模型提供参考，为城市群的可持续发展提供依据。

本项目拟选取京津唐城市群作为研究对象，将遥感技术、地理信息系统技术、系统动力学方法、最优化方法等进行有机结合，首先重建1998 年-2010 年京津唐城市群空间扩展数据库，然后分别从转换规则、模拟时间、城市群空间扩展过程中各城市之间的相互作用、元胞自动机模型模拟过程中不合理结果的产生等方面入手，找寻并定量分析基于元胞自动机模型开展京津唐城市群空间扩展模拟与预测研究时所产生的不确定性，真实、生动地反映群内各城市空间扩展特征及相互之间的影响、协作关系，最后利用构建好的元胞自动机模型预测未来20 年京津唐城市群的空间扩展趋势及其对周边土地利用的影响。研究结果表明：1）1998年-2010年，京津唐城市群城镇用地扩展剧烈，总面积扩展了52.65%。城镇用地扩展速度以直辖市的扩展速度为导向，以地级市和县级市为辅助带动作用，呈现波动扩展态势；2）1998-2010年，京津唐城市群新增城镇用地半数以上源自对周边宝贵耕地资源的占用；近40%源自城市化过程中不断外扩的城镇用地与周边农村居民点用地以及工业园、经济开发区等工交建设用地的合并；3）在构建CA模型时，转换规则的选取会直接影响到模型最终的模拟与预测精度，从模拟时间、模型转换规则对应的迭代次数以及最终的模拟精度三方面综合来看，选取PSO优化的BP神经网络规则建模优于BP神经网络和GA优化的BP神经网络；4）步长时间间隔越短，越有利于提高模型的模拟精度；5）不合理结果和城市群内各城市相互作用对城市群空间扩展模拟确实会产生影响；6）2010年-2030年，京津唐城市群城镇用地面积由2849.57 km2增至2936.29 km2，增城镇用地的半数以上源自对周边耕地资源的占用，36.12%源自对城市周边农村居民点用地、工交建设用地的城市化。本项目将拓宽利用元胞自动机模型模拟、预测城市空间扩展研究的空间尺度，填补基于元胞自动机模型开展城市群空间扩展模拟与预测过程中的不确定性分析研究空白，拓展遥感与GIS 技术的应用领域，为进一步优化元胞自动机模型提供参考，为城市群的可持续发展提供依据。