1城市空间扩展模型-SLEUTH
SLEUTH(Slope,Landuse,Exclusion,Urbanextent,Transportation,Hillshade)是用于模拟、预测宏观或中观尺度城市扩展时空动态和区域土地利用变化过程的典型元胞自动机（CA）模型，在城市增长与景观变化模拟及预测，区域开发政策与城市规划方案评估以及环境影响评价方面具有较高的模拟效力和重要的应用价值[10,18]，在国内外应用广泛[11,14,19]。该模型基于地方历史城市扩展过程进行未来城市发展预测，充分考虑了地形、交通网络、现有城镇分布、随机因素等影响城市扩展的重要因子[20]，能模拟四种类型的城市增长即自发增长、新传播中心增长、边缘增长和道路引力增长，这些增长规则受到扩展系数、繁衍系数、传播系数、坡度系数和道路引力系数5个增长系数的控制，并且模型的自修正规则会根据系统设定的增长率临界值自动调整系数值以准确反映城市扩展的非线性过程，关于模型的详细信息可参阅其项目网站[21]。本研究应用SLEUTH模型模拟和评估不同城镇发展管理方案下的城镇扩展与土地利用变化过程。
2数据来源与处理
SLEUTH模型需要输入城镇、土地利用、坡度、道路交通、排除图层（城镇扩展限制因素）以及山体阴影等6类空间数据。本研究以陆地卫星（LandsatTM）遥感影像（1990年、1995年、2000年、2004年和2009年）为基础数据源，在ARCGIS9.3中经人工目视解译、野外实地验证，生成五期城镇范围图层和两期土地利用图（1990年和2009年）。按照研究目的将土地利用分成8个一级类即城镇、耕地、果园、林地、草地、水域、其他建设用地和其它用地（裸地、沙滩等）。作为烟台蓝色经济区集约用海区建设的近岸海域也作为一类景观类型列入研究区范围。道路、坡度、山体阴影图层和城镇增长排除图层的数据来源及其处理，见表1。所有数据转化为Grid数据格式，并重采样到60m的分辨率，转换为Gif格式数据，输入SLEUTH模型。
3模型校正与管理预案设计
SLEUTH模型校正是最耗时的过程，也是模型成功应用的重要因素之一[15]。输入预先准备好的六类图层，采用强力校正方法[22]，执行模型校正模块，并选用Compare、Lee-Sallee、F-match3个指标的乘积作为拟合度值，最终获得最优拟合度增长系数分别为：12（扩散系数）、54（繁衍系数）、56（传播系数）、30(坡度阻抗系数)和41(道路引力系数)。利用该最优系数集初始化模型的预测模块，重建历史时期（1990年-2009年）的城镇扩展过程，并运用ROC曲线、kappa系数[19,23-24]对模型进行精度验证。结果ROC统计值达到86.32%，Kappa指数达到0.76，说明SLEUTH模型对烟台市城镇空间扩展模拟精度较好，可用于未来城镇扩展预测与土地利用变化情景模拟。管理预案设计是SLEUTH模型最重要的应用之一，也是SLEUTH模型的魅力所在，用户可以通过调整排除图层、道路层、临界坡度、增长系数以及随机种子点等，设计不同的管理预案[25-26]。本研究基于海岸区位特征和区域经济发展政策，设计三种不同的城镇空间发展管理预案，以模拟海岸带环境保护和蓝色经济区建设发展政策对烟台市区未来城镇发展格局和区域景观格局的影响。三种管理预案输入的模型排除图层如图2所示，相应描述如下：（1）无管理预案（HT）：未来城镇延续历史发展趋势，对建设用地扩张不加过多空间限制，仅对重要水源地和国家森林公园以及海岛林地进行保护，允许通过填海造地形式增加城镇面积；（2）海岸带保护预案（UP）:将研究区分为海岸带保护区、城镇建设限制区和海岸带建设用地区，并给予不同的城镇增长排除概率，以保护海岸带自然景观资源，约束城镇空间发展形态。海岸带保护区包括主要河流、水源保护地以及海防林、沙滩、滨海湿地和国家森林公园，排除概率为100％；海岸带建设用地区包括城市规划发展区、城镇发展带、8大城市组团和重点城镇，排除概率为0％；城镇建设限制区主要包括重点城镇240~480m范围内、水源保护地480~960m范围内、面积大于6hm2的小型水库以及除保护区和建设用地区外的其它用地区，分别给予10%、80%、20%的排除概率；（3）海岸带发展预案(CG):促进近岸海域到陆上15km范围的海岸带发展区的城镇建设，并允许通过适度围填海方式发展临海工业、旅游基础设施和城镇建设。在排除图层中，海岸带发展区分为近岸海域以及陆域0~5km、5~10km、10~15km四个分带，并分别给予不同的排除概率。此外，根据烟台市蓝色经济区建设规划和烟台东部区域建设用海规划，在养马岛前怀海域和烟台西港区等集约用海区设置适当数量的城镇种子点，提高城镇元胞增长速度。利用校正阶段获得的最优拟合系数值，更新输入2015年交通图层和排除图层，适当调整模型自修正临界值，初始化模型的预测模块，预测和模拟以上三种管理预案条件下烟台市区2010年-2040年间的城镇发展格局和土地利用变化过程，并将其结果导入GIS中进行空间分析和比较。
4区域生态风险评价方法
为评估与比较不同城镇扩展管理方案所导致的区域生态风险空间差异，依据各类用地类型的面积比重构建区域生态风险指数ERI(ecologicalriskindex)，建立土地利用情景模拟与区域生态风险之间的定量关系，描述不同管理方案下研究区综合生态风险的相对大小，计算公式为[27-30]：ERI=∑i=1NAiAwi（1）式中ERI为区域生态风险指数；i为土地利用类型数；Ai为研究区域内第i种土地利用类型的总面积；A为研究区总面积；wi为第i种土地利用类型所反映的综合生态风险强度参数。本研究采用层次分析(AHP)法[27,30]确定各类用地的权重wi，分别为:城市建设用地0.2909，耕地0.1344，果园0.1158，林地0.0339，草地0.0528，水域0.0413，其他建设用地0.1981，其它用地0.0695，海域0.0632。经验证，判断矩阵的一致性检验均合格，层次总排序后判断矩阵的总体一致性指标0.0170<0.1；判断矩阵具有满意的一致性。基于网格采样方法，按照3km×3km的单元网格即风险小区对研究区进行系统采样，将研究区分成384个网格，计算每个采样网格内的生态风险值，以此作为采样网格中心点的生态风险值。
5结果与分析
5.1城镇扩展时空特征分析
历史遥感监测数据分析结果表明，1990年-2009年间，烟台市城镇面积从82.27km2增加到219.32km2，年扩展速率为7.20km2/a，扩展强度为0.25（表2）。其中，2009年城镇面积比2000年增长了1.72倍，扩展速率为9.94km2/a。按照历史发展趋势，到2040年，烟台市区城镇面积将达到607.36km2,扩展速度和强度分别达到12.52km2/a、0.44，远高于历史时期。海岸带保护预案和海岸带发展预案条件下，未来城镇扩展速度分别为7.08km2/a和11.67km2/a，扩展速度和强度均低于无管理预案，这主要是源于过多的排除区域设置限制了模拟的城镇总体增长速度。进一步分析、比较海岸带发展区（近岸海域到陆域15km）的城镇扩展特征，结果发现海岸带发展预案条件下的未来城镇扩展速度和强度分别为10.97km2/a和0.74，高于历史发展趋势（表3）。海岸带保护预案条件下，因对海岸带资源的严格保护，限制了城镇建设用地沿海岸线的扩张。利用GIS分别计算每个3km×3km单元网格的城镇扩展强度，得到城镇空间扩展分异图（图3）。结果显示，1990年-2009年间，烟台市区城镇扩展热点主要发生在福新街道、福山区和初家街道，扩张特征表现为西拓东延。2009年-2040年间，城镇扩展热点和空间格局变化在不同管理预案条件下呈现出差异性。无管理预案条件下，烟台经济技术开发区城镇建设速度较快，城镇扩展总体上分散性特征突出。海岸带保护预案条件下，城镇建设用地扩展以边缘增长和沿道路的线性增长为主，经济技术开发区的古现街道和莱山区市政府周边为城镇扩展的热点区域。海岸带发展预案条件下的城镇扩张沿海岸线带状延伸，区域建设用海区成为未来城镇发展的重点。
5.2海岸带资源损失
城镇空间扩展一方面驱动周边土地利用方式发生变化，另一方面也导致自然资源的损失。1990年-2009年间，研究区共有80.27km2的耕地被转换为城镇建设用地，有7.24km2的海域被填海造地，发展港口和造船业。按照这一历史发展趋势，到2040年，又将有132.37km2的耕地资源和34.81km2的海域资源被侵占。为比较不同管理预案条件下城镇扩展导致的资源损失情况，对海岸带发展区土地利用类型变化情况进行分析，见表3。结果表明，海岸带发展预案条件下，城镇扩展造成的资源损失量最大；其中，共有39.21km2的海域被侵占，平均每年损失128.19hm2。海岸带保护预案条件下，因加强了对海域、林地等自然资源的保护，将有更高比例的耕地、果园、其他建设用地向城镇类型转换；其中，耕地和果园的贡献率合计达到70%以上。从空间分布上来看（图4），无管理预案和海岸带发展预案条件下，烟台经济技术开发区和牟平养马岛及其北部沿海的海域、林地（海防林）、其它用地（沙滩）等海岸资源被侵占，且后者资源损失的范围更为广泛，需引起高度关注。海岸带保护预案条件下，城镇扩展集中在现有城镇周边，促使周边分布的耕地和果园向其转换。
5.3区域生态风险评价
区域生态风险指数本身是一种空间变量，可以利用地统计学方法进行空间特征分析[29]。在生态风险指数系统采样的基础上，基于经典统计学方法，充分考虑到空间变量的变化特征，以半变异函数作为工具，运用arcgis地统计分析模块（GeostatisicalAnalyst），计算出实验变异函数，并运用球状模型进行拟合检验，再利用普通Kriging法进行内插[27-28]，得到研究区2009年和三种管理情景下的区域生态风险空间分布图（图5），并采用自然断裂点法将生态风险值划分为5级，分别为：Ⅰ-低生态风险、Ⅱ-较低生态风险、Ⅲ-中等生态风险、Ⅳ-较高生态风险和Ⅴ-高生态风险，并统计各个级别面积百分比（图6）。分级统计结果表明，2009年研究区高生态风险区和较高生态风险区的面积分别为105.92km2和676.67km2，约占全区面积的3.72%和23.80%，主要分布在中心城区及其附近。较低风险区面积比重为3.11％，主要分布在昆嵛山森林公园周围。整体上来看，2009年的生态风险以中低风险区为主，超过全区面积的1/2。随着城镇建设用地持续扩张，到2040年区域生态风险加大，高风险区比例上升，但是不同管理预案所带来的区域生态风险程度又表现出较大的差异性。海岸带发展预案因鼓励海岸带发展区内的城镇建设用地扩张，限制了发展区之外的城镇增长，导致此预案下高生态风险区和低生态风险区面积比重分别达到16.11%和2.76%，高于其它两种预案。无管理预案下较高风险区和高风险区面积合计达到1490.40km2，占研究区总面积的52.43%。海岸带保护预案以中等风险区为主，占全区面积的45.56%；生态风险高值区面积最小，仅占全区面积的11.75%。生态风险空间分布图表明（图5），烟台市区的区域生态风险呈现圈层状分布，海岸带区域的生态风险较高，内陆风险较低。但是，不同管理预案下研究区生态风险高值区分布范围有所不同。无管理预案和海岸带发展预案条件下，烟台西港区临港工业园区和养马岛前怀海域附近生态风险值比较高，且后者生态风险高值区分布范围更广。海岸带保护发展预案条件下，生态风险高值区延续2009年的发展趋势，并延伸到莱山区市政府周边和新建立的高新区周边。不同管理预案条件下的区域生态风险空间分布与同预案条件下的城镇扩展强度空间分布格局（图3）具有明显的一致性。综合生态风险分区综合统计结果显示（表4），研究区到2040年不同管理方案下的区域综合生态风险都比2009年明显增大；其中，无管理预案和海岸带发展预案的区域生态风险值基本相当，海岸带保护预案条件下的区域生态风险相对较小。分区域来看，海岸带发展区以及位于海岸带发展区的莱山区和开发区的区域生态风险程度增加明显，其中在海岸带发展预案条件下高强度城镇扩展带来的综合生态风险值最高；城市化程度最高的芝罘区，在无管理预案下的区域综合生态风险值达到0.210，是整个研究区的1.5倍；牟平区和福山区因建设用地面积比重低，林地和草地等生态用地面积大，区域生态风险相对较低。
6结论与讨论
本研究运用SLEUTH模型基于烟台市历史时期（1990年－2009年）的城镇扩展过程，直观化模拟了不同政策管理预案下的未来（2010年－2040年）城镇扩展与土地利用变化过程，并结合GIS空间分析方法和区域生态风险评价方法，分析、评估了不同的城镇管理政策对未来城镇发展格局的影响，以及导致的海岸带资源损失和区域生态风险的空间差异性，其结论可以为滨海城市发展、土地利用调控和海岸带管理提供决策依据。（1）进入21世纪以来，烟台市城镇化过程加速，预计到2040年，城镇面积将达到607.36km2,比2009年增加388.04km2，将有205.39km2的耕地被侵占，年流失量达到743.88hm2，有34.75km2的海域被填海造地发展城镇及公共设施。鼓励海岸带开发利用与适度围填海的发展政策，促进了城镇建设用地在海岸带区域的扩张，却加重了对海岸带耕地资源、防护林和海域资源的损失，需要采取强有力的围填海建设用地监管措施，提高海岸带土地与海域集约利用率，保护海岸带资源不被破坏。海岸带保护发展预案总体上限制了海岸带城镇建设用地的扩张速度，却在一定程度上保护了海岸带资源，未来城市发展需要采取内涵式增长和土地集约利用政策。（2）2009年烟台市区生态风险以中等生态风险区为主，占全区的72.5%。随着城镇化进程推进，高生态风险区面积比例将上升，海岸带发展区以及莱山区、开发区的区域生态风险程度增加明显。鼓励城镇在近岸海域到陆域15km范围内建设发展的海岸带发展政策将引发程度更高、分布更广的生态风险；而注重海岸带资源保护的城镇增长管理政策，将有效降低对莱山－牟平沿海一带的区域生态风险。可见，要降低城镇化过程所带来的区域生态风险，需要对城镇增长进行空间管制，调整土地利用结构，增加生态绿地和滨海湿地，避免临海式的旅游景观房和城镇建设。未来一段时间，烟台城镇发展和海岸带开发利用要特别关注烟台西港区临港工业发展和牟平养马岛前怀海水域旅游设施建设，必需采取强有力措施降低高强度开发给海岸带地区带来的生态风险。（3）SLEUTH模型直观地再现了不同管理政策条件下的未来城镇扩展与土地利用变化过程，可以为地方政府部门城市管理提供有益的指导。但是，由于该模型未充分考虑社会经济和政策等因素，给予城镇边缘式增长规则以优先地位，从而限制了用户对其他城镇增长类型的模拟。而且，由于随机因素的作用，通过围填海形式获得的城镇建设用地增长比较分散，可能有些与实际发展不符（图4）。未来的研究，将通过改进模型和建立新模型的方式提高城镇扩展模拟精度，准确地识别滨海城市不同城市增长管理政策可能导致的大面积城镇扩展现象，并将城镇扩展风险源加入到区域生态风险评价中去，以便更好地反映海岸带城市化过程所带来的区域生态风险。
作者：马金卫 吴晓青 周迪 周龙 单位：中国科学院烟台海岸带研究所 鲁东大学地理与规划学院 中国科院研究生院