摘 要

随着城市化的快速推进，城市内部结构变得越来越复杂，城市的地域空间范围也日益扩大，并在发展的过程当中产生了一系列问题。城市增长边界的提出就是为了解决由于城市建设用地的扩张而引发的各种问题和矛盾，从而促进城市合理、有序发展。因此，深入对城市增长边界建设的研究，结合实际情况划定城市增长边界，具有重要的现实意义。

本研究以武汉市为例，通过遥感解译的方法获取2005年、2010年、2015年土地利用现状情况，并从土地利用数量变化、土地动态度和转移状况三个角度出发来进行土地利用结构时空变化分析；在此基础之上，结合土地利用现状、土地适宜性图集和Markov转移概率矩阵，利用CA-Markov模型实现对武汉市不同类型土地的规模的模拟与预测；根据预测得到的2020年建设用地范围来划定武汉市弹性城市增长边界，为武汉市新时期的政策制定和实施提供参考依据。

关键词：武汉市；土地利用；CA-Markov模型；城市增长边界

Abstract

With the rapid advancement of urbanization, the internal structure of the city has become more and more complex, and the geographical space of the city has also expanded, and a series of problems have arisen in the process of development. The urban growth boundary is proposed to solve various problems and contradictions caused by the expansion of urban construction land, thereby promoting the rational and orderly development of the city. Therefore, it is of great practical significance to study the construction of urban growth boundaries in depth and to delineate urban growth boundaries in light of actual conditions.

Taking Wuhan as an example, this study obtained the status of land use in 2005, 2010 and 2015 through remote sensing interpretation, and proceeded from the three perspectives of land use quantity change, land dynamics and transfer status. Analysis of time and space changes; on this basis, combined with land use status, land suitability atlas and Markov transition probability matrix, CA-Markov model is used to simulate and predict the scale of different types of land in Wuhan; The scope of construction land is used to delineate the growth boundary of Wuhan's flexible cities, which provides a reference for the formulation and implementation of policies in Wuhan's new era.

Key words: Wuhan; Land use; CA-Markov model; Urban growth boundary

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 城市增长边界概念的提出 2

1.3.2 国外研究进展 2

1.3.3 国内研究进展 3

1.4研究内容与技术方法 3

1.4.1 研究内容 3

1.4.2 研究方法 4

1.4.3 研究技术 4

1.4.4 研究数据 6

第2章 研究区概况 7

2.1 自然概况 7

2.2 社会经济概况 7

2.3 规划战略概况 10

2.3.1 国民经济和社会发展规划 10

2.3.2 土地利用总体规划与城市总体规划 10

2.3.3 其它重要规划战略 11

第3章 土地利用结构变化分析 12

3.1 基于支持向量机的土地利用分类 12

3.1.1 数据预处理 12

3.1.2 建立土地利用分类系统 12

3.1.3 遥感影像监督分类 13

3.2 土地利用结构时空变化分析 15

3.2.1 土地利用数量变化分析 15

3.2.2土地利用动态度分析 16

3.2.3 土地利用转移状况分析 17

第4章 土地利用格局模拟及预测 19

4.1 2015年武汉市土地利用格局模拟 19

4.1.1 Markov转移概率矩阵计算 19

4.1.2 土地利用变化影响因子选取 20

4.1.3 土地适宜性图集绘制 24

4.1.3 基于CA-Markov模型的土地利用预测 26

4.1.4 模拟精度分析 27

4.2 2020年武汉市土地利用格局预测 27

第5章 2020年武汉市弹性城市增长边界划定 31

5.1 初步弹性城市增长边界划定 31

5.2 最终弹性城市增长边界划定 31

5.3 分析与评价 32

第6章 结论 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景

二战以来，世界经济进入了稳步增长的发展时期，随着世界各国建设逐渐走向现代化、城市化和全球化，城市的内部结构变得越来越复杂，城市的地域空间范围也日益扩大，并在发展的过程当中产生了一系列问题。城市增长边界（Urban Growth Boundary，UGB）的产生是政府为了解决城市在发展过程中由于城市规模的扩张而引发的各种各样问题，因此它的产生既是被动的，也具有一定的政策性^[1]。如今，UGB已经成为了城市规划中不可或缺的一部分，并且对于抑制城市无序的向外扩张，推进城市合理有序的发展起着非常重要的作用，得到各国政府以及专家的认可和重视。

武汉市作为新城市化建设的冉冉之星，综合实力日益增强，其人口在近年来已超过1000万人。在20年之间，武汉市市域范围内的建设用地比原先增长了将近40%面积，并且近几年来出现了供应不足的现象。控制城市规模、优化城市内部结构、合理划定城市增长边界的工作义不容缓。事实上，武汉市政府近年来已经对控制带进行了初步的探索。2010年武汉市开展了《“1 6”城市空间发展战略规划》的编制工作，确定了以“主城区为核心，新城组群沿轴向外扩展，由生态绿带使之相连”的“1 6”城市空间格局，形成了武汉市城市增长边界的雏形；2012年起武汉市展开了基本生态控制线的划定工作，并在工作当中为下一步进行边界的划定积累了宝贵的经验。2014年国土资源部与住房和城乡建设部共同选定了一共14个覆盖全国于范围内的特大城市，将在这些城市中进行划定城市开发边界的试点工作，而武汉市首当其冲地成为其中一个试点城市 ^[2]。因此，在当前国家大力推进城市建设的背景之下，选择武汉市作为研究对象，研究其在2005-2015年城市扩张情况并划定城市增长边界，为当前城市规划的实施提供一定的参考依据。

1.2 研究目的

中国的城市多处于迅猛发展的阶段。为了满足城市在不同时期的发展需求，采用一定的技术手段，结合城市的发展目标和发展现状对城市用地结构和规模进行科学有效地安排，合理地划定城市增长边界，从而推进城市平稳、有序地发展，防止城市过度扩张。本研究拟在分析2005-2015年武汉市土地利用变化情况的基础上，结合实际自然社会经济状况，利用CA-Markov模型实现不同类型土地变化的模拟与预测，根据预测结果划定武汉市弹性增长边界，并且对其可行性合理分析，为武汉市新时期的政策制定和实施提供基础的参考。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 城市增长边界概念的提出

二战以来的世界进入了高速发展的阶段，世界各国也掌握好各自的节奏抓紧发展，城市内部结构以及城市间的相互关系也因此变得越来越复杂。由于城市地域范围的扩大，城市在发展的过程当中不可避免地产生一系列问题，尤其是城市环境问题。城市增长边界的概念最早出现在19 世纪末埃比尼泽·霍华德所著的《明日的田园城市》中，霍华德提出在城市四周建立起供农业进行生产和活动的环形生态绿地，阻止城市范围过度蔓延^[3]。“卫星城镇”理论则是田园城市理论进一步发展的产物^[4]。但将城市增长边界理论正式提出并用于实践则是在1976年美国俄勒冈州颁布的一项法案，它将城市增长边界引入到了城市的综合土地利用规划当中，用于解决城市在发展过程中与周边区域由于建设用地扩张而引发的用地矛盾，并且为城市集中建设区的发展划定了一条界线，界线以内的土地容许用作城市开发建设^[2]。自那以后，这种通过划定控制线引导城市进行紧凑发展的方式，在美国的城市和村庄逐渐普及开来，为美国城市有序发展做出了巨大的贡献。于此同时，越来越多的外国专家学者对城市增长边界的建设进行了一系列相关研究。虽然对城市增长边界的内涵还没有达到一个完全统一的标准，但其核心内容在于利用绿化带的隔离作用，抵制城市的无序蔓延^[5]。

1.3.2 国外研究进展

世界上任何一个国家都在对城市增长边界进行着不同程度的研究和建设。西方发达国家在对城市增长边界进行研究的过程当中，形成了包括新城市主义、“精明增长”理念等控制城市用地扩张的理论研究，并且通过不断地创新实践，制定出了相关的法律法规。Quigley等（2005）指出大多数的早期研究忽视了房价和土地价格之间的内在关系。而关于如何确定城市土地利用年限或确定土地储备的方法也的研究也少之又少 ^[6]。但是，最近的一些研究已经通过较为先进的技术和科学的方法解决了这种内生性问题。随着GIS 技术的发展，国外城市空间扩张研究由简单的、静态的规划模型逐渐向动态演化模型发生转变（陈干等，2000），并以更为复杂、全面的视角理解看待城市的发展。Franco等（2017）利用ArcGIS 9.3软件，采用UI和USI指数对城市的分布格局和扩张格局进行分析，生成合理、说服力强的土地利用轨迹^[7]。科学技术的升级为城市增长边界的有序、健康的发展奠定了良好的技术支撑。通过总结，国外城市增长边界的建立基于以下目的：（1）适应人口的长期增长；（2）满足居住和就业需求；（3）提供有序、高效的公共服务；（4）实现土地综合效益最大化；（5）符合城市用途与农业用途的兼容性^[8]。

1.3.3 国内研究进展

我国进行城市建设的开始时间较晚，对于城市增长边界的建设研究仍处于初步摸索阶段。20世纪90年代张庭伟通过对美国城市蔓延的现象和精明增长的理念进行了介绍和分析，给国内城市扩张的研究带来了新的启示 ^[9]。龙瀛等人（2006）通过选取限建因素和政策区位等动力因素作为基础，划定了北京市城市增长的科学边界^[10]。同年，建设部通过的《城市规划编制办法》提出开展城市增长边界划定工作后，使得国内对城市增长边界的研究日渐深入。付海英等人（2007）利用城市发展偏好模型以及耕地损耗模型，对山东省泰安市的城市空间扩张状况进行了科学的探讨，提出了城市与耕地和谐相处的发展模式^[11]。石伟伟（2008）利用景观生态学的方法对武汉市的土地利用现状进行了描述，并且结合自然环境、社会环境和经济发展的三个方面的因素，使用GIS软件对空间形态的地物特征信息进行分析，应用MapGis软件提取出了武汉市的城市建成区边界，并以此为基础划定了2020年城市增长边界^[12]。张亮（2018）以杭州为例，从压力—转态—响应三个方面来揭示城市发展和生态环境之间的关系，通过选取合适的约束条件来模拟城市的生态安全格局^[13]。2014年7月以来，住房城乡建设部和国土资源部联合部署开展了城市开发边界划定试点的工作，确定了14个覆盖于全国东、中、西范围内且人口规模高达500万的特大城市作为试点城市。在实际划定工作的过程中，城市开发边界分为两种不同的类型：一种是以北京、上海、深圳等城市为代表划定出的永久性开发边界，它将成为城市的“终极模式”；另一种是以武汉市、成都等城市为代表的阶段性开发边界，它是由城市应当根据不同时期的发展状况来划定的^[2]。

未来我国进行开展城市增长边界研究时，一方面应在国家、区域、城市发展的背景下，结合城市自身的自然状况和社会经济状况建立一套具有操作性和实践性的城市增长边界理论体系。另一方面，在科学技术和方法手段上应探讨多种空间模型，根据现实状况，从城市空间增长和生态资源保护两个方面进行考虑，提出更为有效的城市增长边界。

1.4研究内容与技术方法

1.4.1 研究内容

本研究旨以武汉市作为研究对象，研究《“1 6”城市空间发展战略规划》颁布的背景之下城市增长边界对武汉市城市蔓延的作用及意义。本研究将运用ENVI、GIS技术分析武汉市2005-2010年及2010-2015年武汉市土地利用变化情况，并利用CA-Markov模型对武汉市土地利用格局进行模拟与预测，由此作为参考基础来划定弹性城市增长边界，从而缓和城市的建设与生态环境的保护之间紧张的关系。本课题的研究内容如下：

（1）土地利用结构变化分析：利用ENVI软件对研究区2005年、2010年和2015年卫星遥感图像进行预处理，选择支持向量机的解译分类方法进行监督分类，依次制作武汉市2005年、2010年和2015年的土地利用现状图，并对其进行分析探讨研究区内各地类的变化情况和相互转化状况，为接下来进行土地利用格局的模拟和预测提供参考依据。

（2）土地利用格局模拟与预测：利用IDRISI软件中的CA-Markov功能模块，以基年土地利用现状图集、土地面积转移概率矩阵和土地利用适宜性图像作为基础模拟2015年武汉市土地利用格局，以解译的现状图为参照运用Kappa系数计算模拟精度，精度达标后进行2020年武汉市土地利用格局的预测，并将其作为武汉市弹性城市增长边界的划定依据。

（3）城市增长边界划定：利用ARCGIS软件，根据土地利用格局的预测结果进行2020年武汉市弹性增长边界的划定，将预测得到的未来建设用地范围的边界作为弹性城市增长边界，并加以修正，最后对其进行分析与评价。

1.4.2 研究方法

（1）遥感图像解译：利用ENVI软件，首先分别对2005年、2010年和2015年遥感影像依次进行波段组合、辐射校正、图像剪裁等预处理操作，然后建立解译标志，采用支持向量机法的监督分类法对影像进行土地利用覆被分类，得出2005年、2010年和2015年土地利用现状图。

（2）空间增长边界动态模拟：利用CA-Markov模型，以2005年、2010年作为基础，对研究区2015年土地利用变化进行模拟。该模型是把土地利用数据中的每个像元作为了元胞，计算土地利用面积转移矩阵，并结合与土地利用变化相关的一系列影响因素，模拟土地利用类型变化的转换规则，根据这一规则来确定元胞转移的的趋势，实现对土地利用格局的模拟^[1]。

1.4.3 研究技术

本研究的技术流程图如图1.1所示：

2005年、2010年、2015武汉市土地利用现状图

模拟2015年武汉市土地利用格局

预测2020年武汉市土地

利用格局

划定2020年武汉市弹性城市增长边界

结论

2015年武汉市土地利用现状图

2005年、2010年武汉市土地利用现状图

图1.1 研究技术流程图

2005-2015年武汉市土地利用时空分析

土地利用数量变化分析

土地利用动态度

分析

土地利用转移状况分析

1.4.4 研究数据

研究以武汉市为对象，利用遥感影像获取武汉市2005年、2010年以及2015年土地利用现状信息，在此基础上结合基础地理信息进行土地利用格局模拟和预测，最后根据土地利用格局的预测结果来划定弹性城市增长边界。研究所采用的数据包括以下三个方面：遥感影像数据、土地利用数据、基础地理数据。

遥感影像数据包括了2005年Landsat5TM影像、2010年Landsat5TM影像、2015年Landset8OLI/TIRS影像以及夜光遥感数据（DMSP/OLS）。其中2005年Landsat5TM影像、2010年Landsat5TM影像、2015年Landset8OLI/TIRS影像都来源中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台，其空间分辨率都为3030m；夜光遥感数据（DMSP/OLS）来源于美国国家地理中心（NGDC），其空间分辨率为1×1km，DN值的取值范围为0-63。

土地利用数据包括2005年、2010年及2015年土地利用现状数据，为遥感影像预处理后经过解译而形成的栅格数据，并且依据相关数据资料，将研究区划分建设用地、耕地、林地、水域及未利用地5个覆被类型。

基础地理数据主要包括数字高程模型数据（DEM）、坡度数据、交通数据和行政中心数据。其中，数字高程模型数据（DEM）来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台，其空间分辨率为30×30m；坡度数据是由DEM数据在ArcGIS 10.2中计算得到；交通数据包括了铁路、主要道路的矢量数据；行政中心数据包括了中心镇、区级行政中心的矢量数据。交通数据、行政中心数据是由作者基于《武汉市土地利用总体规划图集（2006-2020年）》在ArcGIS 10.2中进行矢量化而得到。