全 文 ：基于 SLEUTH模型的阜新市城市扩展模拟*
吴春华1,2 摇 胡远满2**摇 黄培泉3
( 1广东工贸职业技术学院测绘遥感信息工程系, 广州 510510; 2中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 3广东青年职
业学院计算机工程系, 广州 510507)
摘摇 要摇 基于 SLEUTH模型对 1997—2013 年阜新市城市扩展进行模拟. 结果表明: 阜新市
转型进程中城市扩展最优系数分别为:扩散系数 6、繁衍系数 64、蔓延系数 44、坡度阻抗系数
52、道路引力系数 90.阜新市主要表现为新中心增长(自发式增长产生的新城市中心)和边缘
增长(新、老城市中心的进一步增长);阜新市转型进程中城市扩展受道路引力影响很大,其值
达到 90;阜新市作为资源枯竭型城市,矿区枯竭带来了滑坡、塌陷等一系列自然灾害,研究期
间城市扩展受到坡度的阻抗是很大的.从城市规模角度看,道路引力对小城市的作用大于大
城市;从新中心增长情况来看,小城市更容易出现新中心增长.阜新作为资源型城市,目前确
定为资源枯竭型城市,经济转型是头等大事,引进的外资企业、新建的开发区、工业用地等在
选址上更偏向道路交通便利区域,受道路影响较大,而且更容易出现飞地式发展. 利用
SLEUTH模型校正所得的最优参数,对阜新市城市范围进行模拟,其中,城市边缘增长的模拟
效果较好,城市新中心即飞地增长的模拟效果较差,主要因为新中心增长受决策影响较大,元
胞关系作用不大. 2001、2006、2010、2013 年的阜新市城市范围模拟精度较高.
关键词摇 资源枯竭型城市摇 经济转型摇 棚户区改造摇 城市用地摇 SLEUTH模型摇 模拟
文章编号摇 1001-9332(2014)09-2671-06摇 中图分类号摇 K928. 5摇 文献标识码摇 A
Simulation of urban expansion based on SLEUTH model in Fuxin City, Northeast China.
WU Chun鄄hua1,2, HU Yuan鄄man1, HUANG Pei鄄quan3 ( 1Department of Surveying, Remote Sensing
and Information Engineering, Guangdong College of Industry and Commerce, Guangzhou 510510,
China; 2 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 3De鄄
partment of Computer Engineering, Guangdong Youth Vocational College, Guangzhou 510507, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(9): 2671-2676.
Abstract: Urban expansion was simulated by SLEUTH model based on the data of Fuxin City,
Northeast China in 1997 -2013. The optimal parameters of urban expansion were obtained from
SLEUTH model calibration, with the diffusion coefficient as 6, breed coefficient as 64, spread coef鄄
ficient as 44, slope resistance as 52 and road gravity as 90. Urban growth types in Fuxin mainly be鄄
longed to new center growth and edge growth, i. e. , the further expansion of new and old urban
centers. Urban expansion was greatly influenced by roads. Fuxin, as a resource鄄exhausted city,
suffered from the natural disasters, such as landslides, subsidence, and so on. The slope resistance
of urban expansion was large in the development of urban land. From the perspective of urban
scale, road gravity in smaller city was greater than in larger city. The urban expansion in smaller
city was more inclined to the new center growth. The locations of enterprises and new development
zones were more interested in the area of good transport facilities. Meanwhile, they were inclined to
new center growth. Urban expansions were simulated based on optimal parameters of SLEUTH
model. The simulated result of edge growth was better than the simulated result of new spreading
center growth, because new spreading center growth was susceptible to policymaking, and cellular
influence was little. The simulated accuracy of urban land in 2001, 2006, 2010 and 2013 was
high.
Key words: resource鄄exhausted city; economic transformation; renovating shantytowns; urban
land; SLEUTH model; simulation.
*国家自然科学基金面上项目(41171155)和国家自然科学基金项目(41201454)资助.
**通讯作者. E鄄mail: huym@ iac. ac. cn
2013鄄11鄄04 收稿,2014鄄06鄄23 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 9 月摇 第 25 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2014, 25(9): 2671-2676
摇 摇 资源型城市是城市职能分类中的一个重要类
别,是以本地区矿产、森林等自然资源开采、加工为
主导产业的城市.资源型城市的主要生产活动是开
采与开发自然资源.在这个过程中,城市所辖地域内
的矿产资源(作为不可再生资源)的蕴藏量会逐渐
递减,森林等可再生资源如果利用不合理(如开采
速度远大于资源再生速度),也会递减甚至难以恢
复,当资源递减到一定程度,资源型城市就成为资源
枯竭型城市. 当累计采出量已达当初测定总量的
70%以上或以当前技术水平及开采能力仅能维持开
采时间 5 年的城市即为资源枯竭型城市[1] . 根据
2013 年国务院《关于印发全国资源型城市可持续发
展规划(2013—2020 年)的通知》,全国现有资源型
城市 262 个,其中资源枯竭型 (衰退型)城市 67
个[2] . 2001 年 12 月,国务院将阜新市确定为全国资
源枯竭型城市经济转型试点市.
棚户区改造是我国政府为改造城镇危旧住房、
改善困难家庭住房条件而推出的一项民心工程.
2006 年至 2011 年底,全国累计开工改造各类棚户
区超过 1000 万户;2012 年,全国还将改造各类棚户
区超过 300 万户[3] . 2005 年开始,我国在东北三省
实施振兴战略中相继开展了大规模的棚户区改造工
程.这是新中国成立以来东北最为庞大的安居工
程[4] .辽宁在全国率先启动棚户区改造. 2008—2012
年,全国改造各类棚户区 1260 万户,基本建成 750
万套,覆盖全国 31 个省区市. 期间,辽宁省面积最
大、受益人口最多的国有工矿棚户区改造工程———
阜新国有工矿棚户区改造工程竣工. 该项目拆迁面
积 162伊104 m2,新建面积 243伊104 m2,总投资 32. 8
亿元,惠及阜新市 37015 户、10 万棚户区居民,建设
任务占全省的三分之一. 棚户区改造工程是阜新市
历史上最大的一个城建项目,“细河南北两重天冶已
经变成历史,从新邱区到清河门区的百里矿山百里
棚户区已真正变成了百里矿山百里城. 棚户区改造
后,全市共腾空土地 347伊104 m2 .其中,平安西部、新
邱中部、清河门等可以作为工业用地,海州区利用腾
空的土地建成了 13. 2伊104 m2的工业园区.
时至今日,阜新的转型探索已有十余年,城市用
地正在转型过程中,并进行了大规模的棚户区改造
工程.本文基于 SLEUTH 模型对阜新市转型进程中
城市扩展进行模拟研究,并对其结果成因进行分析,
探讨了阜新市转型后城市用地利用及节约情况,旨
在为资源型城市经济转型及城市用地发展规划提供
借鉴指导作用.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究地区概况
阜新市系辽宁省辖市之一,位于辽宁省西北部,
阜新全境呈矩形,中轴斜交于 42毅10忆 N,122毅0忆 E.
阜新地区东西长 170 km、南北宽 84 km,总面积
10355 km2[5] .本研究区为阜新市市辖区中的细河
区、海州区、太平区、新邱区,不包括清河门区,总面
积 383. 433 km2(图 1).
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 SLEUTH模型 摇 SLEUTH 模型是一种应用自
适应元胞自动机模拟城市增长及其土地利用变化的
模拟模型[6] .其得名来自其输入数据首字母的缩写
组合:坡度层(slope)、土地利用层( land use)、排除
层(excluded)、城市范围层( urban)、交通层( trans鄄
portation)和阴影层( hillshade). SLEUTH 模型包括
两个紧密耦合的子模型,即城市增长模型 ( urban
growth model,UGM)和土地利用 /覆盖子模型( land
cover deltatron model,LCD).其中,UGM 子模型可以
单独运行,LCD子模型由 UGM子模型调用和驱动.
SLEUTH模型的设计思路:基于交通、地形和城
市化的约束条件,计算每个元胞单元的发展可能性,
把城市化的元胞作为种子点,通过其扩散带动整个
区域的发展,其中,离种子点越近的元胞越容易被城
市化.考察的重点是所有未城市化的元胞,研究其在
环境适合情况下改变自身状态成为城市用地的情
况.每个元胞状态的变化由相邻元胞的状态来决定,
主要有 5 个系数控制模型行为:扩散系数、繁衍系
数、蔓延系数、道路引力系数、坡度阻碍系数.上述系
数能够产生 4 种增长类型:自发式增长、新中心增
长、边缘(有机)增长、道路引力增长(表 1). 其中,
扩散系数决定某时刻某个像元被城市化的概率,繁
图 1摇 研究区位置示意图
Fig. 1摇 Sketch map of the location of the study area.
2762 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 SLEUTH模型模拟的增长类型描述
Table 1摇 Summary of growth types simulated by SLEUTH model[7]
增长顺序
Growth number
增长类型
Growth type
控制参数
Control parameter
描述
Description
1 自发式增长 Spontaneous growth 扩散系数 Diffusion coefficient 随机选择潜在的新增长单元
2 新中心增长 New spreading center growth 繁衍系数 Breed coefficient 自发式增长产生的新城市中心
3 边缘增长 Edge growth 蔓延系数 Spread coefficient 新、老城市中心的进一步增长
4 道路引力增长 Road influenced growth 道路引力、扩散、繁衍系数Road鄄gravity, diffusion, breed coefficient
沿交通网络的城市单元增长
全局 Overall 坡度阻碍 Slope resistance 坡度 Slope 坡度对城市开发的限制概率
全局 Overall 排除层 Exclusion layer 用户定义 User鄄defined 用户设定的保护或不可开发区域
衍系数决定一个新产生的城市像元成为新扩散点的
概率,扩散系数控制城市在系统里的自组织繁衍,坡
度阻碍系数和道路引力系数定义了外部因子对城市
扩张的影响.
摇 摇 SLEUTH 模型具有较强的普适性. Clarke
等[8-10]运用该模型对旧金山和华盛顿都市区进行了
成功模拟和长期预测,并推广到欧洲、澳洲、亚洲等.
Silva等[11]用该模型对地理环境完全不同的 2 个欧
洲城市———葡萄牙的里斯本和波尔图进行研究,表
明 SLEUTH模型可以利用历史数据进行反复校正,
能得到理想的参数组合,并对城市扩展和土地利用
演化进行较好的预测. 另外,在国内一些城市,如北
京、上海、广州、杭州、长沙、沈阳等,该模型的应用也
较成功[12-17] . SLEUTH模型在城市增长和景观变化
的模拟与预测、区域开发政策和城市规划方案的评
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.它提供了未来城市增长和土地利
用变化的可视化过程. 我国城市正处在快速城市化
的建设阶段,快速城市化背景下,科学地探测城市扩
展时空演变过程、动态揭示城市扩展趋势,对制定合
理的土地利用优化决策,引导区域人地关系以及人
类与环境之间的和谐发展具有重要意义.
1郾 2郾 2 数据输入 摇 数据来源于 1997、2001、2006 年
的 TM影像数据及 2010、2013 年 QuickBird 影像数
据. SLEUTH 模型输入数据包括:1997、2001、2006、
2010 和 2013 年的城市范围图层;2001、2006、2010、
2013 年的道路图层;坡度图层(百分比坡度)和阴影
图层(通过数字高程模型 DEM 数据计算生成);排
除图层(按阜新市水域、矿区级别分别赋值 50、80、
100)(图 2);1997 和 2013 年的土地利用图(图 3).
1郾 2郾 3 模型校正摇 模型校准的目的是获取一套城市
扩展的最佳参数集,以模拟历史时期的城市增长.
SLEUTH模型采用强制蒙特卡洛迭代计算法(Brute鄄
force Monte Carlo method)进行模型参数的校准[16] .
图 2摇 SLEUTH模型输入数据
Fig. 2摇 Input data of SLEUTH model.
a ~ d) 2001、2006、2010 及 2013 年道路交通权重值 Weighted value of road traffic in 2001, 2006, 2010, 2013; e)坡度层 Slope; f)阴影层 Hill鄄
shade; g)排除图层 Excluded map; h) 1997、2001、2006、2010 及 2013 年城市范围层 Urban area in 1997, 2001, 2006, 2010, 2013.
37629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴春华等: 基于 SLEUTH模型的阜新市城市扩展模拟摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 1997 和 2013 年土地利用图
Fig. 3摇 Land use map in 1997 and 2013.
玉: 城市 Urban land; 域: 耕地 Farm land; 芋: 牧草地Grassland; 郁:
林地 Forest land; 吁:水域Water area; 遇:农村居民点 Rural residen鄄
tial area; 喻: 工矿用地 Industrial and mining land; 峪: 园地 Orchard
land.
蒙特卡洛方法也称统计模拟方法,是一种以概率统
计理论为指导的数值计算方法,模型模拟过程中会
对所有参数的每种排列组合进行尝试,产生城市扩
展的若干随机变量,进而通过分析这些随机变量的
概率特征,选取模拟结果与实际情况最为吻合的组
合方案以对城市空间扩展进行模拟和预测.
本研究将阜新市 1997、2001、2006、2010 和 2013
年土地利用类型空间分布、城市用地空间分布以及
道路、坡度等数据输入 SLEUTH模型,用于模型参数
校准 . 模型参数校准分为粗校准( coarse calibra 鄄
tion)、精校准( fine calibration)和终校准( final cali鄄
bration)3 个步骤,每个步骤在校准过程中都会得到
一组最合适的参数,进而用于下一个步骤的参数校
准.在模型校准过程中,各参数设置如下: 1)粗校
准,模型的 5 个参数取值范围都设为 0 ~ 100,每步
步长设为 25,采用 5 次蒙特卡罗迭代;2)精校准,利
用粗校准产生的 5 个系数的范围,每步步长为 5 ~
15,采用 7 次蒙特卡罗迭代;3)终校准,利用模型精
校准产生的系数范围,每步步长设为 1,采用 9 次蒙
特卡罗迭代(表 2).运行完成后,提取最佳参数组合
用于模型模拟.由于阜新市为资源型城市,主要资源
为煤矿,现处于资源枯竭状态,塌陷、滑坡等自然灾
害频发,因此模型运行中设置的坡度控制参数较低,
坡度控制参数为 15% ,即坡度超过 15%的区域为不
适宜城市地区.
本文采用 Composite指标(即面积控制指标 com鄄
pare、城市像元数 population、形状指数 Lee鄄Sallee、土
地类型拟合度 F鄄match 4项的乘积)对模型进行校准.
Composite 指标值从粗校准的 0. 6411 到精校正
0郾 6637,终校准提高到 0. 6806,符合精度要求.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 SLEUTH模型的校正结果
根据 SLEUTH模型校正得到最优系数集.其中,
扩散系数 6、繁衍系数 64、蔓延系数 44、坡度阻抗系
数 52、道路引力系数 90.从扩散系数、繁衍系数和蔓
延系数值来看,1997—2013 年阜新市城市扩展繁衍
系数最大(64),其次是蔓延系数(44),扩散系数最
小(6),说明该时段阜新市主要表现为新中心增长
(自发式增长产生的新城市中心)及边缘增长(新、
表 2摇 SLEUTH模型校正与历史模拟参数设置
Table 2摇 Calibration and settings of coefficients in SLEUTH model
增长系数
Growth
coefficient
粗校正 Coarse calibration
(Monte Carlo =5, n=3125)
范围
Range
步长
Step
最优参数
Optimal
parameter
精校正 Fine calibration
(Monte Carlo =7, n=7776)
范围
Range
步长
Step
最优参数
Optimal
parameter
终校准 Final calibration
(Monte Carlo =9, n=7776)
范围
Range
步长
Step
最优参数
Optimal
parameter
最优系数集
Optimal
coefficient
set
扩散系数
Diffusion coefficient 1 ~ 100 25 Co1 =0. 9682 1 ~ 25 5 Co1 =0. 9795 5 ~ 10 1 Co1 =0. 9895 6
繁衍系数
Breed coefficient 1 ~ 100 25 Po=0. 9711 50 ~ 100 10 Po=0. 9861 60 ~ 70 2 Po=0. 9873 64
蔓延系数
Spread coefficient 1 ~ 100 25 LS=0. 7966 25 ~ 50 5 LS=0. 7967 42 ~ 47 2 LS=0. 7969 44
坡度阻抗系数
Slope鄄resistance coefficient 1 ~ 100 25 Fm=0. 8561 50 ~ 75 5 Fm=0. 8624 50 ~ 60 2 Fm=0. 8742 52
道路引力系数
Road鄄gravity coefficient 1 ~ 100 25 Co2 =0. 6411 25 ~ 100 15 Co2 =0. 6637 75 ~ 100 5 Co2 =0. 6806 90
Co1: 面积控制指标 Area control index; Po:城市像元数 City pixel number; LS:形状指数 Shape index; Fm:土地类型拟合度 Fitting degree of land
type ; Co2: Co1伊Po伊LS伊Fm.
4762 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 4摇 研究区城市范围实际图(A)和模拟图(B)
Fig. 4摇 Actual (A) and simulated map (B) of urban area in the study area.
老城市中心的进一步增长). 阜新市转型进程中城
市扩展受道路引力很大,其值达到 90;阜新市为资
源枯竭城市,矿区枯竭带来了一系列自然灾害(如
滑坡、塌陷等),表现为该期间城市扩展受到的坡度
阻抗也很大.
通过 SLEUTH校正系数的比较,发现不同的城
市和区域校正参数存在很大差异. 有学者称校正系
数为区域或城市的 DNA,说明校正系数能够体现城
市的增长规律.例如,纽约的区域扩散系数、繁衍系
数、蔓延系数、坡度阻抗系数和道路引力系数分别为
100、38、41、1、42,体现出随机增长比较显著;墨西哥
城的扩散系数、繁衍系数、蔓延系数、坡度阻抗系数
和道路引力系数分别为 24、100、100、1、55,体现出
非常大的飞地式城市增长;北京的扩散系数、繁衍系
数、蔓延系数、坡度阻抗系数和道路引力系数分别为
1、4、25、21、24,体现了北京以城市的边缘增长和道
路影响增长为主,即摊大饼式的城市空间增长[18] .
沈阳市的扩散系数、繁衍系数、蔓延系数、坡度
阻抗系数和道路引力系数分别为 30、72、36、29、52,
营口市分别为 64、34、13、76、43[18] .阜新市与沈阳市
城市发展类型较相似,均偏向新中心增长和边缘增
长.但阜新市的新中心增长及随机增长较沈阳市差,
主要由于阜新市的城市规模比沈阳市小很多,相对
于沈阳市而言,阜新市在新、老城市边缘增长上更具
有优势.就坡度阻抗系数和道路引力系数来看,阜新
市受坡度的限制比沈阳市大,主要是两个城市类型
差异对坡度要求不一致造成的,道路引力对阜新的
影响比沈阳市大,道路引力对小城市的作用大于大
城市.营口市与阜新市在城市规模上相似,但城市性
质不一样,营口市属于沿海城市,阜新市属于资源型
城市,处于资源枯竭状态,目前正是转型阶段. 营口
市更偏向随机扩散性发展,边缘发展性差,这与其城
市性质有很大关系.作为沿海城市,其随机发展性强
跟其海岸带有一定关系. 阜新市的道路引力系数远
大于营口市,主要原因在于从 2001 年阜新市转型以
来,很多新建的开发区、工业用地、企业选址上更偏
向道路交通便利区域.
2郾 2摇 SLEUTH模型的模拟结果
根据 SLEUTH模型校准所得的最佳参数,即扩
散系数为 6、繁衍系数为 64、蔓延系数为 44、坡度阻
抗系数为 52、道路引力系数为 90,基于阜新市 1997
年数据对 1998—2013 年城市空间扩展进行模拟及
历史重建.
由图 3 可以看出,阜新市城市边缘增长的模拟
效果较好,城市新中心即飞地增长模拟效果较差,因
为新中心增长受决策影响较大,元胞关系作用不大.
本文利用 Kappa指数来评价实际图与模拟图的
一致性或进行遥感解译的精度评价[19-21] .通过计算
实际城市范围图和城市范围模拟图的 Kappa指数来
定量评价模拟效果.当 Kappa逸0. 75,说明两者的一
致性很高,差异较小,即模拟效果较好,具有较高的
可信度;当 0. 4臆Kappa臆0. 75,说明两者的一致性
一般,差异明显,即模拟效果一般;当 Kappa臆0. 4,
说明两者的一致性低,差异较大,即模拟效果较差.
2001、2006、2010、2013 年阜新市城市范围模拟
图与实际图间的 Kappa 指数分别为 0. 854、0. 824、
0. 782、0. 763,均在 0. 75 以上,说明模拟结果较好.
3摇 结摇 摇 语
基于 SLEUTH 模型对阜新市 1997—2013 年城
市扩展进行模拟,结果表明,阜新市转型进程中城市
57629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴春华等: 基于 SLEUTH模型的阜新市城市扩展模拟摇 摇 摇 摇 摇 摇
扩展最优系数分别为:扩散系数 6、繁衍系数 64、蔓
延系数 44、坡度阻抗系数 52、道路引力系数 90. 从
扩散系数、繁衍系数和蔓延系数 3 个值来看,阜新市
在研究期间主要表现为新中心增长(自发式增长产
生的新城市中心)和边缘增长(新、老城市中心的进
一步增长);阜新市转型进程中城市扩展受道路引
力很大,其值达到 90;阜新市作为资源枯竭城市,矿
区枯竭所带来了一系列自然灾害,如滑坡、塌陷等.
因此,研究期间城市扩展受到的坡度阻抗也很大.
从城市规模角度来看,道路引力对小城市的作
用大于大城市;从新中心增长情况来看,小城市更容
易出现新中心增长.
从城市性质来看,营口市作为沿海城市,其海岸
带作用导致城市扩展更偏向随机扩散发展;阜新作
为资源型城市,目前确定为资源枯竭型城市,经济转
型是头等大事,引进的外资企业、新建的开发区、工
业用地等在选址上更偏向道路交通便利区域,受道
路影响较大,而且更容易出现飞地式发展.
坡度对城市的阻抗作用首先要看地形情况,地
形起伏较大地区的坡度阻抗作用偏大,其次要看城
市对地形的要求,要求越严格阻抗系数越大.
利用 SLEUTH模型校正所得的最优参数,对阜
新市城市范围进行模拟.结果表明,城市边缘增长的
模拟效果较好,城市新中心即飞地增长模拟效果较
差,主要因为新中心增长受决策影响较大,元胞关系
作用不大. 2001、2006、2010、2013 年的城市范围模
拟精度较高,符合精度要求.
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作者简介 摇 吴春华,女,1980 年生,讲师,博士研究生. 主要
从事城市景观生态学及遥感技术应用研究. E鄄mail: wuchun鄄
hua1226@ sina. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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