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项目结题摘要
项目结题成果报告
以下研究成果内容摘自项目结题成果报告。该项目报告共计69页，关注城市数据派微信公众号，在微信公众号对话框中输入 24108，即可获得报告全文PDF的下载方式：
内容一: 南京城市扩展时空特征分析
1)土地利用结构分析:获取南京市1980、1995、2000、2005和2010年土地利用数据，统计分析各类土地面积、土地利用变化情况和各年土地利用结构比例；
2)土地利用转移矩阵:分别计算1980-1995年、1995-2000、2000-2005年和2005-2010年的土地利用转移矩阵，反映研究时段内各土地利用类型的转移变化情况,便于了解研究期初各类型土地的流失去向以及研究期末各土地利用类型的来源与构成;
3)景观指数:分别计算南京市1980年、1995、2000、2005年和2010年的景观指数，南京研究区域1980年至2010年块数目在增加，块密度呈逐渐增加趋势，整体景观聚集度在降低，分离度呈增加趋势，景观整体破碎化程度增强，说明人为作用在加剧;
4)城市扩展空间分异特征:采用扇形分析和同心圆分析方法，分析南京城市扩展空间分异特征，2000年以来，南京外围次级城市中心区域与主城区逐步实现连接，逐渐形成一个主城、三个副城(东山仙林、江北)的空间格局。由扇形分析结果可见南京市城镇建设用地扩张呈现一定的集中集聚特征，其向北和东南方向发展趋势明显。同心圆分析结果表明，率京市建设用地扩张呈现一定的圈层结构特征。1980-2010年，南京市建设用地逐渐向外扩张,全市范围内存在两个明显的建设用地扩张中心,分别在14-18km和30-36km 处。而在远离市中心更远的偏远郊县则可能会在个别政策或引资行为的驱动下，形成零星的扩张中心。
内容二: 顾及城市扩展模式的元胞自动机模型(UEP-CA)
1)城市扩展模式分析:综合已有研究，采用填充式、蔓延式和飞地式三种扩张模式来界定南京市城市扩张模式。填充式扩张是指在已经形成的城市区域内部进行空隙填充;蔓延式扩张是指在城市区域边缘的扩张，新增用地与现状用地存在公共边界:飞地式扩张是指新增用地脱离了城市外围边界,形成了新的地块综合公共边测度、凸壳模型两种建设用地扩张模式划分方法，形成两种方法下的扩张模式矩阵,并对所有新增建设用地斑块扩张模式构成的综合矩阵进行比较分析，按一定规则确定最终扩张模式，分别计算1980-1995年、1995-2000年、20002005年、2005-2010年南京市城镇用地扩张模式。
2)顾及城市扩展模式的元胞自动机模型(UEP-CA)构建:不同城市增长式下，城市面积的几何属性和空间分布各不相同。结合凸壳分析、公共边缘分析和综合矩阵分析，将城市扩展模式分为填充型、扩展型和飞地型三种类型，提出一种考虑城市扩展模式的基于城市扩展模式的CA模型(简称UEP-CA)。在UEPCA模型中构建了填充型、扩散型和飞地型城市增长的过渡规律。推导过渡规律的空间变量分为两部分:利润因素和成本因素。利润因素包括不同类型的距离变量来反映交通的可达性。将土地利用类型、DEM、坡度等物理性质定义为成本因子。在三种城市扩展模式中，这些因素的系数值各不相同。利用UEP-CA模型对南京市的城市发展进行了模拟。模拟结果表明，不同类型城市扩展模式的演化过程存在显著差异。UEP-CA模型对城市单元的精度为86.8%,Kappa系数为0.732。模型验证与比较结果表明，不考虑城市扩展模式的UEP-CA模型总体上表现较好。UEP-CA 模型能较好地反映不同扩张模式下城市增长的演化过程和机制。
内容三: 基于灰狼优化算法的元胞自动机模型(GWO-CA)
1)基于灰狼优化算法(Grey WolfOptimizer,GWO)的 CA转换规则智能挖掘算法在地理 CA中，每类元胞状态的定义需要特定属性条件的构成，转换规则构造的具体操作方式在于将这些属性区间和属性节点逻辑相连接便构成一个组合，完成元胞自动机的转换过程。灰狼优化算法利用灰狼种群内部的等级制度，实现了对目标猎物函数的优化过程。灰狼分为α、β、δ和ω四个等级，α狼是一个狼群的首领，拥有最高决策权，后面的狼等级逐次降低。一次完整的搜捕猎物的过程包含三个步骤，分别是搜寻、包围和攻击。灰狼在搜寻猎物时的一个重要的判断标准就是与猎物之间的距离。地理CA转换规则的实质就是求解元胞状态更改变化的条件组合，不同的属性条件的逻辑组合决定元胞下一时刻状态如何转变利用逻辑判断语句“if…then.”的形式对地理CA转换规则进行表达，初始规则的形式构成特点表达为:IF<条件1>And<条件 2>…..And<条件 n>Then 元胞状态。
2) GWO-CA模型构建与模拟实现
结合GWO 算法和元胞自动机模型构建城市扩张模型，并将构建的GWOCA模型用于模拟南京市2005年到2013年城市扩展。具体包括以下步骤:(1)获取两期不同时间的地理数据的变化的样本数据进行采样得到样本数据集:(2)对获取的样本数据集进行数据规约化处理,并将规约化数据处理之后的样本数据集导入 GWO-CA 主算法中，完成CA转换规则的智能获取;(3)对每个CA元胞状态的转换类型进行规则挖掘:(4)对算法求解的CA转换规则采用’AND’操作符和’IF-Then’格式的的程序语言表达方法,并将获取的转换规则提取并以文本文件的形式输出;生成CA转换规则的文档集合。(5)采用matlab程序语言在Matlab R2016a软件集成开发环境中实现基于灰狼优化算法的元胞自动机转换规则智能获取算法，并利用GWO-CA 算法共获取高质量的转换规则58条。将构建好的 GWO-CA 模型用于南京市城市扩张模拟，经过对结果的分析，GWO-CA方法的模拟结果与真实情况的对比的总体精度为91.90%;MoronI指数实际情况为0.777,模拟结果为 0.762;通过模拟结果与实际情况计算出Kappa 系数为 0.715。内容四:矢量元胞自动机的模型敏感性分析元胞自动机模型的敏感性分析一直是模型研究的重要方面,本研究重点对元胞邻域定义的敏感性进行了分析。邻域是指CA模型中的邻居元胞对中心元胞的影响力范围，反映了元胞在微观层面上的相互作用，进而产生宏观层面上更加复杂的动态变化。选择伊普斯维奇市，作为矢量CA邻域敏感性分析的实验区。邻域敏感性分析实验划分为三个阶段:邻域选取与计算，模型训练及模拟，结果输出与精度计算。首先，将研究区抽象为元胞空间，并根据元胞的尺寸与邻居关系设定一系列的待选邻域半径;其次,利用不同的邻域半径生成相应的训练数据集进行矢量 CA 模型的规则挖掘,并使用所挖掘的转换规则,对研究区在1999-2016年间的居住用地变化进行模拟:最后，以研究区2016年实际的居住用地分布作为参考，对不同邻域半径下的居住用地模拟结果进行计算和比对，从而确定模型在不同邻域下的精度变化，即敏感性分析的结果。
(2)取得的主要研究进展、重要结果、关键数据等及其科学意义或应用前景。
内容一: 南京城市扩展时空特征分析
1.1城市土地利用结构分析
研究区域1980、1995、2000、2005和2010年各类土地面积统计、土地利用变化情况和各年土地利用结构比例分别如表1-1、表1-2和图1.1所示。从1989年至2007年，耕地面积持续减少，从1980年耕地305884.74公顷，面积比64.82%，减少至 2010年耕地 243828.18 公顷，面积比例51.67%;城镇用地面积持续增加，由69512.43 公顷，面积比例14.73%，增加至130789.63公顷，面积比例 27.71%。
1980年南京市建设用地总面积为69512.43hm²，主要集中在江南主城区、江北大厂、浦口区的老城区及雄州街道、珠江街道。1995年建设用地总面积77949.49hm²，比1980年增加了8437.06hm²，增加的用地主要在主城区的周边。2000年建设用地总量为88250.87hm²，比1995年增加了10301.38hm²，增加的用地主要在主城区与江宁的东山镇之间，以及主城长江的上游和下游方向。2005 年城镇用地总面积为97743.25hm²，比 2000年增加了 9492.38hm²。2010年城镇用地总面积为130789.63hm²，比2005年增加了 33046.38hm²。2000年以来增加的区域主要在仙林、东山、江北新区。2000年后，南京城镇用地大幅度增长，主要与南京大力推进“一城三区”及开发区建设有直接的关系。
从土地利用结构图1.1可以看出，耕地一直是南京地区主要的用地类型，然而耕地的面积逐年缩小，所占比例逐年减小，且缩减的速度越来越快。城镇用地面积逐年增长，所占比例逐年增加，且增加的速度越来越快。可以看出城市建设用地的快速增长一方面支撑城市经济发展，增加地方财政收入，促进城市空间结构的优化;另一方面城市建设用地的快速增长也蚕食了优质农田和生态用地。
1.2土地利用转移矩阵
转移矩阵不仅可以反映研究初期、研究末期的土地利用类型结构，同时还可以反映研究时段内各土地利用类型的转移变化情况,便于了解研究期初各类型士地的流失去向以及研究期末各土地利用类型的来源与构成。分别计算19801995年、1995-2000、2000-2005年和2005-2010年的土地利用转移矩阵如表1-3、表 1-4、表 1-5 和表 1-6 所示。
1.3 景观格局分析
量化景观格局是研究景观结构-功能之间相互关系的基础与前提(陈文波2007)，分别计算南京市1980年、1995、200哦、2005年和2010年的景观指数得不同景观水平指数和景观类型水平指数如表1-7，表1-8，表1-9，表1-10、表1-11 和表 1-12 所示。
由表1-7，表1-8，表1-9，表1-10、表1-11和表1-12所示，南京研究区域1980年至2010年斑块数目在增加，斑块密度呈逐渐增加趋势，整体景观聚集度在降低，分离度呈增加趋势，景观整体破碎化程度增强，说明人为作用在加剧。景观形状指数和景观分维数呈递增趋势，说明景观斑块形状趋于复杂化;景观多样性和均匀度均增加，这意味着景观优势度的降低，景观优势组占支配地位的程度在降低，这主要因为耕地面积在减少，所占比例在下降，导致耕地对景观的控制作用减弱。
1.4空间分异特性
城镇用地空间格局变化是土地利用研究的核心内容之一,其演化的动态特征深刻反映了城市化进程及城市空间结构的变化规律。扇形与同心圆分析方法能够很好地表征建设用地扩张的空间格局特征。其中，形分析通过计算不同方向的建设用地扩张指数，能较好地描述建设用地扩展的方位分异格局，但该方法不揭示建设用地随距离变化的空间格局特征;而基于缓冲区分析的圈层分析方法能很好地描述建设用地的距离扩张空间格局特征,但不能揭示地理事物的方位空间分异格局。因此将两种方法结合使用，通过计算不同方向和距城市中心不同距离圈层的建设用地扩展分异指数，对城市建设用地扩展的空间分异格局进行研究。(1)南京市城镇用地扩张总体趋势南京市城镇建设用地扩张总体态势如图1.2所示。南京市城市建设用地扩张主要集中于主城区周围，同时在多个次级中心发生。2000年以来，外围次级城市中心区域与主城区逐步实现连接，逐渐形成一个主城、三个副城(东山、仙林、江北)的空间格局。
(2)扇形分析
扇形分析分析是指以研究区的中心为圆心，选取适当半径将研究区划分成若干相等扇形区与各时期遥感图层进行叠加,通过计算不同方向的扩展指数描述建设用地的方向结构特征。
本文选取南京市新街口地区汉中路与中山路交汇处环形广场为中心，选取能包含所有建设用地长约95km的半径，以东偏北11.25为起点，将研究区划分成16个夹角相等的扇形区域，通过计算不同方位的城镇建设用地面积描述建设用地扩张的空间特征。扇形分析结果如图1.3所示，单位为千公顷。
由扇形分析结果可见南京市城镇建设用地扩张呈现一定的集中集聚特征,其向北和东南方向发展趋势明显。总体上，南京市建设用地扩张在以老城区为中心的各个方向均有发生。其中，向东、东东北、东北、西南和东南南、东南方向建设用地扩张相对速度最快，1980-2010年，这六个方向城镇建设用地扩张了2.73.0、2.7、2.8、2.4、2.7倍。其次为西南南、南、东南南、和东东南方向，19802010年，这四个方向城镇建设用地扩张了2.0、2.4、2.4、2.3倍。而在北北东和西西南方向，由于长江阻隔(过江通道辐射不到)，其建设用地扩张受限。
(3)同心圆分析
同心圆分析是指选定研究区域中心，以等长增长的半径建立多重圆形缓冲区与各时期用地图层进行叠加，分析城市建设用地的圈层结构特征。本文选取南京市新街口地区汉中路与中山路交汇处环形广场为中心，以3km为间隔，生成覆盖全市域的 22 个缓冲环，分别对1980、1995、2000和 2005 年和 2010的建设用地进行切割，以获取不同圈层城市建设用地信息。利用ArcGIS基础分析工具中的Clip工具对南京市建设用地按照22个圈层进行切割，再利用GeometrCalculate 工具,计算得到这 22个圈层内建设用地的面积。1980-2010年南京市建设用地扩张的同心圆分析结果如图1.4所示。其中横轴代表到市中心点的距离，单位为Km;纵轴代表建设用地的面积，单位为公顷。
同心圆分析结果表明，南京市建设用地扩张呈现一定的圈层结构特征。1980-2010年，南京市建设用地逐渐向外扩张，全市范围内存在两个明显的建设用地扩张中心，分别在14-18km和30-36km处。而在远离市中心更远的偏远郊县则可能会在个别政策或引资行为的驱动下，形成零星的扩张中心，内容二:顾及城市扩展模式的元胞自动机模型(UEP-CA)。
2.1城市扩张模式分析
城市扩张模式研究是区域研究的热点领域,目前国内外研究学者针对城市扩张模式的研究取得了一些成效,但关于城市扩张模式的定义和类型存在着不同的描述方法。岳文泽等指出杭州市扩张模式有边缘式、填充式、自发式和线性轴状:Wilson 等指出城市扩张模式有蔓延式、填充式和跳跃式3种;李晓文等将上海市扩张模式界定为单核扩展模式和点一轴扩展模式;董延旭等将绵阳市的城市扩张模式界定为一中心、多组团、三轴向、“Y”字形扩张模式。对于平原地区城市而言，土地利用空间扩张模式主要有圈层式、辐射式和跳跃式等。
本研究以填充式、蔓延式和飞地式3种扩张模式来界定南京市城市扩张模式如图2.1所示，填充式扩张是指在已经形成的城市区域内部进行空隙填充;蔓延式扩张是指在城市区域边缘的扩张，新增用地与现状用地存在公共边界;飞地式扩张是指新增用地脱离了城市外围边界，形成了新的地块。
2.1.1基于公共边测度的城市扩张模式分析
公共边测度方法是根据新增建设用地与现状建设用地斑块的公共边界长度同新增建设用地总边长的比率判定城市扩张模式。其关键点在于:1)确定新增建设用地斑块与现状建设用地斑块的公共边;2)通过计算公共边与新增斑块周长的比值确定新增斑块所属扩张模式。其划分依据为:
2.1.2基于凸壳模型的城市扩张模式分析
刘纪远、王新生、庄大方等人针对目前尚缺乏定量方法确定城市用地扩展类型的问题,首次提出了利用计算几何中的凸壳原理来识别城市空间扩展类型的新方法，阐述了该方法的实现步骤和判别标准，并由此对安徽省城市空间扩展的类型进行识别，模拟、分析安徽省城市空间形态发展变化，得出安徽城市建设用地扩展的现状以及由此产生的城市形态后果。
点集的凸壳是指包含所有点的最小凸多边形。对点集P而言，其凸壳Pc是这样一个凸多边形，如果存在包含P的另一个凸多边形P0，则Pc真属于PO，因此Pc是包含P的最小凸多边形。通过将复杂的面状目标、线状目标抽象为点点集的方法。这个抽象过程相对简单，对于面状目标，首先计算各个目标的形心(或重心)构成点状目标，成为点集成员，即以点带面，使点成为面的替身，使面集凸壳转换为点集凸壳;对于现状目标，首先在线目标上抽取若干个点，使这些点构成对线状目标的逼近，这些点成为点集成员，即以点带线，使点成为线的替身，使线集凸壳转换为点集凸壳。
该方法主要基于空间数据转换处理系统FMEDesktop 2013 实现。首先，生成现状建设用地主体边界上所有节点，组成节点集合;其次，借助FME软件中Workbench平台下的HullAccumulator 函数生成点集的最小外接凸多边形，即建设用地凸壳;最后，根据新增建设用地斑块在凸壳内外部分面积比例确定其扩张模式:当凸壳内部分大于凸壳外部分时，定义为填充式扩张，反之即为蔓延式扩张将完全脱离凸壳的新增建设用地斑块定义为飞地式扩张。
2.1.3基于综合矩阵的城市扩张模式分析
综合上述两种建设用地扩张模式划分方法,将城市建设用地扩张划分为填充式、蔓延式、飞地式三种模式，形成两种方法下的扩张模式矩阵，并对所有新增建设用地斑块扩张模式构成的综合矩阵进行比较分析，按一定规则确定最终扩张模式。
即当两种建设用地扩张模式划分结果相异时，采用分析规则如下:
凸壳方法识别出的填充式扩张,表明新增建设用地斑块主体位于城市建设用地边界内部，因此不存在常规意义上的飞地式扩张，故将公共边方法识别出的飞地式扩张划归蔓延式扩张;相类似地，凸壳方法识别出的飞地式扩张，表明新增建设用地斑块完全位于城市建设用地边界之外，远离城市主建设用地组团，无论公共边方法识别结果如何均划归飞地式扩张;而对于凸壳方法识别出的蔓延式扩张,表明新增建设用地斑块主体位于城市建设用地边界之外，不存在常规意义上的填充式扩张，故将公共边方法识别出的填充式扩张划归蔓延式扩张。
2.1.4 南京市1980-2010年城镇用地扩张模式
按照上述方法(公共边测度、凸壳模型、综合矩阵分析)分别计算19801995年、1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年南京市城镇用地扩张模式演化。如下图所示。
从城镇用地扩张模式演化图可以看出:
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原文始发于微信公众号（城市数据派）：不规则矢量CA和多主体模型如何重塑我们对城市空间扩展的理解？丨城市数据派
