规划问道本刊“学术动态（Planning Reviews）”栏目，推介国内外学术书籍和文献报告、关注国际研究动态和前沿热点、分享规划案例研究。本期“城市规划技术与方法”专栏，向大家推介一篇上海城市土地变化情景模拟的研究文献。
（专栏编辑：肖扬，同济大学建筑与城市规划学院副教授）
来源：ZHOU L， DANG X， SUN Q， et al. Multi-scenario simulation of urban land change in Shanghai by random forest and CA-Markov model[J]. Sustainable Cities and Society，2020，55：102045.
1. 引言
城市化带来了经济机会并改善了生活质量，但它也带来了一些负面后果，通过优化城市空间扩张来解决这些负面影响越来越受到全球城市规划者和决策者的重视，城市土地变化模拟是当前城市地理学研究的热点，相关研究大致可分为两类：预测城市土地规模和模拟城市空间扩展。
在模拟城市扩张的研究中，CA （cellular automata）等微尺度动态模型是模拟城市化模式最稳健的技术之一，随机森林（random forest，RF） 算法具有良好的解释性和适度的时间复杂度，能够反映各空间变量对预测的贡献，本文构建了一个RF-CA-Markov模型，探讨了在无约束开发和规划干预开发两种情景下上海2015—2030 年城市土地变化的规模和空间格局。
2. 研究区域和数据集
上海总体规划提出，到2035年，建设用地总量应控制在3200 km²以内，通过优化生态区、农业区和城区，上海旨在成为高密度特大城市可持续发展的典范。
本文收集了历史土地使用数据、驱动因素数据和约束因素数据。土地利用数据由中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn） 提供。
3. 研究方法：RF-CA-MC模型
本文提出的方法结合了CA、马尔可夫链（MC） 和随机森林算法（RF）。其中，MC用于计算城市发展需求，RF用于探索从自然土地向城市土地转换的细胞潜力，CA模型用于模拟和预测最终的城市土地变化。
4. 结果
4.1 2010—2015年城市土地模拟
根据随机森林算法的结果，首先推导出影响城市土地分布的驱动因素的重要性，人口、GDP和地铁距离对城市土地变化的影响是重要的。空间模拟结果表明，模拟结果与实际土地利用情况具有较高的一致性。
4.2 不受约束的发展
城市扩张速度呈上升趋势：2020 年、2025 年、2030 年城市用地面积分别为2608.33 km²、2849.72 km²、3136.30 km²。2015—2030年均增长率为2.26%，超过2010—2015年的年均增长率1.44%。
进一步分析未来城市土地变化的空间格局，从中心到外围，生长速度逐渐增大。
4.3 规划干预发展
有规划干预的情景是基于不受约束的发展，并增加了对生态、耕地和文化保护的限制。2015—2030年城市面积将继续增长，但其增长速度将明显变小。
将2015年的城市土地与规划干预开发情景下的模拟结果进行叠加，以城市中心为原点，城市土地不再出现大面积扩张。从城市中心到外围，增长速度逐渐增加，但从时间上看下降。
5. 讨论
关于城市土地流转驱动因素分析，主要受社会经济因素、交通网络和基础设施距离、区域中心距离等因素的影响，像上海这样总体地势平坦的城市，DEM和坡度可能由于变异性的缺乏而不如人口等因素重要。
对比不同情景下的结果，发现城市规划对城市发展具有重要的指导作用。在规划的约束下，未来的城市土地面积比无约束开发的城市土地面积要小得多。从片区城市土地开发来看，情况各不相同：部分片区在不同情景下，由于相同原因，发展趋势相同，如由于经济快速发展和人口众多等，2010—2015年黄浦区和虹口区城市用地已趋于饱和，到2030年，城市土地面积中的份额预计将保持不变。而有的片区在不同情景下有同样的发展趋势，其原因却可能不同。
未来，可以进一步计算城市增长的边界，在模型中加入更详细的规划数据，如交通规划、区域规划的相关数据。另外，可从二维走向三维，对城市的发展关注建筑的高度。
6. 结论
本文以上海市为例，将随机森林算法与CAMarkov模型相结合，模拟了2015年的城市增长，并提供了两种情景来预测2015—2030年的城市土地变化。2015年的模拟结果表明，综合模型适用于城市土地变化的模拟。根据随机森林算法的相对重要性测度，人口、GDP、到地铁的距离对转换成城市用地的概率影响较大。在无约束发展情景下，未来上海城市用地将呈现快速、大规模增长，城市增长速度将加快。“中心—外围”的空间特征将突出。2015—2030 年浦东新区、嘉定区和崇明区城市用地将发生剧烈变化。在有规划干预的情景下，虽然城市土地面积将继续增长，但城市扩张将呈现低速、紧凑、智能增长的特征。由于文化保护、大型生态公园、生态、耕地保护等多重因素的影响，普陀区、长宁等部分地区将出现城市用地减少。总体而言，城市土地变化较大的地区将是崇明、浦东新区和闵行区。
（供稿：姜文文，同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生）
本文为《城市规划学刊》原创文章
欢迎在朋友圈转发
识别二维码 订阅本刊2017-2021年电子阅读版
URBAN PLANNING FORUM Since 1957
创新性、前瞻性、学术性
中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国人文社会科学核心期刊、中文社会科学引文索引来源期刊（CSSCI）、中国期刊全文数据库（CJFD）全文收录期刊，中国学术期刊综合评价数据库（CAJCED）统计源期刊，中国科学引文数据来源期刊，RCCSE中国核心学术期刊
投稿链接：http://cxgh.cbpt.cnki.net
Email: upforum@vip.126.com
电话：021-65983507
传真：021-65975019
微信号：upforum
原文始发于微信公众号（城市规划学刊upforum）：【学术动态】基于随机森林和CA-Markov模型的上海城市土地变化多情景模拟 | 2022年第6期
