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【摘要]本文选择基于网络大数据表征的空间信息流，结合当前静态的城市引力模型构建城市群内部动态的作用力模型，并与城市扩张模拟中最常用的模型——元胞自动机模型进行耦合，探究基于信息流的城市群协同扩张模拟和预测模型框架，并以湖北省东部的单核城市群——武汉城市圈为典型示范应用，武汉城市圈近十年来的城市扩张变化，并对未来的城市扩张方向提出合理化的预测，为今后武汉城市圈的规划建设与发展提供决策参考，具有重要的理论和实践意义。
【关键词】空间交互作用;单核城市群;扩张模拟预测
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.
22.006
1、前言
随着区域城市化与城市区域化的发展，城市群成为中国城市化进程中最引人注目的地区，我国相关城镇化发展规划提出将长三角城市群、珠三角城市群和京津冀城市群建设为世界级城市群，这些地区将成为全国城市建设和经济发展的重要领路者和支撑者，参与全球的合作与竞争[1]。
城市用地扩张与变化模拟是城市发展研究的一个热点问题[2]。当前城市群的模拟研究多集中在单个城市，对较大区域的城市扩张模拟大多从分区模拟的角度考虑，模型忽略了城市群空间内部联系对城市扩张的影响[3]。近年来，有学者开始注重研究城市空间联系与城市群发展的关系，尝试从重力模型，数据场模型，GIS网络分析模型[4]等多方面分析城市群内部空间的联系对城市群扩张的影响，但主要从城市的人口和经济等静态指标来反应空间联系，缺乏全面性，同时，未充分考虑与城市动态模拟模型的结合，使城市群扩张模拟的精度普遍不高。
本研究基于城市规划与发展理论，以城市模拟城市未来扩张状态和方向为目的，从城市群内部空间动态联系的视角出发，围绕城市空间静态联系、动态联系及其与城市群扩张的相互关系，采用理论归纳、模型构建与实证研究相结合的思路，依据现有的城市群研究的理论方法体系，综合运用重力模型，网络信息流模型和元胞自动机模型等多种方法，探究基于网络大数据的空间信息流联系对城市群扩张的影响，构建整合信息流的元胞自动机模型框架，探究城市群尺度下更优的城市扩张模拟模型和精度检验方法。
2、以武汉城市圈典型案例开展实例研究
2.1 基于空间信息流的城市群内部空间交互作用研究
选取城市扩张研究中普遍认为对城市用地增长有影响的自然地理因子，结合互联网大数据——百度指数和空间网络流模型表征城市间的信息流，研究更全面测度城市群空间交互作用的模型，针对传统城市群模型的不足，构建整合信息流的加权城市流模型，并分析其与城市扩张的联系。
2.2 基于城市内部空间相互作用的城市群扩张模拟研究
基于传统元胞自动机模型和重力模型表征的空间相互作用在模拟城市群扩张过程中的局限性，本研究选取整合信息流的加权城市流模型与CA模型结合，综合考虑城市群内部各城市间的动态和静态相互作用对城市群建设用地扩张的影响，构建整合多种空间联系的改进元胞自动机模型，模拟城市群范围内城市土地的扩张动态，探究城市群扩张的规律。
2.3 开展城市群空间联动增长模拟及预测的应用实例研究
选取武汉1+8城市圈作为研究区，采用数据融合与同化技术构建城市用地扩张空间数据库，分析研究区内空间相互作用力的格局和变化趋势，基于研究区的特征构建基于空间交互作用的城市群扩张模拟模型，开展模型的实例化研究，并检验模型的有效性。选取最优的模型，对城市圈未来的扩张趋势做出合理的预测。
2.4 元胞自动机模型
元胞自动机（Cellular Automata，CA）是一种时间、空间均离散，具有时空计算特征的动力学模型，用于自组织系统的演变规律。其中，转换规则是元胞自动机的核心。GIS栅格中的每个格网与单个元胞完全对应，使得CA模型非常适合处理土地利用栅格数据，从而模拟土地利用类型的转换。在局部转换规则的基础上，元胞自动机通过迭代，自下而上的推演区域土地利用格局。因此，CA模型可模拟不同情境下城市扩张的情景，并采用遥感影像分类精度检验的方法检验模拟精度。
3、构建基于信息流的空间交互作用模型
在梳理有关城市空间相互作用与城市扩张模拟研究背景基础上，从城市扩张理论、城市空间联系以及网络分析视角解析城市空间动态交互作用的内涵，构建基于信息流的空间交互作用模型，分析空间交互作用与城市群扩张的关系;建立基于空间交互作用的元胞自动机转换规则，模拟城市群的扩张，以湖北省武汉城市圈为研究区，收集整理研究区内的多期土地利用数据、遥感影像数据，基础地理信息数据、社会经济统计数据以及其他辅助数据，开展实地调研，进行模型应用，并验证其科学性。
3.1 网络大数据环境下城市空间动态相互作用的构建技术
基于网络大数据表征城市间的动态联系，弥补传统引力模型分析城市群空间作用力的不足，全面地反应城市群间的动态与静态联系。
3.2 整合信息流模型的城市群扩张模拟关键技术
构建合适的元胞自动机转换规则，整合信息流模型及传统的城市流模型，在充分顾及城市间相互作用力的前提下模拟城市群扩张的情景，并且基于城市群尺度如何选择合适的精度检验方法，也是本研究需要解决的问题
3.3 单核城市群城市扩张模拟关键技术及预测典型示范应用
除方法模型外，研究案例主要集中在我国较发达的沿海城市群，如京津冀城市群，长三角城市群，珠三角城市群等，这些城市群均为多核城市群，城市之间有显著的等级差异。而武汉城市圈是为数不多的单核城市群，又是湖北省经济发展的风向标，因此，如何构建科学的单核城市群扩张及预测模型，结合武汉城市圈作为单核城市群的典型特征，探索武汉城市圈扩张中空间联系对城市扩张的影响，也是本研究的一个技术难题。
参考文献：
[1]何建华等，顾及空间交互作用的城市群联动空间增长模拟——以武汉都市区为例.武汉大学学报（信息科学版），2016.41（4）：462-467页.
[2]高金龙.陈江龙，中国城市扩张态势与驱动机理研究学派综述.地理科学进展，2013.32（5）：743-754页.
[3]杨青生.黎夏，多智能体与元胞自动机结合及城市用地扩张模拟.地理科学，2007（04）：p.542-548.
[4]焦利民，唐欣.刘小平，城市群视角下空间联系与城市扩张的关联分析.地理科学进展，2016（10）：1177-1185頁.
作者简介：
何力，1989年8月生，长江大学教师，讲师，研究方向：城市土地利用及大数据与城市规划研究
课题：2019年湖北省自然科学基金计划青年项目“基于空间交互作用的单核城市群扩张模拟预测及应用研究（项目编号：2019CFB355）
（本文作者单位为长江大学，湖北荆州，434023）
【关键词】空间交互作用;单核城市群;扩张模拟预测
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.
22.006
1、前言
随着区域城市化与城市区域化的发展，城市群成为中国城市化进程中最引人注目的地区，我国相关城镇化发展规划提出将长三角城市群、珠三角城市群和京津冀城市群建设为世界级城市群，这些地区将成为全国城市建设和经济发展的重要领路者和支撑者，参与全球的合作与竞争[1]。
城市用地扩张与变化模拟是城市发展研究的一个热点问题[2]。当前城市群的模拟研究多集中在单个城市，对较大区域的城市扩张模拟大多从分区模拟的角度考虑，模型忽略了城市群空间内部联系对城市扩张的影响[3]。近年来，有学者开始注重研究城市空间联系与城市群发展的关系，尝试从重力模型，数据场模型，GIS网络分析模型[4]等多方面分析城市群内部空间的联系对城市群扩张的影响，但主要从城市的人口和经济等静态指标来反应空间联系，缺乏全面性，同时，未充分考虑与城市动态模拟模型的结合，使城市群扩张模拟的精度普遍不高。
本研究基于城市规划与发展理论，以城市模拟城市未来扩张状态和方向为目的，从城市群内部空间动态联系的视角出发，围绕城市空间静态联系、动态联系及其与城市群扩张的相互关系，采用理论归纳、模型构建与实证研究相结合的思路，依据现有的城市群研究的理论方法体系，综合运用重力模型，网络信息流模型和元胞自动机模型等多种方法，探究基于网络大数据的空间信息流联系对城市群扩张的影响，构建整合信息流的元胞自动机模型框架，探究城市群尺度下更优的城市扩张模拟模型和精度检验方法。
2、以武汉城市圈典型案例开展实例研究
2.1 基于空间信息流的城市群内部空间交互作用研究
选取城市扩张研究中普遍认为对城市用地增长有影响的自然地理因子，结合互联网大数据——百度指数和空间网络流模型表征城市间的信息流，研究更全面测度城市群空间交互作用的模型，针对传统城市群模型的不足，构建整合信息流的加权城市流模型，并分析其与城市扩张的联系。
2.2 基于城市内部空间相互作用的城市群扩张模拟研究
基于传统元胞自动机模型和重力模型表征的空间相互作用在模拟城市群扩张过程中的局限性，本研究选取整合信息流的加权城市流模型与CA模型结合，综合考虑城市群内部各城市间的动态和静态相互作用对城市群建设用地扩张的影响，构建整合多种空间联系的改进元胞自动机模型，模拟城市群范围内城市土地的扩张动态，探究城市群扩张的规律。
2.3 开展城市群空间联动增长模拟及预测的应用实例研究
选取武汉1+8城市圈作为研究区，采用数据融合与同化技术构建城市用地扩张空间数据库，分析研究区内空间相互作用力的格局和变化趋势，基于研究区的特征构建基于空间交互作用的城市群扩张模拟模型，开展模型的实例化研究，并检验模型的有效性。选取最优的模型，对城市圈未来的扩张趋势做出合理的预测。
2.4 元胞自动机模型
元胞自动机（Cellular Automata，CA）是一种时间、空间均离散，具有时空计算特征的动力学模型，用于自组织系统的演变规律。其中，转换规则是元胞自动机的核心。GIS栅格中的每个格网与单个元胞完全对应，使得CA模型非常适合处理土地利用栅格数据，从而模拟土地利用类型的转换。在局部转换规则的基础上，元胞自动机通过迭代，自下而上的推演区域土地利用格局。因此，CA模型可模拟不同情境下城市扩张的情景，并采用遥感影像分类精度检验的方法检验模拟精度。
3、构建基于信息流的空间交互作用模型
在梳理有关城市空间相互作用与城市扩张模拟研究背景基础上，从城市扩张理论、城市空间联系以及网络分析视角解析城市空间动态交互作用的内涵，构建基于信息流的空间交互作用模型，分析空间交互作用与城市群扩张的关系;建立基于空间交互作用的元胞自动机转换规则，模拟城市群的扩张，以湖北省武汉城市圈为研究区，收集整理研究区内的多期土地利用数据、遥感影像数据，基础地理信息数据、社会经济统计数据以及其他辅助数据，开展实地调研，进行模型应用，并验证其科学性。
3.1 网络大数据环境下城市空间动态相互作用的构建技术
基于网络大数据表征城市间的动态联系，弥补传统引力模型分析城市群空间作用力的不足，全面地反应城市群间的动态与静态联系。
3.2 整合信息流模型的城市群扩张模拟关键技术
构建合适的元胞自动机转换规则，整合信息流模型及传统的城市流模型，在充分顾及城市间相互作用力的前提下模拟城市群扩张的情景，并且基于城市群尺度如何选择合适的精度检验方法，也是本研究需要解决的问题
3.3 单核城市群城市扩张模拟关键技术及预测典型示范应用
除方法模型外，研究案例主要集中在我国较发达的沿海城市群，如京津冀城市群，长三角城市群，珠三角城市群等，这些城市群均为多核城市群，城市之间有显著的等级差异。而武汉城市圈是为数不多的单核城市群，又是湖北省经济发展的风向标，因此，如何构建科学的单核城市群扩张及预测模型，结合武汉城市圈作为单核城市群的典型特征，探索武汉城市圈扩张中空间联系对城市扩张的影响，也是本研究的一个技术难题。
参考文献：
[1]何建华等，顾及空间交互作用的城市群联动空间增长模拟——以武汉都市区为例.武汉大学学报（信息科学版），2016.41（4）：462-467页.
[2]高金龙.陈江龙，中国城市扩张态势与驱动机理研究学派综述.地理科学进展，2013.32（5）：743-754页.
[3]杨青生.黎夏，多智能体与元胞自动机结合及城市用地扩张模拟.地理科学，2007（04）：p.542-548.
[4]焦利民，唐欣.刘小平，城市群视角下空间联系与城市扩张的关联分析.地理科学进展，2016（10）：1177-1185頁.
作者简介：
何力，1989年8月生，长江大学教师，讲师，研究方向：城市土地利用及大数据与城市规划研究
课题：2019年湖北省自然科学基金计划青年项目“基于空间交互作用的单核城市群扩张模拟预测及应用研究（项目编号：2019CFB355）
（本文作者单位为长江大学，湖北荆州，434023）