雄安新区土地利用变化及其经济影响预测研究_何旭东.pdf

第 46 卷 第 6 期2023 年 6 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 46，No 6Jun，2023收稿日期:20210823作者简介:何旭东(1999)，男，辽宁沈阳人，测绘工程专业在读本科生。雄安新区土地利用变化及其经济影响预测研究何旭东，石强，王炜，林姿静，于航鉴，滕浩(辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000)摘要:雄安新区承担着疏解北京非首都功能的职责，发挥着促进京津冀地区协同发展的重要使命，预测其规划与基础设施建设发展的经济影响，对于推进新区高质量发展具有重要科学指导意义。本研究首先基于 InVEST模型与 Dinamica EGO 模型模拟了在生境质量约束下雄安新区建设用地的时空演变，并据建设用地类型设置了相应人口密度，预测分析了 2035 年新区的人口发展规模。基于未来人口规模利用 SASI 模型预测了 2035 年雄安新区各镇的经济发展趋势，设置了公路交通基础设施、铁路交通基础设施、公路与铁路交通基础设施 3 种情景，探究了 3 种情景下雄安新区土地利用变化及其社会经济发展影响。关键词:雄安新区;土地利用;可达性;Dinamica EGO 模型;SASI 模型中图分类号:P208文献标识码:A文章编号:16725867(2023)06014004Prediction of Land Use Change and Its EconomicImpact in Xiongan New AreaHE Xudong，SHI Qiang，WANG Wei，LIN Zijing，YU Hangjian，TENG Hao(School of Surveying，Mapping and Geographical Sciences，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)Abstract:Xiongan new area undertakes the responsibility of relieving Beijings noncapital functions and plays an important role inpromoting the coordinated development of Beijing Tianjin Hebei region Predicting the economic impact of its planning and infrastruc-ture construction development has important scientific guiding significance for promoting the highquality development of the new areaFirstly，based on InVEST model and Dinamica EGO model，this study simulated the spatialtemporal evolution of construction land inXiongan New Area under the constraint of habitat quality，set the corresponding population density according to the type of construc-tion land，and predicted and analyzed the population development scale of the new area in 2035 Based on the future population size，the economic development trend of towns in Xiongan New Area in 2035 is predicted by using SASI model Three scenarios of highwaytransportation infrastructure，railway transportation infrastructure，highway and railway transportation infrastructure are set up to ex-plore the land use change and its impact on social and economic development of Xiongan New Area under the three scenariosKey words:Xiongan New Area;land use;accessibility;Dinamica EGO model;SASI model0引言雄安新区的土地利用变化与经济发展直接影响人口的转移，对于疏解北京的非首都功能，解决北京、天津等城市的“大城市病”有着重要作用14。基于现有研究成果，本研究对于雄安新区未来的土地利用变化及经济情况进行模拟与定量研究。首先利用 InVEST 模型与 Di-namica EGO 模型在政策规划的基础上模拟了在生境质量约束下新区的建设用地变化，通过对不同的建设用地类型分配不同的人口密度，确定新区未来的人口规模。在此人口规模下，基于 SASI 模型预测了新区未来的 GDP，量化了 2035 年雄安新区各地区的经济发展情况，能够为新区未来的产业转移、人口迁移及发展建设提供参考依据59。1研究区概况与数据来源雄安新区规划范围包括河北省雄县、容城、安新 3 县及周边部分区域，共辖 33 个乡镇，土地总面积 1 770 km2。地质条件稳定、生态环境优良、资源环境承载能力较强，现有开发程度较低、发展空间充裕，具备高起点高标准开发建设的基本条件。本研究采用的 2015 年与 2019 年两期 Landsat8 遥感影像均来源于 USGS(美国地质调查局)。人口/经济数据以及道路数据分别来源于资源环境云平台和 Open StreetMap 网站，利用 ArcGIS 10 2 软件进行距离分析、裁剪，SASI 模型中的社会经济数据均来源于中国统计年鉴、河北省经济年鉴、保定市经济年鉴、中国县域统计年鉴、河北雄安新区规划纲要。2研究方法2 1生境质量评估本研究使用 InVEST 3 7 0 版本中的生境质量模块来评估雄安新区的生境质量情况，生境质量在模型中被视为连续变量，范围从低到高9，通常生境质量会随着土地利用强度的增加而降低1013。根据研究区当前的土地利用和社会经济发展状况，同时参考和现有研究成果，本研究选取 GDP、人口、道路及建设用地作为威胁因素。2 2土地利用变化模拟2035 年雄安新区的土地利用变化情况通过 DinamicaEGO 模型实现，Dinamica EGO 中的土地利用变化模型是基于元胞自动机的模型原理，以估计和预测土地利用类型随时间变化的数量和空间配置，Dinamica EGO 模型根据马尔科夫模型确定土地利用类型的转化数量14。2 3区域可达性模拟区域可达性模型计算每个区域相对于该区域和其他区域区位优势的可达性指标，可达性的计算应该遵循以下 3 个准则:第一，可达性指标应尽可能地解释区域经济发展;第二，可达性指标本身是有意义的;第三，可达性指标应与人类的空间感知和行为经验知识相一致。因为新区主要是为了疏解北京的非首都功能及促进京津冀地区的协同发展，因此本研究中主要研究雄安新区到达北京、天津的可达性，以栅格间的直线距离计算出行时间。2015年区域内的出行时间以 50 km/h 计算，到达北京、天津的公路出行时间以 80 km/h 计算;铁路出行时间以 250 km/h计算，在 2035 年可达性计算中，区域内的出行时间以80 km/h 进行计算，公路出行时间以 120 km/h 计算，铁路出行时间以350 km/h 进行计算。在可达性的计算中，还需定义高铁站与高速公路入口的位置，以确定雄安各镇到达北京、天津的确切时间，其可达性的计算如式(1)所示:Ar(t)=ak(t)(1)式中，Ar(t)表示区域 r 的可达性，ak(t)表示区域 r内的质心栅格 k 的可达性。在 SASI 模型中，使用区域质心栅格的可达性来计算区域可达性，每个区域仅需计算一个栅格单元，大大减少了模型的计算量。质心栅格的可达性是从该栅格到其他栅格的出行时间的负指数函数的总和，并将每个栅格人口作为权重来计算的。对于不同的经济部门采用不同的弹性系数来反映不同部门对于时间的敏感性。对于农业与制造业部门，计算公式如式(2)所示:ak(t)=jPj(t)exp 0 003ckj(t)(2)服务业的计算如式(3)所示:ak(t)=jPj(t)exp 0 007ckj(t)(3)式中，ak(t)是质心栅格 k 的可达性，Pj(t)为 t 年栅格 j 的人口，ckj(t)为出行时间的阻抗。出行时间阻抗的计算如式(4)所示:ckj(t)=10 03lnmMkjexp 0 03ckjm(t)(4)式中，ckj(t)为出行时间阻抗，Mkj为出行方式，本研究选取公路与铁路两种出行方式，ckjm(t)为质心栅格 k 到栅格 j 通过 m 模式的所需时间。2 4区域 GDP 模拟不同情境下雄安新区各镇的 GDP 预测同样通过 SA-SI(运输投资和运输系统改进的空间和社会经济影响)模型15 实现。SASI 模型中包含区域可达性、区域 GDP、区域就业、区域人口、经济指标等子模型16。3模型验证与情景设计3 1土地利用变化模拟验证本研究以 2015 年土地利用图模拟 2019 年土地利用变化，根据雄安新区的实际情况选取人口、GDP 到行政中心的距离、到铁路距离、到高速公路距离、到主要道路距离、到二级道路距离、到其他道路距离、高程、规划数据、生态限制作为静态距离(如图 1 所示)。选取到主/辅建设用地的距离和到其他建设用地的距离作为动态距离，将建设用地分为主/辅建设用地和其他建设用地分别进行模拟，以符合新区未来的土地利用变化格局。图 1静态变量图层Fig 1static variable layer在模拟新区 2019 年的土地利用变化时，需设置 Di-namica EGO 模型的相关参数以保证模拟的准确性，即Patcher/Expander 的比例，该参数控制着新生斑块的数量。在 Expander 及 Patcher 函数中分别设置斑块平均大小(Mean Patch Size)，斑块大小方差(Patch Size Variance)及等距指数(Isometry)(见表 1)。新增斑块的大小主要由斑块平均面积及斑块的大小方差来决定，等距指数控制着斑块的分散程度，其变化范围为 0 到 2，值越大新生成的斑块越等距，如图 2 所示。141第 5 期何旭东等:雄安新区土地利用变化及其经济影响预测研究表 1建设用地变化模拟参数设置Tab 1Setting of simulation parameters of construction land changeExpanderPatcher比例平均大小大小方差等距指数平均大小大小方差等距指数其他用地到其他建设用地0 750 180 091 50 180 091其他用地到主/辅建设用地0 90 720 181 50 720 361本研究计算了两幅土地利用图的 Kappa 系数来评估模拟的有效性，其 Kappa 系数为 0 956 5，说明模型能够较好地模拟雄安新区的建设用地变化。图 22019 年雄安新区土地利用模拟Fig 2Land use simulation of Xiongan New Area in 20193 2GDP 模拟验证本研究利用 2015 年各镇的社会经济数据基于多元非线性回归方法来校准区域 GDP 子模型中的生产函数，农业、制造业、服务业校准结果如下式(5、6、7)所示:Q1r(t)=L1r(t)0 721A1r(t)0 526(ordr)0 0450 832(5)Q2r(t)=L2r(t)0 096A2r(t)1 544(hrwr)0 5010 239(6)Q3rt()=L3r(t)0 730A3r(t)0 543(hrvr)0 0690 132(7)式中各变量分别表示:区域禀赋包括高等教育人数比例(hr);土壤质量(or)，即作物产量(t/hm2);区域内的可发展土地(dr);区域内的 D 经费占比(wr)及生活质量(or)。考虑到雄安新区交通基础设施的建设情况，对于新区未来 GDP 模拟预设了 3 种情景:情景一是只建设公路交通设施，情景二是只建设铁路交通设施，情景三是公路与铁路交通基础设施同时建设。4结果分析4 1生境质量评估利用 Habitat Quality 模型对雄安新区生境质量进行评价，并通过自然断裂法将其划分为优、良、中、差 4 个等级。生境 质 量 最 高 的 区 域 位 于 白 洋 淀 区 域，其 面 积 为169 km2，主要因为白洋淀区域水域辽阔，区域内包含湿地等生态适宜性较高的土地覆盖类型;评价结果为良的区域面积为 618 km2，主要位于白洋淀周围且距离城市较远的区域;评价结果为中、差的区域面积分别为 679 和303 km2，主要位于人类聚居地及距离城市较近的区域。将该评价结果作为 Dinamica EGO 模型的生态限制图层。4 2土地利用变化本研究模拟的 2035 年建设用地的空间分布中主/辅建设用地面积为 251 km2，其他建设用地面积为 286 km2，总建筑面积为 537 km2，与规划纲要中的建筑用地总规模约为 530 km2相当(如图 3 所示)。基于该模拟结果，设置主/辅建设用地的人口密度为 1 38 万人/km2，将其他建设用地的人口密度设置为 0 62 万人/km2探究雄安新区2035 年的经济发展情况。图 32035 年雄安新区土地利用及空间结构图Fig 3Land use and spatial structure of XionganNew Area in 20354 3区域可达性通过可达性子模型的计算，2015 年可达性最大的区域为朱各庄镇，其分值约为 10 万。到 2035 年，各镇的可达性均有大幅度的提升，其中张岗乡、昝岗镇、双堂乡等10 个镇的可达性均大于 12 万。新区各镇可达性提升幅度最大的是龙化乡、刘李庄镇、同口镇、老河头镇及芦庄乡，提升幅度均在 26%以上(如图 4 所示)。图 4雄安新区可达性评价结果Fig 4Accessibility evaluation results of Xiongan New Area4 4区域 GDP从模拟结果可以看出，公路及铁路交通基础设施的同时建设会对雄安新区的 GDP 带来最大的增长，其 GDP总量为 3 506 亿，其中大河镇等 5 个乡镇的 GDP 均超过了120 亿元。铁路交通基础设施建设情景下的 GDP 总量为3 329 亿;其中大王镇等 4 个乡镇的 GDP 超过 120 亿元，只建设公路交通基础设施情景的 GDP 总量为 2 880 亿;其中，大河镇等 6 个乡镇的 GDP 超过 100 亿元(如图 5 所示)。241测绘与空间地理信息2023 年图 5雄安新区 2035 年 GDP 模拟结果Fig 5GDP simulation results of XionganNew Area in 20355结束语雄安新区是承担着国家重大战略任务的新区。深入研究其未来的经济发展状况，对于高起点高标准建设雄安新区打造推动高质量发展的全国样板，建设现代化经济体系的新引擎具有重要意义。本研究通过 InVEST 模型与 Dinamica EGO 模型模拟了新区 2035 年生境质量约束下的建设用地变化，基于 SASI 模型探究了新区的交通基础设施建设在特定人口规模下对于经济发展的影响，细致量化了不同情景下新区各镇的 GDP 发展情况，为雄安新区未来的产业转移、人口迁移、规划建设提供参考依据。得到了如下结论:本研究的研究成果也可应用于其他地区，为不同城市的生境质量评价、土地利用变化模拟及交通基础设施的建设对于区域发展的影响提供案例参考。为决策者评估城市增长对于生态环境的影响提供科学依据，同时也丰富了 SASI 模型的应用范围，有助于理解在不同规划政策影响下的城市增长对于区域发展的影响。参考文献:1ZHOU L，DANG X，SUN Q，et al Multiscenario simula-tion of urban land change in Shanghai by random 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